[发明专利]一种碳纤维水溶性环氧树脂上浆剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用，特别涉及一种碳纤维水溶性环氧树脂上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术

碳纤维具有高强高模、耐高温等性能，被广泛应用于各个领域。然而，碳纤维伸长率低且脆，在加工过程中受到反复弯曲、摩擦容易造成单丝断裂和毛丝。制备纤维增强复合材料时，碳纤维的毛丝会阻碍基体树脂对碳纤维的润湿，从而导致制得的复合材料力学性能欠佳。为了解决这个问题，碳纤维需要进行上浆处理。上浆是在碳纤维表面涂上一层保护胶，不仅可以改善碳纤维的加工性能，减少毛丝及单丝断裂现象，使碳纤维集束，而且可以改善纤维与基体间的粘结，提高复合材料层间剪切强度(ILSS)。

常用碳纤维上浆剂有溶剂型上浆剂和水性上浆剂两种。溶剂型上浆剂是将有机树脂溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成。通常溶剂型上浆剂需要大量易燃易挥发的有机溶剂，生产使用过程中会造成环境污染和溶剂浪费，因此现在各碳纤维生产厂商多采用水性上浆剂。

目前，水性碳纤维上浆剂大致有两种。一种是乳液型上浆剂，一种是水溶性上浆剂。乳液型上浆剂通常是在乳化剂作用下，将树脂分散在水中形成乳液，并添加助剂而制成。例如特开昭61-28074号公报公开了一种将双酚型聚亚烷基醚环氧化合物类作为乳化剂使用，制得水性乳液，并将其施用在碳纤维上的方法；专利CN1318686C公开了一种碳纤维用乳液上浆剂，该碳纤维上浆剂含有环氧基的化合物、阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂；美国专利US4981947采用不饱和醇类与异氰酸酯反应形成聚氨酯键的化合物，以此作为主要成分制备碳纤维上浆剂。但是，乳液型上浆剂在贮存和使用过程中存在的一些问题：(1)乳化剂与树脂的相容性不好，存放时间长时，常常会发生破乳现象。 (2)上浆剂乳液在使用时需要稀释成固含量5%以下的体系，容易造成有效成分析出；(3)上浆剂某些组分制备过程复杂，成本高。水溶性碳纤维上浆剂稳定性优良，但目前针对碳纤维的水溶性上浆剂的专利较少。特公平5-4348号公报公布了一种由聚乙烯醇和水溶性尼龙树脂等水溶性热塑性树脂构成的上浆剂；专利CN1537188A中公布了一种由水溶性尼龙树脂和甜菜碱型等两性表面活性剂构成的水溶性碳纤维上浆剂；专利CN102691211A公布了一种由魔芋低聚糖和氧化淀粉复配而得的水溶性碳纤维上浆剂；专利CN102713051A公布了一种由溶解度参数为11.2～13.3的水溶性聚氨酯树脂构成的碳纤维上浆剂。这些上浆剂均具有良好的水分散性，优良的集束性能；且未提及上浆剂对上浆后纤维的某些加工性能(如硬挺度)和纤维与树脂粘结性能的影响。

发明内容

本发明克服上述不足，提供了一种成本低、性能稳定的碳纤维水溶性上浆剂。本上浆剂采用改性水溶性酚醛环氧树脂和烯丙基聚氧乙烯醚(AEPH)树脂作为主浆料，具有优良的水溶性，生产与使用工艺简单；具有柔性分子链的AEPH能够改善纤维的表面性能和深加工性能；上浆剂与基体环氧树脂分子结构相似，可改善纤维与基体树脂的界面粘结性能。

本发明提供了本碳纤维上浆剂的制备方法，该方法操作简单，易于实施。

本发明提供了本碳纤维上浆剂在碳纤维上的应用方法。

本发明通过以下措施实现：

一种碳纤维水溶性上浆剂，包括：主浆料和去离子水，其中去离子水与主浆料的质量比为50~80:20~50。

上述上浆剂中，所述主浆料是改性酚醛环氧树脂和烯丙基聚氧乙烯醚(AEPH)的混合物。其中改性酚醛环氧树脂与AEPH质量比为50~90：10~50。其中改性酚醛环氧树脂为二乙醇胺和冰乙酸对酚醛环氧树脂 (EPN)亲水化改性产物。所述酚醛环氧树脂为酚醛环氧F-44、F-48或F-51。AEPH可在市场买到，本发明所用AEPH从杭州丹维科技有限公司购买。其数均分子量为500，羟值为6 mgKOH/g，酸值为0.15 mgKOH/g，不饱和度为0.4-5.0 mmol/g。其分子中含有高活泼性的环氧端基，粘度低，柔软性好，能够与基体树脂交联反应，提高基体与碳纤维之间的粘结性；作为上浆剂的组分，能够改善上浆剂胶膜的柔韧性，进而改善纤维柔韧性、改善碳纤维后加工性能；AEPH分子结构式如下：

 其中，p=1~6，q=1~7