CN112480684B - 硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112480684B CN112480684B CN202011391568.2A CN202011391568A CN112480684B CN 112480684 B CN112480684 B CN 112480684B CN 202011391568 A CN202011391568 A CN 202011391568A CN 112480684 B CN112480684 B CN 112480684B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- silanized
- dispersion
- silicone rubber
- ago
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 174
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 174
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 title claims abstract description 101
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 31
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N silanamine Chemical compound [SiH3]N FZHAPNGMFPVSLP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 claims description 20
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 18
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 15
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 claims description 15
- -1 methyl vinyl Chemical group 0.000 claims description 12
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 12
- DMWVYCCGCQPJEA-UHFFFAOYSA-N 2,5-bis(tert-butylperoxy)-2,5-dimethylhexane Chemical compound CC(C)(C)OOC(C)(C)CCC(C)(C)OOC(C)(C)C DMWVYCCGCQPJEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 7
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 2-(2-phenylpropan-2-ylperoxy)propan-2-ylbenzene Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(C)(C)OOC(C)(C)C1=CC=CC=C1 XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 12
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 abstract description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 description 23
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 23
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 12
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 12
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 9
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 7
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 7
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 7
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 7
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 7
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 6
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 6
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 5
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 5
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 5
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 3
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 3
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 3
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 3
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 3
- YKTNISGZEGZHIS-UHFFFAOYSA-N 2-$l^{1}-oxidanyloxy-2-methylpropane Chemical group CC(C)(C)O[O] YKTNISGZEGZHIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000536 complexating effect Effects 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000002444 silanisation Methods 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L83/04—Polysiloxanes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L2205/00—Polymer mixtures characterised by other features
- C08L2205/02—Polymer mixtures characterised by other features containing two or more polymers of the same C08L -group
- C08L2205/025—Polymer mixtures characterised by other features containing two or more polymers of the same C08L -group containing two or more polymers of the same hierarchy C08L, and differing only in parameters such as density, comonomer content, molecular weight, structure
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
一种硅烷化石墨烯及其制备方法和应用以及硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法，该硅烷化石墨烯的制备方法包括：将氨基硅烷偶联剂和氧化石墨烯混合得到第一分散液，第一分散液反应后得到自组装单层分子改性的AGO；将AGO和原硅酸四乙酯混合得到第二分散液，调节第二分散液的pH至碱性，反应后得到硅烷化石墨烯。本发明的硅烷化的石墨烯AGO‑TEOS，使得石墨烯片层之间的相互作用力减弱，不易发生团聚，更进一步增强了石墨烯与硅橡胶之间的相容性，使其可以均匀地分散在硅橡胶基体中，从而达到了对硅橡胶的增强作用。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
硅橡胶(SR)由于其耐辐射，耐腐蚀，化学稳定性，热稳定性，在极端温度下具有出色的耐疲劳性，生理相容性以及其他出色的物理化学特性而吸引了大家的注意。由于这些特殊的性质，硅橡胶在航空，电子设备，机械，医疗设备和仪器等方面具有广泛的应用。但是，未填充的硅橡胶机械性能较差，拉伸强度仅为0.4MPa，断裂伸长率为110.67％，极大地限制了其广泛的应用。众所周知，可以使用纳米材料或纳米复合材料增强硅橡胶以提高其性能，其中石墨烯引起了广泛关注。但是，石墨烯与硅橡胶的相容性极差，很容易在硅橡胶基体中发生团聚，如何对石墨烯进行改性制备性能优异的石墨烯/硅橡胶复合材料仍是个挑战。
由于其特殊的二维蜂窝状晶格结构，石墨烯具有出色的机械、电、热、光学性能以及超高的比表面积，这使得石墨烯在电池、传感器、柔性显示器、电子设备和复合材料等多个领域具有巨大的应用潜力。石墨烯基复合材料是石墨烯应用的重要研究方向。从理论上讲，石墨烯的杨氏模量可以达到1.0TPa，因此添加少量石墨烯可以大大提高复合材料的力学性能。在过去的研究中，石墨烯已作为一种新型填料添加到各种聚合物基体中，这给聚合物基体带来了许多特殊性能，通常，石墨烯复合聚合物材料具有更高的机械强度，电导率和导热率，使得复材料具有更广阔的应用价值和前景。
石墨烯复合高分子材料的性能主要取决于石墨烯在基体中的分散度以及石墨烯与基体之间的相互作用。然而，由于石墨烯片之间的作用力强，并且石墨烯与聚合物基体之间的相容性很差，因此石墨烯纳米片容易在聚合物基体中团聚，这极大地限制了石墨烯在复合材料中的增强作用。通常，研究人员可能会寻求更合适的复合方法并在功能上对氧化石墨烯进行改性以解决这一问题。
目前，将石墨烯和聚合物基体结合起来的主要方法有三种：机械混合，溶液/胶乳共混和原位聚合。机械混合简单且易于大量生产，但是石墨烯在基质中的分散性很差。相反，石墨烯在通过溶液/胶乳混合和原位聚合获得的复合物中可以获得优越的分散性。但是，溶液/胶乳混合和原位聚合不适用于一般聚合物，溶液混合方法需要大量溶剂，如何有效去除工艺中使用的溶剂仍然是广泛使用该技术的重要问题。原位聚合的另一个限制因素是在该方法中聚合物的分子链可能会附着在石墨烯上，从而影响进一步聚合。氧化石墨烯的表面含有许多羟基，羧基和环氧基，它们为有机化学反应提供了反应位置，利用具有特定结构的有机分子与这些基团进行反应，可以获得官能化的还原石墨烯。如果官能化的石墨烯可以进一步与聚合物基质相互作用，则可以显着改善石墨烯在基质中的分散性，这有利于增强复合材料的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种硅烷化石墨烯及其制备方法以及硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种硅烷化石墨烯的制备方法，包括：
将氨基硅烷偶联剂和氧化石墨烯混合得到第一分散液，第一分散液反应后得到自组装单层分子改性的AGO；
将AGO和原硅酸四乙酯混合得到第二分散液，调节第二分散液的pH至碱性，反应后得到硅烷化石墨烯。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种硅烷化石墨烯，采用如上所述的制备方法获得。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，内含有如上所述的硅烷化石墨烯。
作为本发明的再一个方面，还提供了一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的制备方法，包括：
将上述的硅烷化石墨烯和硅橡胶第一次密炼；
加入羟基硅油进行第二次密炼；
加入硫化剂进行第三次密炼；
第三次密炼结束后硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述的硅烷化石墨烯或如上所述硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料或如上所述的制备方法得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料在高分子复合材料领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的硅烷化石墨烯及其制备方法以及硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、与现有的制备石墨烯/硅橡胶复合材料相比，本发明分两步制备了硅烷化的石墨烯；先利用硅烷偶联剂KH-792对氧化石墨烯进行还原和修饰，得到自组装单层分子改性的AGO；再利用原硅酸四乙酯在AGO表面水解与缩合，进一步得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS；使得石墨烯片层之间的相互作用力减弱，不易发生团聚，更进一步增强了石墨烯与硅橡胶之间的相容性，使其可以均匀的分散在硅橡胶基体中，从而达到了对硅橡胶的增强作用；
2、本发明采用机械混合的方法复合硅烷化的石墨烯与硅橡胶，简单直接；混合过程中不会使用大量的有机试剂，环境友好，可用于进一步的大规模生产；
3、本发明整个制备过程中操作简单、环境友好、安全可控、低成本、低污染、简单高效、重复性强，相较与其他石墨烯/硅橡胶复合材料的制备，本发明方法更适宜于工业化生产；
4、本发明得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的机械性能得到了大幅度的提升，当石墨烯的添加量为1wt％时，使得硅橡胶的拉伸强度从0.4MPa提高至1.95MPa，同时，断裂伸长率从110.67％提高至231.96％。
附图说明
图1为本发明实施例中制备硅烷化石墨烯的过程示意图；
图2为本发明实施例中硅烷化石墨烯的TEM图；
图3为本发明实施例中硅烷化石墨烯的AFM图；
图4为本发明实施例中制备得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的照片图；
图5为本发明实施例中制备得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种硅烷化石墨烯的制备方法，包括：
将氨基硅烷偶联剂和氧化石墨烯混合得到第一分散液，第一分散液反应后得到自组装单层分子改性的AGO；
将AGO和原硅酸四乙酯混合得到第二分散液，调节第二分散液的pH至碱性，反应后得到硅烷化石墨烯。
在本发明的一些实施例中，所述第一分散液中氨基硅烷偶联剂的浓度为5至25μL/mL，例如为5μL/mL、8μL/mL、10μL/mL、12μL/mL、15μL/mL、18μL/mL、20μL/mL、25μL/mL；
在本发明的一些实施例中，所述第一分散液中氧化石墨烯的浓度为1至5mg/mL，例如为1mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL；
在本发明的一些实施例中，所述第一分散液反应的温度为90至98℃，例如为90℃、92℃、94℃、95℃、96℃、98℃；
在本发明的一些实施例中，所述第一分散液反应的时间为3至5h，例如为3h、3.5h、4h、4.5h、5h；
在本发明的一些实施例中，所述氨基硅烷偶联剂包括硅烷偶联剂KH-792或硅烷偶联剂KH-550中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述第二分散液中AGO的浓度为1至5mg/mL，例如为1mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL；
在本发明的一些实施例中，所述第二分散液中原硅酸四乙酯的浓度为25至75μL/mL，例如为25μL/mL、30μL/mL、35μL/mL、40μL/mL、45μL/mL、50μL/mL、55μL/mL、60μL/mL、65μL/mL、70μL/mL、75μL/mL；
在本发明的一些实施例中，所述第二分散液反应的温度为55至65℃，例如为55℃、58℃、60℃、62℃、65℃；
在本发明的一些实施例中，所述第二分散液反应的时间为1.5至2.5h，例如为1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h；
在本发明的一些实施例中，调节所述第二分散液的pH为9至10，例如为9、9.2、9.5、9.8、10。
在本发明的一些实施例中，所述制备方法还包括将反应后得到硅烷化石墨烯进一步老化；
在本发明的一些实施例中，所述老化温度为35至45℃，例如为35℃、38℃、40℃、42℃、45℃；；
在本发明的一些实施例中，所述老化时间为3至5h，例如为3h、3.5h、4h、4.5h、5h。
本发明还公开了一种硅烷化石墨烯，采用如上所述的制备方法获得。
本发明还公开了一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，内含有如上所述的硅烷化石墨烯。
本发明还公开了一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的制备方法，包括：
将上述的硅烷化石墨烯和硅橡胶第一次密炼；
加入羟基硅油进行第二次密炼；
加入硫化剂进行第三次密炼；
第三次密炼结束后硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
在本发明的一些实施例中，所述第一次密炼中硅烷化石墨烯的浓度为1至10wt％，例如为1wt％、2wt％、3wt％、5wt％、6wt％、8wt％、10wt％；
在本发明的一些实施例中，所述第一次密炼的温度为60至80℃，例如为60℃、62℃、65℃、68℃、70℃、75℃、78℃、80℃，时间为5至20min，例如为5min、8min、10min、12min、15min、18min、20min；
在本发明的一些实施例中，所述第二次密炼中羟基硅油的浓度为1至5wt％，例如为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％；
在本发明的一些实施例中，所述第二次密炼的温度为60至80℃，，例如为60℃、62℃、65℃、68℃、70℃、75℃、78℃、80℃，时间为5至10min，例如为5min、6min、7min、8min、9min、10min；
在本发明的一些实施例中，所述第三次密炼中硫化剂的浓度为1至2wt％；
在本发明的一些实施例中，所述第三次密炼的温度为60至80℃，例如为60℃、62℃、65℃、68℃、70℃、75℃、78℃、80℃，时间为5至10min，例如为5min、6min、7min、8min、9min、10min；
在本发明的一些实施例中，所述第三次密炼中硫化剂包括2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述硫化步骤中，硫化的温度为150至170℃，例如为150℃、155℃、160℃、165℃、168℃、170℃；时间为10至20min，例如为10min、12min、15min、18min、19min、20min；
在本发明的一些实施例中，所述硅橡胶包括甲基乙烯聚硅氧烷。
本发明还公开了如上所述的硅烷化石墨烯或如上所述硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料或如上所述的制备方法得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料在高分子复合材料领域的应用。
在一个示例性实施例中，本发明提供一种制备硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的方法，采用如下技术方案：
以氧化石墨烯浆料为原料，利用硅烷偶联剂KH-792对其进行还原和修饰，得到自组装单层分子改性的AGO，再利用原硅酸四乙酯在AGO表面水解与缩合，进一步得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS。具体制备过程包括以下步骤：
将40g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/mL，超声分散；滴加2ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将AGO重新分散到200mL无水乙醇中，超声30min；滴加5～15mL原硅酸四乙酯和5mL水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱干燥。
将所述得到的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到硅橡胶中，加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
优选地，所述氧化石墨烯原料为氧化石墨烯含量为1wt％的浆料。
优选地，所述硅烷偶联剂KH-792为N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。
进一步优选地，所述原硅酸四乙酯在AGO表面原位水解。
优选地，所述干燥AGO-TEOS是在70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。
优选地，所述硅橡胶为甲基乙烯聚硅氧烷(Mw＝600000，乙烯基含量为0.65mol％)。硅橡胶还可以为不同分子量及不同乙烯基含量的甲基乙烯聚硅氧烷。
优选地，所述羟基硅油中羟基含量为6mo1％。
优选地，所述机械混合具体为：先将硅橡胶和1wt％硅烷化的石墨烯加入到密炼机中，再加入2wt％羟基硅油，80℃密炼15min，之后加入1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)密炼5min，等待冷却后放入平板硫化仪硫化。
优选地，所述硫化是在15MPa、170℃下进行，硫化15min，即可得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
实施例1
请参阅图1，将40g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/ml，超声分散；滴加2ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将上述得到的AGO重新分散到200ml无水乙醇中，超声30min；滴加5ml原硅酸四乙酯和5ml水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。
将所述得到的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到硅橡胶中，所用硅橡胶为甲基乙烯聚硅氧烷(Mw＝600000，乙烯基含量为0.65mol％)。加入2wt％羟基硅油(羟基含量为6mo1％)，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
先将硅橡胶和1wt％硅烷化的石墨烯加入到密炼机中，再加入2wt％羟基硅油，80℃密炼15min，之后加入1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)密炼5min，等待冷却后放入平板硫化仪15MPa、170℃硫化15min，即可得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。产品性能测试结果详见附表1。
实施例2
将40g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/ml，超声分散；滴加2ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将上述得到的AGO重新分散到200ml无水乙醇中，超声30min；滴加7.5ml原硅酸四乙酯，5ml水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。将所述的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到40g硅橡胶中，加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，产品性能测试结果详见附表1。
实施例3
将40g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/ml，超声分散；滴加2ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将上述得到的AGO重新分散到200ml无水乙醇中，超声30min；滴加15ml原硅酸四乙酯，5ml水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。将所述的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到40g硅橡胶中，加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，产品性能测试结果详见附表1。
实施例4
将120g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/ml，超声分散；滴加6ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将上述得到的AGO重新分散到600ml无水乙醇中，超声30min；滴加22.5ml原硅酸四乙酯，15ml水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。将所述的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到40g硅橡胶中，加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，产品性能测试结果详见附表1。
实施例5
将200g氧化石墨烯浆料稀释到2mg/ml，超声分散；滴加10ml硅烷偶联剂KH-792，超声10min，98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO；将上述得到的AGO重新分散到200ml无水乙醇中，超声30min；滴加37.5ml原硅酸四乙酯，25ml水，常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9～10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，期间多次用研钵研磨以防止AGO-TEOS结块。将所述的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到40g硅橡胶中，加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，产品性能测试结果详见附表1。
实施例6
(1)将氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂KH-792混合得到第一分散液，其中，第一分散液中氧化石墨烯的浓度为3mg/mL，硅烷偶联剂KH-792的浓度为15μL/mL，上述第一分散液在98℃搅拌回流4h，静置冷却后离心洗涤得到AGO。
(2)将AGO和原硅酸四乙酯混合得到第二分散液，其中，第一分散液中AGO的浓度为3mg/mL；原硅酸四乙酯的浓度为50μL/mL；上述第二分散液在常温搅拌4h后，滴加氨水调节pH至9-10，60℃加热搅拌2h，40℃老化4h；抽滤，经水和乙醇洗涤至中性得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS，放置烘箱70℃下干燥，得到硅烷化石墨烯AGO-TEOS。
(3)将所述的硅烷化石墨烯AGO-TEOS作为填料以机械混合的方法添加到硅橡胶中，其中，硅烷化石墨烯AGO-TEOS的添加量为浓度为5wt％，再加入2wt％羟基硅油，1wt％2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例7
实施例7与实施例6的区别仅在于步骤(1)中硅烷偶联剂KH-792替换为硅烷偶联剂KH-550，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例8
实施例8与实施例6的区别仅在于步骤(1)中第一分散液中氧化石墨烯的浓度为1mg/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例9
实施例9与实施例6的区别仅在于步骤(1)中第一分散液中氧化石墨烯的浓度为5mg/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例10
实施例10与实施例6的区别仅在于步骤(1)中第一分散液中硅烷偶联剂KH-792的浓度为5μL/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例11
实施例11与实施例7的区别仅在于步骤(1)中第一分散液中硅烷偶联剂KH-792的浓度为25μL/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例12
实施例12与实施例6的区别仅在于步骤(1)中第一分散液在90℃搅拌回流3h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例13
实施例13与实施例6的区别仅在于步骤(1)中第一分散液在95℃搅拌回流5h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例14
实施例14与实施例6的区别仅在于步骤(2)中第二分散液中AGO的浓度为1mg/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例15
实施例15与实施例6的区别仅在于步骤(2)中第二分散液中AGO的浓度为5mg/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例16
实施例16与实施例6的区别仅在于步骤(2)中第二分散液中原硅酸四乙酯的浓度为25μL/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例17
实施例17与实施例6的区别仅在于步骤(2)中第二分散液中原硅酸四乙酯的浓度为75μL/mL，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例18
实施例18与实施例6的区别仅在于步骤(2)中65℃加热搅拌1.5h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例19
实施例19与实施例6的区别仅在于步骤(2)中60℃加热搅拌2.5h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例20
实施例20与实施例6的区别仅在于步骤(2)中45℃老化3h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
实施例21
实施例21与实施例6的区别仅在于步骤(2)中35℃老化5h，同样得到了硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
表1
实施例1～3主要是以不同量的原硅酸四乙酯在AGO表面原位水解缩合，比较不同量的原硅酸四乙酯在AGO表面水解缩合得到的AGO-TEOS添加到硅橡胶中，制得的复合材料强度变化。原硅酸四乙酯的添加量并不是越多制得的AGO-TEOS对硅橡胶的提升就越好，当其添加量为7.5mL时，制得的AGO-TEOS对硅橡胶拉伸强度及断裂伸长率的提升均最佳。
实施例2、4、5比较了不同量的硅烷化石墨烯添加到硅橡胶中，对硅橡胶强度的提升，在对比实验中均以原硅酸四乙酯：氧化石墨烯为7.5mL：400mg的比例添加，所制得的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的拉伸强度随着AGO-TEOS的添加量的增多而增强，但断裂伸长率却随着AGO-TEOS的添加量的增加而下降。
本发明如图1所示，以氧化石墨烯浆料为原料，先利用硅烷偶联剂KH-792对其进行还原和修饰，得到自组装单层分子改性的AGO，再利用原硅酸四乙酯在AGO表面水解与缩合，进一步得到硅烷化的石墨烯AGO-TEOS；将其作为填料以机械混合的方法添加的硅橡胶中，得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
图2和图3分别为硅烷化石墨烯AGO-TEOS的TEM和AFM图像，其中，图2中(a)图和(b)图的标尺分别为1μm和50nm，图3中(a)图和(b)图分别为二维和三维下的AFM图；从图2和图3中可以看出石墨烯表面均匀的覆盖一层聚硅氧烷，且厚度约为3.6nm，石墨烯被成功的硅烷化。
图4为硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的照片，从图4中可以看出石墨烯均匀的分散在硅橡胶基体中，再用扫描电子显微镜观察复合材料的截面得到图5，其中，图5中(a)图和(b)图的标尺分别为200μm和40μm，在AGO-TEOS/硅橡胶复合材料的横截面中未观察到明显的石墨烯片。这是因为硅烷化的AGO-TEOS纳米片不会堆叠在一起，在硅烷化后，它们与硅橡胶基体具有更好的相容性，并且硅橡胶中的聚硅氧分子链吸附在AGO-TEOS纳米表的表面，使复合材料的横截面出现皱褶。
由以上可以得知，本发明中制备的硅烷化石墨烯可以均匀分散在硅橡胶中，并且产生相互作用，使得最终复合后得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的性能得到了大幅度的提升。本方法操作简单，效果明显，使得硅橡胶的性能得到了大幅度提升，且在制备过程中没有使用到大量有机溶剂，为进一步工业化生产提供了可能，有利于后续应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅烷化石墨烯的制备方法，包括：
将氨基硅烷偶联剂和氧化石墨烯混合得到第一分散液，第一分散液反应后得到自组装单层分子改性的AGO；
将AGO和原硅酸四乙酯混合得到第二分散液，调节第二分散液的pH至碱性，反应后得到硅烷化石墨烯；
其中，
所述第一分散液中氨基硅烷偶联剂的浓度为5至25μL/mL；
所述第一分散液中氧化石墨烯的浓度为1至5mg/mL；
所述第二分散液中AGO的浓度为1至5mg/mL；
所述第二分散液中原硅酸四乙酯的浓度为25至75μL/mL。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述第一分散液反应的温度为90至98℃；
所述第一分散液反应的时间为3至5h；
所述氨基硅烷偶联剂包括硅烷偶联剂KH-792或硅烷偶联剂KH-550中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述第二分散液反应的温度为55至65℃；
所述第二分散液反应的时间为1.5至2.5h；
调节所述第二分散液的pH为9至10。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述制备方法还包括将反应后得到硅烷化石墨烯进一步老化；
所述老化温度为35至45℃；
所述老化时间为3至5h。
5.一种硅烷化石墨烯，采用如权利要求1至4任一项所述的制备方法获得。
6.一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料，内含有如权利要求5所述的硅烷化石墨烯。
7.一种硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料的制备方法，包括：
将权利要求5所述的硅烷化石墨烯和硅橡胶第一次密炼；
加入羟基硅油进行第二次密炼；
加入硫化剂进行第三次密炼；
第三次密炼结束后硫化得到硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述第一次密炼中硅烷化石墨烯的浓度为1至10wt％；
所述第一次密炼的温度为60至80℃，时间为5至20min；
所述第二次密炼中羟基硅油的浓度为1至5wt％；
所述第二次密炼的温度为60至80℃，时间为5至10min；
所述第三次密炼中硫化剂的浓度为1至2wt％；
所述第三次密炼的温度为60至80℃，时间为5至10min；
所述第三次密炼中硫化剂包括2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰中的任一种。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述硫化步骤中，硫化的温度为150至170℃，时间为10至20min；
所述硅橡胶包括甲基乙烯聚硅氧烷。
10.如权利要求5所述的硅烷化石墨烯或如权利要求6所述硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料或如权利要求7至9任一项所述的制备方法得到的硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料在高分子复合材料领域的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011391568.2A CN112480684B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011391568.2A CN112480684B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112480684A CN112480684A (zh) | 2021-03-12 |
| CN112480684B true CN112480684B (zh) | 2022-01-11 |
Family
ID=74938998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011391568.2A Active CN112480684B (zh) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | 硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112480684B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114561110B (zh) * | 2022-03-26 | 2023-05-23 | 常州大学 | 用于制备硅橡胶复合材料的硅包覆液态金属纳米填料 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2527014B1 (de) * | 2011-05-26 | 2014-08-20 | Head Technology GmbH | Skibelag |
| CN104530334A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-04-22 | 江苏大学 | 一种SiO2/GO表面金属离子印迹聚合物的制备方法及应用 |
| CN106398223A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-15 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种采用硅烷改性石墨烯制备石墨烯/硅橡胶材料的方法 |
| CN106517215A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-03-22 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法 |
| CN106660806A (zh) * | 2014-07-24 | 2017-05-10 | 斯马特高科技有限公司 | 用于合成二氧化硅涂覆的石墨烯功能杂化材料的方法 |
| CN106633901A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-05-10 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种含石墨烯耐高温缩合型室温硫化硅橡胶 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107501941A (zh) * | 2017-08-26 | 2017-12-22 | 福建师范大学 | 一种功能化氧化石墨烯与室温硫化硅橡胶纳米复合材料及其制备方法 |
-
2020
- 2020-12-01 CN CN202011391568.2A patent/CN112480684B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2527014B1 (de) * | 2011-05-26 | 2014-08-20 | Head Technology GmbH | Skibelag |
| CN106660806A (zh) * | 2014-07-24 | 2017-05-10 | 斯马特高科技有限公司 | 用于合成二氧化硅涂覆的石墨烯功能杂化材料的方法 |
| CN104530334A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-04-22 | 江苏大学 | 一种SiO2/GO表面金属离子印迹聚合物的制备方法及应用 |
| CN106398223A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-15 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种采用硅烷改性石墨烯制备石墨烯/硅橡胶材料的方法 |
| CN106633901A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-05-10 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种含石墨烯耐高温缩合型室温硫化硅橡胶 |
| CN106517215A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-03-22 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种石墨烯包覆二氧化硅纳米微球颗粒的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112480684A (zh) | 2021-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aziz et al. | Recent progress in silane coupling agent with its emerging applications | |
| Hou et al. | Recent advances and future perspectives for graphene oxide reinforced epoxy resins | |
| US20100040858A1 (en) | TiO2-coated CNT, TiO2-coated CNT reinforced polymer composite and methods of preparation thereof | |
| Lian et al. | Study on modified graphene/butyl rubber nanocomposites. I. Preparation and characterization | |
| Cao et al. | High-performance natural rubber nanocomposites with marine biomass (tunicate cellulose) | |
| Yuan et al. | A novel surface modification for calcium sulfate whisker used for reinforcement of poly (vinyl chloride) | |
| Zhu et al. | Effect of flexibility of grafted polymer on the morphology and property of nanosilica/PVC composites | |
| Khan et al. | Synthesizing polystyrene/carbon nanotube composites by emulsion polymerization with non-covalent and covalent functionalization | |
| Liu et al. | Ultralow-carbon nanotube-toughened epoxy: the critical role of a double-layer interface | |
| Kongsinlark et al. | Synthesis of monodispersed polyisoprene–silica nanoparticles via differential microemulsion polymerization and mechanical properties of polyisoprene nanocomposite | |
| Choi et al. | Effect of silane functionalization of montmorillonite on epoxy/montmorillonite nanocomposite | |
| CN114854237B (zh) | 抑制MXene纳米材料氧化的方法及其在防腐涂料中的应用 | |
| Avilés et al. | Improving carbon nanotube/polymer interactions in nanocomposites | |
| Watcharakul et al. | In situ silica reinforcement of methyl methacrylate grafted natural rubber by sol–gel process | |
| Wang et al. | Utilization of silane functionalized carbon nanotubes‐silica hybrids as novel reinforcing fillers for solution styrene butadiene rubber | |
| Tsou et al. | High-performance antibacterial nanocomposite films with a 3D network structure prepared from carboxylated graphene and modified polyvinyl alcohol | |
| CN112375369A (zh) | 一种界面超分子增强纳米复合材料及其制备方法 | |
| CN112480684B (zh) | 硅烷化石墨烯/硅橡胶复合材料及其制备方法和应用 | |
| Chen et al. | Effective reinforcement of amino-functionalized molybdenum disulfide on epoxy-based composites via strengthened interfacial interaction | |
| Sheng et al. | Synthesis and characterization of core/shell titanium dioxide nanoparticle/polyacrylate nanocomposite colloidal microspheres | |
| Huang et al. | Reinforcement of polysiloxane with superhydrophobic nanosilica | |
| Lotfi et al. | Aminosilane-co-graphene oxide/epoxy nanocomposite coating: an approach towards toughness and viscoelastic properties enhancement | |
| Kausar | Emulsion polymer derived nanocomposite: a review on design and tailored attributes | |
| CN112940318A (zh) | 有机-无机复合膜的制备方法和有机-无机复合膜 | |
| Kim et al. | Cellulose-silica/gold nanomaterials for electronic applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |