一种溶液型碳纤维上浆剂及其制备方法与流程

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种溶液型碳纤维上浆剂及其制备方法，适用于高性能热塑性复合材料。背景技术：1、碳纤维增强复合材料发展至今，已在各种对材料性能具有严苛要求的领域被广泛应用，例如航空航天，高性能汽车等先进行业，其中以高性能热塑性树脂为基体的热塑性复合材料尤其具有发展潜力。2、然而，高性能热塑性树脂的成型温度一般在350℃以上，这使得市面上最常见的环氧型及聚氨酯型上浆剂受到其耐热性的限制，不能与高性能热塑性树脂复合材料相匹配。这主要是因为常见热固性上浆剂的耐热性能欠佳(5％分解温度一般不高于280℃)，在高温下会分解产生小分子，破坏复合材料的界面相，使得其整体力学性能大幅度下降。针对该问题，已有大量研究者进行了相关工作，但其开发的专用于高性能热塑性复合材料中的碳纤维上浆剂，多受到主体耐热树脂的限制，导致最终成品中含有溶剂或是体系不稳定。3、聚酰亚胺作为可设计性很强的工程塑料，研究者以不同的设计思路开发出了大量不同性能的聚酰亚胺。其中已有报道将聚酰亚胺或其前驱体作为热塑型上浆剂使用，但仍存在着制备过程复杂、含有有机溶剂以及助剂耐热性差等问题。技术实现思路1、为了克服上述技术问题的局限，以制备出适用于高性能热塑性树脂复合材料的碳纤维上浆剂并提高其界面性能为目的，本发明提供了一种溶液型碳纤维上浆剂及其制备方法，操作简便，上浆剂成品中不含有机溶剂，且可以根据实际使用情况灵活设定工序，满足不同碳纤维以及碳纤维预浸料的生产过程，同时兼具了绿色环保与高性能的优点。2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：3、一种溶液型碳纤维上浆剂，所述的上浆剂中的溶质为聚酰胺酸与胺类形成的聚酰胺酸铵盐，溶剂为纯水；所述聚酰胺酸铵盐占上浆剂总质量的0.1～3％，纯水占上浆剂总质量的97～99.9％。4、其中，所述聚酰胺酸作为聚酰亚胺的前驱体，其由二酐单体和二胺单体聚合制得，其中二酐单体为3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐、4,4’-联苯醚二酐、2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐、3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐中的一种或多种；所述二胺单体为4,4’-二氨基二苯醚、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷、1,4-双(4-氨基苯氧基)苯、4,4'-二氨基二苯甲酮、2,2'-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]丙烷中的一种或多种。5、一种上述溶液型碳纤维上浆剂的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：6、步骤一：在有机溶液中利用加成反应常温合成聚酰胺酸。将二酐单体和二胺单体加入有机溶液中，在温度为10～35℃下聚合反应1～12h，得到聚酰胺酸的有机溶液；其中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种；二酐单体和二胺单体摩尔比为0.95～1.05：1，体系质量浓度为8～18％。7、步骤二：利用聚酰胺酸在有机溶剂与醇类水溶液中溶解性的不同，将聚酰胺酸提纯干燥为不含有机溶剂的粉末状态。将醇类水溶液以每分钟20～120滴的速度逐滴加入步骤一种得到的聚酰胺酸的有机溶液中，过滤并收集产生的沉淀物，冲洗、烘干沉淀物得到聚酰胺酸粉末；其中，醇类水溶液中含有乙醇、丙醇和乙二醇中的一种或多种，其体积分数为0.1～50％。8、步骤三：将聚酰胺酸粉末配合胺类配置成所需溶液型碳纤维上浆剂。制备胺类的纯水分散液后，边搅拌边加入聚酰胺酸粉末，得到溶液型碳纤维上浆剂；其中，所用胺类为浓氨水、乙二胺和三乙胺中的一种或多种，其总用量的摩尔数与聚酰胺酸中羧基摩尔数之比为1.02～1.2:1；最终聚酰胺酸铵盐占上浆剂总质量的0.1～3％，纯水占上浆剂总质量的97～99.9％。9、进一步的，本发明提供的溶液型碳纤维上浆剂在上浆完成后，可根据使用场景的不同灵活选择后续工艺流程。在碳纤维需要长时间贮存且不需要制成单向预浸带的情况下，可以将涂覆在碳纤维表面的聚酰胺酸涂层加热亚胺化形成聚酰亚胺薄膜；当需要制备高性能热塑性树脂单向预浸带时，无需在碳纤维出厂前进行亚胺化，此时碳纤维表面所涂覆的聚酰胺酸涂层具有较低的玻璃化转变温度，在保护纤维的同时有利于排纱、展纱的过程，且其亚胺化反应可在熔融高性能热塑性树脂的工序中完成，不会影响最终成品预浸带质量。10、本发明的效果和益处是：本发明提供的碳纤维聚酰亚胺上浆剂为溶液型上浆剂，且最终上浆剂中不含有机溶剂。该溶液型上浆剂的储存借由将聚酰胺酸粉末密封保存实现，因为聚酰胺酸铵盐在水中溶解性好，可以满足该上浆剂现用现配的需求。本发明所述溶液型碳纤维上浆剂，不仅可以增强高性能热塑性复合材料中的界面，还具制作简便，上浆剂成品不含有机溶剂，后续操作灵活，绿色环保等优点。使用本发明提供的水溶型上浆剂进行上浆处理的碳纤维，对比市售碳纤维，能提高cf/peek复合材料的层间剪切强度35％以上。技术特征：1.一种溶液型碳纤维上浆剂，其特征在于，所述的上浆剂中的溶质为聚酰胺酸与胺类形成的聚酰胺酸铵盐，溶剂为纯水；所述聚酰胺酸铵盐占上浆剂总质量的0.1～3％，纯水占上浆剂总质量的97～99.9％。2.根据权利要求1所述的一种溶液型碳纤维上浆剂，其特征在于，所述聚酰胺酸作为聚酰亚胺的前驱体，其由二酐单体和二胺单体聚合制得。3.根据权利要求2所述的一种溶液型碳纤维上浆剂，其特征在于，所述的二酐单体为3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐、4,4’-联苯醚二酐、2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐、3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、1,2,3,4-环戊烷四羧酸二酐中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的一种溶液型碳纤维上浆剂，其特征在于，所述二胺单体为4,4’-二氨基二苯醚、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷、1,4-双(4-氨基苯氧基)苯、4,4'-二氨基二苯甲酮、2,2'-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]丙烷中的一种或多种。5.一种权利要求1-4任一所述的溶液型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：6.根据权利要求5所述的一种上述溶液型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。7.根据权利要求5所述的一种上述溶液型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，醇类水溶液中含有乙醇、丙醇和乙二醇中的一种或多种，体积分数为0.1～50％。8.根据权利要求5所述的一种上述溶液型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所用胺类为浓氨水、乙二胺和三乙胺中的一种或多种。技术总结本发明公开了一种溶液型碳纤维上浆剂及其制备方法，涉及材料制备领域。具体方案如下：所述上浆剂溶液中的溶质为聚酰胺酸与胺类形成的铵盐，溶剂为纯水；所述聚酰胺酸铵盐占上浆剂总质量的0.1～3％，纯水占上浆剂总质量的97～99.9％。制备方法包括：在有机溶液中利用加成反应常温合成聚酰胺酸；利用聚酰胺酸在有机溶剂与醇类水溶液中溶解性的不同，将聚酰胺酸提纯干燥为不含有机溶剂的粉末状态；将聚酰胺酸粉末配合胺类配置成所需溶液型碳纤维上浆剂。本发明制备溶液型碳纤维上浆剂，不仅可以增强高性能热塑性复合材料中的界面，还具制作简便，上浆剂成品不含有机溶剂，后续操作灵活，绿色环保等优点。技术研发人员：苑成策,任建楠,张平,范欣愉,闫忠伟受保护的技术使用者：沈阳飞机工业（集团）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/1