一种用于碳纤维表面处理的上浆剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于上浆剂制备领域，特别涉及一种用于碳纤维表面处理的上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碳纤维是以pan基纤维和沥青基纤维等有机纤维经过碳化石墨化得到的高强高模的新型纤维材料。碳纤维为二维乱层石墨结构，结构导致其具有诸多优良性能，例如耐腐蚀、比强度、比模量高、热学性能优异且化学稳定性好等。

2、然而目前的碳纤维材料由于表面光滑，存在难浸润等问题，特别是作为复合材料的增强材料时，需充分发挥碳纤维材料对复合材料的性能增强作用，避免碳纤维增强复合材料时由于相容问题而导致的复合材料界面性能和整体力学性能的下降。而碳纤维与基体树脂间的界面性能对碳纤维增强聚合物基复合材料的机械性能发挥着重要作用。目前主要通过对碳纤维进行表面处理以提高碳纤维和复合材料的界面粘结性，改性方法包括等离子体处理法、氧化处理法、物理上浆法、接枝改性法和表面晶须化法等。上浆法是指将聚合物组分组成的溶液或者乳液直接涂覆在碳纤维表面，在碳纤维表面形成均匀的聚合物涂层的方法，可以在碳纤维和聚合物基体之间形成过渡层。上浆法具有简便经济的特点，是目前最常采用的一种碳纤维改性方法。

3、如现有技术中，发明专利cn 113024141 b发明了一种改性碳纤维，采用在表面氧化的碳纤维表面同时原位生长纳米二氧化硅和碳纳米管的表面处理方式显著提高了碳纤维和水泥基材料的界面强度，但纳米填料的加入量不当容易导致其在基体中团聚并造成基体的粘度变化，从而限制其对碳纤维的改性效果；发明专利cn 109369932 b发明了一种基于固化剂改性上浆剂提高碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面粘结性能的方法，但采用固化剂改性上浆剂对温度要求高，特别是胺类固化剂，耐候性差，该改性上浆剂可能出现性能不稳定的情况。

4、因此，亟需一种可以提高碳纤维材料粘结性、与碳纤维相容性良好且性能稳定的上浆剂，在增加碳纤维与聚合物基复合材料的界面结合强度的同时，减少限制改性效果的副作用如粘度过大、性能不稳等。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于碳纤维表面处理的上浆剂及其制备方法，本发明制备得到的上浆剂分散性良好，能够有效改善碳纤维材料的界面粘结性能；此外，本发明制备的上浆剂具有两亲性，与碳纤维材料的相容性良好，性能稳定，且具备普遍适应性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明一方面提供了一种用于碳纤维表面处理的上浆剂，所述上浆剂包含以下重量份的原料：0.1～2份改性聚氨酯、2～3份有机溶剂和85～90份去离子水；

4、所述改性聚氨酯为丙烯酰胺和聚醚共改性聚氨酯。

5、优选地，所述丙烯酰胺和聚醚胺共改性聚氨酯的制备步骤如下：

6、(1)在反应器中加入丙烯酰胺类单体和聚氨酯，加入引发剂，通入惰性气氛，在40～55℃下用紫外线照射20～30min，再用去离子水冲洗，经真空干燥，得到丙烯酰胺改性聚氨酯；

7、(2)在反应器中加入丙烯酰胺改性聚氨酯和聚醚胺，加入催化剂，在90～120℃下反应8～12h，经真空干燥，得丙烯酰胺和聚醚胺共改性聚氨酯。

8、进一步优选地，所述丙烯酰胺和聚醚胺共改性聚氨酯的制备步骤如下：

9、(1)在反应器中加入丙烯酰胺类单体和聚氨酯，加入引发剂，通入惰性气氛，在50℃下用紫外线照射25min，再用去离子水冲洗，经真空干燥，得到丙烯酰胺改性聚氨酯；

10、(2)在反应器中加入丙烯酰胺改性聚氨酯和聚醚胺，加入催化剂，在100℃下反应10h，经真空干燥，得丙烯酰胺和聚醚胺共改性聚氨酯。

11、优选地，所述引发剂为过硫酸铵，步骤(1)中引发剂的加入量为丙烯酰胺类单体和聚氨酯总质量的0.1～1％；

12、优选地，所述催化剂为有机锡催化剂；

13、进一步优选地，所述有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡；

14、更优选地，步骤(2)中催化剂的加入量为丙烯酰胺改性聚氨酯和聚醚胺总质量的0.1～1％。

15、优选地，所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和异丙基丙烯酰胺中的至少一种；

16、进一步优选地，所述丙烯酰胺类单体为甲基丙烯酰胺。

17、优选地，所述聚醚胺的分子量为300～2000。

18、优选地，所述丙烯酰胺类单体和聚氨酯的摩尔比为(0.5～2)：1。

19、优选地，所述步骤(2)中聚醚胺和丙烯酰胺改性聚氨酯的摩尔比为(1～1.2)：1。

20、本发明通过利用丙烯酰胺基团和柔性链段对聚氨酯进行改性，显著改善了聚氨酯的不耐高温性，且氨基和不饱和双键等的引入增加了极性功能基团的数量，提高碳纤维的表面反应活性，而聚醚胺单体的引入增加了柔性链段的含量，共同起到了一定的分散相容作用，得到一种连续均匀的优良上浆剂，避免了小分子分解溢出对上浆剂性能的影响，当其应用在碳纤维表面时，可以高效增加碳纤维与复合材料的界面化学键合作用。

21、优选地，所述有机溶剂为二甲基亚砜和/或二甲基甲酰胺；

22、进一步优选地，所述有机溶剂为二甲基亚砜。

23、优选地，所述上浆剂中还包含0.1～1重量份的增强剂；增强剂的加入可以增强改性后的碳纤维与复合材料基体之间的界面粘附性和联锁性，有利于负载转移。

24、进一步优选地，所述增强剂为四氧化三铁、纳米二氧化硅、碳纳米管、氧化石墨烯中的一种或两种；

25、更优选地，所述增强剂为碳纳米管；

26、优选地，所述碳纳米管为硝酸氧化过的碳纳米管。申请人引入碳纳米管制备复合型上浆剂，意外发现碳纳米管与改性聚氨酯的氨基基团间存在良好的协同作用，促进各组分相容，这有效改善了碳纳米管大长径比导致的易团聚问题，增加了上浆剂对碳纤维表面处理后的粗糙度和力学性能，可能的原因是氨基基团提高了酸化后的碳纳米管的含氧官能团的极性，避免了体系内团聚作用的发生。而碳纳米管上的极性基团可以改善碳纤维对基体的润湿性，增强分子间相互作用力。

27、本发明另一方面提供了一种用于碳纤维表面处理的上浆剂的制备方法，包括以下步骤：将改性聚氨酯溶于有机溶剂中混合均匀，加入反应器中，逐滴加入去离子水，得到用于碳纤维表面处理的上浆剂。

28、本发明还提供了一种用于碳纤维表面处理的上浆剂在碳纤维表面处理的应用，包括以下步骤：将碳纤维依次用丙酮、乙醇和去离子水反复洗涤，再经真空干燥后，将烘干的碳纤维浸泡在上浆剂中，沉浸1～5min，再挤压去除多余的上浆剂，最后在60～70℃干燥15～30s，得到经上浆剂表面处理的碳纤维。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

30、(1)本发明提供的用于碳纤维表面处理的上浆剂是一种连续均匀的优良上浆剂，利用丙烯酰胺基团和柔性链段对聚氨酯进行改性，显著改善聚氨酯的不耐高温性，且氨基和不饱和双键等的引入增加了极性功能基团的数量，提高碳纤维的表面反应活性；引入聚醚胺单体增加柔性链段的含量，共同起到分散相容作用，性能稳定。

31、(2)本发明提供的用于碳纤维表面处理的上浆剂引入碳纳米管制备复合型上浆剂，碳纳米管与改性聚氨酯的氨基基团间存在良好的协同作用，促进各组分相容，且氨基基团提高了酸化后的碳纳米管的含氧官能团的极性，有效改善碳纳米管大长径比导致的易团聚问题，增强分子间相互作用力，增加了上浆剂对碳纤维表面处理后的粗糙度和力学性能。