一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术为一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法，材料包含成分按质量百分数统计如下：三元乙丙橡胶9～14﹪、二元乙丙橡胶1～3﹪、炭黑2～5﹪、纳米无机导热填充剂1～3﹪、石墨烯0.05～0.5﹪、交联剂0.5～1﹪、偶联剂0.3～0.5﹪、硫化剂0.050～0.15﹪、增塑剂0.5～1.5﹪、活性剂0.05～0.2﹪。有益效果：本专利采用自制的石墨烯对三元乙丙橡胶进行改性，添加了无机纳米导热填充剂，使其具有了高导热的特性。能够显著改善橡胶耐疲劳性和导热性能，工艺简单，易于生产，操作简便，可控性强，产品性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料及其制备方法
本专利技术属于高分子材料领域，主要涉及一种石墨烯改性三元乙丙橡胶材料及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的不断进步，人类对材料的需求日益增长。以橡胶为主的高分子材料已经渗入生活的各个领域。橡胶以超高弹性、耐磨、绝缘等特点，成为汽车零部件中不可或缺的部分，如车胎、密封条等。许多研究者对橡胶进行改性或者增强复合，使其在高科技领域也能得到应用。但普遍认为，橡胶存在模量低、导热性差、耐磨性差及不抗疲劳等缺点，使其实用性受到限制。以石墨烯、碳纳米管、泡沫炭等新型碳材料对橡胶进行改性制备橡胶复合材料成为了近年来的研究热点之一。
技术实现思路
本专利技术提供了研究一种新型高热导率的石墨烯改性三元乙丙橡胶，主要以三元乙丙橡胶为原料，以纳米无机导热材料为填充剂，通过自制石墨烯进行改性，同时添加一些必要的添加剂，获得最终的材料。主要研究了改橡胶材料的热学性能。本专利技术提供了下述技术方案：一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料，所述石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料包含成分按质量百分数统计如下：三元乙丙橡胶9～14﹪、二元乙丙橡胶1～3﹪、炭黑2～5﹪、纳米无机导热填充剂1～3﹪、石墨烯0.05～0.5﹪、交联剂0.5～1﹪、偶联剂0.3～0.5﹪、硫化剂0.050～0.15﹪、增塑剂0.5～1.5﹪、活性剂0.05～0.2﹪。所述制备方法依次包括以下步骤：原料的配备、石墨烯纳米片的制备、石墨烯纳米片的球磨、石墨烯的插层处理、石墨烯的活化以及橡胶的制备。所述原料的配备中基础原料包括：三元乙丙橡胶、石墨烯和填充物纳米氧化物、纳米碳化物、纳米氮化物三者中的一种或者任意两种或三种的混合物；所述基础原料的辅助原料为：交联剂、硅烷偶联剂、硫磺、增塑剂、活性剂；所述基础原料、所述辅助原料占原料总量以质量百分数表示为：所述基础原料占7﹪～9﹪；所述辅助原料占1﹪～3﹪。所述石墨烯纳米片的制备之工序为：取一定量的煤沥青进行充分研磨过筛后与添加剂（如铝粉）混合均匀后装入石墨坩埚中，置于高温真空烧结炉中，以0℃•min-1～30℃•min-1的升温速率升至600℃～1800℃设定温度，保温1h～12h之后样品随炉自然冷却，配置1mol•L-1～5mol•L-1浓度的盐酸，对制得高温产物进行酸洗1h～6h后，用去离子水水洗过滤至中性，再将水洗过滤之后的产物置于表面皿在真空干燥箱内进行干燥处理，制得石墨烯纳米片。所述石墨烯纳米片的球磨之工序为：称取所述石墨烯纳米片置于球磨罐中选择球磨溶剂球料与其混合搅拌均匀后置于球磨机上，在500rmp～1200rmp转速下，球磨3h～12h，球磨后，用100目的标准筛进行球料分离，过滤干燥，得到产物石墨烯，所述球磨溶剂球料为乙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺DMF或者十二烷基硫酸钠SDS中的一种。所述石墨烯的插层处理之工序为：取经过所述石墨烯纳米片的球磨处理后的石墨烯为原料，配置浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾混合溶液作为插层剂，浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾的质量比例为0～3：3～6：0～1，在反应釜中加入插层剂后进行搅拌，插层剂与石墨烯的质量比例为5～10：1；将石墨烯缓慢加入反应釜中反应3h~10h，最后向反应釜中缓慢滴加双氧水直至混合溶液不产生气泡为止，将产物水洗过滤至中性，然后进行干燥处理，最终获得经插层石墨烯。所述石墨烯纳米片的活化之工序为：取所述插层石墨烯与1mol•L-1~5mol•L-1的KOH配置溶液混合，置于搅拌器中搅拌2h~8h，搅拌速度为100rmp~300rmp，然后超声处理1h~3h后，过滤除去剩余KOH溶液，产物置于40℃~100℃的干燥箱内干燥24h~48h，得到混合物，将所述混合物置于高温真空炉中，以3℃•min~10℃•min的升温速率升高到设定温度后保温1h~12h，样品随炉冷却后，配置1mol•L-1~5mol•L-1的盐酸，对样品酸洗1h~6h，除去碳化物，然后用去离子水进行反复清洗，直至溶液呈中性。样品经过滤后，进行干燥处理，获得活化石墨烯。所述橡胶的制备之工序为：打开电源及冷却装置，将密炼机升温至90℃~110℃，调整转速至20rmp~40rmp，将橡胶原料、炭黑、填充剂、石墨烯、交联剂、偶联剂一次加入密炼机中混炼4min~6min，排胶至压片机上冷却至室温，下片并重复以上步骤两次，分别为一次混炼、一次混炼排胶、二次混炼、二次混炼排胶。将所述一次密炼胶，加入硫化剂、活化剂进行所述二次混炼，此时密炼机温度＜90℃，密炼3min后，排胶至压片机，冷却至室温得到高导热的石墨烯改性三元乙丙橡胶材料；进行所述一次混炼时的密炼机温度为90℃~110℃并且密炼机转速为20rmp~40rmp；所述一次混炼时间为4min~6min；所述一次混炼排胶温度为110℃~150℃；一次混炼重复次数为1次~3次；所述二次混炼时的密炼机温度为70℃~90℃；所述二次混炼时间为2min~3min；所述二次混炼排胶温度为100℃~120℃；一次混炼、二次混炼后静置时间为8h~12h。所述的炭黑主要有N220、N326、N539、N550、N660、N774。纳米无机导热填充剂主要有纳米氧化物，纳米碳化物及纳米氮化物，尺寸范围在100nm～100μm。所述的石墨烯主要由煤沥青与铝粉通过球磨、插层和活化等工艺制备得到，其尺寸范围2μm~100μm。所述的交联剂有DCP、JN850、JN851、JN852、BIPP、TAC等。偶联剂主要为硅烷偶联剂。所述的硫化剂为硫磺、树脂类硫化剂（环氧树脂和烷基酚醛树脂）、秋兰姆或过氧化物中的任意一种（过氧化二异丙苯DCP）等。石墨烯与纳米无机导热材料在橡胶基体中构成了导热网络，其热导率达到5W/m·K~10W/m·K。本专利技术的有益效果如下：本专利采用自制的石墨烯对三元乙丙橡胶进行改性，添加了无机纳米导热填充剂，使其具有了高导热的特性。由于，无机纳米导热填充剂粒子小，易分散，纯度高，耐疲劳等特性，如纳米炭化硼、纳米氧化锌、纳米氧化铝等，使其明显改善了橡胶的缺点。同时，石墨烯完全由C组成，是C原子以SP2杂化方式连接而成蜂窝网状结构的单原子厚度材料，其中苯六元环是石墨烯最基础的构造单元，每个C原子与周围三个C原子成键，即σ键，每个C-C之间的键角均是120°。材料的结构决定其性能，理论计算得其比表面积大于2600m2•g-1，热导率（5000W/m·K以上）比大部分的晶体高，杨氏模量是钢的十倍，透光性是97%，能够与橡胶基体通过分子间作用力紧密结合，以其作为改性，能够显著改善橡胶耐疲劳性和导热性能，具有广泛应用的意义。控制基本原料和辅助原料的比例、自制石墨烯制备过程中，球磨，插层和活化等各项参数、以及一次混炼和二次混炼的工艺的参数，来控制得到石墨烯改性三元乙丙橡胶橡胶的各项性能。采用本专利技术所述的制备橡胶材料，具有较高的热导率，可达5W/m·K~10W/m·K。与现有的技术相比，本专利技术所具有的优点和效果为：工艺简单，易于生产，操作简便，可控性强，产品性能优异。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步描述。实施例1、一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料，所述石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料包含成分按质量百分数统计如下：三元乙丙橡胶9﹪、二元乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料，其特征在于，所述石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料包含成分按质量百分数统计如下：三元乙丙橡胶9～14﹪、二元乙丙橡胶1～3﹪、炭黑2～5﹪、纳米无机导热填充剂1～3﹪、石墨烯0.05～0.5﹪、交联剂0.5～1﹪、偶联剂0.3～0.5﹪、硫化剂0.050～0.15﹪、增塑剂0.5～1.5﹪、活性剂0.05～0.2﹪。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料，其特征在于，所述石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料包含成分按质量百分数统计如下：三元乙丙橡胶9～14﹪、二元乙丙橡胶1～3﹪、炭黑2～5﹪、纳米无机导热填充剂1～3﹪、石墨烯0.05～0.5﹪、交联剂0.5～1﹪、偶联剂0.3～0.5﹪、硫化剂0.050～0.15﹪、增塑剂0.5～1.5﹪、活性剂0.05～0.2﹪。2.一种石墨烯改性三元乙丙橡胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法依次包括以下步骤：原料的配备、石墨烯纳米片的制备、石墨烯纳米片的球磨、石墨烯的插层处理、石墨烯的活化以及橡胶的制备；所述原料的配备中基础原料包括：三元乙丙橡胶、石墨烯和填充物纳米氧化物、纳米碳化物、纳米氮化物三者中的一种或者任意两种或三种的混合物；所述基础原料的辅助原料为：交联剂、硅烷偶联剂、硫磺、增塑剂、活性剂；所述基础原料、所述辅助原料占原料总量以质量百分数表示为：所述基础原料占7﹪～9﹪；所述辅助原料占1﹪～3﹪；所述石墨烯纳米片的制备之工序为：取一定量的煤沥青进行充分研磨过筛后与添加剂混合均匀后装入石墨坩埚中，置于高温真空烧结炉中，以0℃•min-1～30℃•min-1的升温速率升至600℃～1800℃设定温度，保温1h～12h之后样品随炉自然冷却，配置1mol•L-1～5mol•L-1浓度的盐酸，对制得高温产物进行酸洗1h～6h后，用去离子水水洗过滤至中性，再将水洗过滤之后的产物置于表面皿在真空干燥箱内进行干燥处理，制得石墨烯纳米片；所述石墨烯纳米片的球磨之工序为：称取所述石墨烯纳米片置于球磨罐中选择球磨溶剂球料与其混合搅拌均匀后置于球磨机上，在500rmp～1200rmp转速下，球磨3h～12h，球磨后，用100目的标准筛进行球料分离，过滤干燥，得到产物石墨烯，所述球磨溶剂球料为乙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺DMF或者十二烷基硫酸钠SDS中的一种。所述石墨烯的插层处理之工序为：取经过所述石墨烯纳米片的球磨处理后的石墨烯为原料，配置浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾混合溶液作为插层剂，浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾的质量比例为0～3：3～6：0～1，在反应釜中加入插层剂后进行搅拌，插层剂与石墨烯的质量比例为5～10：1；将石墨烯缓慢加入反应釜中反应3h~10h，最后向反应釜中缓慢滴加双氧水直至混合溶液不产生气泡为止，将产物水洗过滤至中性，然后进行干燥处理，最终获得经插层石墨烯；所述石墨烯纳米片的活化之工序为：取所述插层石墨烯与1mol•L-1~5mol•...

【专利技术属性】
技术研发人员：张力，
申请(专利权)人：南通迅达橡塑制造有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32