CN107722392B - 一种碳量子点填料增强橡胶材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳量子点填料增强橡胶材料及其制备方法。其特征是：以碳量子点为纳米填料，分散于橡胶材料中，其中增强橡胶材料组分及各组分的质量为:橡胶材料基体100质量份，碳量子点0.5～2质量份。借助超声辅助技术将均匀分散在水中的碳量子点与天然橡胶乳液混合，在40～60℃干燥箱内固化即获得增强橡胶材料，其力学性能得到显著提高。本发明通过碳量子点的添加，使橡胶材料具有良好的力学性能，操作简单，工艺条件易于控制，具有较强的推广和应用价值。

Description

一种碳量子点填料增强橡胶材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及橡胶材料技术领域，具体涉及一种碳量子点填料增强橡胶材料及其制备方法。

背景技术

高性能橡胶材料因其优异的功能性，已发展成为新型材料领域中的一支主力军。橡胶在加工过程中都需要加入一定量的填充剂来增强其力学性能，目前在橡胶工业中以炭黑填料为主。但是，炭黑在生产过程中会对周围的环境产生严重的污染，因此，寻求一种无污染填料来代替炭黑越来越受到同行研究人员的关注。碳纳米材料由于其更细的粒度和更大的比表面积，用于橡胶增强具有更优异的性能。基于此，本发明提出采用碳量子点作为新型纳米填料增强橡胶力学性能。碳量子点是一种无毒，无污染的纳米材料，具有良好的亲水性，有利于提高其在天然橡胶乳液中的分散性。其表面富含丰富的羧基，羟基和氨基基团，易与橡胶产生相互作用，从而增强橡胶的力学性能。碳量子点广泛应用于光电、生物医学等领域，作为纳米填料来增强橡胶未见报道。

发明内容

本发明的第一个目的是为了改进现有技术的不足而提供一种力学性能得到明显提高的新型碳量子点填料增强橡胶材料，本发明的另一个目的是提供一种制备上述碳量子点纳米填料增强橡胶材料的方法。

本发明的技术方案为：一种碳量子点填料增强橡胶材料，其特征是：以碳量子点为纳米填料，分散于橡胶材料中；以增强橡胶材料的力学性能；其中增强橡胶材料组分及各组分的质量为:橡胶材料基体100质量份，碳量子点0.5～2质量份。

优选上述的橡胶为天然橡胶。优选上述的碳量子点为锌离子掺杂碳量子点或钾离子掺杂碳量子点。

本发明还提供了上述的碳量子点填料增强橡胶材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)碳量子点分散液的制备：将根据配方量的碳量子点加入到水中，充分混合制得碳量子点分散液；

(2)碳量子点-橡胶材料悬浮液的制备:将碳量子点分散液加入到橡胶材料乳液中，超声混合获得碳量子点-橡胶材料悬浮液；

(3)碳量子点填料增强橡胶材料的制备：将碳量子点-橡胶材料悬浮液干燥，即获得碳量子点填料增强橡胶材料。

优选将碳量子点加入到水中，采用磁力搅拌混合；搅拌混合时间1～5h，搅拌转速100～300rpm。

优选上述的超声混合的超声频率28～40KHz，混合时间为20～40min。优选上述的干燥温度40～60℃，干燥时间8～12h。

采用上述方法制得的碳量子点填料增强橡胶材料，力学性能采用GB/T529-1999规定方法测试，其拉伸强度为1.86～3.16Mpa，断裂伸长率为947～993,％，具有良好的力学性能。

有益效果：

本发明所用的碳量子点制备方法简单，无毒性，可以减少对环境的污染。碳量子点表面富含丰富的羧基，氨基和羟基，表面反应能力较强，易于橡胶基体发生作用，从而增强橡胶材料的力学性能。另外，锌掺杂碳量子点表面具有游离的锌离子，可以与橡胶基体发生离子相互作用，进而大幅度提高材料的力学性能。这种碳量子点填料增强橡胶材料，与纯橡胶材料相比，拉伸强度由1.02MPa增加至3.16MPa，力学性能得到显著地提高，具有较强的推广和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1不同质量份的锌离子掺杂碳量子点/橡胶材料悬浮液实物图，从左到右锌离子掺杂碳量子点含量分别0，0.5，1.0，1.5，2.0wt％；

图2为本发明实施例1锌离子掺杂碳量子点/橡胶材料悬浮液(锌离子掺杂碳量子点含量1.0wt％)透射电镜扫描图；

图3为本发明实施例1不同质量份的锌离子掺杂碳量子纳米填料增强橡胶材料的应力应变对比曲线；

图4为本发明实施例2不同钾离子掺杂碳量子点质量份的碳量子点纳米填料增强橡胶材料的应力应变对比曲线。

具体实施方式

以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。

实施例1

分别取0，0.5，1.0，1.5，2.0g锌离子掺杂碳量子点加入10g水中，磁力搅拌1h，转速150rpm，获得锌离子掺杂碳量子点溶液，将溶液分别加入到200g固含量为50％的天然橡胶乳液中，超声分散30min，超声频率30KHz，获得锌掺杂碳量子点/橡胶材料悬浮液，图1为悬浮液的实物图，锌离子掺杂碳量子点在其中分散良好，无沉淀。图2为锌离子掺杂碳量子点/橡胶材料悬浮液的透射电镜图(碳量子点含量1.0wt％)，结果显示锌离子掺杂碳量子点在悬浮液中具有很好的分散性，无团聚现象。将悬浮液置于模具中，在60℃的干燥箱内干燥10h，获得锌离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料。图3是锌离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料的应力应变曲线，与纯天然橡胶的强度1.02MPa相比，加入锌离子掺杂碳量子点后，橡胶强度增强，在锌离子掺杂碳量子点含量为1.0wt％时，锌离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料最大可达3.16MPa，是原来的3.1倍，增强效果显著。

实施例2

分别取0，0.5，1.0，1.5，2.0g钾离子掺杂碳量子点加入10g水中，磁力搅拌2h，转速100rpm，获得钾离子掺杂碳量子点溶液，将溶液分别加入到200g固含量为50％的天然橡胶乳液中，超声分散20min，超声频率35KHz，获得钾离子掺杂碳量子点/橡胶材料悬浮液，将悬浮液置于模具中，在50℃干燥箱内干燥12h，获得钾离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料。图4是钾离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料的应力应变曲线，与纯天然橡胶的强度1.02MPa相比，加入钾离子掺杂碳量子点后，橡胶强度增强，在钾离子掺杂碳量子点含量为1.0wt％时，钾离子掺杂碳量子点填料增强橡胶材料最大可达2.08MPa，是原来的2.06倍。

Claims (2)

1.一种制备碳量子点填料增强橡胶材料的方法，其具体步骤如下：

(1)碳量子点分散液的制备：将根据配方量的碳量子点加入到水中，充分混合制得碳量子点分散液；其中橡胶材料基体100质量份，碳量子点0.5～2质量份；所述的碳量子点为锌离子掺杂碳量子点或钾离子掺杂碳量子点；其中将碳量子点加入到水中，采用磁力搅拌混合；搅拌混合时间1～5h，搅拌转速100～300rpm；

(2)碳量子点-橡胶材料悬浮液的制备:将碳量子点分散液加入到橡胶材料乳液中，超声混合获得碳量子点-橡胶材料悬浮液；所述的橡胶为天然橡胶；其中所述的超声混合的超声频率28～40KHz，混合时间为20～40min；

(3)碳量子点填料增强橡胶材料的制备：将碳量子点-橡胶材料悬浮液干燥，即获得碳量子点为纳米填料分散于橡胶材料中的碳量子点填料增强橡胶材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的干燥温度40～60℃，干燥时间8～12h。

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