一種碳纖維上漿劑的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳纖維上漿劑的制備方法，將環(huán)氧樹脂溶于丙酮中，加入六面體聚倍半硅氧烷和環(huán)氧樹脂，制得改性環(huán)氧樹脂，六面體聚倍半硅氧烷：環(huán)氧樹脂：丙酮的重量比為:20～100:10000:1000～3000；調(diào)節(jié)乳化劑的配比，使乳化劑混合物混合后的親水親油的平衡值保持在8～12范圍之間；將乳化劑與改性的環(huán)氧樹脂按照6～18:100的重量比熔融混合成粘稠溶液；加入去離子水，至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，溫度控制在55℃，攪拌時(shí)間為1h，得碳纖維上漿劑；本方法可有效的提高碳纖維上漿劑的熱穩(wěn)定性，方法簡便，適合于工業(yè)生產(chǎn)，并且能提高上漿劑的耐熱性以及碳纖維復(fù)合材料的綜合性能。
【專利說明】一種碳纖維上漿劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維上漿劑的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于碳纖維具有高比模量，高比強(qiáng)度，耐高溫，耐疲勞，導(dǎo)電，傳熱和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)纖維樹脂基復(fù)合材料。碳纖維絲在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生毛絲和單絲斷裂現(xiàn)象，會(huì)降低材料的力學(xué)性能。為了解決這一問題，通常使用上漿劑來保護(hù)碳纖維，同時(shí)上漿劑還可以起到提高復(fù)合材料中碳纖維和基體樹脂之間的界面粘結(jié)程度，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0003]目前碳纖維上漿劑主要分為兩類，溶劑型上漿劑和乳液型上漿劑。溶劑型的上漿劑主要將樹脂溶于有機(jī)溶劑配制而成，如將聚乙烯醇(PVA)、醋酸乙烯脂聚合物、丙烯酸的聚合物、聚氨脂、聚酰亞胺、不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂或聚苯乙烯等溶解在丙酮有機(jī)溶劑中配制而成相應(yīng)的上漿劑。這種溶劑型上漿劑的缺點(diǎn)是需要大量的有機(jī)溶劑，這就帶來了一系列經(jīng)濟(jì)、安全、衛(wèi)生等方面的問題，在一定程度上制約了溶劑型上漿劑的使用。乳液型上漿劑是以一種樹脂為主體，配以一定量的乳化劑及一些助劑制成的乳液。這類乳液型的上漿劑一般不易在導(dǎo)輥上殘留下樹脂，又無溶劑污染環(huán)境，而且由于乳液中含有表面活性劑，可以大大提高纖維表面的潤濕性，同時(shí)通過使用不同的助劑還可以提高碳纖維復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度(IFSS)和層間剪切強(qiáng)度(ILSS)。由于乳液型上漿劑能夠克服溶劑型上漿劑在經(jīng)濟(jì)、安全、衛(wèi)生等方面存在的問題，因而得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]用微量納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂乳液使該樹脂的環(huán)氧基團(tuán)在界面上與納米粒子形成了大于范德華力的作用，同時(shí)具有良好的相容性，并且能形成非常理想的界面相。專利CN1632217用這種乳液上漿劑可以有效的提高碳纖維絲單絲既復(fù)合材料的力學(xué)性能，達(dá)到增強(qiáng)、增韌的效果。但是這種納米級SiO2改性的上漿劑的缺點(diǎn)是納米級SiO2顆粒在乳液中的分散不均勻，嚴(yán)重影響了上漿劑的性質(zhì)，進(jìn)一步影響了碳纖維復(fù)合材料的性能。
[0005]近些年來，六面體聚倍半硅氧烷(POSS)已經(jīng)引起了廣大科研工作者高度關(guān)注。POSS的結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)基本特征:一、化學(xué)組成介于二氧化硅(SiO2)和硅樹脂(R2SiO)之間，是最典型有機(jī)/無機(jī)雜化結(jié)構(gòu)，它可以被認(rèn)為是最小的二氧化硅顆粒，但它與二氧化硅之間的區(qū)別在于，它的籠狀表面聯(lián)有多個(gè)有機(jī)取代物，POSS化合物一般具有很好的溶解性，能溶于常規(guī)溶劑(如氯仿，二氯甲烷，THF等)，同時(shí)它還具有很好的聚合物相容性、生物相容性和表面相容性。二、單個(gè)POSS分子的大小介于l_3nm之間，平均尺寸為1.5nm左右，能夠在分子水平上對功能材料性能進(jìn)行增強(qiáng)。POSS無論是以摻雜還是嫁接的形式引入到材料中，都可提高材料的阻燃性耐熱性、硬度、耐刮擦性、以及材料的熱穩(wěn)定性及熱分解溫度。目前，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中包括聚合物中、交聯(lián)樹脂、聚氨酯、含有硅的催化劑、發(fā)光材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】
:[0006]本發(fā)明的目的是提供一種適合工業(yè)化應(yīng)用的功能型碳纖維乳液上漿劑的制備方法，解決SiO2改性上漿劑中存在的SiO2分散不均勻和穩(wěn)定性差的問題。
[0007]本發(fā)明所述的碳纖維乳液上漿劑以環(huán)氧樹脂、乳化劑和單官能團(tuán)POSS為原料，其制備過程如下:
[0008](I)將六面體聚倍半硅氧烷(POSS)和環(huán)氧樹脂溶于丙酮中，高速攪拌均勻，然后抽真空除有機(jī)溶劑，制得改性環(huán)氧樹脂，POSS:環(huán)氧樹脂:丙酮的重量比為20?100:10000:1000 ?3000 ；
[0009](2)調(diào)節(jié)乳化劑之間的配比，使乳化劑混合物混合后的親水親油的平衡值(HLB)保持在8?12范圍之間，然后加熱至熔融狀態(tài)后開始攪拌使其混合均勻；
[0010](3)將混合乳化劑與改性的環(huán)氧樹脂按照6?18:100的重量比熔融混合成粘稠溶液；
[0011](4)緩慢加入去離子水，直至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度控制在55°C，同時(shí)快速攪拌，控制轉(zhuǎn)速為14000?18000r/min，攪拌時(shí)間為lh，即得碳纖維乳液上漿劑。
[0012]如上所述的六面體聚倍半硅氧烷(POSS)可以是八(3-羥丙基二甲基硅基)聚倍半娃氧燒(PSS_0cta[ (3-hydroxypropyl) dimethylsiloxy] substituted)、3_ 輕丙基七異丁基聚倍半娃氧燒(PSS-(3-Hydroxypropyl)-heptaisobutyl substituted)等含輕基的六面體聚倍半硅氧烷。
[0013]如上所述的環(huán)氧樹脂可以是縮水甘油基型環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化烯烴、雙酚A型環(huán)氧樹脂中的一種或幾種的混合物，縮水甘油基型環(huán)氧樹脂如環(huán)氧樹脂618、665、6101、AG-80等；環(huán)氧化烯烴可以是環(huán)氧樹脂D-17等。
[0014]如上所述的乳化劑可以是OP系列，如0P-10、0P-7等；斯盤系列，如S_40、S_60、S-80等；吐溫系列如T-40、T-60、T-80等。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]本發(fā)明可有效的提高碳纖維上漿劑的熱穩(wěn)定性。該上漿劑的制備方法簡便，適合于工業(yè)生產(chǎn)并且能提高上漿劑的耐熱性以及碳纖維復(fù)合材料的綜合性能。
【具體實(shí)施方式】:
[0017]實(shí)施例1:
[0018]在2L的反應(yīng)器種加入3-輕丙基七異丁基聚倍半娃氧燒(PSS-(3-Hydroxypropyl)-heptaisobutyl substituted)、環(huán)氧樹脂 AG-80 和丙酮，重量比為 20:10000:1000,混合物攪拌制得改性環(huán)氧樹脂。在另一 2L的攪拌反應(yīng)釜中將乳化劑烷基酚聚氧乙烯基醚(0P-10)和失水山梨脂肪酸脂，以3:5的重量比混合加熱至80°C，制成混合乳化劑。改性的環(huán)氧樹脂AG-80與混合乳化劑按100:6的重量比熔融后攪拌均勻，緩慢加入去離子水，直至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度控制在55°C，同時(shí)用乳化機(jī)快速攪拌，攪拌速度為14000r/min，攪拌Ih,制得本發(fā)明的碳纖維上漿劑。
[0019]實(shí)施例2:
[0020]在2L的反應(yīng)器種加入八(3-羥丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷(PSS-Octa[ (3-hydroxypropyl) dimethylsiloxy] substituted)、環(huán)氧樹脂 618 和丙酮，重量比為20:10000:2000，混合物攪拌制得改性環(huán)氧樹脂。在另一 2L的攪拌反應(yīng)釜中將乳化劑烷基酚聚氧乙烯基醚(0P-7)和失水山梨脂肪酸脂，以3:5的重量比混合加熱至80°C，制成混合乳化劑。改性的環(huán)氧樹脂618與混合乳化劑按100:7的重量比熔融后攪拌均勻，緩慢加入去離子水，直至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度控制在55°C，同時(shí)用乳化機(jī)快速攪拌，攪拌速度為18000r/min,攪拌Ih,制得本發(fā)明的碳纖維上衆(zhòng)劑。
[0021]實(shí)施例3:
[0022]在2L的反應(yīng)器種加入八(3-羥丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷(PSS-Octa[ (3-hydroxypropyl) dimethylsiloxy] substituted)、環(huán)氧樹脂 D-17 和丙酮，重量比為20:10000:2000，混合物攪拌制得改性環(huán)氧樹脂。在另一 2L的攪拌反應(yīng)釜中將乳化劑烷基酚聚氧乙烯基醚(0P-7)和失水山梨脂肪酸脂，以3:5的重量比混合加熱至80°C，制成混合乳化劑。改性的環(huán)氧樹脂D-17與混合乳化劑按100:11的重量比熔融后攪拌均勻，緩慢加入去離子水，直至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度控制在55°C，同時(shí)用乳化機(jī)快速攪拌，攪拌速度為18000r/min,攪拌Ih,制得本發(fā)明的碳纖維上衆(zhòng)劑。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將環(huán)氧樹脂溶于丙酮中，加入六面體聚倍半硅氧烷和環(huán)氧樹脂高速攪拌均勻，然后抽真空除有機(jī)溶劑，制得改性環(huán)氧樹脂，六面體聚倍半硅氧烷:環(huán)氧樹脂:丙酮的重量比為:20 ?100:10000:1000 ?3000 ； (2)調(diào)節(jié)乳化劑之間的配比，使乳化劑混合物混合后的親水親油的平衡值保持在8?12范圍之間，然后加熱至熔融狀態(tài)后開始攪拌使其混合均勻； (3)將混合乳化劑與改性的環(huán)氧樹脂按照6?18:100的重量比熔融混合成粘稠溶液； (4)緩慢加入去離子水，直至固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度控制在55°C，同時(shí)快速攪拌，控制轉(zhuǎn)速為14000?18000r/min，攪拌時(shí)間為lh，即得碳纖維上漿劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的六面體聚倍半硅氧烷選自八(3-羥丙基二甲基硅基)聚倍半硅氧烷或3-羥丙基七異丁基聚倍半硅氧燒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的環(huán)氧樹脂是縮水甘油基型環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化烯烴、雙酚A型環(huán)氧樹脂中的一種或幾種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的縮水甘油基型環(huán)氧樹脂是環(huán)氧樹脂618、665、6101或AG-80。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的環(huán)氧化烯烴是環(huán)氧樹脂D-17。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的乳化劑選自是OP系列、斯盤系列或吐溫系列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的乳化劑OP系列是 0P-10 或 0P-7。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的乳化劑斯盤系列是 S-40、S~60 或 S-80。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維上漿劑的制備方法，其特征在于:所述的乳化劑吐溫系列是 T-40、T-60、T-80。
【文檔編號】C08G81/00GK103451951SQ201210178449
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】于海波, 王勛章, 田振生, 姜丹蕾, 王丹, 徐金峰 申請人:中國石油天然氣股份有限公司