[发明专利]一种纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂及其制备方法和应用，上浆剂组份包括：以占上浆剂的重量百分比计，0～15％纳米材料，0.1～10％PAIK，其余为强极性溶剂；使用时，将碳纤维在上浆剂中超声浸渍，然后烘干处理。本发明解决了现有上浆剂分解温度低而不适用于高性能热塑性树脂基复合材料制备的问题，可以提高碳纤维和高性能热塑性树脂的浸润性，提高复合材料中基材和碳纤维之间的界面强度，而且操作简单，使用方便，制备过程绿色环保，不污染环境。

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维表面光滑且呈化学惰性，通常会导致碳纤维和基体材料粘结性能比较差，上浆剂可以起桥梁作用，传递载荷，将碳纤维优异性能发挥到最大。另外碳纤维在生产、纺织和运输过程中由于自身脆性容易出现单丝断裂、毛丝等现象，因此在实际生产中纤维通常都会进行上浆处理以抑制这些缺陷。

目前大多数碳纤维产品都是采用热固性上浆剂，不适用于热塑性树脂基复合材料的制备。热塑性树脂相比于热固性树脂具有更多的优势，如易回收，低密度、高韧性、便于运输，保存时间长、生产周期短等优点，被广泛地应用在航空航天、汽车、医疗器械和体育器械等领域。

通常，高性能热塑性树脂的加工温度多在300～400℃，而热固性上浆剂超过250℃会降解，降解后的物质残留在纤维表面，严重影响了碳纤维和热塑性树脂之间的界面结合程度，导致制品容易出现缺陷，降低力学性能。而常见热塑性上浆剂主要针对聚氨酯类(PU)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)等热塑性基体，降解温度(180～250℃)远低于高性能热塑性树脂的加工温度(280～400℃)，也容易造成复合材料力学性能降低。针对适高性能热塑性树脂的耐高温上浆剂研究还未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有上浆剂的以上缺陷和高性能热塑性树脂基复合材料制备的需求，提供了一种纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂及其制备方法和应用，可有效提高碳纤维与高性能热塑性基体的结合性能，在高温加工条件下状态稳定，不易降解。

为了达到上述目的，本发明第一方面提供了一种纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂，组份包括：以占上浆剂的重量百分比计，0～15％纳米材料，0.1～10％PAIK，其余为强极性溶剂；所述PAIK的结构式为：

其中，n为正整数。

优选的，所述纳米材料包括碳纳米管(CNT)及其衍生物、氧化石墨烯(GO)及其衍生物、纳米碳黑及其衍生物、纳米二氧化硅及其衍生物中的一种或几种。

优选的，所述强极性溶剂包括二甲基亚砜(DMSO)、甲醇、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸、乙醇、四氢呋喃(THF)中的一种或几种。

本发明第二方面提供了上述纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂的制备方法，步骤包括：将4-羟基吲哚和等摩尔质量4,4’-二氟二苯甲酮加至反应容器中，继续加入溶剂、带水剂、催化剂无水K₂CO₃，在惰性气体环境下加热至155～165℃下反应5.5～6.5h，再升温至180～190℃反应7.5～8.5h，反应结束后清洗反应液，过滤后真空干燥得PAIK；然后按配比将PAIK溶于强极性溶剂，加入纳米材料，超声处理。

本发明第三方面提供了上述纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂的应用，将所述上浆剂用于制备高性能热塑性树脂基碳纤维复合材料，制备步骤包括：

S1、将碳纤维放入纳米材料增强的耐高温型碳纤维热塑性上浆剂中，超声浸渍、烘干，得到上浆后的碳纤维；

S2、将上浆后的碳纤维与高性能热塑性树脂基材复合得复合材料。