增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法及上浆碳纤维与流程

本发明涉及碳纤维制备，具体涉及一种增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法及上浆碳纤维。

背景技术：

1、碳纤维是最具工业应用前景的高性能纤维之一，其与基体树脂复合后可取长补短，发挥两种甚至多种材料的复合优势。碳纤维增强橡胶基复合材料可以整合碳纤维的刚性和橡胶材料的柔性，具有优异的拉伸性能、弹性模量、耐热性、耐疲劳性等综合特性，在工业领域广泛应用。但碳纤维表面惰性强，和橡胶材料的两相结合能力弱。目前碳纤维制备工程中会在表面涂覆一层上浆剂，以环氧类乳液材料为主，对两相界面结合的改善并无有效作用，碳纤维的性能优势很难充分发挥。同时，用于增强橡胶材料的碳纤维应具有较好的集束性，以满足后道加工中缠绕编织等工序的严苛要求，提高碳纤维的加工效率。

2、cn110758982a公开了一种碳纤维芯橡胶输送带及其制造方法，采用热塑性弹性体类高分子材料对碳纤维束的包覆，能有效地解决碳纤维束脆性高等缺点，使得碳纤维束不易断裂，然后进行表面处理提高复合能力。此种方法因热塑性弹性体的熔融温度高、溶剂难溶解、稳定性差等问题，很难获得实际应用。

3、cn104710716a公开了一种橡胶上浆剂，由聚乙烯醇、醋酸钠、醋酸、双烯酮、丁烯酸酯与丁烯酸共聚物的钠盐等组成，该上浆剂具有一定的成膜效果，但对于改进两相界面并无良好作用。

4、目前工业碳纤维生产过程中，一般采用表界面处理的方法改善碳纤维与橡胶基体的两相结合问题，包括电化学处理、酸碱处理、表面上浆等，其中最常用的方法是采用间苯二酚甲醛胶乳(以下简称rfl乳液)进行上浆处理。但实际应用中发现，由于rfl乳液与碳纤维表面的结合能力不强，仅采用rfl乳液并不能有效地提高上浆后碳纤维与橡胶基体的粘结性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中仅采用rfl乳液对碳纤维上浆，上浆后的碳纤维与橡胶基体结合力不强的问题，提供一种增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法及上浆碳纤维，该制备方法通过利用预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理和水洗对聚丙烯腈基原丝进行处理，再利用“预上浆-预干燥-二次上浆-二次干燥”的方法对处理过后的碳纤维丝束进行分步上浆，且所述预上浆剂的接触角小于等于30°、表面张力小于等于75mn/m。本发明采用特定的预上浆剂与特定的上浆方法相结合，能够在满足上浆碳纤维基本集束性要求的前提下，显著提高制备得到的上浆碳纤维与橡胶基体的结合力。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：聚丙烯腈基原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆干燥和卷绕收丝后，得到所述上浆碳纤维；

3、所述上浆干燥包括以下步骤：

4、步骤一、采用含有聚丙烯酸酯和聚乙烯醇的预上浆剂，对水洗后碳纤维丝束进行预上浆和预干燥，得到初始碳纤维；

5、步骤二、采用间苯二酚甲醛胶乳对初始碳纤维进行二次上浆和二次干燥，得到上浆后的碳纤维；

6、其中，所述预上浆剂的接触角小于等于30°且表面张力小于等于75mn/m。

7、本发明第二方面提供一种由第一方面所述的制备方法制备得到的上浆碳纤维。

8、通过上述技术方案，本发明提供的增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法及上浆碳纤维获得以下有益效果：

9、(1)通过对经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗后的碳纤维丝束进行“预上浆-预干燥-二次上浆-二次干燥”的上浆和干燥方法，并与接触角小于等于30°、表面张力小于等于75mn/m的预上浆剂相结合，能够精准调控上浆碳纤维表面结构及组成，最终实现增强上浆碳纤维与橡胶基体界面作用，提高结合力。

10、(2)所述预上浆剂中含有聚丙烯酸酯和聚乙烯醇，能够促进多相界面的相互渗透，能够在保证上浆碳纤维与橡胶基体具有优异结合力的同时，有效改善上浆纤维的集束性能。

11、(3)所述制备方法适用于现有的碳纤维工业生产线，无需进行过多改造和升级，工艺适应性强；且所述预上浆剂与二次上浆剂成本低廉，工业应用前景广泛。

技术特征：

1.一种增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法，其特征在于，所述方法包括：聚丙烯腈基原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆干燥和卷绕收丝后，得到所述上浆碳纤维；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述聚乙烯醇为聚乙烯醇水溶液；

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述聚丙烯酸酯选自聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丙酯和聚丙烯酸丁酯中的至少一种，优选聚丙烯酸丁酯。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法，其中，所述聚丙烯酸酯的数均分子量为2000-6000，优选3000-5000。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备方法，其中，所述聚乙烯醇与所述聚丙烯酸酯的质量比为1:0.4-1:0.8，优选1:0.5-1:0.7。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法，其中，所述预上浆剂的接触角小于等于10°且表面张力小于等于70mn/m。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的制备方法，其中，步骤一中，所述预干燥的方式为第一红外辐射干燥；

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的制备方法，其中，步骤二中，所述二次干燥的方式为：依次进行第二红外辐射干燥、导热油辊干燥；

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的制备方法，其中，所述间苯二酚甲醛胶乳中含有橡胶乳液；

10.权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备得到的上浆碳纤维。

技术总结
本发明涉及碳纤维制备技术领域，公开了一种增强橡胶材料用上浆碳纤维的制备方法及上浆碳纤维。聚丙烯腈基原丝经预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、水洗、上浆干燥和卷绕收丝，得到上浆碳纤维；上浆干燥包括：步骤一、采用含聚丙烯酸酯和聚乙烯醇的预上浆剂进行预上浆和预干燥，得到初始碳纤维；步骤二、采用间苯二酚甲醛胶乳对初始碳纤维进行二次上浆和二次干燥，得到上浆后的碳纤维；预上浆剂的接触角小于等于30°且表面张力小于等于75mN/m。所述方法中预上浆剂的接触角小于30°、表面张力小于75mN/m，且与特定的上浆方法相结合，能够在满足上浆碳纤维集束性要求的前提下，显著提高制备的上浆碳纤维与橡胶基体的结合力。

技术研发人员：黄翔宇,季春晓,易闪闪,黄胜德,庞燕华,宋文迪
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4