[发明专利]一种聚酰胺酸水性上浆剂及其制法和应用

说明书

技术领域

   本发明属于合成纤维上浆剂技术领域，涉及一种合成纤维上浆用聚酰胺酸水性上浆剂及其制备和使用方法。

背景技术

   碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐疲劳和抗蠕变等一系列优异性能，是目前高技术领域应用最为广泛的先进复合材料增强体。自碳纤维商品化至今，由于人们对复合材料更高性能需求的持续增长，使得有关碳纤维的研究一直为广大研究人员所关注，碳纤维上浆剂就是其中非常重要的一部分。碳纤维上浆的目的一方面是保护纤维在后续加工中免受机械损伤，显著减少毛丝和断丝的产生，维持纤维原有的力学性能；另一方面是在复合材料加工中增加基体树脂对纤维的浸润性，提高复合材料的界面结合强度。虽然碳纤维的上浆率通常仅为0.4%～1.2%，但是上浆剂却对碳纤维及其复合材料两种重要产品的性能存在显著影响，因此碳纤维上浆剂的开发显得尤为重要。

碳纤维最终是以复合材料的形式所使用，所以碳纤维与上浆剂的匹配主要取决于基体树脂。近年来，随着航空航天等结构材料应用领域对高强高韧复合材料需求的日趋增长，碳纤维增强热塑性复合材料已经引起人们的高度关注。但是，该类复合材料所使用的树脂基体（如：聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等）加工温度均高于350℃，对碳纤维表面浆料层的耐温性能提出更高要求。目前，通用碳纤维的上浆剂主要针对以环氧树脂为基体的复合材料而开发，主浆料为环氧树脂或其改性体系（如：CN101886336、CN1271276、CN101858037、CN102828416、CN102206919、CN102212967、CN101858038、CN101736593、CN101845755和CN101880967），耐温等级低。将该类上浆剂处理的碳纤维应用于上述热塑性复合材料中，基体树脂的高加工温度必将造成浆层的严重分解，影响碳纤维与热塑性基体间的界面结合强度。聚酰亚胺树脂具有目前商品化树脂中最高的耐温等级，是制备耐高温碳纤维上浆剂的理想材料，但是聚酰亚胺树脂存在不易被乳化的缺点，无法通过常用的转相法得到聚酰亚胺乳液上浆剂。CN100500984中公开一种采用热塑性聚酰亚胺改性传统环氧上浆剂的方法，该方法虽然解决了聚酰亚胺难以直接乳化的缺点，但是在上浆剂中引入了难挥发的有机溶剂，上浆后不易去除，并且挥发的有机溶剂会严重恶化生产环境，不但危害操作人员的身体健康，甚至引发爆炸事故。在纤维表面先制备聚酰胺酸浆层再亚胺化处理的方法也被用于解决上述问题，US4923752中公开了一种含氟聚酰胺酸上浆剂，该上浆剂能明显提高碳纤维与聚酰亚胺树脂间的界面结合强度，但是该上浆剂中不但含有难挥发的强极性有机溶剂，而且引入了极易挥发的醇类溶剂。醇类溶剂的挥发严重影响上浆剂的浓度稳定，限制其在实际生产过程中的使用周期。另外，CN102660874和CN102817241中也各公开一种适合增强热塑性树脂碳纤维的上浆剂，但是两种上浆剂中仍然含有有机溶剂，无法摆脱有机溶剂带来的不利影响。因此，开发一种不含有机溶剂的聚酰胺酸水性上浆剂，对促进碳纤维及其复合材料行业的进一步发展具有重要意义。

发明内容

   针对目前耐温型热塑性上浆剂普遍包含有机溶剂的问题，本发明提供一种可提高碳纤维与热塑性树脂间界面结合强度，并且适合工业化应用的耐温型热塑性碳纤维水性上浆剂，以及该上浆剂的制备和应用方法。

   本发明的聚酰胺酸水性上浆剂由聚酰胺酸、离子化试剂和去离子水经自乳化制备而成，其中聚酰胺酸为芳香二酐和芳香二胺在极性非质子溶剂中聚合，然后再加热真空烘干后得到。

   本发明的一种聚酰胺酸水性上浆剂的制备方法，具体按照以下步骤进行：

   （1）在氮气或氩气保护下，将芳香二酐在搅拌条件下溶于极性非质子溶剂中，然后加入等摩尔的芳香二胺，缩聚反应在0～25℃及搅拌的条件下持续进行2～24h，得到均相透明的聚酰胺酸溶液；

   （2）将上述聚酰胺酸溶液在40～80℃条件下真空烘干并粉碎，得到聚酰胺酸粉料；

   （3）按质量比，将0.5～2份聚酰胺酸粉料加入到10份去离子水中，控制体系温度为0～40℃并搅拌，同时缓慢加入离子化试剂，直至聚酰胺酸全部乳化完毕，总共加入离子化试剂为0.05～0.2份，停止加入离子化试剂后继续保持温度并搅拌1～3h，得到聚酰胺酸水性上浆剂。

   如上，所述的芳香二酐可以为双酚A型二酐、均苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-联苯四甲酸二酐、2,3,3',4-联苯四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯醚四羧酸二酐或3,3',4,4'-二苯酮四甲酸二酐。