石墨烯复合材料及其制备方法技术

本申请涉及石墨烯复合材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8

【技术实现步骤摘要】
石墨烯复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯材料
，具体涉及一种适用于高性能轮胎橡胶增强填料的石墨烯复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]用于轮胎的橡胶应具有较高的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性、抗老化性及抗湿滑性等，而橡胶材料本身强度较低，抗老化性能较差，为了提高橡胶的力学性能及抗老化性能等，需要添加补强剂。常用的补强剂是炭黑和白炭黑，炭黑是轮胎最早使用的补强填料，对轮胎橡胶的力学性能、耐磨性、抗老化性等具有良好的增强作用。不过以炭黑为增强填料时，轮胎的使用寿命、节油性能和抗湿滑能力存在此长彼消的特点，这种现象称为轮胎的魔鬼三角。以白炭黑为填料可以打破轮胎的魔鬼三角(轮胎可兼具使用寿命长，节约燃油及抗湿滑性好的特点)，不过以白炭黑为填料制备的橡胶力学性能较低，不适用于承受高负荷的轮胎，如航空轮胎、载重轮胎等。
[0003]石墨烯的抗拉强度125GPa，弹性模量1.1TPa，常温下热导率为5300W/m.k，电导率106S/m，物理化学性质稳定，且具有空气阻隔性；若把石墨烯材料加入橡胶中，可能显著提高橡胶的力学性能、导热性、抗静电及耐老化性能。然而，石墨烯是碳原子的最外层电子以sp2杂化形成的蜂窝状的准二维材料，由于片层上含有大量的π电子，片层间有很强的π
‑
π作用，因此很难在橡胶中均匀分散。若石墨烯在橡胶中团聚，会产生局部应力，不但不能发挥石墨烯优良的力学性能，甚至会降低橡胶的拉伸强度、撕裂强度等性能。另外，石墨烯和橡胶分子之间的作用力主要是范德华力，二者的作用力较弱。当橡胶受到应力产生应变时，橡胶分子和石墨烯片层产生滑移，石墨烯不但不能有效承载施加于橡胶分子上的作用力，而且由于滑移产生摩擦热，致使橡胶温度升高，力学性能及抗老化性能下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是制备一种易于在橡胶中均匀分散，并且与橡胶具有良好界面相容性的石墨烯复合材料，这种石墨烯复合材料可显著增强硫化橡胶的力学性能、耐磨性、抗老化性及抗静电性等，适用于作为航空轮胎、高档轿车轮胎、载重轮胎等具有运行速度高、承载负荷大等特点的轮胎橡胶增强填料。
[0005]一方面，本申请提供一种石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0006]a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8
‑
13，分散；
[0007]b)将步骤a)的氧化石墨烯溶液调节pH值为2
‑
7；
[0008]c)向步骤b)的氧化石墨烯溶液中加入偶联剂溶液，反应得到氧化石墨烯
‑
偶联剂材料的反应液；
[0009]d)向所述氧化石墨烯
‑
偶联剂材料的反应液中加入还原剂进行还原反应，得所述石墨烯复合材料。
[0010]在一种实施方式中，步骤a)中，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为
100mg/L～3000mg/L。
[0011]在一种实施方式中，步骤a)中调节pH值包括：向所述氧化石墨烯水溶液中加入可溶性碱，所述可溶性碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种或多种。
[0012]在一种实施方式中，步骤a)中的分散采用超声分散，分散的时间为0.5
‑
2小时。
[0013]在一种实施方式中，步骤b)中调节pH值包括：向所述超声后的氧化石墨烯水溶液中加入可溶性酸，所述可溶性酸选自盐酸、硫酸、磷酸、冰醋酸、柠檬酸等中的一种或多种。
[0014]在一种实施方式中，所述偶联剂为硅烷偶联剂，
[0015]所述硅烷偶联剂具有通式Y
‑
(CH2)
m
‑
[Si
‑
(X)3]n
,
[0016]其中X为甲氧基，乙氧基中的一种，m为0
‑
10，n为1或2；Y选自乙烯基、氨基、环氧基、巯基、多硫烷基、丙烯酰氧基中的一种或多种。
[0017]在一种实施方式中，步骤c)中，所述氧化石墨烯与所述偶联剂的质量比为1：(0.1～5)；反应温度为60
‑
100℃，反应时间为1
‑
10h。
[0018]在一种实施方式中，步骤d)中，所述还原剂选自柠檬酸钠、葡萄糖、抗坏血酸、硼氢化钠、水合肼、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、乙二醇和甲醛中的一种或多种；所述还原反应的温度为30℃～100℃，所述还原反应的反应时间为0.1h～10h。
[0019]在一种实施方式中，所述方法还包括：
[0020]步骤e)对步骤d)所得溶液过滤、洗涤并干燥，所述干燥包括冷冻干燥或在50℃～100℃下烘干干燥。
[0021]本申请涉及一种石墨烯复合材料，其采用本申请制备方法获得。
[0022]本申请还涉及本申请石墨烯复合材料作为轮胎橡胶增强填料的应用，以及一种轮胎橡胶组合物，其包含轮胎橡胶基质和本申请的石墨烯复合材料。在一种实施方式中，轮胎橡胶可以包括航空轮胎橡胶、高档轿车轮胎橡胶、载重轮胎橡胶等。
[0023]由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术提出一种石墨烯复合材料的制备方法，该方法制备的石墨烯复合材料易于在橡胶中均匀分散，并与橡胶具有较强的界面作用。以该石墨烯复合材料为橡胶的增强填料，制备的硫化胶具有力学性能优异，耐磨性好，压缩生热低，抗老化性强及抗静电等特点，适用于作为航空轮胎、高档轿车轮胎、载重轮胎等的橡胶增强填料。
附图说明
[0025]以下附图用于提供对本专利技术的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。
[0026]图1A示出石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)以及改性氧化石墨烯(改性GO)的XRD图，图1B示出实施例1的石墨烯复合材料的XRD图，表1是根据石墨烯材料的X射线衍射峰所在位置及布拉格公式计算的石墨烯材料的片层间距。
[0027]图2示出石墨烯材料及相应硫化橡胶的SEM图，其中，A，氧化石墨烯；B，实施例1的石墨烯复合材料；C，未加实施例1的石墨烯复合材料的硫化橡胶；D，加实施例1的石墨烯复合材料的硫化橡胶；
[0028]图3示出不含石墨烯复合材料以及包含实施例1、2的石墨烯复合材料的硫化橡胶
的老化前后的力学性能(A，拉伸强度；B，断裂伸长率；C，撕裂强度；以及D，压缩生热和阿克隆磨耗图)。
具体实施方式
[0029]下面根据具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明。本专利技术的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本专利技术。
[0030]本申请提供一种石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0031]a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8
‑
13，分散；
[0032]b)将步骤a)的氧化石墨烯溶液调节pH值为2
‑
7；
[0033]c)向步骤b本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8
‑
13，分散；b)将步骤a)的氧化石墨烯溶液调节pH值为2
‑
7；c)向步骤b)的氧化石墨烯溶液中加入偶联剂溶液，反应得到氧化石墨烯
‑
偶联剂材料的反应液；d)向所述氧化石墨烯
‑
偶联剂材料的反应液中加入还原剂进行还原反应，得所述石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为100mg/L～3000mg/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中调节pH值包括：向所述氧化石墨烯水溶液中加入可溶性碱，所述可溶性碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中的分散采用超声分散，分散的时间为0.5
‑
2小时。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中调节pH值包括：向所述超声后的氧化石墨烯水溶液中加入可溶性酸，所述可溶性酸选自盐酸、硫酸、磷酸、冰醋酸、柠檬酸等中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，刘晓晨，张世鑫，宋晨晓，曹建苹，廖万林，赵瑞，刘平，
申请(专利权)人：宁夏神州轮胎有限公司，
类型：发明
国别省市：