CN110734589A - 一种改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，包含：(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入乙醇、石墨烯，冰水混合物中超声8～12h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加、离子液体，冰水混合物中下搅拌6～10h，得到离子液体改性石墨烯乳液。(2)胶乳凝聚：将软水、丁苯胶乳加入凝聚釜，加入离子液体改性石墨烯乳液(1)、甲基纤维素，搅拌混合30min，在30～50℃凝聚温度下，加入破乳剂、凝聚剂凝聚，在80～100℃搅拌2～5h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。

Description

一种改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法
技术领域
本发明涉及一种改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，尤其涉及一种离子液体改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，具体是一种利用乳液法制备改性乳聚丁苯橡胶的方法。
背景技术
石墨烯以其优异的电学、光学、导热、机械性能及高比表面积等性能成为近几年来物理、化学、生物等领域的研究热点之一。但石墨烯片层间作用力强，导致其在溶剂及基体中的分散性差、片层间极易堆积和团聚，石墨烯工业化生产及应用都带来很大的不便。离子液体是指由有机阳离子与有机或无机阴离子组成的熔点低于100℃的盐。它具有几乎为零的蒸汽压、良好的热稳定性、极大的电化学窗口以及结构可设计性，在各个领域已引起广泛的关注。在橡胶工业中，离子液体可用于橡胶加氢反应中的绿色溶剂，可用作橡胶硫化的促进剂，还可以用于无机填料的表面改性等。用离子液体改性炭黑是研究的热点之一。本发明旨在不破坏石墨烯层间作用力的条件下，利用离子液体对其改性，增强其与橡胶基体的作用，起到补强橡胶的效果。
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CN103102514A公开了一种离子液体改性的含氧化石墨烯的天然橡胶硫化胶，利用离子液体通过固体研磨法改性得到氧化石墨烯，再将改性的氧化石墨烯与天然橡胶在开炼机或密炼机上进行机械混炼，同时加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、促进剂、硫化剂、炭黑等配方，得到含离子液体改性的氧化石墨烯的天然橡胶混炼胶，再通过硫化加工，即可得到本发明的含离子液体改性的氧化石墨烯/天然橡胶硫化胶。本发明利用离子液体通过固体研磨的方法来制备改性的氧化石墨烯。利用离子液体改性的氧化石墨烯和炭黑的协同作用，可以同时提高硫化胶的导热系数和力学性能。本发明提供了一种新型工艺简单、性能优异的改性氧化石墨烯/天然橡胶硫化胶的制备方法。
CN103102514B公开了一种离子液体改性的含氧化石墨烯的天然橡胶硫化胶，利用离子液体通过固体研磨法改性得到氧化石墨烯，再将改性的氧化石墨烯与天然橡胶在开炼机或密炼机上进行机械混炼，同时加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、促进剂、硫化剂、炭黑等配方，得到含离子液体改性的氧化石墨烯的天然橡胶混炼胶，再通过硫化加工，即可得到本发明的含离子液体改性的氧化石墨烯/天然橡胶硫化胶。本发明利用离子液体通过固体研磨的方法来制备改性的氧化石墨烯。利用离子液体改性的氧化石墨烯和炭黑的协同作用，可以同时提高硫化胶的导热系数和力学性能。本发明提供了一种新型工艺简单、性能优异的改性氧化石墨烯/天然橡胶硫化胶的制备方法。
US2014316028(A1)、WO2013097605(A1)公开了一种制备完全剥离的石墨烯/橡胶纳米复合材料的方法。其工艺是将乳液经絮凝过程，或喷雾干燥复合乳液，保持氧化石墨烯/橡胶复合乳液在液体状态下的形态，实现了高度分散和高度分层形态分散在纳米尺度。同时，一种物质能够产生离子键或化学氧化石墨烯的表面官能团键加入到氧化石墨烯/水溶胶，作为表面活性剂，从而增加了氧化石墨烯和橡胶之间的界面粘结。复合材料进行后续的配方和硫化制备硫化胶与动态性能，如抗拉强度高，应力在一定的伸长率、撕裂强度等，并能显著提高其耐磨性和硫化胶的空气阻隔性能，实现简单，成本低，节能，易工业化，具有广泛的适用性，和良好的经济效益和社会效益。WO2015065539(A3)、WO2015065539(A2)公开了一种用离子液体十六烷基三甲基溴化铵改性的氧化石墨烯(S-Go)与弹性体苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)纳米复合材料/羧甲基纤维素粘合剂用于电池添加剂。
发明内容
本发明目的在于提供一种离子液体改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，对石墨烯进行改性，使得石墨烯在溶剂中可以很好的分散，然后在橡胶凝聚过程中加入，制得的橡胶具有良好的力学性能和热稳定性能。
为此，本发明提供一种离子液体改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，包含以下步骤：
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入600～1000质量份的乙醇，加入100份质量石墨烯，在冰水混合物中超声8～12h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1000～1500质量份离子液体，在冰水混合物中搅拌6～10h，得到离子液体改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将20～100质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入5～20质量份的离子液体改性石墨烯乳液(由步骤(1)制得)、0.3～1质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在30～50℃凝聚温度下，加入3～15质量份破乳剂，搅拌混合30min后加入5～15质量份凝聚剂凝聚，在80～100℃搅拌2～5h后进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
本发明所述的离子液体改性石墨烯乳液的制备中离子液体为咪唑盐，如选自1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的一种或几种。
本发明所述的离子液体改性石墨烯乳液的制备中石墨烯为层数少于20层的石墨烯，石墨烯与离子液体的质量比为1:10～1:15。
本发明所述的胶乳凝聚中甲基纤维素为白色或类白色纤维状或颗粒状粉末，无臭，平均分子量186.86n(n为聚合度)，约18000～200000，用量为0.3～1份。
本发明所述的胶乳凝聚中破乳剂为饱和NaCl水溶液，用量为3～15份。
本发明所述的胶乳凝聚中凝聚剂为硫酸，用量为5～15份。
本发明所得聚合物性能：门尼黏度ML(1+4) 100℃50～65，300％定伸应力≥18.5MPa，拉伸强度≥26.0MPa，扯断伸长率≥560％，热分解温度≥380℃。
本发明提供的离子液体改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，石墨烯本身具有高度共轭体系，易于具有π-π键共轭结构或方形结构的小分子或聚合物发生较强的π-π相互作用，咪唑盐类离子液体改性石墨烯，利用咪唑盐类离子液体和石墨烯间π-π键之间的相互作用，对石墨烯表面进行改性而不破坏表面结构；离子液体与石墨烯的氢键作用改善其在橡胶基体中的分散、增强其与橡胶基体的界面相互作用，从而提高了橡胶的力学性能；石墨烯的片层结构提高了橡胶的热稳定性能；甲基纤维素的加入使得离子液体改性的石墨烯与橡胶具有较好的粘接性；在乳聚丁苯橡胶凝聚中加入离子液体改性石墨烯的混合液，改性方法简单，易操作。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明方法的实施例1的流程示意图；
图3是本发明方法的实施例2的流程示意图；
图4是本发明方法的实施例3的流程示意图；
图5是本发明方法的实施例4的流程示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
所需药品均为市售工业品；
丁苯胶乳是以丁二烯和苯乙烯经低温乳液聚合共聚而成的稳定乳液，其中pH值在3-7，固含量为15～25w％。
软水指的是不含或含较少可溶性钙、镁化合物的水，通常把水中钙、镁离子的含量用“硬度”这个指标来表示。硬度1度相当于每升水中含有10毫克氧化钙，低于8度的水称为软水。
测试方法及其标准：
门尼黏度：GB/T 1232.1-2000；
300％定伸应力、拉伸强度、扯断伸长率：GB/T528-2009；
热分解温度：通过Perkin-Elmer TGA/DTA-6300热分析仪进行测定。测试条件：室温升温至800℃，升温速率每分钟10℃。
实施例1
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入600质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声8h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1000质量份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，冰水混合物中下搅拌6h，得到1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将20质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入10质量份的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、0.3份甲基纤维素，搅拌混合30min，在30℃凝聚温度下，加入5质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入5质量份硫酸凝聚，在100℃搅拌3h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃55，300％定伸应力19.3MPa，拉伸强度27.9MPa，扯断伸长率562％，热分解温度385℃。
对比例1
实验条件同实施例1，只是石墨烯未用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐改性，直接在步骤(2)中加入。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃50，300％定伸应力15.2MPa，拉伸强度20.3MPa，扯断伸长率505％，热分解温度350℃。
实施例2
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入1000质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声12h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1500质量份1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐，冰水混合物中下搅拌10h，得到1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将100质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入5质量份的1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、0.3质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在50℃凝聚温度下，加入5质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入5质量份硫酸凝聚，在80℃搅拌4h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃56，300％定伸应力20.8MPa，拉伸强度26.4Pa，扯断伸长率585％，热分解温度400℃。
对比例2
实验条件同实施例2，只是石墨烯未用1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性，直接在步骤(2)中加入。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃48，300％定伸应力16.5MPa，拉伸强度18.1MPa，扯断伸长率512％，热分解温度350℃。
实施例3
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入700质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声9h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1500质量份1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐，冰水混合物中下搅拌7h，得到1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将50质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入10质量份的1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、1份甲基纤维素，搅拌混合30min，在40℃凝聚温度下，加入10质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入5质量份硫酸凝聚，在80℃搅拌3h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃60，300％定伸应力21.5MPa，拉伸强度26.7MPa，扯断伸长率581％，热分解温度390℃。
对比例3
实验条件同实施例3，只是未加入石墨烯，直接在步骤(2)中加入1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃51，300％定伸应力17.5MPa，拉伸强度22.5MPa，扯断伸长率550％，热分解温度370℃。
实施例4
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入800质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声10h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1200质量份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，冰水混合物中下搅拌7h，得到1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将60质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入5质量份的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、0.5质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在35℃凝聚温度下，加入6质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入15质量份硫酸凝聚，在85℃搅拌5h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃62，300％定伸应力18.9MPa，拉伸强度28.6MPa，扯断伸长率571％，热分解温度380℃。
对比例4
实验条件同实施例4，只是未加入石墨烯，直接在步骤(2)中加入1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃55，300％定伸应力17.8MPa，拉伸强度21.4MPa，扯断伸长率543％，热分解温度365℃。
实施例5
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入800质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声11h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1200质量份1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐)，冰水混合物中下搅拌10h，得到1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐)改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将100质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入20质量份的1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐)改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、0.7质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在40℃凝聚温度下，加入15质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入5质量份硫酸凝聚，在90℃搅拌3h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃52，300％定伸应力22.4MPa，拉伸强度27.3MPa，扯断伸长率579％，热分解温度400℃。
对比例5
实验条件同实施例5，只是未加入1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯也未加入甲基纤维素。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃50，300％定伸应力18.6MPa，拉伸强度22.5MPa，扯断伸长率550％，热分解温度375℃。
实施例6
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入600质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，冰水混合物中超声12h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1200质量份1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐，冰水混合物中下搅拌10h，得到1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液。
(2)胶乳凝聚：将100质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入20质量份的1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐改性石墨烯乳液(步骤(1)所得)、1质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在30℃凝聚温度下，加入7质量份饱和NaCl水溶液，搅拌混合30min后加入5质量份硫酸凝聚，在80℃搅拌2h进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃58，300％定伸应力19.4MPa，拉伸强度27.1MPa，扯断伸长率570％，热分解温度395℃。
对比例6
实验条件同实施例6，只是未加入甲基纤维素。按照检测标准测得：门尼黏度ML(1+4) 100℃50，300％定伸应力17.5MPa，拉伸强度22.3MPa，扯断伸长率520％，热分解温度370℃。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种改性石墨烯制备乳聚丁苯橡胶的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)离子液体改性石墨烯乳液的制备：将烧杯中加入600～1000质量份的乙醇，加入100质量份石墨烯，在冰水混合物中超声8～12h，使石墨烯充分分散，在石墨烯分散液中滴加1000～1500质量份离子液体，在冰水混合物中搅拌6～10h，得到离子液体改性石墨烯乳液；
(2)胶乳凝聚：将20～100质量份软水、100质量份丁苯胶乳加入凝聚釜，搅拌混合，加入5～20质量份的离子液体改性石墨烯乳液、0.3～1质量份甲基纤维素，搅拌混合30min，在30～50℃凝聚温度下，加入3～15份破乳剂，搅拌混合30min后加入5～15质量份凝聚剂凝聚，在80～100℃搅拌2～5h后进行熟化、然后经洗涤、脱水、干燥得到聚合物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述石墨烯为层数少于20层的石墨烯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子液体为咪唑盐。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述咪唑盐选自1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述甲基纤维素为白色或类白色纤维状或颗粒状粉末，无臭，平均分子量为18000～200000。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述破乳剂为饱和NaCl水溶液。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述凝聚剂为硫酸。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于所述丁苯胶乳是以丁二烯和苯乙烯经低温乳液聚合共聚而成的稳定乳液。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述丁苯胶乳的pH值为3-7，固含量为15～25w％。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述低温乳液聚合的反应温度为3～15℃。
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