CN108610511A - 一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene及其制备方法与在橡胶中的应用 - Google Patents
一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene及其制备方法与在橡胶中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料ƒ‑MXene及其制备方法与在橡胶中的应用,属于碳化物复合材料领域。本发明将过渡金属碳化物MXene,硅烷偶联剂和水混合,再加入有机锡催化剂,在40~80℃下搅拌反应,然后真空干燥,得到功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为ƒ‑MXene。本发明首次将过渡金属碳化物应用到橡胶领域,而且改性后的碳化物材料MXene克服了二维层状过渡金属碳化物材料MXene与胶乳相容性差,易团聚等缺点,具有改善基体与界面结合,提高橡胶的电性能和力学性能等优点。而且制备过程环保,高效,节能,产品回收率高,是一种环境友好型橡胶填料,在橡胶工业生产中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于碳化物复合材料领域,具体涉及一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene及其制备方法与在橡胶中的应用。
背景技术
目前,二维材料已经越来越多,由于其卓越的性能引起了广泛地研究关注,其中新型二维层状过渡金属碳化物MXene,越来越引起人们的注意。具有类石墨烯结构的二维层状过渡金属碳化物MXene是2011年Yury Gogotsi等首先报道(Adv.Mater.,2011,23:4248-4253)的一种新型二维纳米材料,具有良好的导电性、化学稳定性、亲水性和力学性能。二维层状过渡金属碳化物MXene具有石墨烯高比表面积、高电导率、高机械强度的特点,又具备组分灵活可调,最小纳米层厚可控等优势,已在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出巨大的潜力。
二维层状过渡金属碳化物MXene的制备已经较为成熟,然而对过渡金属碳化物MXene进行功能化修饰则研究较少,选用硅烷偶联剂对MXene材料进行修饰的制备过程操作简单,对环境无污染,且回收率高。目前国内对二维层状过渡金属碳化物MXene的研究主要是在超级电容器、传感器、催化剂等方面,在橡胶领域的应用研究较少。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种功能化二维层状过渡金属碳化物f-MXene及其制备方法。该制备工艺简单,同时节能环保,有很好的应用前景。
本发明另一目的是首次将功能化过渡金属碳化物f-MXene应用于橡胶领域中。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene的制备方法,包括以下步骤:
(1)将一定量的过渡金属碳化物MXene,硅烷偶联剂和水混合,再加入有机锡催化剂,在40~80℃的恒温油浴锅中搅拌;
(2)将步骤(1)制得的反应产物真空干燥处理,得到功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为f-MXene。
优选的,所述过渡金属碳化物MXene,硅烷偶联剂,水的质量比为(2~4):(1~3):(70~90),进一步优选为(2-4):(1-3):80。
优选的,步骤(1)所述二维层状过渡金属碳化物为Ti3C2,Ti2C,Ti4C3,V3C2,V2C中的一种或几种,进一步优选为Ti3C2。
优选的,步骤(1)所述硅烷偶联剂为KH550,KH560,KH570中的一种或几种,进一步优选为KH560。
优选的,步骤(1)所述的有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡催化剂或二醋酸二丁基锡催化剂,进一步优选为二月桂酸二丁基锡催化剂。
优选的,步骤(1)所述有机锡催化剂的用量为过渡金属碳化物MXene质量的3~7%,进一步优选为5%。
优选的,步骤(1)所述搅拌是以200-400rpm的速度高速搅拌。
优选的,步骤(1)所述搅拌反应的时间为4-8h。
优选的,步骤(2)所述真空干燥为50-70℃条件下真空干燥8-12h。
一种功能化二维层状过渡金属碳化物f-MXene,通过上述的制备方法制备得到。
以上所述的功能化二维层状过渡金属碳化物f-MXene在硫化橡胶制备领域中的应用,该功能化二维层状过渡金属碳化物f-MXene作为橡胶填料。
优选的,所述的橡胶为天然橡胶、丁苯橡胶或其他合成橡胶。
本发明首次将过渡金属碳化物应用到橡胶领域,而且改性后的碳化物材料MXene克服了二维层状过渡金属碳化物材料MXene与胶乳中相容性差,易团聚等缺点,具有改善基体与界面的结合,同时能很大程度上提高橡胶的电性能和力学性能等优点。而且其制备过程环保,高效,节能,产品回收率高,是一种环境友好型橡胶填料,在橡胶工业生产中具有广阔的应用前景。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、高效:功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene中的硅烷偶联剂对金属碳化物MXene有活化作用,促进了MXene在橡胶基体中的分散,增强了与橡胶基体的界面结合力。
2、多功能:功能化二维层状过渡金属碳化物材料首次选用在橡胶材料中,由于在无机填料表面引入了有机硅烷偶联剂,偶联剂羟基和过渡金属碳化物的羟基反应,可以有效改善填料之间的氢键作用,减轻填料粒子之间的团聚现象,提高填料与橡胶基体的相容性,促进填料在橡胶基体中的分散,加强填料与橡胶的界面结合,从而改善填料对橡胶的补强作用。因此,功能化MXene兼有补强剂、界面改性剂等多重效果。
3、简单环保:本发明选用硅烷偶联剂对MXene材料进行修饰制备过程操作简单,对环境无污染,且回收率高。
4、节省原料:本发明反应温度比较低,反应时间短是节能的一个表现,同时本发明所有原料少,效率高。
附图说明
图1是实施例1所得功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene的热失重曲线图。
图2a是实施例1所得SBR/MXene橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图2b是实施例1所得SBR/f-MXene-3橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图3a是实施例2所得SBR/MXene橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图3b是实施例2所得SBR/f-MXene-5橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图4a是实施例3所得SBR/MXene橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图4b是实施例3所得SBR/f-MXene-7橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。
图5是不同份数f-MXene的丁苯胶硫化胶的拉伸强度曲线图。
具体实施方式
以下结合实例及附图对本发明的具体实施作进一步的说明,但本发明的实施方式不限于此。
以下所得材料的拉伸强度是采用GB/T 528—2009国家标准测试。
实施例1
(1)称取2g的Ti3C2,1g硅烷偶联剂KH560和80g去离子水混合在500ml的三口烧瓶中,滴加用1mL乙醇稀释后的有机锡催化剂(二月桂酸二丁基锡),催化剂的用量为Ti3C2质量的5%,在40°的恒温条件下以200rpm的速度高速搅拌反应4h。
(2)将步骤(1)制得的反应产物在50℃下真空干燥8h,得功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为f-MXene。图1是该功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene的热失重曲线图,从图中可以看出,经偶联剂改性后的MXene失重率增大。
(3)将步骤(2)制得的功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene制备丁苯橡胶复合材料(SBR/f-MXene-3),其基本配方见表1,各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方,按照活化剂(ZnO+St)、无机填料(MXene/f-MXene)、防老剂(MB)、促进剂(CZ+DM)、硫磺(S)的加料顺序,在开炼机中混炼,分别得到SBR/MXene橡胶复合材料、SBR/f-MXene橡胶复合材料。
表1
图2a、图2b分别是SBR/MXene橡胶复合材料和SBR/f-MXene-3橡胶复合材料的SEM图,从图中可以看出,加入经偶联剂修饰的功能化过渡金属碳化物f-MXene后,填料之间的分散有了明显的改善。
实施例2
(1)称取3g的Ti3C2,2g硅烷偶联剂KH560和80g去离子水混合在500ml的三口烧瓶中,滴加用1mL乙醇稀释后的有机锡催化剂(二月桂酸二丁基锡),催化剂的用量为Ti3C2质量的5%,在60°的恒温条件下以300rpm的速度高速搅拌反应6h。
(2)将步骤(1)制得的反应产物在60℃下真空干燥10h,得功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为f-MXene。
(3)将步骤(2)制得的功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene制备丁苯橡胶复合材料(SBR/f-MXene-5),其基本配方见表2,各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方,按照活化剂(ZnO+St)、无机填料(MXene/f-MXene)、防老剂(MB)、促进剂(CZ+DM)、硫磺(S)的加料顺序,在开炼机中混炼,分别得到SBR/MXene橡胶复合材料、SBR/f-MXene橡胶复合材料。
表2
图3a、图3b分别是SBR/MXene橡胶复合材料和SBR/f-MXene-5橡胶复合材料的SEM图,从图中可以看出,加入经偶联剂修饰的功能化过渡金属碳化物f-MXene后,降低了填料的团聚现象,改善了填料在橡胶基体中的分散。
实施例3
(1)称取4g的Ti3C2,3g硅烷偶联剂KH560和80g去离子水混合在500ml的三口烧瓶中,滴加用1mL乙醇稀释后的有机锡催化剂(二月桂酸二丁基锡),催化剂的用量为Ti3C2质量的5%,在70°的恒温条件下以400rpm的速度高速搅拌反应8h。
(2)将步骤(1)制得的反应产物在80℃下真空干燥12h,得功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为f-MXene。
(3)将步骤(2)制得的功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene制备丁苯橡胶复合材料(SBR/f-MXene-7),其基本配方见表3,各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方,按照活化剂(ZnO+St)、无机填料(MXene/f-MXene)、防老剂(MB)、促进剂(CZ+DM)、硫磺(S)的加料顺序,在开炼机中混炼,分别得到SBR/MXene橡胶复合材料、SBR/f-MXene橡胶复合材料。
表3
图4a、图4b分别是SBR/MXene橡胶复合材料和SBR/f-MXene-7橡胶复合材料的SEM图,从图中可以看出,加入经偶联剂修饰的功能化过渡金属碳化物f-MXene后,能促进填料在橡胶基体中的分散加,强填料与橡胶的界面结合。
图5是不同份数f-MXene的丁苯胶硫化胶的拉伸强度曲线图。从图中可以看出,加入改性的f-MXene后,与直接加入MXene相比,丁苯胶的拉伸强度有很大幅度地提高,说明经偶联剂修饰后,能促进填料在橡胶基体中的分散,加强填料与橡胶的界面结合,从而改善填料对橡胶的补强作用。同时说明,随着填料f-MXene分数的增加,丁苯橡胶的拉伸强度逐渐提高。
Claims (10)
1.一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将过渡金属碳化物MXene、硅烷偶联剂和水混合,然后加入有机锡催化剂,在40~80℃下搅拌反应;
(2)将步骤(1)制得的反应产物真空干燥,得到功能化二维层状过渡金属碳化物材料,标记为f-MXene。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述过渡金属碳化物MXene为Ti3C2,Ti2C,Ti4C3,V3C2和V2C中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述硅烷偶联剂为KH550,KH560和KH570中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡催化剂或二醋酸二丁基锡催化剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述过渡金属碳化物MXene、硅烷偶联剂、水的质量比为(2~4):(1~3):(70~90)。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述有机锡催化剂的用量为过渡金属碳化物MXene质量的3~7%。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述搅拌反应的时间为4-8h。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述真空干燥为50-70℃条件下真空干燥8-12h。
9.由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene。
10.权利要求9所述的一种功能化二维层状过渡金属碳化物材料f-MXene应用于制备硫化橡胶。
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