[发明专利]石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本申请涉及石墨烯复合材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8‑13，分散；b)将步骤a)的氧化石墨烯溶液调节pH值为2‑7；c)向步骤b)的氧化石墨烯溶液中加入偶联剂溶液，反应得到氧化石墨烯‑偶联剂材料的反应液；d)向所述氧化石墨烯‑偶联剂材料的反应液中加入还原剂进行还原反应，得所述石墨烯复合材料。该方法制备的石墨烯复合材料易于在橡胶中均匀分散，并与橡胶具有较强的界面作用。以该石墨烯复合材料为橡胶的增强填料，制备的硫化胶具有力学性能优异，耐磨性好，压缩生热低，抗老化性强及抗静电等特点，适用于作为航空轮胎、高档轿车轮胎、载重轮胎等的橡胶增强填料。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，具体涉及一种适用于高性能轮胎橡胶增强填料的石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

用于轮胎的橡胶应具有较高的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性、抗老化性及抗湿滑性等，而橡胶材料本身强度较低，抗老化性能较差，为了提高橡胶的力学性能及抗老化性能等，需要添加补强剂。常用的补强剂是炭黑和白炭黑，炭黑是轮胎最早使用的补强填料，对轮胎橡胶的力学性能、耐磨性、抗老化性等具有良好的增强作用。不过以炭黑为增强填料时，轮胎的使用寿命、节油性能和抗湿滑能力存在此长彼消的特点，这种现象称为轮胎的魔鬼三角。以白炭黑为填料可以打破轮胎的魔鬼三角(轮胎可兼具使用寿命长，节约燃油及抗湿滑性好的特点)，不过以白炭黑为填料制备的橡胶力学性能较低，不适用于承受高负荷的轮胎，如航空轮胎、载重轮胎等。

石墨烯的抗拉强度125GPa，弹性模量1.1TPa，常温下热导率为5300W/m.k，电导率10⁶S/m，物理化学性质稳定，且具有空气阻隔性；若把石墨烯材料加入橡胶中，可能显著提高橡胶的力学性能、导热性、抗静电及耐老化性能。然而，石墨烯是碳原子的最外层电子以sp²杂化形成的蜂窝状的准二维材料，由于片层上含有大量的π电子，片层间有很强的π-π作用，因此很难在橡胶中均匀分散。若石墨烯在橡胶中团聚，会产生局部应力，不但不能发挥石墨烯优良的力学性能，甚至会降低橡胶的拉伸强度、撕裂强度等性能。另外，石墨烯和橡胶分子之间的作用力主要是范德华力，二者的作用力较弱。当橡胶受到应力产生应变时，橡胶分子和石墨烯片层产生滑移，石墨烯不但不能有效承载施加于橡胶分子上的作用力，而且由于滑移产生摩擦热，致使橡胶温度升高，力学性能及抗老化性能下降。

发明内容

本发明的主要目的是制备一种易于在橡胶中均匀分散，并且与橡胶具有良好界面相容性的石墨烯复合材料，这种石墨烯复合材料可显著增强硫化橡胶的力学性能、耐磨性、抗老化性及抗静电性等，适用于作为航空轮胎、高档轿车轮胎、载重轮胎等具有运行速度高、承载负荷大等特点的轮胎橡胶增强填料。

一方面，本申请提供一种石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯水溶液调节pH值为8-13，分散；

b)将步骤a)的氧化石墨烯溶液调节pH值为2-7；

c)向步骤b)的氧化石墨烯溶液中加入偶联剂溶液，反应得到氧化石墨烯-偶联剂材料的反应液；

d)向所述氧化石墨烯-偶联剂材料的反应液中加入还原剂进行还原反应，得所述石墨烯复合材料。

在一种实施方式中，步骤a)中，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为100mg/L～3000mg/L。

在一种实施方式中，步骤a)中调节pH值包括：向所述氧化石墨烯水溶液中加入可溶性碱，所述可溶性碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种或多种。

在一种实施方式中，步骤a)中的分散采用超声分散，分散的时间为0.5-2小时。

在一种实施方式中，步骤b)中调节pH值包括：向所述超声后的氧化石墨烯水溶液中加入可溶性酸，所述可溶性酸选自盐酸、硫酸、磷酸、冰醋酸、柠檬酸等中的一种或多种。