一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料及其制备方法。所述复合材料包括天然橡胶100份、氧化石墨烯和/或层状硅酸盐0.1～10份以及稳定剂0.1～6份；其中，氧化石墨烯和层状硅酸盐经过界面剂的预改性。本发明专利技术通过界面剂对氧化石墨烯和/或层状硅酸盐进行预处理，降低其极性，实现和天然胶乳的良好相容，实现强界面结合。通过天然胶乳与氧化石墨烯、层状硅酸盐的纳米复合，大幅改善其机械性能、抗辐射老化性能以及气密性，可作为一种改进太空气球球膜的先进技术。

【技术实现步骤摘要】
一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料制备领域，具体地说，是涉及一种用于优化现有太空气球球膜气密性、抗拉、抗张性能的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料及其制备方法。
技术介绍
近太空宽泛的定义为20～100km之间的区。近太空空域的空气非常稀薄，多数固定翼飞机都不能在其中飞行，而卫星由于受重力作用过大，难以维持其飞行轨道。但该区域气流比较稳定，空气流动相对较小，是部署高空悬停气球或飞艇的理想空域。高空科学气球是一种重要的高空和空阅科学研究的运载工具。这类气球一姆是零压式的，其体积为104～106m3，有效荷载为数百公斤至数吨，升空高度达30至50公里，无论对国防还是对科学研究均有实用的意义。事实证明，利用高空气球能出色地完成科学探测和任务，能够与卫星、载人航天器很好地相互补充。高空气球成本低，准备周期短，易于灵活实施。由于空间可充气结构产品的材料质量轻、可折叠，并可适应太空复杂环境，在充气后能有良好的刚性，因此，近10年里国外在可充气结构和材料方面发展较快。然而，近太空随着高度的增大，风速也不断增加，而且近太空的风速还随着纬度的不同而变化，通常纬度越高风速越大。大气压力也是近太空环境中的一个重要因素。大气压力下降50％时，气球的体积大约增大1倍，对材料本身的拉伸强度，抗撕裂强度，韧性等都有较高的要求。同时高空气球工作高度一般在30至40公里(平流层)，当气球升至工作高度的过程中要经过对流层(层顶高度15公里)，顶部温度-75℃，加之高空风的风速梯度对气球的剪切力，要求球膜材料有优异的低温性能，能经受低温脆化的考验及有尽可能大的低温伸长率，气球在上升和平飞过程中都有可能使气球头部和局部应力集中，应力是各向同性的，要求球体薄膜的纵、横向强度基本一致及薄膜的厚度均匀性较好。同时近太空的臭氧、紫外线对近太空平台表面材料具有腐蚀、老化作用，因而也是设计过程中应该考虑的因素。(戴义方,姜鲁华,宣百辞.高空气球球膜性能的改进[C]//中国空间科学学会空间探测专业委员会第七次学术会议.1994.)胶乳气球的主体材料是橡胶胶乳。胶乳种类对气球工艺性能和胶膜物理机械性能、耐老化性能以及升空性能的影响极大。在国外橡胶气球研究生产中广泛应用的胶乳品种：一种是天然橡胶离心浓缩胶乳；另一种是合成氯丁胶乳，前者主要具有优异的成膜性能、工艺性和耐寒性，但耐候性和气密性较差，后者具有优异的耐候性和气密性，但耐寒性能较差。当前国内探空气球生产中采用的原料胶乳主要是天然橡胶离心浓缩胶乳。(王乐铭,刘永增.950克、750克天然胶乳探空气球的研制[J].特种橡胶制品,1984(6):27-34.)层状硅酸盐与石墨烯作为片层状材料，具有很高的比表面积以及巨大的长径比，可以明显的提高复合材料的气密性。氧化石墨烯(GrapheneOxide，GO)是石墨烯的一种重要的派生物，也被称为功能化的石墨烯。相对于石墨烯来讲，损失了一定的电热性能，但是其仍然具有高比表面积、高模量、大纵横比以及气体不渗透性等特点，它的结构与石墨烯大体相同，只是在二维面上连有一些官能团，主要是含氧官能团，比如羟基、羧基和环氧基等，其中羟基和环氧官能团主要位于石墨片的基面上，而羟基和部分羧基则处在边缘处，使得一些极性有机分子和聚合物可以很容易与氧化石墨烯复合，从而制备纳米复合材料。(杨永岗,陈成猛,温月芳,等.氧化石墨烯及其与聚合物的复合[J].新型炭材料,2008,23(3):193-200.)层状硅酸盐如蒙脱土(MMT)、水辉石、海泡石等，它们的结晶晶格是由一个铝氧(镁氧)八面体夹在两个硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构，长、宽从30nm至几微米不等，层与层之间靠范德华力结合，并形成范德华沟(又称层间隙)。由于2/1型层状硅酸盐部分晶胞中铝氧八面体内的3价铝被2价镁同晶置换，晶片带有电负性，因此在片层表面吸附了阳离子补偿过剩的负电荷以保持电中性。层状硅酸盐/橡胶纳米复合材料具有优异的综合物理性能、气体阻隔性能、耐疲劳性能以及一些功能性能。然而如何将氧化石墨烯、层状硅酸盐引进天然橡胶基体并实现均匀的分散，从而得到强界面结合的复合材料，则是我们重点需要解决的技术难题。同时天然橡胶本身作为非极性橡胶，与氧化石墨烯、层状硅酸盐的相容性很差，故此在橡胶基体里，氧化石墨烯、层状硅酸盐很难均匀的分散进入橡胶分子链间，从而造成氧化石墨烯、层状硅酸盐的大量团聚，损失其应用的较为完美的力学性能。
技术实现思路
为了解决以上现有技术中存在的问题，本专利技术着力于制备一种可应用于太空热气球球膜的天然橡胶复合材料，将氧化石墨烯和/或层状硅酸盐引入橡胶基体里。为实现氧化石墨烯、层状硅酸盐在橡胶基体里均匀的分散，形成强界面结合。本专利技术对氧化石墨烯、层状硅酸盐进行了预处理，目的是增强氧化石墨烯、层状硅酸盐和橡胶基体的相容性，借助于氧化石墨烯表面大量的含氧官能团，诸如羟基、环氧基、羧基等，使其和界面剂反应，从而改善其极性，增强与天然胶乳的相容性；层状硅酸盐经过界面剂预处理后，使片层表面得到改性，晶层间距增加，增加了粘土与高分子的亲和性，有利于聚合物大分子插层到片层。本专利技术的目的之一是提供一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料，由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：天然橡胶100份；氧化石墨烯和/或层状硅酸盐0.1～10份；优选3～9份；稳定剂0.1～6份；优选3～5份。其中，氧化石墨烯和层状硅酸盐经过界面剂的预改性。所述天然橡胶的固含量优选为20～70％，更优选为40～60％。优选地，所述氧化石墨烯层数为1～10层，片层厚度为0.3～3nm，横向尺寸为1～4μm。优选地，所述层状硅酸盐选自蒙脱土、粘土、累托石、云母、滑石、高岭土中的至少一种。优选地，所述稳定剂选自氨水、氢氧化钾、十六烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。优选地，所述氧化石墨烯的界面剂A的用量为氧化石墨烯用量的1～100％，更优选3～15％，所述界面剂A选自硅烷偶联剂、季铵盐、或环氧天然橡胶胶乳，更优选氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷偶联剂(KH570)、环氧度为10％～80％的环氧天然橡胶胶乳等。优选地，所述层状硅酸盐的界面剂B的用量为层状硅酸盐用量的10～100％，更优选10～20％，所述界面剂B选自能够与层状硅酸盐发生离子交换的物质，更优选季铵盐或吡啶。本专利技术所述复合材料还包括以下组分中的至少一种，以天然橡胶100重量份为计：防老剂0.5～1份；硫化促进剂2～4份；硫化剂1～3份。其中，所述防老剂选择本领域常用的防老剂，优选为防老剂D、防老剂RD、防老剂124、防老剂4010NA中的至少一种。所述硫化促进剂选择本领域常用的硫化促进剂，优选为N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺(促进剂CZ)、促进剂DPG、促进剂D等。所述硫化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料，其特征在于所述复合材料由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：/n天然橡胶 100份；/n氧化石墨烯和/或层状硅酸盐 0.1～10份；/n稳定剂 0.1～6份；/n其中，氧化石墨烯和层状硅酸盐经过界面剂的预改性。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于太空气球的氧化石墨烯和/或层状硅酸盐天然橡胶复合材料，其特征在于所述复合材料由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：
天然橡胶100份；
氧化石墨烯和/或层状硅酸盐0.1～10份；
稳定剂0.1～6份；
其中，氧化石墨烯和层状硅酸盐经过界面剂的预改性。


2.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于所述复合材料由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：
天然橡胶100份；
氧化石墨烯和/或层状硅酸盐3～9份；
稳定剂3～5份。


3.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于：
所述天然橡胶的固含量为20～70％，优选为40～60％。


4.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于：
所述氧化石墨烯层数为1～10层，片层厚度为0.3～3nm，横向尺寸为1～4μm。


5.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于：
所述层状硅酸盐选自蒙脱土、粘土、累托石、云母、滑石、高岭土中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于：
所述稳定剂选自氨水、氢氧化钾、十六烷基苯磺酸、十六烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。


7.根据权利要求1所述的天然橡胶复合材料，其特征在于：
所述氧化石墨烯的界面剂A的用量为氧化石墨烯用量的1～100％，所述界面剂A选自硅烷偶联剂、季铵盐、或环氧天然橡胶胶乳；
所述层状硅酸盐的界面剂B的用量为层状硅酸盐用量的10～100％...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓辉，尹田雨，李鹏举，张立群，肖迪娥，谌志鹏，
申请(专利权)人：北京化工大学，中国化工株洲橡胶研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11