聚酯型碳纤维上浆剂的制备与性能研究
发布时间：2021-07-23 07:12
碳纤维增强不饱和聚酯（CF/UPR）基复合材料以质量轻、强度高、价格低廉和固化速度快等优点,在轨道交通、风力发电、建筑材料和农村化粪池等领域广泛应用。目前国内绝大多数碳纤维生产企业在碳纤维生产上浆的过程中几乎都采用环氧树脂型上浆剂,由于固化机理不同导致上浆后的碳纤维与其它类型的树脂,如不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等之间不能形成有效的交联,使得纤维与树脂的界面结合能力变差。本课题为了提高碳纤维与不饱和聚酯树脂之间的界面结合能力,研发制备了一款新型的聚酯型碳纤维上浆剂。为了合成可以自乳化的上浆剂,首先利用缩聚反应合成端羧基的线性不饱和聚酯,随后加入环氧树脂和催化剂合成多羟基线性不饱和聚酯,以方便进一步对分子结构进行改性和修饰,接下来加入甲基四氢苯酐对产物进一步羧基化在分子链中引入亲水基团羧基,最后加入三乙胺和去离子水中和羧基即可得到聚酯型碳纤维上浆剂。对合成过程中的上浆剂分子链段结构的不同对上浆剂乳液性能的影响进行了分析研究。其中当采用脂肪族的己二酸、新戊二醇和马来酸酐作为原料时合成的上浆剂乳液最为稳定,乳液粒径大小约为152 nm左右,粒径分布PDI约为0.157,Zeta电位为-52.8...
【文章来源】：吉林化工学院吉林省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤维
2碳纤维作为一种新兴的增强材料在近几年被广泛应用，但其实它的前身碳丝早在19世纪70年代中期就被托马斯·爱迪生(ThomasA.Edison)最早创造出来，其最开始发明应用被作为灯丝的材料，但由于使用寿命太短，于1910年被钨丝所取代[12]，早先被爱迪生发明的碳丝由于性能不佳没有被引起重视。在随后的几十年中，美国、英国和日本等发达国家率先展开了对碳纤维的初步探索，早在1959年，日本政府及民间工业就开始了对碳纤维的研究，以大阪工业研究所的进藤昭男(AkioShindo)博士为代表的研发团队首先研制出了PAN基碳纤维，其是以美国生产的奥纶为原料在经过一系列的工序后制备而成的[13-15]。也是在1959年的美国，帕尔马技术中心的两位科研工作者研究发现将黏胶纤维经过高温处理后可以得到石墨纤维，使得纤维的各项性能大幅度的提高[16]。在此后的1968年，英国就职于萨里大学的首席科学家威廉姆·瓦特(WilliamWatt)研究揭示碳纤维在预氧化和氧化过程中的氧化扩散机制，以及在氧化过程中对外部施加牵引力对碳丝性能的影响，制备出了高模和高强型的PAN基碳纤维[17]。随后将该专利转让给了美国和日本。此后二十世纪七八十年代期间，日本的东丽(Toray)、东邦(Toho)、三菱(MitsubishiRayon)等公司分别在研究成果的基础上进行了碳纤维的工业化生产。碳纤维的生产工艺流程如图1.2所示：合成过程大致为原油经过炼制和裂解等一系列过程得到丙烯，丙烯通过一系列化学变化得到丙烯腈，丙烯腈通过聚合工艺得到聚丙烯腈，对得到的聚丙烯腈采用纺丝工艺就得到了白色的碳纤维原丝，碳纤维原丝在外力的牵引下，依次通过预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化和上浆等工序之后即得到了最终的产物碳纤维[18-19]。图1.2碳纤维生产过程
6图1.4乙烯基酯树脂分子结构式聚氨酯型上浆剂聚氨酯型上浆剂是指上浆剂分子结构中有聚氨酯结构，其结构如图1.5所示[52]，由于其具有良好的柔韧性，可应用于作为热塑性上浆剂，是目前上浆剂研发的重要方向[53]。图1.5聚氨酯结构式1.2.3上浆剂的性能评价体系一般各大碳纤维生产厂家对于商业化使用的碳纤维上浆剂很少会进行专利和文献的报道，我国的上浆剂发展还不够成熟，缺少相关的国家标准，而且不同类型的上浆剂评价体系也不尽相同，但通常情况下对碳纤维上浆剂的性能评价主要从以下几个方面入手[54-55]。稳定性碳纤维上浆剂通常是水性乳液，由于乳液颗粒自身发生无规则的布朗运动，同时在地心引力的作用下，会导致颗粒彼此相撞而结合，从而在宏观上产生沉淀和破乳等现象[56-57]。在上浆过程中，如果上浆剂稳定性很差，则会导致碳纤维表面含胶量相差较大，从而影响碳纤维生产过程中的质量稳定性，进而也对后续碳纤维复合材料的整体力学性能产生不良的影响[58]。因此对上浆剂的稳定性考察成为了检验上浆剂是否满足实际应用的最重要指标，具体包括离心稳定性和储存稳定性两个方面。粒径大小和分布上浆剂的稳定性与其粒径大小和分布密切相关，通常情况下其乳液颗粒粒径
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维增强复合材料力学性能实验分析[J]. 陈旭元. 建材与装饰. 2019(27)
[2]原位合成纳米SiO2增强阴离子聚酯型上浆剂及其对碳纤维复合材料层间剪切强度的影响[J]. 王振宇,李健华,郭慧君,杨春才. 高等学校化学学报. 2019(09)
[3]上浆剂组分对碳纤维表观性能的影响研究[J]. 杭传伟,钱鸿川,徐牛牛,何州文,孙晓光,李悦悦,杨长龙,田磊. 玻璃钢/复合材料. 2019(07)
[4]碳纤维表面上浆量的测试方法研究[J]. 杜婷婷,丁月里,张新伟,姜艺玺,丁光强. 云南化工. 2019(04)
[5]2017-2018年国内外不饱和聚酯树脂工业进展[J]. 刘小峯,王秀玲,邹林. 热固性树脂. 2019(03)
[6]碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展[J]. 邢开,徐海兵,颜春,陈刚,陈明达,祝颖丹. 玻璃钢/复合材料. 2019(05)
[7]改性聚氨酯上浆剂对碳纤维与环氧树脂界面性能的影响[J]. 毛丽贺,申宏旋,李嘉禄,陈利. 高分子材料科学与工程. 2019(02)
[8]热固性树脂及其固化剂的研究进展[J]. 陈杰,马春柳,刘邦,金范龙,Park Soo-Jin. 塑料科技. 2019(02)
[9]碳纤维上浆剂及其对复合材料界面性能的影响研究进展[J]. 于广,魏化震,李大勇,高守臻,罗长宏,马开宝,王晓立. 工程塑料应用. 2019(02)
[10]2017全球碳纤维复合材料市场分析与预测（上）[J]. 林刚. 高科技纤维与应用. 2018(05)
博士论文
[1]碳纤维表面处理及其复合材料性能研究[D]. 刘浏.长春工业大学 2019
[2]碳纤维表面处理技术对CFRP界面特性影响研究[D]. 袁晓敏.山东大学 2019
[3]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
[4]基于上浆法的界面设计及其对CFRP界面性能影响研究[D]. 张舒.哈尔滨工业大学 2014
[5]PAN基碳纤维表面物理化学结构对其氧化行为的影响研究[D]. 李昭锐.北京化工大学 2013
[6]碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度关键影响因素研究[D]. 张敏.山东大学 2010
[7]碳纤维表面能、表面粗糙度及化学组成的表征[D]. 郭慧.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]自乳化阳离子型水性聚氨酯乳液的合成及其在纤维上的应用研究[D]. 田晶.吉林化工学院 2019
[2]碳纤维用自乳化环氧树脂上浆剂的制备与性能研究[D]. 冯旭.吉林化工学院 2019
[3]上浆剂对碳纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响[D]. 廖光辉.东华大学 2019
[4]碳纤维复合材料（CFRP）钻削分层缺陷及其对承载性能的影响研究[D]. 马国锐.大连理工大学 2019
[5]应用于尼龙基体的碳纤维水性上浆剂的制备及其性能研究[D]. 胡允杰.天津工业大学 2019
[6]碳纤维用乳液型环氧树脂上浆剂的制备及其性能研究[D]. 季春春.北京化工大学 2018
[7]聚乙二醇的改性及水性环氧树脂碳纤维上浆剂性能研究[D]. 杨昆明.北京化工大学 2018
[8]碳纤维上浆剂的制备及应用性能研究[D]. 朱佳文.天津工业大学 2018
[9]碳纤维水性环氧上浆剂的制备及性能研究[D]. 刘赋瑶.浙江理工大学 2018
[10]乳液型碳纤维上浆剂的制备与性能研究[D]. 马小龙.济南大学 2016
本文编号：3298866
【文章来源】：吉林化工学院吉林省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤维
2碳纤维作为一种新兴的增强材料在近几年被广泛应用，但其实它的前身碳丝早在19世纪70年代中期就被托马斯·爱迪生(ThomasA.Edison)最早创造出来，其最开始发明应用被作为灯丝的材料，但由于使用寿命太短，于1910年被钨丝所取代[12]，早先被爱迪生发明的碳丝由于性能不佳没有被引起重视。在随后的几十年中，美国、英国和日本等发达国家率先展开了对碳纤维的初步探索，早在1959年，日本政府及民间工业就开始了对碳纤维的研究，以大阪工业研究所的进藤昭男(AkioShindo)博士为代表的研发团队首先研制出了PAN基碳纤维，其是以美国生产的奥纶为原料在经过一系列的工序后制备而成的[13-15]。也是在1959年的美国，帕尔马技术中心的两位科研工作者研究发现将黏胶纤维经过高温处理后可以得到石墨纤维，使得纤维的各项性能大幅度的提高[16]。在此后的1968年，英国就职于萨里大学的首席科学家威廉姆·瓦特(WilliamWatt)研究揭示碳纤维在预氧化和氧化过程中的氧化扩散机制，以及在氧化过程中对外部施加牵引力对碳丝性能的影响，制备出了高模和高强型的PAN基碳纤维[17]。随后将该专利转让给了美国和日本。此后二十世纪七八十年代期间，日本的东丽(Toray)、东邦(Toho)、三菱(MitsubishiRayon)等公司分别在研究成果的基础上进行了碳纤维的工业化生产。碳纤维的生产工艺流程如图1.2所示：合成过程大致为原油经过炼制和裂解等一系列过程得到丙烯，丙烯通过一系列化学变化得到丙烯腈，丙烯腈通过聚合工艺得到聚丙烯腈，对得到的聚丙烯腈采用纺丝工艺就得到了白色的碳纤维原丝，碳纤维原丝在外力的牵引下，依次通过预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化和上浆等工序之后即得到了最终的产物碳纤维[18-19]。图1.2碳纤维生产过程
6图1.4乙烯基酯树脂分子结构式聚氨酯型上浆剂聚氨酯型上浆剂是指上浆剂分子结构中有聚氨酯结构，其结构如图1.5所示[52]，由于其具有良好的柔韧性，可应用于作为热塑性上浆剂，是目前上浆剂研发的重要方向[53]。图1.5聚氨酯结构式1.2.3上浆剂的性能评价体系一般各大碳纤维生产厂家对于商业化使用的碳纤维上浆剂很少会进行专利和文献的报道，我国的上浆剂发展还不够成熟，缺少相关的国家标准，而且不同类型的上浆剂评价体系也不尽相同，但通常情况下对碳纤维上浆剂的性能评价主要从以下几个方面入手[54-55]。稳定性碳纤维上浆剂通常是水性乳液，由于乳液颗粒自身发生无规则的布朗运动，同时在地心引力的作用下，会导致颗粒彼此相撞而结合，从而在宏观上产生沉淀和破乳等现象[56-57]。在上浆过程中，如果上浆剂稳定性很差，则会导致碳纤维表面含胶量相差较大，从而影响碳纤维生产过程中的质量稳定性，进而也对后续碳纤维复合材料的整体力学性能产生不良的影响[58]。因此对上浆剂的稳定性考察成为了检验上浆剂是否满足实际应用的最重要指标，具体包括离心稳定性和储存稳定性两个方面。粒径大小和分布上浆剂的稳定性与其粒径大小和分布密切相关，通常情况下其乳液颗粒粒径
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维增强复合材料力学性能实验分析[J]. 陈旭元. 建材与装饰. 2019(27)
[2]原位合成纳米SiO2增强阴离子聚酯型上浆剂及其对碳纤维复合材料层间剪切强度的影响[J]. 王振宇,李健华,郭慧君,杨春才. 高等学校化学学报. 2019(09)
[3]上浆剂组分对碳纤维表观性能的影响研究[J]. 杭传伟,钱鸿川,徐牛牛,何州文,孙晓光,李悦悦,杨长龙,田磊. 玻璃钢/复合材料. 2019(07)
[4]碳纤维表面上浆量的测试方法研究[J]. 杜婷婷,丁月里,张新伟,姜艺玺,丁光强. 云南化工. 2019(04)
[5]2017-2018年国内外不饱和聚酯树脂工业进展[J]. 刘小峯,王秀玲,邹林. 热固性树脂. 2019(03)
[6]碳纤维增强高性能热塑性复合材料界面改性的研究进展[J]. 邢开,徐海兵,颜春,陈刚,陈明达,祝颖丹. 玻璃钢/复合材料. 2019(05)
[7]改性聚氨酯上浆剂对碳纤维与环氧树脂界面性能的影响[J]. 毛丽贺,申宏旋,李嘉禄,陈利. 高分子材料科学与工程. 2019(02)
[8]热固性树脂及其固化剂的研究进展[J]. 陈杰,马春柳,刘邦,金范龙,Park Soo-Jin. 塑料科技. 2019(02)
[9]碳纤维上浆剂及其对复合材料界面性能的影响研究进展[J]. 于广,魏化震,李大勇,高守臻,罗长宏,马开宝,王晓立. 工程塑料应用. 2019(02)
[10]2017全球碳纤维复合材料市场分析与预测（上）[J]. 林刚. 高科技纤维与应用. 2018(05)
博士论文
[1]碳纤维表面处理及其复合材料性能研究[D]. 刘浏.长春工业大学 2019
[2]碳纤维表面处理技术对CFRP界面特性影响研究[D]. 袁晓敏.山东大学 2019
[3]碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 张焕侠.东华大学 2014
[4]基于上浆法的界面设计及其对CFRP界面性能影响研究[D]. 张舒.哈尔滨工业大学 2014
[5]PAN基碳纤维表面物理化学结构对其氧化行为的影响研究[D]. 李昭锐.北京化工大学 2013
[6]碳纤维增强树脂基复合材料界面结合强度关键影响因素研究[D]. 张敏.山东大学 2010
[7]碳纤维表面能、表面粗糙度及化学组成的表征[D]. 郭慧.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]自乳化阳离子型水性聚氨酯乳液的合成及其在纤维上的应用研究[D]. 田晶.吉林化工学院 2019
[2]碳纤维用自乳化环氧树脂上浆剂的制备与性能研究[D]. 冯旭.吉林化工学院 2019
[3]上浆剂对碳纤维/聚丙烯复合材料力学性能的影响[D]. 廖光辉.东华大学 2019
[4]碳纤维复合材料（CFRP）钻削分层缺陷及其对承载性能的影响研究[D]. 马国锐.大连理工大学 2019
[5]应用于尼龙基体的碳纤维水性上浆剂的制备及其性能研究[D]. 胡允杰.天津工业大学 2019
[6]碳纤维用乳液型环氧树脂上浆剂的制备及其性能研究[D]. 季春春.北京化工大学 2018
[7]聚乙二醇的改性及水性环氧树脂碳纤维上浆剂性能研究[D]. 杨昆明.北京化工大学 2018
[8]碳纤维上浆剂的制备及应用性能研究[D]. 朱佳文.天津工业大学 2018
[9]碳纤维水性环氧上浆剂的制备及性能研究[D]. 刘赋瑶.浙江理工大学 2018
[10]乳液型碳纤维上浆剂的制备与性能研究[D]. 马小龙.济南大学 2016
本文编号：3298866
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