[发明专利]一种氮掺杂石墨烯/溶聚丁苯复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种氮掺杂石墨烯/溶聚丁苯复合材料，重点解决石墨烯在橡胶中分散性不好的难题。通过对氧化石墨烯进行功能化得到氮掺杂石墨烯，减小氧化石墨烯的层数与缺陷，增加与橡胶的结合力，提高其应用性能，使其易于形成交联的网络结构。氮掺杂石墨烯与白炭黑并用作为补强填料时，可互相插层减少团聚，且带有的氮元素可以与橡胶发生较强的氢键作用，增强填料与橡胶的作用力。本发明氮掺杂石墨烯/溶聚丁苯复合材料由于具有优越的力学性能及自身结构致使其在高性能橡胶补强中有广泛的应用。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料领域，进一步地说，是涉及一种氮掺杂石墨烯/溶聚丁苯复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯最早由英国的曼彻斯特大学通过微机械剥离法制备出单层石墨烯，石墨烯是相邻碳原子的SP²杂化轨道以σ共价键连接，六元蜂窝状单层碳原子结构，是世界上最薄的碳材料，也是构建其他碳材料的基本单元。石墨烯在电化学、热学、光学以及机械特性上具有独特的优势，但因其表面无活性基团，本身的化学稳定性，使其应用收到了限制。氧化石墨烯是石墨烯的重要衍生物，是由单层氧化石墨构成，氧化石墨烯含有大量的羟基、羧基和环氧基团等活性官能团，使其具有良好的改性能力。可以对氧化石墨烯进行化学改性，使其增强与橡胶基体的结合能力，提高在橡胶中的分散等。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一种具有较高硬度的新型共价化合物，因其化学稳定高、耐磨、制备方法简便、禁带宽度较窄等优点引起广泛关注。

石墨相氮化碳具有类似的石墨烯六元环网状结构和SP²杂化结构，因其类石墨烯结构，故易与石墨烯进行复合反应。

发明内容

本发明的目的在于提出氮掺杂石墨烯(g-C₃N₄/rGO)复合粒子分散于橡胶的一种应用，重点解决了氧化石墨烯在橡胶中团聚的问题。本发明主要是通过g-C₃N₄弥补GO的空位与缺陷，同时对氧化石墨烯进行部分还原，提高氧化石墨烯的物理化学性能，将上述氮掺杂石墨烯复合物加入橡胶基体中，因氮元素可以与二硫键发生反应，与橡胶形成较强的氢键，加强交联网络，另一方面，与白炭黑共同作为填料时，相互插层提高分散，避免了单独加入橡胶基体在其内部的聚集。

本发明的目的之一是提供一种氮掺杂石墨烯/溶聚丁苯复合材料，由包含以下组分的原料制备得到，以重量份数计：

其中，所述硫化剂选用本领域常用的硫化剂，优选为硫磺或过氧化物类交联剂。

所述促进剂选用本领域常用的促进剂，优选为噻唑类、次磺酰胺类、秋兰姆类、二硫代氨基甲酸盐类、胍类或黄原酸盐类促进剂。

所述氮掺杂石墨烯可采用本领域通常的工艺方法制备得到，优选的采用以下步骤制备得到：将氧化石墨烯烘干，分别向氧化石墨烯与含氮有机化合物中加入助磨剂，然后将氧化石墨烯与含氮有机化合物充分混合，在惰性气氛或其它气氛保护下升温，然后进行反应，最后将得到的固体研磨成粉末即得到氮掺杂石墨烯，其中氧化石墨烯与含氮有机化合物的质量比为1:5～1:50，升温速率为1～10℃/min，反应温度为100～600℃，反应时间为0.5～5h。

其中，所述氧化石墨烯的厚度为1～100nm。

所述含氮有机化合物为三聚氰胺、尿素、氨基酸、硝酸酯、亚硝酸酯、吡啶、乙腈、三乙胺、联苯胺中的一种或多种。

所述惰性气氛为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气，所述其它气氛为氮气。

所述助磨剂为水、甲醇、乙醇、三氟乙醇、甲酸、三乙醇胺、乙酸、丙酮、乙酸乙酯、四氢呋喃、氮甲基吡咯烷酮、乙醚、环氧丙烷、二氯甲烷、三氯甲烷。