改性水性聚氨酯乳液上浆剂的制备及在碳纤维上的应用研究

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碳纤维因具有耐高温、耐腐蚀、低密度、低膨胀系数、高比模量、高比强度等优良性能而被广泛地用作复合材料的增强体,上浆剂是碳纤维生产过程中的重要环节。水性聚氨酯作为碳纤维上浆剂具有耐磨性好,粘附性强,机械强度高,耐腐蚀性能优异、树脂相容性突出、耐高低温性能良好等优点,具有较广的应用前景和较大的研究价值。本文以异佛尔酮二异氰酸酯、聚己二酸-1,4-丁二醇脂、2,2-二羟甲基丁酸、1,4-丁二醇、三乙胺等为原料,以二月桂酸二丁基锡为催化剂,制备了自乳化聚酯型水性聚氨酯上浆剂,通过设计正交实验,以乳液平均粒度及分布、乳液稳定性为评价标准探索最优合成工艺,得到乳液粒度大小的显著影响因素——亲水扩链剂占预聚体的百分含量。以亲水扩链剂占预聚体的百分含量为切入点,通过乳液粒径及稳定性分析、傅里叶变换红外光谱分析、胶膜吸水率分析、X射线光电子能谱分析、碳纤维上浆量分析、场发射扫描电子显微镜分析、微脱粘实验分析研究了不同亲水扩链剂含量的上浆剂乳液性能和上浆后碳纤维性能,经过综合对比,确定自乳化聚酯型水性聚氨酯上浆剂的最佳合成工艺条件为——R值2.0,DMBA百分含量5%,中和度100%,反应温度80℃,经此工艺上浆的碳纤维界面剪切强度较未上浆的碳纤维提高了 11.8%。以最佳合成工艺条件为基础对水性聚氨酯进行改性研究,在预聚体的合成阶段加入聚四氢呋喃二醇,设计聚酯二元醇与聚醚二元醇物质的量之比为3:1,1:1,1:3三种配方,制备水性聚氨酯乳液并配置成上浆剂,对上浆剂的性能和上浆后碳纤维的性能进行分析表征,分析结果表明,聚醚链段的引入可以降低水性聚氨酯胶膜的吸水率,但也会在一定程度上降低水性聚氨酯的初粘性,还会使乳液的粒度增大,三种不同类型醇配比的聚氨酯上浆剂上浆的碳纤维中,界面剪切强度最高的较未上浆的碳纤维提高了 10.13%,低于单独使用聚酯二元醇作为原料的结果。将3-氨丙基三乙氧基硅烷引入聚氨酯预聚体中,研究硅烷添加量对聚酯/聚醚复合型水性聚氨酯上浆剂性能和上浆碳纤维性能的影响。结果表明,硅烷的添加会降低水性聚氨酯乳液的平均粒度,还可以提高水性聚氨酯上浆剂的初粘性,上浆后碳纤维的界面剪切强度有了进一步的提高,当硅烷添加量为3%时,改性水性聚氨酯上浆的碳纤维界面剪切强度较未上浆的碳纤维提高了18.29%。经硅烷改性后的水性聚氨酯上浆剂吸水率有了明显下降,可作为碳纤维上浆剂使用。
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