[发明专利]一种碳纤维上浆剂及其制备方法

说明书

本发明涉及了一种碳纤维上浆剂及其制备方法，属于上浆剂领域。本发明先利用界面处理剂对碳纤维表面进行处理，提高复合材料接触界面的粗糙度和表面能，提高粘附浸润效果，从而防止界面的开裂并提高了界面剪切强度；再经表面活性改性剂引入亲水基并攻击环氧基中的碳阳离子，使得上浆剂具有较好的分散性能，增强了上浆效果，最后引入胺类物质，提高固着性能，另外利用环氧结构提高成膜后的韧性，随着上浆剂中水分挥发，形成一层膜包裹在碳纤维表面，填充纤维表面沟槽缺陷，提高碳纤维拉伸强度，形成稳定的上浆膜层。本发明解决了目前现有乳液型上浆剂形成的复合材料界面粘结性差，从而使复合材料的力学性能降低的问题。

技术领域

本发明属于上浆剂领域，特别涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法。

背景技术

碳纤维具有优良的力学性能，被誉为21世纪的新型材料。因其具有模量高、强度大、比重小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等一系列优异的性能，其与先进树脂形成的复合材料在现代航空航天尖端技术领域及体育休闲用品、土木建筑、电子产品、医疗器械等领域有着广泛的应用。但是，碳纤维是脆性材料，在生产及加工过程中，经机械摩擦容易起毛，或出现单丝断裂等现象，使碳纤维的强度降低。而且，由于毛丝的存在，树脂基体不能充分润湿碳纤维，在复合材料制备中容易产生孔隙，从而影响复合材料的力学性能。研究发现，在树脂基复合材料中存在第三相，即界面相，这一有限区域在物理性能上存在梯度，对纤维和基体树脂之间力的有效传递起主导作用，从而使纤维真正起到承载作用，影响复合材料的最终性能。但由于纤维与基体在性质上存在着很大的差异，而改变此差异的一种方法是在碳纤维与基体之间引入聚合物过渡中间层即进行上浆处理，即一方面使碳纤维粘合在一起，减少纤维之间的摩擦，减少损伤；另一方面可以对界面相起到修饰作用，使界面变得粗糙，强化力学锚定作用的影响。基体树脂容易渗透到与其组成相似的上浆层中，改善纤维对树脂基体的浸润性能，增强化学键合。另外，毛丝的存在还会对工作环境产生影响，可能会造成电器设备、仪表等断路事故，严重影响生产和安全，也会对操作人员的健康带来危害。目前，对碳纤维进行上浆处理是解决上述问题的主要方法。一方面，利用上浆剂中的活性官能团促进碳纤维与树脂基体之间的结合；另一方面，可以减少碳纤维在加工过程中由于反复摩擦而产生的毛丝现象。上浆就是在经表面处理的碳纤维表面上涂一层保护层，其基本组成为有机物，厚度约为几十至几纳米，质量分数一般在0.8% ~1.5%之间。一般认为上浆剂的主要作用是减少纤维起毛断丝现象，使碳纤维集束，改善其加工性能并起到保护作用。碳纤维上浆剂可分为两种，一种是溶液型的，是将有机树脂，如聚乙烯醇、醋酸乙烯酯聚合物、丙烯酸的聚合物、聚氨酯、环氧树脂等，溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成；另一种是乳液型的，是以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂，少量或没有交联剂以及其他助剂制成的乳液。溶液型上浆剂需要大量易燃的有机溶剂，有很多缺点，会带来经济、安全、卫生等方面的问题。因而广泛采用乳液型上胶剂，它一般不易在导辊上留下树脂，又无溶剂污染环境，而且由于乳液中含有表面活性剂，可以大大提高碳纤维表面的被润湿性。但乳液型上胶剂的存在并不能够很好的改善复合材料界面粘结性，从而使复合材料的力学性能的没有得到很大的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前现有乳液型上浆剂形成的复合材料界面粘结性差，从而使复合材料的力学性能降低的问题，提供一种碳纤维上浆剂及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：

一种碳纤维上浆剂，包括界面处理剂、表面活性改性剂、固化改性剂；

所述界面处理剂的制备方法为：取界面反应单体原料按质量比2~5：1~4：5~10加入2-氨基-5-羟基苯甲酸、N,N-二甲基甲酰胺搅拌混合，得混合物，升温至140~150℃，取混合物按质量比20~30：1~3：2~5加入亚硝酸钠、三氧化二氮搅拌混合，得界面处理剂。

所述界面反应单体原料为：取苯胺、甲苯胺、十四胺、甲氧基苯胺、二甲苯胺、对氯苯胺、尿素中任意一种或任意几种按任意质量比混合，即得。