碳纤维用乳液型环氧树脂上浆剂的制备及其性能研究

摘要

碳纤维具有高强高模、耐高温、耐磨损及耐腐蚀等优异性能而被广泛应用于航空航天、医疗、工业设备、国防军工、专业体育用品以及交通设备等领域。但是由于碳纤维表面惰性，且在制备及加工过程中容易产生毛丝甚至断丝现象，最终影响碳纤维及其制品的性能。因此，在碳纤维收卷前需要利用上浆剂对其进行上浆处理。上浆剂对碳纤维具有重要的作用，是碳纤维领域研究的一个重要方向。
　　本论文以双酚A聚氧乙烯醚(BSA-20)、顺丁烯二酸酐(MA)及聚乙二醇1450(PEG1450)为原料合成了聚酯多元醇，利用聚酯多元醇对环氧树脂(E-20)进行改性制备得到聚酯多元醇改性环氧树脂，以此为上浆剂的重要组分制备了乳液型环氧树脂上浆剂，探讨研究了上浆剂乳液的最佳制备工艺，并制定了3个乳液稳定的上浆剂试验方案。其次，测试研究了3种自制上浆剂的的性能，并将其与日本上浆剂SAJ和国内上浆剂SAC进行了比较。最后，采用5种上浆剂乳液对碳纤维进行上浆处理，研究了上浆剂对碳纤维的表观性能（表面形貌、上浆率、毛丝量、悬垂度、宽度）和碳纤维复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。
　　论文研究结果表明:
　　(1)聚酯多元醇的最佳工艺:原料摩尔配比:BSA-20∶MA∶PEG1450=7∶6∶1;选择四乙基溴化铵为催化剂，添加量为0.05％wt;第一步和第二步酯化反应温度分别为160℃和180℃，反应时间分别为4h和8h;
　　(2)环氧树脂(E-20)在聚酯多元醇改性环氧树脂的最佳添加量为25％wt。
　　(3)确定了性能稳定的3个试验方案，分别为:
　　E-51环氧树脂上浆剂----聚酯多元醇改性环氧树脂10g，三乙醇胺2g，三苯基膦0.05g，E-51环氧树脂14g，壬基酚聚氧乙烯醚(NP-12)2g，聚丙二醇缩水甘油醚(DER732)1g;
　　E-20环氧树脂上浆剂----聚酯多元醇改性环氧树脂10g，三乙醇胺2g，三苯基膦0.05g，E-20环氧树脂8g，壬基酚聚氧乙烯醚(NP-12)2g，聚丙二醇缩水甘油醚(DER732)2g;
　　SA-1复合型环氧树脂上浆剂----聚酯多元醇改性环氧树脂10g，三乙醇胺2g，三苯基膦0.05g，E-51环氧树脂4g，E-20环氧树脂5g，壬基酚聚氧乙烯醚(NP-12)2.4g，聚丙二醇缩水甘油醚(DER732)2.4g;
　　(4)与环氧树脂型的国内上浆剂SAC和日本上浆剂SAJ的性能进行了对比，研究表明3种自制环氧树脂上浆剂乳液在各方面达到了国产上浆剂SAC的性能，在一些指标上甚至超过了日本上浆剂SAJ。
　　(5)通过红外分析发现3种自制上浆剂乳液和日本上浆剂SAJ在一级结构（化学组成）方面更具有相似性;采用凝胶渗透色谱分析发现SA-1和SAJ这两种上浆剂相对分子质量接近，这两种上浆剂可能在二级结构（相对分子质量）上也具有相似性。说明自制上浆剂SA-1和日本上浆剂SAJ在材料组成上可能类似。
　　(6)上浆后在碳纤维表面形貌上除SAC上浆剂在局部有团聚和上浆不均匀的现象，其余4种上浆剂均能包覆碳纤维。在碳纤维的加工使用性能方面，SAC上浆剂和SAJ上浆剂表现相当，自制上浆剂SA-1与这两者性能接近，且它们的碳纤维复合材料层间剪切强度也近似，分别为88.4MPa、86.9MPa、87.8MPa。与未上浆的碳纤维复合材料相比，SAC、SAJ及SA-1分别提高了21.76％、19.70％、20.94％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及课题研究的目的与意义

1．2 碳纤维概述

1．2．1 碳纤维的分类

1．2．2 碳纤维的结构与性能

1．2．3 碳纤维的表面处理技术

1．3 碳纤维用上浆剂的研究进展

1．3．1 上浆剂的分类

1．3．2 上浆剂的制备方法

1．3．3 上浆剂的作用及性能要求

1．3．4 国内外上浆剂的研究

1．4 上浆剂对碳纤维复合材料界面的影响

1．4．2 上浆剂的粒径及粒径分布对界面性能的影响

1．4．3 上浆剂的分子量对界面性能的影响

1．4．4 上浆剂中乳化剂含量对界面性能的影响

1．5 论文的主要研究内容

第二章 碳纤维用乳液型环氧树脂上浆剂的制备

2．1 引言

2．2 实验原料及实验仪器设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器设备

2．3 乳液型环氧树脂上浆剂的制备

2．3．1 聚酯多元醇的制备

2．3．2 聚酯多元醇改性环氧树脂的制备

2．3．3 乳液型环氧树脂上浆剂的制备

2．4 实验结果表征

2．4．1 酸值的测定

2．4．2 粘度的测定

2．4．4 凝胶渗透色谱(GPC)分析

2．5 结果与讨论

2．5．1 聚酯多元醇的酸值影响因素

2．5．2 环氧树脂(E-20)含量聚酯多元醇改性环氧树脂的影响

2．5．3 聚酯多元醇改性环氧树脂的结构分析

2．5．4 上浆剂中主要组分含量对其稳定性能影响

2．6 本章小结

第三章 碳纤维用乳液型环氧树脂上浆剂的性能研究

3．1 引言

3．2 上浆剂性能研究方法

3．2．1 上浆剂固含量的测定

3．2．2 上浆剂粒径的测定

3．2．3 上浆剂pH的测定

3．2．4 上浆剂的环氧值的测定

3．2．5 上浆剂表面张力的测定

3．2．6 上浆剂稳定性的测定

3．2．7 上浆剂烘干物的红外光谱分析

3．2．8 上浆剂烘干物的凝胶渗透色谱分析

3．2．9 上浆剂烘干物的粘度分析

3．3．1 上浆剂乳液的基础性能

3．3．2 上浆剂乳液的环氧值

3．3．3 上浆剂乳液的表面张力

3．3．4 上浆剂乳液的稳定性

3．4 上浆剂烘干物性能的研究

3．4．1 上浆剂烘干物的红外光谱分析

3．4．2 上浆剂烘干物的凝胶渗透色谱(GPC)分析

3．4．3 上浆剂烘干物的粘度分析

3．4．4 上浆剂烘干物的TG／DSC分析

3．5 本章小结

第四章 碳纤维上浆及其复合材料性能研究

4．1 碳纤维的制备及上浆流程

4．2 表征方法

4．2．1 上浆量

4．2．2 毛丝量

4．2．3 悬垂度

4．2．4 宽度

4．3．1 上浆剂对碳纤维表观形貌(SEM)的影响

4．3．2 上浆剂对碳纤维加工性能的影响

4．3．3 上浆后碳纤维表面XPS分析

4．4 碳纤维复合材料的层间剪切性能(ILSS)性能研究

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

作者和导师简介