碳纤维上浆剂及其制备方法和碳纤维复合材料与流程

本发明属于连续与非连续纤维增强复合材料表面改性，尤其涉及一种碳纤维上浆剂及其制备方法和碳纤维复合材料。

背景技术：

1、当前在连续与非连续纤维增强复合材料加工成型流程中，为了实现单丝集束及树脂基体界面有效衔接，本领域常采用均匀涂覆包含环氧树脂成膜组分的乳液状表面处理剂对纤维单丝实施表面改性，而纤维束在后续的高速编织、张力收卷与机械缠绕工序中高频通过刚性金属导辊，导辊施加的机械约束较易使纤维发生表面起毛与单丝断裂，因而配料体系中复合添加具备低表面能特征的改性硅油成分以减小摩擦阻力并保持纱线流转状态，在受热脱水工序中，湿态涂层在外加温度场驱动下发生水分蒸发，此时低表面能改性硅油链段在热力学驱动下自发向空气与涂层交界面迁移偏析，在纤维单丝本体与树脂基体之间构筑层间隔离弱边界层，导致最终产出的复合材料层间剪切力学传递效率衰减，若试图采用强化催化或直接提高物料初始交联密度的改进路径压制硅油链段热力学迁移行为，高活性的端环氧基团与主链氨基在转相乳化前便会发生失控的开环反应与大分子链段交联粘连，从而触发局部物料整体凝胶化与混合体系稠度突变，造成分散相颗粒聚并粗化或者乳液析出破乳，非但无法在基体中锁定润滑组分，反而在连续化上浆加工线上的梯度固化烘房内部引发更为导辊表面高粘滞积浆粘辊现象。

2、上述积浆与断头问题不仅受限于连续化加工线中导辊机械约束等硬件流转工况，上浆乳液自身的配方网络构建与相变控制等控制方法同样存在不足，例如，公开号为cn105178025a的中国发明专利申请公开了一种耐高温型纳米poss改性环氧乳液碳纤维上浆剂的制备方法，构建改性网络时，依赖于在有机溶剂体系中利用外加偶联剂将多面体低聚倍半硅氧烷与环氧树脂进行前置静态化学键合，并经减压蒸馏脱除溶剂后方能开展相反转乳化，这种基于静态间歇式多相反应的配方控制方法，预设前提脱离了工业化大张力、高线速连续上浆的实际动态演变场景，在连续化烘房的梯度热场驱动下，体系内部缺乏本征的润滑组分限域锚定机制，多相杂化网络的空间动力学失衡易诱发分散相表层团聚或析出，无法在满足大张力流转集束保护的同时，跨越高温动态工况下成膜系统胶体稳态与导辊表面防积浆的工程技术边界。

3、因此，如何通过转相前的阶段性控速预交联控制以锚定低表面能组分，并配合原位转相的分散相粒径锁止，协同多段固化烘房温度梯度调控，在阻断润滑组分界面热力学偏析的同时维持成膜乳液系统的胶体稳定性，进而消除碳纤维表面处理连续加工工序中因活性基团提前粘连引起的机械导辊积浆粘辊现象，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决润滑组分界面偏析导致复合材料层间剪切强度下降以及相变乳液失稳破乳与连续加工导辊积浆粘辊的问题。

2、在本技术方案中，一种碳纤维上浆剂的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，混合100质量份环氧树脂、0.5质量份至1质量份催化剂和10质量份至20质量份氨基改性硅油，在温度为60℃至80℃的条件下搅拌预反应2h至4h，获得预反应物；

4、步骤s2，向预反应物中加入30质量份至50质量份乳化剂和5质量份至10质量份溶剂并高速剪切，控制剪切速率为2800rpm至4000rpm，且按照5ml/min至10ml/min的速度加入去离子水，发生油包水型向水包油型转变的转相乳化，获得水包油型乳液；

5、步骤s3，将水包油型乳液连续涂覆至连续碳纤维单丝表面，控制连续碳纤维单丝以15m/min至25m/min的速度携带涂层连续通过第一干燥温度区，控制该第一干燥温度区内的温度为95℃至110℃，且控制驻留时间为45s至60s，脱除水分，在连续碳纤维单丝表面形成覆盖层；

6、步骤s4，控制携带覆盖层的连续碳纤维单丝连续进入紧邻第一干燥温度区下游的第二固化区，控制该第二固化区内的温度为130℃至150℃，且控制驻留时间为30s至45s，完成热固化，在连续碳纤维单丝表面形成上浆层。

7、优选的，步骤s2包括以下子步骤：步骤s21，控制剪切速率为2800rpm至4000rpm，分散乳化剂和溶剂，获得初级乳液；步骤s22，按照5ml/min至10ml/min的速度向初级乳液中加入去离子水，控制水包油型乳液的分散相中心粒径为0.2μm至0.5μm。

8、优选的，环氧树脂为双酚a型环氧树脂与酚醛环氧树脂的混合物；氨基改性硅油为侧链带有侧氧基和氨烃基的改性聚二甲基硅氧烷，其氨值为0.3mol/g至0.6mol/g，运动黏度在25℃下为1500mm2/s至3000mm2/s。

9、优选的，乳化剂为聚氧乙烯脂肪醇醚和失水山梨醇脂肪酸酯按照质量比为2:1至4:1的比例组合而成的非离子型复合乳化剂；溶剂为二丙二醇甲醚与丙二醇甲醚醋酸酯以及环己酮的混合溶剂。

10、优选的，催化剂为三乙烯二胺与叔胺类化合物以及刘易斯碱络合物的混合物。

11、优选的，步骤s3包括以下子步骤：步骤s31，控制第一干燥温度区内部的热风流体温度为95℃至110℃以蒸发水分，在连续碳纤维单丝表面形成覆盖层。

12、优选的，步骤s4包括以下子步骤：步骤s41，控制第二固化区内的温度保持在130℃至150℃，在连续碳纤维单丝表面形成上浆层。

13、优选的，控制在连续碳纤维单丝表面形成的上浆层的厚度为15nm至35nm，在连续上浆作业中，控制连续碳纤维单丝的收卷张力为8n至15n。

14、优选的，一种碳纤维上浆剂，碳纤维上浆剂由方法制备而成。

15、优选的，一种碳纤维复合材料，碳纤维复合材料由方法制备而成。

16、相对于现有技术，本发明碳纤维上浆剂及其制备方法和碳纤维复合材料，具有以下优势：

17、1、在碳纤维上浆剂的制备中，通过在引入水相前控制基料的搅拌热力学温度稳定在50℃至70℃区间并配合机械混炼，强制诱导具有特定氨值的氨基改性硅油中的活性主链氨基与环氧树脂端环氧基团发生阶段性低度开环预交联，使低表面能的硅油链段通过共价键预先锚定在环氧树脂分子骨架上以构建具备两亲各向异性的分支状共聚预聚体，阻断润滑组分在后续热干燥阶段向空气界面的自由热力学迁移与无序偏析，避免纤维与树脂基体相界面局部隔离弱边界层的产生，提高复合材料的层间剪切力学传递效率。

18、2、通过高功率超声使催化剂在预设溶剂中形成分子级溶剂化阻隔，配合定量恒流滴加去离子水并在高剪切状态下驱使有机相体系在水分挥发临界区发生由油包水型向水包油型的灾变转相，利用分支状共聚预聚体的立体位阻效应，物理终止胶束内部环氧基团与氨基在催化剂作用下的进一步链增长，直接将分散相中心粒径稳定锁止在细小级配区间，避免高活性交联体系在相变过程中发生早期整体凝胶化或者破乳析出，保障连续上浆作业中成膜乳液的胶体稳定性。

19、3、通过配置空间独立控温的多段式烘房，使湿态涂层在第一干燥温度相区的热风流体作用下，利用外部能量场匹配水分的挥发潜热，驱使表面附着乳液中的分散相水性介质均匀汽化挥发并脱出，使在空间中均匀分布的细小级配分散相颗粒发生原位物理聚并，在连续单丝本体表面平铺演变为厚度均匀的准干态覆盖层，构筑致密的功能保护膜结构，既满足纤维在大张力收卷与高速流转工序中的柔韧集束保护要求，也为的深层原位热固化反应交织提供均匀的物料铺展形貌。