一种上浆剂及其制备方法以及碳纤维与流程

本技术涉及碳纤维上浆剂制造，具体而言，涉及一种上浆剂及其制备方法以及碳纤维。

背景技术：

1、碳纤维作为增强材料已在航空、纺织等领域得到了广泛使用，但其存在表面活性基团少、光滑、脆性强、加工中容易产生毛丝及单丝断裂等情况，会严重影响碳纤维与树脂基体间的润湿性，导致复合材料的界面结合不良。因此，提升润湿性对改善二者间的界面结合强度很重要。

2、为避免这些问题，碳纤维生产工艺中均有对碳纤维表面无损伤的上浆处理工序，利用上浆剂对碳纤维进行上浆，在碳纤维表面形成一层聚合物膜，可以保护脆性的碳纤维在运输或使用过程中不受损伤并借助黏合性保证丝束完整性；更为重要的是，在制备复合材料时，上浆剂充当桥梁作用，使得碳纤维与树脂基体之间产生化学反应，能够增加粘结性，提高复合材料的界面性能，同时还能增加复合材料整体受力的可能性，提高力学性能。

3、但是，现有上浆剂由于配方设计不合理，使得相应的碳纤维与树脂基体之间存在界面结合强度较低的问题，进而导致复合材料的性能受到影响。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种上浆剂及其制备方法以及碳纤维，能够使得相应的碳纤维与树脂基体之间具有较高的界面结合强度。

2、本技术的实施例是这样实现的：

3、第一方面，本技术实施例提供一种上浆剂，包括基体50～80份、添加剂5～20份、平滑剂5～30份以及乳化剂10～25份；其中，基体包括缩水甘油酰胺、酰胺改性环氧树脂、缩水甘油邻苯二甲酰亚胺、氨基甲酸酯改性环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂和脲基改性环氧树脂中的至少一种。

4、上述技术方案中，采用上述特定种类的基体组分，并且将各个功能组分的用量限定在特定范围内，由于基体组分中具有反应活性较高的环氧基，能够与复合对象(即树脂基体)中的众多官能团进行反应，以形成共价键和/或氢键，例如，当复合对象为环氧树脂类时，基体中的环氧基与环氧树脂中的环氧基反应，同时，借助环氧树脂中含有的胺固化剂，能够使得碳纤维与环氧树脂结合更为牢固；相较于现有的上浆剂组分，其基体组分通常为环氧树脂(其环氧基的活性欠佳)，能够提高相应碳纤维与树脂基体的结合强度。此外，上述基体组分还具有众多额外的官能团(例如羟基、酰胺基、酰亚胺基、氨基甲酸酯基以及脲基等基团)，还可与聚酰胺或聚氨酯等热塑性树脂中含有的众多官能团(例如酰胺基、酯基、羟基和氨基等基团)相互作用，从而适用于除环氧树脂类以外的树脂基体，具有更为广阔的应用前景。

5、在一些可选的实施方案中，添加剂包括三乙基胺、三丙基胺、三异丙基胺、n，n’-二甲基苄基胺、n，n’-二乙基苄基胺、n，n’-二丙基苄基胺、三苯基胺、三(甲基苯基)胺、三(乙基苯基)胺、甲基吡啶和异喹啉中的至少一种。

6、上述技术方案中，采用上述特定种类的添加剂，能够将碳纤维中固有的羧基和/或羟基(碳纤维在制备工艺中需要进行表面处理，属于必要工艺，该工艺会引入羧基和/或羟基等含氧基团)中的氢离子拉出，以使含氧官能团阴离子化，阴离子化后的官能团能够与基体组分中的环氧基发生亲核反应，从而使得上浆剂与碳纤维之间结合更为牢固，有助于进一步提升相应碳纤维与树脂基体的结合强度。

7、在一些可选的实施方案中，平滑剂包括聚乙二醇单月桂酸酯、聚乙二醇单庚酸酯、聚乙二醇单辛酸酯、聚乙二醇单壬酸酯、聚乙二醇二月硅酸酯、聚乙二醇单十五酸酯、聚乙二醇单十四烷酸酯、聚乙二醇二辛酸酯、聚乙二醇单棕榈酸酯、聚乙二醇单亚油酸酯、聚乙二醇单油酸酯和聚乙二醇二油酸酯中的至少一种。

8、上述技术方案中，采用上述特定种类的平滑剂，能够降低碳纤维的表面粗糙度并赋予其在树脂基体中良好的分散性，以使得树脂基体和碳纤维能够实现充分浸润，从而有助于提升相应碳纤维与树脂基体的结合强度。

9、在一些可选的实施方案中，乳化剂包括十二烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、烷基酚聚氧乙烯醚、山梨糖醇酐单硬脂酸酯聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚和蓖麻油聚氧乙烯醚中的至少一种。

10、上述技术方案中，采用上述特定种类的乳化剂，具有乳化效果较好的优势，以使得上浆剂自身具有较好的稳定性。

11、在一些可选的实施方案中，乳化剂包括十二烷基三甲基氯化铵和聚乙烯醇的混合物。

12、可选地，混合物中，十二烷基三甲基氯化铵和聚乙烯醇的质量比为(0.98～1.02)：1。

13、上述技术方案中，乳化剂采用十二烷基三甲基氯化铵和聚乙烯醇的混合物，相较于单一组分或其他乳化剂组成，具有乳化效果更好的优势。

14、进一步地，将十二烷基三甲基氯化铵和聚乙烯醇的质量比限定在特定范围内，能够更好地兼具两种组分的优势，从而达到更好的乳化效果。

15、第二方面，本技术实施例提供一种如第一方面实施例提供的上浆剂的制备方法，包括以下步骤：

16、将基体、有机溶剂、乳化剂、添加剂和平滑剂混合，得到油相溶液；将水加入油相溶液并混合，得到白色乳液；然后，去除白色乳液中的有机溶剂，得到上浆剂。

17、上述技术方案中，按照上述特定制备工艺，制备得到的上浆剂能够使得相应的碳纤维与树脂基体之间具有较高的界面黏结强度；此外，上浆剂自身还具有不含有机溶剂、安全环保以及乳液性能稳定等优势。

18、在一些可选的实施方案中，将基体、有机溶剂、乳化剂、添加剂和平滑剂混合的步骤包括：将基体、有机溶剂、乳化剂、添加剂和平滑剂在200～600r/min下搅拌混合5～10min。

19、上述技术方案中，在制备油相溶液的过程中将搅拌混合的转速以及时间分别限定在特定范围内，以使得制备得到的油相溶液具有各组分混合均匀且体系较为稳定等优势。

20、在一些可选的实施方案中，将水加入油相溶液并混合的步骤包括：将水加入油相溶液并在4000～10000r/min下搅拌混合20～30min。

21、上述技术方案中，在乳化过程中将搅拌混合的转速以及时间分别限定在特定范围内，具有乳化效果较好的优势，以使得制备得到的上浆剂乳液具有较好的稳定性以及粒径均一性。

22、在一些可选的实施方案中，有机溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甲基乙基酮、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的至少一种。

23、可选地，有机溶剂包括甲醇。

24、上述技术方案中，本技术实施例提供的技术方案适用于上述多种有机溶剂，具有较多的可实施方案，从而便于对本技术的技术方案进行推广和应用。

25、进一步地，采用甲醇作为有机溶剂，能够较为快捷且充分地溶解各个反应原料。

26、第三方面，本技术实施例提供一种碳纤维，包括碳纤维基体以及位于碳纤维基体表面的涂覆层，涂覆层包括如第一方面实施例提供的上浆剂。

27、可选地，碳纤维基体的材质包括聚丙烯腈碳纤维。

28、上述技术方案中，碳纤维基体表面的涂覆层包括如第一方面实施例提供的上浆剂，以使得碳纤维与树脂基体之间能够形成较为牢固的界面层，有助于提升复合材料的品质。

29、进一步地，采用聚丙烯腈碳纤维作为碳纤维基体，具有强度较高且适用范围较广的优势。