[发明专利]一种石墨烯/二氧化硅/橡胶复合材料的制备方法

说明书

一种石墨烯/二氧化硅/橡胶复合材料的制备方法属于纳米复合材料领域。本发明提出构建一种石墨烯和二氧化硅的复合填料，同时解决石墨烯和二氧化硅在橡胶中分散难、易团聚的问题。主要方法是在石墨烯和二氧化硅混合的过程中，构建二氧化硅气凝胶，使石墨烯片层均匀分散于二氧化硅气凝胶当中。最终将这种复合粒子和橡胶复合，得到新型的石墨烯/二氧化硅橡胶纳米复合材料，其综合性能高于将石墨烯和二氧化硅分别掺杂于橡胶中的复合材料的性能。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料应用，属于纳米复合材料领域。

背景技术

石墨烯是一种由sp²轨道杂化的碳原子紧密堆积而成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带剥离高定向石墨的方法首次成功制得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体。石墨烯在平面内有无限重复的周期结构，在垂直于平面的方向只有纳米尺度，可以看作是具有宏观尺寸的纳米材料。石墨烯具有高比表面积，大宽高比，高模量以及良好的溶剂分散性，是一种很有潜力的橡胶增强填料。要使得石墨烯在橡胶复合材料中实现性能的最大化，实现石墨烯在橡胶基体中的均匀分散以及获得良好的界面，在橡胶基体中的分散是橡胶增强的一大问题，而解决石墨烯在橡胶基体中的分散仍然是获得高性能橡胶制品的难点和关键。

同时，二氧化硅作为传统橡胶采用的增强剂，具有非常独特的作用。二氧化硅增强的橡胶中，具有滚动阻力低，抗湿滑性能好的特点。但同时二氧化硅由于是纳米颗粒，具有强烈的聚集倾向，在橡胶中的分散也是一大难点。

因此本专利提出构建一种石墨烯和二氧化硅的复合填料，同时解决石墨烯和二氧化硅在橡胶中分散难、易团聚的问题。主要方法是在石墨烯和二氧化硅混合的过程中，构建二氧化硅气凝胶，使石墨烯片层均匀分散于二氧化硅气凝胶当中。最终将这种复合粒子和橡胶复合，得到新型的石墨烯/二氧化硅橡胶纳米复合材料，其综合性能高于将石墨烯和二氧化硅分别掺杂于橡胶中的复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的是开发一种石墨烯/二氧化硅复合粒子的制备方法，重点解决石墨烯和二氧化硅在橡胶中分散的难题。本发明主要采用构建二氧化硅气凝胶，然后将石墨烯均匀分散于二氧化硅气凝胶的微孔中。使其在加入橡胶中达到补强的作用的同时，避免了两者在橡胶集体中的团聚问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

步骤一：制备前驱体溶液：(1)将氧化石墨烯和水以质量比1:(1～1000)混合后得到氧化石墨烯的溶液，放在超声仪中进一步超声分散，超声的频率为100～5000HZ、温度为0～100℃，超声时间为0.1～4h，得到浓度为1mg/ml～50g/ml的氧化石墨烯水溶液；(2)将硅源与溶剂以质量比1：(1～100)混合得到混合溶液；用磁力搅拌子或机械搅拌在温度30℃～80℃下进行搅拌，搅拌时间为0.5～2h，搅拌至使其充分相互溶解；

步骤二：制备杂化液体凝胶：(1)将步骤一中得到的氧化石墨烯的水溶液与硅源的混合溶液以质量比1:1～500加入到一起，然后再将氧化石墨烯和表面活性剂以质量比1:1～100的比例加入表面活性剂，混合并预搅拌1-5h，再加入还原剂，继续搅拌1-5h，同时保持混合液加热恒温在10～80℃再加入pH＝10～14的碱性催化剂与硅源的质量比为1:1～50，边滴加边搅拌，搅拌的时间为15～60min，形成凝胶状物质，得到石墨烯/二氧化硅凝胶；(2)将上述得到的石墨烯/二氧化硅凝胶先反复用溶剂浸泡1～10次；(3)将反复用溶剂浸泡过的石墨烯/二氧化硅液体凝胶放置在室温进行陈化，陈化时间为1～10天；

步骤三：制备石墨烯/二氧化硅/橡胶复合材料：将石墨烯/二氧化硅液体凝胶放置在真空干燥箱里，在25～100℃的温度下，抽真空干燥5～24h；干燥后的材料进一步粉碎，得到粉末状复合材料，再加入到橡胶材料中，按照配方制备石墨烯/二氧化硅/橡胶复合材料。