一种高耐磨性碳纤维用乳液上浆剂及其制备和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于碳纤维化工领域，具体涉及一种高耐磨性碳纤维用乳液上浆剂及其制 备和应用。
【背景技术】
[0002] 碳纤维制备工程中，上浆工艺起到及其重要的作用。由碳纤维做增强纤维所制备 的树脂基复合材料，两相之间的实际界面是由碳纤维-上浆剂-基体树脂H者组成的过渡 整体。其中，上浆剂同时连接碳纤维和基体树脂，是承载外力传递的重要部分。当增强纤维 通过上浆剂和基体树脂复合过程中产生强连接，通过界面的剪切应变可有效传递载荷，大 大提高复合材料承受外力的整体能力。
[0003] 工程生产与应用经验表明，除上浆剂的主成分和碳纤维上浆量外，碳纤维上浆后 耐磨性、集束性、扩幅性等多种工艺性能也对碳纤维后续应用及复合材料的制备有决定性 的影响。碳纤维经机织、编织、针织等各种织造工艺和设备生产出中间预成型体，上浆碳纤 维的耐磨性是制约各种织造工程好坏的重要指标。上浆碳纤维耐磨性越高，通过织造工艺 各漉轴后起毛量越少，更容易穿经穿巧，在开口过程中高速多次的摩擦条件下不易断丝，极 大的提高了生产效率，降低生产和维护成本。一种具有优良应用性能的上浆碳纤维，应该具 有足够的耐磨次数，在多次反复高强度不同状况的摩擦条件下保持较低的断丝起毛，满足 多种类型复合材料制备工艺的要求。专利CN 101880967AXN 101845755A分别采用醋酸己 帰醋、聚氨醋对环氧树脂进行改性，进一步制备碳纤维上浆剂乳液。送类上浆剂在主成分中 引入部分其他极性基团，但改性基团多是为改善环氧树脂亲水性而引入的亲水性基团，且 比例不大，对提高碳纤维与树脂基体间界面强度作用不大，也无法有效改善耐磨等工艺性 能。具有赋予上浆碳纤维较高耐磨性的碳纤维乳液上浆剂未见报道。
【发明内容】
[0004] 针对上述的问题，本发明提供一种由芳香族聚醋多元醇、双酪F环氧树脂和非离 子表面活性剂等作为主成分的碳纤维用乳液上浆剂，W及相应的制备、使用方法。所述的碳 纤维用乳液上浆剂可改善上浆后碳纤维的耐磨性，其制备和使用过程无任何有机溶剂。
[0005] 具体而言，本发明提供了一种高耐磨性碳纤维用乳液上浆剂，包括主剂与去离子 水，主剂与去离子水质量比为（30:70)~巧0:50)，所述的主剂由W下组成：
[0006] 芳香族聚醋多元醇 55~75 wt% 双酪F环氧树脂 10~3 () wt% .非离子表丽活性窗J ll~15wl% 抗氧化剂 0 5~1.5 wt〇/〇 流平剂 0.5…1.5 wt%。
[0007] 优选，所述的芳香族聚醋多元醇，可W用式（I)表示：
[0008]
[0009] 其中，Rm选自下列的一种或多种；含有1~12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂 肪族基团、含有6~10个碳原子的二价芳香族基团；Ru选自下列的一种或多种；含有2~ 12个碳原子的二价饱和或不饱和的脂肪族基团、含有6~10个碳原子的二价芳香族基团， 且Rm和Ru不能同时为脂肪族基团。所述的芳香族聚醋多元醇可W为饱和/不饱和脂肪族 二元酸或其衍生物，芳香族二元酸或其衍生物与饱和/不饱和脂肪族二元醇或其衍生物， 芳香族二元醇或其衍生物制得。本发明对芳香族聚醋多元醇的制备方法没有特别的限制。
[0010] 更优选，所述芳香族聚醋多元醇，选自聚对苯二甲酸己二醇醋、聚邻苯二甲酸己二 醇醋、聚间苯二甲酸己二醇醋、聚对苯二甲酸丙二醇醋、聚邻苯二甲酸丙二醇醋、聚对苯二 甲酸了二醇醋、聚邻苯二甲酸了二醇醋。最优选，所述芳香族聚醋多元醇，选自聚对苯二甲 酸己二醇醋、聚邻苯二甲酸己二醇醋、聚对苯二甲酸了二醇醋。
[0011] 更优选，所述的芳香族聚醋多元醇，可W为上述聚醋多元醇的一种或几种的混合 物。
[0012] 优选，所述芳香族聚醋多元醇的聚合度n范围为1~25,优选为4~14。
[0013] 优选，所述聚醋多元醇的酸值，小于等于5mg KOH/g。
[0014] 优选，所述双酪F环氧树脂分子量范围为250~3500,更优选为300~2000。
[0015] 优选，所述双酪 F 环氧树脂为 YDF-170、YDF-175S、YDF-2001、YDF-2004、 YDF-8170(日本东都化成公司）中一种或多种。优选，所述双酪F环氧树脂为YDF-175S、 YDF-200UYDF-2004 中一种或多种。
[0016] 所述非离子表面活性剂，选自脂肪醇聚氧己帰離、烷基苯酪聚氧己帰離、聚氧化己 帰脂肪酸氨基離，优选脂肪醇聚氧己帰離，其疏水性脂肪醇部分为Cll~C18的碳链；聚氧 己帰基的聚合度为15~25。
[0017] 优选，所述的抗氧化剂为2, 6-二叔了基对甲酪。
[0018] 优选，所述的流平剂为聚離改性聚娃氧焼BNK-LK380。
[0019] 优选，所述去离子水的抑值为6. 0~8. 0,电阻为大于1兆欧姆；更优选去离子水 的抑值为6. 5~7. 5,电阻为大于10兆欧姆。
[0020] 需要强调的是，本发明的双酪F环氧树脂、非离子表面活性剂、流平剂中涉及一些 公司的具体型号的产品，但是并不表示本发明中的组分限定于送些具体型号的产品，与上 述特定型号产品性能相当的其他厂商的产品也在本发明的保护范围内。
[0021] 本发明还提供的一种高耐磨性碳纤维用乳液上浆剂的制备方法，包括：
[0022] (1)将芳香族聚醋多元醇、双酪F环氧树脂、抗氧化剂加入反应容器中，在55~ Iicrc下揽拌至组分完全分散，配置预混液；
[0023] (2)将非离子表面活性剂、流平剂加入上述预混液中，揽拌10~50min，逐渐降低 体系温度至50~90°C ;
[0024] (3)向上述混合物中逐步滴加去离子水并持续揽拌，制得碳纤维用乳液上浆剂。
[002引优选，步骤（1)中混合温度控制在60~IOOC。
[002引优选，步骤（1)中预混液揽拌时间为10~lOOmin，优选30~50min。
[0027] 优选，步骤似中混合揽拌时间为15~30min。
[0028] 步骤（3)得到的上浆剂乳液固含量为30~50wt %，乳液平均粒径为100~350nm， 抑值为6.0~8.0。
[0029] 本发明中对步骤（3)滴加去离子水的具体方式和揽拌时间没有特别的限制，可采 用持续滴加、分段滴加、间隔滴加等方式。
[0030] 很显然，本发明所提供的制备方法中，所述揽拌速度、揽拌温度和揽拌时间仅对上 浆剂制备时间有影响，对所制备的上浆剂性能无影响。
[0031] 本发明还提供了一种高耐磨性碳纤维用乳液上浆剂的制备方法，包括：
[003引 （a)制备稀释液；将上述上浆剂加入到去离子水中，边加边揽拌，直至乳液分散均 匀无气泡产生；
[0033] 化）碳纤维上浆；在张力作用下，将未上浆的碳纤维束通过装有上述稀释液的浸 溃槽，上浆后的碳纤维束烘干后卷绕在滚筒上。
[0034] 优选，步骤（a)中所述上浆剂稀释液中主剂的浓度为0. 5~3. Swt %。
[0035] 优选，步骤化）中所述未上浆碳纤维束由T300~TlOOO级3K~12K未上浆碳纤 维组成。
[0036] 优选，步骤化）中所述未上浆碳纤维束在浸溃槽中浸溃时间为10~50s，更优选为 15 ~30s。
[0037] 优选，步骤（b)中上浆后的碳纤维束烘干方式为热风烘干，温度为100~17(TC，更 优选120~16(TC ;干燥时间1~5分钟，更优选1. 5~3分钟。
[0038] 优选，步骤化）中所述未上浆碳纤维束的张力为100~lOOOcN，更优选为200~ SOOcNo
[0039] 优选，步骤化）中碳纤维上浆量控制在0. 2~5. Owt %。
[0040] 优选，步骤化）中所制得的上浆碳纤维耐磨次数5000~6500次。
[0041] 很显然，本发明只是提供了所述的碳纤维用乳液上浆剂的使用方法中的一种，其 中主剂浓度、浸溃时间、烘干温度及时间、纤维张力等工艺参数对所制备的上浆碳纤维性能 无影响。
[004引有益效果
[0043] 1.经本上浆剂上浆后的碳纤维耐磨性高，可降低织造过程中产生的起毛和断丝， 提高生产效率和效益。
[0044] 2.经本上浆剂上浆后的碳纤维能被基体树脂充分润湿，有效的传递所负载的应 力，制备较高性能的预成型体及复合材料成品。
【具体实施方式】
[0045]