本发明涉及碳纤维技术领域，具体涉及一种碳纤维表面处理剂及处理方法。
背景技术：
随着碳纤维增强复合材料在航空航天、交通运输、民用建筑、生物医用和体育器材等领域的广泛应用，不仅要求复合材料具有很高的损伤容限和可靠性，同时对其结构完整性和适形性也提出了更高的要求。
立体织物以其整体性能好、适形性强等优点在复合材料中得到广泛的应用。立体织物的制备是对纤维束施加作用，使其按照特定规律在空间交织，形成设计空间立体形状的织物。然而，以高强度、高模量系列碳纤维为代表的纤维多为脆性材料，纤维集束性能差，在立体织物制备过程中易产生毛羽、乱纱、断头等现象，大大降低了立体织物的制备效率及成型质量。
现有碳纤维表面处理方法，都是针对树脂基复合材料而言，即在碳纤维表面发生一系列物理、化学反应，增加其表面形态的复杂化和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，以期达到提高复合材料整体力学性能的目的，如：
中国专利cn110592927a公开了一种碳纤维的表面处理方法，该专利说明碳纤维与基体树脂的界面粘结性较差的问题，提出将选定的碳纤维进行低温等离子轰击处理；并且将处理过后的碳纤维加入到含酮溶液中进行浸泡处理；使用去离子水对浸泡过后的碳纤维进行反复清洗。本发明可以在碳纤维的表面明显增加含氧基团，增加碳纤维表面的粗糙程度，提升碳纤维与基体树脂的界面粘结性。
中国专利cn110777526a公开了一种碳纤维表面处理装置。装置中碳纤维表面的碳被活化，同时急剧升温后的碳纤维周围被溶液包裹，溶液防止空气对碳纤维的过度氧化，溶液中的水或者其他溶剂分子间的化学键断裂，在碳纤维表面生成活性含氧官能团，可改善碳纤维表面的惰性，将有利于碳纤维和树脂结合。
中国专利cn109868654a公开了一种水性环氧上浆剂及其制备方法。本发明克服了传统乳化环氧过程中由于粘度偏大带来的溶剂问题，所制备的上浆剂粒径在200nm以下，在碳纤维表面能够铺展均匀。通过该上浆剂上浆的碳纤维制备的环氧复合材料，层间剪切强度能够达到70mpa以上。但是，目前具有水溶性的树脂较少，而且相对于乳液型上浆剂，其乳液的稳定性较差，这些是水溶型上浆剂有待解决的问题。
技术实现要素：
为解决现有碳纤维集束性能差，在立体织物制备过程中易产生毛羽、乱纱、断头等现象，从而导致立体织物的制备效率低及成型质量差的问题，本发明提供一种碳纤维表面处理剂及处理方法。
本发明采用的技术方案是：
一种碳纤维表面处理剂，由以下组分按质量百分比制备而成：
其余为去离子水。
优选所述增韧剂为甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或邻苯二甲酸二正辛酯中的至少一种。
优选所述浸透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚或顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠中的至少一种。
优选所述柔软剂为甘油或改性硅油。
优选所述分散剂为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。
使用如上述碳纤维表面处理剂进行碳纤维表面处理的方法，包括：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯、增韧剂、浸透剂、柔软剂、分散剂、去离子水按设定比例混合得到混合溶液；
2)将步骤1)所得混合溶液超声分散处理10～30min，制备出粘度为300～1000mpa·s的表面处理剂；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将碳纤维原纱由纱架引出，经牵引装置以0.01～0.45m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊的浸胶槽、压浆辊、第一烘道、第二烘道、牵引装置，最后在卷取装置中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸一定时间使表面处理剂均匀渗透进碳纤维原纱；
2)辊轧：经压浆辊挤压去除多余浆料，控制上浆量；
3)热处理：在热处理步骤中，通过高温干燥使表面处理剂与碳纤维原纱相结合；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
通过浸胶辊挤压可使表面处理剂均匀快速地渗透进纤维中；上浆量过高或过低均影响纤维的集束性能，使用压浆辊可使过量的表面处理剂均匀地挤压出纤维，调节压浆辊的压力大小及纤维的牵引速度即可控制上浆量，操作方便，工艺可控性高；通过高温干燥使表面处理剂上的-coor官能团与碳纤维表面上浆剂的-coor官能团产生化学交联，牢固地结合在纤维上；防水膜密封可防止二次污染。
优选地，在上浆步骤中，碳纤维通过浸胶槽的时间为10～30s。实验证明在该时间段内表面处理剂可以较好地渗透至纤维中，时间过长处理效率降低。
优选地，在辊轧步骤中，辊轧后碳纤维的上胶含量为碳纤维质量的3％～10％。实验证明表面处理剂的含量为碳纤维质量的3％～10％时，纤维集束性能最佳。
优选地，在热处理步骤中，第一烘道的烘干温度为100～130℃，碳纤维经过第一烘道的时间为30～60s；第二烘道的烘干温度为130～170℃，碳纤维经过第二烘道的时间为30～60s。实验证明采用上述工艺，表面处理剂可以较好地结合在纤维中，时间过长处理效率降低。
采用上述方法处理后的碳纤维可用于2.5d机织、3d编织、针织、穿刺、针刺或缝合成型的立体织物的制备。在立体织物制备过程中不易产生毛羽、乱纱、断头等现象，大大降低提高了立体织物的制备效率及成型质量。
本发明的有益效果：
1、本发明的碳纤维表面处理剂，采用油酸甘油酯与增韧剂、浸透剂、柔软剂、分散剂及去离子水复配，油酸甘油酯上含有-coor官能团，现有用于立体编织的碳纤维的表面上浆剂也含有-coor官能团，根据“相似相溶”原理，当纤维与处理剂之间的化学结构，特别是主要基团的极性相似时，处理剂与碳纤维之间具有较高的结合力；处理剂的粘结作用增强了碳纤维的断裂强力及钩接强力，制备过程中不易产生毛羽、乱纱、断头等现象，可以消除纤维之间的静电，提高纤维的顺应性，提高集束性能。油酸甘油酯与增韧剂、浸透剂、柔软剂、分散剂配伍，可使处理剂在碳纤维表面铺展均匀，进一步增强处理剂与碳纤维之间的结合力，提高集束性能。
2、采用上浆、辊轧、热处理一系列工艺方法对碳纤维进行处理，在上浆步骤中使处理剂均匀地浸渍到碳纤维原纱中，碳纤维原纱的浸润性有所增强，表面呈碱性，纤维表面粗糙度变大，比表面积也随之上升，碳纤维表面活性官能团数量增加；在辊轧步骤中，合理控制处理剂含量，控制处理剂对纤维的浸透程度，使纤维内部分区域保持相对的滑移能力，处理后纤维的强力的断裂伸长率得到可靠的保证；在干燥步骤中，碳纤维表面处理剂与碳纤维原纱上浆剂两者相互作用叠加，在分子间范德华力、静电库仑力等次价键力和化学键主价键力的作用下，产生较强粘结钩接强力。
3、在处理剂和处理工艺的双重作用下，使纤维表面的单纤维游离端紧贴纱身，纤维表面光滑，在立体织物程序可以减少相邻之间接头，纤维集束性能的提高改善了纤维的物流结构性能，提高了纤维的断裂强度，减小了制备过程中出现的毛羽、乱纱、断头等现象的发生。
4、本发明的处理方法步骤简单，工艺参数易于控制，处理效率高，质量可靠。
附图说明
图1为使用本发明的碳纤维表面处理剂处理碳纤维的工艺流程图。
图2为实施例1所用t800-6k碳纤维原纱的200倍电镜图。
图3为经实施例1所得表面处理剂处理后的t800-6k碳纤维的200倍电镜图。
图4为实施例3所用m40j-6k碳纤维原纱的200倍电镜图。
图5为经实施例3所得表面处理剂处理后的m40j-6k碳纤维的200倍电镜图。
图例说明：1-纱架、2-原纱、3-浸胶槽、4-浸胶辊、5-压浆辊、6-第一烘道、7-第二烘道、8-牵引装置、9-卷取装置。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例一：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯溶液1.5kg、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物0.3kg、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠0.3kg、改性甘油0.2kg、聚乙烯醇0.5kg、去离子水7.2kg混合得到混合溶液；
2)将步骤1)所得混合溶液超声分散处理20min，得到粘度为450mpa·s的碳纤维表面处理剂溶液；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
参阅图1，将t800-6k碳纤维原纱2由纱架1引出，经牵引装置8以0.2m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊4的浸胶槽3、两只压浆辊5、第一烘道6、第二烘道7、牵引装置8，最后在卷取装置9中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸15s；
2)辊轧：经压浆辊的挤压去除多余浆料，使表面处理剂的含量为碳纤维质量的5％；
3)热处理：第一烘道的烘干温度为120℃，第二烘道的烘干温度为170℃；碳纤维通过第一烘道的时间为40s，通过第二烘道的时间为45s；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
截取一段t800-6k碳纤维原纱用电子显微镜放大200倍拍照，得图2；截取一段处理后t800-6k碳纤维用电子显微镜放大200倍拍照，得图3；从图2与图3的对比中可以看出，经表面处理剂处理后的碳纤维其集束性能明显提高。
实施例二：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯溶液0.6kg、邻苯二甲酸二正辛酯0.2kg、脂肪醇聚氧乙烯醚0.4kg、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠0.4kg、改性甘油0.2kg、羟乙基纤维素0.4kg、羟甲基纤维素0.4kg、去离子水7.4kg混合得到混合溶液；
2)将步骤1)混合溶液超声分散处理15min，得到粘度为300mpa·s的表面处理剂溶液；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将t800-6k碳纤维原纱2由纱架1引出，经牵引装置8以0.45m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊4的浸胶槽3、两只压浆辊5、第一烘道6、第二烘道7、牵引装置8，最后在卷取装置9中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸10s；
2)辊轧：经压浆辊的挤压去除多余浆料，使表面处理剂的含量为碳纤维质量的3％；
3)热处理：第一烘道的烘干温度为130℃，第二烘道的烘干温度为165℃；碳纤维通过第一烘道的时间为30s，通过第二烘道的时间为35s；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
实施例三：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯溶液2kg、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.5kg、脂肪醇聚氧乙烯醚0.4kg、甘油0.2kg、羟乙基纤维素0.4kg、羟甲基纤维素0.2kg、去离子水6.3kg混合得到混合溶液；
2)将步骤1)混合溶液超声分散处理20min，得到粘度为700mpa·s的碳纤维表面处理剂溶液；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将m40j-6k碳纤维原纱2由纱架1引出，经牵引装置8以0.4m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊4的浸胶槽3、两只压浆辊5、第一烘道6、第二烘道7、牵引装置8，最后在卷取装置9中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸10s；
2)辊轧：经压浆辊的挤压去除多余浆料，使表面处理剂的含量为碳纤维质量的8％；
3)热处理：第一烘道的烘干温度为130℃，第二烘道的烘干温度为160℃；碳纤维通过第一烘道的时间为50s，通过第二烘道的时间为55s；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
截取一段m40j-6k碳纤维原纱用电子显微镜放大200倍拍照，得图4；截取一段处理后m40j-6k碳纤维用电子显微镜放大200倍拍照，得图5；从图4与图5的对比中可以看出，经表面处理剂处理后的碳纤维其集束性能明显提高。
实施例四：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯3.5kg、邻苯二甲酸二正辛酯0.3kg、脂肪醇聚氧乙烯醚0.2kg、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠0.2kg、改性甘油0.3kg、羟乙基纤维素0.5kg、去离子水5.0kg混合得到混合溶液；
2)将步骤1)混合溶液超声分散处理20min，得到粘度为1000mpa·s的碳纤维表面处理剂溶液；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将m40j-6k碳纤维原纱2由纱架1引出，经牵引装置8以0.2m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊4的浸胶槽3、两只压浆辊5、第一烘道6、第二烘道7、牵引装置8，最后在卷取装置9中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸5s；
2)辊轧：经压浆辊的挤压去除多余浆料，使表面处理剂的含量为碳纤维质量的10％；
3)热处理：第一烘道的烘干温度为120℃，第二烘道的烘干温度为150℃；碳纤维通过第一烘道的时间为60s，通过第二烘道的时间为60s；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
实施例五：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯3.0kg、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物0.5kg、脂肪醇聚氧乙烯醚0.4kg、甘油0.2kg、羟乙基纤维素0.4kg、羟甲基纤维素0.2kg、去离子水5.3kg混合得到混合溶液；
2)将步骤1)混合溶液超声分散处理25min，得到粘度为800mpa·s的碳纤维表面处理剂溶液；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将m40j-6k碳纤维原纱2由纱架1引出，经牵引装置8以0.4m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊4的浸胶槽3、两只压浆辊5、第一烘道6、第二烘道7、牵引装置8，最后在卷取装置9中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸8s；
2)辊轧：经压浆辊的挤压去除多余浆料，使表面处理剂的含量为碳纤维质量的8％；
3)热处理：第一烘道的烘干温度为130℃，第二烘道的烘干温度为160℃；碳纤维通过第一烘道的时间为50s，通过第二烘道的时间为50s；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种碳纤维表面处理剂，其特征在于，由以下组分按质量百分比制备而成：
其余为去离子水。
2.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理剂，其特征在于，所述增韧剂为甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或邻苯二甲酸二正辛酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理剂，其特征在于，所述浸透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚或顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理剂，其特征在于，所述柔软剂为甘油或改性硅油。
5.根据权利要求1所述的碳纤维表面处理剂，其特征在于，所述分散剂为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素或聚乙烯醇中的至少一种。
6.使用如权利要求1～5任一项所述碳纤维表面处理剂进行碳纤维表面处理的方法，其特征在于，包括：
a、表面处理剂的制备
1)将油酸甘油酯、增韧剂、浸透剂、柔软剂、分散剂、去离子水按设定比例混合得到混合溶液；
2)将步骤1)所得混合溶液超声分散处理10～30min，制备出粘度为300～1000mpa·s的表面处理剂；
b、用步骤a所得表面处理剂处理碳纤维
将碳纤维原纱由纱架引出，经牵引装置以0.01～0.45m/s的牵引速度牵引，依次通过装有步骤a所得表面处理剂的带浸胶辊的浸胶槽、压浆辊、第一烘道、第二烘道、牵引装置，最后在卷取装置中完成收卷，具体包括以下工艺步骤：
1)上浆：在浸胶槽中，碳纤维经浸胶辊轧浸一定时间使表面处理剂均匀渗透进碳纤维原纱；
2)辊轧：经压浆辊挤压去除多余浆料，控制上浆量；
3)热处理：在热处理步骤中，通过高温干燥使表面处理剂与碳纤维原纱相结合；
4)卷取：在收卷装置中完成收卷，并用防水薄膜密封成品。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在上浆步骤中，碳纤维通过浸胶槽的时间为10～30s。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在辊轧步骤中，辊轧后碳纤维的上胶含量为碳纤维质量的3％～10％。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在热处理步骤中，第一烘道的烘干温度为100～130℃，碳纤维经过第一烘道的时间为30～60s；第二烘道的烘干温度为130～170℃，碳纤维经过第二烘道的时间为30～60s。
10.根据权利要求6～9任意一项所述的方法，其特征在于，经表面处理剂处理后的碳纤维可用于2.5d机织、3d编织、针织、穿刺、针刺或缝合成型的立体织物的制备。
技术总结