[發(fā)明專利]石墨烯復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110724385.6
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN115536911A
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王輝;劉曉晨;張世鑫;宋晨曉;曹建蘋;廖萬林;趙瑞;劉平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京石墨烯研究院有限公司;寧夏神州輪胎有限公司
• 主分類號: C08K9/06
• 分類號: C08K9/06;C08K3/04;C08L21/00;C08L7/00;B60C1/00
• 代理公司: 北京律智知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11438
• 代理人: 崔香丹;李華

本申請涉及石墨烯復(fù)合材料及其制備方法，該制備方法包括如下步驟：a)將氧化石墨烯水溶液調(diào)節(jié)pH值為8?13，分散；b)將步驟a)的氧化石墨烯溶液調(diào)節(jié)pH值為2?7；c)向步驟b)的氧化石墨烯溶液中加入偶聯(lián)劑溶液，反應(yīng)得到氧化石墨烯?偶聯(lián)劑材料的反應(yīng)液；d)向所述氧化石墨烯?偶聯(lián)劑材料的反應(yīng)液中加入還原劑進(jìn)行還原反應(yīng)，得所述石墨烯復(fù)合材料。該方法制備的石墨烯復(fù)合材料易于在橡膠中均勻分散，并與橡膠具有較強(qiáng)的界面作用。以該石墨烯復(fù)合材料為橡膠的增強(qiáng)填料，制備的硫化膠具有力學(xué)性能優(yōu)異，耐磨性好，壓縮生熱低，抗老化性強(qiáng)及抗靜電等特點，適用于作為航空輪胎、高檔轎車輪胎、載重輪胎等的橡膠增強(qiáng)填料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于高性能輪胎橡膠增強(qiáng)填料的石墨烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

用于輪胎的橡膠應(yīng)具有較高的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性、抗老化性及抗?jié)窕缘龋鹉z材料本身強(qiáng)度較低，抗老化性能較差，為了提高橡膠的力學(xué)性能及抗老化性能等，需要添加補(bǔ)強(qiáng)劑。常用的補(bǔ)強(qiáng)劑是炭黑和白炭黑，炭黑是輪胎最早使用的補(bǔ)強(qiáng)填料，對輪胎橡膠的力學(xué)性能、耐磨性、抗老化性等具有良好的增強(qiáng)作用。不過以炭黑為增強(qiáng)填料時，輪胎的使用壽命、節(jié)油性能和抗?jié)窕芰Υ嬖诖碎L彼消的特點，這種現(xiàn)象稱為輪胎的魔鬼三角。以白炭黑為填料可以打破輪胎的魔鬼三角(輪胎可兼具使用壽命長，節(jié)約燃油及抗?jié)窕院玫奶攸c)，不過以白炭黑為填料制備的橡膠力學(xué)性能較低，不適用于承受高負(fù)荷的輪胎，如航空輪胎、載重輪胎等。

石墨烯的抗拉強(qiáng)度125GPa，彈性模量1.1TPa，常溫下熱導(dǎo)率為5300W/m.k，電導(dǎo)率10⁶S/m，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且具有空氣阻隔性；若把石墨烯材料加入橡膠中，可能顯著提高橡膠的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性、抗靜電及耐老化性能。然而，石墨烯是碳原子的最外層電子以sp²雜化形成的蜂窩狀的準(zhǔn)二維材料，由于片層上含有大量的π電子，片層間有很強(qiáng)的π-π作用，因此很難在橡膠中均勻分散。若石墨烯在橡膠中團(tuán)聚，會產(chǎn)生局部應(yīng)力，不但不能發(fā)揮石墨烯優(yōu)良的力學(xué)性能，甚至?xí)档拖鹉z的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等性能。另外，石墨烯和橡膠分子之間的作用力主要是范德華力，二者的作用力較弱。當(dāng)橡膠受到應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時，橡膠分子和石墨烯片層產(chǎn)生滑移，石墨烯不但不能有效承載施加于橡膠分子上的作用力，而且由于滑移產(chǎn)生摩擦熱，致使橡膠溫度升高，力學(xué)性能及抗老化性能下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是制備一種易于在橡膠中均勻分散，并且與橡膠具有良好界面相容性的石墨烯復(fù)合材料，這種石墨烯復(fù)合材料可顯著增強(qiáng)硫化橡膠的力學(xué)性能、耐磨性、抗老化性及抗靜電性等，適用于作為航空輪胎、高檔轎車輪胎、載重輪胎等具有運行速度高、承載負(fù)荷大等特點的輪胎橡膠增強(qiáng)填料。

一方面，本申請?zhí)峁┮环N石墨烯復(fù)合材料的制備方法，其包括如下步驟：

a)將氧化石墨烯水溶液調(diào)節(jié)pH值為8-13，分散；

b)將步驟a)的氧化石墨烯溶液調(diào)節(jié)pH值為2-7；

c)向步驟b)的氧化石墨烯溶液中加入偶聯(lián)劑溶液，反應(yīng)得到氧化石墨烯-偶聯(lián)劑材料的反應(yīng)液；

d)向所述氧化石墨烯-偶聯(lián)劑材料的反應(yīng)液中加入還原劑進(jìn)行還原反應(yīng)，得所述石墨烯復(fù)合材料。

在一種實施方式中，步驟a)中，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的濃度為100mg/L～3000mg/L。

在一種實施方式中，步驟a)中調(diào)節(jié)pH值包括：向所述氧化石墨烯水溶液中加入可溶性堿，所述可溶性堿選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氨水中的一種或多種。

在一種實施方式中，步驟a)中的分散采用超聲分散，分散的時間為0.5-2小時。

在一種實施方式中，步驟b)中調(diào)節(jié)pH值包括：向所述超聲后的氧化石墨烯水溶液中加入可溶性酸，所述可溶性酸選自鹽酸、硫酸、磷酸、冰醋酸、檸檬酸等中的一種或多種。