[发明专利]一种碳材料负载二氧化硅杂化填料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳材料负载二氧化硅杂化填料及其制备方法与应用，属于新材料领域。所述的碳材料负载二氧化硅杂化填料由植物多酚物理修饰的碳材料和烯类化合物物理修饰的二氧化硅通过氢键等物理作用自组装而成。本发明的碳材料负载二氧化硅杂化填料具有优异的导电、导热等功能性解决二氧化硅填充橡塑制品的绝缘性，而且采用烯类化合物物理改性二氧化硅能够解决硅烷偶联剂改性二氧化硅的高能耗，高污染和性能不稳定性等应用问题。该制备工艺简单、成本低、污染少，能够在聚合物基体中均匀分散，从而显著提高聚合物基纳米复合材料的力学性能、电性能和热性能。

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种碳材料负载二氧化硅杂化填料及其制备方法与应用。

背景技术

聚合物材料特别是橡胶材料通常需要经过补强后才具有实用价值。目前最常用的补强材料是炭黑和白炭黑(二氧化硅)，白炭黑由于表面存在羟基，表面能较高，而且表面呈亲水性，与多数聚合物材料相容性不好，在多数聚合物材料中难以浸润和分散，从而降低了补强性能，必须借助于硅烷偶联剂才能改善其与聚合物基体的相容性，但是即使经过硅烷化改性的白炭黑其补强效果也远不及炭黑。

白炭黑是绿色轮胎的理想填料，可降低轮胎的生热、滞后和滚动阻力，从而节约燃料，提高轮胎使用寿命；并能提高轮胎的抗湿滑性和耐磨性，从而有效解决轮胎的“魔鬼三角”问题。然而，白炭黑为强极性填料，而常用的轮胎橡胶材料(天然橡胶、顺丁橡胶和丁苯橡胶)为非极性材料，由于二者极性差异大，未改性白炭黑在轮胎胶料制备过程中存在以下诸多问题：①白炭黑在橡胶基体中分散性差、易团聚、难吃料；②橡胶基体-白炭黑界面相容性差，胶料力学性能较差；③混炼过程生热大，易导致焦烧、橡胶分子量下降；④易吸附促进剂和防老剂，降低硫化速度和老化性能。因此，在使用白炭黑制备轮胎时必须对其进行改性。

硅烷偶联剂法是最常用的白炭黑表面改性方法。常用的硅烷偶联剂种类有Si-69、Si-75和KH590等。然而，由于硅烷偶联剂的自缩合比较严重，反应活性较低，从而导致其对白炭黑的改性效率低下。碳材料是一种集优异力学、导电和导热等性能于一身的纳米材料，主要包括四种类型:碳纳米管，石墨烯，碳纳米纤维，纳米碳球。将碳材料填加到聚合物基体中，不仅能够有效提高聚合物的力学性能，而且能够同时赋予复合材料优异的导电、导热、电磁屏蔽和气体阻隔等多功能性。尽管关于聚合物/碳材料纳米复合材料的研究已取得了不菲的成绩，但距离其商品化仍然有许多挑战。

鉴于上述白炭黑在轮胎工业中的重要性、现有硅烷偶联剂改性白炭黑方法的缺点及其单一填料应用中性能的局限性等问题，本发明采用填料间合理的组合搭配而形成的杂化填料。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是开发一种导电导热性好、成本低、制备工艺简单、绿色环保的碳材料负载二氧化硅杂化填料，并将其用于制备高性能聚合物基纳米复合材料。

本发明的基本原理是：首先，通过植物多酚辅助分散制备植物多酚物理修饰的碳材料。一方面，由于碳材料和植物多酚之间是通过π-π共轭堆叠作用吸附在一起的，碳材料的结构和性能都得到了很好的保护；另一方面，植物多酚使碳材料表面带有大量酚羟基。然后，利用烯类化合物对二氧化硅进行物理修饰，将能够与酚羟基产生氢键等物理吸附作用的基团修饰到二氧化硅表面。最后，利用植物多酚物理修饰的碳材料和烯类化合物物理修饰的二氧化硅之间的氢键等物理作用实现碳材料负载二氧化硅杂化填料的制备。将碳材料负载二氧化硅杂化填料应用到高性能聚合物基纳米复合材料的制备，通过碳材料和二氧化硅的杂化，不仅彼此能够抑制各自的团聚，发挥出协同分散的效果，而且二氧化硅能够发挥“体积排除”作用而显著降低碳材料的逾渗阈值，从而降低聚合物/碳材料纳米复合材料的成本。

本发明具体的技术方案如下：