一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法

本发明属于碳纤维上浆剂，具体涉及一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法。背景技术：1、碳纤维具有高强度、高模量、导电、导热、耐高温及耐腐蚀等特性，作为一种重要的复合材料在国防、航空航天、体育器件、新能源汽车等领域具有广泛的应用。上浆剂是碳纤维制造工程中非常重要的辅剂，在生产及加工过程中，合适的上浆剂可以保护碳纤维表面、减少毛丝及单丝断裂，并改善纤维与基体树脂的界面性能。水性聚氨酯上浆剂是一种水性乳液型上浆剂，且通常采用自乳化方式，可以和基体较好相容，具备很大的发展潜力。2、上浆剂对于碳纤维与基体之间的界面性能起着重要作用，目前对水性聚氨酯上浆剂的研究仍在不断进行。中国专利cn117304446a公布了一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法，解决了现有水性聚氨酯上浆剂合成过程不环保的问题。中国专利cn113929850a公开了一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法和应用，采用聚合物多元醇搭配偶联剂，提高了聚氨酯的交联度，使其成膜后具有表面光滑、韧性好、粘结牢固、耐冲击等优点。但以上发明均未涉及到上浆剂对碳纤维与基体界面性能的作用，已经有研究表明，当上浆剂的表面张力低于40mn/m时，可以实现对碳纤维更好地浸润，从而提高碳纤维与基体之间的界面结合作用。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法，以解决上述水性聚氨酯上浆剂与基体界面结合不牢固的问题。本发明主要采用不同封端剂制备了具备不同功能基团的且具有良好稳定性的水性聚氨酯上浆剂，并对其复配，从而提高碳纤维的浸润性以及与聚氨酯基体的界面结合力。2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种水性聚氨酯上浆剂，包括如下重量份的组分：3、水性聚氨酯乳液：20～30份，去离子水：70～80份。4、优选的，水性聚氨酯乳液为氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯、硅烷偶联剂封端水性聚氨酯中的一种或几种。5、优选的，水性聚氨酯乳液为氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯、硅烷偶联剂封端水性聚氨酯中的两种或三种6、优选的，当水性聚氨酯乳液为三种水性聚氨酯中的两种时，两种水性聚氨酯的质量比为1～3：1～3。7、优选的，当水性聚氨酯乳液为氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯和硅烷偶联剂封端水性聚氨酯三种时，氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯和硅烷偶联剂封端水性聚氨酯的质量比为1～3：1～3：1～3。8、优选的，水性聚氨酯乳液包括如下重量份的组分：9、聚醚二元醇：20～35份，异氰酸酯：5～20份，催化剂：0～0.03份，亲水扩链剂：2～6份，中和剂：4～8份，封端剂：0.1～2.5份，去离子水：60～80份。10、优选的，聚醚二元醇为分子量为500～2000的聚乙二醇或聚丙二醇中的一种。11、优选的，异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯中的一种。12、优选的，亲水扩链剂为二羟甲基丙酸或二羟甲基丁酸中的一种；13、催化剂为二月硅酸二丁基锡或辛酸亚锡中的一种；14、中和剂为三乙胺。15、优选的，封端剂为乙二胺、全氟己基乙醇、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种。16、本发明制备的三种水性聚氨酯乳液的种类决定于封端剂的种类，三种封端剂对应三种水性聚氨酯乳液。17、本发明第二方面提供了一种水性聚氨酯上浆剂的制备方法，包括如下步骤：18、s1：制备水性聚氨酯乳液；19、s2：向水性聚氨酯乳液中按重量份数比例加入去离子水，搅拌均匀后得到水性聚氨酯上浆剂。20、优选的，水性聚氨酯乳液的制备具体包括如下步骤：21、s11：预聚22、将聚醚二元醇置于120℃真空烘箱中干燥2h，冷却备用，将异氰酸酯和聚醚二元醇加入三颈烧瓶中，滴入催化剂，升温至80～90℃下反应1～3h；23、s12：扩链24、加入亲水扩链剂，继续反应2～3h，期间加入适量丙酮稀释；25、s13：封端26、将体系降温至50～60℃，逐滴滴入封端剂反应1～1.5h；27、s14：中和28、将体系降温至30～40℃，加入中和剂反应0.5h；29、s15：乳化30、加入去离子水，提高转速至1000～2000r/min进行高速自乳化，反应20min，得到水性聚氨酯乳液，通过旋转蒸发除去乳液中的丙酮。31、本发明如果制备的水性聚氨酯乳液是两种或三种不同封端的水性聚氨酯的组合物时，需要将每一种封端的水性聚氨酯制备出来后，再按照相应的质量比进行混合。32、本发明第三方面提供了一种水性聚氨酯上浆剂的应用，水性聚氨酯上浆剂在碳纤维制备过程中的应用。33、本发明制备的水性聚氨酯上浆剂的表面张力均低于40mn/m，可以实现对碳纤维更好的浸润，进而作为辅料应用到碳纤维的制备过程中。34、因此，本发明采用上述结构的一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法，具有以下有益效果：35、本发明制备了三种水性聚氨酯，氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯、以及硅烷偶联剂封端水性聚氨酯。其中氨基封端的水性聚氨酯可以与聚氨酯基体的异氰酸酯反应，产生化学键，从而提高界面结合力；含氟基团封端的水性聚氨酯具有更低的表面能，可以提高上浆剂的浸润性，硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯也可以增强与聚氨酯基体的界面结合。将三种水性聚氨酯进行复配，可以实现对碳纤维更好的浸润以及得到更高的界面剪切强度。36、下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。技术特征：1.一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，包括如下重量份的组分：2.根据权利要求1所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，水性聚氨酯乳液为氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯、硅烷偶联剂封端水性聚氨酯中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，水性聚氨酯乳液包括如下重量份的组分：4.根据权利要求3所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，聚醚二元醇为分子量为500～2000的聚乙二醇或聚丙二醇中的一种。5.根据权利要求3所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯中的一种。6.根据权利要求3所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，亲水扩链剂为二羟甲基丙酸或二羟甲基丁酸中的一种；7.根据权利要求3所述的一种水性聚氨酯上浆剂，其特征在于，封端剂为乙二胺、全氟己基乙醇、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种。8.根据权利要求1～7任一项所述的一种水性聚氨酯上浆剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：9.根据权利要求8所述的一种水性聚氨酯上浆剂的制备方法，其特征在于，水性聚氨酯乳液的制备具体包括如下步骤：10.根据权利要求1～7任一项所述的一种水性聚氨酯上浆剂的应用，其特征在于，水性聚氨酯上浆剂在碳纤维制备过程中的应用。技术总结本发明公开了一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法，包括如下重量份的组分：水性聚氨酯乳液：20～30份，去离子水：70～80份，水性聚氨酯乳液为氨基封端水性聚氨酯、含氟基团封端水性聚氨酯、硅烷偶联剂封端水性聚氨酯中的一种或几种。本发明制备了三种水性聚氨酯，其中氨基封端的水性聚氨酯可以与聚氨酯基体的异氰酸酯反应，产生化学键，从而提高界面结合力；含氟基团封端的水性聚氨酯具有更低的表面能，可以提高上浆剂的浸润性，硅烷偶联剂封端的水性聚氨酯也可以增强与聚氨酯基体的界面结合。将三种水性聚氨酯两两简单的复配，可以实现对碳纤维更好的浸润，上浆剂之间的协同作用有助于得到更高的界面剪切强度。技术研发人员：贾兰,王诗雅,李艳飞,张志毅,张衡,余雯雯受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16