一种水性聚氨酯上浆剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳纤维上浆剂技术领域，更具体是涉及一种水性聚氨酯上浆剂及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维具有高强度、高模量、导电、导热、耐高温及耐腐蚀等特性，其作为一种重要 的先进复合材料增强体在国防、航空航天等领域具有广泛的应用。然而，在复合材料拉挤成 型过程中，碳纤维表面易出现毛丝会影响同基材树脂（多为环氧树脂）的粘接，很难起到增 强、增韧的效果。目前，研究者主要采用在碳纤维表面涂覆一层环氧乳液型上浆剂的方法， 在消除毛丝的同时，增加碳纤维同基材环氧树脂的粘接强度。而随着聚氨酯树脂在碳纤维 复合材料拉挤成型领域越来越受到青睐，对制备出能够使碳纤维和基体聚氨酯树脂有良好 粘接效果，从而将二者连接为一体的新型乳液上浆剂提出了新的要求。这种新型乳液上浆 剂不仅应含有用来同聚氨酯树脂粘接的基团，而且还应含有聚氨酯材料的基本基团一一氨 基甲酸酯，从而增加乳液上浆剂对于碳纤维的润湿能力，更利于附着在碳纤维表面，使碳纤 维聚氨酯复合材料表现出更好的力学性能。目前中国专利所涉及到的一些碳纤维上浆剂及 其制备方法，存在的问题是：（1)大多都是采用外乳化的方法，通过添加各种乳化剂，将溶 剂型树脂分散于水中制备而成，其储存稳定性较差，且所使用的溶剂有毒并且会对环境造 成污染；（2)上浆剂乳液会被稀释成固含量5%以下的体系，从而很容易造成有效成分的析 出。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种环境友好型、稳定性好、尤其是稀释稳定性能够满足 要求的水性聚氨酯上浆剂。
[0004] 本发明的另一目的在于提供一种水性聚氨酯上浆剂的制备方法。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种水性聚氨酯上浆剂，包括如下重量份的组分：
[0007] 水性聚氨酯乳液：5~25份，去离子水：75~95份。
[0008] 上述方案中，所述水性聚氨酯乳液包括如下重量份的组分：
[0009] 二元醇：110~135份，异氰酸酯：15~40份，催化剂：0~(λ 01份，
[0010] 去离子水：225~600份。
[0011] 上述方案中，所述二元醇为数均分子量400~2000的聚乙二醇与数均分子量 400~2000的聚四氢呋喃醚二醇的组合；
[0012] 所述异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯；
[0013] 所述二元醇中羟基-OH的摩尔数总量与异氰酸酯中异氰酸酯基-NCO的摩尔数总 量比为[-0Η] :[-NC0] = 1. 5:1 ~1:1. 5。
[0014] 上述方案中，所述催化剂为二丁基二月桂酸锡。
[0015] 上述方案中，所述水性聚氨酯乳液的构成组分中除去离子水之外聚乙二醇所占的 重量百分数为5%~50%。
[0016] -种水性聚氨酯上浆剂的制备方法，包括如下步骤：
[0017] (1)制备水性聚氨酯预聚体；
[0018] (2)向水性聚氨酯预聚体中加入去离子水，得到水性聚氨酯乳液；
[0019] (3)向水性聚氨酯乳液中按重量份数比例加入去离子水，搅拌均匀后得到水性聚 氨酯上浆剂。
[0020] 上述方案中，所述步骤（1)具体包括如下步骤：
[0021] 将110~135重量份的二元醇加入反应容器中，混合均匀后，于120°C条件下抽真 空脱水20~30min，降温至70~80°C，加入15~40重量份的异氰酸酯与0~0. 01重量 份的催化剂反应3~6小时，降温至40~50°C，得到端基为羟基基团的水性聚氨酯预聚体。
[0022] 上述方案中，所述步骤（2)具体包括如下步骤：
[0023] 在1200r/min~2500r/min的高速搅拌剪切力下向端基为羟基基团的水性聚氨酯 预聚体中加入去离子水，得到水性聚氨酯乳液。
[0024] 与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
[0025] 本发明提供的水性聚氨酯上浆剂属于碳纤维用的自乳化体系，制备过程无毒无 害，分子结构中含有一定的亲水基团，具有良好的稀释稳定性，克服了现有碳纤维上浆剂的 缺点，其同普通的外乳化型碳纤维上浆剂相比，不仅含有用来同聚氨酯树脂粘接的羟基基 团，而且还含有聚氨酯材料的基本基团一一氨基甲酸酯，从而增加了上浆剂对于碳纤维的 润湿能力，更利于附着在碳纤维表面，使碳纤维复合材料表现出更好的力学性能。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例提供的水性聚氨酯上浆剂的制备方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
[0028] 本发明提供一种水性聚氨酯上浆剂，包括如下重量份的组分：水性聚氨酯乳液： 5~25份，去尚子水：75~95份。
[0029] 进一步地，所述水性聚氨酯乳液包括如下重量份的组分：二元醇：110~135份，异 氰酸酯：15~40份，催化剂：0~0. 01份，去离子水：225~600份。
[0030] 具体地，所述二元醇为数均分子量400~2000的聚乙二醇与数均分子量400~ 2000的聚四氢呋喃醚二醇的组合；所述异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸 酯或六亚甲基二异氰酸酯；所述二元醇中羟基-OH的摩尔数总量与异氰酸酯中异氰酸酯 基-NCO的摩尔数总量比为[-OH] : [-NC0] = 1. 5:1~1:1. 5 ;所述催化剂为二丁基二月桂 酸锡。
[0031] 进一步地，所述水性聚氨酯乳液的构成组分中除去离子水之外聚乙二醇所占的重 量百分数为5%~50%。
[0032] 如图1所示，本发明还提供一种水性聚氨酯上浆剂的制备方法，包括如下步骤：
[0033] 步骤110 :制备水性聚氨酯预聚体；
[0034] 所述步骤110具体包括，将110~135重量份的二元醇加入反应容器中，混合均匀 后，于120°C条件下抽真空脱水20~30min，降温至70~80°C，加入15~40重量份的异氰 酸酯与〇~〇. 01重量份的催化剂反应3~6小时，降温至40~50°C，得到端基为羟基基团 的水性聚氨酯预聚体。
[0035] 步骤120 :向水性聚氨酯预聚体中加入去离子水，得到水性聚氨酯乳液；
[0036] 所述步骤120具体包括，在1200r/min~2500r/min的高速搅拌剪切力下向端基 为羟基基团的水性聚氨酯预聚体中加入去离子水，得到水性聚氨酯乳液。
[0037] 步骤130 :向水性聚氨酯乳液中按重量份数比例加入去离子水，搅拌均匀后得到 水性聚氨酯上浆剂。
[0038] 下面通过具体实施例对本发明进行说明。
[0039] 实施例1
[0040] 向装有电动搅拌器、回流冷凝管和温度计的500ml四口烧瓶中，加入70g重量份 的聚四氢呋喃醚二醇，60g重量份的聚乙二醇，混合均匀后，于120°C的条件下，抽真空脱水 30min后，降温至70°C，加入22g重量份的异氟尔酮二异氰酸酯与0. 005g重量份的二丁基 二月桂酸锡，控制反应温度70°C，反应3h，降温至50°C，倒入350g重量份的去离子水，于 1200r/min条件下高剪切分散，得到水性聚氨酯乳液。
[0041] 取上述水性聚氨酯乳液50g重量份，加入搅拌釜中，在持续搅拌下加入去离子水 450g重量份，搅拌均匀后出料，得到碳纤维用水性聚氨酯上浆剂（编号为1#)。
[0042] 实施例2
[0043] 向装有电动搅拌器、回流冷凝管和温度计的500ml四口烧瓶中，加入84. 5g重量份 的聚四氢呋喃醚二醇，45. 5g重量份的聚乙二醇，混合均匀后，于120°C的条件下，抽真空脱 水30min后，降温至70°C，加入22g重量份的异氟尔酮二异氰酸酯与0. 005g重量份的二丁 基二月桂酸锡，控制反应温度70°C，反应3h，降温至50°C，倒入350g重量份的去离子水，于 1200r/min条件下高剪切分散，得到水性聚氨酯乳液。
[0044] 取上述水性聚氨酯乳液50g重量份，加入搅拌釜中，在持续搅拌下加入去离子水 450g重量份，搅拌均匀后出料，得到碳纤维用水性聚氨酯上浆剂（编号为2#)。
[0045] 实施例3
[0046] 向装有电动搅拌器、回流冷凝管和温度计的500ml四口烧瓶中，加入99. 5g重量份 的聚四氢呋喃醚二醇，30. 5g重量份的聚乙二醇，混合均匀后，于120°C的条件下，抽真空脱 水30min后，降温至70°C，加入22g重量份的异氟尔酮二异氰