一种乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种乳液型碳纤维上浆剂，包括：主浆料、乳化剂、助剂和去离子水，所述助剂包括稀释剂和渗透剂，其中，乳化剂的质量为主浆料质量的５％～１５％，稀释剂的质量为主浆料质量的０％～１２０％，渗透剂的质量为主浆料质量的１％～５％，去离子水与主浆料的质量比为５０～９０∶１０～５０。本发明专利技术还公开了本上浆剂的制备方法和用途。本上浆剂适应于不饱和聚酯树脂，解决了不饱和聚酯树脂与碳纤维黏结性不好的问题。使用该上浆剂上浆后，碳纤维的耐磨性提高、毛丝量降低，纤维的后加工性能得到改善，并且碳纤维与基体树脂的界面黏结性较好，层间剪切强度增加，复合材料的性能也得到一定提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用，特别涉及一种适用于不饱和 聚酯树脂基体的乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。
技术介绍
碳纤维是先进复合材料重要的增强材料，在军事及民用工业的各个领域已取得广 泛应用。但碳纤维属于脆性材料，在生产和加工过程中因机械摩擦容易造成单丝断裂和毛 丝，使碳纤维的强度降低，影响其复合材料的力学性能。为改善纤维的强度及深加工性能， 碳纤维生产线的收卷前都配有上浆装置。上浆是在碳纤维表面上涂一层保护胶，改善碳纤 维的加工性能，减少毛丝及单丝断裂现象，使碳纤维集束，同时还可改善纤维与基体间的黏 结，提高复合材料层间剪切强度(ILSS)。常用上浆剂分溶剂型和乳液型两种。溶剂型上浆剂使用时溶剂挥发易导致树脂残 留在导辊上，纤维通过时会造成损伤，同时有机溶剂挥发污染环境，目前国外已较少使用。 乳液型上浆剂一般不易在导辊上残留树脂，又无溶剂污染环境，而且由于含有表面活性剂， 可以大大提高纤维表面的被润湿性，还可以通过助剂达到提高碳纤维复合材料力学性能的 目的。因此，现在各碳纤维生产厂商多用乳液型上浆剂。由于复合材料使用环境和条件的不同，使用的树脂基体也性能各异。碳纤维上浆 剂必须适应不同的树脂基体，并与其有很好的相容性，才能充分发挥碳纤维的优异性能。以 往的研究者研制了许多乳液型碳纤维上浆剂，如US 4751258、US 4420512、US 5688554、CN 02813985. 2均报道了不同组成的乳液型碳纤维上浆剂，这些上浆剂都是针对环氧树脂基 体。当碳纤维复合材料的树脂基体为不饱和聚酯树脂时，其碳纤维所用上浆剂与环氧树脂 型上浆剂结构有所不同。美国专利US 4981947采用不饱和醇类与异氰酸酯反应形成具有 聚氨酯键的化合物，以此作为主要成分制备碳纤维上浆剂，但是该聚氨酯需自己聚合，工序 较繁琐，反应不容易控制。US 4880881报道了一种不仅能够提高碳纤维的深加工性能，而且 可以通过调节组分来适应环氧基体和不饱和聚酯基体的上浆剂。这种碳纤维上浆剂主要组 分为环氧树脂、含有一个稠环苯酚的烷氧基衍生物片段(B1)和一个或两个单酯或聚酯片 段(B2)特殊的共聚物、取代苯酚的烷氧基衍生物。可以通过调节组分B中B1和B2的分子 量、比例、结构和组成来获得预想的性能。但是，组分B的制备较繁琐。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述不足，提供了一种成本低、性能稳定的乳液型碳纤维上浆剂， 此上浆剂适应于不饱和聚酯树脂基体，此外，本上浆剂还能改善纤维的表面性能和深加工 性能，同时可改善纤维与基体树脂的界面黏结。本专利技术还提供了本乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，该方法操作简单，易于实施。本专利技术还提供了本乳液型碳纤维上浆剂在碳纤维上的应用。本专利技术是通过以下措施实现的一种乳液型碳纤维上浆剂，包括主浆料、乳化剂、助剂和去离子水，所述助剂包括 稀释剂和渗透剂，其中，乳化剂的质量为主浆料质量的5% 15%，稀释剂的质量为主浆料 质量的0% 120%，渗透剂的质量为主浆料质量的 5%，去离子水与主浆料的质量比 为 50 90 10 50。上述上浆剂中，所述主浆料是乙烯基酯树脂和改性环氧树脂的混合物，所述乙烯 基酯树脂和改性环氧树脂的质量比为10 90 10 90。其中，乙烯基酯树脂为双酚A型环 氧(甲基)丙烯酸类乙烯基酯树脂，改性环氧树脂为端环氧基反应型液态丁腈橡胶(ETBN) 或环氧化聚丁二烯。上述上浆剂中，所述乳化剂为下列表面活性剂中任意两种的混合物烷基酚聚 氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)磷酸酯铵盐、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)硫酸铵、 T-80(即吐温-80)、农乳602、蓖麻油聚氧乙烯醚。两种乳化剂的质量比为10 90 10 90。其中，烷基酚聚氧乙烯醚为辛基酚聚氧乙烯醚(0P-10)或壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)， 蓖麻油聚氧乙烯醚为EL-40或EL-20。含NP-10磷酸酯铵盐和NP-10硫酸铵不仅具有优良的乳化分散性能，并且不影响 上浆后碳纤维增强复合材料的耐热性。NP-10硫酸铵可在市场中买到，NP-10磷酸酯铵盐可 通过NP-10磷酸酯制得将NP-10磷酸酯加入反应釜，在搅拌下加入25-28衬％的氨水，当 pH值至7. 5-8. 5时停止滴加，在35-45°C搅拌1_1. 5h，即得NP-10磷酸酯铵盐。农乳602的结构式为 式中，(k，m= 1,2,3 ；n = 20)，E 为 C2H40。蓖麻油聚氧乙烯醚(EL-40、EL_20)的结构式为 式中，若p+q+i = 20 为 EL-20 ；若 p+q+i = 40 为 EL-40 ；E 为 C2H40。因 EL-40 和 EL-20分子结构中含有不饱和双键，能与不饱和聚酯树脂基体很好的相互作用。所述的助剂包括渗透剂和稀释剂。碳纤维为疏水性纤维，纤维间隙的空气不利于 上浆剂浸润纤维的内部，渗透剂的加入是为了提高碳纤维与基体树脂的润湿性，提高碳纤 维与基体树脂的界面黏结性。所述渗透剂为仲辛醇聚氧乙烯醚(JFC-2)或辛基酚聚氧乙烯 醚(0P-7)。由于主浆料中环氧改性的液体橡胶黏度较大，为了便于操作，适量加入稀释剂以 降低树脂的黏度。该稀释剂为丙酮、苯乙烯、邻苯二甲酸二丁酯、正丁醇或甲乙酮，也可为其 他能将各成分溶解的有机溶剂。本专利技术的关键在于主浆料、乳化剂的选择及各成分之间的配比关系，通过合理的 主浆料配比，并采用相适应的乳化剂及乳化工艺，来获得适用于不饱和聚酯树脂基体的乳 液型上浆剂。本专利技术的碳纤维乳液上浆剂的制备方法是采用转相乳化法来实现的，步骤为将 主浆料溶解在有机溶剂中，加入助剂，在40 80°C混合均勻，然后在8000 12000r/min的 转速下逐滴加入去离子水，加完水后继续搅拌20 60min，得到碳纤维乳液上浆剂。上述方法中所得碳纤维乳液上浆剂的固含量为20 50wt%。本专利技术的碳纤维乳液上浆剂的应用，方法为将上述上浆剂稀释到固含量为 0. 5 1. 0wt%,用浸渍法将上浆剂附着于碳纤维上，浸渍时间为20 40s，上浆后碳纤维在 80°C 下干燥 lOmin。上述应用中，上浆剂在碳纤维上的上浆率为1. 0 2. 0wt%。本专利技术具有以下优点1.该上浆剂为乳液型上浆剂，以水作为介质，成本低，不污染环境。2.本上浆剂适应于不饱和聚酯树脂基体，解决了不饱和聚酯树脂与碳纤维黏结性 不好的问题。3.通过各组成成分的适当配比，本专利技术上浆剂的稳定性增加。4.使用该上浆剂上浆后，碳纤维的耐磨性提高、毛丝量降低，碳纤维的后加工性能 得到改善；并且碳纤维与基体树脂的界面黏结性较好，层间剪切强度增加，复合材料的性能 也得到一定提高。5.本专利技术的制备方法操作简单，易于实施。附图说明图1为耐磨装置示意图；图2为硬挺度实验装置示意图，其中图2a为主视图，图2b为左视图；图中，1.导丝辊，2.不锈钢辊，3.碳纤维束，4.往复机，5.不锈钢钩，6.碳纤维， 7.滑动标尺。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步阐述，如无特别说明，下述均为质量百 分比。制备NP-10磷酸酯铵盐将NP-10磷酸酯加入反应釜，在搅拌下加入25-28%的氨 水，当pH值至7. 5-8. 5时停止滴加，在35-45°C搅拌1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种乳液型碳纤维上浆剂，其特征是包括：主浆料、乳化剂、助剂和去离子水，所述助剂包括稀释剂和渗透剂，其中，乳化剂的质量为主浆料质量的５％～１５％，稀释剂的质量为主浆料质量的０％～１２０％，渗透剂的质量为主浆料质量的１％～５％，去离子水与主浆料的质量比为５０～９０∶１０～５０；　　所述主浆料是乙烯基酯树脂和改性环氧树脂的混合物，所述乙烯基酯树脂和改性环氧树脂的质量比为１０～９０∶１０～９０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛曷一，陈娟，刘建叶，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]