[發明專利]一種石墨烯/二氧化硅/橡膠復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710337522.4
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN107022119B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 溫世鵬;涂菁琬;劉力
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C08L7/00
• 分類號: C08L7/00;C08L9/06;C08L9/02;C08L23/16;C08L11/00;C08L23/22;C08L9/00;C08L27/12;C08L83/04;C08K7/26;C08K3/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種石墨烯/二氧化硅/橡膠復合材料的制備方法屬于納米復合材料領域。本發明提出構建一種石墨烯和二氧化硅的復合填料，同時解決石墨烯和二氧化硅在橡膠中分散難、易團聚的問題。主要方法是在石墨烯和二氧化硅混合的過程中，構建二氧化硅氣凝膠，使石墨烯片層均勻分散于二氧化硅氣凝膠當中。最終將這種復合粒子和橡膠復合，得到新型的石墨烯/二氧化硅橡膠納米復合材料，其綜合性能高于將石墨烯和二氧化硅分別摻雜于橡膠中的復合材料的性能。

技術領域

本發明涉及一種石墨烯材料應用，屬于納米復合材料領域。

背景技術

石墨烯是一種由sp²軌道雜化的碳原子緊密堆積而成的單層二維蜂窩狀晶格結構的碳質材料。2004年由英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶剝離高定向石墨的方法首次成功制得真正能夠獨立存在的二維石墨烯晶體。石墨烯在平面內有無限重復的周期結構，在垂直于平面的方向只有納米尺度，可以看作是具有宏觀尺寸的納米材料。石墨烯具有高比表面積，大寬高比，高模量以及良好的溶劑分散性，是一種很有潛力的橡膠增強填料。要使得石墨烯在橡膠復合材料中實現性能的最大化，實現石墨烯在橡膠基體中的均勻分散以及獲得良好的界面，在橡膠基體中的分散是橡膠增強的一大問題，而解決石墨烯在橡膠基體中的分散仍然是獲得高性能橡膠制品的難點和關鍵。

同時，二氧化硅作為傳統橡膠采用的增強劑，具有非常獨特的作用。二氧化硅增強的橡膠中，具有滾動阻力低，抗濕滑性能好的特點。但同時二氧化硅由于是納米顆粒，具有強烈的聚集傾向，在橡膠中的分散也是一大難點。

因此本專利提出構建一種石墨烯和二氧化硅的復合填料，同時解決石墨烯和二氧化硅在橡膠中分散難、易團聚的問題。主要方法是在石墨烯和二氧化硅混合的過程中，構建二氧化硅氣凝膠，使石墨烯片層均勻分散于二氧化硅氣凝膠當中。最終將這種復合粒子和橡膠復合，得到新型的石墨烯/二氧化硅橡膠納米復合材料，其綜合性能高于將石墨烯和二氧化硅分別摻雜于橡膠中的復合材料的性能。

發明內容

本發明的目的是開發一種石墨烯/二氧化硅復合粒子的制備方法，重點解決石墨烯和二氧化硅在橡膠中分散的難題。本發明主要采用構建二氧化硅氣凝膠，然后將石墨烯均勻分散于二氧化硅氣凝膠的微孔中。使其在加入橡膠中達到補強的作用的同時，避免了兩者在橡膠集體中的團聚問題。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

步驟一：制備前驅體溶液：(1)將氧化石墨烯和水以質量比1:(1～1000)混合后得到氧化石墨烯的溶液，放在超聲儀中進一步超聲分散，超聲的頻率為100～5000HZ、溫度為0～100℃，超聲時間為0.1～4h，得到濃度為1mg/ml～50g/ml的氧化石墨烯水溶液；(2)將硅源與溶劑以質量比1：(1～100)混合得到混合溶液；用磁力攪拌子或機械攪拌在溫度30℃～80℃下進行攪拌，攪拌時間為0.5～2h，攪拌至使其充分相互溶解；

步驟二：制備雜化液體凝膠：(1)將步驟一中得到的氧化石墨烯的水溶液與硅源的混合溶液以質量比1:1～500加入到一起，然后再將氧化石墨烯和表面活性劑以質量比1:1～100的比例加入表面活性劑，混合并預攪拌1-5h，再加入還原劑，繼續攪拌1-5h，同時保持混合液加熱恒溫在10～80℃再加入pH＝10～14的堿性催化劑與硅源的質量比為1:1～50，邊滴加邊攪拌，攪拌的時間為15～60min，形成凝膠狀物質，得到石墨烯/二氧化硅凝膠；(2)將上述得到的石墨烯/二氧化硅凝膠先反復用溶劑浸泡1～10次；(3)將反復用溶劑浸泡過的石墨烯/二氧化硅液體凝膠放置在室溫進行陳化，陳化時間為1～10天；

步驟三：制備石墨烯/二氧化硅/橡膠復合材料：將石墨烯/二氧化硅液體凝膠放置在真空干燥箱里，在25～100℃的溫度下，抽真空干燥5～24h；干燥后的材料進一步粉碎，得到粉末狀復合材料，再加入到橡膠材料中，按照配方制備石墨烯/二氧化硅/橡膠復合材料。