[发明专利]一种碳纳米管改性碳纤维乳液上浆剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维上浆剂，特别涉及一种碳纳米管改性碳纤维乳液上浆剂及制备方法。

背景技术

碳纤维作为一种增强材料，具有质轻、高比强度、高比模量、耐高温和热膨胀系数小等优异性能，被广泛用于复合材料工业。但碳纤维属于脆性材料，表面惰性大、表面能低，与基体界面粘接性差，严重影响了复合材料的力学性能和界面性能。而对碳纤维进行上浆可以很好地解决这一难题。上浆剂不仅对碳纤维起保护作用，而且可以提高碳纤维复合材料中纤维与基体之间的粘接强度，改善碳纤维复合材料的界面性能及层间性能。

碳纤维上浆剂大体可以分为三类：溶剂型上浆剂、乳液型上浆剂和水溶性上浆剂。乳液型上浆剂是目前应用最为普遍的上浆剂种类，它不需要使用有机溶剂，从而大大降低了生产成本，更重要的是减少了有机溶剂对人体和环境的伤害，有利于环境友好性及可持续发展。随着碳纤维复合材料工业的发展，对其使用的上浆剂性能要求也不断提高，由通用型上浆剂逐渐向功能型上浆剂转变，即要求上浆剂具有增强碳纤维复合材料界面粘接强度的功能。

近年来，碳纳米管由于具有优良的热/力学性能和极高的长径比等优点，引入纤维表面后可以增加碳纤维的比表面积，强化纤维与基体材料间的机械啮合作用，从而显著提高纤维与基体间的界面结合强度，改善纤维与基体间的界面性能。

专利CN102212967A中公开了一种碳纳米管改性的碳纤维上浆剂的制备方法，但制备过程需要有机溶剂的添加，步骤较为繁琐且不利于环境保护，难以工业化应用。专利CN102817241A中公开了一种含碳纳米管热塑型上浆剂的制备方法和应用，但制备时是将碳纳米管加入有机溶剂中，再向其中直接加入热塑性树脂，分散效果会受树脂粘度限制，易产生碳纳米管的团聚和沉淀，进而影响了碳纳米管对界面结合强度的贡献。

发明内容

本发明的目的是提供一种可提高碳纤维及其复合材料界面剪切强度和层间剪切强度，并适用于工业化应用的碳纤维功能型乳液上浆剂及其制备方法。

本发明的一种碳纳米管改性碳纤维乳液上浆剂由两步法制备得到，第一步为制备环氧树脂乳液，其中各组分的质量组成为：主浆料：0.5％-2％；乳化剂：0.15％-1.0％；去离子水：97％-99.35％；第二步环氧树脂乳液中分散碳纳米管，其中添加碳纳米管的质量分数为：0.5％-1.0％；添加分散剂的质量分数为0.5％-1.0％。

所述的主浆料是环氧树脂。

所述碳纳米管为深圳市纳米港有限公司生产的长度为1-5μm的羧基化多壁碳纳米管或长度为1-5μm的羧基化单壁碳纳米管。

所述的乳化剂为聚氧乙烯失水山梨醇酯类化合物和失水山梨醇脂肪酸酯类化合物组成的混合乳化剂，或聚氧乙烯失水山梨醇酯类化合物、失水山梨醇脂肪酸酯类化合物和烷基酚聚氧乙烯醚类化合物三种物质组成的混合乳化剂。所述混合乳化剂的亲水亲油平衡值(HLB)为11-13。

聚氧乙烯失水山梨醇酯类化合物为Span40、Span60或Span80。失水山梨醇脂肪酸酯类化合物为Tween40、Tween60或Tween80。烷基酚聚氧乙烯醚类化合物为OP-4、OP-7或OP-10。

所述的分散剂为聚乙二醇4000、聚乙二醇10000或γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

本发明制备方法包括以下步骤：

(1)按照乳液上浆剂组成，将主浆料和乳化剂一同加入去离子水中，控制水浴温度为60-80℃，乳化机转速为10000-15000rpm，反应时间为40-90min，得到环氧树脂乳液；

(2)在步骤(1)制备好的环氧树脂乳液中加入碳纳米管和分散剂，将混合液超声1-3h，搅拌9-12h，搅拌机转速为500-1000rpm，即得到碳纳米管改性碳纤维乳液上浆剂。

所述的多壁碳纳米管的长度最好为1-5μm；单壁碳纳米管的长度最好为1-5μm。碳纳米管长度较短时，增强效果不明显；碳纳米管长度较长时，易发生缠结，影响其改性效果。

本发明的有益效果：

(1)碳纳米管的添加可以很好地优化上浆碳纤维的界面性能，且对各种型号的碳纤维具有普适性。其单纤维复合材料的界面剪切强度可提高11.0％-15.3％，纤维复合材料的层间剪切强度可提高11.5％-15.8％。

(2)本发明提供的制备方法，通过将羧基化碳纳米管分散在粘度较低的树脂水相乳液中，可以实现碳纳米管在最终产品上浆剂中更优的分散性及稳定性。