[发明专利]一种表面上浆后的碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种表面上浆后的碳纤维及其制备方法和应用，制备方法为：将不含上浆剂的碳纤维在物质A和醇的混合溶液中浸渍，在聚合温度为200～280℃时反应0.5～15min；物质A和醇的混合溶液中，物质A和醇的摩尔比为1:1～1:5；物质A为不饱和二元酸/酸酐或含有不饱和酸/酸酐的物质；制得的一种表面上浆后的碳纤维，其表面形成富含羟基的超支化结构的聚酯上浆剂；富含羟基是指碳纤维表面的羟基与碳碳键的摩尔含量比值为40～100％。本发明的方法直接采用单体在碳纤维表面形成聚合涂层，形成的上浆剂具有更多可与碳纤维表面或基体反应的活性基团，使得碳纤维/上浆剂/基体间的界面结合获得提高，提升界面强度。

技术领域

本发明属于碳纤维表面改性技术领域，涉及一种表面上浆后的碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP)基复合材料具有可回收、成型快、易修复、成本低、耐极限疲劳性能优异以及预浸料存放条件简单的优点，其在汽车、航空航天和体育休闲等领域得到了广泛应用。近年来高性能热塑性树脂的快速发展，也加速了CFRTP基复合材料的发展。但是，相比于碳纤维增强热固性树脂复合材料，CFRTP基复合材料的市场占有率还相当低，这主要与热塑性树脂复合材料所用碳纤维原料较为局限有直接关系。

目前商业碳纤维表面多数涂覆的是环氧树脂上浆剂，适用于热固性环氧树脂基体。将此类上浆剂上浆的碳纤维用于增强热塑性树脂基体，会出现力学性能差的问题，但这类上浆碳纤维增强的热塑性树脂复合材料的力学性能很差，原因一方面是环氧树脂上浆剂表面的环氧基团与大多数热塑性基体不相容，进而缺乏与这些热塑性基体有效的化学键合，导致其复合材料层间剪切强度低；另一方面，热固性环氧树脂上浆剂的耐热温度一般低于塑性树脂的加工温度，因此这种上浆剂上浆后的碳纤维与热塑性树脂加工成型过程中，环氧树脂上浆剂的不稳定基团和该上浆剂的骨架碳链会发生裂解产生大量气体，导致复合材料内部形成大量细小微孔，无法成型或界面粘合力很低，从而导致复合材料的综合力学性能很差。

为了避免这类问题，一些研究者对涂覆有环氧树脂的碳纤维脱浆。脱浆的方法有烧蚀法和溶剂法，前者会产生大量焦油，后者需要大量溶剂，不仅污染环境，而且去浆后的碳纤维在后续加工过程中会产生大量的毛丝和断丝，从而导致本身的品质大大降低。此外，500℃甚至更高温度的退浆会使碳纤维上的大量含氧官能团脱除，不利于碳纤维与树脂基体的浸润和界面结合。解决热塑性树脂用碳纤维的根本出路是改变碳纤维上浆剂的相容性，使其与热塑性树脂相容。

因此，国内外研究者已经致力于开发适合热塑性树脂的上浆剂。文献1(Composites:Part A,2016,87,212-219)采用改性的热塑性酚氧基树脂的环己烷-环己醇和四氢呋喃溶液，对商业化碳纤维上进行二次上浆，上浆后的碳纤维增强尼龙6复合材料层间剪切强度提高了20.4％。该复合材料的界面性能提高幅度较小，这可能与该上浆剂本身与基体的相容性差有关。

文献2(Applied Surface Science:2016,382,144-154)采用二苯甲烷二氰酸酯盐的丙酮溶液浸渍碳纤维4小时，处理后的碳纤维增强的热塑性聚氨酯树脂复合材料的拉伸性能提高了53％。文献3(Polymer Bulletin:1992,29,259-264)合成了一种包含丙烯酸和异氰酸酯的化合物，将其加入二氯甲烷溶剂溶解后制备成上浆剂，上浆后的碳纤维增强丙烯酸的树脂的界面剪切强度提高了131％。文献4(Materials and Design:2015,88,810-819)采用乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物的甲苯溶液作为上浆剂，对碳纤维浸渍2小时，该上浆纤维增强聚丙烯基体的界面剪切强度提高了157％。这些上浆剂处理的碳纤维所增强的热塑性树脂的界面性能确实实现了大幅度的提高，但是，这些上浆剂上浆过程中均使用了有机溶剂，其毒性大、难以回收，必然造成了环境污染和成本高的问题；其次，它们还存在上浆工艺时间太长，无法匹配碳纤维连续生产线，难以满足碳纤维的在线生产要求。