聚氨酯 | 一种碳纤维用聚氨酯乳液合成方法

聚氨酯 | 一种碳纤维用聚氨酯乳液合成方法

背景技术 :

碳纤维具有高强度、高模量、导电、导热、耐高温及耐腐蚀等特性，其主要用途是用作增强材料，与树脂基体复合，制备高性能的复合材料，用于替代传统的钢铁等材料在国防、航空航天等领域的应用。

由于碳纤维表面的惰性，使其很难与其他基体材料复合制备界面性能良好的复合材料，这很大程度上限制了其优异性能的发挥。为此，需要对碳纤维表面进行改性处理。

目前国内碳纤维生产中有很多碳纤维的改性方法，主要有：

1．采用化学镀的方法在碳纤维表面均匀镀铜、银、锌等金属提高其导电性、与金属的相容性，可用于制备C/金属复合材料；

2．等离子体技术在碳纤表面涂敷纳米溶胶、二氧化硅等无机材料，提高碳纤维与无机材料的相容性；

3．采用配制上浆剂对碳纤维进行表面改性

存在缺点：上述改性方法制备的碳纤维上浆剂主要成分为环氧树脂，而传统的环氧树脂乳液对碳纤维集束性差，上浆后的碳纤维松散、毛羽量大，其主要仅用于增强环氧类热固性树脂，上述zhuanli文献对碳纤维的改性方法，在一定程度上限制了碳纤维的使用领域。

本发明的目的在于提供能够提高对碳纤维的浸润性和集束性，降低对碳纤维的毛丝率，合成碳纤维用聚氨酯乳液。

聚氨酯乳液合成方法如下：

配方要点； 本发明的聚氨酯乳液是通过控制预聚体中聚酯改性二元醇与二异氰酸酯的质量比来调节预聚体中的异氰酸根指数R为1.2~2.0。其中，异氰酸根指数R =n（NCO）/ n（OH））； n（NCO）为芳香族二异氰酸酯NCO基团的摩尔量，n（OH）为聚酯二元醇OH基团的摩尔量。

当R值较小时，预聚物相对分子质量较大，预聚体中无残留的NCO基团，其不能与扩链剂发生化学反应，导致预聚物较难分散，所以乳液粒径较大（D50大于3μm），表现为乳液静止稳定性（4周后发生沉降）；

当R值过大时，残留的NCO基团增多，会与水生成脲键，同时生产CO2气体，残留的NCO基团增多，在水分散时和水发生扩链反应就越激烈，生成的脲键也增多，而脲键链段疏水性强，形成不溶的多聚脲，导致形成的乳胶粒径变大（D50大于3μm），乳液外观变差（乳白泛黄），稳定性降低（2周后发生沉降）。

具体实施方式

优选原料：

甲苯二异氰酸酯（TDI）：分析纯，日本聚氨酯工业公司；

二苯基甲烷二异氰酸酯：分析纯，麦卡希试剂；

间苯二甲基二异氰酸酯：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

聚己二酸丁二醇酯，牌号SP1020，MW=2000，羟值=107，上海汇化实业有限公司；

聚己内酯二醇，牌号Capa1100 ，MW=1000，羟值=107，上海汇化实业有限公司；

聚碳酸酯二醇，牌号PCD972，MW=2000，羟值=56，上海汇化实业有限公司；

二羟甲基丙酸（DMPA），工业级，湖州长盛化工有限公司；

异佛尔酮二胺，工业级，赢创德固赛；

辛酸亚锡，工业级，浙江诸暨市精细化工厂；

乙二胺，分析纯，西南化学试剂有限公司；

丙酮，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；

 三乙胺，化学纯，西安化学试剂厂；

硅烷偶联剂（KH-550、KH-560、KH-570），分析纯，济南多维桥化工有限公司；

N-甲基吡咯烷酮，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；

丙二醇甲醚醋酸酯，分析纯，西南化学试剂有限公司；

PA845碳纤维上浆乳液，牌号Hydrosize，麦可门（MICHELMAN）公司；

PU401乳液，牌号Baybond，拜耳（BAYER）公司。

碳纤维用聚氨酯乳液的制备

按配比将聚酯二元醇加入到带有电动搅拌机、温度计和油浴锅的反应容器中，120℃减压除水1h后，自然冷却至50℃，边搅拌边油浴升温至70℃；加入芳香族二异氰酸酯，氮气保护2h回流反应，加入有机溶剂降低体系粘度，降温40℃出料得到预聚体；加入加工助剂，用有机溶剂溶解后在快速搅拌下加入到预聚体中，反应1h后加入三乙胺，再加入去离子水乳化30min，减压蒸馏除去有机溶剂，即得固含量为30~60wt%的碳纤维用聚氨酯乳液；对聚氨酯乳液进行外观、乳液稳定性、乳液粒径进行测试。

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