CN109722743A - 一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法，其制备过程包括：聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。其中上浆时采用聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂；所述聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂由聚烯烃树脂粉末、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚烯烃树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚占15～20wt％。本发明所制备的碳纤维适用于制备聚烯烃树脂基复合材料，所制备的复合材料工艺性能优异，界面结合力高。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维制备技术领域，特别涉及一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维及其制备方法。
背景技术
聚烯烃树脂是一类成本低廉，易加工成型，产量和应用非常广泛的热塑性树脂，常作为复合材料的基体树脂应用。碳纤维是一种轻质高强的连续增强材料，常作为复合材料的增强相应用。结合碳纤维和聚烯烃树脂的综合优势，以碳纤维做增强相，以聚烯烃树脂做基体所制备的复材具有良好的应用前景和工业价值。
碳纤维经过系列高温处理，表面呈相对惰性，纤维松散，通常需要涂覆一层上浆剂对碳纤维进行表面处理，一方面改善上浆碳纤维，特别是大丝束碳纤维的工艺性能；另一方面增强碳纤维与基体树脂的界面结合力。目前碳纤维生产厂家普遍采用环氧树脂乳液型上浆剂，其具有大量活性环氧基团，在高温加工或长时间储存后容易发生开环固化，造成纤维局部或整体老化硬化，加工和产品性能恶化。因此，制备一种能够应用于聚烯烃树脂基复合材料的专用碳纤维，成为碳纤维厂家和用户的迫切需求。
中国专利201380046280.3提供了一种改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料，其采用20wt％～75wt％的聚烯烃、7wt％～40wt％的短切碳纤维、2wt％～20wt％的增容剂、5wt％～20wt％的环氧树脂与0.2wt％～5wt％的固化剂进行混炼或挤出造粒，得到改性短切碳纤维增强聚烯烃复合材料。该方法使环氧树脂固化在短切碳纤维表面，形成包覆层，提高了短切碳纤维的粗糙度，一定程度上改善了两相界面，但仍然没有解决环氧树脂易开环固化等问题。
中国专利201210536799.7公开了一种增强聚丙烯的碳纤维上浆剂，其采用氧化石墨烯改性环氧树脂制备成乳液上浆剂，能够改善碳纤维与聚丙烯界面结合差的问题。但该专利主体树脂仍为环氧树脂，易发生老化固化；氧化石墨烯成本高昂，难以工业应用；配方含有大量有机溶剂，安全性和稳定性差。
发明内容
为解决目前碳纤维增强聚烯烃树脂基复合材料工业应用中出现的各种问题，本发明提出一种适用于聚烯烃树脂基复合材料的碳纤维及其制备方法，该方法包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序。本发明在上浆工艺中引入了以聚烯烃树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以脂肪醇聚氧乙烯醚为稳定助剂、采用物理搅拌混合方法制备的新型悬浮液类碳纤维上浆剂，解决了聚烯烃基体树脂浸渍不良和碳纤维老化变硬等问题。同时，引入上浆前红外辐射加热工艺、上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺，解决了聚烯烃树脂悬浮液上浆剂在碳纤维表面铺展的均匀性和纤维烘干等问题。
采用本发明所述方法制备的碳纤维，表面涂覆由聚烯烃树脂为主体制备的上浆剂，不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚烯烃树脂基复合材料。所制备的碳纤维可根据后续加工需要，调整上浆量和收丝幅宽，减少后道加工应用的材料用量和加工难度，碳纤维预浸料、织物等产品的均匀性和稳定性好。所制备的复合材料工艺性能优异，界面结合力高。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆在浸渍式上浆槽中进行，上浆剂采用聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂；所述聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂由聚烯烃树脂粉末、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚烯烃树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚占15～20wt％。
本发明中，聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂中的固体组分的质量含量在5～30％之间。
本发明中，聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先，将聚烯烃树脂粉末和聚丙烯酸钠按比例投入混合容器中，加入去离子水，待加水量达到聚烯烃树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量25～35wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速50～250rpm，搅拌30～60min进行均质分散，得到均匀白色乳状液；然后，将上述物料转移至装有高速乳化器的闭口装置中，加入定量的脂肪醇聚氧乙烯醚，使上述所有固体组分在悬浮液上浆剂中的质量百分比为5％～30％；最后，开启高速乳化机，以3000～10000rpm转速继续搅拌10～30min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。
本发明中，聚烯烃树脂粉末的数均分子量在1.0万～4.0万之间，优选的，数均分子量在1.5万～3.0万之间。聚烯烃树脂粉末的粒径在10～60微米之间，优选的，20～40微米。
本发明中，聚烯烃树脂粉末为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯中任一种或几种。
本发明中，聚丙烯酸钠数均分子量在1000～5000之间，优选的，数均分子量为2000～4000。所述的脂肪醇聚氧乙烯醚的结构如式(1)所示：
其中，R选自C10～C20烷基中任一种；聚合度n为25～40之间的整数。
本发明中，预氧化在氧化炉中进行，氧化炉有5个温区，温度控制分别为0～240℃、0～250℃、0～260℃、0～270℃、0～280℃。
本发明中，低温碳化在低温碳化炉中进行，低温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～600℃、0～650℃、0～750℃、0～850℃、0～950℃；高温碳化在高温碳化炉中进行，高温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～1300℃、0～1400℃、0～1400℃、0～1500℃、0～1600℃。
本发明中，上浆前干燥采用红外辐射加热工艺，上浆后干燥采用卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺。
本发明还提供一种上述制备方法得到的聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维。
采用乳液型环氧树脂基上浆剂进行碳纤维上浆时，由于环氧树脂的软化温度较低，因此不能采用过高的干燥温度。在干燥温度和干燥时间受限制的条件下，采用乳液型环氧树脂基上浆剂制备碳纤维的上浆量不能太高，否则会造成上浆纤维难以烘干，表面含有大量水分，影响后道加工应用，同时也限制了碳纤维必须制备成集束状纤维。
与采用乳液型环氧树脂基上浆剂相比较，本专利所制备的碳纤维采用上浆前红外辐射加热工艺、上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺。采用上浆前红外辐射加热干燥工艺，可以在碳纤维进入上浆槽前，快速去除碳纤维丝束中每根碳纤维的水分，保持碳纤维含水率的一致性。使碳纤维进入上浆槽后，上浆剂能够快速的浸渍到纤维束内部，提高纤维上浆量和上浆速度；同时可以保证上浆剂与每根碳纤维具有相同的浸润吸附能力，保证上浆效果更为均匀稳定，避免因含水率不一致导致的反润湿现象。采用上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺，可以确保上浆碳纤维在张力控制下能够更快的完成干燥，降低工艺难度和能耗，使纤维铺展成均匀带状纤维。采用上述方法制备的上浆碳纤维，上浆量高低可控，可以减少预浸料加工时树脂膜的用量，提高产品整体经济性。丝束宽度可以通过上浆量、烘干工艺参数调节等灵活控制，可应用于各种不同类型的再加工设备和工艺，增加产品工艺适用性。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维，采用以聚烯烃树脂粉末为主体、以聚丙烯酸钠为主分散剂、以脂肪醇聚氧乙烯醚为稳定助剂、采用物理搅拌混合方法制备的新型悬浮液类碳纤维上浆剂，解决了聚烯烃基体树脂浸渍不良和纤维老化变硬等问题。
(2)本发明所述的一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维的制备过程中，引入上浆前红外辐射加热工艺、上浆后卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺，解决了聚烯烃树脂悬浮液上浆剂，在碳纤维表面铺展的均匀性和纤维烘干等问题。
(3)采用本发明所述方法制备的碳纤维表面不含环氧树脂或其他树脂组分，适用于制备聚烯烃树脂基复合材料。所制备的碳纤维可根据后续加工需要调整上浆量和丝束幅宽，减少后道加工应用的材料用量和加工难度，产品适用范围更广，经济性更高。所制备的复合材料工艺性能优异，界面结合力高。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
对比例1
对比例1是一种45K碳纤维的制造方法，具体过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。对比例1的具体过程与实施例1～4的具体过程相同，其中聚合、预氧化、低温碳化、高温碳化、上浆的参数不同。
步骤1：聚合。所述聚合生产工序与实施例1～4步骤1所描述的方法相同，采用硫氰酸钠水溶液为溶剂进行溶液聚合，其中聚合生产工序改变的参数是溶液聚合反应的共聚单体配比不同，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸钠的重量比为91.0:8.0:0.5，总聚合单体的进料浓度为28wt％，引发剂采用偶氮二异丁腈，偶氮二异丁腈用量以所有聚合单体总量计为0.8wt％。聚合反应温度85℃，反应时间为110分钟。然后把制得的聚合浆液，经脱单、脱泡后，制成纺丝用的聚丙烯腈原液。
步骤2：纺丝。所述纺丝生产工序与实施例1～4步骤2所描述的方法。
步骤3：预氧化。所述预氧化生产工序与实施例1～4步骤3所描述的方法相同。其中预氧化生产工序改变的参数是1号氧化炉、2号氧化炉、3号氧化炉、4号氧化炉、5号氧化炉炉区温度分别为238℃、246℃、254℃、263℃、271℃。氧化炉各温区之间的牵伸倍数分别为6％、6％、0％、-1％、-1％。
步骤4：低温碳化。所述低温碳化生产工序与实施例1～4步骤4所描述的方法相同。其中低温碳化生产工序改变的参数是低温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为500℃、600℃、700℃、800℃、850℃。控制牵伸倍数为8.0％。
步骤5：高温碳化。所述高温碳化生产工序与实施例1～4步骤5所描述的方法相同。其中高温碳化生产工序改变的参数是高温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为1200℃、1300℃、1350℃、1410℃、1500℃。控制牵伸倍数为-7.0％。
步骤6：表面处理。所述表面处理生产工序与实施例1～4步骤6所描述的方法相同。
步骤7：水洗、上浆前干燥。所述水洗、上浆前干燥生产工序与实施例1～4步骤7所描述的方法相同。
步骤8：上浆和上浆后干燥、卷绕收丝。所述上浆后干燥、卷绕收丝生产工序与实施例1～4步骤8所描述的方法相同。上浆剂采用双酚F环氧树脂/非离子表面活性剂制备的SP-2型乳液碳纤维上浆剂(中科院上海有机所产)，上浆剂浓度3.2％，卷绕收丝制备得到45K上浆碳纤维。
对比例2
对比例2是一种48K碳纤维的制造方法，具体过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。对比例2的具体过程与实施例1～4的具体过程相同，其中聚合、预氧化、低温碳化、高温碳化、上浆的参数不同。
步骤1：聚合。所述聚合生产工序与实施例1～4步骤1所描述的方法相同，采用硫氰酸钠水溶液为溶剂进行溶液聚合，其中聚合生产工序改变的参数是溶液聚合反应的共聚单体配比不同，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸钠的重量比为91.2:8.17:0.63，总聚合单体的进料浓度为27.5wt％，引发剂采用偶氮二异丁腈，偶氮二异丁腈用量以所有聚合单体总量计为0.76wt％。聚合反应温度84℃，反应时间为108分钟。然后把制得的聚合浆液，经脱单、脱泡后，制成纺丝用的聚丙烯腈原液。
步骤2：纺丝。所述纺丝生产工序与实施例5～8步骤2所描述的方法。
步骤3：预氧化。所述预氧化生产工序与实施例1～4步骤3所描述的方法相同。其中预氧化生产工序改变的参数是1号氧化炉、2号氧化炉、3号氧化炉、4号氧化炉、5号氧化炉炉区温度分别为237℃、245℃、253℃、262℃、270℃。氧化炉各温区之间的牵伸倍数分别为6％、5.5％、0％、-1％、-1％。
步骤4：低温碳化。所述低温碳化生产工序与实施例1～4步骤4所描述的方法相同。其中低温碳化生产工序改变的参数是低温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为495℃、595℃、700℃、790℃、850℃。控制牵伸倍数为8.0％。
步骤5：高温碳化。所述高温碳化生产工序与实施例1～4步骤5所描述的方法相同。其中高温碳化生产工序改变的参数是高温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为1150℃、1250℃、1330℃、1400℃、1490℃。控制牵伸倍数为-7.0％。
步骤6：表面处理。所述表面处理生产工序与实施例5～8步骤6所描述的方法相同。
步骤7：水洗、上浆前干燥。所述水洗、上浆前干燥生产工序与实施例5～8步骤7所描述的方法相同。
步骤8：上浆和上浆后干燥、卷绕收丝。所述上浆后干燥、卷绕收丝生产工序与实施例5～8步骤8所描述的方法相同。上浆剂采用改性双酚F环氧树脂/阳离子表面活性剂制备的SP-2E型乳液碳纤维上浆剂(中科院上海有机所产)，上浆剂浓度2.8％，卷绕收丝制备得到48K上浆碳纤维。
实施例1～4
本实施例1～4是一种适用于聚烯烃树脂基复合材料的45K碳纤维的制造方法，包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。具体过程如下：
步骤1：聚合。
采用硫氰酸钠水溶液为溶剂进行溶液聚合，以丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸钠为聚合单体，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸钠的重量比为91.9:7.1:1.0，总聚合单体的进料浓度为26.5wt％，同时加入引发剂偶氮二异丁腈，引发剂用量以所有聚合单体总量计为0.7wt％，聚合反应温度83℃，反应时间为102分钟。
以浓度为55.2wt％的硫氰酸钠水溶液为溶剂，采用连续溶液聚合工艺制备聚合浆液，经脱单、脱泡后，制成聚丙烯腈原液。
步骤2：纺丝。
采用硫氰酸钠(NaSCN)湿法纺丝生产方法，将聚丙烯腈原液通过凝固成形、冷牵伸、水洗、热牵伸、上油、干燥、蒸汽牵伸、定型，制得原丝。喷丝板孔径0.058mm、喷丝板孔数45000个、凝固成形温度-0.5℃、凝固浴流量7500L/小时、凝固浴浓度13.5％；冷牵伸的牵伸倍数2.3倍；水洗温度50℃，水洗流量4000L/小时；热牵伸温度90℃，热牵伸的牵伸倍数5.8倍；上油油剂浓度2.3％；干燥温度140℃；蒸汽牵伸倍数2.2倍，蒸汽压力200KPa；定型温度122℃。
步骤3：预氧化。
原丝依次穿过1号氧化炉、2号氧化炉、3号氧化炉、4号氧化炉、5号氧化炉进行预氧化处理。1号氧化炉、2号氧化炉、3号氧化炉、4号氧化炉、5号氧化炉炉区温度分别为236℃、245℃、251℃、260℃、268℃。氧化炉各温区之间的牵伸倍数分别为5％、5％、0％、-1％、-1％。每个氧化炉停留时间15分钟，预氧化总时间为75min。
步骤4：低温碳化。
5号氧化炉出口的预氧丝经过牵引装置进入低温碳化炉，以氮气为介质，进行低温碳化，制得低温碳化丝。低温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为485℃、580℃、680℃、780℃、830℃。控制牵伸倍数为7.5％，在低温碳化炉中总停留时间为1.8min。
步骤5：高温碳化。
低温碳化炉出口的丝束经过牵引装置进入高温碳化炉，以氮气为介质，进行高温碳化，制得高温碳化丝。高温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为1090℃、1240℃、1330℃、1390℃、1470℃。控制牵伸倍数为-6.5％，在高温碳化炉中总停留时间为1.8min。
步骤6：表面处理。
高温碳化炉出口的丝束经过牵引装置进入表面处理槽，以碳酸氢铵水溶液为电解液，电压为22V，电解液浓度为12.5％，丝束在电解液中停留时间为4min。
步骤7：水洗、上浆前干燥。
表面处理后丝束依次穿过水洗槽、红外辐射加热干燥机，对丝束进行水洗和上浆前红外辐射干燥。水洗流量2200L/小时，水洗温度40℃。红外辐射加热干燥机的碳中波红外辐射器与碳纤维之间的高度距离70mm、功率密度42KW/m2、烘干时间15S时，碳纤维丝束含水率在60％。
步骤8：上浆和上浆后干燥、卷绕收丝。
将定量聚丙烯树脂粉末和聚丙烯酸钠按照一定比例依次投入混合容器A中，逐渐加入定量的去离子水，待加水量达到聚烯烃树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量30wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速50～250rpm，搅拌30～60min进行均质分散，得到均匀白色乳状液。将上述物料转移至装有高速乳化器的混合容器B中，加入定量的脂肪醇聚氧乙烯醚，然后开启高速乳化机，以3000～10000rpm转速继续搅拌10～30min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。通过供料泵将上浆剂转移到上浆槽中，开启上浆槽循环泵，使上浆剂在上浆槽中缓慢流动。
红外辐射加热干燥机出口的碳纤维丝束，直接引入上浆槽中进行上浆，上浆后的碳纤维进入卧式热风烘干箱进行干燥，温度150℃。上浆干燥后的碳纤维进入碳纤维卷绕机，在2300～2450cN张力下卷绕收丝制得适用于聚烯烃树脂基复合材料的45K碳纤维。
实施例5～8
本实施例5～8是一种适用于聚烯烃树脂基复合材料的48K碳纤维的制造方法，具体过程包括聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥、卷绕收丝生产工序。本实施例的具体过程与实施例1～4的具体过程相同，其中纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、上浆的参数不同。
步骤1：聚合。所述聚合生产工序与实施例1～4步骤1所描述的方法相同，采用硫氰酸钠水溶液为溶剂进行溶液聚合，其中聚合生产工序改变的参数是溶液聚合反应的共聚单体配比不同，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、衣康酸钠的重量比为91.0:5.0:4.0，总聚合单体的进料浓度为22.5wt％，引发剂采用偶氮二异丁腈，偶氮二异丁腈用量以所有聚合单体总量计为0.46wt％。聚合反应温度80℃，反应时间为90分钟。然后把制得的聚合浆液，经脱单、脱泡后，制成纺丝用的聚丙烯腈原液。
步骤2：纺丝。所述纺丝生产工序与实施例1～4步骤2所描述的方法相同，纺丝工序参数有所不同。喷丝板孔径0.058mm、喷丝板孔数48000个、凝固成形温度-1℃、凝固浴流量8000L/小时、凝固浴浓度14％；冷牵伸的牵伸倍数2.5倍；水洗温度55℃，水洗流量4500L/小时；热牵伸温度92℃，热牵伸的牵伸倍数6.0倍；上油油剂浓度2.5％；干燥温度142℃；蒸汽牵伸倍数2.4倍，蒸汽压力220KPa；定型温度126℃。
步骤3：预氧化。所述预氧化生产工序与实施例1～4步骤3所描述的方法相同。其中预氧化生产工序改变的参数是1号氧化炉、2号氧化炉、3号氧化炉、4号氧化炉、5号氧化炉炉区温度分别为230℃、238℃、246℃、253℃、260℃。氧化炉各温区之间的牵伸倍数分别为3％、3％、0％、-1％、-1％。每个氧化炉停留时间15分钟，预氧化总时间为75min。
步骤4：低温碳化。所述低温碳化生产工序与实施例1～4步骤4所描述的方法相同。其中低温碳化生产工序改变的参数是低温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为440℃、530℃、630℃、720℃、780℃。控制牵伸倍数为5.2％。在低温碳化炉中总停留时间为1.8min。
步骤5：高温碳化。所述高温碳化生产工序与实施例1～4步骤5所描述的方法相同。其中高温碳化生产工序改变的参数是高温碳化炉第1区、第2区、第3区、第4区、第5区温度控制分别为1000℃、1150℃、1250℃、1310℃、1390℃。控制牵伸倍数为-4.2％。在高温碳化炉中总停留时间为1.8min。
步骤6：表面处理。所述表面处理生产工序与实施例1～4步骤6所描述的方法相同。以碳酸氢铵水溶液为电解液，电压为25V，电解液浓度为13％，丝束在电解液中停留时间为4min。
步骤7：水洗、上浆前干燥。所述水洗、上浆前干燥生产工序与实施例1～4步骤7所描述的方法相同，参数有所不同。水洗流量2500L/小时，水洗温度42℃。红外辐射加热干燥机的碳中波红外辐射器与碳纤维之间的高度距离72mm、功率密度45KW/m2、烘干时间15S时，碳纤维丝束含水率在60％。
步骤8：上浆和上浆后干燥、卷绕收丝。
所述的悬浮液上浆剂制备方法、上浆方法、干燥方法、卷绕收丝方法与实施例1～4步骤8所描述的方法相同。
红外辐射加热干燥机出口的碳纤维丝束，直接引入上浆槽中进行上浆，上浆后的碳纤维进入卧式热风烘干箱进行干燥，温度152℃。上浆干燥后的碳纤维进入碳纤维卷绕机，在2500～2900cN张力下卷绕收丝制得适用于聚烯烃树脂基复合材料的48K碳纤维。
上述实施例1～8所制备的悬浮液上浆剂固体组分见表1，上浆剂组成用量和浓度见表2，上浆剂制备工艺参数见表3，所得碳纤维性能评价结果见表4。本发明采用高温上浆量测试仪对上浆碳纤维的上浆量进行测试；采用直尺对上浆碳纤维的幅宽进行测试；采用OCA20接触角测量仪测试聚烯烃树脂液滴自开始接触碳纤维到完全浸没入碳纤维内部的完全浸润时间；采用日本东荣产业公司MODEL HM410界面性能评价装置测试聚烯烃树脂与碳纤维的界面剪切强度。
由实施例1～4中45K碳纤维的测试结果可见，与对比例1(采用环氧树脂基上浆剂上浆的45K碳纤维)相比，采用悬浮液上浆剂制备得到的上浆碳纤维上浆量更高，离散系数更低，幅宽离散更小，表明纤维表面均匀涂覆了较多的聚烯烃上浆剂并使纤维得到了充分的扩幅效果。聚烯烃树脂对上浆碳纤维浸润时间更少，工艺性能更好，纤维与聚烯烃基体树脂间具有更好的浸润效果和结合能力。实施例5～8中48K碳纤维获得了同样的改善效果。
表1 上浆剂固体组分
表2 上浆剂组成用量和浓度
表3 上浆剂制备工艺参数
表4 碳纤维性能评价结果
虽然本发明已将较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的内容，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的主要精神和内容范围内，当可作各种更动与润饰，因此发明的保护范围应以申请专利的实际权利要求范围为准。
Claims (10)
1.一种聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维的制备方法，其特征在于，其包括依次聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆前干燥、上浆、上浆后干燥和卷绕收丝的生产工序；其中：上浆在浸渍式上浆槽中进行，上浆剂采用聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂；所述聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂由聚烯烃树脂粉末、聚丙烯酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和去离子水组成；按照固体组分的总质量为100％，聚烯烃树脂粉末占65～75wt％，聚丙烯酸钠占10～15wt％，脂肪醇聚氧乙烯醚占15～20wt％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂中的固体组分的质量含量在5～30％之间。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚烯烃树脂基悬浮液上浆剂的制备方法如下：首先，将聚烯烃树脂粉末和聚丙烯酸钠按比例投入混合容器中，加入去离子水，待加水量达到聚烯烃树脂粉末和聚丙烯酸钠总投料量25～35wt％时，开启机械搅拌，并继续加入剩余量的水；控制搅拌转速50～250rpm，搅拌30～60min进行均质分散，得到均匀白色乳状液；然后，将上述物料转移至装有高速乳化器的闭口装置中，加入定量的脂肪醇聚氧乙烯醚，使上述所有固体组分在悬浮液上浆剂中的质量百分比为5％～30％；最后，开启高速乳化机，以3000～10000rpm转速继续搅拌10～30min，得到均匀稳定的乳白色悬浮液上浆剂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚烯烃树脂粉末的数均分子量在1.0万～4.0万之间，聚烯烃树脂粉末的粒径在10～60微米之间。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚烯烃树脂粉末为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚戊烯中任一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，聚丙烯酸钠的数均分子量在1000～5000之间，所述的脂肪醇聚氧乙烯醚的结构如式(1)所示：
其中，R选自C10～C20烷基中任意一种；聚合度n为25～40之间的整数。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，预氧化在氧化炉中进行，氧化炉有5个温区，温度控制分别为0～240℃、0～250℃、0～260℃、0～270℃、0～280℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，低温碳化在低温碳化炉中进行，低温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～600℃、0～650℃、0～750℃、0～850℃、0～950℃；高温碳化在高温碳化炉中进行，高温碳化炉有5个温区，温度控制分别为0～1300℃、0～1400℃、0～1400℃、0～1500℃、0～1600℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上浆前干燥采用红外辐射加热工艺，上浆后干燥采用卧式热风烘干箱烘干的干燥工艺。
10.一种根据权利要求1-9之一所述的制备方法得到的聚烯烃树脂基复合材料用碳纤维。
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2017
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