[发明专利]纳米氧化物原位合成及在聚酯型碳纤维上浆剂和玄武岩纤维/玻璃纤维浸润剂中应用

说明书

本发明专利开发原位合成技术制备纳米氧化物改性碳纤维上浆剂，玄武岩纤维/玻璃纤维浸润剂，其中纳米氧化物包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铜、氧化锌等。可以将纳米氧化物均匀的包裹在聚合物之中，相比传统上浆剂纳米二氧化硅的加入明显提高了上浆剂的耐热稳定性。可以提高纳米氧化物在上浆剂/浸润剂中的含量，并且采用自组装自乳化原位合成的的方法提高了纳米氧化物在上浆剂之中的储存稳定性。另外纳米氧化物的嵌入提高了碳纤维、玄武岩纤维/玻璃纤维的表面能，可以提高纤维与树脂之间的界面结合强度。

技术领域

本发明属于纤维界面改性助剂领域，具体涉及一种纳米氧化物改性的阴离子聚酯型碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂。

背景技术

纤维界面改性助剂一般是指碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂。碳纤维增强树脂基复合材料因其具有质轻、高比强度、高比模量和良好的耐腐蚀性能而被广泛应用于军工、航空航天、汽车、体育休闲等领域。玻璃纤维/玄武岩纤维增强复合材料因其具有较低廉的价格，在某些特定场合也拥有着广阔的市场。碳纤维在生产过程中要经过预氧化，高温碳化，石墨化等一系列过程，导致碳纤维表面呈惰性结构，不利于与树脂结合。玻璃纤维玄武岩纤维在生产过程中要经过高温熔融、拉丝等工艺导致纤维表面毛丝过多难于加工。因此需要在生产过程中对纤维进行表面处理。碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂能起到润滑保护，黏结集束，防纤维表面静电荷积累，和保证其更好的与树脂紧密结合的作用。

传统碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维纤维浸润剂一般采用将树脂分散在有机溶剂中制备而成，但由于有机溶剂易挥发，因此对操作工人和工厂都带来了安全问题。正逐渐被乳液型上浆剂所取代。乳液型上浆剂/浸润剂是指将树脂以乳液的形式分散在水相中制备而成。相比溶剂型上浆剂/浸润剂，乳液型上浆剂/浸润剂具有良好的上浆效果和工艺性能，不易燃烧，在生产过程中无溶剂挥发等优点。但乳液型上浆剂/浸润剂在生产制作过程中要加入大量的外乳化剂，使上浆剂/浸润剂的耐热性能大幅度下降。因此研发具有自乳化功能的碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂具有非常重要的研究意义和工业价值。

碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂根据基体树脂不同可以分为环氧树脂型、聚醋酸乙烯型、聚酯型等。依照相似相容原理，通常一种上浆剂/浸润剂只能匹配一种树脂，目前国内使用的大部分上浆剂/浸润剂为环氧树脂型，高档产品依赖进口，使用环氧树脂型上浆剂/浸润剂处理后的纤维在与其它类型树脂增强制作复合材料过程中，易在树脂与纤维界面处产生界面脱离，在工业生产方面带来了很多不利因素，严重影响复合材料力学性能。因此研究聚酯型上浆剂 /浸润剂，提高纤维与不饱和树脂和乙烯基树脂复合材料层间剪切强度，对于纤维多元化树脂复合体系交叉化发展具十分重要的价值和意义。

采用纳米二氧化硅对碳纤维上浆剂，玻璃纤维/玄武岩纤维浸润剂进行改性是一种比较常见的改性方法，纳米二氧化硅是无定型的白色粉末，无毒、无味、无污染，微结构为球形，分子结构呈三维链状结构，使得纳米二氧化硅与树脂某些官能团发生键合作用，纳米二氧化硅颗粒可以进入树脂基体分子链段内部，从而大大提高复合材料韧性、强度、延展性等。同时纳米二氧化硅的加入还能产生有效的紫外线吸收，红外线反射等光学特性和热稳定性的提高。

中国专利CN105297448B(授权号)公开的一种碳纤维用界面增强型纳米二氧化硅改性环氧树脂上浆剂，将环氧树脂与有机溶剂稀释后，加入一定比例的纳米二氧化硅颗粒进行充分搅拌，待分散均匀后再进行减压蒸馏除去有机溶剂，得到纳米二氧化硅改性环氧树脂。将改性后的环氧树脂加入合适的乳化剂和蒸馏水进行外乳化得到界面增强型纳米二氧化硅改性碳纤维上浆剂，但以此方法来制得的碳纤维上浆剂往往需要借助有机溶剂，浪费能源的同时又带来了极大的安全隐患，还需要借助外加乳化剂，使得乳液稳定性和热稳定性受倒影响。另外，纳米二氧化硅是直接加入的，放置时间长会使乳液产生沉淀聚集。