【CN109853242A】一种碳纤维上浆剂及其制备方法【专利】

(10)申请公布号 CN 109853242 A (43)申请公布日 2019.06.07 D06M 13/432(2006 .01) C08G 59/42(2006 .01) C08G 59/50(2006 .01) C08G 65/333(2006 .01) D06M 101/40(2006 .01)
说 明 书

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一种碳纤维上浆剂及其制备方法
技术领域 [0001] 本发明属于上浆剂领域，特别涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法。
背景技术 [0002] 碳纤维具有优良的力学性能 ，被誉为21世纪的新型材料。因其具有模量高、强度 大、比 重小、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等一系列优异的性能 ，其与先进树脂形成的复合材料在 现代航空航天尖端技术领域及体育休闲用品、土木建筑、电子产品、医疗器械等领域有着广 泛的应用。但是，碳纤维是脆性材料，在生产及加工过程中，经机械摩擦容易起毛，或出现单 丝断裂等现象 ，使碳纤维的强度降 低。而且 ，由于毛丝的 存在 ，树脂基体不能充分润湿碳纤 维 ，在复合材料制备中容易产生孔隙 ，从而影响复合材料的 力学性能。研究发现 ，在树脂基 复合材料中存在第三相，即界面相，这一有限区域在物理性能上存在梯度，对纤维和基体树 脂之间力的有效传递起主导作用，从而使纤维真正起到承载作用，影响复合材料的最终性 能。但由于纤维与基体在性质上存在着很大的差异，而改变此差异的一种方法是在碳纤维 与基体之间 引入聚合物过渡中间层即进行上浆处理 ，即一方面使碳纤维粘合在一起 ，减少 纤维之间的 摩擦 ，减 少损伤 ；另一方面可以 对界面 相起到修饰作 用，使界面变得粗糙 ，强化 力学锚定作 用的 影响。基体树脂容易渗透到与其组成 相似的上浆层中 ，改善纤维对树脂基 体的 浸润性能 ，增强化学键合。另外 ，毛丝的 存在还会对工作环境产生影响 ，可能会造成电 器设备、仪表等断路事故，严重影响生产和安全，也会对操作人员的健康带来危害。目前，对 碳纤维进行上浆处理是解决上述问 题的 主要方法。一方面 ，利 用上浆剂中的活性官能团 促 进碳纤维 与树脂基体之间的 结合 ；另一方面 ，可以 减 少碳纤维在加工过程中由 于反复 摩擦 而产生的毛丝现象。上浆就是在经表面处理的碳纤维表面上涂一层保护层，其基本组成为 有机物，厚度约为几十至几纳米，质量分数一般在0 .8% ~1 .5%之间。一般认为上浆剂的主要 作用是减少纤维起毛断丝现象 ，使碳纤维集束 ，改善其加工性能并起到保护作用。碳纤维上 浆剂可分为两种 ，一种是溶液型的 ，是将有机树脂 ，如聚乙烯醇、醋酸乙烯酯聚合物、丙烯酸 的聚合物、聚氨酯、环氧树脂等 ，溶解在丙酮等有机溶剂中配制而成 ；另一种是乳液型的 ，是 以一种树脂为主体，配以一定量的乳化剂，少量或没有交联剂以及其他助剂制成的乳液。溶 液型上浆剂需要大量易燃的有机溶剂，有很多缺点，会带来经济、安全、卫生等方面的问题。 因而广泛采用乳液型上胶剂，它一般不易在导辊上留下树脂，又无溶剂污染环境，而且由于 乳液中含有表面活性剂，可以大大提高碳纤维表面的被润湿性。但乳液型上胶剂的存在并 不能够很好的改善复合材料界面粘结性，从而使复合材料的力学性能的没有得到很大的提 高。
( 57 )摘要 本发明涉及了一种碳纤维上浆剂及其制备
方法 ，属于上浆剂领域。本发明先 利 用界面处理 剂对碳纤维表面进行处理 ，提高复合材料接触界 面的粗糙度和表面能 ，提高粘附浸润效果，从而 防止界面的开裂并提高了界面剪切强度；再经表 面活性改性剂引入亲水基并攻击环氧基中的碳 阳离子，使得上浆剂具有较好的分散性能 ，增强 了上浆效果 ，最后引入胺类物质，提高固着性能 ， 另外利用环氧结构提高成膜后的 韧性 ，随着上浆 剂中水分挥发 ，形成一层膜包裹在碳纤维表面 ， 填充纤维表面沟槽缺陷 ，提高碳纤维拉伸强度， 形成稳定的上浆膜层。本发明解决了目前现有乳 液型上浆剂形成的复合材料界面粘结性差，从而 使复合材料的力学性能降低的问题。
代理人 於林峰
(51)Int .Cl . D06M 15/55(2006 .01) D06M 15/53(2006 .01) D06M 13/328(2006 .01) D06M 13/335(2006 .01) D06M 13/342(2006 .01)
( 54 )发明 名称 一种碳纤维上浆剂及其制备方法
权利要求书1页 说明书6页
CN 109853242 A
CN 109853242 A
权 利 要 求 书
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1 .一种碳纤维上浆剂，其特征在于，包括界面处理剂、表面活性改性剂、固化改性剂；
所述界面处理剂的制备方法为：取界面反应单体原料按质量比2~5：1~4：5~10加入2-氨 基-5-羟基苯甲酸、N ,N-二甲基甲酰胺搅拌混合，得混合物，升温至140~150℃，取混合物按 质量比20~30：1~3：2~5加入亚硝酸钠、三氧化二氮搅拌混合，得界面处理剂。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910028975 .8
(22)申请日 2019 .01 .12
(71)申请人 常州市贝特织造有限公司 地址 213000 江苏省常州市东南开发区采 菱工业园
(72)发明人 龙春秀 路芸 卢星
(74)专利代理机构 北京风雅颂专利代理有限公 司 11403
（2）按质量份数计，取5~10份减压蒸馏物、5~10份丁基缩水甘油醚、0 .3~0 .6份催化添加 剂、1~3份反应原料、20~40份丙二醇甲醚 ，于50~60℃搅拌混合 ，减压蒸馏 ，得减压蒸馏物a ， 取减压蒸馏物a按质量比2~5：10~15加入去离子水搅拌混合，即得固化改性剂。
5 .根据权利要求4所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述步骤（1）中的胺反应剂为：取
9 .根据权利要求8所述的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述混合溶剂为：取
正丁醇按质量比2~5：5~9加入丙二醇甲醚混合，即得。 10 .根据权利要求8所述的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述催化剂为：取二
甘醇二甲醚按质量比5~9：1~4加入六氰钴酸锌混合，即得。
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CN 109853242 A
7 .根据权利要求4所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述步骤（2）中的催化添加剂为：
取二环己基碳二亚胺按质量比3~7：2~5加入1-羟基苯并三唑混合，即得。 8 .一种如权利要求1~7任意一项所述的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，该制备
方法包括如下步骤 ：取环氧树脂-E44按 质量比 2~7 ：10~20加入混合溶剂 ，升温至60~70℃搅 拌混合，得基体物，取基体物按质量比10~20：3~5加入表面活性改性剂，升温至80~90℃搅拌 混合 ，冷 却至室温 ，得冷 却物 ，取冷 却物按 质量比 20~50 ：3~9 ：5~10加入界面处理剂、固化改 性剂，于70~80℃搅拌混合，即得碳纤维上浆剂。
1 ,4-丁二胺、四乙烯五胺、三乙烯四胺、癸二胺、多乙烯多胺中任意一种或任意几种按任意
质量比混合，即得。
6 .根据权利要求4所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述步骤（2）中的反应原料为：按
质量份数计 ，取10~20份衣康酸 、2~5份冰乙 酸 、5~10份对苯二甲 酸二甲 酯、3~7份皮脂酸混 合，即得。
2 .根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述界面反应单体原料为：取苯
胺、甲苯胺、十四胺、甲氧基苯胺、二甲苯胺、对氯苯胺、尿素中任意一种或任意几种按任意
质量比混合，即得。
3 .根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述表面活性改性剂的制备方法
为：取甘氨酸按质量比1~4：2~5：10~30加入聚乙二醇-2000、去离子水，得混合液，取混合液 按质量比2~7：20~30加入氢氧化钠溶液搅拌混合，冷却至室温，即得表面活性改性剂。
4 .根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述固化改性剂的制备方法为：
（1）取胺反应剂按 质量比 10~25 ：9~15 加入丙二醇甲 醚 ，于60~65℃搅拌混合 ，得混合液 a，取环氧树脂-E51按质量比3~7：5~15加入混合液a，升温至65~75℃搅拌混合，减压蒸馏，得 减压蒸馏物；