[发明专利]一种碳纤维上浆剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维上浆剂，是由以下原料制成的：水性双酚A环氧树脂，聚醚醇，不饱和酸和水，其中，水性双酚A环氧树脂、聚醚醇、不饱和酸三者的重量比为1:0.5～5：0.4～5。所述聚醚醇选自三聚甲醚二甲醇；所述不饱和酸选自丙烯酸。本发明还公开了碳纤维上浆剂的三种制备方法。本发明还公开了碳纤维上浆剂在制备碳纤维、碳纤维复合材料中的应用，及制备得到的碳纤维、碳纤维复合材料。经本发明的上浆剂处理的碳纤维，能够被聚酯类树脂所浸润，可以使碳纤维获得类似玻璃纤维的工艺性，从而可极大减少碳纤维复合材料的成型时间，降低碳纤维复合材料成型设备的固定资产投入，实现碳纤维复合材料的低成本和快速成型。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法，属于碳纤维及碳纤维复合材料领域。

背景技术

树脂基复合材料是以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有广泛的应用。纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂，常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。纤维增强树脂基复合材料的成型过程为：树脂先浸润纤维，浸润纤维后树脂发生交联反应固化，固化后得到复合材料。在复合材料的成型过程中，当纤维表面的活化能大于树脂表面的活化能时，树脂浸润纤维的过程才能实现。碳纤维表面的活化能约为70mJ/㎡,环氧树脂约为43mJ/㎡，聚酯类树脂约为35mJ/㎡。作为对比，玻璃纤维的表面活化能约为560mJ/㎡。因此玻璃纤维能被绝大多数的树脂浸润，在树脂固化后成为复合材料。而碳纤维由于表面活化能低，通常只能依靠碳纤维表面在等离子氧化过程中发生氧化产生的含氧基团，和环氧树脂中的含氧官能团进行亲和，从而被环氧树脂所浸润。

纤维在应用于复合材料成型时，表面还需用树脂做上浆处理，才能确保树脂基体和纤维完全结合，例如：树脂基体是环氧树脂的，需用环氧树脂做上浆处理；树脂基体是聚酯树脂的，需用聚酯树脂做上浆处理。根据上述的介绍，玻璃纤维可以使用各种树脂作为上浆剂，进行上浆处理后，能够被各种树脂浸润，在树脂固化后成为复合材料。而碳纤维由于表面只与环氧树脂的浸润性好，因此通常使用环氧树脂作为上浆剂，从而只能被环氧树脂浸润，在环氧树脂固化后成为复合材料。

树脂在固化过程中，随着温度的升高，树脂粘度降低，当树脂粘度降低至100mpa·s以下时，树脂才有充足的流动性占据成型模具，并能够完全浸润纤维。对聚酯类树脂而言，一般温度在50-70℃时，粘度就可以下降至100mpa·s以下，而聚酯类树脂的完全固化温度一般在120℃左右，因此在应用聚酯类树脂进行复合材料成型时，可以在90℃左右装料合模，然后以10℃/min的速率直接加热到120℃，再在120℃下保持3分钟左右就可以完成成型过程，整个成型过程总用时约为6分钟。而对环氧树脂而言，一般温度在100-110℃时，粘度才能下降至100mpa·s以下，完全固化温度一般在130℃左右。而环氧树脂的固化反应是放热反应，在此温度下环氧树脂的固化已经开始，同时放热使得反应体系温度快速上升，容易发生爆聚。为避免爆聚，需先在80℃左右加入环氧树脂，然后静置约30分钟等待环氧树脂流动填充模具，再以1℃/min的速率将温度加热到90℃，再静置30分钟等待凝胶，拉丝确认凝胶后再将温度以2℃/min的速率加热到130℃，在130℃下保持50分钟以上，从而完成成型过程，整个成型过程用时超过120分钟，生产效率低，生产成本高昂。

在碳纤维复合材料应用于汽车零部件时，环氧树脂基体的碳纤维复合材料的生产效率无法满足汽车生产的需要，过高的生产成本也让汽车厂家无法承受。因此急需一种能够提高碳纤维复合材料生产效率、降低生产成本的碳纤维及碳纤维复合材料的生产方法来真正实现碳纤维复合材料在汽车上的大规模应用。