[发明专利]一种氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其是涉及一种氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯是单原子厚度的碳原子层，它可以看作富勒烯、碳纳米管、石墨的基本单元。石墨烯作为一种纳米材料，具有优异的力学性能、热性能以及吸附性能，如高杨氏模量(约1100GPa)、热导率(约5000J·(m·K·s)^-1)、载流子迁移率(2×10⁵cm²·(V·s)^-1)以及比表面积(理论计算值2630m²·g^-1)等。但是，由于石墨烯材料本身缺乏有效的带隙，使其在电子器件的应用受到了限制。然而，石墨烯纳米带由于量子限域效应和边缘效应而拥有能隙，具有半导体性能，这种独特的性质使其近年来受到高度关注。

石墨烯纳米带，是在二维石墨烯平面的基础上，经过一定的剪切而形成的带状结构。石墨烯纳米带能够由碳纳米管作为原料来制备。斯坦福大学的Jiao等人用等离子体刻蚀多壁碳纳米管的方法制备出高产率、边缘光滑、宽度可控的石墨烯纳米带(Nature，2009，458，877-880)。莱斯大学的Dmitry等人用溶液氧化法制备产率接近100％的石墨烯纳米带(Nature，2009，458，872-876)。该方法为石墨烯纳米带的大批量生产创作了条件，这也为实验室大规模研究和工业生产奠定了基础。

石墨烯纳米带可以作为补强填料提高塑料的力学性能。0.2wt％氧化石墨烯纳米带使聚乙烯醇的拉伸模量提高35.6％，最大应力提高41.9％(Journal of Physical Chemistry C，2010，114，19621-19628)。与多壁碳纳米相比较，石墨烯纳米带能够更有效地提高环氧树脂的应力传递效率，从而提高了杨氏模量和拉伸强度(ACS Nano，2010，4，7415-7420)。研究表明由多壁碳纳米管制得的石墨烯纳米带是塑料复合材料的一种高性能补强填料，其性能能媲美单壁碳纳米管，而成本比单壁碳纳米管低一个数量级。

然而，已报道的石墨烯纳米带/橡胶复合材料，目前只有硅橡胶。Ayrat Dimiev等人制备了低损耗高介电常数的石墨烯纳米带/硅橡胶复合材料(ACS Applied Materials & Interfaces，2011，3，4657-4661)。目前也未见石墨烯纳米带/橡胶复合材料力学性能的文献报道。石墨烯纳米带具有独特的几何结构，并且比表面积比多壁碳纳米管大，能增大与橡胶基体的接触面积。另外，氧化石墨烯纳米带含有大量的含氧基团，如羟基、羧基、环氧基，在极性橡胶基体中可产生氢键而增加填料与基体的界面结合力，从而可以获得良好的补强效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料的制备方法，采用高锰酸钾氧化多壁碳纳米管的方法制备氧化石墨烯纳米带，然后用溶液共混法将氧化石墨烯纳米带和极性橡胶进行混合，通过机械搅拌及超声波分散的方法，使氧化石墨烯纳米带呈均匀分散状态。真空干燥后加入硫化剂，进一步通过双辊筒开炼机混合、平板硫化机成型，制备出具有良好的力学性能的氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)氧化石墨烯纳米带的制备

溶液氧化法：碳纳米管在浓硫酸中用高锰酸钾进行氧化，温度为55～80℃，反应时间为2～5小时，反应条件优选缓慢升温至70℃，并在70℃保持1小时，然后在冰浴中加入过氧化氢水溶液进行稀释，过氧化氢的浓度为0.1～10wt％，优选1wt％，再用盐酸、去离子水进行抽滤清洗至中性，盐酸的浓度为1～15wt％，优选10wt％，清洗次数优选3次盐酸清洗，3次去离子水清洗，接着用冷冻干燥机进行干燥，至恒重，冻干机温度为-70～-40℃，冻干时间为5～10天，获得氧化石墨烯纳米带。

其中，碳纳米管类型为单壁，双壁或多壁，由于价格优势，优选多壁碳纳米管；浓硫酸(98％)的用量为1g碳纳米管用50～10000ml浓硫酸，优选100～1000ml；高锰酸钾的用量为碳纳米管用量的100wt％～500wt％，为提高氧化度，优选400wt％～500wt％。

(2)氧化石墨烯纳米带/极性橡胶复合材料的制备