高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法技术

技术编号:15738670 阅读:115 留言:0更新日期:2017-07-02 01:12
高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法,属于橡胶复合材料领域。本发明专利技术利用氧化石墨烯以及炭黑与橡胶胶乳乳液复合、复合乳液共絮凝及机械共混相结合的工艺制备氧化石墨烯/炭黑橡胶复合材料。乳液复合可以使氧化石墨烯和炭黑互相穿插有效抑制两种填料自身的聚集,从而得到高分散,高度剥离且呈纳米尺度分散的复合材料。本方法制备的橡胶复合材料不仅可以充分发挥球形填料传统的优势,而且可以最大限度发挥出氧化石墨烯的作用,提高橡胶复合材料的力学强度,耐磨性,抗湿滑性,降低生热等。本发明专利技术简单易行,成本低,易于工业化,适用面广,具有较好的经济效益和社会效应。

Process for preparing high-performance graphene oxide / carbon black rubber nanocomposite

The invention relates to a preparation method of high-performance graphene oxide / carbon black rubber nano composite material, belonging to the field of rubber composite material. In the invention, graphene oxide / carbon black rubber composite material is prepared by the combination of graphene oxide, carbon black and rubber latex composite, composite emulsion, CO flocculation and mechanical blending. Emulsion composite can make the graphene oxide and carbon black cross each other, effectively restrain the accumulation of the two fillers, and thus obtain high dispersion, high exfoliation and nano scale dispersion of composite materials. The advantage of making rubber composites prepared by this method can not only give full play to the traditional spherical packing, but also can maximize the effect of graphene oxide, improve the mechanical strength of rubber composites, wear resistance, wet skid resistance, reduce the heat etc.. The invention has the advantages of simple and easy operation, low cost, easy industrialization, wide application range and good economic and social effects.

【技术实现步骤摘要】
高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法
:本专利技术涉及一种高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法,特别解决了传统混炼法中氧化石墨烯和炭黑在橡胶中容易团聚,分散不均匀的问题。特别涉及乳液复合与絮凝工艺相结合以及机械共混的方法,来制备氧化石墨烯/炭黑橡胶复合材料。
技术介绍
橡胶复合材料由于其独特的高弹性和粘弹性,广泛应用于轮胎、传送带、减震件、密封件、吸波阻尼等众多领域,是我国国民经济发展中不可替代的战略性材料。大部分合成橡胶,本身的强度和耐磨耗性比较差,即使是天然橡胶本身的强度较高,但要满足工业化和生活的要求,仍然需要添加填料进行补强。炭黑是橡胶工业中最重要的补强性填料,在橡胶基体中引入炭黑后能够显著地提高橡胶制品的机械性能(如增大硬度、拉伸强度、撕裂强度、定伸应力、耐磨性等),改善胶料的加工工艺性能(如减少半成品收缩率、提高半成品表面平坦性等),并降低成本。但炭黑在使用过程中也存在一些缺点,例如,加工污染严重,耗能大,混炼时间长。还有炭黑是石油化工产品,对石油的依赖性强,其持续大量的消耗必然无益于缓解石油资源的日益紧张。石墨烯作为一种新型二维碳质材料,是由英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov在2004年最先通过采用不断剥离石墨片层的方法得到的。石墨烯在平面内有无限重复的周期结构,在垂直于平面的方向只有纳米尺度,可以看作是具有宏观尺寸的纳米材料。石墨烯具有高比表面积(极限面积高达2630m2/g),优异的力学性能(杨氏模量为1.01TPa,断裂强度为130GPa),大的纵横比(>1000),这预示着石墨烯在对橡胶材料高效增强方面具有潜在的优势。结构完整的石墨烯化学稳定性高,其表面呈惰性状态、与其他介质(如溶剂等)的相互作用力弱,并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力,容易产生聚集,使其难溶于水及常用的有机溶剂。在“石墨烯微片/炭黑复合橡胶的制备方法”(申请号:201610675211.4)的专利中,专利技术人使用了厚度多于10层的石墨烯微片,为获得能良好分散的石墨烯微片水溶液,在混合液中加入了大量的分散剂。另外在“一种氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料及其制备方法”(申请号:201310146476.1)中,专利技术人首先制备氧化石墨烯/橡胶絮凝母胶,然后在开炼机上加入炭黑等其他填料和助剂。本专利为了发挥石墨烯本身薄片层的特点,使用了厚度小于10层的氧化石墨烯片。氧化石墨烯的表面、边缘处含有石墨烯微片没有的含氧官能团,使得氧化石墨烯表面具有了一定的化学活性,能够在水中及一些常用有机试剂中良好分散且片与片之间的范德华力减弱,减少了聚集作用,工艺简单。进一步,为了增强和炭黑的相互作用力,使两者起到互相促进分散的作用,本专利采用了将氧化石墨烯、炭黑和橡胶乳液先制成母胶的方式,使氧化石墨烯和炭黑获得良好的预分散。进而再与其他助剂混合,硫化后得到橡胶制品。
技术实现思路
:本专利技术中首先利用乳液复合和絮凝工艺制备了高剥离、高分散、强界面结合的氧化石墨烯/炭黑絮凝母胶,然后再将絮凝母胶与活性剂,防老剂,促进剂等橡胶助剂通过机械共混制备高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶复合材料。该技术实现了橡胶胶乳与氧化石墨烯、炭黑在乳液状态下的复合,成功实现炭黑和氧化石墨烯均匀分散在橡胶体系中,实现了高强度、抗撕裂、低生热、抗湿滑、高耐磨、耐疲劳性能等综合性能优异的高性能橡胶复合材料的制备。具体制备步骤如下:1、一种氧化石墨烯/炭黑橡胶絮凝母胶的制备方法,其特征在于包括如下以质量计的原料组分:橡胶乳液(以干胶含量计)100氧化石墨烯0.1-20炭黑1-60炭黑分散剂0.1-20絮凝剂(浓度)本专利技术所述原料组分中胶乳为固含量为1-95wt%的丁苯胶乳、天然胶乳、氯丁胶乳、丁基胶乳、丁腈胶乳、丁二烯胶乳、乙丙胶乳、聚异戊二烯胶乳、氟橡胶胶乳、硅橡胶胶乳中的一种或两种,或两种以上的混合胶乳。本专利技术所述原料组分中氧化石墨烯片层厚度为10层以下,0.335-5nm,宽度5nm-500μm。本专利技术所述原料组分中炭黑的初始粒径为5-500nm。本专利技术所述原料组分中炭黑分散剂为低分子非离子型,低分子阴离子型,低分子阳离子型,高分子型分散剂,分散剂与炭黑的比例为1:(1-200)。本专利技术所述原组分中絮凝剂为硝酸、硫酸、盐酸、氢溴酸、氢氟酸、氯化钙、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸铝、三氯化铁或者聚合氯化铝的一种或多种,絮凝剂浓度为0.5-50wt%。氧化石墨烯/炭黑橡胶絮凝母胶的具体制备过程如下:(1)氧化石墨烯水溶液的制备取氧化石墨分散于水溶液中,在超声设备中超声1-180min,超声功率1-5000w,超声频率1-50KHz,制备出氧化石墨烯水溶液。(2)炭黑水溶液的制备取炭黑和分散剂分散于水溶液中,在超声设备中超声1-180min,超声功率1-5000w,频率1-50KHz,制备出炭黑水溶液。(3)复合乳液的制备取一定量上述制备好的氧化石墨烯水溶液和炭黑水溶液于带有搅拌器和温度计的反应釜中预混合,搅拌时间1-300min,搅拌转速1-3000rpm,控制温度5-90℃,随后将橡胶胶乳加入到预混合液中,并控制搅拌时间1-200min,搅拌转速1-3000rpm,控制温度5-90℃,制备出氧化石墨烯/炭黑橡胶复合乳液。(4)母胶的制备称取絮凝剂于去离子水中,搅拌均匀制备出絮凝剂水溶液。将絮凝剂水溶液进一步加入到混合均匀的石墨烯、炭黑和橡胶的复合乳液中,充分搅拌直至絮凝完全,并将絮凝胶洗涤,干燥,制备出母胶。2.一种高性能氧化石墨烯/炭黑橡胶复合材料的制备方法,其制备特征在于采用以下制备方法:首先在橡胶开炼机或密炼机中加入一定量絮凝母胶,其次依次加入活性剂,防老剂,促进剂,硫化剂等制得氧化石墨烯/炭黑橡胶混炼胶,通过硫化制得氧化石墨烯/炭黑橡胶硫化胶。具体实施方式下面结合实例进一步说明本专利技术,但本专利技术并不限于一下实施例,在不脱离本专利技术设计精神的前提下,本领域的技术人员对本专利技术的技术方案做出的各种形式的变形和改进,均应落入本专利技术权利要求书确定的保护范围内。实施例1天然橡胶胶乳(干胶)100份氧化石墨烯1份炭黑N22020份硬脂酸2份氧化锌5份防老剂4010NA1份促进剂DM2份硫磺1.5份取1g氧化石墨分散于水溶液中,在超声设备中超声1min,超声功率5000W,超声频率50KHZ,制备出宽度为5nm,厚度为5nm氧化石墨烯片层的水溶液。称取20g粒径为19nm的N220炭黑,20g聚苯乙烯磺酸钠加入到1kg水中,在超声设备中超声10min,超声功率5000W,超声频率50KHZ,制备出分散良好的炭黑水溶液。取上述制备好的氧化石墨烯水溶液和炭黑水溶液于带有搅拌器和温度计的反应釜中预混合,搅拌时间1min,搅拌转速3000rpm,控制温度5℃,随后将橡胶胶乳加入到预混合液中,并控制搅拌时间1min,搅拌转速3000rpm,控制温度90℃,制备出氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶复合乳液。然后将复合乳液加入配置好的浓度0.5wt%的CaCl2絮凝液中,充分搅拌直至絮凝完全,并将絮凝胶洗涤,干燥,制备出母胶。接着在橡胶开炼机或密炼机中加入絮凝母胶,其次加入活性剂,防老剂,促进剂,硫化剂制得氧化石墨烯/炭黑/天然橡胶混炼胶,通过平板硫化机上模压20mi本文档来自技高网
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【技术保护点】
氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:(1)氧化石墨烯/炭黑橡胶母胶的制备橡胶乳液以干胶含量计100氧化石墨烯0.1‑30炭黑1‑80炭黑分散剂0.1‑20制备过程如下:a、氧化石墨烯水溶液的制备取氧化石墨分散于水溶液中,在超声设备中超声1‑180min,超声功率1‑5000w,超声频率1‑50KHz,制备出氧化石墨烯水溶液;b、炭黑水溶液的制备取炭黑和分散剂分散于水溶液中,在超声设备中超声1‑180min,超声功率1‑5000w,频率1‑50KHz,制备出炭黑水溶液;c、复合乳液的制备取上述制备好的氧化石墨烯水溶液和炭黑水溶液于带有搅拌器和温度计的反应釜中预混合,搅拌时间1‑300min,搅拌转速1‑3000rpm,控制温度5‑90℃,随后将橡胶胶乳加入到预混合液中,并控制搅拌时间1‑200min,搅拌转速1‑3000rpm,控制温度5‑90℃,制备出氧化石墨烯/炭黑橡胶复合乳液;d、母胶的制备称取絮凝剂于去离子水中,搅拌均匀制备出絮凝剂水溶液;将絮凝剂水溶液进一步加入到混合均匀的石墨烯、炭黑和橡胶的复合乳液中,充分搅拌直至絮凝完全,并将絮凝胶洗涤,干燥,制备出母胶;(2)氧化石墨烯/炭黑橡胶复合材料的制备制备过程如下:首先在橡胶开炼机或密炼机中加入絮凝母胶,其次加入活性剂,防老剂,促进剂,硫化剂制得氧化石墨烯/炭黑橡胶混炼胶,通过硫化制得氧化石墨烯/炭黑橡胶硫化胶。...

【技术特征摘要】
1.氧化石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:(1)氧化石墨烯/炭黑橡胶母胶的制备橡胶乳液以干胶含量计100氧化石墨烯0.1-30炭黑1-80炭黑分散剂0.1-20制备过程如下:a、氧化石墨烯水溶液的制备取氧化石墨分散于水溶液中,在超声设备中超声1-180min,超声功率1-5000w,超声频率1-50KHz,制备出氧化石墨烯水溶液;b、炭黑水溶液的制备取炭黑和分散剂分散于水溶液中,在超声设备中超声1-180min,超声功率1-5000w,频率1-50KHz,制备出炭黑水溶液;c、复合乳液的制备取上述制备好的氧化石墨烯水溶液和炭黑水溶液于带有搅拌器和温度计的反应釜中预混合,搅拌时间1-300min,搅拌转速1-3000rpm,控制温度5-90℃,随后将橡胶胶乳加入到预混合液中,并控制搅拌时间1-200min,搅拌转速1-3000rpm,控制温度5-90℃,制备出氧化石墨烯/炭黑橡胶复合乳液;d、母胶的制备称取絮凝剂于去离子水中,搅拌均匀制备出絮凝剂水溶液;将絮凝剂水溶液进一步加入到混合均匀的石墨烯、炭黑和橡胶的复合乳液中,充分搅拌直至絮凝完全,并将絮凝胶洗涤,...

【专利技术属性】
技术研发人员:温世鹏张松波刘力
申请(专利权)人:北京化工大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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