一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种适用于热塑性基体的水性碳纤维上浆剂的制备方法，它包括杂化溶胶的配制、水性化和涂膜3个过程。首先，用正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、硅烷偶联剂、仲丁醇铝和无水乙醇制备出硅铝杂化溶胶，其次，将制备的杂化溶胶、水性聚氨酯和水以一定的比例进行混合得到水性碳纤维上浆剂，再次，利用配制的水性上浆剂对碳纤维进行表面涂覆、固化，在碳纤维表面形成一层有机无机杂化材料膜。经过上浆剂表面处理后的碳纤维可以按常规工艺与热塑性高分子材料复合。本发明制备工艺简单，上浆处理后的碳纤维的拉伸强度有明显的提高，利用上浆处理后碳纤维制备的热塑性复合材料的力学性能有了改善改善，由于以水为溶剂，可以有效减少环境污染问题。

权利要求

1.一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、硅烷偶联剂、无水乙醇按质量比1:0.01:0.2 10:20混合~搅拌后得到硅溶胶A；

2）将仲丁醇铝、对甲苯磺酸、无水乙醇以1:0.01:20的质量比在25℃下混合搅拌得到铝溶胶B；

3）将硅溶胶A和铝溶胶B按质量比1:0.1 2在25℃下混合搅拌均匀后，并静置3天-6个~月，得到硅铝杂化溶胶C；

4）将硅铝杂化溶胶C与固含量为5% 20%的水性聚氨酯乳液以1：20的质量比均匀混合，~得到水性碳纤维上浆剂。

2.根据权利要求1所述方法制备的水性碳纤维上浆剂，其特征在于，硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷、 N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷。

说明书

一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及表面改性剂的制备技术，特别是涉及一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法。

背景技术

[0002] 碳纤维增强复合材料因为其低密度、高强度、高弹性模量及优越的抗腐蚀性能等特性而广泛应用于航空航天、汽车制造及体育用品等领域。但由于碳纤维表面呈惰性，和树脂之间的浸润性及两相界面粘结性差，并且碳纤维伸长率低且脆，在加工过程中受到反复弯曲、摩擦容易造成单丝断裂和毛丝。因此在制备纤维增强复合材料时，通常碳纤维需要进行上浆处理。目前使用在碳纤维表面的上浆剂，大多是针对热固性树脂的环氧上浆剂，不适用在热塑性树脂。热固性树脂与增强纤维的结合机理与热塑性树脂不同，环氧上浆剂可以与环氧等热固性树脂在固化时发生交联反应，形成化学键，但热塑性树脂的冷却固化并不伴随化学反应，无法与上浆剂形成化学键，所以常用的环氧上浆剂无法完全与热塑性树脂匹配，使复合材料的力学性能下降。而等离子体、氧化法等碳纤维表面处理方法，又对碳纤维本体的力学强度有很大的损伤。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种适用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0005] 1）将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、硅烷偶联剂、无水乙醇按质量比1:0.01:0.2 10:20~混合搅拌后得到硅溶胶A；

[0006] 2）将仲丁醇铝、对甲苯磺酸、无水乙醇以1:0.01:20的质量比在常温下（25℃）混合搅拌得到铝溶胶B；

[0007] 3）将硅溶胶A和铝溶胶B按1:0.1 2质量比，在常温下（25℃）混合搅拌均匀后，并静~置3天-6个月，得到硅铝杂化溶胶C；

[0008] 4）将硅铝杂化溶胶C与固含量为5% 20%的水性聚氨酯乳液以1：20的质量比均匀混~合，得到水性碳纤维上浆剂。

[0009] 进一步地，所述硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷、 N-β(氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷。

[0010] 本发明的有益效果在于：本发明合成了一种有机与无机的杂化水性碳纤维上浆剂，上浆剂中的无机粒子不仅可以与碳纤维表面的水性聚氨酯涂层相互作用，而且可以与热塑性基体之间相互作用。另外，水性聚氨酯与热塑性基体之间还可以形成氢键作用。使得改性后的碳纤维与热塑性基体之间有较强的结合作用。因此，通过本发明制备得到的上浆剂更适合热塑性基体的加工过程，可在碳纤维的表面形成一层均匀的涂层，增强碳纤维的强度，有效改善碳纤维增强热塑性复合材料的热力学性能。

附图说明

[0011] 图1是实施例1制备的上浆剂对碳纤维上浆前后的碳纤维单丝的拉伸强度柱状图，a是处理前碳纤维，b是处理后碳纤维；

[0012] 图2是实施例1处理前后的碳纤维的表面形态形貌图，a是处理前碳纤维，b是处理后碳纤维；

[0013] 图3是实施例2制备的上浆剂对碳纤维上浆前后的碳纤维与尼龙-6复合材料的拉伸强度柱状图，a是处理前碳纤维，b是处理后碳纤维；

具体实施方式

[0014] 本发明一种适用于热塑性基体的碳纤维表面上浆剂的制备及使用方法，包括：将将正硅酸乙酯对甲苯磺酸，硅烷偶联剂和无水乙醇以一定的比例混合制备出硅溶胶；将仲丁醇铝、对甲苯磺酸和无水乙醇以一定的质量比，在常温下混合搅拌得到铝溶胶；将硅溶胶与铝溶胶按一定的比例均匀混合静置一定时间后得到硅铝杂化溶胶；再将硅铝杂化溶胶与含固量为5%-20%的水性聚氨酯按一定比例混合后，得到水性碳纤维上浆剂。使用时，利用制备的水性碳纤维上浆剂，采用浸渍提拉法对碳纤维进行表面处理，然后放置在通风处自然晾干后，可以按常规的复合工艺与热塑性高分子进行复合，制备碳纤维增强的热塑性复合材料。

[0015] 下面根据实施例具体描述本发明。

[0016] 实施例1

[0017] 将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、氨丙基三乙氧基硅烷和无水乙醇按质量比1:0.01:0.2:20混合搅拌后得到硅溶胶。再将仲丁醇铝、对甲苯磺酸和无水乙醇以质量比1:0.01:20混合搅拌得到铝溶胶。将硅溶胶和铝溶胶以质量比1:0.1质量比配制得到硅铝溶胶。静置3天后，再将硅铝杂化溶胶和固含量为5%的水性聚氨酯1:20混合，得到水性碳纤维上浆剂。

[0018] 先将碳纤维置于丙酮溶剂中超声清洗3h，超声后用乙醇清洗数次。然后在60℃下烘干。使用制备的水性碳纤维上浆剂，采用浸渍提拉法对碳纤维进行表面处理。然后放置在通风处自然晾干。经力学性能测试，其结果如图1。碳纤维强度由原来的3.07Gpa提高到了3.29Gpa，提高了7.17%。使处理后的碳纤维表面形成一层有机无机杂化材料膜。将处理后的碳纤维经过扫描电镜分析发现，纤维表面变粗糙，表面形态示意图如图2所示。

[0019] 实施例2

[0020] 将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、N-β(氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇，按质量比1:0.01:10:20混合搅拌后得到硅溶胶。再将仲丁醇铝、对甲苯磺酸和无水乙醇以质量比1:0.01:20混合搅拌得到铝溶胶。将硅溶胶和铝溶胶以质量比1:2均匀混合硅铝得到溶胶，静置3天后，将硅铝溶胶与含固量为20%的水性聚氨酯乳液按1:20的质量比均匀混合后，得到水性碳纤维上浆剂。

[0021] 利用制备的水性碳纤维上浆剂，采用浸渍提拉法对碳纤维进行表面处理，然后放置在通风处自然晾干。将处理后的碳纤维与尼龙-6树脂基体进行复合，制的碳纤维束丝复合材料，对束丝复合材料进行力学性能测试，其结果如图3。与未经表面处理的碳纤维束丝复合材料相比，力学强度提高了35.95%。

[0022] 上述实施例用来解释说明本发明，不应理解为对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。