一种聚砜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砜树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。本发明专利技术的聚砜树脂基复合材料用碳纤维的制备过程包括依次的聚合、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、卷绕收丝的生产工序。其中：上浆时采用聚砜树脂基悬浮液上浆剂；所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂由聚砜树脂粉末、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚砜树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，聚乙烯醇占15～20wt％。本发明专利技术所制备的碳纤维适用于制备聚砜树脂基复合材料，所制备的复合材料耐热性高，界面力学性能优异。

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

The invention discloses a carbon fiber for polysulfone resin matrix composite material and a preparation method thereof. The preparation process of carbon fibers for polysulfone resin matrix composites includes sequential polymerization, spinning, pre-oxidation, low temperature carbonization, high temperature carbonization, surface treatment, washing, drying before sizing, sizing, drying after sizing, winding and winding. Among them: polysulfone resin-based suspension sizing agent is used when sizing; the polysulfone resin-based suspension sizing agent is composed of polysulfone resin powder, sodium polyacrylate, polyvinyl alcohol and deionized water; according to the total mass of solid components, polysulfone resin powder accounts for 65-75 wt%, sodium polyacrylate for 10-15 wt%, polyvinyl alcohol for 15-20 wt%. The carbon fiber prepared by the invention is suitable for preparing polysulfone resin matrix composite material, and the prepared composite material has high heat resistance and excellent interfacial mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种聚砜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
，特别涉及一种聚砜树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。
技术介绍
复合材料是近年来材料领域的重要发展方向，其中以碳纤维作为增强相，以高性能热固性或热塑性树脂作为基体制备的树脂基复合材料在航空航天、汽车、风电等诸多领域有广泛的应用前景。目前较为常用基体树脂多为热固性树脂，其存在韧性差、吸水率高、湿热条件下稳定性差等缺点，因此高性能热塑性树脂受到越来越多的关注。其中，聚砜树脂力学性能优异，耐温性高，具有良好的尺寸稳定性和突出的抗蠕变性，是一种具有良好应用前景的热塑性基体树脂。碳纤维与聚砜基体树脂之间的界面由碳纤维、上浆剂、基体树脂等复合组成，上浆剂作为碳纤维与基体树脂之间的中间层，起到重要的过渡作用。常用的碳纤维上浆剂多为环氧树脂基乳液上浆剂，含有大量活性环氧基团，容易在外界高温及化学条件作用下开环固化，导致碳纤维及织物老化变硬。进一步会造成基体树脂铺展浸润困难，产品空隙疵点增加，力学性能受到影响。因此，传统环氧基乳液上浆剂不适用于碳纤维增强热塑性聚砜基复合材料。中国专利201210566773.7公开了一种乳液型碳纤维，该上浆剂主剂包括2-40％的环氧树脂和1-20％的二苯砜或二苯醚改性剂，在一定程度上加强了碳纤维与聚砜类树脂的相互作用。但其主体树脂仍然为环氧树脂，上述老化固化及浸渍铺展等问题仍难以解决，所制备的碳纤维与基体树脂的加工及界面仍有较大困难。因此，开发一种聚砜树脂基复合材料专用的碳纤维有较高的工业应用价值。
技术实现思路
为解决目前碳纤维增强聚砜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聚砜树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。本专利技术方法包括依次聚合、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。本专利技术在上浆工艺中引入了以聚砜树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以聚乙烯醇为稳定助剂、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，解决了聚砜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，解决了聚砜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砜树脂为主体制备的上浆剂，不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚砜树脂基复合材料。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热性高，界面力学性能优异。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砜树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其包括依次聚合、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，上浆剂采用聚砜树脂基悬浮液上浆剂；所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂由聚砜树脂粉末、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚砜树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，聚乙烯醇占15～20wt％。本专利技术中，所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先，将聚砜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，待加水量达到聚砜树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量35～45wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速100～250rpm，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，加入定量的聚乙烯醇，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4000～9000rpm转速继续搅拌10～25min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。本专利技术中，所述的聚砜树脂粉末选自双酚A型聚砜、聚芳砜或聚醚砜中任一种，所述双酚A型聚砜、聚芳砜或聚醚砜的结构如式(1)～(3)所示：其中：m、n、p分别为双酚A型聚砜、聚芳砜、聚醚砜的聚合度。本专利技术中，聚砜树脂粉末的数均分子量在1.5万～4.0万之间，优选2.0万～3.5万；聚砜树脂粉末的平均直径在10～60微米之间，优选20～40微米。本专利技术中，所述的聚丙烯酸钠的数均分子量在1000～5000之间，优选2000～4000；所述聚乙烯醇的数均分子量在6000～13000之间，优选8000～10000之间。本专利技术中，预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℃。本专利技术中，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砜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，本专利技术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砜树脂基复合材料用碳纤维，采用以聚砜树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以聚乙烯醇为稳定助剂、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，成本低廉、工艺简便、安全性和稳定性满足工程工艺需要，同时解决了聚砜基体树脂浸渍不良和纤维老化变硬等问题。(2)本专利技术所述的一种聚砜树脂基复合材料用碳纤维的制备过程中，在上浆工艺中引入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，解决了聚砜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。(3)采用本专利技术所述方法制备的碳纤维表面不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚砜树本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚砜树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，其包括依次聚合、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，上浆剂采用聚砜树脂基悬浮液上浆剂；所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂由聚砜树脂粉末、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚砜树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，聚乙烯醇占15～20wt％。

【技术特征摘要】
1.一种聚砜树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，其包括依次聚合、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，上浆剂采用聚砜树脂基悬浮液上浆剂；所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂由聚砜树脂粉末、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚砜树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，聚乙烯醇占15～20wt％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚砜树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先，将聚砜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，待加水量达到聚砜树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量35～45wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速100～250rpm，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，加入定量的聚乙烯醇，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4000～9000rpm转速继续搅拌10～25min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚砜树脂粉末选自双酚A型聚砜、聚芳砜或聚...

【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，吴嵩义，许璐璐，田晓婧，
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