[发明专利]一种含磷氨基化偶联剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种含磷氨基化偶联剂及其制备方法和应用，碳纤维采取上述物质的表面上浆处理方法，所述的含磷氨基化偶联剂由磷酰三胺及环氧基偶联剂为原料进行合成，所述的磷酰三胺制备方法是：以磷酸酯和乙二胺为原料，通过加热回流的方式制备。该含磷氨基化偶联剂的应用不仅能够保持碳纤维与环氧树脂之间的界面结合性能，同时使得碳纤维环氧树脂复合材料的阻燃性能有明显的增强。

技术领域

本发明涉及磷氮偶联剂的制备及材料纤维领域，具体涉及一种碳纤维表面阻燃改性用含磷氮偶联剂及其制备方法和在碳纤维表面上的应用。

背景技术

碳纤维具有高比强度、比模量、低密度、耐腐蚀、导电导热、热膨胀系数小等一系列优良性能，将其作为增强体制得的先进复合材料在航空航天、国防和国民经济等领域有着不可替代和广泛的应用，是推进我国新材料发展的重要助力。随着复合材料结构与功能一体化发展的趋势，碳纤维复合材料也面临同样的问题。由于碳纤维表面呈惰性，为改善纤维和基体间的润湿性能，最常采取的改性手段即为碳纤维表面改性，例如上浆处理、偶联剂改性、电化学氧化、等离子氧化等。其中偶联剂改性不仅有反应速度快，分散性好，价格低廉等适于工业化应用的优点，同时其在化学结构上具有两种官能团，能够通过化学键的方式将纤维和基体连接起来，使得界面间结合更加牢固。

目前偶联剂改性复合材料的研究，国外已有但不多，而国内在偶联剂改性碳纤维环氧复合材料体系的研究很少，难以具有系统性和参考性。而大多数集中在改性氨基硅烷类偶联剂的研究中，也只是单纯着眼于界面性能的提高，而很少关注不同领域内对于复合材料功能化的需求。由于碳纤维环氧复合材料在航空航天领域的重要应用，因此在注重界面性能之外，还期望复合材料具有一定的阻燃性能，满足这样的要求的材料的研究迫在眉睫。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，使得碳纤维复合材料界面性能与阻燃性能的同时满足要求，本发明提供了一种纤维表面阻燃改性用含磷氨基化偶联剂及其制备方法和应用。本发明涉及的合成方法简单易行，平稳可控。利用本方法合成的偶联剂对纤维表面进行处理，既能够保持纤维与树脂基体间的结合能力，也可以显著提高复合材料的阻燃性能。

本发明采用如下技术方案：一种含磷氨基化偶联剂的制备方法，包括：将该磷酰三胺加入到反应器内，在氮气保护下，缓慢升温，将环氧基偶联剂逐滴加入到反应体系内，保持恒定的搅拌速度，在40~60℃之间反应30min~1h。

在本发明的优选的实施方式中，所述的磷酰三胺由磷酸酯与乙二胺在氮气保护下，在乙二胺的沸点下反应1-3小时制备得到。

所述的磷酸酯的结构式为：

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所述的乙二胺的结构式为：

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所述的磷酰三胺结构式为：

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在本发明的优选的实施方式中，所述的环氧基偶联剂为γ―(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，即KH560，其结构式为：

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在本发明的优选的实施方式中，磷酰三胺的制备使用溶剂或是不使用溶剂；使用溶剂时，溶剂为甲苯。

在本发明的优选的实施方式中，所述的磷酰三胺与环氧基偶联剂的反应摩尔比为1:1~3:1。

本发明还保护上述制备方法制备得到的含磷氨基化偶联剂。

本发明还保护所述的含磷氨基化偶联剂在碳纤维表面上的应用，用所述的含磷氨基化偶联剂配制碳纤维表面阻燃改性用上浆剂，其中所述的含磷氨基化偶联剂的体积分数为2~7%，并均匀搅拌水解0.5~2h。

在本发明的优选的实施方式中，所述的碳纤维是以聚丙烯腈基为原料，最终热处理温度在1200-3000℃内得到的碳纤维。