[发明专利]一种木质素基亲水型上浆剂的制备方法及其在聚烯烃复合材料中的应用

说明书

本发明提供了一种木质素基亲水型上浆剂、制备方法及其在聚烯烃复合材料中的应用，上浆剂是由如下方法制备的：先将环氧树脂和臭氧化的木质素溶于有机溶剂经加热搅拌反应获得木质素基环氧树脂，再加入醇胺、羧酸和硅烷偶联剂获得木质素基亲水型上浆剂；将碳纤维浸渍在上浆剂中，烘干后置于聚烯烃中，经熔融成型，获得碳纤维增强聚烯烃复合材料。上浆剂具有良好的界面粘结性能，在碳纤维与聚烯烃间产生“桥梁作用”，解决了碳纤维与聚烯烃之间界面粘结性差等缺陷，提高复合材料的力学性能。本发明制备的上浆剂以水为介质，避免使用有机溶剂，成本低，环境友好，稳定性好。将其对碳纤维进行预处理后，使得碳纤维增强聚烯烃复合材料的性能显著提高。

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种木质素基亲水型上浆剂的制备方法及其在聚烯烃复合材料中的应用。

背景技术

聚烯烃是一种密度低、原料丰富、价格低廉、应用广泛的高分子材料，属于热塑性树脂。然而聚烯烃的缺口冲击韧性较低，收缩率大，导致聚烯烃在使用过程中受到外力的影响而出现应力发白，在一定程度上限制了它的应用广泛性。

碳纤维是一种高比模量、高比强度、密度低、耐高温、热膨胀系数小的优异材料，被广泛应用于航天航空、汽车等高端领域。通过结合聚烯烃与碳纤维的优点，可制备出高强度、轻量化的复合材料。然而，碳纤维呈现表面化学惰性，表面能低且缺少活泼官能基团。聚烯烃属于非极性聚合物，这导致在碳纤维/聚烯烃复合材料制备时两者之间界面粘结强度差，严重影响碳纤维的增强效果；另外材料之间结合难度很高，对于工艺的把控要求严格，容易出现气孔、分层、夹杂等缺陷，在使用过程中局部冲击过大也将容易出现开裂、脱层的问题。

目前采用上浆剂增强碳纤维/聚烯烃复合材料之间的界面性能。上浆剂具有以下功能：(1)减少静电作用，提高碳纤维的集束能力，便于后续进行编纺加工；(2)隔绝空气、水分和灰尘，保持碳纤维表面活性；(3)填补碳纤维表面缺陷，在一定程度上对碳纤维起到辅助增强作用；(4)使碳纤维表面光滑，避免了在后续加工中的摩擦损伤，减少毛刺产生，提高碳纤维寿命，对碳纤维起到保护作用。

上浆剂可以分为溶液型上浆剂、乳液型上浆剂和亲水型上浆剂。溶液型上浆剂因其需要使用大量有机溶剂，成本相对较高，而且大量溶剂的挥发对于人体健康和工作环境具有非常严重的危害，所以目前已较少使用。乳液型上浆剂由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂，故使碳纤维表面容易吸附水分；并且，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。少加或者不加乳化剂是上浆剂发展的重要方向，亲水型上浆剂是传统乳液型上浆剂的改进，通过向树脂中引入亲水性基团或将官能团离子化使其具有自乳化能力，能在水中不需要外加乳化剂就可以自乳化分散成乳液，较好的溶于水中，从而避免乳化剂的使用，而且其具有粒径尺寸小、粒径尺寸均匀及稳定性较高等优点。因此，亲水型环保无污染的上浆剂的研究成为了未来上浆剂发展的重点。

基于以上，开发一种亲水型环保高粘附性能上浆剂对碳纤维进行处理，提高碳纤维与聚烯烃的相容性，减少相容剂的使用量或者不加入相容剂，同时满足材料力学性能，已成为目前亟需解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供了一种木质素基亲水型上浆剂，它的制备方法包括如下步骤：

(1)将5-15g木质素置于臭氧化装置中，在臭氧浓度9-20mg/L，混合气体流速240-400L/h条件下处理0.5-1h获得臭氧化改性的木质素；

(2)将步骤(1)获得的臭氧化改性的木质素和环氧树脂溶于有机溶剂后，在室温搅拌5-10分钟，然后再升温到75-95℃搅拌反应1-2小时获得木质素基环氧树脂；

(3)在步骤(2)获得的木质素基环氧树脂中加入有机溶剂，再加入醇胺，在75-95℃进行搅拌反应1-3h后，搅拌速度300-500rpm，获得接枝醇胺的木质素基环氧树脂；