[发明专利]一种炭黑表面石墨烯化的方法

说明书

本发明公开了一种炭黑表面石墨烯化的方法。该方法是将炭黑与硝酸混合来制取氧化炭黑，再在高温下使之发生热还原反应，得到改性炭黑。本发明对炭黑表面石墨微晶进行人工刻蚀，最终使炭黑表面变成石墨烯结构。增加炭黑/橡胶复合材料的综合机械性能，用这种材料制做轮胎可以提升轮胎的性能。

技术领域

本发明属于橡胶材料技术领域，具体涉及一种炭黑表面石墨烯化的方法及制备其复合材料的方法。

背景技术

炭黑的一个重要用途就是用于补强橡胶，在橡胶制品中，炭黑起到填充和补强的作用。填充炭黑后，提高基体材料的强度、黑度或导电性等功能，主要因素是粒径、结构和表面物理化学性能。补强作用居多的硬质炭，粒径在11～30nm之间，以接触法和炉法生产为主。起填充作用的软质炭，粒径在30～500nm之间，以气炉法和热裂法生产为主。

高结构炭黑补强橡胶能够同时提高制品耐磨性、弹性、滚动阻力等相互制约的指标，因此吸引了研究人员深入了解，高结构炭黑的性能由粒径、结构和活性三要素共同影响。粒径的大小与分布是炭黑的重要指标之一，直接影响炭黑的使用性能和其他性能。在橡胶中，粒径越小，填充橡胶的强度(如抗拉强度、定伸应力、抗撕裂性能、耐磨性)越高，反之则降低。结构分为一次结构和二次结构，一次结构炭黑粒子连接在一起并熔结而成的三维空间聚结体结构；二次结构聚结体之间由范德华力凝聚而成的附聚体结构。对于单个炭黑原生粒子，其表面结构与活性有着密切的联系，是影响炭黑补强性能的关键。

现有技术提高炭黑补强性能的方法有两类，第一，从炭黑生产工艺着手，生产结构高，粒径小的炭黑。第二，炭黑表面改性技术着手于表面官能团，改善炭黑分散性从而提高补强性能。然而，这些技术手段未从炭黑的表面的细微结构(石墨微晶)和活性着手改善炭黑的补强性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明从炭黑的表面的细微结构(石墨微晶)和活性着手改善炭黑的补强性能，进而提供一种补强效果好的炭黑表面石墨烯化的方法，并对应提供利用该改性炭黑来制备复合材料的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种炭黑表面石墨烯化的方法，包括以下步骤：

S1：将炭黑与强氧化性酸(比如：浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾等)混合，在70～150℃恒温油浴下，反应12～60h；

S2：将炭黑/硝酸混合液超声10-30min后，在离心机中以8000-12000rpm离心10-20min；将分离出的炭黑用去离子水清洗若干次，去除残留的硝酸，然后干燥至恒重，得到氧化炭黑；

S3：将氧化炭黑平铺，并置于马弗炉中，在敞开空气环境下，于200～400℃下进行热还原反应10～30min，得到表面石墨烯化的炭黑，即改性炭黑。

其中：S1中所述炭黑与硝酸的质量体积比为1～10g：20～200mL。所述硝酸的质量浓度为67％。所述炭黑可以为N134、N234、N330或N660。

本发明对炭黑表面石墨微晶进行人工刻蚀，最终在炭黑表面获得石墨烯结构，基本原理是在酸性氧化过程中，含氧官能团通过炭黑表面的缺陷或者石墨微晶片层浸入，最终对从缺陷处将石墨微晶细化，再将石墨微晶剥离，获得石墨烯或者类石墨烯结构。

一种利用改性炭黑制备复合材料的方法，包括以下步骤：

a、将天然橡胶与二甲苯在50℃下混合并静置4h以上，以使天然橡胶完全溶解，制得橡胶-二甲苯溶液，备用；

b、将权利要求1制备的改性炭黑加入二甲苯中，并用超声处理，直至表面石墨烯化的炭黑完全分散，得到改性炭黑-二甲苯分散液，备用；

c、将橡胶-二甲苯溶液和改性炭黑-二甲苯分散液在搅拌条件下混合，再用水浴锅在70℃下反应8h，得到反应溶液；