[发明专利]一种石墨烯负载二氧化硅杂化填料及其制备方法、应用

说明书

本发明提供一种新型石墨烯负载二氧化硅杂化填料及其制备方法、应用。所述的新型石墨烯负载二氧化硅杂化填料由植物多酚物理修饰的石墨烯和硅烷偶联剂化学修饰的二氧化硅通过氢键等物理作用自组装而成。本发明的新型石墨烯负载二氧化硅杂化填料具有优异的导电、导热等功能性，制备工艺简单、成本低、污染少，能够在聚合物基体中均匀分散，从而显著提高聚合物基纳米复合材料的力学性能、电性能和热性能。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯负载二氧化硅杂化填料及其制备方法、应用。

背景技术

聚合物材料特别是橡胶材料通常需要经过补强后才具有实用价值。目前最常用的补强材料是炭黑和白炭黑(二氧化硅)，白炭黑由于表面存在羟基，表面能较高，而且表面呈亲水性，与多数聚合物材料相容性不好，在多数聚合物材料中难以浸润和分散，从而降低了补强性能，必须借助于硅烷偶联剂才能改善其与聚合物基体的相容性，但是即使经过硅烷化改性的白炭黑其补强效果也远不及炭黑。

石墨烯是一种集优异力学、导电和导热等性能于一身的二维片层纳米材料。将石墨烯填加到聚合物基体中，不仅能够有效提高聚合物的力学性能，而且能够同时赋予复合材料优异的导电、导热、电磁屏蔽和气体阻隔等多功能性。尽管关于聚合物/石墨烯纳米复合材料的研究已取得了不菲的成绩，但距离其商品化仍然有许多挑战。究其原因主要有：首先，氧化石墨烯是目前主要的商品化石墨烯，因此关于聚合物/石墨烯纳米复合材料的研究，绝大多数都是基于氧化石墨烯或还原氧化石墨烯而开展，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯因结构中存在大量缺陷而导致性能严重损失，不能发挥石墨烯真正的潜能，导致聚合物/石墨烯纳米复合材料的性能差强人意。其次，目前氧化石墨烯的产率较低，价格较高，导致聚合物/石墨烯纳米复合材料的成本居高不下。另外，在氧化石墨烯生产过程中要使用大量的强酸、强氧化剂，后期还原过程中又要使用许多有毒还原试剂，不仅存在生产工艺繁冗、防护要求等级高、环境污染严重等问题，而且导致氧化石墨烯的价格居高不下。最后，在制备聚合物/石墨烯纳米复合材料时，为了恢复氧化石墨烯的导电、导热等功能性，往往要对氧化石墨烯进行还原处理，而还原过程中石墨烯很容易重新聚集堆叠，从而降低聚合物/石墨烯纳米复合材料的性能。

通过不同填料间合理的组合搭配而形成的杂化填料，不仅能够发挥出“1+1>2”的协同作用，而且通过廉价填料和昂贵填料之间的搭配，能够降低昂贵填料的用量，从而有效降低成本。传统的石墨烯-二氧化硅杂化填料是由氧化石墨烯或其化学修饰产物与二氧化硅或其化学修饰产物组成【CN201410456771.1；CN201410842830.9；CN201610587443.4；ChemPlusChem,2014,79,1512；Carbon,2014,79,227；RSC Adv.,2014,4,15297；Thermochim.Acta,2015,613,77；RSC Adv.,2015,5,99907；Compos.Part A-Appl.S.,2016,86,19；J.Euro.Ceram.Soc.,2016,36,2923；Appl.Surf.Sci.,2016,360,936；Chem.Eng.J.,2016,303,511；Surf.Coat.Tech.2017,311,282；RSC Adv.,2017,7,16688；Chem.Eng.J.,2017,308,1034】，所涉及的氧化石墨烯在结构和性能方面都严重地偏离了石墨烯的范畴，非真正意义的石墨烯【Electrochem.Soc.Interface,2011,20,53；Acc.Chem.Res.2013,46,14】。例如，石墨烯的电导率可达106S·cm-1，热导率可达5300W·m-1·K-1，而氧化石墨烯已沦为电和热的绝缘体。即使经过后期还原处理，石墨烯的结构和性能也只能得到部分恢复，导致传统的石墨烯-二氧化硅杂化填料往往只能提高复合材料的力学性能，而很难赋予复合材料优异的导电、导热等功能性。另外，在氧化石墨烯制备和化学修饰过程中，繁杂的制备工艺、严重的环境污染和较高的成本等问题同样制约了传统石墨烯-二氧化硅杂化填料的推广和应用。

发明内容