[发明专利]一种碳纤维上浆剂的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种碳纤维上浆剂的制备方法。

背景技术

由于碳纤维具有高比模量，高比强度，耐高温,耐疲劳，导电，传热和膨胀系数小等一系列优点，广泛应用于增强纤维树脂基复合材料。碳纤维丝在生产过程中容易产生毛丝和单丝断裂现象，会降低材料的力学性能。为了解决这一问题，通常使用上浆剂来保护碳纤维，同时上浆剂还可以起到提高复合材料中碳纤维和基体树脂之间的界面粘结程度，从而提高复合材料的力学性能。

目前碳纤维上浆剂主要分为两类，溶剂型上浆剂和乳液型上浆剂。溶剂型的上浆剂主要将树脂溶于有机溶剂配制而成，如将聚乙烯醇(PVA)、醋酸乙烯脂聚合物、丙烯酸的聚合物、聚氨脂、聚酰亚胺、不饱和聚脂、环氧树脂或聚苯乙烯等溶解在丙酮有机溶剂中配制而成相应的上浆剂。这种溶剂型上浆剂的缺点是需要大量的有机溶剂，这就带来了一系列经济、安全、卫生等方面的问题，在一定程度上制约了溶剂型上浆剂的使用。乳液型上浆剂是以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂及一些助剂制成的乳液。这类乳液型的上浆剂一般不易在导辊上残留下树脂，又无溶剂污染环境，而且由于乳液中含有表面活性剂，可以大大提高纤维表面的润湿性，同时通过使用不同的助剂还可以提高碳纤维复合材料的界面剪切强度（IFSS）和层间剪切强度（ILSS）。由于乳液型上浆剂能够克服溶剂型上浆剂在经济、安全、卫生等方面存在的问题，因而得到了广泛应用。

用微量纳米二氧化硅改性的环氧树脂乳液使该树脂的环氧基团在界面上与纳米粒子形成了大于范德华力的作用，同时具有良好的相容性，并且能形成非常理想的界面相。专利CN1632217用这种乳液上浆剂可以有效的提高碳纤维丝单丝既复合材料的力学性能，达到增强、增韧的效果。但是这种纳米级SiO₂改性的上浆剂的缺点是纳米级SiO₂颗粒在乳液中的分散不均匀，严重影响了上浆剂的性质，进一步影响了碳纤维复合材料的性能。

近些年来，六面体聚倍半硅氧烷（POSS）已经引起了广大科研工作者高度关注。POSS的结构具有两个基本特征：一、化学组成介于二氧化硅(SiO₂)和硅树脂(R₂SiO)之间，是最典型有机/无机杂化结构，它可以被认为是最小的二氧化硅颗粒，但它与二氧化硅之间的区别在于，它的笼状表面联有多个有机取代物，POSS化合物一般具有很好的溶解性，能溶于常规溶剂（如氯仿，二氯甲烷，THF等），同时它还具有很好的聚合物相容性、生物相容性和表面相容性。二、单个POSS分子的大小介于1-3nm之间，平均尺寸为1.5nm左右，能够在分子水平上对功能材料性能进行增强。POSS无论是以掺杂还是嫁接的形式引入到材料中，都可提高材料的阻燃性耐热性、硬度、耐刮擦性、以及材料的热稳定性及热分解温度。目前，它已经被广泛应用在各个领域中包括聚合物中、交联树脂、聚氨酯、含有硅的催化剂、发光材料、生物医学等领域。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适合工业化应用的功能型碳纤维乳液上浆剂的制备方法，解决SiO₂改性上浆剂中存在的SiO₂分散不均匀和稳定性差的问题。

本发明所述的碳纤维乳液上浆剂以环氧树脂、乳化剂和单官能团POSS为原料，其制备过程如下：

（1）将六面体聚倍半硅氧烷（POSS）和环氧树脂溶于丙酮中，高速搅拌均匀，然后抽真空除有机溶剂，制得改性环氧树脂，POSS:环氧树脂:丙酮的重量比为20～100:10000:1000～3000；

（2）调节乳化剂之间的配比，使乳化剂混合物混合后的亲水亲油的平衡值（HLB）保持在8～12范围之间，然后加热至熔融状态后开始搅拌使其混合均匀；

（3）将混合乳化剂与改性的环氧树脂按照6～18:100的重量比熔融混合成粘稠溶液；

（4）缓慢加入去离子水，直至固含量的质量分数为5％，温度控制在55℃，同时快速搅拌，控制转速为14000～18000r/min，搅拌时间为1h，即得碳纤维乳液上浆剂。

如上所述的六面体聚倍半硅氧烷（POSS）可以是八(3-羟丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷（PSS-Octa[(3-hydroxypropyl)dimethylsiloxy]substituted）、3-羟丙基七异丁基聚倍半硅氧烷（PSS-(3-Hydroxypropyl)-heptaisobutyl substituted）等含羟基的六面体聚倍半硅氧烷。