CN110183754A - 一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法 - Google Patents

一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能材料制备技术领域，涉及一种在超临界流体介质中剥离石墨烯、对其进行原位包裹改性，并将其作为导电填料制备导电橡胶的方法。本发明通过在超临界流体中施加超声或搅拌作用来剥离天然石墨，得到物理剥离的石墨烯，采用硅烷偶联剂在超临界流体中对石墨烯进行原位包裹改性，经硅烷偶联剂包裹后的本征石墨烯能够在水性环境下与橡胶乳液实现均匀复合，经干燥后得到导电填料分散均匀的高导电橡胶母粒或制品。

Description

一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电 橡胶的方法
技术领域
本发明属于功能材料制备技术领域，尤其涉及一种在超临界流体中制备石墨烯并实施表面包裹改性、及其水性分散液与橡胶乳液均匀复合制备出导电橡胶母粒或制品的方法。
背景技术
导电高分子材料主要分为两大类：复合型导电材料及本征型导电材料。复合型导电材料是由高分子和导电剂(导电填料)通过不同的复合工艺而构成的材料。以石墨烯为导电剂填料，将其分散到高分子基质体中形成网链结构，可以使得复合材料具备导电性能，这需要石墨烯用量达到形成网链结构的逾渗阈值以上。目前市场上规模化应用的石墨烯主要是氧化石墨烯，氧化石墨烯含有大量含氧官能团，导电性很差，即使采用肼还原，也很难恢复到本征石墨烯特性。以还原的氧化石墨烯为导电剂填料，石墨烯在基质中形成网链结构的阈值很大，导致石墨烯用量大大增加。而物理剥离得到的石墨烯具有优异的导电性，因此，采用物理剥离的石墨烯作为导电填料是制备复合型导电高分子复合材料的最佳选择。
石墨烯导电填料的分散及其与基体间的界面相互作用是影响此类高分子聚合物复合材料导电性能和力学性能的两个主要因素。石墨烯填料具有极大的比表面积和极高的表面能，使其在橡胶基体中容易发生团聚，改善填料与橡胶基体间的界面相互作用是抑制其团聚和提高复合材料力学性能的有效方法。一般来说，可以通过选择极性的橡胶基体和加入界面改性剂两种方法来增强填料与基体的界面相互作用。而大多数通用橡胶为非极性橡胶，分子结构中不含有极性官能团，因此必须通过加入界面改性剂来改善石墨烯与橡胶基体的界面相互作用。
目前，将石墨烯与橡胶复合的方法有溶液共混法、胶乳共混法及机械共混法。其中，溶液共混法需要使用大量有机溶剂，易于造成对环境的危害。机械共混法环境友好，操作灵活简便，更容易实现工业化，但面临石墨烯粉体在橡胶中不易分散的问题。胶乳共混法制备是在水性环境中将石墨烯分散液与橡胶胶乳复合，该方法能够将石墨烯均匀地分散到高分子基体中，但采用物理剥离的石墨烯很难制备出稳定的水性分散液。
发明内容
为克服上述现有技术的困难，本发明通过在超临界流体中施加超声或搅拌作用来剥离天然石墨，得到物理剥离的石墨烯；采用硅烷偶联剂对超临界流体中高度分散的石墨烯进行原位包裹改性，经硅烷偶联剂包裹后的石墨烯能够在水性环境下与橡胶乳液实现均匀复合，经干燥后得到导电填料分散均匀的高导电橡胶母粒或制品，而高导电橡胶母粒可以进一步通过机械共混法制备出导电橡胶母粒制品。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，首先在超临界流体中利用超声或搅拌作用将天然石墨剥离为石墨烯；然后向超临界流体中泵入硅烷偶联剂，在超声或搅拌之下将剥离好的石墨烯表面包裹改性，经泄压后，得到硅烷偶联剂改性本征石墨烯；将改性石墨烯能够均匀分散在水性环境中；最后将石墨烯水性分散液与天然橡胶乳液复合，干燥后得到均匀填充了本征石墨烯的导电橡胶制品。
作为优选，所述方法包括以下步骤：
(1)在高压反应釜中加入天然石墨、有机溶剂及助溶剂；
(2)向高压反应釜内泵入二氧化碳，加热反应釜使得介质温度、压力达到临界点以上；
(3)启动超声或搅拌装置，将石墨剥离为石墨烯；
(4)向高压反应釜内加入硅烷偶联剂；
(5)利用超声或搅拌装置对高压反应釜中物料进行扰动；超声或搅拌扰动具体指低功率间歇式超声或低转速、连续或间歇式搅拌；超声或搅拌时间为1-24小时；
(6)停止超声或搅拌，打开阀门泄压至常压，排出装置内混合物料；
(7)将步骤(6)得到的混合物料静置分离或离心分离，得到的沉淀物为硅烷偶联剂改性本征石墨烯；
(8)将步骤(7)得到的硅烷偶联剂改性本征石墨烯分散在水中，得到石墨烯水性分散液；
(9)将步骤(8)得到的石墨烯水性分散液与橡胶乳液复合，利用超声或搅拌将其均匀分散，得到混合料；
(10)将步骤(9)得到混合料干燥，得到导电橡胶母粒；
(11)采用机械共混法将步骤(10)得到的导电橡胶母粒、生胶与硫化剂混炼，制备出导电橡胶制品。
作为优选，步骤(1)中所述有机溶剂包括但不限于DMF、NMP；所述助溶剂为醇类物质，包括但不限于乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇。
作为优选，步骤(1)中所述天然石墨与有机溶剂的质量比为1∶1至1∶1000，有机溶剂与助溶剂的质量比为5∶1至1000∶1。
作为优选，步骤(2)中所述反应釜温度≥31℃，压力≥7.3Mpa。
作为优选，步骤(3)中所述超声或搅拌时间为1小时至24小时。
作为优选，步骤(4)中所述硅烷偶联剂分子结构式为RSiX3其中，Y：有机官能基，X：水解性官能基，包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。
作为优选，步骤(4)中，天然石墨与硅烷偶联剂的质量比为1∶0.001至1∶0.1。
作为优选，步骤(9)中所述硅烷偶联剂改性本征石墨烯与天然橡胶乳液的质量比为30∶100至0.1∶100。天然橡胶乳液的固含量为60％。
本发明的有益效果是：本发明通过在超临界流体中施加超声或搅拌作用来剥离天然石墨，得到物理剥离的石墨烯；采用硅烷偶联剂对超临界流体中高度分散的石墨烯进行原位包裹改性，经硅烷偶联剂包裹后的石墨烯能够在水性环境下与橡胶乳液实现均匀复合，经干燥后得到导电填料分散均匀的高导电橡胶母粒或制品，而高导电橡胶母粒可以进一步通过机械共混法制备出导电橡胶母粒制品。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
首先在高压反应釜中加入天然石墨、NMP及乙醇，其中，天然石墨质量为1g，NMP的质量比为100g，乙醇的质量为10g。加热反应釜到32摄氏度，向其内部泵入二氧化碳至压力为10MPa。开启超声装置，超声处理10小时，将石墨剥离为石墨烯；向反应装置内部泵入0.1g硅烷偶联剂。将超声改为间歇超声，10小时后，停止超声，打开阀门泄压至常压，排出混合物料。将混合物料静置，待分层后取出沉淀部分，得到硅烷偶联剂改性本征石墨烯；将1g的硅烷偶联剂改性本征石墨烯加入至100g橡胶乳液中，利用搅拌将其均匀分散。将混合物干燥后得到以本征石墨烯为导电填料的导电橡胶产品。
实施例2
首先在高压反应釜中加入天然石墨、DMF及甲醇，其中，天然石墨质量为1g，DMF的质量比为1000g，乙醇的质量为10g。加热反应釜到40摄氏度，向其内部泵入二氧化碳至压力为8MPa。开启超声装置，超声处理20小时，将石墨剥离为石墨烯；向反应装置内部泵入3g硅烷偶联剂。将超声改为间歇超声，5小时后，停止超声，打开阀门泄压至常压，排出装置内混合物料。将混合物料离心后取沉淀部分，得到硅烷偶联剂改性本征石墨烯；将1g的硅烷偶联剂改性本征石墨烯加入至1000g橡胶乳液中，利用超声将其均匀分散。将混合物干燥后得到以本征石墨烯为导电填料的导电橡胶产品。
实施例3
首先在高压反应釜中加入天然石墨、DMF及异丙醇，其中，天然石墨质量为2g，DMF的质量比为1000g，乙醇的质量为1g。加热反应釜到31摄氏度，向其内部泵入二氧化碳至压力为7.4MPa。开启超声装置，超声处理24小时，将石墨剥离为石墨烯；向反应装置内部泵入0.02g硅烷偶联剂。将超声改为间歇超声，5小时后，停止超声，打开阀门泄压至常压，排出装置内混合物料。将混合物料离心后取沉淀部分，得到硅烷偶联剂改性本征石墨烯；将30g的硅烷偶联剂改性本征石墨烯加入至100g橡胶乳液中，利用超声将其均匀分散。将混合物干燥后得到以本征石墨烯为导电填料的导电橡胶产品。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，首先在超临界流体中利用超声或搅拌作用将天然石墨剥离为石墨烯；然后向超临界流体中泵入硅烷偶联剂，在超声或搅拌之下将剥离好的石墨烯表面包裹改性，经泄压后，得到硅烷偶联剂改性本征石墨烯；将改性石墨烯能够均匀分散在水性环境中；最后将石墨烯水性分散液与天然橡胶乳液复合，干燥后得到均匀填充了本征石墨烯的导电橡胶制品。
2.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在高压反应釜中加入天然石墨、有机溶剂及助溶剂；
(2)向高压反应釜内泵入二氧化碳，加热反应釜使得介质温度、压力达到临界点以上；
(3)启动超声或搅拌装置，将石墨剥离为石墨烯；
(4)向高压反应釜内加入硅烷偶联剂；
(5)利用超声或搅拌装置对高压反应釜中物料进行扰动；
(6)停止超声或搅拌，打开阀门泄压至常压，排出装置内混合物料；
(7)将步骤(6)得到的混合物料沉淀分离，得到的沉淀物为硅烷偶联剂改性本征石墨烯；
(8)将步骤(7)得到的硅烷偶联剂改性本征石墨烯分散在水中，得到石墨烯水性分散液；
(9)将步骤(8)得到的石墨烯水性分散液与橡胶乳液复合，利用超声或搅拌将其均匀分散，得到混合料；
(10)将步骤(9)得到混合料干燥，得到导电橡胶母粒；
(11)采用机械共混法将步骤(10)得到的导电橡胶母粒、生胶与硫化剂混炼，制备出导电橡胶制品。
3.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机溶剂包括但不限于DMF、NMP；所述助溶剂为醇类物质，包括但不限于乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇。
4.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(1)中所述天然石墨与有机溶剂的质量比为1∶1至1∶1000，有机溶剂与助溶剂的质量比为5∶1至1000∶1。
5.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(2)中所述反应釜温度≥31℃，压力≥7.3Mpa。
6.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(3)中所述超声或搅拌时间为1小时至24小时。
7.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(4)中所述硅烷偶联剂分子结构式为RSiX3其中，Y：有机官能基，X：水解性官能基，包括但不限于乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。
8.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(4)中，天然石墨与硅烷偶联剂的质量比为1∶0.01至1∶3。
9.根据权利要求1所述的一种在超临界流体介质改性的石墨烯作为导电填料制备导电橡胶的方法，其特征在于，步骤(9)中所述硅烷偶联剂改性本征石墨烯与天然橡胶乳液的质量比为30∶100至0.1∶100。
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