[发明专利]一种多巴胺改性碳纳米管/橡胶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于橡胶纳米复合材料技术领域，特别是一种使用多巴胺改性碳纳米管增强橡胶的制备方法。

技术背景

自日本电镜学家Iijima发现至今，碳纳米管(CNTs)以其独特的结构与优异的性能引起了人们极大的关注，并在制备纳米电子器件、催化剂载体、电磁屏蔽材料、防静电材料、储能材料等不同领域显示出良好的应用前景。橡胶作为一种室温下具有高弹性的聚合物材料，其诸多性能(包括拉伸强度、硬度、耐磨性、抗疲劳性等)在不经过增强是无法达到应用要求的，所以通常需要在橡胶中添加增强相来提高其性能。碳纳米管的尺寸处于纳米量级，长径比大，密度小，抗拉强度大，模量高，导电导热性好，这些优良的性能使碳纳米管成为橡胶增强与功能改性的又一重要选择。将碳纳米管添加到各类橡胶弹性材料之中，借助碳纳米管高强度、高导电导热性能来补强或功能化材料的研究在近4年发展尤为迅速。但随着研究的深入，不少学者发现直接将少量原始碳纳米管(低于10份)添加到橡胶之中难以带来如预期中的那样明显的效果，并将这一现象归因于缺乏对碳纳米管有效的预处理以及不合适的制备工艺方法，导致碳纳米管在橡胶基体中不良的分散与两者间较弱的界面结合作用力，如Nah等人(Journal of Applied Polymer Science 2010，118(3)，1574-1581)研究发现添加7份原始碳纳米管的天然橡胶拉伸强度为13.76MPa，断裂伸长率为522％，而未添加补强剂的纯天然胶的拉伸强度为12.16MPa，断裂伸长率为748％；Fritzsche等人(Macromolecular Materials and Engineering 2009，294(9)，551-560)研究发现10份碳纳米管的加入仅仅使天然橡胶的拉伸强度从原来的14.3MPa上升为17.3MPa，断裂伸长率却由原来的467％下降为302％。根据大量文献报道，现有主要的碳纳米管预处理方法为酸化氧化法。这种方法在改变碳纳米管化学惰性与缠结现象的同时，也较大程度地破坏了碳纳米管的结构，这必然也降低到了碳纳米管本身所具有的性能，从而影响了碳纳米管对基体材料的补强或功能化效果；传统的机械共混法仍是制备碳纳米管/橡胶复合材料的主要方法，但这种方法难以有效地实现碳纳米管在基体中的均匀分散。因此，有必要提供一种新的碳纳米管/天然橡胶复合材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一新碳纳米管预处理方法及碳纳米管/橡胶复合材料的制备方法。具体而言，本发明采用多巴胺对碳纳米管的表面进行修饰，使碳纳米管由原来的疏水性变为亲水性，并能均匀稳定地分散在水相中，再将其与胶乳混合，运用“乳液共沉”的方法制备出多巴胺改性碳纳米管/橡胶复合材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种多巴胺改性碳纳米管/橡胶复合材料，其特征在于，复合材料中包括表面由多巴胺修饰的碳纳米管，表面由多巴胺修饰的碳纳米管均匀地分散在橡胶基体材料中。

一种多巴胺改性碳纳米管/橡胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).将原始碳纳米管借助超声振荡分散于去离子水中，并加入PH缓冲溶液，使碳纳米管悬浮液的PH值稳定在5～8之间；再加入多巴胺粉末，室温沉积聚合反应12～24小时，洗涤过滤，得到表面由多巴胺修饰的碳纳米管。

(2).将步骤(1)表面由多巴胺修饰的碳纳米管加入到去离子水中，并进行超声振荡，形成均匀稳定的碳纳米管-去离子水悬浮液；将所得悬液液滴加到胶乳中，并进行不低于1小时的不断地机械搅拌，使表面由多巴胺修饰的碳纳米管均匀地分散在胶乳中，得到碳纳米管-胶乳混合液；再把碳纳米管-胶乳混合液滴加到破乳剂中，进行絮凝，破碎干燥，得到“母胶”状态的碳纳米管/橡胶复合材料；

(3)采用传统的机械共混法，将各种助剂加入到“母胶”之中，得到“混炼胶”状态的改性碳纳米管/橡胶复合材料。

本发明所用的原始碳纳米管，可选用直径10～20纳米，平均长度为1～10微米，纯度高于95％的多壁或单壁碳纳米管。

本发明所用的多巴胺全称为4-(2-乙胺基)苯-1，2-二醇(英文简称为DA)，多巴胺与原始碳纳米管质量的比例为1/1～1/4。

以上实施方案中的主要材料优选为：原始碳纳米管为2～10质量份，多巴胺为2～5质量份，胶乳为50～200质量份。

本发明所用的PH缓冲液为三羟甲基氨基甲烷(Tris)-盐酸的混合液，PH值稳定的范围为5～8之间。