纤维处理剂、用纤维处理剂处理的碳纤维和含有所述碳纤维的碳纤维复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种纤维处理剂、用纤维处理剂处理的碳纤维和包含所述碳纤维的碳 纤维复合材料。
【背景技术】
[0002] 存在许多类型的纤维并且其实现了从家用服装到太空科学领域的各种应用。各种 形式的纤维有助于工业的发展。例如，可以将纤维大致分为有机纤维如从植物和动物获得 的天然纤维、通过对有机化学物质进行合成获得的合成纤维、半合成纤维和再生纤维；以及 无机纤维如通过在高温下将例如作为起始材料的丙稀酸纤维或沥青进行碳化制造的碳纤 维、玻璃纤维、金属纤维和岩石纤维。
[0003] 在这些纤维中，特别地，将轻质且具有非常强和高弹性的机械特性的碳纤维与基 体树脂组合并用作纤维强化的基体复合材料。
[0004] 通常由具有几微米直径的单丝构成的碳纤维具有低伸长率且由此因机械摩擦等 而容易起毛，且常常难以处理。因此，碳纤维通常用纤维处理剂上胶并进行使用（参见专利 文献1和2)。纤维处理剂提高碳纤维的集束特性，使用纤维处理剂的上胶处理也可以改善 碳纤维或碳纤维束的物理特性。此外，在碳纤维的表面上存在的处理剂可以提高与基体树 脂的相容性并且增加在基体树脂与碳纤维之间的界面的粘结性。
[0005] 可以将与碳纤维组合的基体树脂大致分为热固性树脂和热塑性树脂。当将热塑性 树脂用作基体树脂时，与使用热固性树脂相比，可以容易地获得同样具有优异的热加工性 的高韧性复合材料，由此具有高利用价值。
[0006] 提高与这种热塑性树脂的相容性的纤维处理剂的实例包括含有聚酰胺的处理剂。 用含聚酰胺的纤维用处理剂处理的碳纤维与各种热塑性树脂如聚酰胺、聚酯、聚乙烯和聚 碳酸酯具有优异的相容性。
[0007] 这种含聚酰胺的纤维处理剂的实例包括包含水溶性聚酰胺的那些（参见专利文 献3、4和5)。这些处理剂不仅在水中高度可溶而且还赋予足够的集束特性以使碳纤维成 形且使得到的碳纤维束均一地分散在水中。因此，可以优选将这种处理剂用于将碳纤维均 一地分散在无机基体浆料如水泥中。然而，本来就具有可溶于水的特性的水溶性聚酰胺比 普通非水溶性聚酰胺吸收更大量的空气中的水分，且可以随时间向碳纤维束表面赋予粘着 性，由此损害碳纤维束的加工性。此外，当使碳纤维束附着至基体树脂从而形成复合材料 时，由于由处理剂吸收的水分的影响而倾向于发生层离，且成型产品的机械特性如强度和 挠曲弹性以及耐久性可能会劣化。因此，在其中处理剂倾向于与水或空气接触的应用中，可 用的范围可能会受到限制。
[0008] 为了改善这种水溶性聚酰胺的耐水性，如下方法是已知的：包括将水溶性聚酰胺 与固化剂如封端异氰酸酯进行交联从而制造在水中不溶的聚酰胺的方法（参见专利文献 5)，和包括进行加热直至水溶性聚酰胺自交联为在水中不可溶的方法（参见专利文献6)。 然而，当使用交联方法时，存在于碳纤维界面上并有助于通过与基体树脂的氢键改善粘结 性的官能团（例如羧基、氨基或羟基）反应。这降低官能团的作用并且可能降低粘结性。所 述热处理方法可能还使聚酰胺和基体树脂热降解。
[0009] 还已知的是，非水溶性聚酰胺如共聚尼龙以粒子的形式分散在水中且得到的水性 聚酰胺树脂分散液被用作纤维处理剂（参见专利文献7)。
[0010] 当这种非水溶性聚酰胺树脂（非水溶性聚酰胺）被形成为水性分散液且被用作纤 维处理剂时，所述纤维处理剂具有比包含水溶性聚酰胺的纤维处理剂高的耐水性，由此可 以被用于水溶性聚酰胺所不适用的应用。
[0011] 与使用水溶性聚酰胺树脂等溶液作为纤维处理剂相比，水性聚酰胺树脂分散液型 纤维处理剂可以更牢固地将树脂固定在碳纤维的表面上或固定在碳纤维束的孔隙中。这可 以大大地改善碳纤维或碳纤维束的耐热性和物理特性。因此，特别地，近来对水性分散液型 纤维处理剂的需求在不断增加。
[0012] 然而，与使用水溶性聚酰胺相比，非水溶性共聚尼龙等聚酰胺的使用通常导致略 差的对基体树脂的粘结性，这部分是因为树脂的结晶性强。因此，一直期望改善粘结性。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[0015] 专利文献I:JP2〇01_214334A
[0016] 专利文献 2 :JP2〇04-36〇l64A
[0017] 专利文献 3 :TO2003/012188
[0018] 专利文献 4 :JP2012-41658A
[0019] 专利文献5 :JP2〇01-3476〇2A
[0020] 专利文献 6 :JPS60-221346A
[0021] 专利文献 7 :JP2005-105192A
【发明内容】
[0022] 技术问题
[0023] 本发明的一个目的为提供能够在纤维上形成具有优异耐水性和对基体树脂的优 异粘结性的膜的纤维处理剂。本发明的另一个目的为提供用所述纤维处理剂处理的碳纤 维，以及包含所述碳纤维的碳纤维复合材料。
[0024] 技术方案
[0025] 本发明人进行了大量研究以实现以上目的，并发现如下的纤维处理剂可以在纤维 上形成具有优异耐水性和对基体树脂的优异粘结性的膜，所述纤维处理剂包含水性介质、 分散在所述水性介质中的非水溶性聚酰胺和相对于1〇〇质量份的所述非水溶性聚酰胺以2 质量份~50质量份的量存在的水溶性聚酰胺。本发明人进一步发现，处理过的碳纤维和基 体树脂可以形成具有良好机械特性的碳纤维复合材料。基于这些发现，本发明人已经在进 一步改善的情况下实现了本发明。
[0026] 具体地，本发明包括例如在以下项中描述的主题。
[0027]项1.
[0028] -种纤维处理剂，包含水性介质、分散在所述水性介质中的非水溶性聚酰胺和相 对于100质量份的所述非水溶性聚酰胺以2质量份~50质量份的量存在的水溶性聚酰胺。
[0029] 项 2.
[0030] 根据项1所述的纤维处理剂，其中所述非水溶性聚酰胺为选自如下的至少一种： 尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11、尼龙12、尼龙6/66共聚物、尼龙6/610共聚物、尼龙6/11 共聚物、尼龙6/12共聚物、尼龙6/66/11共聚物、尼龙6/66/12共聚物、尼龙6/66/11/12共 聚物、尼龙6/66/610/11/12共聚物、二聚酸系聚酰胺树脂和尼龙弹性体。
[0031] 项 3.
[0032] 根据项1或2所述的纤维处理剂，其中所述分散的非水溶性聚酰胺具有 0? 05ym~20ym的平均粒度。
[0033] (水溶性聚酰胺的粒度不能通过下面详细描述的激光衍射粒度分布测定方法进行 测定。因此，当通过激光衍射粒度分布测定方法确定在本发明的纤维处理剂中含有的聚酰 胺粒子的平均粒度时，获得的值指的是分散在本发明的纤维处理剂中的非水溶性聚酰胺的 平均粒度。因此，根据项3所述的纤维处理剂可以被释义为"根据项1或2所述的纤维处理 剂，其中所述分散在纤维处理剂中的聚酰胺具有〇. 05ym~20ym的平均粒度"。）
[0034] 项 4.
[0035] 根据项1~3中任一项所述的纤维处理剂，其中所述水溶性聚酰胺在其分子链中 包含叔胺成分或聚亚烷基二醇成分。
[0036]项5.
[0037] 根据项1~4中任一项所述的纤维处理剂，其中所述非水溶性聚酰胺和所述水溶 性聚酰胺具有的玻璃化转变温度的差值不大于l〇〇°C。
[0038]项6.
[0039] 根据项1~5中任一项所述的纤维处理剂，其在干燥时形成耐水性的膜。
[0040]项7.
[0041] 根据项1~6中任一项所述的纤维处理剂，其为碳纤维用处理剂。
[0042]项8.
[0043] 一种制造纤维处理剂（优选根据项1~7中任一项所述的纤维处理剂）的方法， 包括在70°C以下的温度下将水溶性聚酰胺添加至非水溶性聚酰胺的水性分散液中。
[0044]项9.
[0045] 一种碳纤维，其用根据项1~7中任一项所述的纤维处理剂处理。
[0046]项10.
[0047] -种制造用纤维处理剂处理的碳纤维的方法，包括在200°C以下的温度下用根据 项1~7中任一项所述的纤维处理剂对碳纤维进行处理。
[0048]项11.
[0049] -种碳纤维复合材料，其包含根据项9所述的碳纤维和基体树脂。
[0050] 根据项1所述的纤维处理剂可以释义为例如如下：
[0051] "包含水性介质、非水溶性聚酰胺和水溶性聚酰胺的纤维处理剂，所述非水溶性聚 酰胺被分散在所述水性介质中，且相对于1〇〇质量份的所述非水溶性聚酰胺，所述水溶性 聚酰胺以2质量份~50质量份的量存在。"
[0052] 有益效果
[0053]