耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂及其制备方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料领域，具体涉及一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂及其制备方法。

背景技术：

1、碳纤维复合材料具有耐腐蚀、耐高温、力学性能好、弹性模量较高以及施工方便等优点，被成功应用于土木工程结构的加固修复。其中，在桥梁、隧道、地下管道等设施的补强需求方面有着不可比拟的优势，但是目前用于水下建筑物和基础设施的碳纤维树脂复合材料都处于一个研发阶段，它们难以移至陆地上来进行维修施工，而且面临固化粘结效率以及在上述恶劣条件下复合材料长期使用效果不可靠等问题，从而影响了纤维复合材料的应用，因此配套研发保证碳纤维和潮湿环境固化树脂结合的上浆剂体系，提高复材在潮湿环境中性能，具有非常重要的意义。

2、当碳纤维和树脂在潮湿环境中固化时，界面问题是影响树脂和碳纤维结合性的关键，因此碳纤维的上浆剂体系是亟待解决的技术难题。对于高潮湿环境或水环境下的固化，通常研究较多的是与复合材料成型工艺相匹配的环氧树脂体系，而针对碳纤维的上浆体系却较少涉及。现有环氧树脂和碳纤维复合的上浆剂，其上浆固化剂选用活性高而憎水的胺类，将严重影响水下粘结性，影响树脂和纤维的界面。另一些上浆剂采用改性环氧树脂制备水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其只是通用型环氧树脂上浆剂，并未针对潮湿环境，氨水和氢氧化钠等组分吸湿性强，同将影响树脂和碳纤维的水下粘结性和粘结效果，在潮湿环境中使用的碳纤维树脂和界面不能得到保证，同时还存在毒性和气味大等问题。

技术实现思路

1、本发明技术方案解决的技术问题是提供一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂及其制备方法，可以显著提高环氧树脂在含水或潮湿表面的湿润性及环氧树脂与碳纤维上浆界面的交联作用，克服了环氧树脂在水环境下固化不充分的弊端。

2、为解决上述技术问题，本发明技术方案一方面提供一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，按重量份数计，包括：环氧树脂乳液40-70份，聚乙烯醇水溶液3-15份，改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶5-10份，固化剂20-35份；其中，所述环氧树脂乳液包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、无水乙醇及水，其中所述双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂的总质量与所述无水乙醇的质量之比为1:(10-15)，所述双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂的总质量与所述水的质量之比为1:(5-20)；在所述聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇与水的质量比为1:(20-50)；所述固化剂包括水性咪唑啉。

3、可选的，所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的环氧值为150-250，且所述双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂的质量比为(4-1):1。

4、可选的，按重量分数计，包括：环氧树脂乳液55-65份，聚乙烯醇水溶液5-8份，改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶8-10份，固化剂23-28份。

5、可选的，所述未改性的纳米二氧化硅硅溶胶的制备方法包括：采用正硅酸乙酯和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，调节ph至7.5-10，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，离心洗涤后滴加第一质量的水，且所述第一质量是正硅酸乙酯质量的8-10倍，冷却得到未改性的纳米二氧化硅硅溶胶。

6、可选的，所述改性的纳米二氧化硅硅溶胶的制备方法包括：将未改性的纳米二氧化硅硅溶胶烘干得到纳米二氧化硅粉末，将所述纳米二氧化硅粉末和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，加入硅烷偶联剂，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，经离心洗涤后滴加第二质量的水，得到改性的纳米二氧化硅硅溶胶，其中所述第二质量是所述纳米二氧化硅粉末与所述硅烷偶联剂总质量的8-10倍。

7、可选的，所述硅烷偶联剂包括k550、k560和k570中的至少一种。

8、本发明另一方面还提供一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂的制备方法，包括：按重量份数计，将40-70份的环氧树脂乳液、3-15份的聚乙烯醇水溶液，5-10份的改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶及20-35份的固化剂搅拌均匀；其中，所述环氧树脂乳液包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、无水乙醇及水，其中所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的总质量和所述无水乙醇的质量之比为1:(10-15)，所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的总质量和所述水的质量之比为1:(5-20)；在所述聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇与水的质量比为1:(20-50)；所述固化剂包括水性咪唑啉。

9、可选的，所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的环氧值为150-250，且所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的质量比为(4-1):1。

10、可选的，所述未改性的纳米二氧化硅硅溶胶通过如下步骤制备：采用正硅酸乙酯和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，调节ph至7.5-10，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，离心洗涤后滴加第一质量的水，且所述第一质量是正硅酸乙酯质量的8-10倍，冷却得到未改性的纳米二氧化硅硅溶胶。

11、可选的，所述改性的纳米二氧化硅硅溶胶通过如下步骤制备：将未改性的纳米二氧化硅硅溶胶烘干得到纳米二氧化硅粉末，将所述纳米二氧化硅粉末和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，加入硅烷偶联剂，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，经离心洗涤后滴加第二质量的水，得到改性的纳米二氧化硅硅溶胶，其中所述第二质量是所述纳米二氧化硅粉末与所述硅烷偶联剂总质量的8-10倍。

12、与现有技术相比，本发明技术方案的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂及其制备方法具有如下有益效果：

13、采用水性咪唑啉作为固化剂，可以使界面性质发生显著改变，并出现界面活性，水性咪唑啉与环氧树脂具有良好的相容性，能够乳化环氧树脂，显著提高了环氧树脂在含水或潮湿表面的湿润性，同时在固化时，遇水反应生成活性基团并释放出大量的热量，促进了环氧树脂和碳纤维上浆界面的交联，解决了水环境下固化不充分的问题。

14、环氧树脂乳液、聚乙烯醇水溶液、改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶及水性咪唑啉相互搭配，可与大丝束碳纤维高度匹配，同时固化树脂活性高，非常适宜潮湿界面和水中粘接，得到性质优良的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料。

15、本发明的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂为水性上浆剂，成本低廉，环保安全。且该上浆剂一方面非常适合大丝束碳纤维上浆，匹配性高，上浆均匀；另一方面适合耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料的使用，反应迅速，使碳纤维与潮湿固化的树脂结合性好，进而提高复合材料的性能。

16、本发明的制备方法简单，获得的体系稳定，易于存储，适用性强。

技术特征：

1.一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，按重量份数计，包括：

2.如权利要求1所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的环氧值为150-250，且所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的质量比为(4-1):1。

3.如权利要求1所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，按重量分数计，包括：环氧树脂乳液55-65份，聚乙烯醇水溶液5-8份，改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶8-10份，固化剂23-28份。

4.如权利要求1所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，所述未改性的纳米二氧化硅硅溶胶的制备方法包括：采用正硅酸乙酯和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，调节ph至7.5-10，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，离心洗涤后滴加第一质量的水，且所述第一质量是正硅酸乙酯质量的8-10倍，冷却得到未改性的纳米二氧化硅硅溶胶。

5.如权利要求1所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，所述改性的纳米二氧化硅硅溶胶的制备方法包括：将未改性的纳米二氧化硅硅溶胶烘干得到纳米二氧化硅粉末，将所述纳米二氧化硅粉末和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，加入硅烷偶联剂，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，经离心洗涤后滴加第二质量的水，得到改性的纳米二氧化硅硅溶胶，其中所述第二质量是所述纳米二氧化硅粉末与所述硅烷偶联剂总质量的8-10倍。

6.如权利要求5所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括k550、k560和k570中的至少一种。

7.一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂的制备方法，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂的制备方法，其特征在于，所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的环氧值为150-250，且所述双酚a型环氧树脂和双酚f型环氧树脂的质量比为(4-1):1。

9.如权利要求7所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂的制备方法，其特征在于，所述未改性的纳米二氧化硅硅溶胶通过如下步骤制备：采用正硅酸乙酯和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，调节ph至7.5-10，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，离心洗涤后滴加第一质量的水，且所述第一质量是正硅酸乙酯质量的8-10倍，冷却得到未改性的纳米二氧化硅硅溶胶。

10.如权利要求7所述的耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂的制备方法，其特征在于，所述改性的纳米二氧化硅硅溶胶通过如下步骤制备：将未改性的纳米二氧化硅硅溶胶烘干得到纳米二氧化硅粉末，将所述纳米二氧化硅粉末和乙醇按质量比为1:(8-15)搅拌均匀后，加入硅烷偶联剂，在20-80℃下加热搅拌0.1-8.0小时，经离心洗涤后滴加第二质量的水，得到改性的纳米二氧化硅硅溶胶，其中所述第二质量是所述纳米二氧化硅粉末与所述硅烷偶联剂总质量的8-10倍。

技术总结
本发明技术方案公开了一种耐湿环氧树脂基碳纤维复合材料专用上浆剂及其制备方法，其中所述上浆剂，按重量份数计，包括：环氧树脂乳液40‑70份，聚乙烯醇水溶液3‑15份，改性或未改性的纳米二氧化硅硅溶胶5‑10份，固化剂20‑35份。本发明技术方案可以显著提高环氧树脂在含水或潮湿表面的湿润性及环氧树脂与碳纤维上浆界面的交联作用，克服了环氧树脂在水环境下固化不充分的弊端。

技术研发人员：许艾娜,黄勇,张斌波,高晨曦,王臣辉,吴奇伟
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11