技术领域：
本发明涉及一种复合型水基碳纤维上浆剂及其制备方法和使用方法，属于碳纤维制造领域。
背景技术：
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聚丙烯腈基碳纤维具有众多优异性能，是现代先进复合材料的重要增强体。在纤维复合材料承载时，纤维与树脂间的界面层在应力传递中起到了关键作用。复合材料界面层的形成与碳纤维制造过程中上浆剂的种类和上浆方法密不可分。
目前大多数碳纤维上浆剂的主要成分为热固性环氧树脂，这类上浆剂在碳纤维包装、运输和复合材料制造过程能够很好地保护纤维减少损伤，并且也能较好地在热固性复合材料中应用。随着复合材料技术的发展，热塑性复合材料成为现代复合材料的发展方向。
目前碳纤维用环氧树脂类上浆剂只能用于热固性复合材料，对与热塑性树脂和耐高温热塑性树脂存在相容性差的问题，影响复合材料的性能。另外由于环氧树脂热降解温度在200℃以下，而绝大多数耐高温热塑性树脂的成型工艺温度范围都超过250℃，因此单一环氧树脂上浆的碳纤维不适于同这些热塑性树脂匹配制备复合材料。目前并没有适用于耐高温热塑性树脂的专用碳纤维上浆剂。cn104389177a公开了一种碳纤维上浆剂及其上浆方法，通过对环氧树脂上浆剂加入聚氨酯树脂，改善了碳纤维丝束的耐摩擦性能和开纤性；cn201610044193.x公开了一种碳纤维用复合型水性乳液上浆剂，有水性改性环氧乳液和脂肪族热塑性上浆剂组成，克服了单一环氧树脂上浆剂脆性和耐冲击性差的问题。上述碳纤维上浆剂可用于常规热塑性树脂复合材料的制备，但由于上浆剂所用树脂自身耐温不高，不能满足如peek、pi、pps等热塑性工程塑料为基体的复合材料的制备。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种复合型水基碳纤维上浆剂及其制备方法和使用方法，采用水性聚酰胺酰亚胺/环氧树脂进行复合，得到的水基碳纤维复合上浆剂既适用于常规热固性树脂又适用于热塑性基体，特别是适用于诸如聚醚醚酮(peek)、聚酰亚胺(pi)、聚苯硫醚(pps)等耐高温工程塑料。
本发明提供的一种复合型水基碳纤维上浆剂其组成和质量分数为：
聚酰胺酰亚胺水性浆料：1～10％
环氧树脂：1～10％
乳化剂：1～5％
有机溶剂：3～15％
其余为水
所采用的聚酰胺酰亚胺水性浆料的固含量为20～35％，粘度为1000～2500cps。
所述环氧树脂为通用型e系列环氧树脂或其改性产品。
所述乳化剂为司班系列、吐温系列或op系列乳化剂，乳化剂优选：span-40、span-60、tween-40、tween-60、op-10或op-4中的一种或它们的混合物。
所述有机溶剂为能够溶解环氧树脂的有机溶剂，包括但不限于甲苯、二甲苯、正庚烷。
本发明上述复合型水基碳纤维上浆剂制备方法的具体步骤为：
(1)将乳化剂按上浆剂组成中各组分质量分数溶解在水中；
(2)将环氧树脂溶解于有机溶剂中；
(3)在搅拌条件下将聚酰胺酰亚胺水性浆料分散到步骤(1)所得的体系中；
(4)将步骤(2)所得的体系在搅拌条件下缓慢加入到步骤(3)所得的体系中，最好控制搅拌速度在10000～30000rpm，继续搅拌1～5小时，得到聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型水性碳纤维上浆剂。
本发明所述复合型水基碳纤维上浆剂的使用方法：
将步骤(4)得到的水性复合上浆剂在搅拌条件下用水稀释2～50倍，对碳纤维丝束进行浸渍，浸渍时间1～100秒，随后进行烘干，烘干温度为120～300℃，烘干时间为0.1～10分钟。上浆后碳纤维表面上浆量(质量分数)为0.1～5％。
本发明的有益效果：通过聚酰胺酰亚胺/环氧树脂共混制备的水性复合上浆剂，对碳纤维具有良好的上浆效果，碳纤维与树脂的层间剪切强度提高35％以上，上浆后的碳纤维既可以用于热固性树脂基复合材料的制备，也可以用于耐高温热塑性树脂基复合材料的制备，有效解决了现有上浆剂不能用于耐高温热塑性树脂基复合材料用碳纤维的上浆问题，同时具有通用性、环保性的特点。
具体实施方式：
实施例1
(1)将20g牌号为span-40的乳化剂溶解于1000ml去离子水中；
(2)将50g环氧树脂e44溶解于100ml二甲苯中；
(3)在搅拌条件下向步骤(1)的溶液中加入50g牌号为bf-10l的聚酰胺酰亚胺浆料(固含量27％，粘度1200cps)至完全溶解；
(4)调节高速搅拌器(flukefa25)搅拌速度20000rpm，将步骤(2)的溶液缓慢加入到步骤(3)的溶液中，继续搅拌2小时，即得到聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型水性碳纤维上浆剂。
该上浆剂中聚酰胺酰亚胺浆料的质量分数为4.17％，环氧树脂的质量分数为4.17％，乳化剂质量分数为1.66％，有机溶剂质量分数为6.67％，去离子水质量分数为83.33％。
上浆前，取上述上浆剂100ml，在搅拌条件下加入2000ml去离子水，置于碳纤维试验生产线的上浆槽中，将碳纤维丝束导入上浆槽中，使得碳纤维在上浆剂中浸渍5s，然后在120℃热风干燥器中停留3分钟进行烘干，得到上浆量为0.5％的碳纤维。
将上浆后的碳纤维和环氧树脂e44制成单向板(碳纤维质量分数60％)，依据gb/t1450.1-2005进行层间剪切强度测试，其层间剪切强度为82.4mpa，与未上浆碳纤维的层间剪切强度60.8mpa比，增加了35.5％。
实施例2
(1)将10g牌号为span-40的乳化剂和10g牌号为tween-60溶解于1000ml去离子水中；
(2)将100g环氧树脂e44溶解于200ml二甲苯中；
(3)在搅拌条件下往步骤(1)的溶液中加入100g牌号为bf-10l的聚酰胺酰亚胺浆料(固含量27％，粘度1200cps)至完全溶解；
(4)调节高速搅拌器(flukefa25)搅拌速度20000rpm，将步骤(2)的溶液逐渐加入到步骤(3)的溶液中，继续搅拌2小时，即得到聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型水性碳纤维上浆剂。
该上浆剂中聚酰胺酰亚胺浆料的质量分数为7.25％，环氧树脂的质量分数为7.25％，乳化剂质量分数为1.45％，有机溶剂质量分数为11.60％，去离子水质量分数为72.45％。
上浆前，取上述上浆剂200ml，在搅拌条件下加入2000ml去离子水，置于碳纤维试验生产线的上浆槽中，将碳纤维丝束导入上浆槽中，使得碳纤维在上浆剂中浸渍5s，然后在120℃热风干燥器中停留3分钟进行烘干，得到上浆量为1.0％的碳纤维。
将上浆后的碳纤维和环氧树脂e44制成单向板(碳纤维质量分数60％)，依据gb/t1450.1-2005进行层间剪切强度测试，其层间剪切强度为92.6mpa，与未上浆碳纤维的层间剪切强度60.8mpa比，增加了52.3％。
实施例3
(1)将20g牌号为span-40的乳化剂和20g牌号为tween-60溶解于1000ml去离子水中；
(2)将50g环氧树脂e44溶解于200ml正庚烷中；
(3)在搅拌条件下往步骤(1)的溶液中加入100g牌号为bf-10h的聚酰胺酰亚胺浆料(固含量34％，粘度1500cps)至完全溶解；
(4)调节高速搅拌器(flukefa25)搅拌速度25000rpm，将步骤(2)的溶液逐渐加入到步骤(3)的溶液中，继续搅拌2小时，即得到聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型水性碳纤维上浆剂。
该上浆剂中聚酰胺酰亚胺浆料的质量分数为8.0％，环氧树脂的质量分数为4.0％，乳化剂质量分数为3.2％，有机溶剂质量分数为12.8％，去离子水质量分数为74.0％。
上浆前，取上述上浆剂500ml，在搅拌条件下加入2000ml去离子水，置于碳纤维试验生产线的上浆槽中，将碳纤维丝束导入上浆槽中，使得碳纤维在上浆剂中浸渍5s，然后在200℃热风干燥器中停留5分钟进行烘干，得到上浆量为1.2％的碳纤维。
将上浆后的碳纤维和pi制成单向板(碳纤维质量分数58％)，依据gb/t1450.1-2005进行层间剪切强度测试，其层间剪切强度为71.3mpa，与未上浆碳纤维的层间剪切强度47.6mpa比，增加了50.0％。
实施例4
(1)将30g牌号为op-10的乳化剂溶解于1000ml去离子水中；
(2)将25g环氧树脂e44溶解于100ml甲苯中；
(3)在搅拌条件下往步骤(1)的溶液中加入100g牌号为bf-10l的聚酰胺酰亚胺浆料(固含量27％，粘度1200cps)至完全溶解；
(4)调节高速搅拌器搅(flukefa25)拌速度25000rpm，将步骤(2)的溶液逐渐加入到步骤(3)的溶液中，继续搅拌2小时，即得到聚酰胺酰亚胺/环氧树脂复合型水性碳纤维上浆剂。
该上浆剂中聚酰胺酰亚胺浆料的质量分数为8.11％，环氧树脂的质量分数为2.02％，乳化剂质量分数为2.43％，有机溶剂质量分数为6.48％，去离子水质量分数为80.97％。
上浆前，取上述上浆剂200ml，在搅拌条件下加入2000ml去离子水，置于碳纤维试验生产线的上浆槽中，将碳纤维丝束导入上浆槽中，使得碳纤维在上浆剂中浸渍5s，然后在250℃热风干燥器中停留5分钟进行烘干，得到上浆量为1.0％的碳纤维。
将上浆后的碳纤维和peek制成单向板(碳纤维质量分数61％)，依据gb/t1450.1-2005进行层间剪切强度测试，其层间剪切强度为65.5mpa，与未上浆碳纤维的层间剪切强度47.6mpa比，增加了37.6％。