氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法及其在橡胶中的应用技术

本发明专利技术涉及一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法及其在橡胶中的应用，包括以下步骤：A、将质量比3~7：1~4：1.5~5.3：1.3~4.1：2.1~6.4的壳聚糖、磷酸氢二铵、(乙烷

【技术实现步骤摘要】
氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法及其在橡胶中的应用


[0001]本专利技术涉及氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法及其在橡胶中的应用，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、太阳能电池和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。橡胶止水带作为建筑中、水土结构之间混凝土接缝中的防渗材料，橡胶的强度，包括硬度、拉伸强度、撕裂程度，会影响桥梁结构整体的抗震能力和使用寿命。
[0004]因此，开发补强效果好的碳材料是非常必要的。

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氮、磷、铁掺杂的碳材料，并提供了其制备方法及其在橡胶中的应用。
[0006]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案是：技术主题一一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法，包括以下步骤：A、将质量比3~7：1~4：1.5~5.3：1.3~4.1：2.1~6.4的壳聚糖、磷酸氢二铵、(乙烷
‑
1,2
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二基双(膦基))四甲醇、氯化锌和高铁酸钾球磨，静置，得到中间产物；B、在空气气氛下，将中间产物于180
‑
220℃处理2
‑
4h后，再置于惰性气氛中进行炭化反应，冷却至室温得到氮、磷、铁掺杂的碳材料。
[0007]作为本专利技术优选的实施方案，所述步骤A中壳聚糖、磷酸氢二铵、(乙烷
‑
1,2
‑
二基双(膦基))四甲醇、氯化锌和高铁酸钾的质量比为5：2：2：2：3。
[0008]作为本专利技术优选的实施方案，所述步骤A球磨步骤具体为球磨15
‑
25min暂停4
‑
6min，重复2
‑
4次。
[0009]作为本专利技术优选的实施方案，所述步骤A球磨的转速为450
‑
550转/分钟。
[0010]作为本专利技术优选的实施方案，所述静置步骤具体为静置50
‑
70min。
[0011]作为本专利技术优选的实施方案，所述步骤B中，炭化反应的温度为850
‑
950℃，时间为
2.5
‑
3.5h。
[0012]作为本专利技术优选的实施方案，所述步骤B炭化步骤具体为以15~25mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.2~1.7℃/min的速率升温至300
±
10℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900
±
10℃后保持2.5~3.5个小时。
[0013]作为本专利技术优选的实施方案，所述壳聚糖的粘度为200
‑
400 mPa.s。
[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氮、磷、铁掺杂的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止水带。
[0016]在本专利技术的一些实施方案中，所述橡胶止水带的原料包括质量比100：40：5：1：1：2的丁基橡胶、氮、磷、铁掺杂的碳材料、ZnO、硬脂酸、促进剂和硫磺；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)和2
‑
硫醇基苯并噻唑(M)。
[0017]橡胶止水带制备过程：将 100kg 丁基橡胶放入密炼机破胶，塑炼30s，提栓；将 40kg氮、磷、铁掺杂的碳材料加入密炼机，进行一段混炼，混炼2min，然后将5kgZnO、1kg硬脂酸一并加入，混炼时间维持约 6 min，温度约140℃，90 s后排胶；然后调整开炼机辊距，倒胶3次后下片，并冷却至室温；然后在开炼机上将2kg硫磺与1kg促进剂混入进行二段混炼，薄通，三角包与打卷各三次，下片；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，硫化压力10MPa；其中促进剂为质量比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)。
[0018]采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术所提供的碳材料制备方法中，各个组分搭配协同，同时掺杂金属元素，提高了碳材料的分散度，应用于橡胶后能够与橡胶充分接触，有效避免团聚，从而可有效补强橡胶。采用本专利技术方法制备的碳材料制备橡胶止水带，经测试，符合Q/CR 562.2
‑
2017《铁路隧道防排水材料 第 2 部分∶止水带》标准。
[0019]本专利技术中，高铁酸钾作用是氧化剂、造孔剂，其在高温下可直接氧化氨基为硝酸基，防止氮原子释放，具有固氮作用，提高产物氮含量；高温下高铁酸钾分解产生氧气，对材料具有刻蚀作用，能够调控产物形貌、提高孔隙率、增大比表面积；高铁酸钾又是良好的铁源，能够与(乙烷
‑
1,2
‑
二基双(膦基))四甲醇进行配位，起到掺铁、掺磷的作用。
[0020]磷酸氢二铵在空气氛围、高温下分解释放氨气和水，氨气和水是优良的造孔剂，能够增大材料的比表面积，氨基和磷酸根能够与原料之间产生氢键，促进原料聚合。另外，磷酸氢二铵还是氮源和磷源。
[0021](乙烷
‑
1,2
‑
二基双(膦基))四甲醇是膦配体，能够与金属配位，起到锁定金属的作用，而且还是磷源；(乙烷
‑
1,2
‑
二基双(膦基))四甲醇的羟基能够与壳聚糖的羟基、氨基之间形成键连，提高产物产率。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例1制备的碳材料的粒径分布图。
具体实施方式
[0023]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。
[0024]本实施例中采用的各个物质均可由市售购买得到，其中壳聚糖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A、将质量比3~7：1~4：1.5~5.3：1.3~4.1：2.1~6.4的壳聚糖、磷酸氢二铵、(乙烷
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1,2
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二基双(膦基))四甲醇、氯化锌和高铁酸钾球磨，静置，得到中间产物；B、在空气气氛下，将中间产物于180~220℃处理2
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4h后，再置于惰性气氛中进行炭化反应，冷却至室温得到氮、磷、铁掺杂的碳材料。2.根据权利要求1所述的一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中壳聚糖、磷酸氢二铵、(乙烷
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1,2
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二基双(膦基))四甲醇、氯化锌和高铁酸钾的质量比为5：2：2：2：3。3.根据权利要求1所述的一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A球磨步骤具体为球磨15
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25min暂停4
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6min，重复2
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4次。4.根据权利要求1所述的一种氮、磷、铁掺杂的碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A球磨的转速为450
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【专利技术属性】
技术研发人员：王莎莎，田志，许跃龙，任斌，石娟，王毅，翟作昭，
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：