聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂及制法和应用制造技术

一种聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂包含以下质量分数的组分：主浆料：20%～35%；乳化剂：2%～7%；去离子水：58%～78%。本发明专利技术具有安全，无污染，能够提高碳纤维与特种工程塑料间界面结合强度的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂包含以下质量分数的组分：主浆料：20%～35%；乳化剂：2%～7%；去离子水：58%～78%。本专利技术具有安全，无污染，能够提高碳纤维与特种工程塑料间界面结合强度的优点。【专利说明】聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂及制法和应用
本专利技术属于碳纤维上浆剂及制备方法和应用，具体涉及一种聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。技术背景近二十年来，随着航空、航天等高
对高强高韧及耐高温复合材料需求的增长，碳纤维增强特种工程塑料逐渐引起学术界和工业界的关注。该类复合材料通过集成碳纤维的优异力学性能，与特种工程塑料耐冲击和耐高温等特性，能够克服目前通用碳纤维增强热固性复合材料冲击强度和耐温性能差的缺点。但是，现有碳纤维增强特种工程塑料中，碳纤维与特种工程塑料间界面结合强度低，直接损害复合材料的整体性能。界面层在复合材料中发挥传递应力的桥梁作用，优异的界面结合能够提高由基体向纤维的应力传递效率，从而充分发挥纤维的增强作用，反之将降低纤维的增强效率，损害复合材料的整体性倉泛。碳纤维复合材料的真实界面层，是以碳纤维表面上浆层为主体形成的过渡层。因此，新型碳纤维上浆剂的开发，是一种提高碳纤维与特种工程塑料间结合强度的可靠方法。特种工程塑料具有分子结构中活性官能团少和加工温度高(300?400°C)的特点，因此碳纤维表面上浆层需具备两点特性:(1)与特种工程相容性好；(2)耐温性能优异，加工过程无明显分解。符合上述要求的上浆主剂，一般为特种工程塑料本身。专利CN 102660874和CN 102817241中公开了一种溶剂型的热塑性上浆剂及其碳纳米管改性体系，用于改善碳纤维等高性能纤维与特种工程塑料间的界面结合强度。美国专利4923752中公开了一种溶剂型的聚酰胺酸上浆剂，用于改善碳纤维与聚酰亚胺间的界面结合强度。但是，溶剂型上浆剂中富含有机溶剂，有机溶剂不但严重腐蚀设备，而且挥发的蒸汽危害操作人员身体健康，甚至会引发火灾和爆炸等生产事故。更重要的是，溶剂型的上浆剂所处理的纤维表面被单纯的聚合物涂层所覆盖，涂层聚合物中含氧的活性官能团少，表面自由能低，润湿性差，不利于基体材料对纤维的润湿，限制了上浆剂对碳纤维与特种工程塑料间的界面结合强度的提高幅度。综上，开发一种以现有特种工程塑料为上浆主剂的水性上浆剂，不但能避免有机溶剂所带来的各种危害，而且能改善碳纤维与特种工程塑料之间的界面结合强度，提高碳纤维增强特种工程塑料整体性能，对进一步促进热塑性复合材料行业的发展具有重要意义。
技术实现思路
针对现有以商品化特种工程塑料为主浆料的上浆剂普遍包含有机溶剂，不适合碳纤维工业生产使用的问题，本专利技术的目的是提供一种安全，无污染，能够提高碳纤维与特种工程塑料间界面结合强度的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。本专利技术的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂，包含以下质量分数的组分: (1)主浆料:20%?35%； (2)乳化剂:2%?7%； (3)去离子水:58%?78%。如上所述，主浆料为Ultem系列的聚醚酰亚胺类纯树脂，其中特别适合的聚醚酰亚胺类树脂包括 Ultem 1000、Ultem 1000F、Ultem 1000P、Ultem 1000R、Ultem LTX300A、Ultem LTX300B 或 Ultem HTX1010F 中的一种或两种。如上所述，乳化剂为司班系列或吐温系列乳化剂，其中特别适合的乳化剂包括Span-40、Span-60> Span-80> Tween-40> Tween-60 或 Tween-80 中的一种或两种。本专利技术上浆剂的制备方法是通过以下步骤实现的: (1)按主浆料与二氯甲烷的质量比1:9?24，将主浆料溶于二氯甲烷中； (2)将步骤(I)中主浆料的二氯甲烷溶液升温到10?30°C，将乳化剂与主浆料按照上浆剂组成中各组分质量分数，向溶液中添加乳化剂，并保持温度恒定，通过乳化机在转速8000?12000rpm的条件下乳化处理30?120min ； (3)将主浆料与去离子水按照上浆剂组成中各组分质量分数，向步骤(2)所得体系中加入去离子水，并保持步骤(2)中温度和转速不变，继续搅拌30?120min ； (4)将步骤(3)所得体系，在10?30°C及500?2000rpm条件下，继续搅拌24?48h，便得到聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂。本专利技术聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂的应用包括以下步骤: (1)按稀释后主浆料与去离子水总质量比1:49?199，在温度40?60°C及转速500?2000rpm搅拌条件下向聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂中加入去离子水，之后继续保持温度搅拌30?60min，得到稀释的聚醚酰亚胺水乳液型上浆剂； (2)将稀释的聚醚酰亚胺水乳液型上浆剂倒入浸溃上浆装置的浆槽中，未上浆碳纤维以走丝速度70?100m/h和丝束张力130?160g，扩幅至原始丝束宽度3?6倍后，通过上将槽浸溃上衆; (3)上浆后碳纤维在100?160°C条件下烘干，然后收丝即可。本专利技术的有益效果: (I)本专利技术所提供的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂，原料来源简单可靠，制备工艺易于重复实现，方便进行工业化生产。(2)本专利技术所提供的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂，乳液粒径分布均一性好，贮存稳定性高，室温避光条件贮存3个月无明显破乳、分层和沉淀现象。(3)本专利技术所提供的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂，利用二氯甲烷低沸点(39.8°C)极易挥发的特性，在成功将聚醚酰亚胺乳化后，通过搅拌去除体系中二氯甲烷，得到不含有机溶剂的水性体系，避免了溶液型上浆剂中由有机溶剂带来的各种负面影响。(4)本专利技术所提供的聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂，包含富含活性官能团的乳化剂，可明显提高碳纤维表面的活性官能团数量和表面自由能，改善碳纤维表面的润湿性能，促进碳纤维表面与基体材料间的分子级接触，明显提高碳纤维与特种工程塑料间的界面结合强度，可以用于解决目前应用过程中由于二者界面粘结性差带来的问题。【专利附图】【附图说明】图1是实施例1中聚醚酰亚胺水乳液型上浆剂上浆后碳纤维表面的扫描电子显微镜照片。【具体实施方式】下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应注意，此处的实施例仅用于说明本专利技术而不是限制本专利技术的范围。还应注意，在阅读本专利技术的内容后，本领域技术人员对本专利技术所做的各种改动或修改，这些等价形式同样属于所附权利要求书的限定范围内。实施例1 称取20g牌号为Ultem 1000的聚醚酰亚胺树脂，加入到盛有180g 二氯甲烷的烧杯中，搅拌溶解，得到聚醚酰亚胺的二氯甲烷溶液。将该溶液水浴恒温在10°C，加入2g牌号为Span-40的乳化剂,然后调节乳化机转速为8000rpm,乳化处理30min。接着，向体系中加入35g去离子水，保持温度和乳化转速不变，继续乳化30min。之后，采用电动搅拌机搅拌，在10°C及500rpm条件下搅拌24h，通过搅拌去除体系中二氯甲烷，即可得到聚醚酰亚胺水乳液型碳纤维上浆剂。该上浆剂中主浆料的质量分数为34.5%,乳化剂Span-40的质量分数为6.9%,去离子水的质量分数为58.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕春祥，张寿春，原浩杰，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：