氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法及其在橡胶中应用技术

本发明专利技术涉及氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法及其在橡胶中应用，其包括如下步骤：S1：将聚琥珀酰亚胺、金属盐混合，溶于N,N

【技术实现步骤摘要】
氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法及其在橡胶中应用


[0001]本专利技术涉及一种氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法及其在橡胶中应用，属于碳材料


技术介绍

[0002]碳是自然界分布最普遍的元素之一，其原子间除了以sp3杂化形成单键，还能以sp3及sp杂化形成稳定的双键和三键，因此可以形成结构和性质迥然不同的同素异形体，如零维的炭黑和富勒烯，一维的碳纳米管和碳纳米纤维，二维的石墨烯等。从传统的炭黑到最新的二维石墨烯，碳材料一直以其独特而优异的力学、电学和热学等性质被广泛应用于吸附剂、催化剂、燃料电池、二次电池的电极材料、超级电容、复合材料、气敏元件、太阳能电池、多种电子器件等领域。
[0003]碳材料可作为填充剂加入到橡胶中，可增强橡胶的物理、热学、电学和气/液阻隔等多方面的性能，且可降低橡胶制品生产成本。目前，常用于橡胶中的碳材料为石墨、炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维、碳纳米管，但这些碳材料亦有很多缺陷，不能充分发挥其应有的增强作用，如在橡胶基体中容易发生团聚，不易与橡胶基体良好的结合。
[0004]鉴于此，需要专利技术一种能够提升碳材料性能的方法，以适用于橡胶补强需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可有效补强橡胶力学性能的氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：技术主题一氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：S1：将聚琥珀酰亚胺、金属盐混合，溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺，搅拌，加入乙二胺，搅拌至凝胶状，静置后清洗抽滤、冷冻干燥得到固体；S2：将S1得到的固体在保护气氛围下，700
‑
900℃炭化1
‑
3h，冷却至室温，得到碳材料。
[0007]在本专利技术的一些实施方案中，所述聚琥珀酰亚胺、金属盐、N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙二胺的质量比为1：0.3
‑
1.6: 2
‑
5：0.5
‑
1.5。
[0008]在本专利技术的一些实施方案中，所述聚琥珀酰亚胺、金属盐、N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙二胺的质量比为1：0.3：5：1.25。
[0009]在本专利技术的一些实施方案中，所述金属盐选自CdN2O6.4H2O、Na2SnO3·
3H2O、CuSO4·
5H2O、PbCO3中的一种或任意两种以上的组合。
[0010]在本专利技术的一些实施方案中，所述金属盐为质量比1:1的CdN2O6.4H2O和Na2SnO3·
3H2O。
[0011]在本专利技术的一些实施方案中，所述步骤S2中，保护气以15～40mL/min的速率不断
通入。
[0012]在本专利技术的一些实施方案中，所述步骤S2中，先从室温以1.2～1.8℃/min的速率升温至280～320℃，然后以2～2.2℃/min速率升温到700
‑
900℃后保持1～3个小时，再以5℃/min的速率降至500℃，最后自然降温至室温，得到碳材料。
[0013]在本专利技术的一些实施方案中，所述步骤S2中，加入乙二胺的速率为3
‑
6mL/min。
[0014]技术主题二一种如技术主题一所提供的制备方法获得的氧、氮和金属共掺杂碳材料在橡胶领域的应用。
[0015]在本专利技术的一些实施方案中，所述应用为制备橡胶支座。
[0016]在本专利技术的一些实施方案中，所述橡胶支座的原料包括质量比100：40：5：1：1：2的天然橡胶、氧、氮和金属共掺杂碳材料、ZnO、硬脂酸、促进剂、硫磺；所述促进剂为质量比1：0.5：0.2：2：0.2的二硫化二苯并噻唑(DM)、N
‑
环己基
‑2‑
苯并噻唑次黄酰胺（CZ）、二硫化二甲基秋兰姆（TMTD）、二硫代二吗啉(DTDM)、2
‑
硫醇基苯并噻唑(M)。
[0017]橡胶支座制备过程：将 100g 天然橡胶放入密炼机塑炼，30s，提栓；将 40g氧、氮和金属共掺杂碳材料加入密炼机，进行混炼，混炼至扭矩曲线区域平稳；将5gZnO、1g硬脂酸一并加入，通过调节扭矩值，将物料温度维持 140℃，90 s 后排胶；混炼时间维持 6 min；在开炼机进行塑炼下片，并冷却至室温，再次用开炼机加入硫化体系，将2g硫磺与1g促进剂混入胶片后，三角包与打卷各三次，下片，制得混炼胶；将混炼胶放入模具中硫化成型即得橡胶，所述硫化温度为145
°
C，硫化时间为180s。
[0018]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本方明所提供的方法中，聚琥珀酰亚胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺搭配，同时掺杂金属元素，制备的氧、氮和金属共掺杂碳材料，比表面积200
‑
600 m2/g，氮含量0.25
‑
1.5 at%, 氧含量5
‑
18at%，粒径分布2
‑
35 nm。采用本专利技术方法制备得到碳材料制备橡胶，进行橡胶力学性能试验，硬度（IRHD）为62~65，拉伸强度可达23MPa，拉断伸长率可达635%，恒定压缩永久变形（70℃
×
24h）可达11%，橡胶与钢板粘接剥离强度可达16KN/m，橡胶与四氟板粘接剥离强度可达12KN/m，热空气老化试验（168℃
×
70h）中，硬度变化2~8，拉伸强度变化
‑
3 ~
ꢀ‑
13%，拉断伸长率变化率
‑
8 ~
ꢀ‑
19，耐臭氧老化(25pphm,20%伸长，40℃*96h)无龟裂。
[0019]其中，聚琥珀酰亚胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺协同，制备的碳材料应用于橡胶，提高了橡胶的力学性能；CdN2O6.4H2O和Na2SnO3·
3H2O协同掺杂制备碳材料，进一步提高了橡胶的拉伸强度和拉断伸长率；在碳材料中掺杂了金属和氮，提高了橡胶的导热性，进而提高了橡胶的抗老化能力。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0021]图1为本专利技术实施例1碳材料的氮气吸脱附曲线图；图2为本专利技术实施例1电极碳材料氮的XPS图；
图3为本专利技术实施例1电极碳材料氧的XPS图；图4为本专利技术实施例1碳材料粒径分布图。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对专利技术进行清楚、完整的描述。
[0023]聚琥珀酰亚胺，型号P303994 ，分子量 7000本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将聚琥珀酰亚胺、金属盐混合，溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺，搅拌，加入乙二胺，搅拌至凝胶状，静置后清洗抽滤、冷冻干燥得到固体；S2：将S1得到的固体在保护气氛围下，700
‑
900℃炭化1
‑
3h，冷却至室温，得到碳材料。2.根据权利要求1所述的氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述聚琥珀酰亚胺、金属盐、N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙二胺的质量比为1:0.3
‑
1.6: 2
‑
5:0.5
‑
1.5。3.根据权利要求1所述的氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述聚琥珀酰亚胺、金属盐、N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙二胺的质量比为1：0.3：5：1.25.。4.根据权利要求1所述的氧、氮和金属共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自CdN2O6.4H2O、Na2SnO3·
3H2O、CuSO4·...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宝文，田志，王莎莎，李金红，任斌，石娟，栾广扬，国彤，朱红萍，高茜，
申请(专利权)人：河北宝力工程装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：