[发明专利]一种石墨烯/炭黑复合粒子的制备方法

说明书

一种石墨烯/炭黑复合粒子的制备方法属于纳米复合材料领域。本发明重点解决石墨烯和炭黑在橡胶中分散性不好的难题。本发明通过构建石墨烯气凝胶的相互交联的网络结构，并在形成石墨烯气凝胶的过程当中将炭黑分散于气凝胶的微孔中。并把上述复合气凝胶加入到橡胶基体中，避免了石墨烯和炭黑填料分别加入同一橡胶基体在其内部的聚集。本发明提供的气凝胶是具有大孔隙率和比表面积的三维碳材料，因此这种石墨烯/炭黑复合气凝胶可以作为优异的补强材料应用在橡胶补强中，可以提升橡胶的耐磨性能。石墨烯/炭黑气凝胶由于具有优越的力学性能及自身结构致使其在高性能橡胶补强的应用潜力巨大。

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

石墨烯材料具有优异的力学性能，材料面内全部六边形的π键构成，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强度及刚度。2004年由Geim等人首次利用微机械剥离的方法首次获得无支撑的单层石墨烯。石墨烯只有单层的厚度,是一种比表面积非常大的材料,可以改变它的形态和表面面积来得到其他维度的材料比如富勒烯、碳纳米管等。通常单层的石墨烯比较难制备并且难以稳定存在，因此通常将10层以下的石墨定义为石墨烯，这种少层的石墨烯与普通三维石墨不同，具有特殊的电子特性、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是关键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，炭黑作为一种非常传统的橡胶增强剂，在橡胶补强中具有非常独特的作用。炭黑增强的橡胶中，具有滚动阻力低，抗湿滑性能好的特点。但同时炭黑由于是纳米颗粒，炭黑粒径一般可达到100～300nm，有时超过500nm。炭黑的粒径具有一定的分散性，粒径分布对补强性能有一定的影响，一般希望粒径分布窄些好。炭黑粒子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炭黑的复合填料，同时解决两者在橡胶中分散难、易团聚的问题。主要方法是在石墨烯和炭黑混合的过程中，构建石墨烯的气凝胶结构。在形成石墨烯气凝胶的过程当中，实现使炭黑粒子均匀分散在石墨烯气凝胶的微孔中，最终实现两种粒子相互的隔离，达到良好分散的结果。最终将这种复合粒子和橡胶复合，得到新型的石墨烯/炭黑橡胶纳米复合材料，其综合性能高于将石墨烯和炭黑分别掺杂于橡胶中的复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种石墨烯/炭黑复合粒子的制备方法，重点解决石墨烯和炭黑在橡胶中分散性不好的难题。本发明主要通过构建石墨烯气凝胶的相互交联的网络结构，并在形成石墨烯气凝胶的过程当中将炭黑分散于气凝胶的微孔中。并把上述复合气凝胶加入到橡胶基体中，避免了石墨烯和炭黑填料分别加入同一橡胶基体在其内部的聚集。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：步骤一：(1)将氧化石墨烯与溶剂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100～4000HZ、温度为0～95℃，超声时间为0.1～5h，得到浓度为1mg/ml～20g/ml的氧化石墨烯溶液；(2)将炭黑与氧化石墨烯以质量比(1～50)：1把炭黑加入溶剂中，然后进行超声分散得到氧化石墨烯/炭黑溶液，其中超声的频率为100～5000W，时间为0.1～4h，温度控制在50℃以下。将分散剂与炭黑以质量比(1～20)：1把分散剂加入炭黑溶液中，将上述溶液在室温下混合1-180min，使分散剂完全溶解，得到均匀分散的炭黑溶液；

步骤二：(1)(1)将还原剂与氧化石墨烯以质量比(0.1～30)：1在氧化石墨烯/炭黑溶液加入还原剂，混合1-180分钟，然后将混合液加热恒温保持在10～80℃，反应0.5～36h，得到石墨烯/炭黑的凝胶；(2)将上述得到的石墨烯/炭黑凝胶先反复用乙醇清洗1～10次；(3)将反复用乙醇清洗过的石墨烯/炭黑液体凝胶，再用溶解氧化石墨烯的同种溶剂置换凝胶中的液体，置换时间为1～7天；