[发明专利]一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法，其制备过程包括：聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。其中上浆时采用聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂；所述聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂由聚烯烃树脂粉末、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚烯烃树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚占15～20wt％。本发明所制备的碳纤维适用于制备聚烯烃树脂基复合材料，所制备的复合材料工艺性能优异，界面结合力高。

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，特别涉及一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。

背景技术

聚烯烃树脂是一类成本低廉，易加工成型，产量和应用非常广泛的热塑性树脂，常作为复合材料的基体树脂应用。碳纤维是一种轻质高强的连续增强材料，常作为复合材料的增强相应用。结合碳纤维和聚烯烃树脂的综合优势，以碳纤维做增强相，以聚烯烃树脂做基体所制备的复材具有良好的应用前景和工业价值。

碳纤维经过系列高温处理，表面呈相对惰性，纤维松散，通常需要涂覆一层上浆剂对碳纤维进行表面处理，一方面改善上浆碳纤维，特别是大丝束碳纤维的工艺性能；另一方面增强碳纤维与基体树脂的界面结合力。目前碳纤维生产厂家普遍采用环氧树脂乳液型上浆剂，其具有大量活性环氧基团，在高温加工或长时间储存后容易发生开环固化，造成纤维局部或整体老化硬化，加工和产品性能恶化。因此，制备一种能够应用于聚烯烃树脂基复合材料的专用碳纤维，成为碳纤维厂家和用户的迫切需求。

中国专利201380046280.3提供了一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料，其采用20wt％～75wt％的聚烯烃、7wt％～40wt％的短切碳纤维、2wt％～20wt％的增容剂、5wt％～20wt％的环氧树脂与0.2wt％～5wt％的固化剂进行混炼或挤出造粒，得到改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料。该方法使环氧树脂固化在短切碳纤维表面，形成包覆层，提高了短切碳纤维的粗糙度，一定程度上改善了两相界面，但仍然没有解决环氧树脂易开环固化等问题。

中国专利201210536799.7公开了一种增强聚丙烯的碳纤维上浆剂，其采用氧化石墨烯改性环氧树脂制备成乳液上浆剂，能够改善碳纤维与聚丙烯界面结合差的问题。但该专利主体树脂仍为环氧树脂，易发生老化固化；氧化石墨烯成本高昂，难以工业应用；配方含有大量有机溶剂，安全性和稳定性差。

发明内容

为解决目前碳纤维增强聚烯烃树脂基复合材料工业应用中出现的各种问题，本发明提出一种适用于聚烯烃树脂基复合材料的碳纤维及其制备方法，该方法包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序。本发明在上浆工艺中引入了以聚烯烃树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以脂肪醇聚氧乙烯醚为稳定助剂、采用物理搅拌混合方法制备的新型悬浮液类碳纤维上浆剂，解决了聚烯烃基体树脂浸渍不良和碳纤维老化变硬等问题。同时，引入上浆前红外辐射加热工艺、上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺，解决了聚烯烃树脂悬浮液上浆剂在碳纤维表面铺展的均匀性和纤维烘干等问题。

采用本发明所述方法制备的碳纤维，表面涂覆由聚烯烃树脂为主体制备的上浆剂，不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚烯烃树脂基复合材料。所制备的碳纤维可根据后续加工需要，调整上浆量和收丝幅宽，减少后道加工应用的材料用量和加工难度，碳纤维预浸料、织物等产品的均匀性和稳定性好。所制备的复合材料工艺性能优异，界面结合力高。

本发明的技术方案具体介绍如下。