一种利用静电自组装法制备的纳米杂化填料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用静电自组装法制备的纳米杂化填料及其制备方法。该方法首先将刻蚀过的碳化钛在水中超声分散，将以溶液‑凝胶法合成的二氧化硅经KH550改性过后的二氧化硅溶液相混合，在常温下静置、冷冻干燥得到二氧化硅粒子均匀铺满在碳化钛表面的纳米杂化填料。该纳米杂化填料表面是由二氧化硅粒子形成的纳米凸起，既能阻止被刻蚀过的碳化钛片层重新堆叠，又能提高杂化填料的比表面积，有望显著改善杂化填料在聚合物基体中分散状态和聚合物‑杂化填料之间的界面作用。因此，本发明专利技术在功能化填料以及高性能复合材料的制备领域均具有潜在的应用价值。

A nano hybrid filler prepared by electrostatic self-assembly and its preparation method

The invention discloses a nano hybrid filler prepared by electrostatic self-assembly method and a preparation method thereof. The method first disperses the etched titanium carbide in water, disperses the silica synthesized by solution gel method, and then mixes it with KH550 modified silica solution. Then, the nano silica hybrid particles are evenly dispersed on the surface of titanium carbide particles at room temperature. The surface of the nano hybrid filler is a nano bulge formed by silica particles, which can not only prevent the etched titanium carbide sheet from stacking again, but also improve the specific surface area of the hybrid filler, which is expected to significantly improve the dispersion state of the hybrid filler in the polymer matrix and the interface between the polymer \u2011 hybrid filler. Therefore, the invention has potential application value in the field of preparation of functional fillers and high-performance composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种利用静电自组装法制备的纳米杂化填料及其制备方法
本专利技术涉及杂化填料领域，具体涉及一种利用静电自组装法制备的纳米杂化填料及其制备方法。
技术介绍
橡胶复合材料的发展与无机填料的广泛应用密切相关。纳米杂化填料是将两种或两种以上的无机纳米粒子通过氢键、静电吸附、化学键等方式组合在一起的新型纳米填料。与普通的单一填料相比，杂化填料具有独特的形貌结构，通常对高分子复合材料产生较为明显的协同效果。随着材料科学的不断发展，具有高性能和多功能的纳米杂化材料在科研和工程领域都获得了广泛的关注，而更重要的是高分子复合材料的发展更离不开纳米填料的广泛应用。纳米填料的增加，不仅能够显著降低高分子复合材料的成本，还能有效提高材料的机械强度、热稳定性、导热、导电等性能。常见的纳米填料根据其几何形状可以分为一维纳米材料（碳纳米管、埃洛石纳米管等）、二维纳米材料（碳化钛、蒙脱土）和三维纳米粒子（如二氧化硅等）。一般情况下，纳米填料的几何形状和结构特征对复合材料的最终性能具有很大影响。与单一的纳米填料相比，将不同纳米维数的填料通过物理或化学作用结合在一起的纳米杂化填料对聚合物复合材料性能的提升具有更优异的协同效果。我们选择静电自组装为推动力的物理共混法制备Ti3C2/SiO2填料复合杂化填料。静电自组装是在没有外力的作用下，通过非化学键的静电作用力，使基本结构单元（纳米、微米或者更大尺寸的物质自发形成有序结构的一种技术）。静电自组装制备复合杂化填料的优势之一是经济环保，优势之二为均匀稳定，优势之三为制备工序简单。目前，二维材料已经越来越多，由于其卓越的性能引起了广泛地研究关注，具有类石墨烯结构的二维层状过渡金属碳化物MXenes是一种新型二维纳米材料，具有良好的导电性、化学稳定性、亲水性和力学性能。尤其是新型二维层状过渡金属碳化物碳化钛具有高电导率、高比表面积、高机械强度。二维层状过渡金属碳化钛是由三维层状碳化物MAX通过湿法用HF将金属A选择性的刻蚀掉，M与A之间的金属键被（-O、-OH、-F）所代替，使得MXenes表面官能化，容易与其他物质进行化学结合。本专利技术利用硅源单体在碳化钛表面进行溶胶-凝胶反应，通过化学键在碳化钛表面负载上一层二氧化硅粒子。该方法操作简便，后处理简单，易于实现工业化，在聚合物复合材料领域具有很大的潜在应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用简单温和的静电自组装的方法，在被刻蚀过的碳化钛表面均匀的覆盖上二氧化硅粒子，制备出一种杂化填料。杂化填料独特的结构特征在于，二氧化硅粒子均匀的生长在碳化钛表面既能防止碳化钛片层重新堆叠，又能防止二氧化硅粒子团聚，碳化钛与二氧化硅粒子的协同作用可以促进杂化填料在聚合中均匀分散。这种杂化填料有着独特的三维结构和更高的比表面积，增强与聚合物之间的界面结合。更有利于改善聚合物的综合性能。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种利用静电自组装法制备纳米杂化填料的方法，包括以下步骤：（1）将二维材料Ti3AlC2用HF刻蚀48小时，然后离心、粉碎超声得到类似手风琴状的碳化钛片层，然后将刻蚀好的碳化钛加入到水中超声分散，得到碳化钛分散液；（2）将硅源单体分散到水和乙醇的混合溶液中，反应，将产物离心，干燥；（3）将步骤（2）所得到的产物分散到水和乙醇的混合溶液中，加入kh550，搅拌反应，将产物离心、干燥得到接枝kh550的二氧化硅；（4）将步骤（3）所得到的接枝kh550的二氧化硅配置成溶液，然后与步骤（1）得到的碳化钛分散液混合；（5）将步骤（4）所得产物抽滤、冷冻干燥，得到碳化钛表面铺满二氧化硅的纳米杂化填料。优选的，步骤（1）所述刻蚀的时间为24-72h，进一步优选为48h。优选地，步骤（1）所述的粉碎超声时间为90min。优选地，步骤（1）所述的水为去离子水。优选的，步骤（1）所述碳化钛分散液的固含量为0.01%-0.1%。优选的，步骤（2）中，所述的硅源单体为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和硅酸钠中的一种，特别优选为正硅酸乙酯。优选的，步骤（2）中，将硅源单体分散到水和乙醇的混合溶液中，将PH值调节为9，反应；所述反应的温度为50℃-70℃，时间为3-12h，进一步优选为60℃、6h。优选的，步骤（2）、步骤（3）中，所述的混合溶液中水与乙醇的体积比例为（0.025-0.1）：1，进一步优选为0.05：1。优选的，步骤（3）所述反应的温度为60℃-80℃，时间为6-18h，进一步优选为70℃、12h。优选的，步骤（4）中，碳化钛分散液与接枝kh550的二氧化硅溶液的浓度比为（0.017-0.071）：1。由以上所述的制备方法制得的一种纳米杂化填料。本专利技术通过静电自组装的方法，利用改性过的白炭黑表面的正电荷与碳化钛表面的负电荷产生静电作用，生成新的杂化填料。与现有技术相比，本专利技术具有以下的优点：（1）本专利技术制备的Ti3C2-SiO2纳米杂化填料的表面是由二氧化硅粒子形成的纳米凸起，既能阻止碳化钛片层堆叠，又能提高杂化填料的比表面积，能够聚合物基体形成更强的界面结合作用，而且表面有很多活性基团，为填料的进一步改性和功能化提供了基础。（2）碳化钛负载的纳米为碳化钛的进一步表面改性提供了基础，有利于多功能化填料的制备。（3）静电自组装是一种简单温和的制备方法，耗能小，材料来源广泛，碳化钛前驱体处理简便，不需要复杂的制备过程和后处理步骤，有利于实现产业化，耗能小。附图说明图1a、图1b分别是实施例1中碳化钛以及碳化钛与二氧化硅通过静电吸附形成杂化填料的TEM图。图2是Ti3C2与SiO2由于静电自组装的方法形成的Ti3C2-SiO2杂化填料的过程示意图。图3实施例2制备的Ti3C2-SiO2杂化填料的扫描电镜图。图4是实施例3中Ti3C2、SiO2、Ti3C2-SiO2纳米杂化填料的热重曲线图。图5是实施例3中Ti3C2、SiO2、Ti3C2-SiO2的红外谱图。图6是实施例3二氧化硅、改性过的二氧化硅以及碳化钛的Zeta电位图。具体实施方式为了更好的理解与解释本专利技术，以下结合实例与附图对本专利技术进行进一步的详细描述，但本专利技术的保护范围不限于以下实例。实施例1将100mg已刻蚀（将碳化钛的前驱体用氢氟酸在常温下反应48小时）、然后离心、粉碎超声90分钟，经过冷冻干燥过的碳化钛分散到1000ml的去离子水中，在冰水浴中超声1h。将100mg经过kh550改性的二氧化硅（将15g的二氧化硅放置于15ml去离子水以及285ml的无水乙醇中，加入5g的kh550，在70℃条件下反应12小时）分散到71ml的去离子水中，并在常温下超声30min。将两者混合，在常温下静置，抽滤除去去离子水，将得到的产物冷冻干燥。图1a、图1b分别是Ti3C2以及Ti3C2-SiO2杂化填料的透射电镜图，从图中可以看出相对于纯的Ti3C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用静电自组装法制备纳米杂化填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）将二维材料Ti

【技术特征摘要】
1.一种利用静电自组装法制备纳米杂化填料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将二维材料Ti3AlC2用HF刻蚀48小时，然后离心、粉碎超声得到碳化钛片层，然后将刻蚀好的碳化钛加入到水中超声分散，得到碳化钛分散液；
（2）将硅源单体分散到水和乙醇的混合溶液中，反应，将产物离心，干燥；
（3）将步骤（2）所得到的产物分散到水和乙醇的混合溶液中，加入kh550，搅拌反应，将产物离心、干燥得到接枝kh550的二氧化硅；
（4）将步骤（3）所得到的接枝kh550的二氧化硅配置成溶液，然后与步骤（1）得到的碳化钛分散液混合；
（5）将步骤（4）所得产物抽滤、冷冻干燥，得到碳化钛表面铺满二氧化硅的纳米杂化填料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述刻蚀的时间为24-72h。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳化钛分散液的固含量为0.01%-0.1%。


4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾志欣，朱淑丽，钟邦超，陈勇军，贾德民，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44