[发明专利]一种白炭黑/氧化石墨烯纳米杂化填料的制备方法和纳米杂化填料及其应用

说明书

本发明涉及一种白炭黑/氧化石墨烯纳米杂化填料的制备方法和纳米杂化填料及其应用。通过高速研磨分散制备稳定的经过硅烷偶联剂改性的白炭黑浆液，然后与经过高速研磨分散和/或超声处理的氧化石墨烯/水悬浮液搅拌均匀研磨分散，通过硅烷偶联剂的桥梁作用连接白炭黑和氧化石墨烯，然后喷雾干燥，制得白炭黑/氧化石墨烯纳米杂化填料。将所述纳米杂化填料通过传统熔融共混工艺填充到任意橡胶品种中，制备高性能轮胎胎面。所述纳米杂化填料制备方法和应用工艺简单，用于橡胶可实现石墨烯在橡胶基体中的纳米分散并突破橡胶品种限制，使复合材料表现出优异的力学性能、抗湿滑性能、耐切割性能和延缓动静态裂纹增长性能等。

技术领域

本发明涉及橡胶轮胎领域，进一步地说，涉及一种白炭黑/氧化石墨烯纳米杂化填料的制备方法和白炭黑/氧化石墨烯纳米杂化填料及其应用。

背景技术

高性能橡胶基纳米复合材料的制备与应用已经成为世界各国研究的热点。橡胶材料最广泛的应用领域是轮胎，为汽车提供必需的抓地力和牵引力用于驱动、制动和转向等。随着汽车向高速、安全、节能、舒适等方向发展，要求轮胎胎面具有良好的抗湿滑性能，优异的耐磨性能、低滚动阻力性能，同时要求较强的耐切割和耐疲劳性能等。

自上世纪九十年代，白炭黑作为补强填料在轮胎胎面中的应用有明显的增长，这是由于白炭黑能够广泛应用于轮胎胎面配方中，白炭黑作为补强填料广泛应用于轮胎胎面配方中，使上述的轮胎胎面要求的“魔鬼三角”性能获得了较为明显的平衡。但是与炭黑相比，白炭黑表面存在大量的活性羟基使其亲水性强，很难在有机橡胶相中湿润和分散，因此利用硅烷偶联剂对白炭黑表面有机化改性，提高与橡胶的相容性，是制备纳米级高分散白炭黑的关键。

石墨烯由于其特殊的纳米片层结构以及高强度、高阻隔、高导电、高导热等优异的性能，展示出重大的科学意义和应用价值。氧化石墨作为还原氧化石墨制备石墨烯的中间产物，将其分散于水或者有机溶剂中，通过超声作用可以完全被剥离成氧化石墨烯。氧化石墨烯相对于石墨烯来讲，损失一定的电热性能，但是其仍然具有高比表面积、高模量、大纵横比以及气体不渗透性等特点，是一种很有潜力的聚合物填料。

大量实验和理论证明，为了让石墨烯材料本身优异的性能在聚合物复合材料中实现最大化，石墨烯必须要以一种高剥离的纳米尺寸很好的分散在橡胶基体中并且和橡胶基体具有良好的界面。但是，现在限于现有轮胎的生产工艺条件，氧化石墨烯与橡胶的复合一般选择采用机械共混法制备，直接机械共混虽然简单易行，但很难将氧化石墨烯剥离并均匀的纳米分散在橡胶基体中，从而影响石墨烯/橡胶纳米复合材料的最终性能。因此，如何利用一种绿色、高效的方法将石墨烯单片层或者少片层的分散结构保持到橡胶基体中，以及如何设计石墨烯/橡胶纳米复合材料的界面作用具有非常重要的意义。

CN201210001294.0(公布日：2012.07.18)公布了一种制备高分散白炭黑/橡胶纳米复合材料的制备方法，特别涉及了采用搅拌和超声的方法制备白炭黑水浆，但是白炭黑颗粒与颗粒间较强结合力较强，机械搅拌仅引入较弱的外力，利用外界剪切力或撞击力等机械能抵消粉体颗粒的团聚趋势，机械力搅拌强度较弱，能量较低，不能将白炭黑团聚体打开。超声波振荡通过将颗粒悬浮液置于超声场中，用适当频率和功率的超声波进行处理，由于超声波的波长大于颗粒尺寸，故不能对颗粒本身直接产生作用，而是利用超声空化作用对颗粒周围的环境进行作用。显然，若超声作用能大于颗粒团聚能时，超声波振荡就可望实现团聚体的解聚和分散，但是在一些实验中，在超声波作用下，白炭黑的颗粒粒度反而增大，这是由于一定频率的超声波使得白炭黑颗粒活性进一步增大，一些粒径较小的白炭黑颗粒由于超声能量的引入进行相互碰撞，导致进一步团聚使得颗粒粒度增大，因此超声震荡也不是打开白炭黑团聚体的行之有效的方法。