一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法及其产品技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，包括如下的步骤：1)将固态环氧树脂和液态环氧树脂在60～100℃下熔融混合，得到混合环氧树脂；2)加入阴离子表面活性剂，搅拌进行乳化；3)继续加入非离子表面活性剂搅拌，然后滴加蒸馏水，搅拌至体系发生相反转，得到上浆乳液；4)制备改性的石墨烯溶液；5)将上浆乳液和改性的石墨烯溶液混合分散，得到石墨烯改性碳纤维上浆剂。本发明专利技术还涉及上述方法制备得到的石墨烯改性的碳纤维上浆剂，该方法制备的产品不仅具有粒径小均匀，且与碳纤维表面结合好等优点，制备方法同时解决了石墨烯分散不均匀和稳定性差的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳纤维上浆剂制备领域，具体涉及一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法及其产品。
技术介绍
碳纤维具有模量高、强度高、耐高温、耐疲劳、导电和热膨胀系数小等一系列优点，碳纤维增强树脂基复合材料广泛应用于航天航空、交通、能源、建筑等领域。碳纤维丝在生产过程中容易产生毛丝和单丝断裂现象，会降低材料的力学性能。为了解决这个问题，通常在碳纤维生产过程中对其表面进行上浆处理，同时上浆剂还提升碳纤维和基体树脂之间的界面粘接强度，从而提升碳纤维复合材料的综合性能。碳纤维上浆剂大体可以分为溶剂型和乳液型两种，上浆剂中主浆料为树脂，制备上浆剂的树脂种类繁多，主要有乙烯醇、聚丙烯酸、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅改性酚醛树脂、聚酰亚胺、聚酰亚胺等。溶剂型的上浆剂在使用时需要大量的有机溶剂，从而引发经济、安全及环保问题。为了避免上述问题的出现，水性乳液型碳纤维上浆剂被开发出来。刘文博等人将热塑性聚芳醚砜树脂溶于有机溶剂中制备了一种热塑性碳纤维上浆剂。该专利技术具有制备简单上浆均匀等优点。但由于该专利技术在碳纤维工业生产中大量应用时会带来严重的环境污染问题，对比水性上浆剂不具备竞争力。刘丽等人将环氧树脂和聚乙二醇等混合制备了非离子型环氧乳化剂，并
用该乳化剂与环氧树脂以及氧化石墨烯水溶液制备了含有氧化石墨烯的碳纤维上浆剂。该专利技术的上浆剂仅由液态E-44环氧树脂制备，由于液态环氧树脂易吸水，上浆后难以对碳纤维起到有效保护，相比于固液混合树脂更难在碳纤维与基体间形成良好的界面，在碳纤维的工业化生产中会出现难以克服的问题。石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯还兼有石墨和碳纳米管等材料的一些优良性质，例如高热导性和高机械强度，以石墨烯制备的纳米复合材料也表现出许多优异的性能。将石墨烯加入到上浆剂中不仅可提高界面的锚定效应，而且加入石墨烯后还可以减少吸水量，显著提升界面性能。但石墨烯在水中的分散性很差，如果不经过处理加入到上浆剂中容易团聚反而使性能下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法及其产品，该方法制备的产品不仅具有粒径小均匀，且与碳纤维表面结合好等优点，而且同时解决了石墨烯分散不均匀和稳定性差的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案为：一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，包括如下的步骤：1)将固态环氧树脂和液态环氧树脂在60～100℃下熔融混合，得到混合环氧树脂；2)加入阴离子表面活性剂，搅拌进行乳化；3)继续加入非离子表面活性剂搅拌，然后滴加蒸馏水，搅拌至体系发生
相反转，得到上浆乳液；4)制备改性的石墨烯溶液；5)将上浆乳液和改性的石墨烯溶液混合分散，得到石墨烯改性碳纤维上浆剂。上述技术方案中，所述的制备方法简单易于操作，所得的上浆剂具有粒径小且均匀，稳定性好等优点。上浆剂中加入改性的石墨烯不仅可提高界面的锚定效应，而且加入石墨烯后还可以减少吸水量，显著提升界面性能；其次，改进的石墨烯具有尺寸大小合适，粒径分布窄，剥离程度高，稳定性好易储存等特点，同时可大幅度提升碳纤维的界面性能进而提升综合力学性能的优点。制备得到的改性上浆剂具有使用方便、易于储存和化学性质稳定等特点，对于高性能碳纤维上浆剂的工业应用推广有较好的指导意义。作为优选，所述的固态环氧树脂为E-06环氧树脂、E-12环氧树脂或E-20环氧树脂。作为优选，所述的液态环氧树脂为E-44环氧树脂、E-51环氧树脂或E-55环氧树脂。作为优选，所述的阴离子表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、十二烷基硫酸盐、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸盐、十二烷基苯磺酸盐、仲烷基磺酸盐、脂肪醇羟乙基磺酸盐、十二烷基磷酸酯盐、十六烷基三甲基氯酸盐或N-月桂酰肌氨酸盐中的一种或几种。进一步优选，所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸铵、十六烷基三甲基氯酸铵、十二烷基磷酸酯铵、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠或十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸铵。作为优选，所述的非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烷加成物、聚氧乙烯月桂醚、失水山梨醇酯、蔗糖酯、烷基醇酰胺型表面
活性剂或非离子氟碳表面活性剂中的一种或几种。作为优选，所述的固态环氧树脂与液态环氧树脂的质量比为0.3～2：1。进一步优选，所述的固态环氧树脂与液态环氧树脂的质量比为0.5～1：1。混合固态与液态的环氧树脂能够在碳纤维表面形成具有一定强度的皮膜，可有效避免碳纤维在编织、缠绕过程中遭受的摩擦损害，同时碳纤维在使用过程中表面不发粘且表面的吸水性得到一定程度的降低。作为优选，所述的阴离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.1～10：1；进一步优选，所述的阴离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.1～0.3：1。作为优选，所述的非离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.01～1：1；进一步优选，所述的非离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.02～0.05：1。作为优选，所述的改性的石墨烯溶液的质量分数为0.001％～10％，所述的上浆乳液和改性的石墨烯溶液的质量比为0.01～1：1。进一步优选，所述的改性的石墨烯溶液的质量分数为0.001％～0.1％，所述的上浆乳液和改性的石墨烯溶液的质量比为0.02～0.03：1。作为优选，所述的步骤4)中制备改性的石墨烯溶液的方法为：氧化石墨烯溶液中加入碱性溶液，调节pH至8～14，超声分散；加入还原剂，10～50℃下反应12～72h；然后采用0.2μm的微孔膜过滤取滤液，再采用0.025μm的微孔膜过滤滤液得到改性的石墨烯，洗涤，然后将改性的石墨烯溶解于蒸馏水中，即得到改性的石墨烯溶液。以改性的石墨烯水溶液形式保存，避免石墨干燥后团聚，即得到尺寸大小合适的改性石墨烯溶液。改性后的石墨烯在水中的分散性良好且可以保持长时间的稳定性。作为进一步优选，所述的超声分散的条件为：在功率为400W～800W，频率为20kHz～120kHz的超声仪中超声处理10min～60min。作为优选，所述的还原剂为水合肼，水合肼与氧化石墨烯的质量比为50～200：1；所述的还原剂为没食子酸，没食子酸与氧化石墨烯的的质量比为1～100：1；或者，所述的还原剂为芦丁，芦丁与氧化石墨烯的质量比为1～100：1。进一步优选，所述的还原剂为水合肼，水合肼与氧化石墨烯的质量比为80～120：1；所述的还原剂为没食子酸，没食子酸与氧化石墨烯的的质量比为1～50：1；或者，所述的还原剂为芦丁，芦丁与氧化石墨烯的质量比为1～50：1。作为优选，所述的改性石墨烯的层数为1～10层，直径为1～200nm。作为优选，所述的碱性溶液为质量分数为1％～25％的氨水、10％～40％的氢氧化钠溶液、10％～20％的氢氧化钙溶液或10％～40％的氢氧化钾溶液。本专利技术还提供一种如上述的方法制备得到的石墨烯改性的碳纤维上浆剂。同现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：(1)本专利技术的石墨烯改性的碳纤维上浆剂粒径小而均匀，稳定性好，能在每根单丝表面形成一层薄薄的皮膜，在深加工过程中不起毛，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括如下的步骤：1)将固态环氧树脂和液态环氧树脂在60～100℃下熔融混合，得到混合环氧树脂；2)加入阴离子表面活性剂，搅拌进行乳化；3)继续加入非离子表面活性剂搅拌，然后滴加蒸馏水，搅拌至体系发生相反转，得到上浆乳液；4)制备改性的石墨烯溶液；5)将上浆乳液和改性的石墨烯溶液混合分散，得到石墨烯改性碳纤维上浆剂。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括如下的步骤：1)将固态环氧树脂和液态环氧树脂在60～100℃下熔融混合，得到混合环氧树脂；2)加入阴离子表面活性剂，搅拌进行乳化；3)继续加入非离子表面活性剂搅拌，然后滴加蒸馏水，搅拌至体系发生相反转，得到上浆乳液；4)制备改性的石墨烯溶液；5)将上浆乳液和改性的石墨烯溶液混合分散，得到石墨烯改性碳纤维上浆剂。2.根据权利要求1所述的石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的固态环氧树脂与液态环氧树脂的质量比为0.3～2：1。3.根据权利要求1所述的石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的阴离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.1～10：1，所述的非离子表面活性剂与混合环氧树脂的质量比为0.01～1：1。4.根据权利要求1所述的石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的改性的石墨烯溶液的质量分数为0.001％～10％，所述的上浆乳液和改性的石墨烯溶液的质量比为0.01～1：1。5.根据权利要求1所述的石墨烯改性的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中制备改性...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，颜春，祝颖丹，刘东，徐海兵，陈刚，王昊，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33