[发明专利]一种碳纤维用耐热型水性上浆剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳纤维用耐热型水性上浆剂及其制备方法和应用，所述的制备方法为：将还原氧化石墨烯‑磁性粒子添加到聚酰胺酸水性分散体中，超声分散处理，得到聚酰胺酸/还原氧化石墨烯‑磁性粒子水性上浆剂。本发明利用磁性粒子在磁场下的取向作用带动石墨烯按照一定的方向排列，有效地削弱了石墨烯的团聚效应，本发明制备得到的上浆剂耐热性能优异且具有环境友好性，适用于聚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮等耐高温工程塑料。

技术领域

本发明属于碳纤维制造领域，具体涉及一种碳纤维用耐热型水性上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维具有耐高温、耐腐蚀、高比强度、高比模量和热膨胀系数小等一系列优异性能，常用作复合材料的增强体。碳纤维属于脆性材料，在生产和深加工过程中较易产生毛丝，不仅污染工作环境，还会影响树脂对纤维的浸润性。毛丝的出现使复合材料界面处产生孔隙等缺陷，严重影响复合材料的力学性能。而且，毛丝的产生往往伴随着单丝的断裂，致使碳纤维强度下降。所以，为提高碳纤维强度和表面活性，需要进行上浆处理。

上浆剂一般分为三类：溶剂型、乳液型和水性。其中，溶剂型上浆剂在制备过程中使用了大量的有机溶剂，存在安全隐患和资源浪费的缺点，所以目前已经不再大批量生产。水性上浆剂采用水为溶剂，具有环境友好性，是将来上浆剂领域的一个重要研究方向。

近年来，碳纤维增强热塑性树脂基复合材料发展迅速，但现在常用的上浆剂与热塑性树脂基体相容性差且耐高温稳定性差，不适用于碳纤维增强热塑性树脂复合材料。所以，研究适用于热塑性树脂的耐热性上浆剂对提高碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的性能具有重要的意义。CN101858038A公开了以缩水甘油醚型环氧树脂和环氧脂肪族聚烯烃为主浆料的乳液型上浆剂。该上浆剂制备工艺简单，成本低且不污染环境，但主浆料为环氧树脂，耐热性能较差，不适用于热塑性树脂基体。CN107022901A公开了一种水性聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型碳纤维上浆剂及其制备方法和使用方法，上浆后碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间剪切强度增加了50%左右。但上浆剂中的环氧树脂在200℃左右就开始热分解，将该上浆剂涂覆的碳纤维用于工艺温度较高的树脂基体时，环氧树脂的分解将会影响复合材料的界面性能。CN107299531A公开了一种碳纤维用耐温性乳液上浆剂及其制备方法，主浆料由聚芳醚酮树脂和有机溶剂组成，制备工艺简单且性能稳定。但是，主浆料中有机溶剂占有较大的比重（70%以上），所以使用该上浆剂会对环境造成一定的污染。以上的技术均没有很好的解决现在常用的上浆剂无法用于耐高温热塑性树脂基复合材料的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种碳纤维用耐热型水性上浆剂及其制备方法和应用，所述的制备方法为：将还原氧化石墨烯-磁性粒子添加到聚酰胺酸水性分散体中，超声分散处理，得到聚酰胺酸/还原氧化石墨烯-磁性粒子水性上浆剂。本发明利用磁性粒子在磁场下的取向作用带动石墨烯按照一定的方向排列，有效地削弱了石墨烯的团聚效应，本发明制备得到的上浆剂耐热性能优异且具有环境友好性，适用于聚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮等耐高温工程塑料。

进一步的，将还原氧化石墨烯-磁性粒子添加到聚酰胺酸水性分散体中，并用去离子水稀释，超声分散处理，得到聚酰胺酸/还原氧化石墨烯-磁性粒子水性碳纤维上浆剂，其中所述的还原氧化石墨烯-磁性粒子在上浆剂中的质量分数为0.01~9%；所述的聚酰胺酸水性分散体在上浆剂中的质量分数为1~9%；所述的磁性粒子为Fe₃O₄、Fe₂O₃或两者的混合物。

进一步的，所述的还原氧化石墨烯-磁性粒子的制备方法为：

(1) 将氧化石墨烯分散在去离子水中并室温下超声处理0.5~3h；

(2) 将含铁化合物分散在去离子水中，再加入到步骤（1）的溶液中得到悬浮液；