CN112047795B - 一种氧化石墨烯/硝化棉复合物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了发明的目的在于提供一种既改善了NC热性能，也降低了NC玻璃化温度的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物的制备方法。该方法制备得到的氧化石墨烯/NC复合物不仅可以改善NC的热性能，将NC的热分解温度提高3.1℃～7.1℃，还可以降低NC的玻璃化温度，降低0.1℃～1.8℃。

Description

一种氧化石墨烯/硝化棉复合物的制备方法
技术领域
本发明属于含能材料领域，具体涉及一种氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物的制备方法。
背景技术
硝化棉(NC)作为传统的含能粘合剂，是双基推进剂的重要组分之一；在中小型火箭、导弹发动机装药中应用广泛。NC的热分解提供的能量远大于复合推进剂等推进剂中的粘结剂所提供的能量。同时，NC作为双基系固体推进剂的主要组分，其热分解对固体推进剂的能量水平有决定性的作用，提高NC的表观分解热，可以显著提高固体推进剂的能量水平。但由于NC分子链刚性较强等原因，NC的玻璃化温度较高，导致双基推进剂低温延伸率小，易脆化，限制了它的应用温度范围。
氧化石墨烯(GO)作为一种二维的碳纳米结构材料在纳米复合材料﹑传感器﹑储氢电容器和电池等领域甚受关注。氧化石墨烯具有极高的力学性能﹑良好的生物相容性﹑优越的电子运输能力和优良的电化学性能，使得它成为一种较为理想的改善材料力学性能的化合物。氧化石墨烯作为新型碳材料燃烧催化剂，在燃烧时，其亲核含氧基团将产生很多活性位点，从而表现出了较好的催化性能。Xin Zhang等在Applied Physics Letters，2013，102：141905～141909《Direct laser initiation and improved thermal stability ofnitrocellulose/graphene oxide nanocomposites》利用溶剂-非溶剂法公开制备了GO/NC复合材料，研究了GO对NC热分解过程的影响。此方法是主要研究了GO/NC复合材料的燃烧速度，以及活化能对热分解温度的影响，并未给出GO对NC其它性能如玻璃化温度的相关技术启示。袁申等在含能材料，2017，25(3)：203～208《NGO/NC复合含能材料的制备及热分解性能》一文公开制备了硝基石墨烯(NGO)/NC复合含能材料，研究了NGO对NC热分解的催化性能。其中，NGO/NC复合物较NC而言，放热峰温度由201℃提高至213℃。但此方法主要是改善NC的热性能，提高了NC的放热峰温度，也未直接给出该方法对NC玻璃化温度影响的相关技术启示。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷或者不足，本发明的目的在于提供一种既改善了NC热性能，也降低了NC玻璃化温度的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物的制备方法。
为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯加入四氢呋喃中，在20～35℃的温度范围内超声分散1～2h，其中氧化石墨烯和四氢呋喃的用量比为10mg～60mg：20g～150g，得到氧化石墨烯分散液；
步骤2，将硝化棉加入到四氢呋喃中，在20～35℃的温度范围内搅拌1～2h，其中NC和四氢呋喃的用量比4.0g～6.0g：100g～200g，待硝化棉完全溶解，得到硝化棉与四氢呋喃混合溶液；
步骤3，将步骤1得到的氧化石墨烯分散液倒入硝化棉(NC)混合溶液中，在20～40℃下搅拌0.5～1h，待均匀后静置1～2个星期，在30～40℃下烘干2～4h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉复合物。
本发明与现有技术相比，有益技术效果如下：
本发明的氧化石墨烯/NC复合物不仅可以改善NC的热性能，将NC的热分解温度提高3.1℃～7.1℃，还可以降低NC的玻璃化温度，降低0.1℃～1.8℃。本发明能够有效降低硝化棉的玻璃化温度，可以拓宽其温度适应范围，有利于其在低温环境中的应用。
以下结合具体实施方式对本发明的详细内容作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的制备的原料NC热分解图。
图2是本发明的制备的原料NC玻璃化温度图。
图3是本发明的实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物热分解图。
图4是本发明的实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物玻璃化温度图。
图5是本发明初始原料NC的SEM图。
图6是本发明的实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物SEM图。
图7是发明初始原料NC红外图。
图8是本发明的实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物红外图。
以下结合附图及具体实施方式，对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明所用的氧化石墨烯通过经销商北京百灵威科技有限公司购买。硝化棉(NC)，由西安近代化学研究所市售产品，其中氮含量11.2％～12％，热分解温度229.0℃，玻璃化温度-64.1℃。其中图1和2分别为制备的原料NC的热分解图和玻璃化温度图。
实施例1
将60mg氧化石墨烯加入150g四氢呋喃中，在25℃超声分散1.5h，将NC 6.0g加入到200g四氢呋喃中，在25℃搅拌1.5h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，30℃下对体系搅拌1h，待均匀后倒入模具中。常温放置2个星期后，在35℃下烘干3h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物6.0g。热分解温度为136.1℃，较NC提高了7.1℃，玻璃化温度为-65.9℃，较NC降低了1.8℃。其中图3和4分别为实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物的热分解图和玻璃化温度图。
结构分析
1.扫描电镜(SEM)分析
发现原来的NC直接有大量的空隙，加入了石墨烯和功能化石墨烯后，空隙变少或者没有，并且可以看见硝化棉包裹球状物在表面，应该是硝化棉包裹的氧化石墨烯。图5是原料硝化棉(NC)的SEM图。图6是实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物的SEM图。
2.红外分析
氧化石墨烯/NC复合物的红外图谱与/NC复合物的红外图谱相似，因为氧化石墨烯加入量少，并且它的特征峰如羟基、羰基、烷氧基等官能团，NC中也有。图7是NC的红外图。图8是实施例1制备的氧化石墨烯/NC复合物的红外图。
实施例2
将55mg氧化石墨烯加入140g四氢呋喃中，在30℃超声分散2.0h，将NC 5.8g加入到180g四氢呋喃中，在28℃搅拌1.5h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，35℃下对体系搅拌0.8h，待均匀后倒入模具中。常温放置1个星期后，在36℃下烘干4h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.8g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为235.8℃，玻璃化温度为-65.7℃。
实施例3
将45mg氧化石墨烯加入136g四氢呋喃中，在32℃超声分散1.8h，将NC 5.5g加入到175g四氢呋喃中，在31℃搅拌1.6h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，29℃下对体系搅拌1h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.5个星期后，在34℃下烘干3.5h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.5g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为233.4℃，玻璃化温度为-64.2℃。
实施例4
将41mg氧化石墨烯加入115g四氢呋喃中，在24℃超声分散2.0h，将NC 4.9g加入到138g四氢呋喃中，在34℃搅拌1.7h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，35℃下对体系搅拌0.8h，待均匀后倒入模具中。常温放置2个星期后，在36℃下烘干3.8h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.9g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为234.7℃，玻璃化温度为-65.3℃。
实施例5
将40mg氧化石墨烯加入108g四氢呋喃中，在34℃超声分散1.5h，将NC 5.8g加入到187g四氢呋喃中，在31℃搅拌2.0h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，40℃下对体系搅拌0.5h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.4个星期后，在37℃下烘干4.0h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.8g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为236.0℃，玻璃化温度为-64.8℃。
实施例6
将36mg氧化石墨烯加入101g四氢呋喃中，在27℃超声分散1.1h，将NC 4.0g加入到105g四氢呋喃中，在26℃搅拌1.2h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，31℃下对体系搅拌0.7h，待均匀后倒入模具中。常温放置2个星期后，在30℃下烘干3.0h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.0g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为232.4℃，玻璃化温度为-65.0℃。
实施例7
将32mg氧化石墨烯加入66g四氢呋喃中，在32℃超声分散1.6h，将NC 5.4g加入到157g四氢呋喃中，在31℃搅拌1.1h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，36℃下对体系搅拌0.8h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.5个星期后，在35℃下烘干3.5h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.4g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为235.4℃，玻璃化温度为-64.4℃。
实施例8
将29mg氧化石墨烯加入60g四氢呋喃中，在21℃超声分散1.5h，将NC 4.7g加入到129g四氢呋喃中，在24℃搅拌1.5h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，20℃下对体系搅拌0.5h，待均匀后倒入模具中。常温放置2个星期后，在30℃下烘干4.0h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.7g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为232.7℃，玻璃化温度为-64.4℃。
实施例9
将24mg氧化石墨烯加入58g四氢呋喃中，在25℃超声分散1.8h，将NC 5.6g加入到187g四氢呋喃中，在23℃搅拌2.0h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，39℃下对体系搅拌0.9h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.1个星期后，在38℃下烘干2.5h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.6g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为234.4℃，玻璃化温度为-65.3℃。
实施例10
将20mg氧化石墨烯加入74g四氢呋喃中，在21℃超声分散1.5h，将NC 4.9g加入到109g四氢呋喃中，在22℃搅拌1.6h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，25℃下对体系搅拌1.0h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.5个星期后，在31℃下烘干3.3h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.9g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为235.6℃，玻璃化温度为-65.7℃。
实施例12
将18mg氧化石墨烯加入40g四氢呋喃中，在30℃超声分散1.6h，将NC 5.5g加入到184g四氢呋喃中，在28℃搅拌1.8h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，36℃下对体系搅拌0.7h，待均匀后倒入模具中。常温放置2个星期后，在38℃下烘干3.5h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.5g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为236.1℃，玻璃化温度为-65.7℃。
实施例13
将15mg氧化石墨烯加入36g四氢呋喃中，在24℃超声分散1.9h，将NC 4.0g加入到100g四氢呋喃中，在22℃搅拌1.3h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，35℃下对体系搅拌0.5h，待均匀后倒入模具中。常温放置1个星期后，在32℃下烘干3.9h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.0g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为234.8℃，玻璃化温度为-64.4℃。
实施例14
将12mg氧化石墨烯加入20g四氢呋喃中，在20℃超声分散1.1h，将NC5.4g加入到149g四氢呋喃中，在20℃搅拌1.0h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，20℃下对体系搅拌1.0h，待均匀后倒入模具中。常温放置1个星期后，在35℃下烘干2.5h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物5.4g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为232.8℃，玻璃化温度为-65.0℃。
实施例15
将10mg氧化石墨烯加入24g四氢呋喃中，在23℃超声分散1.3h，将NC4.2g加入到115g四氢呋喃中，在24℃搅拌1.3h，待NC完全溶解；将氧化石墨烯分散液倒入NC溶液中，34℃下对体系搅拌0.7h，待均匀后倒入模具中。常温放置1.5个星期后，在36℃下烘干3.7h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉(NC)复合物4.2g。氧化石墨烯/NC复合物热分解温度为234.6℃，玻璃化温度为-64.9℃。

Claims (1)

1.一种氧化石墨烯/硝化棉复合物的制备方法，该方法采用氧化石墨烯为原料，将氧化石墨烯加入至四氢呋喃中，其特征在于，还包括如下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯加入四氢呋喃中，在20～35℃的温度范围内超声分散1～2h，其中氧化石墨烯和四氢呋喃的用量比为10mg～60mg：20g～150g，得到氧化石墨烯分散液；
步骤2，将硝化棉加入到四氢呋喃中，在20～35℃的温度范围内搅拌1～2h，其中硝化棉和四氢呋喃的用量比4.0g～6.0g：100g～200g，待硝化棉完全溶解，得到硝化棉与四氢呋喃混合溶液；
步骤3，将步骤1得到的氧化石墨烯分散液倒入硝化棉混合溶液中，在20～40℃下搅拌0.5～1h，待均匀后静置1～2个星期，在30～40℃下烘干2～4h得到相应的氧化石墨烯/硝化棉复合物。
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