[发明专利]一种制备表面修饰纳米SiO2粒子的螺旋纳米碳纤维的方法

说明书

本发明公开了一种螺旋纳米碳纤维表面修饰纳米SiO₂粒子的方法，包括如下步骤：S1：将螺旋纳米碳纤维在真空条件下于800~1000℃保温2~4h；S2：将S1中热处理后的螺旋纳米碳纤维分散于乙醇中，超声震荡分散均匀后，再加入蒸馏水和氨水，再次超声震荡分散均匀，此液记为A液；S3：将正硅酸己酯分散于乙醇中，超声震荡分散均匀，此液记为B液；S4：将A液于80~100℃冷凝回流后，与B液混合，混合液于70~100℃冷凝回流2~4h；S5：将S4中得到的混合物抽滤，滤渣干燥后，即得到所述的表面修饰纳米SiO₂粒子的螺旋纳米碳纤维。本发明提供的螺旋纳米碳纤维表面修饰纳米SiO₂粒子的方法，能在螺旋纳米碳纤维表面均匀地原位生长纳米SiO₂粒子，粒径可控，其粒径约为20~100nm。

技术领域

本发明属于无机材料制备领域，具体涉及一种制备表面修饰纳米SiO₂粒子的螺旋纳米碳纤维的方法。

技术背景

随着现代社会的发展，人们对环保的要求越来越高，在减少石化燃料使用的同时，又能带来更好的产品成为了一个亟待解决的问题。美国权威机构的测试表明，轮胎滚动阻力每下降3％～5％，汽车就可节约燃油1％，但同时实现耐磨性、抗湿滑性能和低滚动阻力三种性能的提高，是传统轮胎面临的技术瓶颈。根据现有文献报道表明，将螺旋纳米碳纤维作为新型填料添加到炭黑补强橡胶的体系中，可利用特殊的纳米螺旋结构提高橡胶复合材料的力学性能。在螺旋纳米碳纤维表面原位生长纳米SiO₂粒子，不仅可以凭借其凸出于螺旋表面的纳米微粒结构缠绕更多橡胶分子链，而且还可发挥白炭黑在补强橡胶的抗湿滑路面牵引性优势，弥补碳填料补强橡胶的劣势。

目前，在纳米碳管或纳米碳纤维表面接枝生长SiO₂粒子，通常需要对纳米碳管或纳米碳纤维进行表面基团接枝改性，工艺复杂，SiO₂粒子的形貌及分布较难控制。例如，中国发明专利(201611063545.2)公开了一种SiO₂/螺旋纳米碳纤维双相填料的制备方法，该方法主要包含四个步骤：(1)对螺旋纳米碳纤维进行酸化，得到羟基化螺旋纳米碳纤维；(2)将所述羟基化螺旋纳米碳纤维与聚丙烯酸、二环己基碳二亚胺、二甲氨基吡啶和有机溶剂混合进行接枝反应，得到聚丙烯酸接枝螺旋纳米碳纤维；(3)将所述聚丙烯酸接枝螺旋纳米碳纤维与二环己基碳二亚胺、二甲氨基吡啶和硅烷偶联剂混合进行硅烷化反应，得到硅氧烷接枝螺旋纳米碳纤维；(4)将所述硅氧烷接枝螺旋纳米碳纤维与正硅酸已酯、氨水和有机溶剂混合进行水解接枝反应，得到SiO₂/螺旋纳米碳纤维双相填料。该专利技术存在以下不足：(a)螺旋纳米碳纤维的前处理过程(即官能团接枝改性，包括一个酸化改性和两个预接枝反应过程)工艺步骤繁琐，出现了三个中间产物，工艺可控性与实验结果可重复性较差；(b)使用了大量有机试剂，比如聚丙烯酸、二环己基碳二亚胺、二甲氨基吡啶、硅烷偶联剂、四氢呋喃、丙酮等，大大增加了制备成本；(c)螺旋纳米碳纤维的前处理工艺排放了较多废液，不够环保。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种制备表面修饰纳米SiO₂粒子的螺旋纳米碳纤维的方法，以简化现有制备技术中繁琐、复杂的碳纤维前处理工艺过程，减少有机试剂的使用，提高工艺可控性，在螺旋纳米碳纤维表面原位生长粒径可控、分布均匀的球形纳米SiO₂粒子。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备表面修饰纳米SiO₂粒子的螺旋纳米碳纤维的方法，包括如下步骤：

S1：将螺旋纳米碳纤维在真空条件下于800～1000℃保温2～4h；

S2：将S1中热处理后的螺旋纳米碳纤维分散于乙醇中，超声震荡分散均匀后，再加入蒸馏水和氨水，再次超声震荡分散均匀，此液记为A液；