[發明專利]一種石墨烯/炭黑復合粒子的制備方法

有效

• 申請號: 201710451152.7
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107141512B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 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: C08K9/02
• 分類號: C08K9/02;C08K9/04;C08K3/04;C08L7/00;C08L9/06
• 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/炭黑復合粒子的制備方法屬于納米復合材料領域。本發明重點解決石墨烯和炭黑在橡膠中分散性不好的難題。本發明通過構建石墨烯氣凝膠的相互交聯的網絡結構，并在形成石墨烯氣凝膠的過程當中將炭黑分散于氣凝膠的微孔中。并把上述復合氣凝膠加入到橡膠基體中，避免了石墨烯和炭黑填料分別加入同一橡膠基體在其內部的聚集。本發明提供的氣凝膠是具有大孔隙率和比表面積的三維碳材料，因此這種石墨烯/炭黑復合氣凝膠可以作為優異的補強材料應用在橡膠補強中，可以提升橡膠的耐磨性能。石墨烯/炭黑氣凝膠由于具有優越的力學性能及自身結構致使其在高性能橡膠補強的應用潛力巨大。

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

石墨烯材料具有優異的力學性能，材料面內全部六邊形的π鍵構成，所有的碳原子都有序排列在同一平面上，使得石墨烯材料具有非常好的強度及剛度。2004年由Geim等人首次利用微機械剝離的方法首次獲得無支撐的單層石墨烯。石墨烯只有單層的厚度,是一種比表面積非常大的材料,可以改變它的形態和表面面積來得到其他維度的材料比如富勒烯、碳納米管等。通常單層的石墨烯比較難制備并且難以穩定存在，因此通常將10層以下的石墨定義為石墨烯，這種少層的石墨烯與普通三維石墨不同，具有特殊的電子特性、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是關鍵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，炭黑作為一種非常傳統的橡膠增強劑，在橡膠補強中具有非常獨特的作用。炭黑增強的橡膠中，具有滾動阻力低，抗濕滑性能好的特點。但同時炭黑由于是納米顆粒，炭黑粒徑一般可達到100～300nm，有時超過500nm。炭黑的粒徑具有一定的分散性，粒徑分布對補強性能有一定的影響，一般希望粒徑分布窄些好。炭黑粒子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炭黑的復合填料，同時解決兩者在橡膠中分散難、易團聚的問題。主要方法是在石墨烯和炭黑混合的過程中，構建石墨烯的氣凝膠結構。在形成石墨烯氣凝膠的過程當中，實現使炭黑粒子均勻分散在石墨烯氣凝膠的微孔中，最終實現兩種粒子相互的隔離，達到良好分散的結果。最終將這種復合粒子和橡膠復合，得到新型的石墨烯/炭黑橡膠納米復合材料，其綜合性能高于將石墨烯和炭黑分別摻雜于橡膠中的復合材料的性能。

發明內容

本發明的目的是提出一種石墨烯/炭黑復合粒子的制備方法，重點解決石墨烯和炭黑在橡膠中分散性不好的難題。本發明主要通過構建石墨烯氣凝膠的相互交聯的網絡結構，并在形成石墨烯氣凝膠的過程當中將炭黑分散于氣凝膠的微孔中。并把上述復合氣凝膠加入到橡膠基體中，避免了石墨烯和炭黑填料分別加入同一橡膠基體在其內部的聚集。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：步驟一：(1)將氧化石墨烯與溶劑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100～4000HZ、溫度為0～95℃，超聲時間為0.1～5h，得到濃度為1mg/ml～20g/ml的氧化石墨烯溶液；(2)將炭黑與氧化石墨烯以質量比(1～50)：1把炭黑加入溶劑中，然后進行超聲分散得到氧化石墨烯/炭黑溶液，其中超聲的頻率為100～5000W，時間為0.1～4h，溫度控制在50℃以下。將分散劑與炭黑以質量比(1～20)：1把分散劑加入炭黑溶液中，將上述溶液在室溫下混合1-180min，使分散劑完全溶解，得到均勻分散的炭黑溶液；

步驟二：(1)(1)將還原劑與氧化石墨烯以質量比(0.1～30)：1在氧化石墨烯/炭黑溶液加入還原劑，混合1-180分鐘，然后將混合液加熱恒溫保持在10～80℃，反應0.5～36h，得到石墨烯/炭黑的凝膠；(2)將上述得到的石墨烯/炭黑凝膠先反復用乙醇清洗1～10次；(3)將反復用乙醇清洗過的石墨烯/炭黑液體凝膠，再用溶解氧化石墨烯的同種溶劑置換凝膠中的液體，置換時間為1～7天；