[发明专利]一种连续SiC纤维用上浆剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种上浆剂及其制备方法与应用，尤其是涉及一种连续SiC纤维用上浆剂及其制备方法与应用。

背景技术

碳化硅纤维以其高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能而在航空、航天、核工业、武器装备等高技术领域具有重要的应用价值。目前，采用有机硅聚合物-聚碳硅烷（PCS）先驱体转化法已经实现了连续SiC纤维的工业化生产。其典型的制备流程为：以有机硅聚合物经高温裂解重排缩聚反应得到的聚碳硅烷（Polycarbosilane，记为PCS）作为先驱体，经过熔融纺丝制得连续PCS纤维，将连续PCS纤维置于空气中进行氧化反应使分子间交联成为不熔纤维（称为不熔化处理）后，再在高温炉中惰性气氛保护下进行高温烧成，经过热分解转化与无机化制得连续SiC纤维。

由于SiC纤维在军事领域具有重要的应用前景，因而被列为重要战略物资。日、美等各国都独立发展并对我国严密封锁，纤维及其产品严格禁运，其制备技术也严格保密。为了打破发达国家的封锁，满足国内先进复合材料和撒手锏武器研制的需要，国防科技大学从八十年代开始在国内率先开展了先驱体转化法制备SiC纤维的研究。目前已经建立了一条从原料合成到陶瓷纤维烧成的生产线，制备的KD-I型SiC纤维主要性能与日本Nicalon NL-200相当，年产能达到500Kg，同时也积极开展了耐超高温、吸波、透波、磁性等新型SiC纤维的研制，取得了较大进展。然而，在SiC纤维工业化生产和实用化水平方面，我国与日本还存在较大差距。

目前，我国在SiC纤维批量化生产和实际应用中存在的主要问题有：（1）制备过程中束丝比较松散，且有较多的毛丝和断丝，严重影响了纤维的连续化生产；（2）束丝强度较低，而且随着束丝长度的增加，强度明显下降；（3）纤维表面缺陷较多，在编织、成型复合材料等实际应用过程中易造成较严重的纤维损伤。这些问题很大程度上限制了连续SiC纤维的应用，而通过合适的上浆处理，可以有效地收拢束丝，弥补纤维表面缺陷，从而提高纤维的束丝强度与实用性能。

在不同国家SiC纤维的生产中，上浆工艺过程大同小异，而上浆剂的配制则属于纤维工艺生产中的关键技术之一，其技术配方严格保密，几乎未有这方面的公开文献报道。目前无机纤维上浆剂的文献，主要集中在碳纤维方面。不同的研究和生产单位针对碳纤维开发了多种系列的上浆剂。Toray公司有NO.1-No.10型上浆剂；Countalars公司有Neoxil971、Neoxil969、Neoxil961、Neoxil8294等系列上浆剂；国内东华大学、北京化工大学、天津纺织工学院、上海绿宝化学研究所、长春理工大学等均开展了碳纤维上浆剂的研制，取得了一定进展。北京化工大学张西萍等人以环氧树脂为单体，以烷基酚系列为乳化剂，聚醚为表面活性剂，添加少量等离子水和助剂配制成乳液，上浆后制备了碳纤维/环氧复合材料，结果表明，与不上浆的纤维制备的复合材料相比，上浆后材料的层间剪切强度明显增加。长春理工大学苏春辉、郑茹娟等人也开发了一种乳液型的以环氧树脂为主体的碳纤维上浆剂，主要原料包括单体、复合乳化剂、引发剂、改性剂以及水，单体采用环氧树脂，乳化剂为聚氧化乙烯壬基酚醚（OP-10）与聚氧乙烯去水山梨醇单油酸酯（T-80）的复合物，引发剂采用过硫酸钾和亚硫酸钠，改性剂采用丙烯酸和醋酸乙烯酯，水采用蒸馏水。通过实验确定了最佳的工艺配比和乳液配制条件，所制取的碳纤维上浆剂贮存期长达8个月，具有较强的耐水性、适中的粘度和高达80MPa的层间剪切强度。

与碳纤维相比，先驱体转化法制备的SiC纤维的直径要大得多，对于纤维束丝的收拢、毛丝的整理，难度也要相应增大。因此，与碳纤维相比，SiC纤维对上浆剂的要求更加苛刻。由于技术保密等原因，目前尚未有SiC纤维上浆剂的公开报道，而上浆剂对SiC纤维增强复合材料结构与性能的影响更是缺乏系统的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种能提高连续SiC纤维束丝强度，减少纤维毛丝和断头，改善其柔顺性，提高纤维的实用化水平的连续SiC纤维用上浆剂及其制备方法与应用。

本发明之连续SiC纤维用上浆剂，由以下重量份数的原料制成：聚乙烯醇0.15-0.6份，改性有机硅油0.1-1份，聚氧化乙烯壬基酚醚（OP-10）0.8-3.0份，过硫酸钾0.1-0.8份，蒸馏水100份。

所述聚氧化乙烯壬基酚醚为棕色油状液体。

所述聚乙烯醇优选数均分子量为1700－1800（更优选1750）的白色粉末；

所述改性有机硅油为含有不同活性基团的聚硅氧烷，其分子结构为：