一种聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法，本发明专利技术的制备过程包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆时采用聚醚酰亚胺基悬浮液上浆剂；所述聚醚酰亚胺基悬浮液上浆剂由聚醚酰亚胺树脂粉末、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚醚酰亚胺粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占12～17wt％，烷基酚聚氧乙烯醚占13～18wt％。本发明专利技术所制备的碳纤维适用于制备聚醚酰亚胺树脂基复合材料，所制备的复合材料耐温性和界面结合能力优异，加工工艺性能良好。

A Carbon Fiber for Polyetherimide Resin Matrix Composites and Its Preparation Method

The invention discloses a carbon fiber for polyetherimide resin matrix composites and a preparation method thereof. The preparation process of the invention includes sequential polymerization, spinning, pre-oxidation, low-temperature carbonization, high-temperature carbonization, surface treatment, washing, drying before sizing, sizing, drying after sizing and winding and yarn-winding; among them, polyetherimide suspension sizing agent is used for sizing. The polyetherimide suspension sizing agent is composed of polyetherimide resin powder, sodium polyacrylate, alkyl phenol polyoxyethylene ether and deionized water; according to the total mass of solid components, polyetherimide powder accounts for 65-75 wt%, sodium polyacrylate for 12-17 wt%, alkyl phenol polyoxyether for 13-18 wt%. The carbon fiber prepared by the invention is suitable for preparing polyetherimide resin matrix composites, and the prepared composite material has excellent temperature resistance, interfacial bonding ability and good processing performance.

【技术实现步骤摘要】
一种聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法
本专利技术属于碳纤维制备
，特别涉及一种聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。
技术介绍
碳纤维是一种具有高强度和高模量的无机纤维，通常用作复合材料增强相，与基体树脂复合形成具有综合性能的新材料。聚醚酰亚胺是由规则交替重复的醚和酰亚胺环构成一种高性能特种工程树脂，其产品具有优异的机械性能、耐高温及尺寸稳定性，可采用大多数型式的标准注塑和挤塑设备加工，可广泛应用于耐高温电子电气、工业设备等高端制造领域。两相界面性能是制备复合材料的关键技术，同时受到碳纤维和基体树脂两方面的综合影响。碳纤维因表面惰性及加工要求，通常在表面涂覆一层高分子树脂基上浆剂，以改善表面和工艺性能。目前常用上浆剂为环氧树脂体系乳液上浆剂，其主要存在的问题是，在长期储存过程中或高温加工工艺条件下，环氧树脂容易开环聚合导致上浆碳纤维老化变硬，增加了高粘度热塑性聚醚酰亚胺树脂向碳纤维内部铺展浸润的难度，使所制备的复材均匀性差，疵点孔洞增加，纤维和基体树脂间的结合力变弱，复材整体性能受损。采用合理的碳纤维氧化碳化技术、上浆剂组分及上浆工艺等综合技术，形成一种和聚醚酰亚胺树脂具有良好的加工性能及界面结合能力的碳纤维具有重要的工业价值。中国专利201310041652.5公开了一种乳液型碳纤维用上浆剂，该上浆剂是由2-40％的环氧树脂、1-20％的改性剂、0-96.5％的水和0.5-15％的表面活性剂制备得到。该专利技术采用向传统环氧树脂体系上浆剂添加和聚酰胺、聚酰亚胺或聚醚酰亚胺树脂具有类似结构的改性剂的方法，改善上浆后碳纤维与上述树脂的界面结合力。但该类上浆剂主体仍为环氧树脂，未能解决上述高温或储存过程中存在的各种问题。
技术实现思路
为解决目前碳纤维增强聚醚酰亚胺树脂基复合材料工业应用中出现的各种问题，本专利技术提出一种适用于聚醚酰亚胺树脂基复合材料的碳纤维及其制备方法。该方法包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。本专利技术在上浆工艺中引入了以聚醚酰亚胺树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以烷基酚聚氧乙烯醚为稳定助剂、采用物理搅拌混合方法制备的新型悬浮液类碳纤维上浆剂，解决了聚醚酰亚胺基体树脂浸渍不良和纤维老化变硬等问题。在上浆工艺中引入上浆前红外辐射加热工艺，在上浆后干燥工序中引入卧式热风烘干箱烘干工艺，解决了聚醚酰亚胺树脂悬浮液上浆剂在碳纤维表面铺展的均匀性和纤维烘干等问题。采用本专利技术所述方法制备的碳纤维表面涂覆由聚醚酰亚胺树脂为主体制备的上浆剂，不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚醚酰亚胺树脂基复合材料。所制备的碳纤维可根据后续加工需要调整上浆量和收丝幅宽，减少后道加工应用的材料用量和加工难度，碳纤维预浸料、织物等产品的均匀性和稳定性好。所制备的复合材料耐温性和界面结合能力优异，加工工艺性能良好。本专利技术的技术方案具体介绍如下。本专利技术提供一种聚醚酰亚胺基复合材料用碳纤维的制备方法，其制备过程包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆在浸渍式上浆槽中进行，上浆剂采用聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂；所述聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂由聚醚酰亚胺树脂粉末、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和去离子水组成；固体组分占聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂的质量含量为5～30％；按照固体组分的总质量为100％，聚醚酰亚胺粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占12～17wt％，烷基酚聚氧乙烯醚占13～18wt％。本专利技术中，所述聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先将聚醚酰亚胺树脂粉末和聚丙烯酸钠按比例投入混合容器中，加入去离子水，待加水量达到聚醚酰亚胺树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量20～30wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速100～200rpm，搅拌20～60min进行均质分散，得到均匀白色乳状液；然后将上述物料转移至装有高速乳化器的闭口装置中，加入定量的烷基酚聚氧乙烯醚，使上述所有固体组分在悬浮液上浆剂中的质量百分比为5％～30％；最后开启高速乳化机，以3000～8000rpm转速继续搅拌10～30min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。本专利技术中，所述的聚醚酰亚胺树脂粉末的结构如通式(1)所示：其中：n代表聚醚酰亚胺的聚合度。本专利技术中，聚醚酰亚胺树脂粉末的数均分子量在2.5万～3.5万之间，平均直径在10～60微米之间。本专利技术中，聚醚酰亚胺树脂粉末的数均分子量优选在3.0万～3.3万之间，平均直径优选在20～40微米之间。本专利技术中，聚丙烯酸钠的数均分子量在1000～5000之间，所述烷基酚聚氧乙烯醚的结构通式如式(2)所示：其中，R选自C10～C25烷基中任一种；聚合度m为25～45之间的整数。本专利技术中，聚丙烯酸钠的数均分子量优选在2000～4000之间。本专利技术中，氧化在氧化炉中进行，氧化炉有5个温区，温度控制分别为0～240℃、0～250℃、0～260℃、0～270℃、0～280℃；低温碳化在低温碳化炉中进行，低温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～600℃、0～650℃、0～750℃、0～850℃、0～950℃；高温碳化在高温碳化炉中进行，高温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～1300℃、0～1400℃、0～1400℃、0～1500℃、0～1600℃。本专利技术中，上浆前干燥采用红外辐射加热工艺，上浆后干燥采用卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺。本专利技术还提供一种上述的制备方法得到的聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维。采用乳液型环氧树脂基上浆剂进行碳纤维上浆时，由于环氧树脂的软化温度较低，因此不能采用过高的干燥温度。在干燥温度和干燥时间受限制的条件下，采用乳液型环氧树脂基上浆剂制备碳纤维的上浆量不能太高，否则会造成上浆纤维难以烘干，表面含有大量水分，影响后道加工应用，同时也限制了碳纤维必须制备成集束状纤维。与采用乳液型环氧树脂基上浆剂相比较，本专利所制备的碳纤维采用上浆前红外辐射加热工艺、上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺。采用上浆前红外辐射加热干燥工艺，可以在碳纤维进入上浆槽前，快速去除碳纤维丝束中每根碳纤维的水分，保持碳纤维含水率的一致性。使碳纤维进入上浆槽后，上浆剂能够快速的浸渍到纤维束内部，提高纤维上浆量和上浆速度；同时可以保证上浆剂与每根碳纤维具有相同的浸润吸附能力，保证上浆效果更为均匀稳定，避免因含水率不一致导致的反润湿现象。采用上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺，可以确保上浆碳纤维在张力控制下能够更快的完成干燥，降低工艺难度和能耗，使纤维铺展成均匀带状纤维。采用上述方法制备的上浆碳纤维，上浆量高低可控，可以减少预浸料加工时树脂膜的用量，提高产品整体经济性。丝束宽度可以通过上浆量、烘干工艺参数调节等灵活控制，可应用于各种不同类型的再加工设备和工艺，增加产品工艺适用性。和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术所述的一种聚醚酰亚胺树脂基复合材料用碳纤维，采用以聚醚酰亚胺树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以烷基酚聚氧乙烯醚为稳定助剂、采用物理搅拌混合方法制备的新型悬浮液类碳纤维上浆剂，解决了聚醚酰亚胺基体树本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚醚酰亚胺基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，其制备过程包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆在浸渍式上浆槽中进行，上浆剂采用聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂；所述聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂由聚醚酰亚胺树脂粉末、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和去离子水组成；固体组分占聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂的质量含量为5～30％；按照固体组分的总质量为100％，聚醚酰亚胺粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占12～17wt％，烷基酚聚氧乙烯醚占13～18wt％。

【技术特征摘要】
1.一种聚醚酰亚胺基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，其制备过程包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆在浸渍式上浆槽中进行，上浆剂采用聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂；所述聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂由聚醚酰亚胺树脂粉末、聚丙烯酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚和去离子水组成；固体组分占聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂的质量含量为5～30％；按照固体组分的总质量为100％，聚醚酰亚胺粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占12～17wt％，烷基酚聚氧乙烯醚占13～18wt％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚醚酰亚胺树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先将聚醚酰亚胺树脂粉末和聚丙烯酸钠按比例投入混合容器中，加入去离子水，待加水量达到聚醚酰亚胺树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量20～30wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速100～200rpm，搅拌20～60min进行均质分散，得到均匀白色乳状液；然后将上述物料转移至装有高速乳化器的闭口装置中，加入定量的烷基酚聚氧乙烯醚，使上述所有固体组分在悬浮液上浆剂中的质量百分比为5％～30％；最后开启高速乳化机，以3000～8000rpm转速继续搅拌10～30min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的聚醚酰亚胺树脂粉末的结构如通式(1)所示：其中：n...

【专利技术属性】
技术研发人员：季春晓，黄翔宇，曹阿民，刘瑞超，袁玉红，翁丽萍，许璐璐，马艳丽，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石化上海石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11