一种沥青基碳纤维上浆剂及其制备方法与流程

1.本发明属于碳纤维上浆剂技术领域，本发明涉及一种沥青基碳纤维上浆剂及其制备方法。


背景技术：

2.碳纤维是一种含碳量在90％以上的，高强度、高模量的新型纤维材料，它由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴方向堆砌而成，再经碳化石墨化处理得到的微晶材料。碳纤维外柔内刚，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。
3.碳纤维材料制备工艺的简易流程包括原料处理，纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表面处理、上浆等几个部分，如此得到的纤维丝束再与相应树脂结合，得到高性能的碳纤维复合材料。在制备复合材料时，通常是将纤维束按一定方向排铺好或者预先编织好，然后进行树脂含浸，树脂固化后得到复合材料。
4.碳纤维本身是一种脆性材料，在原丝生产过程中，纤维丝与设备之间的摩擦或者纤维丝束内部的摩擦，都会使纤维单丝发生断裂，容易出现断丝。为了保护纤维丝束，需要对碳纤维进行上浆处理，使得上浆剂在纤维表面形成一层强韧坚固的薄膜，防止纤维表面被氧化，同时减少毛丝的产生。
5.在碳纤维增强基复合材料中，碳纤维与树脂之间的真实界面是以上浆剂为主体的过渡层，上浆剂既要连接碳纤维，又要连接基体树脂，使两者成为一个承载外力的整体。当界面连接优良时，通过界面的剪切应变可有效传递载荷，从而大大提高复合材料承受外力的能力。
6.在碳纤维复合材料领域，不同的应用方向需要选用不同的复合材料，不同的复合材料使用的树脂也不同，其性能各异。碳纤维上浆剂作为纤维与树脂的连接界面，必须适用于对应的纤维丝和对应的树脂。
7.现有的沥青基上浆剂都是采用pan基碳纤维的上将剂，沥青基碳纤维上浆剂还处于研发阶段，但pan基碳纤维的是经过1700℃以下炭化得到的碳纤维，纤维表面还残存一些活性基团，如含cn-、含氧基团等，因此表面活性高，沥青基碳纤维都是经过2500-2800℃石墨化后的石墨纤维，表面几乎除了碳以外几乎没有活性基团，因此研发基于沥青基碳纤维的惰性表面的专用上浆剂有重要意义。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种沥青基碳纤维上浆剂及其制备方法，以环氧树脂和改性环氧树脂为上浆主剂，并加入乳化剂、抗氧化剂、润滑剂、渗透剂作为上浆辅剂，配以去离子水，采用相转移乳化法制备得到一种水性环氧树脂沥青基碳纤维上浆剂。制备的上浆剂对沥青基碳纤维进行上浆，解决了纤维束表面氧化、不耐磨易产生丝束，和树脂结合强度低等一系列问题。
9.本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
10.一种沥青基碳纤维上浆剂，包括上浆主剂、上浆辅剂，以环氧树脂和改性环氧树脂为上浆主剂，乳化剂、抗氧化剂、润滑剂、渗透剂(质量配比：10：0.3：0.4：2)作为上浆辅剂，配以去离子水；所述环氧树脂和改性环氧树脂的质量比例在2：1～4：1。
11.所述环氧树脂为双酚a环氧树脂。所述改性环氧树脂为双酚a聚氧乙烯醚。
12.进一步的，双酚a环氧树脂包括固态双酚a环氧树脂和液态双酚a环氧树脂，所述固态双酚a环氧树脂、液态双酚a环氧树脂的质量比为3：1～6：1。
13.进一步的，上浆辅剂不超过上浆主剂质量的20-25％。优选上浆辅剂不超过上浆主剂质量的20％。
14.进一步的，所述乳化剂包括阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂(质量配比：5：2～7：2)，所述阴离子表面活性剂为硫酸酯铵盐类化合物，所述非离子表面活性剂为聚氧化乙烯烷基醚。
15.进一步的，所述抗氧化剂为苯基β-苯胺，所述润滑剂为丁基硬脂酸酯，所述渗透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
16.上述沥青基碳纤维上浆剂的制备方法，具体为：沥青基碳纤维上浆剂最终使用形式为水系乳液，所述水系乳液可以通过相转移乳化法制得。首先将环氧树脂和改性环氧树脂分别加入乳化剂制成乳液，然后再将两者混合，并加入其他上浆辅剂和去离子水，得到乳液型上浆剂。
17.上述制备方法制备的沥青基碳纤维上浆剂在纤维上浆中的应用，具体为：沥青基碳纤维上浆剂在上浆时，采用浸润法，即在牵伸的牵引作用下，让碳纤维丝束通过上浆槽，使得上浆剂附着在纤维丝的表面，然后通过鼓风干燥箱，对其进行干燥。
18.本发明与现有技术相比的有益效果是：
19.本发明在改性环氧树脂分子结构中增加氧乙烯水溶性基团，形成两性化合物，一端亲环氧树脂基团即双酚基团与环氧树脂结合，另一端氧乙烯基团与水中的氢氧键相结合，降低环氧树脂在水溶液中的表面能，增加环氧树脂在纤维表面的铺展性，提高上浆剂在纤维表面涂敷的均匀性，解决了碳纤维丝束容易被氧化，不耐磨易产生毛丝的问题，同时有效加强了纤维与树脂的结合强度。
具体实施方式
20.下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。
21.实施例1
22.将环氧树脂e20，环氧树脂e-51，双酚a聚氧乙烯醚bpe-06，阴离子表面活性剂尼康尔707-sf，非离子表面活性剂np-10，按照质量比15：5：10：5：2，加入高剪切乳化机，转速15000转/分钟，乳化30分钟，制备成水乳溶液，再添加0.3wt％的抗氧化剂苯基β-苯胺、0.4wt％润滑剂丁基硬脂酸酯，0.3wt％抗氧化剂脂肪醇聚氧乙烯醚，得到固含量38wt％的上浆剂。
23.将上述实施例1得到的上浆剂稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模
量，界面剪切强度。结果如表1所示。
24.实施例2
25.将环氧树脂e20，环氧树脂e-51，双酚a聚氧乙烯醚bpe-06，阴离子表面活性剂尼康尔707-sf，非离子表面活性剂np-10，按照质量比25：5：10：5：2加入高剪切乳化机，转速15000转/分钟，乳化30分钟，制备成水乳溶液，再添加0.3wt％的抗氧化剂苯基β-苯胺、0.4wt％润滑剂丁基硬脂酸酯，0.3wt％抗氧化剂脂肪醇聚氧乙烯醚，，制备得到总固含量为48wt％的上浆剂。
26.将上述实施例2得到的上浆剂稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
27.实施例3
28.将环氧树脂e20，环氧树脂e-51，双酚a聚氧乙烯醚bpe-06，阴离子表面活性剂尼康尔707-sf，非离子表面活性剂np-10，按照质量比35：5：10：5：2以前文所述方法制备成水系乳液，加入高剪切乳化机，转速15000转/分钟，乳化30分钟，制备成水乳溶液，再添加0.3wt％的抗氧化剂苯基β-苯胺、0.4wt％润滑剂丁基硬脂酸酯，0.3wt％抗氧化剂脂肪醇聚氧乙烯醚，制备得到总固含量为58wt％的上浆剂。
29.将上述得到的上浆剂稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
30.对比例1
31.将环氧树脂e20，环氧树脂e-51，阴离子表面活性剂尼康尔707-sf，非离子表面活性剂np-10，按照质量比25：5：5：2，以前文所述方法制备成水系乳液，加入高剪切乳化机，转速15000转/分钟，乳化30分钟，制备成水乳溶液，再添加0.3wt％的抗氧化剂苯基β-苯胺、0.4wt％润滑剂丁基硬脂酸酯，0.3wt％抗氧化剂脂肪醇聚氧乙烯醚制备得到总固含量为38wt％的上浆剂。
32.将上述得到的上浆剂稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
33.对比例2
34.将市售环氧树脂上浆剂(a)稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
35.对比例3
36.将市售环氧树脂上浆剂(b)稀释到固含量为2wt％，置于上浆槽中，对单丝数为3k的碳纤维进行上浆，然后对其进行干燥。干燥后的纤维，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
37.对比例4
38.对单丝数为3k的碳纤维原丝，测定其毛丝量，拉伸强度，拉伸模量，界面剪切强度。结果如表1所示。
39.表1测试结果
[0040][0041]
根据实施例1、实施例2、实施例3与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4的毛丝量结果可以看出，本发明提供的上浆剂可以大大降低纤维的毛丝量，同时提高了纤维的界面剪切强度，也表明本发明提供的上浆剂增强了树脂基体和碳纤维的复合效果；从表1中实施例1、实施例2与对比例1、对比例2、对比例3、对比例4的结果可以看出，本发明提供的上浆剂的毛丝量和界面剪切强度数据都要远远好于不添加改性双酚a聚氧乙烯醚bpe-06配方的上浆剂。从表1中实施例1、实施例2结果可以看出上浆剂总固含量最优的含量是38％以下，固含量再高会增大相对毛丝量，但界面剪切强度随着总固含量的升高而升高。
[0042]
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，包括上浆主剂、上浆辅剂，以环氧树脂和改性环氧树脂为上浆主剂，乳化剂、抗氧化剂、润滑剂、渗透剂作为上浆辅剂，配以去离子水；所述环氧树脂和改性环氧树脂的质量比例在2：1～4：1。2.如权利要求1所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，乳化剂、抗氧化剂、润滑剂、渗透剂的质量比为：10：0.3：0.4：2。3.如权利要求2所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，所述环氧树脂为双酚a环氧树脂；所述改性环氧树脂为双酚a聚氧乙烯醚。4.如权利要求3所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，双酚a环氧树脂包括固态双酚a环氧树脂和液态双酚a环氧树脂，所述固态双酚a环氧树脂、液态双酚a环氧树脂的质量比为3：1～6：1。5.如权利要求4所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，上浆辅剂不超过上浆主剂质量的20-25％。6.如权利要求5所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，所述乳化剂包括阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂，所述阴离子表面活性剂为硫酸酯铵盐类化合物，所述非离子表面活性剂为聚氧化乙烯烷基醚。7.如权利要求6所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，所述乳化剂包括阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的质量比为：5：2～7：2。8.如权利要求7所述的一种沥青基碳纤维上浆剂，其特征是，所述抗氧化剂为苯基β-苯胺，所述润滑剂为丁基硬脂酸酯，所述渗透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。9.如权利要求1-8任一项所述的沥青基碳纤维上浆剂的制备方法，其特征是，沥青基碳纤维上浆剂最终使用形式为水系乳液，所述水系乳液可以通过相转移乳化法制得；首先将环氧树脂和改性环氧树脂分别加入乳化剂制成乳液，然后再将两者混合，并加入其他上浆辅剂和去离子水，得到乳液型上浆剂。10.如权利要求9制备方法制备的沥青基碳纤维上浆剂在纤维上浆中的应用。

技术总结
本发明属于碳纤维上浆剂技术领域，公开了一种沥青基碳纤维上浆剂及其制备方法。以环氧树脂和改性环氧树脂为上浆主剂，并加入乳化剂、抗氧化剂、润滑剂、渗透剂作为上浆辅剂，配以去离子水，采用相转移乳化法制备得到一种水性环氧树脂沥青基碳纤维上浆剂。制备的上浆剂对沥青基碳纤维进行上浆，解决了纤维束表面氧化、不耐磨易产生丝束，和树脂结合强度低等一系列问题。系列问题。


技术研发人员：刘国库
受保护的技术使用者：大连奥晟隆新材料有限公司 大连信德碳材料科技有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/9