[发明专利]一种多相纳米级复合碳材料的制备方法

说明书

本发明涉及复合碳材料，公开了一种多相纳米级复合碳材料的制备方法。该制备方法包括石墨烯纳米粉体制备，石墨烯粉体和炭黑通入水、乙醇及偶联剂进行原位接枝反应等步骤。该制备方法简单易行，适合工业化生产，能够提高纳米材料在有机基体中的分散，得到的胎面胶具有更优良的耐磨和导电性能。

技术领域

本发明涉及复合碳材料，特别涉及一种多相纳米级复合碳材料的制备方法。

背景技术

碳是自然界分布最广的元素之一，它具有多样的电子轨道特性(SP,SP²,SP³杂化)，因此可以形成结构和性质迥然不同的同素异形体，如零维的炭黑和富勒烯，一维的碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)，二维的石墨烯等，这些碳材料具备独特而优异的力学、电学和热学等性质，这些性质使此类纳米材料占有不可替代的地位和作用，并使其成为各种补强填料以及导电、导热的理想材料，因此纳米复合材料的制备与应用研究，日益成为人们的研究重点。

来源于石墨的石墨烯要比合成的碳纳米管从成本上说是更加实用廉价的，发明人考虑到碳纳米管较为贵的成本，最终决定采用廉价的纳米尺度的石墨片层和石墨烯制备多相纳米复合材料；现有技术中也有采用石墨烯和炭黑制备复合材料的，比如中国专利CN201210483568.4公开了一种氧化石墨烯与炭黑复合应用于电化学电容器电极材料中，比如中国专利201310157282.1公开了一种机械共混制备氧化石墨烯/白炭黑/橡胶纳米复合材料的方法，但是这些制备方法都是用了强的氧化剂，所使用的试剂不仅难以挥发而且破坏了石墨烯的结构，影响了其产品的性能，同时氧化还原法或生物质催化法制备的石墨烯含有大量官能团(羧基、羟基、环氧等表面官能团)作为导电剂导电性下降很多数量级，不推荐用作导电剂；也有研究者使用活性剂改性石墨烯，将改性石墨烯和炭黑联合制备复合材料，但是仍然存在石墨烯和炭黑的表面化学惰性大、比表面积大、自身团聚结合力很强，造成与其他聚合物的亲和性差，难以均匀分散在有机基体中。所以选择合适种类和数量的改性剂以及制备方法，来提高纳米材料在有机基体中的分散，同时还使其制备的胎面胶具有高耐磨、低生热和良好导电性能，具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术中的复合纳米碳材料在有机基体中的分散性差，得到的胎面胶的具有耐磨性及导电性差、生热高的问题，本发明提供了一种多相纳米级复合碳材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种多相纳米级复合碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1.1)将石墨粉体分散在质量浓度为0.1-3％的聚氧乙烯型非离子表面活性剂或氨基酸型离子表面活性剂水溶液中混合，所述石墨粉体和表面活性剂的质量比为1:50-1:150，将混合液放入球磨罐中球磨，静置后倾出上层黑色溶液，将其洗涤抽滤后得到固体，将所述固体放入马弗炉中，升温到100-1200℃，保温至残留表面活性剂炭化，得到比表面积大、层数小于10层的石墨烯粉体；

作为优选，所述球磨机以200-1000rpm转速球磨10-30h；作为优选，所述表面活性剂选自烷基酚聚氧乙烯醚、萘酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、双十二烷基二甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基氨基丙酸钠、十六烷基三甲基溴化铵\聚乙二醇对异辛基苯基醚、月桂酰基谷氨酸钠中的一种。

(1.2)将所述石墨烯粉体和炭黑放入接枝反应器中，然后通入质量浓度为0.5-30％偶联剂水溶液进行原位接枝反应得到接枝反应物；优选地，所述接枝反应的反应温度为0-150℃，反应压力为0-2kg/cm2，反应时间为1-10h；所述石墨烯粉体、炭黑和偶联剂的质量比为1:5-50:1-20，三者比例不合适可能导致复合材料的硬度太大，无法实现混炼，或者能够实现混炼，但是复合材料在胶料中的的分散性能不好，生热高，导电性和耐磨性不好，本发明原料的配比能够很好兼顾复合材料的性能以及与胶料混合的效果。