技術(shù)領(lǐng)域。本文公開一種通過使用溶劑將上漿材料施加于纖維的方法。該方法可用于設(shè)計制造該纖維與該纖維并入于其中的復(fù)合材料的其它組分間的界面。在各種實施方案中，該方法提供改進(jìn)的制造方法和/或具有改進(jìn)性質(zhì)的復(fù)合材料。

相關(guān)技術(shù)說明。雖然碳纖維可用于制造非常堅固的產(chǎn)品，但是碳纖維本身在處理期間非常脆弱，因此在外力作用下可容易斷裂。為了對抗該纖維的脆弱性，可將涂層施加于纖維，該涂層充當(dāng)阻止斷裂的保護(hù)性屏障。通常，已知作為漿(size)或漿料(sizing)的材料涂覆于碳纖維上以作為保護(hù)層和/或表面改性劑。此外，漿料可用于改性纖維的表面，諸如加強(qiáng)聚合物基質(zhì)纖維的粘附性。漿料可用于提高所得復(fù)合材料的性能?？苫谔祭w維涂層期望的最終品質(zhì)使用不同類型漿料?？蓪{料施加于各種類型的纖維，包括無機(jī)及有機(jī)纖維。

歷史上，就施加漿料于纖維(例如，碳纖維)而言，有兩種主要工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作。首先，上漿材料可通過使用表面活性劑乳化為載液。然而，表面活性劑的使用會對復(fù)合材料的最終性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，因為該表面活性劑可殘留在最終纖維產(chǎn)品上。此外，許多材料不能容易乳化。例如，高分子量(MW)環(huán)氧樹脂、熱塑性塑料及橡膠均傾向于難以乳化，因此一般不使用該乳化方法將這些材料用作碳纖維漿料。這會留下一大部分潛在上漿材料，其不能經(jīng)濟(jì)地和/或技術(shù)上用于加強(qiáng)或改性纖維表面。

施加漿料于纖維(例如，碳纖維)上的第二種方法是通過使用溶劑。上漿材料可溶于特定溶劑中，諸如有機(jī)溶劑，產(chǎn)生溶劑與上漿材料的溶液。纖維可隨后在該溶液中浸漬，使得漿料/溶劑溶液粘附于纖維。經(jīng)漿料/溶劑溶液涂覆的纖維經(jīng)干燥以去除溶劑，僅在纖維上留下上漿材料。然而，干燥經(jīng)涂覆的纖維以去除溶劑的步驟，通常會產(chǎn)生溶劑蒸汽，其對環(huán)境及暴露于該溶劑蒸汽的工作人員兩者均是危險的，除非采取適當(dāng)預(yù)防措施。例如，有機(jī)溶劑蒸汽可能是高度易燃的，會起火和/或爆炸，即使在采取大量預(yù)防措施時。此外，與過量溶劑暴露相關(guān)聯(lián)的一般健康危害，包括對神經(jīng)系統(tǒng)的毒性、生殖系統(tǒng)損害、肝臟及腎臟損害、呼吸系統(tǒng)損傷和/或癌癥。因此，當(dāng)處理通過溶劑上漿方法產(chǎn)生的有機(jī)蒸汽時，必須考慮嚴(yán)格保護(hù)及安全成本。這些預(yù)防措施可使溶劑上漿方法極其昂貴，并且因此不切實際。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種施加漿料于有機(jī)或無機(jī)纖維上的方法。在一些實施方案中，該方法可包括提供一種或多種或一定量的纖維，使該一定量纖維與組合物接觸，其中該組合物包括溶于水混溶性溶劑中的聚合物，由此形成在該一定量纖維上的溶劑/聚合物涂層，使該聚合物凝結(jié)在該一定量纖維上，通過用水洗滌具有該溶劑/聚合物涂層的該一定量纖維以去除該水混溶性溶劑、并且至少部分干燥所得一定量的經(jīng)聚合物涂覆的纖維以制造一定量的上漿纖維。

該一種或多種或一定量纖維選自碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、芳族聚酰胺纖維、聚烯烴纖維、聚酯纖維、丙烯酸類纖維、及其組合。在一些實施方案中，該一定量纖維可以是織物。在一些實施方案中，該水混溶性溶劑選自二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、六甲基磷酰胺(HMPA)、丙酮、甲基乙基酮、丁酮、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氯甲烷、氯仿、硫氰酸鈉、以及氯化鋅。在一些實施方案中，該溶劑可具有約10或更高，或約3或更低的pH值。在一些實施方案中，該溶劑可以是強(qiáng)堿或強(qiáng)酸。

該聚合物可選自環(huán)氧樹脂、熱塑性塑料、橡膠、及其組合。在一些實施方案中，該聚合物可選自聚醚砜、聚醚酮(例如，PEEK)、雙酚A環(huán)氧樹脂、雙酚F環(huán)氧樹脂、酚氧樹脂、酚系樹脂、乙烯酯、雙馬來酰亞胺(BMI)、聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、雙酚A環(huán)氧樹脂的二縮水甘油醚、核殼型橡膠、蒽環(huán)氧樹脂、萘環(huán)氧樹脂、酚醛清漆環(huán)氧樹脂、三官能環(huán)氧樹脂、四官能環(huán)氧樹脂、預(yù)聚物、及其組合。在一些實施方案中，該聚合物具有約300或更高的環(huán)氧當(dāng)量。在一些實施方案中，該聚合物具有約500或更低的環(huán)氧當(dāng)量。在一些實施方案中，該聚合物是不同聚合物的組合。

該聚合物可由改性劑改性，該改性劑選自橡膠顆粒、無機(jī)顆粒、有機(jī)顆粒、添加劑、及其組合。在一些實施方案中，該橡膠顆粒、無機(jī)顆粒、有機(jī)顆粒、及添加劑可選自碳納米管(CNT)、石墨烯片、碳微珠、二氧化硅納米管、碳化二氧化硅納米管、納米粘土、及其組合。

在一些實施方案中，至少部分干燥期間基本上沒有溶劑蒸汽產(chǎn)生。在該背景中，由于該聚合物在水中的溶解性非常低，故不考慮水作為溶劑。在一些實施方案中，不使用表面活性劑。至少部分干燥步驟期間，水可基本上從該一定量纖維中去除。在一些實施方案中，在洗滌期間形成包括水、水混溶性溶劑及聚合物的浴后組合物。該方法可任選地還包括回收該浴后組合物的一種或多種組分。

本文還公開了一種施加漿料在纖維上并使溶劑蒸汽形成最小化的方法。此方法可包括將聚合物與水混溶性溶劑組合以形成上漿組合物，其中將該聚合物溶于該上漿組合物，將該上漿組合物施加于至少一種纖維，由此用該聚合物涂覆該至少一種纖維，將該聚合物凝結(jié)在該至少一種纖維上，從該至少一種纖維中去除該水混溶性溶劑，以及在已去除該水混溶性溶劑后至少部分干燥該至少一種纖維，其中至少部分干燥期間基本上沒有溶劑蒸汽產(chǎn)生。

凝結(jié)該聚合物和/或去除該水混溶性溶劑，可包括將水施加于該至少一種經(jīng)涂覆纖維。

這些及其它實施方案將在下文更詳細(xì)描述。

附圖簡要說明

圖1示意性地闡明如本文所述的使用溶劑浴以及含水凝結(jié)/洗滌浴施加漿料至纖維的方法的一個實施方案。

圖2示意性地闡明如本文所述的使用溶劑浴以及含水凝結(jié)浴施加漿料至纖維的方法的一個實施方案。

圖3A-B顯示用于將環(huán)氧樹脂上漿材料施加至碳纖維上的該公開的上漿方法的實施方案和常規(guī)乳化上漿方法的掃描電鏡(SEM)之間的比較。

圖4A-B顯示使用用于二甲基亞砜(DMSO)以及N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑的熱塑性聚醚砜漿料的SEM比較。如圖所示，使用不同類型的溶劑可以控制碳纖維上所得上漿膜的表面形態(tài)。

圖5顯示了使用DMSO溶劑施加在碳纖維上的環(huán)氧樹脂/熱塑性樹脂混合物組合上漿材料的SEM圖像。

圖6A-B顯示用于DMSO及NMP溶劑的聚酰亞胺漿料的SEM比較。如圖所示，使用不同類型的溶劑可以控制碳纖維上所得上漿膜的表面形態(tài)。

圖7顯示了使用DMSO溶劑施加于碳纖維上的核殼型橡膠上漿材料的SEM圖像。

圖8顯示了使用DMSO溶劑施加于碳纖維上的環(huán)氧樹脂/核殼型橡膠組合上漿材料的SEM圖像。

圖9A-B顯示了使用硫酸施加于碳纖維上的聚醚醚酮(PEEK)上漿材料的SEM圖像。

發(fā)明詳述

本公開的實施方案提供了一種使用溶劑將材料(例如，漿料)粘附于一定量或一組纖維的方法。具體地，該公開的方法使用水浴以去除粘附于該纖維的溶劑，由此使該纖維處理期間的風(fēng)險最小化。例如，可最小化溶劑蒸汽形成。此外，強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶劑可在處理期間進(jìn)行稀釋。該公開的方法的實施方案可結(jié)合典型溶劑漿料粘附方法使用。因此，應(yīng)了解，用于以下公開內(nèi)容的漿料及溶劑是常規(guī)使用，且無限制性。

本文使用的術(shù)語“漿”或“漿料”是廣義的，并且包括其關(guān)于施加于纖維的一般技術(shù)詞典的含義。此外，該術(shù)語亦指任何可用作纖維涂層的材料。該漿料的類型、尺寸、分子量、及其它性質(zhì)并無限制。例如，該上漿材料可以是經(jīng)由工業(yè)可接受的溶劑上漿方法施加于纖維的任何已知漿料。在各種實施方案中，該漿料是在用于上漿的溶劑中相對可溶，但是在水中相對難溶的聚合物。

本文使用的術(shù)語“纖維”是廣義的，并且包括一般技術(shù)詞典的定義，且可指用于復(fù)合材料的各種高性能纖維，包括纖維諸如碳纖維(例如，石墨纖維及石墨烯纖維)、玻璃纖維諸如e-玻璃纖維或s-玻璃纖維、陶瓷纖維、芳族聚酰胺纖維、聚烯烴纖維(例如，聚乙烯及聚丙烯纖維)、聚酯纖維、丙烯酸類纖維、及其組合。纖維的結(jié)構(gòu)并無限制，并且可包括，例如，由上述纖維制造的束、絲束和/或織物。

本文使用的術(shù)語“水混溶性溶劑”是廣義的，且包括一般技術(shù)詞典定義。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以了解，本文描述的方法的內(nèi)容中，水本身不考慮作為水混溶性溶劑(盡管如本文別處描述，含水溶液諸如含水酸及含水堿可以是水混溶性溶劑)。例如，水混溶性溶劑可以是允許物質(zhì)轉(zhuǎn)移機(jī)制的溶劑，其中溶劑從經(jīng)溶劑/漿料涂覆的纖維傳遞至水中，以及水轉(zhuǎn)移到上漿材料上和/或到上漿材料中，如本文別處描述。在一些實施方案中，該水混溶性溶劑20℃時在水中的溶解度為約1g/L或更高、約2g/L或更高、約5g/L或更高、約8g/L或更高、約10g/L或更高、約50g/L或更高、或約100g/L或更高。在一些實施方案中，該水混溶性溶劑可以全部比例在水中完全混溶。

特定地，本發(fā)明公開的方法允許在制造期間將上漿材料以溶液形式持續(xù)施加于纖維絲，同時減少或消除溶劑蒸汽的形成，由此使制造過程的健康和/或環(huán)境影響最小化。如下文詳細(xì)公開，在一些實施方案中，將漿料/溶劑以溶液形式施加于纖維后，該纖維可在含水浴(例如，水浴)中洗滌。該含水浴可允許該漿料(其通常難溶于水)凝結(jié)及均勻地涂覆該纖維，同時也去除任何殘留溶劑至含水浴中。此外，該洗滌可有助于稀釋任何使用的強(qiáng)酸或堿溶劑。

在一些實施方案中，當(dāng)經(jīng)漿料/溶劑涂覆的纖維進(jìn)入該含水浴時，可進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)移機(jī)制，其中該溶劑轉(zhuǎn)移至水中，以及水轉(zhuǎn)移到該上漿材料上和/或該上漿材料中。在此溶劑與水交換過程期間，該水(對該上漿材料是不良溶劑或非溶劑)可引起該漿料沉淀/凝結(jié)在該纖維上以形成在該纖維表面上的膜或涂層。溶劑-水交換速率、凝結(jié)浴的溶劑濃度、溶劑溶解力、及凝結(jié)浴溫度均可影響漿料膜在纖維上的形成。水浴中水的高濃度可有助于該溶劑移動至水相。物質(zhì)轉(zhuǎn)移后，基本上全部該溶劑從纖維中去除并殘留在水浴中。

一旦洗滌步驟完成，該纖維可經(jīng)干燥以去除過量水。干燥步驟期間，由于所有或幾乎所有溶劑已經(jīng)去除，基本上沒有溶劑蒸汽可形成。例如，僅可形成可忽略水平的溶劑蒸汽，這將不會對工作人員有害。因此，該公開方法的實施方案可提供用于將許多類型漿料施加于纖維的具有成本效益及環(huán)境友好的方法。在下文描述的實施方案中，可應(yīng)用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常使用的任何溶劑及漿料。

本發(fā)明公開方法的實施方案可用于施加各種漿料作為前驅(qū)體或中間體纖維產(chǎn)物、諸如氧化纖維或預(yù)碳化纖維的涂層。在纖維制造中該涂層可作為過程輔助劑或性質(zhì)強(qiáng)化劑。漿料可對底層材料具有諸多影響并且可將提供纖維和/或復(fù)合物各種性質(zhì)的性能改進(jìn)作為目標(biāo)。例如，漿料涂層的形態(tài)可以是針對纖維和/或復(fù)合物性質(zhì)改進(jìn)而特別定制。如上文提及，在制造過程中纖維可以非常脆弱。因此，漿料可通常作為強(qiáng)化材料施加，且可例如作為保護(hù)性屏障以阻止處理期間纖維的損壞。因此，將該漿料施加于纖維后，在制造過程中該纖維可更易于處理且具有更低的損壞可能性。此外，漿料可用于一般改性該纖維的表面以得到期望的特性及復(fù)合物性能。

漿料可影響纖維和該纖維嵌入于其中的復(fù)合材料的其它組分(諸如基質(zhì)樹脂)之間的界面性質(zhì)。例如，大量的負(fù)載轉(zhuǎn)移可發(fā)生于嵌入在樹脂基質(zhì)中的纖維之間的界面處。該漿料可用于輔助在該基質(zhì)中纖維的粘附，其有助于阻止外力斷裂該纖維離開基質(zhì)。此外，例如，漿料可幫助提供在樹脂基質(zhì)中環(huán)繞纖維的堅固支撐，由此增強(qiáng)和/或增韌該復(fù)合材料產(chǎn)物，并且改進(jìn)加工能力及該基質(zhì)中纖維的性能。

如上文所提及，使用溶劑的漿料施加是纖維領(lǐng)域的準(zhǔn)則。由于大部分類型的上漿材料可以與溶劑一起使用，溶劑漿料比乳化漿料更優(yōu)選。乳化方法受限于可乳化上漿材料的使用。然而，在所公開方法的實施方案中，不同類型的漿料可用于該公開的方法。例如，環(huán)氧樹脂、熱塑性塑料、橡膠、及其組合可用作上漿材料，并且上漿材料的類型并無限制。幾乎所有聚合物、熱固性塑料、熱塑性塑料、或其混合物作為下述方法的實施方案中的漿料可施加于纖維，包括那些具有高分子量(MW)或高環(huán)氧當(dāng)量重量(EEW)的。

如本文在聚合物內(nèi)容中所使用，術(shù)語“分子量”是指重量平均分子量，如使用光散射檢測的尺寸排阻色譜測得。在一些實施方案中，該漿料可具有約10,000或更高、約50,000或更高、約100,000或更高的分子量。在一些實施方案中，該漿料可具有約500,000或更低的分子量。在一些實施方案中，用于所公開方法的漿料可具有比常規(guī)用于乳化方法更高的MW。在一些實施方案中，該漿料可具有約150或更高、約300或更高、或約500或更高的環(huán)氧當(dāng)量重量(EEW)。在一些實施方案中，該漿料可具有約500或更低的環(huán)氧當(dāng)量。在一些實施方案中，用于公開方法的漿料具有比常規(guī)用于乳化方法更高的EEW。具體地，聚醚砜、聚醚酮(例如，聚醚醚酮，PEEK)、雙酚A環(huán)氧樹脂、雙酚F環(huán)氧樹脂、酚氧樹脂、酚系樹脂、乙烯酯、BMI、聚酰胺、聚酰胺酰亞胺、雙酚A環(huán)氧樹脂的二縮水甘油醚、核殼型橡膠、蒽環(huán)氧樹脂、萘環(huán)氧樹脂、酚醛清漆環(huán)氧樹脂、三官能環(huán)氧樹脂、及四官能環(huán)氧樹脂及其各種比例的混合物可用作漿料。

此外，預(yù)聚物類型漿料可施加于纖維。一般而言，事實上可使用可溶于溶劑中的任何漿料聚合物，以及，如下文描述，高度腐蝕性溶劑可用于所公開方法的實施方案。許多上文列舉的聚合物，包括具有高環(huán)氧當(dāng)量重量的環(huán)氧樹脂材料，無法使用常規(guī)乳化方法輕易乳化。在一些實施方案中，使用的漿料可以是水不溶性。此外，通過添加橡膠顆?；驘o機(jī)顆粒、有機(jī)顆粒、或諸如例如碳納米管(CNT)、石墨烯片、碳微珠、二氧化硅納米管、碳化二氧化硅納米管、以及納米粘土的添加劑改性上漿材料可更易達(dá)成均勻顆粒分布。

在一些實施方案中，可使用高度腐蝕性和/或毒性溶劑。例如，可使用有機(jī)溶劑，其干燥時可產(chǎn)生不期望的溶劑蒸汽。此外，可使用強(qiáng)酸(例如，pH值為1、2、3、或4)及強(qiáng)堿(例如，pH值為12、11、或10)，由于一些漿料(例如，PEEK)不能充分溶解于有機(jī)溶劑，但可溶解于強(qiáng)酸。優(yōu)選地，在公開方法的實施方案中使用的溶劑混溶或可溶于水。

在一些實施方案中，該溶劑可以是極性、非質(zhì)子性溶劑。這些類型的溶劑可具有高介電常數(shù)及高偶極矩兩者。例如，可使用二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基-2-吡咯啶酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、六甲基磷酰胺(HMPA)、及其上述的混合物，但該溶劑類型并無限制，以及該領(lǐng)域中任何常用溶劑可用于所公開方法的實施方案。在一些實施方案中，可使用其它有機(jī)溶劑諸如丙酮、甲基乙基酮、丁酮、甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氯甲烷及氯仿。在一些實施方案中，可使用無機(jī)溶劑，諸如可使用那些包含氯化鋅或硫氰酸鈉的無機(jī)溶劑。在一些實施方案中，該無機(jī)溶劑可是鹽或多種鹽的水溶液。

上漿方法

圖1闡明根據(jù)本公開實施方案的用于纖維的漿料施加的方法100。所述方法的實施方案可以是環(huán)境友好的，原因是該方法期間基本上避免溶劑蒸汽。此外，可使用苛性溶劑，諸如強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性溶劑，同時通過處理期間稀釋該溶劑限制對暴露于該溶劑的工作人員的潛在危險。

首先，可制備纖維102。在一些實施方案中，該纖維是制造的，而且在一些實施方案中該纖維是購買的。制備纖維的方法并無限制，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可了解制備這種纖維的不同方法。這種纖維可隨后浸漬于上漿浴104中。上漿浴104可包含溶劑與該上漿材料的組合。

一旦該纖維經(jīng)溶劑與聚合物的溶液涂覆，該經(jīng)溶劑/上漿材料包覆的纖維可從上漿浴104中移出并置于含水凝結(jié)/洗滌浴(例如，水浴)106中。該浴106可包含靜止水或流動水。在一些實施方案中，可使用去離子水108，例如，以減少金屬污染，盡管也可使用其它類型水諸如蒸餾水及自來水，且水的類型并無限制。此外，雖然水通常方便且經(jīng)濟(jì)，但水不一定必須使用，而且可使用不同液體(在其中該溶劑相對可溶且該漿料相對難溶)以從該溶劑/漿料除層中去除該溶劑并將該漿料凝結(jié)在該纖維上。該纖維可在水浴106中有效洗滌或可浸泡以去除任何殘留溶劑。在一些實施方案中，該纖維可置于水浴106中，并且噴嘴可產(chǎn)生移動水流以沿著該纖維經(jīng)過。在其它實施方案中(未在圖1中顯示)，該聚合物可通過不必涉及在浴中浸漬的其它方法，例如，通過在該纖維上噴水而凝結(jié)在該纖維上。

圖2闡明用于施加漿料于纖維的方法的實施方案。如在方法202中顯示，凝結(jié)浴204及洗滌浴206可分離。在一些實施方案中，浴204/206可連接，由此水可在其間流動。在一些實施方案中，該水僅在一個方向上流動。由此，該纖維可首先途經(jīng)用于將漿料凝結(jié)在纖維上的凝結(jié)浴204。該纖維可隨后移動至洗滌浴206，其中淡水208，諸如上文描述的水，可用于洗滌掉該纖維上的溶劑。使用的水可隨后運(yùn)送回210凝結(jié)浴204，其可產(chǎn)生階式效果。因此，在一些實施方案中，凝結(jié)浴204中使用的水可包含溶劑及水兩者。如圖所示，許多其它步驟可與圖1中討論的這些步驟相似，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉可以添加或去除步驟。

再次提及圖1，上述洗滌步驟106可使用多個浴。在一些實施方案中，該多個浴可各具有1個或多個隔室，例如，至少各2、3、4、5、6、7、8、9、或10個隔室。該浴可以階式配置，其中水可從一隔室溢流至相鄰隔室。該纖維可在第一隔室中洗滌并隨后以通常相反于階級方向的方向移動至相鄰隔室。該纖維可隨后從第一浴移動至第二浴。在一些實施方案中，最后一個浴可用于檢查任何殘留溶劑。在一些實施方案中，大約80％、85％、90％、95％、99％、99.9％或100％的溶劑在洗滌步驟106中洗掉。在一些實施方案中，80％或更高、85％或更高、90％或更高、95％或更高、99％或更高、或99.9％或更高的溶劑在洗滌步驟106中洗掉。在一些實施方案中，可控制浴中水的溫度，與水的濃度，以及由此控制水與溶劑/漿料/纖維的比率。在一些實施方案中，幾乎全部漿料在纖維上的凝結(jié)發(fā)生在第一隔室。在一些實施方案中，可改變水浴的溫度以產(chǎn)生或加強(qiáng)相分離。

在凝結(jié)/洗滌步驟106的水浴中，上漿材料可凝結(jié)/沉淀及粘附于纖維表面。這可發(fā)生是由于水混溶性溶劑可用于涂覆步驟104，因此發(fā)生溶劑與水的交換以凝結(jié)該聚合物。因此，一旦該纖維接觸或浸入水中，該溶劑可溶于水中形成溶液。此外，該水不溶性漿料可凝結(jié)在一起及粘附于纖維表面。在一些實施方案中，該纖維可以是相對疏水性。因此，該水混溶性溶劑可溶于水并且可以洗掉，同時該漿料可保留粘附于纖維。此外，水浴可用于稀釋強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性溶劑。由于在水浴中洗滌經(jīng)溶劑/漿料涂覆的纖維，系統(tǒng)的總pH值可接近7。因此，該經(jīng)涂覆的纖維可更易于處理。

在一些實施方案中，可用一些方法去除所得浴后組合物，該浴后組合物包括與水混合的溶劑/漿料溶液，及回收一種或多種組分110。在一些實施方案中，該浴后組合物可包含在步驟106后上漿纖維從浴中移出時不粘附于纖維的任何上漿材料。在一些實施方案中，可經(jīng)過蒸餾回收溶劑。在一些實施方案中，通常以松散聚合物顆?；蚱男问酱嬖诘倪^量漿料可過濾除去?；厥赵撊軇┖?或過量漿料的方法并無限制。

一旦纖維經(jīng)上漿材料涂覆及去除溶劑，該纖維可被干燥112。例如，可使用烘箱或通用干暖循環(huán)空氣干燥纖維，而干燥的方法并無限制。在一些實施方案中，可在約125℃至約140℃的溫度范圍內(nèi)干燥該纖維。由于該溶劑基本上在水洗滌步驟106已經(jīng)從該纖維中去除，在干燥期間產(chǎn)生水蒸汽114，該水蒸汽含有較少或不含溶劑蒸汽。相比于溶劑蒸汽，水蒸汽114通常可明顯更容易去除，而且涉及水蒸汽釋放的任何泄露或意外一般是無害的。在一些實施方案中，干燥步驟112期間去除全部水。在一些實施方案中，干燥步驟112后水仍可殘留在纖維上。與干燥以去除溶劑相比，在干燥步驟112中可以使用較高溫度及其它參數(shù)以去除水分，由于具有顯著較低的爆炸或著火危險，并且因此可加快干燥速度和/或提高工藝生產(chǎn)量。在該纖維干燥并適當(dāng)上漿后，該上漿纖維可在絡(luò)筒機(jī)116中卷繞以用于任何最終處理步驟并且裝運(yùn)。然而，絡(luò)筒機(jī)不是必需的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉包含在本公開中的其它較小的處理變化。

先前漿料施加沒有本文公開的凝結(jié)/洗滌步驟106。因此，在后續(xù)干燥步驟112期間，在缺乏該凝結(jié)/洗滌步驟106時傾向于產(chǎn)生有害溶劑氣體/蒸汽。這些蒸汽可引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境危害，并且可潛在地?fù)p害暴露于其中的工作人員。例如，一些溶劑氣體可能是易燃的，其可在纖維制造步驟期間導(dǎo)致著火意外或突發(fā)事件。然而，經(jīng)過使用本文描述的凝結(jié)/洗滌浴106，可最小化該溶劑的有害影響，若未完全消除的話。在漿料干燥器中該水凝結(jié)/洗滌步驟106可排除對于有機(jī)蒸汽的任何處理的需要，其在常規(guī)溶劑上漿方法中可能是主要問題。此外，洗滌步驟106可用于稀釋強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶劑。

此外，由于全部或?qū)嵸|(zhì)上全部溶劑在干燥前去除，在包裝處理及纖維放線(pay-off)時，在各種實施方案中任何不完全干燥將不會引起纖維黏連問題。黏連可導(dǎo)致事故及纖維破損。此外，當(dāng)纖維黏連時需引起更多注意，潛在地導(dǎo)致生產(chǎn)減慢。

此外，多種不同上漿材料可混合在一起以用于上文公開的方法。例如，第一上漿聚合物可與第二可溶聚合物組分或第二不溶聚合或無機(jī)組分混合。

由此，本文描述的方法可生產(chǎn)纖維，以乳化方法的安全水平施加漿料，同時不具有其眾多弊端及局限。例如，所公開的方法允許使用廣泛范圍的上漿材料。此外，所公開的方法允許減少或消除使用表面活性劑，該表面活性劑可對最終復(fù)合物性質(zhì)有不利影響。再者，去除表面活性劑的步驟可降低總制造成本，同時增加制造該纖維的容易性。此外，所公開的方法可以產(chǎn)生很少或沒有潛在的危險有機(jī)蒸汽的方式運(yùn)行，不似典型溶劑施加方法，由此增加纖維上漿方法的總安全性。

實施例

提供以下實施例以證實相對于其它上漿方法，所公開上漿方法實施方案的各種方面和/或優(yōu)點(diǎn)。討論這些實施例是出于闡明的目的而不應(yīng)解釋為限制所公開實施方案的范圍。

圖3A至B闡明通過上文方法的實施方案(圖3A)經(jīng)DER-337環(huán)氧樹脂漿料涂覆的碳纖維表面與通過現(xiàn)有技術(shù)乳化方法的實施方案(圖3B)經(jīng)AP-200漿料涂覆的碳纖維表面的對比，DER-337環(huán)氧樹脂漿料來自Dow Chemical Company，DER-337環(huán)氧樹脂漿料來自Cytec Industries，其含有DER-337作為基質(zhì)組分。如掃描式電子顯微鏡(SEM)顯示，所公開方法的實施方案中涂覆的碳纖維具有與常規(guī)乳化方法幾乎相同的表面外觀。由此，如圖3A至B顯示，本文描述的凝結(jié)上漿方法可產(chǎn)生與由常規(guī)乳化上漿方法相同種類的普遍均勻的上漿涂層。因此，本文描述的涂覆方法可與常規(guī)方法相同或比常規(guī)方法更佳地充分包覆碳纖維，并且不具有相同弊端。例如，不像常規(guī)乳化方法，如本文所描述，可使用高M(jìn)W聚合上漿材料。

圖4至圖8闡明由使用各種纖維、漿料、及溶劑組合物施加漿料產(chǎn)生的碳纖維表面，如經(jīng)過SEM所成影像。圖4A闡明使用DMSO作為溶劑施加于碳纖維的聚醚砜漿料(Cytec Industries生產(chǎn)的KM-177聚醚砜)。如圖所示，該漿料以珠狀結(jié)構(gòu)粘附于碳纖維，其均勻分布。圖4B闡明相同的上漿材料，但使用NMP作為溶劑。如圖所示，在碳纖維上很少或沒有聚醚砜珠形成，而是形成普遍均勻及光滑的涂層。這可發(fā)生是由于DMSO及NMP的不同溶劑溶解力。因此，依據(jù)溶劑類型，通過碳纖維上的漿料可產(chǎn)生不同的表面構(gòu)型或形態(tài)，并且可以形成不同的纖維-基質(zhì)界面性質(zhì)。該類型的結(jié)構(gòu)或形態(tài)不限于珠或光滑表面，并且可產(chǎn)生不同類型的表面構(gòu)型，諸如膜、凸塊、及晶須。

圖5闡明作為漿料使用DMSO施加于碳纖維的聚醚砜/環(huán)氧樹脂(約50/50重量比；Cytec Industries的KM-177聚醚砜及Dow Chemical Company的DER-377環(huán)氧樹脂)組合物。不像圖4A的漿料，該漿料使用DMSO以一般光滑涂層施加。因此，該表面結(jié)構(gòu)可不僅受溶劑類型影響，也受與其混合的材料類型影響。在一些實施方案中，可使用經(jīng)混合或共混的漿料。在一些實施方案中，良好的成膜漿料，諸如雙酚-A環(huán)氧樹脂，可用于促進(jìn)其它漿料，諸如蒽環(huán)氧樹脂的施加。

圖6A至B闡明分別使用DMSO及NMP施加于碳纖維的聚酰亞胺熱塑性漿料(Evonik Industrial的P-84聚酰胺)。如圖所示，當(dāng)使用DMSO時，該漿料在纖維表面上形成小凸塊。然而，當(dāng)使用NMP時，形成晶須樣涂層。圖7闡明使用DMSO施加于碳纖維的橡膠漿料(Kaneka Corporation的MX-181核殼型橡膠)，及圖8闡明使用DMSO施加于碳纖維的30∶100(重量％/重量％)的橡膠/環(huán)氧樹脂漿料(Kaneka Corporation的MX-181核殼型橡膠及Dow Chemical Company的DER-337環(huán)氧樹脂)。如圖所示，該橡膠可用于改性該環(huán)氧樹脂漿料，其隨后可產(chǎn)生能遞送提升復(fù)合物的耐沖擊性能的纖維。

圖9A至B闡明使用強(qiáng)硫酸(96％)施加于碳纖維的聚醚醚酮熱塑性漿料(Cytec Industries的APC2 PEEK)。如SEM照片中顯示，當(dāng)強(qiáng)酸性環(huán)境變化時，該漿料可凝結(jié)和/或粘附于碳纖維，例如，如上文描述當(dāng)添加水后酸強(qiáng)度降低時。由此，強(qiáng)酸或強(qiáng)堿可用于上述方法中。

在一些實施方案中，該纖維的漿料掛漿對于某些溶劑比其他溶劑更高。不同溶劑、溶劑類型、溶劑濃度、纖維表面都可以影響漿料掛漿。一般而言，纖維的較粗糙表面可導(dǎo)致較高掛漿，反之較光滑表面可導(dǎo)致較低掛漿。

如上文描述，上文公開的實施方案可通過溶劑混合物的使用制備經(jīng)上漿材料涂覆的纖維。所公開的方法通過使用至少一水浴可基本上避免溶劑蒸汽的形成，由此增加制造該纖維的安全性，也降低潛在的不利環(huán)境影響。所公開的方法可以提供相當(dāng)于(若不是好于)目前使用的常規(guī)乳化上漿方法的結(jié)果的方式來操作。這是由于在所得復(fù)合物中存在乳化劑(例如，表面活性劑)可減弱該聚合物基質(zhì)及纖維與聚合物和基質(zhì)間的界面。此外，乳化穩(wěn)定性問題可導(dǎo)致涂覆在纖維表面上的不均勻(例如，結(jié)塊)漿料。

應(yīng)用

本文所公開方法的實施方案可用于制造纖維，或具有包埋在熱固性或熱塑性樹脂或聚合物中的這種纖維的復(fù)合材料，其中該漿料粘附于纖維表面。通過所公開方法的實施方案制造的纖維可隨后用于各種目的，其全部是非限制性的。例如，通過上文公開的方法制造的纖維可用于棒球拍、電子產(chǎn)品外殼、及高爾夫球桿。此外，纖維由于高強(qiáng)度與重量比及良好剛性可以是特別有利于航空航天及汽車領(lǐng)域。例如，纖維可用于飛行器(諸如商用及軍用飛機(jī))、運(yùn)動商品、汽車、及一般航空航天及工業(yè)。上文描述的碳纖維可用于一級結(jié)構(gòu)，諸如機(jī)翼、機(jī)身、及機(jī)尾，以及二級結(jié)構(gòu)，諸如內(nèi)部。

雖然以上描述已顯示、描述、及指出本發(fā)明教示的基本新穎特征，但是應(yīng)了解本領(lǐng)域技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明教示的范圍下作出如所闡明的裝置的細(xì)節(jié)形式及其應(yīng)用的各種省略、取代、及變化。因此，本發(fā)明教示的范圍不應(yīng)限于以上討論，而應(yīng)由隨附權(quán)利要求定義。