[发明专利]一种水溶性碳纤维上浆剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种水溶性碳纤维上浆剂及其制备方法和应用，特别涉及一种用氧化石墨烯改性的水溶性环氧树脂碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术

热塑性树脂由于具有加工成型简便、化学稳定性好和可循环利用等优异的性能，而被广泛应用于各种民用和军用领域。目前，为了进一步提高热塑性树脂的机械强度，同时考虑到碳纤维的一些优异性能，碳纤维增强的热塑性树脂复合材料被广泛的研究和应用。然而，热塑性树脂与碳纤维的界面结合性能较差，且碳纤维具有一定的脆性，在生产过程中会产生单丝断裂、毛丝等现象，所以必须对碳纤维进行上浆处理。碳纤维上浆剂有溶剂型、乳液型和水溶型。其中溶剂型上浆剂采用了一些有机溶剂来溶解主浆料，一般的有机溶剂都是有毒且容易挥发的，容易对周围的环境造成污染。乳液型上浆剂是以树脂为主要成分、通过添加一定量的乳化剂及水制成上浆剂，乳化剂是一种表面活性剂，会污染环境且价格较贵，增加成本。水溶型上浆剂以水为溶剂，没有采用有机溶剂和乳化剂，通过改性剂与环氧树脂进行开环反应，然后采用酸进行中和成盐，加入去离子水制备出水溶型上浆剂。由于此上浆剂是水溶性的，价格低廉、无污染，一般不会在导辊上残留树脂，因此，此种上浆剂是研究发展的必然趋势。

热塑性树脂与碳纤维的结合效果较差，且热塑性树脂常温下为固体，相关的溶剂有很大的挥发性和毒性。专利CN102660874B与CN102817241B分别公开了一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法和一种含碳纳米管热塑性上浆剂的应用，但使用上述方法的上浆剂都是溶剂型上浆剂，即利用有机溶剂把热塑性树脂进行初步的溶解然后施胶，缺点是有机溶剂容易挥发，毒性大，污染环境，且成本较高。此外，专利CN102206919A公开了一种石墨烯改性碳纤维乳液上浆剂及制备方法，该方法的上浆剂由有机树脂、乳化剂、润滑剂、石墨烯、有机溶剂和去离子水组成，制备时先将有机树脂、乳化剂等采用转相乳化法形成稳定的乳液，再将石墨烯加入该乳液中形成最终的上浆剂。该专利主要针对环氧树脂、乙烯基酯树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚醚树脂与水性聚氨酯树脂基体中的一种或多种。然而，经过转相乳化法制备的乳液型上浆剂采用了乳化剂，增加了成本和环境污染，且制备的乳液不如水溶性上浆剂稳定。

目前还没有氧化石墨烯改性水溶性环氧树脂上浆剂用于改善碳纤维与热塑性树脂复合材料的界面性能与宏观力学性能的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种水溶性碳纤维上浆剂，该上浆剂未使用乳化剂，环境污染小，方法操作简单，易于实施，稳定性高。

本发明还提供了水溶性碳纤维上浆剂的制备方法。

本发明还提供了水溶性碳纤维上浆剂的应用。

本发明所述的水溶性碳纤维上浆剂，是由以下重量份数的原料制成：

环氧树脂：100份；

稀释剂：5~55份；

改性剂：10~55份；

冰乙酸：5~35份；

烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯环氧基醚：5~40份；

氧化石墨烯：0~15份；

去离子水：150份。

优选的，所述的水溶性碳纤维上浆剂，采用以下重量份数的原料制成：

环氧树脂：100份；

稀释剂：10~50份；

改性剂：13.4~53.6份；

冰乙酸：7.8~31.0份；

烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯环氧基醚:10~30份；

氧化石墨烯：3~10份；

去离子水：150份。

所述氧化石墨烯的厚度为0.9~1.5nm，片层直径为2~5μm。

所述环氧树脂，包括E-51环氧树脂、E55环氧树脂或E-44环氧树脂；

所述稀释剂为丙酮、甲乙酮或正丁醇；

所述改性剂为二乙醇胺、乙醇胺或2-氨基乙基-2-羟基乙醚。

所述的一种水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，包括如下步骤：

首先，将环氧树脂与稀释剂进行搅拌预混，再在35-70℃和200-400rpm转速下先加入改性剂，1-2.5h后，再加入冰乙酸进行成盐，得到改性的环氧树脂，然后与烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯环氧基醚共同作为主浆料，加入氧化石墨烯进行搅拌改性，最后用去离子水进行稀释，得氧化石墨烯改性的水溶性碳纤维上浆剂。

所述改性剂与冰乙酸分别滴加到环氧树脂中的速度均为0.1~5份/min。

优选的，所述改性剂与冰乙酸分别滴加到环氧树脂中的速度均为1份/min。

所述环氧树脂与稀释剂是在200rpm的转速下搅拌10min，实现预混。