一种聚酰亚胺上浆的碳纤维的耐磨性提升的方法

本发明涉及材料领域，具体涉及的是一种聚酰亚胺上浆的碳纤维的耐磨性提升的方法。

背景技术：

1、碳纤维由粘胶、腈纶、芳纶、沥青等化纤原丝高温烧制而成，作为无机高分子特种纤维，是复合材料的理想增强体，具有比强度和比模量高的特点。同时，碳纤维具有导电、导热、耐高温、耐腐蚀等特点，碳纤维增强的复合材料在航空航天、交通运输、能源、医疗及体育用品等领域有重要的应用价值。

2、在碳纤维生产过程中，表面上浆是十分重要的工序步骤。碳纤维作为一种脆性材料，后续编织及加工过程中碳纤维经机械摩擦容易产生毛丝和单丝断裂现象，纤维强度降低的同时也导致生产加工效率的下降和停滞。制备碳纤维预浸料过程中，毛丝的存在也使得基体树脂难以充分浸润碳纤维，导致制备的复合材料孔隙率大，影响复合材料的使用性能。表面上浆能够在碳纤维表面形成保护膜，提升碳纤维丝束的集束性和耐磨性，降低纤维起毛量。同时浆料能够构成复合材料的界面层，增加复合材料的界面粘接作用，提升复合材料的性能。

3、传统碳纤维上浆剂以环氧树脂、聚氨酯作为上浆剂浆料，上浆的碳纤维主要应用于低温使用的环氧树脂复合材料。但是当这类上浆剂应用于聚酰亚胺、聚醚醚酮等耐高温复合材料，传统浆料容易在高的加工温度(>300℃)和高使用温度下发生降解，影响复合材料的界面粘结，从而降低复合材料在高温下的力学性能。近年来，研究人员开始关注适用于耐高温碳纤维复合材料的上浆剂的研制。jp2014125688将带羟基或羧基的聚酰亚胺和双酚a缩水甘油醚、酚醛缩水甘油醚等环氧树脂混合配制了耐高温的溶剂型上浆剂。us20140343218(a1)、cn103614923(a)、cn103174026(a)和cn109265998a报道了以芳香二酐和芳香二胺合成的水溶性聚酰胺酸盐配置的聚酰亚胺水性上浆剂。聚酰亚胺上浆剂芳香性的主链结构热稳定性高，并且与耐高温树脂基体的匹配程度高，能够有效提升碳纤维增强的复合材料的耐温性能和高温环境中的力学性能。

4、但是，聚酰亚胺耐高温上浆剂分子主链结构刚硬，上浆后的碳纤维硬挺度大。同时聚酰亚胺上浆剂在碳纤维表面难以均匀分布，容易形成局部的团聚。在碳纤维的后续加工步骤中，刚硬的碳纤维和碳纤维粗糙的表面导致了碳纤维单丝及碳纤维丝束间较为剧烈的摩擦，从而造成碳纤维的起毛和断丝，影响最终复合材料的质量。因此，聚酰亚胺等耐高温浆料上浆的碳纤维的耐磨性亟待提高。

技术实现思路

1、本发明提供了一种聚酰亚胺上浆的碳纤维的耐磨性提升的方法，本发明通过改变碳纤维上浆工艺中的烘干温度实现了碳纤维耐磨性的提升。

2、本发明首先提供了一种提升碳纤维耐磨性的方法，包括如下步骤：通过浸渍方法将水性上浆剂附着在碳纤维上进行表面上浆，烘干。

3、上述的方法中，所述烘干的温度为140～260℃；优选为180～240℃。

4、所述烘干的时间为100～150s，具体可为140s。

5、上述的方法中，所述水性上浆剂中的主剂为聚酰胺酸。

6、上述的方法中，所述水性上浆剂包括聚酰胺酸、助溶剂和水；

7、所述水性上浆剂中的固含量为0.5wt％～2wt％；上浆剂固含量小于0.5wt％，上浆效果差，碳纤维易产生毛丝；上浆剂固含量超过2wt％碳纤维过硬，影响加工性能。

8、所述水性上浆剂中的固含量指的是所述聚酰胺酸的质量占水性上浆剂溶液总质量的百分数。

9、上述的方法中，所述助溶剂可为三乙胺，用于帮助主浆料溶解；所述水与三乙胺的质量比为20～25:1，具体可为23:1。

10、上述的方法中，所述聚酰胺酸由包括如下步骤的方法制备得到：在惰性气体保护下，将芳香二胺溶解于质子非极性溶剂中，缓慢加入二酐，进行缩聚反应，得到聚酰胺酸溶液；采用沉淀剂将聚酰胺酸固体沉淀出来，得到所述聚酰胺酸。

11、上述的方法中，所述二酐在0～35℃的条件下加入芳香二胺的溶液中；具体可在室温下加入；

12、在搅拌的条件下，将所述二酐缓慢加入芳香二胺的溶液中；

13、所述缩聚反应在惰性气体保护及冰浴条件下进行；所述缩聚反应的时间为10～18小时；

14、所述沉淀剂为丙酮；

15、所述聚酰胺酸的制备方法中还有对聚酰胺酸固体干燥的步骤；具体的，所述干燥的温度为30～80℃；具体可为30℃；

16、所述芳香二胺为4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、2,2'-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]丙烷、2,2'-双[3-(3-氨基苯甲酰)-4-羟基苯基]六氟异丙基和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷中的至少一种；

17、所述质子非极性溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种；

18、所述二酐为3,3',4,4'-二苯甲酮四甲酸二酐、3,3',4,4'-二苯醚四甲酸二酐、2,3,3',4'-二苯醚四甲酸二酐、1,2,4,5-环己烷四甲酸二酐和4,4'-(4,4'-异丙基二苯氧基)双(邻苯二甲酸酐)的至少一种；

19、所述芳香二胺和二酐的摩尔比为1:1；

20、所述芳香二胺和二酐的总质量占所述芳香二胺、质子非极性溶剂和二酐总质量的20％～30％；具体可为30％。

21、所述惰性气氛具体可为氮气气氛。

22、本发明中所述室温为本领域技术人员公知，一般为15～35℃，具体可为25～30℃。

23、上述的方法中，所述碳纤维浸渍在所述水性上浆剂中的时间为10～30s；具体可为10s。

24、进一步的，本发明还提供了上述方法制备得到的碳纤维。

25、本发明具有如下有益效果：

26、采用本发明的方法，上浆后的碳纤维具有良好的耐热性，碳纤维表面的聚酰亚胺涂层能够保护碳纤维，使其耐受聚酰亚胺、聚醚醚酮等耐高温树脂>300℃的加工温度。同时，上浆后的碳纤维具有耐磨性好和不易起毛的优点，能够耐受进一步的编织和加工。

技术特征：

1.一种提升碳纤维耐磨性的方法，包括如下步骤：通过浸渍方法将水性上浆剂附着在碳纤维上进行表面上浆，烘干。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述烘干的温度为140～260℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述烘干的温度为180～240℃。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述水性上浆剂中的主剂为聚酰胺酸。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述水性上浆剂包括聚酰胺酸、助溶剂和水；所述水性上浆剂中的固含量为0.5wt％～2wt％。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述助溶剂为三乙胺；所述水与三乙胺的质量比为20～25:1。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述聚酰胺酸由包括如下步骤的方法制备得到：在惰性气体保护下，将芳香二胺溶解于质子非极性溶剂中，缓慢加入二酐，进行缩聚反应，得到聚酰胺酸溶液；采用沉淀剂将聚酰胺酸固体沉淀出来，得到所述聚酰胺酸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述芳香二胺为4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、2,2'-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]丙烷、2,2'-双[3-(3-氨基苯甲酰)-4-羟基苯基]六氟异丙基和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷中的至少一种；

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述碳纤维浸渍在所述水性上浆剂中的时间为10～30s。

10.权利要求1-9中任一项所述方法制备得到的碳纤维。

技术总结本发明公开了一种聚酰亚胺上浆的碳纤维的耐磨性提升的方法，涉及材料领域。本发明的提升碳纤维耐磨性的方法，包括如下步骤：通过浸渍方法将水性上浆剂附着在碳纤维上进行表面上浆，140～260℃下烘干。本发明通过改变碳纤维上浆工艺中的烘干温度实现了碳纤维耐磨性的提升。本发明上浆后的碳纤维具有耐磨性好和不易起毛的优点，能够耐受进一步的编织和加工。技术研发人员：袁莉莉,洪伟杰,杨海霞,杨士勇受保护的技术使用者：中国科学院化学研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/27