一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法

本发明属于上浆剂，更具体的说是涉及一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法。

背景技术：

1、碳纤维复合材料以其各种优异的性能已被广泛地认同，但在推广使用方面主要受限于碳纤维的质量、价格以及其碳纤维复合材料的性能稳定性。这主要是由于碳纤维在后续的加工过程中会发生摩擦、磨损，产生毛丝，不仅影响了后续工艺的顺利进行而且使得碳纤维的整体性能有所下降，因此需要对碳纤维进行上浆处理。

2、上浆剂是纤维表面涂覆的一层化学浆料，上浆工艺是碳纤维生产过程中的一道必要工序。上浆剂的功能性其主要作用表现在：首先保护碳纤维表面，使之在收卷、包装和运输过程中免受损伤；隔绝空气，防止cf表面吸附空气中的灰尘和水分。其次，上浆剂可以有效提高碳纤维的集束性，类似粘合剂使纤维聚集在一起，改善工艺性能，便于加工。再者，上浆剂类似偶联剂可以弥补碳纤维表面的缺陷，改善碳纤维与树脂之间化学结合，提高复合材料的力学性能，减少复合材料的制备时间，提高产品质量。因此研发性能优异的碳纤维上浆剂，在提高碳纤维质量和复合材料性能等方面有积极的意义。而单纯的乳液型的上浆剂多由不能互溶的两种液体在加入其他表面活性剂下，实现两者的融合，稳定性较差，静置时间过长会出现分层，运输的过程中还会发生破乳等情况。同时，现有上浆剂的界面粘接性差，对碳纤维材料力学性能的改善效果不佳。

3、因此，如何提供一种稳定性好，提升与碳纤维的界面结合性，并提高碳纤维强度的上浆剂，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，具有良好的自乳化功能，克服了乳液型上浆剂稳定性的问题。用邻苯二甲酸酐改性后的聚乙二醇作为改性剂与复配环氧树脂进行接枝聚合，形成一端为疏水的环氧端、另一端为亲水的改性聚乙二醇、可以进行自乳化的环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂，提高碳纤维与环氧树脂的界面结合性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将聚乙二醇在旋转蒸发器中进行减压蒸馏，除去水分子；

5、(2)将除去水分子的聚乙二醇和邻苯二甲酸酐加入到反应釜中，在酸性环境下进行聚乙二醇的改性接枝，边搅拌边进行冷凝回流，并通入氮气保护，得到邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇；

6、(3)将两种不同的环氧树脂进行复配，得到复配环氧树脂；

7、(4)将邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇和复配环氧树脂在催化剂作用下进行接枝反应，得到具有自乳化性能的环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂。

8、优选的，步骤(1)中所述聚乙二醇的分子量为1000-4000。

9、优选的，步骤(2)中所述邻苯二甲酸酐和聚乙二醇的摩尔比为1：1.6-2.4。

10、优选的，步骤(2)中所述酸性环境的ph为3-5；所述搅拌的速率为180-300r/min。

11、上述技术方案的有益效果是：搅拌速度过高不利于聚合，过低会分散不开，聚合不充分。

12、优选的，步骤(2)中所述改性接枝的反应温度为105-140℃，反应时间为2-4h。

13、优选的，步骤(3)中所述环氧树脂包括e51、e44、6004、f44。

14、优选的，步骤(3)中所述复配环氧树脂的环氧当量为180-210。

15、单一环氧树脂的柔韧性和耐热性无法满足满足后续复合材料的制备需要。本发明选择不同的环氧树脂进行复配，来赋予上浆剂具有适用的柔软性和粘结性。按照所选用的不同环氧树脂的环氧当量及其比例推算复配环氧树脂的环氧当量，进而计算复配环氧树脂与邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇的摩尔比值。

16、优选的，步骤(4)中所述邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇和复配环氧树脂的摩尔比为1：0.6-1.4。

17、优选的，步骤(4)中所述催化剂选自过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。

18、优选的，步骤(4)中所述接枝反应的反应温度为110-140℃，反应时间为2-5h。

19、本发明中，邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇反应的方程式如下：

20、

21、本发明中，邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇和复配环氧树脂反应的方程式如下：

22、

23、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，具有以下有益效果：

24、(1)本发明的水性上浆剂具有良好的自乳化功能，克服了乳液型上浆剂的稳定性问题。进行了环氧树脂的复配，满足上浆剂具有良好的粘结性和柔韧性。同时，本发明上浆剂的一端为水解基团，可以与碳纤维表面的-oh结合，另一端为非水解基团，可以与树脂发生反应，将浆料中的官能团引入碳纤维表面，增加碳纤维表面的活性，进而增加碳纤维与树脂基体的化学结合作用。

25、(2)本发明利用邻苯二甲酸酐改性后的聚乙二醇作为与环氧树脂接枝的改性剂，因为邻苯二甲酸酐的分子结构的空间位阻较大，可以确保与环氧树脂反应过程中，多数的反应以一端接枝反应为主，有利于提高制备一端疏水一端亲水的具有自乳化性能的环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂。此种自乳化环氧树脂上浆剂安全性高、环境友好，而且使用方便，可以因加工需要选择使用时间，进行乳化使用。

技术特征：

1.一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚乙二醇的分子量为1000-4000。

3.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述邻苯二甲酸酐和聚乙二醇的摩尔比为1：1.6-2.4。

4.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述酸性环境的ph为3-5；所述搅拌的速率为180-300r/min。

5.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述改性接枝的反应温度为105-140℃，反应时间为2-4h。

6.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述环氧树脂包括e51、e44、6004、f44。

7.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述复配环氧树脂的环氧当量为180-210。

8.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述邻苯二甲酸酐改性聚乙二醇和复配环氧树脂的摩尔比为1：0.6-1.4。

9.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述催化剂选自过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述接枝反应的反应温度为110-140℃，反应时间为2-5h。

技术总结
本发明属于上浆剂技术领域，公开了一种环氧树脂水溶性碳纤维上浆剂的制备方法。本发明上浆剂的一端为水解基团，可以与碳纤维表面的‑OH结合，另一端为非水解基团，可以与树脂发生反应，将浆料中的官能团引入碳纤维表面，增加碳纤维表面的活性，进而增加碳纤维与树脂基体的化学结合作用。同时具有良好的自乳化功能，克服了乳液型上浆剂稳定性的问题。此种自乳化环氧树脂上浆剂安全性高、环境友好，而且使用方便，可以因加工需要选择使用时间，进行乳化使用。

技术研发人员：马晓坤,徐金尧,王皓冉,蔡忠桥
受保护的技术使用者：吉林化工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15