一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用

本发明属于骨科植入用复合材料，具体涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、peek(聚醚醚酮)是一种半结晶的特种高分子材料，具有优异的机械性能及生物相容性，越来越多的受到医学界的关注。碳纤维聚醚醚酮复合材料是一种很有应用前景的骨科植入物材料，常作为骨缺损植入物用于创伤、疾病或先天性缺陷造成的骨损伤治疗。碳纤维聚醚醚酮复合材料的弹性模量与传统金属植入材料相比更接近人体骨骼，可以减轻植入物与人体骨骼之间的弹性失配导致的应力屏蔽引起的骨质疏松和骨吸收的风险。但用于骨植入的碳纤维聚醚醚酮复合材料中的碳纤维上浆剂并没有进行专门研究，市面上的碳纤维上浆剂多为热固性树脂，这会导致碳纤维与聚醚醚酮树脂相容性不佳，影响植入体的使用寿命。

2、cn 116603105 a将碳纤维布和有机模板进行反应，得到构建有机相的碳纤维布，但使用了多种耐温较低的表面活性剂。cn 116446176a采用含羧基化的碳纳米管的聚酰胺酸水溶液对碳纤维进行表面处理，但需要经过多组热辊及热亚胺化，生产效率较低。cn110975015a同样采用了耐温较低硅烷偶联剂对碳纤维进行修饰，目的都是为了提高碳纤维与聚醚醚酮树脂的相容性。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提供一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。使用该上浆剂的碳纤维与聚醚醚酮树脂相容性良好，有效提升复合材料的界面性能从而提高寿命。

2、本发明第一方面保护一种碳纤维上浆剂，所述碳纤维上浆剂是由热塑性树脂、高沸点有机溶剂、表面活性剂和水按照质量比为10：2～10：0.2～1：100～500混合而成；

3、所述热塑性树脂的结构如式ⅰ：

4、

5、式ⅰ中，m≥0，n＞0，a＞0

6、ar选自：中的一种。

7、进一步地，所述热塑性树脂是聚乙二醇对无定形聚芳醚酮树脂进行化学改性而成，所述无定形聚芳醚酮树脂的结构如式ⅱ：

8、

9、式ⅱ中，m≥0，n＞0；

10、ar选自：中的一种。

11、进一步地，所述无定形聚芳醚酮树脂的数均分子量为4000～10000，分子量分布pdi＜3。

12、进一步地，所述聚乙二醇为聚乙二醇1000～4000中的一种。

13、进一步地，所述高沸点有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种。

14、进一步地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或吐温-80，所述水为超纯水。

15、进一步地，所述热塑性树脂的数均分子量为6000～18000。

16、本发明第二方面保护一种碳纤维上浆剂的制备方法，包括如下步骤：

17、s1、聚乙二醇对无定形聚芳醚酮树脂进行化学改性，包括：无定形聚芳醚酮树脂溶于有机溶剂中，加入聚乙二醇，升温混合均匀，加入过硫酸钾反应，所得溶液经离心或过滤去除无机盐后经旋蒸或醇洗得到热塑性树脂。

18、s2、将所述热塑性树脂溶于高沸点有机溶剂和二氯甲烷的混合溶液中，其中，所述二氯甲烷与所述高沸点有机溶剂的质量比为70：30～95：5，得到第一溶液；在水中加入表面活性剂，得到第二溶液；

19、s3、混合所述第一溶液和所述第二溶液后，通过搅拌、高压均质、减压蒸馏去除二氯甲烷，得到碳纤维上浆剂。

20、进一步地，步骤s1中，所述有机溶剂为甲基乙基酮、二氯乙烷、苯甲醚、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或n-甲基吡咯烷酮中的一种。

21、进一步地，步骤s1中，所述无定形聚芳醚酮树脂、所述聚乙二醇和所述有机溶剂的质量比为8～12：5～30：20～100。

22、进一步地，步骤s1中，升温至70～100℃，混合均匀，加入过硫酸钾，反应2～8h。

23、进一步地，步骤s1中，所述过硫酸钾的质量占所述无定形聚芳醚酮树脂与所述聚乙二醇总质量的1～3％。

24、进一步地，步骤s3中，所述搅拌的转速为2000～10000rmp。所述高压均质的压力为600～1000bar。

25、本发明第三方面保护上述的碳纤维上浆剂在骨科植入用聚醚醚酮复合材料中的应用。

26、本发明第四方面保护一种上浆碳纤维，是将碳纤维丝束浸润到碳纤维上浆剂中，于120～160℃，烘干0.5～2min制得。

27、本发明的有益效果：本发明提供的一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用。聚乙二醇改性无定形聚芳醚酮树脂的热塑性树脂耐高温，与聚醚醚酮同族，相容性非常好。制备的水乳液上浆剂只含有极少量的十二烷基硫酸钠且高温不分解，原料均满足生物活性要求。采用本发明的碳纤维上浆剂制备的聚醚醚酮复合材料的界面性能得到显著改善。复合材料的力学性能更为优异。

技术特征：

1.一种碳纤维上浆剂，其特征在于，所述碳纤维上浆剂是由热塑性树脂、高沸点有机溶剂、表面活性剂和水按照质量比为10：2～10：0.2～1：100～500混合而成；

2.根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述热塑性树脂是聚乙二醇对无定形聚芳醚酮树脂进行化学改性而成，所述无定形聚芳醚酮树脂的结构如式ⅱ：

3.根据权利要求2所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述无定形聚芳醚酮树脂的数均分子量为4000～10000，分子量分布pdi＜3。

4.根据权利要求2所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述聚乙二醇为聚乙二醇1000～4000中的一种。

5.根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述高沸点有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种。

6.根据权利要求1所述的碳纤维上浆剂，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或吐温-80，所述水为超纯水。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述搅拌的转速为2000～10000rmp；所述高压均质的压力为600～1000bar。

9.一种权利要求1～6任意一项所述的碳纤维上浆剂或权利要求7或8所述的制备方法制得的碳纤维上浆剂在骨科植入用聚醚醚酮复合材料中的应用。

10.一种上浆碳纤维，其特征在于，是将碳纤维丝束浸润到权利要求1～6任意一项所述的碳纤维上浆剂或如权利要求7或8所述的制备方法制得的碳纤维上浆剂中，于120～160℃，烘干0.5～2min制得。

技术总结
本发明公开了一种碳纤维上浆剂及其制备方法和应用，属于骨科植入用复合材料技术领域。本发明中的碳纤维上浆剂是由热塑性树脂、有机溶剂、表面活性剂和水按照质量比为10：2～10：0.2～1：100～500混合而成。本发明的上浆剂中热塑性树脂耐高温，与聚醚醚酮树脂相容性好。采用本发明上浆剂制备的聚醚醚酮复合材料孔隙率极低，力学性能良好，可应用于骨科植入器械。

技术研发人员：周光远,张兴迪,滕锐
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17