石墨烯/橡胶复合材料的制备方法、装置及装置的使用方法与流程

本发明涉及橡胶复合材料的加工技术领域，特别是涉及一种用于制备石墨烯/橡胶复合材料的方法、装置以及该装置的使用方法。

背景技术：

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢品格的平面薄膜，其厚度仅为一个碳原子层的厚度(约0.34nm)，是目前发现的最薄的二维材料，是目前已知物质中硬度最高、强度最高(杨氏模量超过1000GPa，断裂强度比最好的钢材还要高200倍)，热导率最高(～3000W/mK)、导电速度最快(2×10⁵cm²/Vs)、比表面积超大(高达2600m²/g)的材料。因此，石墨烯作为一种纳米填料，与橡胶材料复合将带来橡胶材料性能的大幅提升。石墨烯的高补强性，对橡胶材料有着非常高的增强效率；石墨烯的高导热性，能大幅提高橡胶材料热导率和耐热性；石墨烯的超高导电性，使得少量填充的橡胶材料拥有高的电导率和更低的导电阈值，提升橡胶材料的导电性能。但石墨烯作为纳米级补强材料，其提高橡胶材料性能的前提是石墨烯在橡胶基体材料内要实现纳米级的分散，保证石墨烯与橡胶分子发生强相互作用。但由于石墨烯作为纳米级别填料，本身粒径小且具有极大的比表面积，石墨烯自身总是倾向凝聚。目前橡胶加工工艺常采用的双棍机械共混法和常规搅拌法很难实现石墨烯的纳米级分散，在添加的过程中石墨烯自身就发生团聚，导致石墨烯对橡胶材料的补强效果差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯在橡胶基体材料中分散状态良好的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法、装置及该装置的使用方法。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：

制备石墨烯悬浮液和橡胶溶液；

将橡胶溶液以射流的方式喷射到石墨烯悬浮液中得到石墨烯/橡胶混合液；

将所述石墨烯/橡胶混合液烘干得到石墨烯/橡胶生胶材料。

本发明的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，其中所述石墨烯悬浮液采用超声波制备，将石墨烯分散到水中，然后进行超声波分散，制得石墨烯悬浮液。

本发明的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，其中所述石墨烯/橡胶混合液在60℃下的烘箱中烘干10小时后得到所述石墨烯/橡胶生胶材料。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，包括壳体，所述壳体的内腔为混合室，所述壳体上设有与所述混合室分别连通的石墨烯悬浮液入口、第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴位于壳体内的一端为第一喷嘴出口，另一端为第一喷嘴进口，所述第一喷嘴出口的口径小于第一喷嘴进口的口径，所述第二喷嘴位于壳体内的一端为第二喷嘴进口，另一端为第二喷嘴出口，所述第二喷嘴出口的口径小于第二喷嘴进口的口径。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，其中所述第一喷嘴与第二喷嘴相对且同轴设置。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，其中所述第一喷嘴出口的侧壁上开设有喷孔。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，其中所述喷孔设为两个或两个以上，所述喷孔沿第一喷嘴出口的周向均匀布置。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，其中所述第一喷嘴出口固设有一挡板，所述挡板上开设有喷孔，所述喷孔设为两个或两个以上，所述喷孔沿挡板均匀布置。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置的使用方法，包括以下步骤：

将所述壳体平放，并使所述石墨烯悬浮液入口朝上；

将制备好的石墨烯悬浮液从石墨烯悬浮液入口注入所述壳体的混合室；

将制备好的橡胶溶液以射流的方式从所述第一喷嘴喷射到所述混合室中，与混合室中的石墨烯悬浮液混合；

在所述第二喷嘴的出口处对石墨烯悬浮液与橡胶溶液混合后形成的石墨烯/橡胶混合液进行收集。

本发明石墨烯/橡胶复合材料的制备方法、装置及该装置的使用方法与现有技术不同之处在于本发明利用高压水射流装置将橡胶溶液以射流的方式喷射到石墨烯悬浮液中，两股流体间巨大的速度差将造成剧烈的混合效应，使得石墨烯很均匀地分散到橡胶溶液中，分散状态良好。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置实施例二的结构示意图；

图3为本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置实施例三的结构示意图；

图4为图3中的A向视图；

图5为本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置实施例四的结构示意图。

具体实施方式

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：

制备石墨烯悬浮液和橡胶溶液；

将橡胶溶液以射流的方式喷射到石墨烯悬浮液中得到石墨烯/橡胶混合液；

将所述石墨烯/橡胶混合液烘干得到石墨烯/橡胶生胶材料。

本发明的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，其中所述石墨烯悬浮液采用超声波制备，将石墨烯分散到水中，然后进行超声波分散，制得石墨烯悬浮液。

本发明的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法，其中所述石墨烯/橡胶混合液在60℃下的烘箱中烘干10小时后得到所述石墨烯/橡胶生胶材料。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法实施例：

实施例一

制备一种石墨烯/天然橡胶复合材料，本实施例中的橡胶溶液为天然橡胶胶乳液。

(1)取适量的石墨烯放入600mL的烧杯中，加入200mL的水，超声分散1小时，得到石墨烯悬浮液；

(2)在室温下，取天然橡胶胶乳200g，将天然橡胶乳胶以射流的方式喷射到上述的石墨烯悬浮液中进行混合；

(3)然后，在60℃下的烘箱中烘干10小时左右，最终得到均匀分散的石墨烯/天然橡胶生胶片。

实施例二

本实施例制备一种石墨烯/丁苯橡胶复合材料，本实施例中的橡胶溶液为丁苯橡胶聚合溶液。

(1)取适量的石墨烯放入600mL的烧杯中，加入200mL的水，超声分散1小时，得到石墨烯悬浮液；

(2)在室温下，取丁苯橡胶聚合溶液200g，将丁苯橡胶聚合溶液以射流的方式喷射到上述的石墨烯悬浮液中进行混合；

(3)然后，在60℃下的烘箱中烘干10小时左右，最终得到均匀分散的石墨烯/丁苯橡胶生胶片。

如图1所示，本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，包括壳体1，所述壳体1的内腔为混合室5，所述壳体1上设有与所述混合室5分别连通的石墨烯悬浮液入口2、第一喷嘴3和第二喷嘴4，所述第一喷嘴3位于壳体1内的一端为第一喷嘴出口，另一端为第一喷嘴进口，所述第一喷嘴出口的口径小于第一喷嘴进口的口径，所述第二喷嘴4位于壳体1内的一端为第二喷嘴进口，另一端为第二喷嘴出口，所述第二喷嘴出口的口径小于第二喷嘴进口的口径。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置，其中所述第一喷嘴3与第二喷嘴4相对且同轴设置。之所以将第一喷嘴3与第二喷嘴4相对且同轴设置，是为了方便将两种溶液在混合室5内进行混合并且便于回收混合后的溶液。

如图2所示，所述第一喷嘴出口的侧壁上开设有喷孔6。通过该喷孔6，从第一喷嘴3进入的溶液不仅能够通过第一喷嘴出口进入混合室5，也能够通过上述喷孔6进入混合室5，增强溶液的混合效果。

所述喷孔6设为两个或两个以上，所述喷孔6沿第一喷嘴出口的周向均匀布置。将喷孔6沿第一喷嘴3的周向均匀布置，能够进一步增强溶液的混合效果。

如图3所示，并参照图4，所述第一喷嘴出口固设有一挡板，所述挡板上开设有喷孔6，所述喷孔6设为两个或两个以上，所述喷孔6沿挡板均匀布置。开设喷孔6的目的是为了进一步增强溶液的混合效果。

如图5所示，所述第一喷嘴出口的侧壁上开设有喷孔6，并且第一喷嘴出口固设有一挡板，所述挡板上也开设有喷孔6。从第一喷嘴3进入到混合室5的溶液既能够从第一喷嘴出口侧壁上的喷孔6进入，也能够从挡板上的喷孔6进入，增强溶液的混合效果。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备装置的使用方法，包括以下步骤：

将所述壳体1平放，并使所述石墨烯悬浮液入口2朝上；

将制备好的石墨烯悬浮液从石墨烯悬浮液入口2注入所述壳体1的混合室5；

将制备好的橡胶溶液以射流的方式从所述第一喷嘴3喷射到所述混合室5中，与混合室5中的石墨烯悬浮液混合；

在所述第二喷嘴4的出口处对石墨烯悬浮液与橡胶溶液混合后形成的石墨烯/橡胶混合液进行收集。

通过增压设备将橡胶溶液经过第一喷嘴3产生高速射流束进入混合室5，将产生强大的吸入效应，石墨烯悬浮液从石墨烯悬浮液入口2进入混合室5，两股流体间巨大的速度差造成剧烈的混合效应，使石墨烯很均匀地分散到橡胶溶液中。

本发明中的石墨烯/橡胶复合材料的制备方法采用超声波制得石墨烯悬浮液，超声波具有声空化作用，超声将在液体中产生一系列的“空化泡”，当“空化泡”破裂瞬间，其周围极小空间内将产生5000K以上的高温和大约50MPa的高压，并伴生出强烈冲击波和时速达400km的微射流，这种高压、高温、高射流可以使得石墨烯团聚体被粉碎，实现石墨烯作为纳米级粒子与橡胶分子接触。高速射流场中石墨烯悬浮液与橡胶溶液边界层存在极大的速度差，实现石墨烯在橡胶溶液中的快速微观分散，得到高度分散的石墨烯/橡胶复合材料。

本发明利用高压水射流装置将橡胶溶液以射流的方式喷射到石墨烯悬浮液中，两股流体间巨大的速度差将造成剧烈的混合效应，使得石墨烯很均匀地分散到橡胶溶液中，分散状态良好。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。