[发明专利]一种炭黑纳米材料的制备方法

说明书

本发明属于纳米材料领域，公开了一种炭黑纳米材料的制备方法。该制备方法是将有机硅溶液加入到碳纳米管或改性石墨烯纳米材料中，得到有机硅水解溶液，然后将其加入到炭黑或改性炭黑材料中，使纳米材料碳纳米管或石墨烯镶嵌在炭黑表面或枝链中，制得改性炭黑纳米材料。该制备方法工艺简单，可批量生产，避免了对炭黑进行二次处理的繁琐工序，制备得到的炭黑纳米材料粘度低、加工性能佳，在橡胶中分散性极佳。

技术领域

本发明涉及纳米材料，特别涉及一种炭黑纳米材料的制备方法。

背景技术

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sp2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(CNT)和碳纳米纤维(CNF)，二维的石墨烯等，从传统的炭黑到最新的二维石墨烯，碳材料一直以独特而优异的力学、电学和热学等性质在纳米材料科学领域占有不可替代的地位和作用。碳纳米材料因其独特的结构，以及优异的力学性能，导电，导热性能使其成为橡胶补强的理想填料，因此纳米复合材料的制备与应用研究，并且如何实现纳米材料的规模化应用日益成为人们的研究重点。

碳纳米管表面为规整的石墨晶片结构，表面化学惰性较大，与聚合物亲和性差，这使得碳纳米管与基团不存在界面作用，因此如何达到碳管的均匀分散并强化碳管与基体之间的界面作用，是充分发挥碳管自身优异力学、导电导热性能，并且制备具有优异性能复合材料的关键。石墨烯具有优秀的热力学性能和电学性能，而石墨烯表面又呈惰性状态，与其他介质的界面相容性较差，且石墨烯层与层间有较强的范德华力，相互间容易聚集，所以难以均匀分散在有机基体中。

现有技术中，为了解决纳米材料在聚合物中的分散及与橡胶基体的结合能力，一些科学家将纳米材料表面改性，引入一些基团来提高二者的相容性。如采用双(三乙氧基硅丙基)四硫化物表面改性氧化石墨烯，再添加至NR，得到石墨烯/NR复合材料，研究发现其拉伸强度及拉伸模量显著提高，如将CNT表面羧基化后利用乳液沉淀法制备了CNT/天然橡胶复合材料，当加入质量分数为8.3％的改性CNT后，硫化胶的拉伸强度和储能模量分别是空白胶的2倍和60倍；此碳纳米材料与橡胶的复合方法在一定程度上解决了纳米材料的分散并强化了与基体之间的界面作用，但这些方法通常适用于低极性甚至无极性的聚合物纳米复合材料，其复合材料存在伸长率低，粘度高、加工性能差及工艺繁琐等缺点，并且将复合纳米材料添加到橡胶中分散性差。

为了使纳米材料、炭黑与聚合物间的界面连结在一起，以获得最佳的润湿值与分散性，本发明采用有机硅化合物对纳米材料进行了表面处理，并且对将石墨烯粉末进行表面热处理，但是起初发现，将有机硅化合物对纳米材料进行了表面处理，最终效果并不理性，甚至一度放弃了制备炭黑纳米材料的最初努力，然而随着试验的进行，我们惊奇的发现，采用的特定浓度的机硅化合物溶液，调节特定的pH范围，并且协同特定的纳米材料和炭黑的质量比，可以制得粘度低、加工性能佳，在橡胶中分散性佳的炭黑纳米材料。

发明内容

为了解决现有技术中的炭黑纳米材料粘度高、加工性能差、分散性能差的问题，本发明提供了一种制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种炭黑纳米材料的制备方法，是将有机硅溶液加入到碳纳米管或改性石墨烯纳米材料中，得到有机硅水解溶液，然后将其加入到炭黑或改性炭黑材料中，使纳米材料碳纳米管或石墨烯镶嵌在炭黑表面或枝链中，制得改性炭黑纳米材料，具体包括以下步骤：

(1.1)有机硅化合物和水、醇混合搅拌得到有机硅溶液，有机硅化合物在有机硅溶液中的重量比为1-20％，然后加入酸性催化剂，并将pH值调至3.5-5.5，得到有机硅水解溶液；