[发明专利]一种含纳米材料的乳液型碳纤维上浆剂及其制法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维上浆剂技术领域，特别涉及一种含纳米材料的乳液型碳纤维上浆剂及其制法。 

技术背景

近年来，针对传统聚芳醚类树脂耐温性与溶解性成反向变化关系的问题，一系列含二氮杂萘酮联苯结构的新型聚芳醚类树脂被研制出来。该类树脂作为复合材料基体使用时，常采用具备优异力学性能的碳纤维作为增强体，为充分发挥碳纤维的增强作用，获取树脂与纤维间高品质的界面结合成为关键。 

碳纤维与基体树脂间界面是以碳纤维表面上浆剂为主体形成的过渡层，因此碳纤维表面上浆剂与基体树脂间的相容性直接影响界面结合强度。目前由于环氧树脂在碳纤维复合材料制备中的广泛应用，碳纤维表面上浆剂多为环氧树脂类上浆剂，但是环氧树脂类上浆剂以环氧化合物为主浆料，与含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂间相容性差，严重影响复合材料的界面结合强度。 

为最大程度获得上浆剂与基体树脂间的相容性，宜采用与基体材料同类的树脂为主浆料制备碳纤维上浆剂。专利CN102660874B中公开了一种以含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂为主浆料的溶剂型上浆剂，上浆后在碳纤维表面得到含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂与各类聚氧烯醚类化合物混合的浆层，该浆层较为显著的改善了碳纤维表面的浸润性，提高了碳纤维与含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂间的界面结合强度。但是，该上浆剂为溶剂型上浆剂，上浆剂中溶剂的质量分数高达94％以上，并且所用有机溶剂多为强极性非质子溶剂，该类溶剂价格昂贵且毒性大、腐蚀性强，有机溶剂的使用不但显著增加原本价格不菲的碳纤维的生产成本，而且易污染车间环境和影响生产人员健康。鉴于上述关于溶剂型上浆剂的种种弊端，采用环保的水性上浆剂是实际工业生产中的主流发展方向。 

碳纤维上浆剂大体可以分为三类：溶剂型上浆剂、乳液型上浆剂和水溶性上浆剂。乳液型上浆剂是目前应用最为普遍的上浆剂种类，乳液型上浆剂分散相为成本低廉、易于去除的水，并且包含能改善纤维表面润湿性的乳化剂成分。因此，开发一种以含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂为主浆料的乳液型碳纤维上浆剂，与溶剂型上浆剂相比能够明显降低有机溶剂的用量，进而降低由有机 溶剂的使用所带来的各种风险，对于满足以含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂为主浆料的上浆剂在工业生产中的实际应用具有重要作用。 

此外，在碳纤维表面引入纳米尺度的材料，增加纤维的比表面积，强化纤维与基体材料间的机械啮合作用，对于提高纤维与基体间的界面结合强度也具有显著的效果。专利CN1271276C中公开了一种含纳米SiO₂的碳纤维上浆剂，通过在纤维表面引入纳米SiO₂进一步提高复合材料的界面结合强度；专利CN102212967A和CN102817241A中分别公开了一种含碳纳米管的碳纤维上浆剂，上浆后在碳纤维表面得到碳纳米管杂化的树脂浆层，通过提高比表面积，强化纤维与树脂间的范德华力和机械啮合力，提高界面结合强度。但是，现有研究中是将纳米材料加入粘度较大的纯树脂或树脂溶液中进行分散，分散效果受树脂粘度限制，易产生纳米材料的团聚和沉淀，进而影响了纳米材料对界面结合强度的贡献。因此，开发一种纳米材料在上浆剂中分散性更好的添加方法，对于推动纳米材料在改性上浆剂中的工业化应用具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种与碳纤维间的界面结合强度高，上浆后碳纤维表面自由能不低于55mN/m的含纳米材料的乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。 

本发明主要针对现有以含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳醚类树脂为主浆料上浆剂为溶剂型上浆剂，大量有机溶剂的使用阻碍该上浆剂在工业生产中实际应用的问题；以及现有在上浆剂中添加纳米材料的方法，所获得的纳米组分分散性差，易产生团聚和沉淀的问题；更重要的是，针对新兴的一系列含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚类树脂与碳纤维间界面结合强度低，复合材料中无法充分发挥碳纤维增强作用的问题。以含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳醚类树脂为主浆料和纳米材料制备出乳液型碳纤维上浆剂。 

本发明的一种含纳米材料的乳液型碳纤维上浆剂，其组成和各组分的质量分数如下： 

(1)主浆料：0.1％～2％； 

(2)纳米材料：0.01％～1％； 

(3)乳化剂：0.05％～2％； 

(4)分散剂：0.05％～0.1％； 

(5)有机溶剂：0.15％～8％； 

(6)去离子水：86.9％～99.64％。