一種碳纖維上漿劑及其上漿方法
2023-08-13 05:29:41 2
一種碳纖維上漿劑及其上漿方法
【專利摘要】本發明提供一種碳纖維上漿劑及其上漿方法，在環氧樹脂上漿劑中加入聚氨酯樹脂，並且對上漿後的烘乾溫度進行嚴格的控制，可以獲得同時具有良好的耐摩擦性能和開纖性能的炭纖維束，從而解決以環氧樹脂為主要成分的上漿劑難以同時滿足良好的耐摩擦性和開纖性兩方面的要求的問題。
【專利說明】-種碳纖維上漿劑及其上漿方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及纖維製造領域，尤其涉及一種碳纖維上漿劑及其上漿方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維具有高比強度和高比模量的特性，其與各種樹脂形成的複合材料在航空航 天、一般工業和體育娛樂用品等領域內有著廣泛的應用。碳纖維的產品性能多為連續的纖 維束，在製備複合材料時，通常是將纖維束按一定的方向鋪排好，或者將其預先編織為具有 一定形態的織物，然後進行樹脂含浸，樹脂固化後就獲得複合材料。
[0003] 碳纖維本身是一種脆性材料，在纖維生產過程W及製備複合材料的過程中，當纖 維與製造設備W及纖維之間互相摩擦時，非常容易產生纖維單絲磨斷，從而產生大量毛絲， 導致纖維品位下降，甚至導致生產無法順利進行。為此，工業上生產的碳纖維，通常都要對 纖維表面進行上漿處理。上漿處理是指在將纖維通過一定濃度的漿料，漿料中的有效成分 沉積在纖維表面，經過烘乾後在纖維表面形成上漿劑保護膜。該層薄膜可W減少纖維與設 備W及纖維之間的摩擦，減少毛絲的發生。
[0004] -般碳纖維上漿劑的主要成分是環氧樹脂，該是由於環氧樹脂本身具有良好的結 膜性，可W在纖維表面形成強初而堅固的薄膜，很好的起到保護纖維的作用。但是使用環氧 樹脂作為上漿劑時，為了達到更好的耐摩擦效果，就要使用分子量越大的環氧樹脂，而環氧 樹脂的分子量越大，上漿並乾燥後纖維的集束性也就越強，也就是說，一束纖維中的單絲大 多通過上漿劑而緊密的結合在一起難W分開，從而導致開纖性很差。
[0005] 集束性和開纖性是矛盾的兩方面，集束性越強，開纖性就越差。當碳纖維用於製備 單向預浸料時，就要求纖維束具有良好的開纖性，該樣才能達到良好的樹脂含浸效果，否則 樹脂難W進入纖維束內部，造成浸膠不均一，影響複合材料的性能。
[0006] 因此，解決上述問題就顯得尤為重要了。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種碳纖維上漿劑及其上漿方法，在環氧樹脂上漿劑中加入 聚氨醋樹脂，並且對上漿後的烘乾溫度進行嚴格的控制，可W獲得同時具有良好的耐摩擦 性能和開纖性能的炭纖維束，從而解決上了上述問題。
[0008] 本發明提供一種碳纖維上漿劑，所述碳纖維上漿劑包括環氧樹脂和聚氨醋樹脂， 所述環氧樹脂和聚氨醋樹脂的重量比為1: 2^1:1之間。
[0009] 進一步改進在於：所述碳纖維上漿劑中還包括乳化劑及潤滑劑，所述乳化劑和潤 滑劑的重量不超過上漿劑主劑質量的5%。
[0010] 進一步改進在於；所述環氧樹脂為雙酷A型的環氧樹脂，聚氨醋樹脂為不溶於水 的聚醋型聚氨醋。
[0011] 進一步改進在於：所述乳化劑為芳香族非離子型乳化劑，潤滑劑為蹤擱酸下基醋。
[0012] 進一步改進在於；所述聚氨醋樹脂的軟化溫度範圍為i〇(Ti5(rc，並且不溶於水。
[0013] 一種碳纖維上漿劑的上漿方法，使用上漿劑對碳纖維進行浸潰上漿，之後進行烘 幹；所述烘乾溫度控制在比聚氨醋樹脂的軟化溫度範圍低5^1(TC範圍之內。
[0014] 本發明中的炭纖維束，可W是PAN基、漸青基或者黏膠基的炭纖維束，每束纖維的 單絲數在100(T48000之間。另外，此處的炭纖維束也包含通常所說的石墨纖維束，即經過 200(TC W上高溫處理的高模量炭纖維束。
[0015] 本發明中的上漿劑最終使用形式為水系乳液。乳液的主要有效成分中的環氧樹脂 為通常的雙酷A型的環氧樹脂或者酷酵型環氧樹脂W及其它類型環氧樹脂，其中W雙酷A 型環氧樹脂為佳。例如，在常溫下為液態的低分子量環氧樹脂，如環氧樹脂E5UE44等和在 常溫下為固態或者凝膠狀的高分子量環氧樹脂，如環氧樹脂E20、E33等。可W僅含一種，也 可W包含兩種W上。為了達到更好的保護效果，最好同時含有低分子量和高分子量的環氧 樹脂。
[0016] 本發明中使用的聚氨醋為不溶於水的聚醋型聚氨醋。可末端含有輕基的聚醋 低聚物與異氯酸醋如甲苯二異氯酸醋等通過加聚反應獲得。聚氨醋可W自行合成，也可W 使用市售的產物。
[0017] 聚氨醋樹脂的軟化溫度根據國標GB/T 1634-2004的相關規定進行測試。軟化溫 度應控制在i〇(Ti5(rc之間。如果不足locrc，需要大大延長烘乾時間；如果軟化溫度超過 15(TC，烘乾後的纖維太硬，開纖性很差。
[0018] 本發明中環氧樹脂與聚氨醋樹脂的質量比例，應在0. 5^1之間。如果不足0. 5,纖 維的耐摩擦性不足，在加工過程中容易產生毛絲，並且纖維束的形態難W保持，在單向鋪排 時單絲平行性差，樹脂含浸的進行順利性和效果都不好，如果超過1，纖維的開纖性差，同樣 也會造成毛絲和斷絲增多的後果。
[0019] 含有環氧樹脂和聚氨醋樹脂的水系上漿劑乳液，可W通過下述方法獲得；首先通 過轉相乳化法分別製備環氧樹脂和聚氨醋樹脂的乳液，然後將兩種乳液在攬拌的同時進行 機械混合。在製備乳液過程中，必須要使用到乳化劑，此處的乳化劑W芳香族非離子型乳化 劑為佳。
[0020] 本發明中的上漿劑中除了上述環氧樹脂、聚氨醋樹脂W及乳化劑外，還可W加入 少量的潤滑劑。潤滑劑的加入可W明顯改善纖維的摩擦性能。潤滑劑可W是高級脂肪酸醋 或者高級脂肪酸醜胺等。加入的量不應超過上漿劑主劑質量的5%。
[0021] 本發明的上漿方法可W採用浸潰法，即將纖維通過裝滿上漿劑的上漿槽，上漿劑 即沉積在纖維表面。然後通過熱親乾燥，樹脂固化完成上漿過程。熱親乾燥的溫度，應控制 在比聚氨醋樹脂的軟化溫度範圍低5^1(TC範圍之內。最好是在95^145°C範圍內，如果幹燥 溫度不足95C，難W達到良好的乾燥效果，絲束幅寬小；如果超過145C，纖維束開始變軟， 幅寬過大並且容易發生纏親。
[0022] 碳纖維製造過程中一般採用多級熱親乾燥，此時各個熱親可W保持一定的溫度 梯度，例如第一個熱親可W將溫度設置的稍低一些，W後逐漸升高，但是保持最高不超過 145 〇C。
[0023] 本發明的有益效果是：在環氧樹脂上漿劑中加入聚氨醋樹脂，並且對上漿後的烘 幹溫度進行嚴格的控制，可W獲得同時具有良好的耐摩擦性能和開纖性能的炭纖維束，潤 滑劑的加入可W明顯改善纖維的摩擦性能，提升產品品質。
【具體實施方式】
[0024] 為了加深對本發明的理解，下面將結合實施例對本發明作進一步詳述，該實施例 僅用於解釋本發明，並不構成對本發明保護範圍的限定。
[0025] 實施例1 將環氧樹脂E20 (預先用球磨機磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質量比30、60、5、5稱好後按照上文的方法製備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%後裝入上漿槽。
[0026] 將單絲數為6000,拉伸強度為5. 4GPa的碳纖維通過上漿槽進行上漿，上漿後的幹 燥溫度設置為125°C . 分別對纖維進行耐磨、開纖測試。耐磨性能採用山東紡織技術院的碳纖維耐磨儀進行 測試，W在一定摩擦介質下磨斷時的摩擦次數進行評價，開纖通過測定纖維經過四組直徑 為150mm的導親後的幅寬進行評價。結果如表1所示。
[0027] 實施例2 將環氧樹脂E20 (預先用球磨機磨碎)、軟化溫度locrc的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質量比40、50、5、5稱好後按照上文的方法製備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%後裝入上漿槽。
[0028] 將單絲數為6000,拉伸強度為5. 4GPa的碳纖維通過上漿槽進行上漿，上漿後的幹 燥溫度設置為95C . 分別對纖維進行耐磨、開纖測試。耐磨性能採用山東紡織技術院的碳纖維耐磨儀進行 測試，W在一定摩擦介質下磨斷時的摩擦次數進行評價，開纖通過測定纖維經過四組直徑 為150mm的導親後的幅寬進行評價。結果如表1所示。
[002引 實施例3 將環氧樹脂E20 (預先用球磨機磨碎)、軟化溫度15CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質量比45、45、5、5稱好後按照上文的方法製備成水系乳液， 將其稀釋為2. 5%後裝入上漿槽。
[0030] 將單絲數為6000,拉伸強度為5. 4GI^a的碳纖維通過上漿槽進行上漿，上漿後的幹 燥溫度設置為145°C . 分別對纖維進行耐磨、開纖測試。耐磨性能採用山東紡織技術院的碳纖維耐磨儀進行 測試，W在一定摩擦介質下磨斷時的摩擦次數進行評價，開纖通過測定纖維經過四組直徑 為150mm的導親後的幅寬進行評價。結果如表1所示。
[00引]比較例1 將環氧樹脂E20 (預先用球磨機磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質量比〇、90、5、5稱好後按照上文的方法製備成水系乳液，將 其稀釋為2. 5%後裝入上漿槽。
[0032] 將單絲數為6000,拉伸強度為5. 4GPa的碳纖維通過上漿槽進行上漿，上漿後的幹 燥溫度設置為125°C . 分別對纖維進行耐磨、開纖測試。耐磨性能採用山東紡織技術院的碳纖維耐磨儀進行 測試，W在一定摩擦介質下磨斷時的摩擦次數進行評價，開纖通過測定纖維經過四組直徑 為150mm的導親後的幅寬進行評價。結果如表1所示。
[003引 比較例2 將環氧樹脂E20 (預先用球磨機磨碎)、軟化溫度13CTC的自乳化性聚氨醋、蹤擱酸下基 醋、芳香族非離子乳化劑按照質量比90、0、5、5稱好後按照上文的方法製備成水系乳液，將 其稀釋為2. 5%後裝入上漿槽。
[0034] 將單絲數為6000,拉伸強度為5. 4GI^a的碳纖維通過上漿槽進行上漿，上漿後的幹 燥溫度設置為125°C . 分別對纖維進行耐磨、開纖測試。耐磨性能採用山東紡織技術院的碳纖維耐磨儀進行 測試，W在一定摩擦介質下磨斷時的摩擦次數進行評價，開纖通過測定纖維經過四組直徑 為150mm的導親後的幅寬進行評價。結果如表1所示。
[00巧]娜I試結罷如親1所示：
【權利要求】
1. 一種碳纖維上漿劑，其特徵在於：所述碳纖維上漿劑包括環氧樹脂和聚氨酯樹脂， 所述環氧樹脂和聚氨酯樹脂的重量比為1:2~1:1之間。
2. 如權利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特徵在於：所述碳纖維上漿劑中還包括 乳化劑及潤滑劑，所述乳化劑和潤滑劑的重量不超過上漿劑主劑質量的5%。
3. 如權利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特徵在於：所述環氧樹脂為雙酚A型的 環氧樹脂，聚氨酯樹脂為不溶於水的聚酯型聚氨酯。
4. 如權利要求2所述的一種碳纖維上漿劑，其特徵在於：所述乳化劑為芳香族非離子 型乳化劑，潤滑劑為棕櫚酸丁基酯。
5. 如權利要求1所述的一種碳纖維上漿劑，其特徵在於：所述聚氨酯樹脂的軟化溫度 範圍為10(Tl50°C,並且不溶於水。
6. -種如權利要求1所述的碳纖維上漿劑的上漿方法，其特徵在於：使用上漿劑對碳 纖維進行浸漬上漿，之後進行烘乾；所述烘乾溫度控制在比聚氨酯樹脂的軟化溫度範圍低 5?10°C範圍之內。
【文檔編號】D06M15/572GK104389177SQ201410619050
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】王浩靜, 張淑斌, 顧紅星, 龐培樂, 程璐, 薛林兵, 範立東 申請人:江蘇航科複合材料科技有限公司