水性碳纤维上浆剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水性碳纤维上浆剂及其制备方法。其中，该水性碳纤维上浆剂由按重量份计的以下组分制成：环氧树脂20～40重量份，亲水性乳化剂2～15重量份，水性聚氨酯乳液0～20重量份，高级脂肪酸酰胺0～5重量份，光引发剂0.1～3重量份，水性润湿分散剂0.05～5重量份，增稠剂0.1～5重量份，溶剂0.2～5重量份，去离子水30～70重量份。本发明专利技术的水性碳纤维上浆剂是一种热固化和光固化复合的水性碳纤维上浆剂，该上浆后的碳纤维，可以先通过高温热烘的方法进行烘干，然后通过光固化的方式进行固化，使得碳纤维上浆剂的性能进一步提高。

【技术实现步骤摘要】
水性碳纤维上浆剂及其制备方法
本专利技术涉及碳纤维上浆剂
，具体而言，涉及一种水性碳纤维上浆剂及其制备方法。
技术介绍
目前，上浆剂在高性能碳纤维及纤维增强树脂复合材料应用中占有极其重要的作用。在碳纤维表面进行上浆处理后，可以提升碳纤维的集束性、滑爽性、耐磨性、可加工性等性能，满足碳纤维在后续纺织和加工等制造工艺中的要求。现有市场上使用的上浆剂主要分为两大类：油性上浆剂和水性上浆剂。随着国家对环境保护的要求越来越高，市场上水性上浆剂的占比越来越高。水性碳纤维上浆剂主要通过高温热烘的方式进行快速烘干，烘干后进行收卷，放置一段时间后使用。一般来说，现有技术中所使用水性碳纤维上浆剂，主要为水性改性环氧树脂体系。水性改性环氧树脂体系包括水性聚氨酯改性环氧树脂、水性聚酯改性环氧树脂、水性聚醚改性环氧树脂、水性聚丙烯酸酯改性环氧树脂、水性聚酰胺改性环氧树脂等。水性改性环氧树脂体系可以分为单组份环氧树脂体系和双组份环氧树脂体系。一般来说，单组份环氧树脂体系不含固化剂或交联剂，或者含有常温不参与反应的固化剂或交联剂。双组份环氧树脂体系由主体树脂和固化剂或交联剂组成，使用时，将两组分混合后使用。不含固化剂或交联剂的碳纤维上浆剂体系烘干后无法进行后固化，碳纤维表面触摸时易粘手，且性能稍差。而含有固化剂或交联剂的碳纤维上浆剂体系烘干后，在后固化的过程中，上浆剂树脂容易发生过度固化，上浆后的碳纤维过硬，易于折断，纺丝过程中易出现问题，且后固化的时间较长，效率较低。现有市面上的碳纤维上浆剂一般是由两种制备方法得到：化学合成和物理分散得到。通过将亲水性的链段接到环氧树脂上，使得环氧树脂具有亲水性或具有水可分散的能力，是化学合成法。化学合成法制备得到的碳纤维上浆剂，优点是储存稳定性高，性能出色；缺点是：合成周期较长，对生产设备的要求较高，反应过程中需要用到毒性较高的催化剂，环境友好性问题无法解决。通过乳化剂、增稠剂等将环氧树脂进行乳化，从而使得环氧树脂稳定的分散于去离子水中的方法为物理分散法。物理分散法制备得到的碳纤维上浆剂，优点是制备过程简单，对生产设备的要求较低；缺点是储存稳定性稍差，性能稍弱，需要加入其它类型的树脂弥补其性能。此外，通过物理方式制备的环氧树脂乳液，在烘干过程中，乳化剂容易游离到涂膜表层，从而影响碳纤维表面的界面性能，且在复合材料制备过程中，容易影响与碳纤维表面复合树脂的结合性，从而影响复合材料的力学性能。CN106637984A公开了一种聚酰胺改性环氧碳纤维的制备方法，涉及碳纤维/环氧复合材料的制备领域，所述方法包括：将聚酰胺树脂和环氧树脂放入反应釜中，得到聚酰胺改性环氧树脂；使用溶剂将所述聚酰胺改性环氧树脂溶解，然后加入亲水性聚醚和催化剂，得到亲水改性的聚酰胺改性环氧树脂；向亲水改性的聚酰胺环氧树脂中加入去离子水，通过剪切搅拌，得到聚酰胺改性环氧乳液，最后将聚酰胺改性环氧乳液作为上浆剂对所述碳纤维进行上浆处理，获得所述聚酰胺改性环氧表面改性的碳纤维。解决了现有碳纤维生产中改性的方法条件复杂，处理时间不易控制，容易造成碳纤维的模量和断裂强度下降，从而大幅降低其符合材料的性能的问题。但是该专利公开的聚酰胺改性环氧树脂，在合成制备过程中，需要使用毒性较高的三氟化硼乙醚作为催化剂，环境友好型问题无法解决。CN104448245A公开了一种超支化型环氧乳液制备方法，所述的制备方法，包括如下步骤：将多元胺与环氧树脂反应，合成超支化型环氧树脂；所述超支化型环氧树脂在催化剂的作用下，与亲水性聚醚反应，得到亲水改性的超支化型环氧树脂；在所述亲水改性的超支化环氧树脂中加入去离子水，通过剪切搅拌，制备成超支化型环氧乳液。该专利技术制备的超支化环氧乳液，可以作为碳纤维上浆剂、玻璃纤维和玄武岩纤维的浸润剂使用，能够提供纤维束优异的集束性、开纤性和与环氧树脂的浸润性，使用该环氧乳液上浆的纤维可用于制备高层剪切和耐高温的复合材料。但是该专利公开的超支化环氧树脂乳液，在合成制备过程中，需要使用毒性较强的三氟化硼乙醚作为催化剂，环境友好型问题无法解决。通过多元胺改性后的环氧树脂乳液，在高温烘烤过程中易发生内交联反应，使得干膜的脆性增加，无法适应碳纤维的后加工步骤。CN103797183A公开了一种可以对用以制作纤维强化复合材料的强化纤维束赋予充分的集束性与开纤性的纤维用上浆剂。其中，一种纤维用上浆剂组成物(E)，其还有35℃的黏度为50Pa.s～3000Pa.s的上浆剂(A)，且触变指数为3～15，其中(A)较佳为环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯甲酸酯树脂、聚醚树脂及乙烯基树脂。该专利公开的碳纤维上浆剂，主要是通过乳化剂分散分子量较低的环氧树脂乳化而成，通过物理分散方式制备得到的外乳化型环氧树脂乳液稳定性稍差于化学合成法制备得到的内乳化型环氧树脂乳液。一般来说，对于高分子量的环氧树脂无法使用外乳化剂进行外乳化，而化学合成法可以进行分子设计达到内乳化。因此，外乳化型的环氧树脂乳液性能受到限制，只能够通过额外加入其它类型的乳液进行弥补，比如合成好的聚氨酯乳液。此外，通过物理方式制备的环氧树脂乳液，在烘干过程中，乳化剂容易游离到涂膜表层，从而影响碳纤维表面的界面性能，且在复合材料制备过程中，容易影响与碳纤维表面复合树脂的结合性，从而影响复合材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种水性碳纤维上浆剂及其制备方法，以提高水性碳纤维上浆剂的力学性能。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种水性碳纤维上浆剂。该水性碳纤维上浆剂由按重量份计的以下组分制成：进一步地，环氧树脂的添加量为22～35重量份，优选为25～30重量份；优选的，亲水性乳化剂的添加量为5～10重量份，更优选为6～8重量份；优选的，水性聚氨酯乳液的添加量为2～15重量份，更优选为3～10重量份；优选的，高级脂肪酸酰胺的添加量为1～3重量份，更优选为1.5～2重量份；优选的，光引发剂的添加量为0.2～2重量份，更优选为0.5～1重量份；优选的，水性润湿分散剂的添加量为0.1～3重量份，更优选为0.2～1重量份；优选的，增稠剂的添加量为0.2～3重量份，更优选为0.5～1重量份；优选的，溶剂的添加量为0.5～3重量份，更优选为1～2重量份；优选的，去离子水的添加量为40～60重量份，更优选为45～50重量份。进一步地，环氧树脂选自由双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、甲酚甲醛型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂和缩水甘油醚型环氧树脂组成的组中的一种或多种；优选的，亲水性乳化剂包括反应型亲水性乳化剂和非反应型亲水性乳化剂，其中，反应型亲水性乳化剂占亲水性乳化剂的重量百分率为50～100％；优选的，反应型亲水性乳化剂为三苯乙烯苯酚聚乙二醇甲基丙烯酸酯、烷氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的一种或多种；优选的，非反应型亲水性乳化剂为壬基酚聚氧乙烯醚、多芳基聚醚、三苯乙烯苯酚聚氧乙烯醚中的一种或多种；优选的，非反应型亲水性乳化剂为聚乙二醇、聚乙二醇单甲醚、聚乙二醇单酯类中的一种或多种的混合物，分子量为400～20000；优选的，亲水性乳化剂还可选自由壬基酚型非离子乳化剂、壬基酚型阴离子乳化剂、磷酸酯型阴离子乳化剂、非壬基酚型非离子乳化剂和非壬基酚型阴离子乳化剂组成的组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述水性碳纤维上浆剂由按重量份计的以下组分制成：

【技术特征摘要】
1.一种水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述水性碳纤维上浆剂由按重量份计的以下组分制成：2.根据权利要求1所述的水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述环氧树脂的添加量为22～35重量份，优选为25～30重量份；优选的，所述亲水性乳化剂的添加量为5～10重量份，更优选为6～8重量份；优选的，所述水性聚氨酯乳液的添加量为2～15重量份，更优选为3～10重量份；优选的，所述高级脂肪酸酰胺的添加量为1～3重量份，更优选为1.5～2重量份；优选的，所述光引发剂的添加量为0.2～2重量份，更优选为0.5～1重量份；优选的，所述水性润湿分散剂的添加量为0.1～3重量份，更优选为0.2～1重量份；优选的，所述增稠剂的添加量为0.2～3重量份，更优选为0.5～1重量份；优选的，所述溶剂的添加量为0.5～3重量份，更优选为1～2重量份；优选的，所述去离子水的添加量为40～60重量份，更优选为45～50重量份；优选的，所述环氧树脂与所述溶剂的添加量重量比为100：2～30，优选为100：3～20，更优选为100：4～10；优选的，所述环氧树脂与所述高级脂肪酸酰胺的添加量重量比为100：1～20，优选:为100：2～10，更优选为100：3～5。3.根据权利要求1所述的水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述环氧树脂选自由双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、甲酚甲醛型环氧树脂、苯酚酚醛型环氧树脂和缩水甘油醚型环氧树脂组成的组中的一种或多种；优选的，所述亲水性乳化剂包括反应型亲水性乳化剂和非反应型亲水性乳化剂，其中，所述反应型亲水性乳化剂占所述亲水性乳化剂的重量百分率为50～100％；优选的，所述反应型亲水性乳化剂为三苯乙烯苯酚聚乙二醇甲基丙烯酸酯、烷氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯中的一种或多种；优选的，所述非反应型亲水性乳化剂为壬基酚聚氧乙烯醚、多芳基聚醚、三苯乙烯苯酚聚氧乙烯醚中的一种或多种；优选的，所述非反应型亲水性乳化剂为聚乙二醇、聚乙二醇单甲醚、聚乙二醇单酯类中的一种或多种的混合物，分子量为400～20000；优选的，所述亲水性乳化剂还可选自由壬基酚型非离子乳化剂、壬基酚型阴离子乳化剂、磷酸酯型阴离子乳化剂、非壬基酚型非离子乳化剂和非壬基酚型阴离子乳化剂组成的组中的一种或多种；优选的，所述水性聚氨酯乳液为水分散型聚氨酯树脂或水乳液型聚氨酯树脂；优选的，所述高级脂肪酸酰胺为脂肪族单羧酸酰胺和/或脂肪族二羧酸酰胺，更优选的，所述脂肪族单羧酸酰胺选自由油酸酰胺、硬脂酸酰胺、芥子酸酰胺、月硅酸酰胺、棕榈酸酰胺、蓖麻油酸酰胺和羟基硬脂酸酰胺组成的组中的一种或多种；所述脂肪族二羧酸酰胺选自由亚乙基二硬脂酸酰胺、亚乙基二月硅酸酰胺、亚乙基二油酸酰胺、亚乙基二异硬脂酸酰胺、亚乙基二羟基硬脂酸酰胺和六亚甲基二硬脂酸酰胺组成的组中的一种或多种；优选的，所述光引发剂为裂解型引发剂和/或夺氢型引发剂；更优选的，所述裂解型引发剂选自由2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、1,1'-(亚甲基二-4,1-亚苯基)双[2-羟基-2-甲基-1-丙酮]、2-甲基-1-[-4-甲硫基)苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、安息香双甲醚、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基-环己基-苯基甲酮和苯甲酰基衍生物组成的组中的一种或多种，所述夺氢型引发剂选自由二苯甲酮、4-苯甲酰基-4'-甲基-二苯硫醚、2-苯甲酰基苯甲酸甲酯、异丙基硫杂嗯酮(2,4异构体混合物)和4-(N,N-二甲氨基)苯甲酸乙酯组成的组中的一种或多种；优选的，所述水性润湿分散剂选自由高分子量酸性聚合物的烷基醇胺盐、丙烯酸类共聚物、含有颜料亲和机关的结构化共聚物、低分子量多元羟酸聚合物的烷羟基胺盐、带酸性基团的高分子共聚酯的烷醇胺、多官能基聚合体的烷醇胺、多官能基聚合体的烷基铵盐、含颜料亲和基团高分子共聚体和带有颜料亲和基团的丙烯酸共聚物组成的组中的一种或多种；优选的，所述增稠剂选自由聚羟基羧酸酰胺溶液、改性脲溶液、脲改性聚氨酯溶液、高度分支结构的聚氨酯溶液组成的组中的一种或多种；优选的，所述溶剂选自由丙二醇甲醚、乙二醇丁醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二丁醚、丙酮、丁酮和乙酸丁酯组成的组中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述水性碳纤维上浆剂上浆后需进行热固化和紫外光固化。5.根据权利要求4所述的水性碳纤维上浆剂，其特征在于，所述热固化的温度为100～160℃，优选130～150℃；所述紫外光固化中紫外线的照射光量为200～1000mj/m2，优选地，所述紫外线的照射光量为600～800mj/m2。6.一种如权利要求1至5中任一项所述的水性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括：称取以下重量份的组分：将上述组分混合均匀制备得到所述水性碳纤维上浆剂。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水性碳纤维上浆剂的制备方法具体包括以下步骤：S1，将所述环氧树脂加入适量所述溶剂搅拌混合均匀，得到第一环氧树脂体系；S2，向所述第一环氧树脂体系中加入所述亲水性乳化剂，搅拌均匀后加入所述水性润湿分散剂，得到第二环氧树脂体系；S3，向所述第二环氧树脂体系中加入去离子水进行分散，然后加入用剩余部分所述溶剂溶解的所述光引发剂，得到第三环氧树脂体系；S4，将所述增稠剂用去离子水稀释后加入所述第三环氧树脂体系，搅拌均匀，得到所述水性碳纤维上浆剂。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述S1包括，所述环氧树脂和适量所述溶剂在带有冷凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王友东，王海龙，丁清华，
申请(专利权)人：张家港康得新光电材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32