一種碳纖維上漿劑及其上漿方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳纖維上漿劑及其上漿方法，在環(huán)氧樹(shù)脂上漿劑中加入聚氨酯樹(shù)脂，并且對(duì)上漿后的烘干溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可以獲得同時(shí)具有良好的耐摩擦性能和開(kāi)纖性能的炭纖維束，從而解決以環(huán)氧樹(shù)脂為主要成分的上漿劑難以同時(shí)滿足良好的耐摩擦性和開(kāi)纖性兩方面的要求的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】-種碳纖維上漿劑及其上漿方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維制造領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維上漿劑及其上漿方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維具有高比強(qiáng)度和高比模量的特性，其與各種樹(shù)脂形成的復(fù)合材料在航空航 天、一般工業(yè)和體育娛樂(lè)用品等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維的產(chǎn)品性能多為連續(xù)的纖 維束，在制備復(fù)合材料時(shí)，通常是將纖維束按一定的方向鋪排好，或者將其預(yù)先編織為具有 一定形態(tài)的織物，然后進(jìn)行樹(shù)脂含浸，樹(shù)脂固化后就獲得復(fù)合材料。
[0003] 碳纖維本身是一種脆性材料，在纖維生產(chǎn)過(guò)程W及制備復(fù)合材料的過(guò)程中，當(dāng)纖 維與制造設(shè)備W及纖維之間互相摩擦?xí)r，非常容易產(chǎn)生纖維單絲磨斷，從而產(chǎn)生大量毛絲， 導(dǎo)致纖維品位下降，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法順利進(jìn)行。為此，工業(yè)上生產(chǎn)的碳纖維，通常都要對(duì) 纖維表面進(jìn)行上漿處理。上漿處理是指在將纖維通過(guò)一定濃度的漿料，漿料中的有效成分 沉積在纖維表面，經(jīng)過(guò)烘干后在纖維表面形成上漿劑保護(hù)膜。該層薄膜可W減少纖維與設(shè) 備W及纖維之間的摩擦，減少毛絲的發(fā)生。
[0004] -般碳纖維上漿劑的主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂，該是由于環(huán)氧樹(shù)脂本身具有良好的結(jié) 膜性，可W在纖維表面形成強(qiáng)初而堅(jiān)固的薄膜，很好的起到保護(hù)纖維的作用。但是使用環(huán)氧 樹(shù)脂作為上漿劑時(shí)，為了達(dá)到更好的耐摩擦效果，就要使用分子量越大的環(huán)氧樹(shù)脂，而環(huán)氧 樹(shù)脂的分子量越大，上漿并干燥后纖維的集束性也就越強(qiáng)，也就是說(shuō)，一束纖維中的單絲大 多通過(guò)上漿劑而緊密的結(jié)合在一起難W分開(kāi)，從而導(dǎo)致開(kāi)纖性很差。
[0005] 集束性和開(kāi)纖性是矛盾的兩方面，集束性越強(qiáng)，開(kāi)纖性就越差。當(dāng)碳纖維用于制備 單向預(yù)浸料時(shí)，就要求纖維束具有良好的開(kāi)纖性，該樣才能達(dá)到良好的樹(shù)脂含浸效果，否則 樹(shù)脂難W進(jìn)入纖維束內(nèi)部，造成浸膠不均一，影響復(fù)合材料的性能。
[0006] 因此，解決上述問(wèn)題就顯得尤為重要了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種碳纖維上漿劑及其上漿方法，在環(huán)氧樹(shù)脂上漿劑中加入 聚氨醋樹(shù)脂，并且對(duì)上漿后的烘干溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可W獲得同時(shí)具有良好的耐摩擦 性能和開(kāi)纖性能的炭纖維束，從而解決上了上述問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明提供一種碳纖維上漿劑，所述碳纖維上漿劑包括環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨醋樹(shù)脂， 所述環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨醋樹(shù)脂的重量比為1: 2^1:1之間。
[0009] 進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述碳纖維上漿劑中還包括乳化劑及潤(rùn)滑劑，所述乳化劑和潤(rùn) 滑劑的重量不超過(guò)上漿劑主劑質(zhì)量的5%。
[0010] 進(jìn)一步改進(jìn)在于；所述環(huán)氧樹(shù)脂為雙酷A型的環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨醋樹(shù)脂為不溶于水 的聚醋型聚氨醋。
[0011] 進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述乳化劑為芳香族非離子型乳化劑，潤(rùn)滑劑為蹤擱酸下基醋。
[0012] 進(jìn)一步改進(jìn)在于；所述聚氨醋樹(shù)脂的軟化溫度范圍為i〇(Ti5(rc，并且不溶于水。
[0013] 一種碳纖維上漿劑的上漿方法，使用上漿劑對(duì)碳纖維進(jìn)行浸潰上漿，之后進(jìn)行烘 干；所述烘干溫度控制在比聚氨醋樹(shù)脂的軟化溫度范圍低5^1(TC范圍之內(nèi)。
[0014] 本發(fā)明中的炭纖維束，可W是PAN基、漸青基或者黏膠基的炭纖維束，每束纖維的 單絲數(shù)在100(T48000之間。另外，此處的炭纖維束也包含通常所說(shuō)的石墨纖維束，即經(jīng)過(guò) 200(TC W上高溫處理的高模量炭纖維束。
[0015] 本發(fā)明中的上漿劑最終使用形式為水系乳液。乳液的主要有效成分中的環(huán)氧樹(shù)脂 為通常的雙酷A型的環(huán)氧樹(shù)脂或者酷酵型環(huán)氧樹(shù)脂W及其它類型環(huán)氧樹(shù)脂，其中W雙酷A 型環(huán)氧樹(shù)脂為佳。例如，在常溫下為液態(tài)的低分子量環(huán)氧樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂E5UE44等和在 常溫下為固態(tài)或者凝膠狀的高分子量環(huán)氧樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂E20、E33等?？蒞僅含一種，也 可W包含兩種W上。為了達(dá)到更好的保護(hù)效果，最好同時(shí)含有低分子量和高分子量的環(huán)氧 樹(shù)脂。
[0016] 本發(fā)明中使用的聚氨醋為不溶于水的聚醋型聚氨醋。可末端含有輕基的聚醋 低聚物與異氯酸醋如甲苯二異氯酸醋等通過(guò)加聚反應(yīng)獲得。聚氨醋可W自行合成，也可W 使用市售的產(chǎn)物。
[0017] 聚氨醋樹(shù)脂的軟化溫度根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1634-2004的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。軟化溫 度應(yīng)控制在i〇(Ti5(rc之間。如果不足locrc，需要大大延長(zhǎng)烘干時(shí)間；如果軟化溫度超過(guò) 15(TC，烘干后的纖維太硬，開(kāi)纖性很差。
[0018] 本發(fā)明中環(huán)氧樹(shù)脂與聚氨醋樹(shù)脂的質(zhì)量比例，應(yīng)在0. 5^1之間。如果不足0. 5,纖 維的耐摩擦性不足，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生毛絲，并且纖維束的形態(tài)難W保持，在單向鋪排 時(shí)單絲平行性差，樹(shù)脂含浸的進(jìn)行順利性和效果都不好，如果超過(guò)1，纖維的開(kāi)纖性差，同樣 也會(huì)造成毛絲和斷絲增多的后果。
[0019] 含有環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨醋樹(shù)脂的水系上漿劑乳液，可W通過(guò)下述方法獲得；首先通 過(guò)轉(zhuǎn)相乳化法分別制備環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨醋樹(shù)脂的乳液，然后將兩種乳液在攬拌的同時(shí)進(jìn)行 機(jī)械混合。在制備乳液過(guò)程中，必須要使用到乳化劑，此處的乳化劑W芳香族非離子型乳化 劑為佳。
[0020] 本發(fā)明中的上漿劑中除了上述環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨醋樹(shù)脂W及乳化劑外，還可W加入 少量的潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑劑的加入可W明顯改善纖維的摩擦性能。潤(rùn)滑劑可W是高級(jí)脂肪酸醋 或者高級(jí)脂肪酸醜胺等。加入的量不應(yīng)超過(guò)上漿劑主劑質(zhì)量的5%。
[0021] 本發(fā)明的上漿方法可W采用浸潰法，即將纖維通過(guò)裝滿上漿劑的上漿槽，上漿劑 即沉積在纖維表面。然后通過(guò)熱親干燥，樹(shù)脂固化完成上漿過(guò)程。熱親干燥的溫度，應(yīng)控制 在比聚氨醋樹(shù)脂的軟化溫度范圍低5^1(TC范圍之內(nèi)。最好是在95^145°C范圍內(nèi)，如果干燥 溫度不足95C，難W達(dá)到良好的干燥效果，絲束幅寬小；如果超過(guò)145C，纖維束開(kāi)始變軟， 幅寬過(guò)大并且容易發(fā)生纏親。
[0022] 碳纖維制造過(guò)程中一般采用多級(jí)熱親干燥，此時(shí)各個(gè)熱親可W保持一定的溫度 梯度，例如第一個(gè)熱親可W將溫度設(shè)置的稍低一些，W后逐漸升高，但是保持最高不超過(guò) 145 〇C。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：在環(huán)氧樹(shù)脂上漿劑中加入聚氨醋樹(shù)脂，并且對(duì)上漿后的烘 干溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可W獲得同時(shí)具有良好的耐摩擦性能和開(kāi)纖性能的炭纖維束，潤(rùn) 滑劑的加入可W明顯改善纖維的摩擦性能，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，該實(shí)施例 僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0025] 實(shí)施例1 將環(huán)氧樹(shù)脂E20 (預(yù)先用球磨機(jī)磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質(zhì)量比30、60、5、5稱好后按照上文的方法制備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%后裝入上漿槽。
[0026] 將單絲數(shù)為6000,拉伸強(qiáng)度為5. 4GPa的碳纖維通過(guò)上漿槽進(jìn)行上漿，上漿后的干 燥溫度設(shè)置為125°C . 分別對(duì)纖維進(jìn)行耐磨、開(kāi)纖測(cè)試。耐磨性能采用山東紡織技術(shù)院的碳纖維耐磨儀進(jìn)行 測(cè)試，W在一定摩擦介質(zhì)下磨斷時(shí)的摩擦次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)纖通過(guò)測(cè)定纖維經(jīng)過(guò)四組直徑 為150mm的導(dǎo)親后的幅寬進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表1所示。
[0027] 實(shí)施例2 將環(huán)氧樹(shù)脂E20 (預(yù)先用球磨機(jī)磨碎)、軟化溫度locrc的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質(zhì)量比40、50、5、5稱好后按照上文的方法制備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%后裝入上漿槽。
[0028] 將單絲數(shù)為6000,拉伸強(qiáng)度為5. 4GPa的碳纖維通過(guò)上漿槽進(jìn)行上漿，上漿后的干 燥溫度設(shè)置為95C . 分別對(duì)纖維進(jìn)行耐磨、開(kāi)纖測(cè)試。耐磨性能采用山東紡織技術(shù)院的碳纖維耐磨儀進(jìn)行 測(cè)試，W在一定摩擦介質(zhì)下磨斷時(shí)的摩擦次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)纖通過(guò)測(cè)定纖維經(jīng)過(guò)四組直徑 為150mm的導(dǎo)親后的幅寬進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表1所示。
[002引 實(shí)施例3 將環(huán)氧樹(shù)脂E20 (預(yù)先用球磨機(jī)磨碎)、軟化溫度15CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質(zhì)量比45、45、5、5稱好后按照上文的方法制備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%后裝入上漿槽。
[0030] 將單絲數(shù)為6000,拉伸強(qiáng)度為5. 4GI^a的碳纖維通過(guò)上漿槽進(jìn)行上漿，上漿后的干 燥溫度設(shè)置為145°C . 分別對(duì)纖維進(jìn)行耐磨、開(kāi)纖測(cè)試。耐磨性能采用山東紡織技術(shù)院的碳纖維耐磨儀進(jìn)行 測(cè)試，W在一定摩擦介質(zhì)下磨斷時(shí)的摩擦次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)纖通過(guò)測(cè)定纖維經(jīng)過(guò)四組直徑 為150mm的導(dǎo)親后的幅寬進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表1所示。
[00引]比較例1 將環(huán)氧樹(shù)脂E20 (預(yù)先用球磨機(jī)磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質(zhì)量比〇、90、5、5稱好后按照上文的方法制備成水系乳液，將 其稀釋為2. 5%后裝入上漿槽。
[0032] 將單絲數(shù)為6000,拉伸強(qiáng)度為5. 4GPa的碳纖維通過(guò)上漿槽進(jìn)行上漿，上漿后的干 燥溫度設(shè)置為125°C . 分別對(duì)纖維進(jìn)行耐磨、開(kāi)纖測(cè)試。耐磨性能采用山東紡織技術(shù)院的碳纖維耐磨儀進(jìn)行 測(cè)試，W在一定摩擦介質(zhì)下磨斷時(shí)的摩擦次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)纖通過(guò)測(cè)定纖維經(jīng)過(guò)四組直徑 為150mm的導(dǎo)親后的幅寬進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表1所示。
[003引 比較例2 將環(huán)氧樹(shù)脂E20 (預(yù)先用球磨機(jī)磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質(zhì)量比90、0、5、5稱好后按照上文的方法制備成水系乳液，將 其稀釋為2. 5%后裝入上漿槽。
[0034] 將單絲數(shù)為6000,拉伸強(qiáng)度為5. 4GI^a的碳纖維通過(guò)上漿槽進(jìn)行上漿，上漿后的干 燥溫度設(shè)置為125°C . 分別對(duì)纖維進(jìn)行耐磨、開(kāi)纖測(cè)試。耐磨性能采用山東紡織技術(shù)院的碳纖維耐磨儀進(jìn)行 測(cè)試，W在一定摩擦介質(zhì)下磨斷時(shí)的摩擦次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，開(kāi)纖通過(guò)測(cè)定纖維經(jīng)過(guò)四組直徑 為150mm的導(dǎo)親后的幅寬進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果如表1所示。
[00巧]娜I試結(jié)罷如親1所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種碳纖維上漿劑，其特征在于：所述碳纖維上漿劑包括環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂， 所述環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂的重量比為1:2~1:1之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特征在于：所述碳纖維上漿劑中還包括 乳化劑及潤(rùn)滑劑，所述乳化劑和潤(rùn)滑劑的重量不超過(guò)上漿劑主劑質(zhì)量的5%。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特征在于：所述環(huán)氧樹(shù)脂為雙酚A型的 環(huán)氧樹(shù)脂，聚氨酯樹(shù)脂為不溶于水的聚酯型聚氨酯。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種碳纖維上漿劑，其特征在于：所述乳化劑為芳香族非離子 型乳化劑，潤(rùn)滑劑為棕櫚酸丁基酯。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特征在于：所述聚氨酯樹(shù)脂的軟化溫度 范圍為10(Tl50°C,并且不溶于水。
6. -種如權(quán)利要求1所述的碳纖維上漿劑的上漿方法，其特征在于：使用上漿劑對(duì)碳 纖維進(jìn)行浸漬上漿，之后進(jìn)行烘干；所述烘干溫度控制在比聚氨酯樹(shù)脂的軟化溫度范圍低 5?10°C范圍之內(nèi)。
【文檔編號(hào)】D06M15/572GK104389177SQ201410619050
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】王浩靜, 張淑斌, 顧紅星, 龐培樂(lè), 程璐, 薛林兵, 范立東 申請(qǐng)人:江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司