[发明专利]水性碳纤维上浆剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种水性碳纤维上浆剂及其制备方法。该水性碳纤维上浆剂由按重量份计的以下组分制成：环氧树脂16～32重量份，环氧丙烯酸酯4～8重量份；亲水性乳化剂2～15重量份；水性聚氨酯乳液0～20重量份；水性聚氨酯丙烯酸酯0～10重量份；高级脂肪酸酰胺0～5重量份；光引发剂0.01～3重量份；水性润湿分散剂0.05～5重量份；增稠剂0.1～5重量份；溶剂0.2～5重量份；去离子水30～70重量份。本发明的水性碳纤维上浆剂是一种热固化和光固化复合的水性碳纤维上浆剂，该上浆后的碳纤维，可以先通过高温热烘的方法进行烘干，然后通过光固化的方式进行固化，使得碳纤维上浆剂的性能进一步提高。

技术领域

本发明涉及碳纤维上浆剂技术领域，具体而言，涉及一种水性碳纤维上浆剂及其制备方法。

背景技术

目前，上浆剂在高性能碳纤维及纤维增强树脂复合材料应用中占有极其重要的作用。在碳纤维表面进行上浆处理后，可以提升碳纤维的集束性、滑爽性、耐磨性、可加工性等性能，满足碳纤维在后续纺织和加工等制造工艺中的要求。

现有市场上使用的上浆剂主要分为两大类：油性上浆剂和水性上浆剂。随着国家对环境保护的要求越来越高，市场上水性上浆剂的占比越来越高。水性碳纤维上浆剂主要通过高温热烘的方式进行快速烘干，烘干后进行收卷，放置一段时间后使用。一般来说，现有技术中所使用水性碳纤维上浆剂，主要为水性改性环氧树脂体系。水性改性环氧树脂体系包括水性聚氨酯改性环氧树脂、水性聚酯改性环氧树脂、水性聚醚改性环氧树脂、水性聚丙烯酸酯改性环氧树脂、水性聚酰胺改性环氧树脂等。水性改性环氧树脂体系可以分为单组份环氧树脂体系和双组份环氧树脂体系。一般来说，单组份环氧树脂体系不含固化剂或交联剂，或者含有常温不参与反应的固化剂或交联剂。双组份环氧树脂体系由主体树脂和固化剂或交联剂组成，使用时，将两组分混合后使用。不含固化剂或交联剂的碳纤维上浆剂体系烘干后无法进行后固化，碳纤维表面触摸时易粘手，且性能稍差。而含有固化剂或交联剂的碳纤维上浆剂体系烘干后，在后固化的过程中，上浆剂树脂容易发生过度固化，上浆后的碳纤维过硬，易于折断，纺丝过程中易出现问题，且后固化的时间较长，效率较低。

现有市面上的碳纤维上浆剂一般是由两种制备方法得到：化学合成和物理分散得到。通过将亲水性的链段接到环氧树脂上，使得环氧树脂具有亲水性或具有水可分散的能力，是化学合成法。化学合成法制备得到的碳纤维上浆剂，优点是储存稳定性高，性能出色；缺点是：合成周期较长，对生产设备的要求较高，反应过程中需要用到毒性较高的催化剂，环境友好性问题无法解决。通过乳化剂、增稠剂等将环氧树脂进行乳化，从而使得环氧树脂稳定的分散于去离子水中的方法为物理分散法。物理分散法制备得到的碳纤维上浆剂，优点是制备过程简单，对生产设备的要求较低；缺点是储存稳定性稍差，性能稍弱，需要加入其它类型的树脂弥补其性能。此外，通过物理方式制备的环氧树脂乳液，在烘干过程中，乳化剂容易游离到涂膜表层，从而影响碳纤维表面的界面性能，且在复合材料制备过程中，容易影响与碳纤维表面复合树脂的结合性，从而影响复合材料的力学性能。

CN 106637984 A公开了一种聚酰胺改性环氧碳纤维的制备方法，涉及碳纤维/环氧复合材料的制备领域，所述方法包括：将聚酰胺树脂和环氧树脂放入反应釜中，得到聚酰胺改性环氧树脂；使用溶剂将所述聚酰胺改性环氧树脂溶解，然后加入亲水性聚醚和催化剂，得到亲水改性的聚酰胺改性环氧树脂；向亲水改性的聚酰胺环氧树脂中加入去离子水，通过剪切搅拌，得到聚酰胺改性环氧乳液，最后将聚酰胺改性环氧乳液作为上浆剂对所述碳纤维进行上浆处理，获得所述聚酰胺改性环氧表面改性的碳纤维。解决了现有碳纤维生产中改性的方法条件复杂，处理时间不易控制，容易造成碳纤维的模量和断裂强度下降，从而大幅降低其符合材料的性能的问题。但是该专利公开的聚酰胺改性环氧树脂，在合成制备过程中，需要使用毒性较高的三氟化硼乙醚作为催化剂，环境友好型问题无法解决。