包含石墨烯碳颗粒的橡胶配制物制造技术

公开了一种橡胶配制物，其包含基础橡胶组合物、石墨烯碳颗粒、以及诸如二氧化硅之类的非导电性填料颗粒。该配制物具有有利的性质，例如相对低的表面电阻率，并且该配制物可用于多种应用，例如轮胎胎面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含石墨烯碳颗粒的橡胶配制物
本专利技术涉及包含石墨烯碳颗粒的橡胶配制物。
技术介绍
已经将各种填料添加至橡胶组合物。例如，已经将炭黑用于包括轮胎面(tread)的轮胎的各个部分，从而减少电荷的产生。此外，已经将二氧化硅用于轮胎胎面(tiretread)，从而降低滚动阻力。然而，为了提高轮胎胎面配制物的性能特性，需要添加显著量的二氧化硅，其能够添加的最大量受到相对大量的炭黑(为了充分减少电荷的产生而添加)的限制。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供一种橡胶配制物，其包含基础橡胶组合物、0.1-20重量％的石墨烯碳颗粒(grapheniccarbonparticle)以及1-50重量％的填料颗粒，其中所述轮胎胎面配制物具有小于1010Ω/sq的表面电阻率(surfaceresistivity)。本专利技术另一个方面提供一种制备橡胶配制物的方法，包括：将石墨烯碳颗粒和填料颗粒与基础橡胶组合物混合；以及将所得混合物固化，其中经固化的混合物具有小于1010Ω/sq的表面电阻率。具体实施方式根据本专利技术实施方案的橡胶配制物可用于多种应用，包括轮胎部件，例如车辆轮胎胎面、亚轮胎面(subtread)、轮胎外胎、轮胎胎壁、轮胎楔带、轮胎胎圈和轮胎钢丝薄涂层、电线和电缆护套、软管、垫圈和密封件、工业和汽车传动皮带、发动机架、V型皮带、传送带、辊涂涂料、鞋底材料、密封环、阻尼元件等。虽然轮胎胎面配制物在本文中被描述为本专利技术的特定实施方案，但是应当理解的是，本专利技术的橡胶配制物并不限于这些应用，其还可以用于其他各种应用。本专利技术的橡胶配制物包含基础橡胶组合物，在所述基础橡胶组合物中添加有石墨烯碳颗粒。如本文所用，术语“石墨烯碳颗粒”是指具有这样结构的碳颗粒，所述结构包括一层或多层单原子厚的sp2-键合的碳原子的平面片层，所述碳原子密集地堆叠成蜂窝晶格。所堆叠的层的平均数可以小于100，例如小于50。在某些实施方案中，所堆叠的层的平均数为30或更少，例如20或更少，10或更少，或者在有些情况中为5或更少。石墨烯碳颗粒可以基本上是平坦的，但是所述平面片层的至少一部分可以是基本上褶皱的、卷曲的、有折痕的或有皱纹的。所述颗粒通常不具有球状或等轴形状。在某些实施方案中，沿着与碳原子层垂直的方向测量，存在于本专利技术组合物中的石墨烯碳颗粒具有不大于10纳米、不大于5纳米、或者(在某些实施方案中)不大于4纳米或3纳米或2纳米或1纳米的厚度，例如为不大于3.6纳米。在某些实施方案中，石墨烯碳颗粒可以为1原子层至3、6、9、12、20或30原子层厚、或者更厚。在某些实施方案中，沿着与碳原子层平行的方向测量，存在于本专利技术组合物中的石墨烯碳颗粒的宽度和长度为至少50纳米，例如大于100纳米，在一些情况中为大于100纳米至500纳米，或大于100纳米至200纳米。石墨烯碳颗粒可以呈现超薄片状、薄板状或片状的形式，这些形式具有大于3:1(例如大于10:1)的相对高的长宽比(长宽比定义为颗粒的最长尺寸与该颗粒的最短尺寸之比)。在某些实施方案中，用于本专利技术组合物的石墨烯碳颗粒具有相对低的氧含量。例如，用于本专利技术组合物的某些实施方案的石墨烯碳颗粒可以具有不大于2原子量％的氧含量，例如不大于1.5或1原子量％，或者不大于0.6原子量％，例如约0.5原子量％，即使在具有不大于5纳米或不大于2纳米的厚度的情况下也是如此。石墨烯碳颗粒的氧含量能够使用X-射线光电子能谱来确定，例如在D.R.Dreyer等人的Chem.Soc.Rev.39,228-240(2010)中有所描述。在某些实施方案中，用于本专利技术组合物的石墨烯碳颗粒具有的B.E.T.比表面积为至少50平方米/克，例如为70-1000平方米/克，或者在一些情况中为200-1000平方米/克或200-400平方米/克。如本文所用，术语“B.E.T.比表面积”是指基于在期刊“TheJournaloftheAmericanChemicalSociety”,60,309(1938)中所描述的Brunauer-Emmett-Teller法根据ASTMD3663-78标准由氮吸附确定的比表面积。在某些实施方案中，用于本专利技术组合物的石墨烯碳颗粒的拉曼光谱2D/G峰比为至少1.1，例如至少1.2或1.3。如本文所用，术语“2D/G峰比”是指2692cm-1处的2D峰强度与1580cm-1处的G峰强度之比。在某些实施方案中，用于本专利技术组合物的石墨烯碳颗粒具有相对低的体密度。例如，用于本专利技术某些实施方案的石墨烯碳颗粒的特征在于，具有小于0.2g/cm3(例如不大于0.1g/cm3)的体密度(振实密度)。为了实现本专利技术的目的，石墨烯碳颗粒的体密度通过以下方式确定：将0.4g石墨烯碳颗粒放到具有可读刻度的玻璃量筒中，量筒上升约1英寸，并通过在硬表面上敲击量筒的底部而夯实100次，从而使得石墨烯碳颗粒下沉到量筒内部。随后测量颗粒的体积，通过用所测量的体积除以0.4g来计算体密度，其中体密度用g/cm3表示。在某些实施方案中，用于本专利技术组合物的石墨烯碳颗粒具有的压缩密度和压实百分数(percentdensification)小于石墨粉末和某些类型的基本扁平的石墨烯碳颗粒的压缩密度和压实百分数。目前，较低的压缩密度和较低的压实百分数都被认为有助于获得比表现出较高压缩密度和较高压实百分数的石墨烯碳颗粒更优的分散性质和/或流变性质。在某些实施方案中，石墨烯碳颗粒的压缩密度为0.9或更小，例如小于0.8，小于0.7，例如为0.6至0.7。在某些实施方案中，石墨烯碳颗粒的压实百分数为小于40％，例如小于30％，例如为25％至30％。为了实现本专利技术的目的，由给定质量的压缩后颗粒的测量厚度来计算石墨烯碳颗粒的压缩密度。具体而言，通过以下方式确定测量厚度：在1.3厘米(cm)的冲模中使0.1克石墨烯碳颗粒在15,000磅的力下冷压45分钟(min)，其中，接触压力为500MPa。随后根据以下等式由所测量的厚度来计算石墨烯碳颗粒的压缩密度：随后确定石墨烯碳颗粒的压实百分比作为石墨烯碳颗粒的计算压缩密度的比率，按如上所测定的压缩密度为2.2g/cm3，其为石墨的密度。在某些实施方案中，石墨烯碳颗粒在混合后的较晚的时间点时(例如在10min或20min或30min或40min时)，就具有至少100微西门子(microSiemens)，例如至少120微西门子，例如至少140微西门子的测量液体体积电导率。为了实现本专利技术的目的，石墨烯碳颗粒的液体体积电导率是如下确定的。首先，将包含0.5％石墨烯碳颗粒的丁基溶纤剂溶液的样品在水浴超声波仪中超声30分钟。在超声之后马上将样品放置到标准校准的电解电导池(K＝1)中。向样品中引入FisherScientificAB30电导率仪以测量样品的电导率。在约40分钟的时间内绘制电导率曲线。根据某些实施方案，导电性石墨烯碳颗粒之间会发生逾渗(percolation)，逾渗被定义为长程联结性(longrangeinterconnectivity)。该逾渗可降低配制物的电阻率。导电性石墨烯颗粒可以占据复合基质中的最小体积，使得颗粒形成连续的或接近连续的网络。在这种情况中，石墨烯碳颗粒的长宽比可以影响逾渗所需的最小体积。此外，石墨烯碳颗粒的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种橡胶配制物，包含：基础橡胶组合物；0.1‑20重量％的石墨烯碳颗粒；以及1‑50重量％的填料颗粒，其中所述橡胶配制物具有小于1010Ω/sq的表面电阻率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.03 US 13/462,9551.一种可固化的橡胶配制物，包含：基础橡胶组合物；0.1-20重量％的具有3D形状的石墨烯碳颗粒；以及1-50重量％的填料颗粒，所述填料颗粒包含二氧化硅，所述石墨烯碳颗粒是通过将(i)能够形成两个碳片段物质的烃前体材料引入加热区并在所述加热区将所述烃前体材料加热到至少1000℃的温度，或(ii)甲烷前体材料引入加热区并在所述加热区加热所述甲烷前体材料，由此形成石墨烯碳颗粒，并且随后骤冷和收集所形成的石墨烯碳颗粒而制备的，所述石墨烯碳颗粒具有不大于2原子量％的氧含量，其中所述橡胶配制物在固化后具有小于1010Ω/sq的表面电阻率。2.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述橡胶配制物包括轮胎胎面配制物。3.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述石墨烯碳颗粒占所述配制物的小于15重量％。4.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述石墨烯碳颗粒具有至少100微西门子的液体体积电导率。5.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述石墨烯碳颗粒具有小于0.2g/cm3的体密度。6.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述石墨烯碳颗粒具有小于0.9的压缩密度。7.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述二氧化硅占所述配制物的28-44重量％。8.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述石墨烯碳颗粒占所述配制物的小于15重量％，并且所述二氧化硅占所述配制物的大于28重量％。9.权利要求8所述的橡胶配制物，其中所述二氧化硅和所述石墨烯碳颗粒以大于4:1的重量比存在于所述配制物中。10.权利要求9所述的橡胶配制物，其中所述二氧化硅包括沉淀二氧化硅。11.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述基础橡胶组合物包含苯乙烯/丁二烯橡胶、丁二烯橡胶、天然橡胶和/或它们的官能化衍生物。12.权利要求11所述的橡胶配制物，其中所述基础橡胶组合物包含选自加工油、抗氧化剂、固化剂和金属氧化物中的至少一种添加剂。13.权利要求1所述的橡胶配制物，其中所述配制物基本上不含炭黑。14.一种制备橡胶组合物的方法，包括：(a)将(i)0.1-20重量％的具有3D形状且具...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾斯廷·J·马丁，诺埃尔·R·瓦尼埃，布赖恩·K·雷里克，拉斐尔·O·科拉，蒂莫西·A·奥凯，大卫·阿萨耶，查尔斯·F·卡尔，C·H·洪，
申请(专利权)人：PPG俄亥俄工业有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US