一种抗静电和高导热橡胶及其制备方法与流程

本发明属于碳化物复合材料领域，具体涉及一种抗静电和高导热橡胶及其制备方法。

背景技术：

目前，二维材料已经越来越多，由于其卓越的性能引起了广泛地研究关注，其中新型二维层状过渡金属碳化物mxene，越来越引起人们的注意。二维层状过渡金属碳化物mxene具有石墨烯高比表面积、高电导率、高机械强度的特点，又具备组分灵活可调，最小纳米层厚可控等优势，已在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出巨大的潜力。

随着越来越多的应用领域提出抗静电要求，特别是电子计算机用途的拓展，静电产生的几率也相应增加，加上人们对静电的防范意识也在增加，许多国家对抗静电的措施日益规范化。其中最终要的是开发各种抗静电器件，于是抗静电橡胶制品走进大家的视线，现在已经广泛的应用在了各行各业当中，抗静电橡胶既起到除静电的作用，又可防止低压线路泄露所造成的点击事故。

二维层状过渡金属碳化物mxene的制备已经较为成熟，然而过渡金属碳化物mxene在橡胶领域的运用较少，选用丁苯胶乳对mxene材料进行混合的制备过程操作简单，对环境无污染，且回收率高。这种抗静电橡胶具有的高弹性和高抗静电性能可以在各个领域发挥重大作用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种抗静电和高导热橡胶及其制备方法。该制备工艺简单，同时节能环保，有很好的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种抗静电橡胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取过渡金属碳化物mxene溶解在水中，超声均匀；

(2)将步骤(1)所得溶液与丁苯胶乳搅拌均匀，然后加入活化剂、防老剂、促进剂、硫磺，球磨均匀；

(3)将步骤(2)所得混合物真空冷冻干燥，得到抗静电和高导热橡胶。

优选的，步骤(1)所述过渡金属碳化物mxene为ti3c2，ti2c，ti4c3，v3c2和v2c中的一种或几种，进一步优选为ti3c2。

优选的，所述过渡金属碳化物mxene、丁苯胶乳、水的质量比为(1-3):(40-60):(70-90)，进一步优选为(1-3)：50：80。

优选的，步骤(1)所述超声采用探头式超声机超声。

优选的，步骤(1)所述超声的时间为1-2h，进一步优选为1.5h。

优选的，步骤(1)所述超声的功率为80-100w，进一步优选为90w。

优选的，步骤(2)所述活化剂为zno和st；所述防老剂为mb；所述促进剂为cz和dm。

优选的，步骤(2)所述搅拌的时间为2-4h，搅拌速度是100-300rpm。

优选的，步骤(3)所述冷冻干燥的温度为-10-0℃，进一步优选为-5℃。

优选的，步骤(3)所述冷冻干燥的时间为8-12h，进一步优选为10h。

由以上所述的制备方法制得的一种抗静电橡胶

本发明将过渡金属碳化物应用到橡胶领域，将过渡金属碳化物超声过后加入丁苯胶乳，能很大程度上提高橡胶的电性能和热性能等优点。而且其制备过程环保，高效，节能，产品回收率高，是一种功能性抗静电和高导热橡胶，在电子计算机等抗静电领域中具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、二维层状过渡金属碳化物材料经过超声处理，促进了mxene在橡胶基体中的分散，在橡胶基体中能够形成有效的导电网络结构。

2、二维层状过渡金属碳化物材料选用在橡胶弹性材料中，作为一种高效抗静电剂，它极大地提高了丁苯胶的抗静电性能，同时也可以作为一种柔性可穿戴导电材料。

3、二维层状过渡金属碳化物材料选用在橡胶材料中，作为一种高效导热剂，它极大的提高了丁苯胶的导热系数。

4、本发明采用超声后搅拌的方式将二维层状过渡金属碳化物材料分散在丁苯胶乳中，对环境无污染，且回收率高。

5、本发明反应温度比较低，反应时间短是节能的一个表现，同时本发明所有原料少，效率高。

附图说明

图1是二维层状过渡金属碳化物材料mxene的电镜图。

图2a是sbr/mxene-1橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。

图2b是sbr/mxene-2橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。

图2c是鼓风干燥法制备的sbr/mxene-2橡胶复合材料的扫描电镜图

图2d是sbr/mxene-3橡胶复合材料在用液氮脆断之后的扫描电镜图。

图3是不同份数mxene的丁苯胶硫化胶的电导率曲线图。

图4是不同份数mxene的丁苯胶硫化胶的导热系数曲线图。

具体实施方式

以下结合实例及附图对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

以下所得材料的电导率是采用两探头的台湾hioki公司生产的型号为sm7110的高阻计对复合材料体积电阻进行测试。采用如下公式计算体积电阻率ρ。

其中，s是样品的横截面积，l是样品的长度。样品的电导率为1/ρ。

采用德国耐驰公司生产的闪光发导热系数仪(lfa447)对以下所得橡胶复合材料的样品进行测试。采用如下公式计算热扩散系数α。

其中λ是导热系数，单位为w/(m·k),ρ是样品的密度，单位为kg/m³，c是样品的比热容，单位为j/(kg·k)。

实施例1

(1)称取1g的ti3c2溶解在80g去离子水中，用探头式超声机90w超声1.5h，超声结束转移至500ml烧杯中，加入50g丁苯胶乳，在室温条件下以100rpm的速度搅拌反应2h。

(2)将步骤(1)制得的功能化丁苯胶进行硫化过程，其基本配方见表1，各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方，将活化剂(zno+st)、无机填料(mxene)、防老剂(mb)、促进剂(cz+dm)、硫磺(s)在球磨机球磨后，加入500ml烧杯中搅拌1h。

(3)将步骤(2)中的混合液放入冷冻干燥机中在-5℃下干燥10h，得到sbr/mxene气凝胶，然后直接压板得sbr/mxene-1橡胶复合材料。

表1

图1为mxene的扫描电镜图，从图中可以清晰地看出，mxene拥有薄的片层结构，比表面积大，从而使得表面电荷量增加，导电性能好。

图2a是sbr/mxene-1橡胶复合材料的sem图，从图中可以看出，过渡金属碳化物mxene均匀的分散在橡胶基体中，填料和橡胶之间能够形成有效的导电网络结构。

实施例2

(1)称取2g的ti3c2溶解在80g去离子水中，在探头式超声机90w超声1.5h，超声结束转移至500ml烧杯中，加入50g丁苯胶乳，在室温条件下以200rpm的速度搅拌反应3h。

(2)将步骤(1)制得的功能化丁苯胶进行硫化过程，其基本配方见表2，各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方，将活化剂(zno+st)、无机填料(mxene)、防老剂(mb)、促进剂(cz+dm)、硫磺(s)在球磨机球磨后，加入500ml烧杯中搅拌1h。

(3)将步骤(2)中的混合液放入冷冻干燥机中在-5℃下干燥10h，得到sbr/mxene气凝胶，然后直接压板得sbr/mxene-2橡胶复合材料。

表2

图2b是sbr/mxene-2橡胶复合材料的sem图，从图中可以看出，冷冻干燥法处理后的sbr复合材料，填料在橡胶基体中形成交错的网络结构，这种结构有利于提高复合材料的导电性。

图2c是鼓风干燥法(步骤(3)的冷冻干燥法替换为鼓风干燥法)制备的sbr/mxene-2橡胶复合材料的扫描电镜图，从图中可以看出，此法制得的sbr复合材料中填料团聚现象严重，填料在橡胶基体中分散不均匀，不利于构成导电网络结构。

实施例3

(1)称取3g的ti3c2溶解在80g去离子水中，在探头式超声机90w超声1.5h，超声结束转移至500ml烧杯中，加入50g丁苯胶乳，在室温条件下以300rpm的速度搅拌反应2h。

(2)将步骤(1)制得的功能化丁苯胶进行硫化过程，其基本配方见表3，各组分用量的单位为phr。根据橡胶基本配方，将活化剂(zno+st)、无机填料(mxene)、防老剂(mb)、促进剂(cz+dm)、硫磺(s)在球磨机球磨后，加入500ml烧杯中搅拌1h。

(3)将步骤(2)中的混合液放入冷冻干燥机中在-5℃下干燥10h，得到sbr/mxene气凝胶，然后直接压板得sbr/mxene-3橡胶复合材料。

表3

图2d是sbr/mxene-3橡胶复合材料的sem图，从图中可以看出，随着过渡金属碳化物mxene用量的增多，在橡胶中导电网络结构越明显。

表4为不同填料份数的sbr复合材料的电性能。

表4

表5为不同填料份数的sbr复合材料的导热系数。

表5

从表4中可知，随着填料份数的增加，sbr复合材料的体积电阻降低，电导率增加。从表5中可知，填料份数越多，复合材料导热系数越大。

图3是不同份数mxene的丁苯胶硫化胶的电导率曲线图。从图中可以看出，随mxene含量的提高，丁苯胶的电导率有不同幅度的提高，且增长速率较快。说明mxene在橡胶基体中的分散均匀，结合电镜图说明其能够形成有效的导电网络结构，是一种理想的导电填料。

图4是不同份数mxene的丁苯胶硫化胶的导热系数曲线图，从图中可以看出随着mxene份数的增加，sbr复合材料的导热系数有明显的提高，说明mxene是一种理想的导热填料。