本發(fā)明涉及橡膠復合材料的加工技術領域，特別是涉及一種用于制備石墨烯/橡膠復合材料的方法、裝置以及該裝置的使用方法。

背景技術：

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢品格的平面薄膜，其厚度僅為一個碳原子層的厚度(約0.34nm)，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料，是目前已知物質中硬度最高、強度最高(楊氏模量超過1000GPa，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍)，熱導率最高(～3000W/mK)、導電速度最快(2×10⁵cm²/Vs)、比表面積超大(高達2600m²/g)的材料。因此，石墨烯作為一種納米填料，與橡膠材料復合將帶來橡膠材料性能的大幅提升。石墨烯的高補強性，對橡膠材料有著非常高的增強效率；石墨烯的高導熱性，能大幅提高橡膠材料熱導率和耐熱性；石墨烯的超高導電性，使得少量填充的橡膠材料擁有高的電導率和更低的導電閾值，提升橡膠材料的導電性能。但石墨烯作為納米級補強材料，其提高橡膠材料性能的前提是石墨烯在橡膠基體材料內要實現(xiàn)納米級的分散，保證石墨烯與橡膠分子發(fā)生強相互作用。但由于石墨烯作為納米級別填料，本身粒徑小且具有極大的比表面積，石墨烯自身總是傾向凝聚。目前橡膠加工工藝常采用的雙棍機械共混法和常規(guī)攪拌法很難實現(xiàn)石墨烯的納米級分散，在添加的過程中石墨烯自身就發(fā)生團聚，導致石墨烯對橡膠材料的補強效果差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種石墨烯在橡膠基體材料中分散狀態(tài)良好的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法、裝置及該裝置的使用方法。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，包括如下步驟：

制備石墨烯懸浮液和橡膠溶液；

將橡膠溶液以射流的方式噴射到石墨烯懸浮液中得到石墨烯/橡膠混合液；

將所述石墨烯/橡膠混合液烘干得到石墨烯/橡膠生膠材料。

本發(fā)明的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，其中所述石墨烯懸浮液采用超聲波制備，將石墨烯分散到水中，然后進行超聲波分散，制得石墨烯懸浮液。

本發(fā)明的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，其中所述石墨烯/橡膠混合液在60℃下的烘箱中烘干10小時后得到所述石墨烯/橡膠生膠材料。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，包括殼體，所述殼體的內腔為混合室，所述殼體上設有與所述混合室分別連通的石墨烯懸浮液入口、第一噴嘴和第二噴嘴，所述第一噴嘴位于殼體內的一端為第一噴嘴出口，另一端為第一噴嘴進口，所述第一噴嘴出口的口徑小于第一噴嘴進口的口徑，所述第二噴嘴位于殼體內的一端為第二噴嘴進口，另一端為第二噴嘴出口，所述第二噴嘴出口的口徑小于第二噴嘴進口的口徑。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，其中所述第一噴嘴與第二噴嘴相對且同軸設置。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，其中所述第一噴嘴出口的側壁上開設有噴孔。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，其中所述噴孔設為兩個或兩個以上，所述噴孔沿第一噴嘴出口的周向均勻布置。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，其中所述第一噴嘴出口固設有一擋板，所述擋板上開設有噴孔，所述噴孔設為兩個或兩個以上，所述噴孔沿擋板均勻布置。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置的使用方法，包括以下步驟：

將所述殼體平放，并使所述石墨烯懸浮液入口朝上；

將制備好的石墨烯懸浮液從石墨烯懸浮液入口注入所述殼體的混合室；

將制備好的橡膠溶液以射流的方式從所述第一噴嘴噴射到所述混合室中，與混合室中的石墨烯懸浮液混合；

在所述第二噴嘴的出口處對石墨烯懸浮液與橡膠溶液混合后形成的石墨烯/橡膠混合液進行收集。

本發(fā)明石墨烯/橡膠復合材料的制備方法、裝置及該裝置的使用方法與現(xiàn)有技術不同之處在于本發(fā)明利用高壓水射流裝置將橡膠溶液以射流的方式噴射到石墨烯懸浮液中，兩股流體間巨大的速度差將造成劇烈的混合效應，使得石墨烯很均勻地分散到橡膠溶液中，分散狀態(tài)良好。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置實施例一的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置實施例二的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置實施例三的結構示意圖；

圖4為圖3中的A向視圖；

圖5為本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置實施例四的結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，包括如下步驟：

制備石墨烯懸浮液和橡膠溶液；

將橡膠溶液以射流的方式噴射到石墨烯懸浮液中得到石墨烯/橡膠混合液；

將所述石墨烯/橡膠混合液烘干得到石墨烯/橡膠生膠材料。

本發(fā)明的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，其中所述石墨烯懸浮液采用超聲波制備，將石墨烯分散到水中，然后進行超聲波分散，制得石墨烯懸浮液。

本發(fā)明的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法，其中所述石墨烯/橡膠混合液在60℃下的烘箱中烘干10小時后得到所述石墨烯/橡膠生膠材料。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法實施例：

實施例一

制備一種石墨烯/天然橡膠復合材料，本實施例中的橡膠溶液為天然橡膠膠乳液。

(1)取適量的石墨烯放入600mL的燒杯中，加入200mL的水，超聲分散1小時，得到石墨烯懸浮液；

(2)在室溫下，取天然橡膠膠乳200g，將天然橡膠乳膠以射流的方式噴射到上述的石墨烯懸浮液中進行混合；

(3)然后，在60℃下的烘箱中烘干10小時左右，最終得到均勻分散的石墨烯/天然橡膠生膠片。

實施例二

本實施例制備一種石墨烯/丁苯橡膠復合材料，本實施例中的橡膠溶液為丁苯橡膠聚合溶液。

(1)取適量的石墨烯放入600mL的燒杯中，加入200mL的水，超聲分散1小時，得到石墨烯懸浮液；

(2)在室溫下，取丁苯橡膠聚合溶液200g，將丁苯橡膠聚合溶液以射流的方式噴射到上述的石墨烯懸浮液中進行混合；

(3)然后，在60℃下的烘箱中烘干10小時左右，最終得到均勻分散的石墨烯/丁苯橡膠生膠片。

如圖1所示，本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，包括殼體1，所述殼體1的內腔為混合室5，所述殼體1上設有與所述混合室5分別連通的石墨烯懸浮液入口2、第一噴嘴3和第二噴嘴4，所述第一噴嘴3位于殼體1內的一端為第一噴嘴出口，另一端為第一噴嘴進口，所述第一噴嘴出口的口徑小于第一噴嘴進口的口徑，所述第二噴嘴4位于殼體1內的一端為第二噴嘴進口，另一端為第二噴嘴出口，所述第二噴嘴出口的口徑小于第二噴嘴進口的口徑。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置，其中所述第一噴嘴3與第二噴嘴4相對且同軸設置。之所以將第一噴嘴3與第二噴嘴4相對且同軸設置，是為了方便將兩種溶液在混合室5內進行混合并且便于回收混合后的溶液。

如圖2所示，所述第一噴嘴出口的側壁上開設有噴孔6。通過該噴孔6，從第一噴嘴3進入的溶液不僅能夠通過第一噴嘴出口進入混合室5，也能夠通過上述噴孔6進入混合室5，增強溶液的混合效果。

所述噴孔6設為兩個或兩個以上，所述噴孔6沿第一噴嘴出口的周向均勻布置。將噴孔6沿第一噴嘴3的周向均勻布置，能夠進一步增強溶液的混合效果。

如圖3所示，并參照圖4，所述第一噴嘴出口固設有一擋板，所述擋板上開設有噴孔6，所述噴孔6設為兩個或兩個以上，所述噴孔6沿擋板均勻布置。開設噴孔6的目的是為了進一步增強溶液的混合效果。

如圖5所示，所述第一噴嘴出口的側壁上開設有噴孔6，并且第一噴嘴出口固設有一擋板，所述擋板上也開設有噴孔6。從第一噴嘴3進入到混合室5的溶液既能夠從第一噴嘴出口側壁上的噴孔6進入，也能夠從擋板上的噴孔6進入，增強溶液的混合效果。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備裝置的使用方法，包括以下步驟：

將所述殼體1平放，并使所述石墨烯懸浮液入口2朝上；

將制備好的石墨烯懸浮液從石墨烯懸浮液入口2注入所述殼體1的混合室5；

將制備好的橡膠溶液以射流的方式從所述第一噴嘴3噴射到所述混合室5中，與混合室5中的石墨烯懸浮液混合；

在所述第二噴嘴4的出口處對石墨烯懸浮液與橡膠溶液混合后形成的石墨烯/橡膠混合液進行收集。

通過增壓設備將橡膠溶液經(jīng)過第一噴嘴3產(chǎn)生高速射流束進入混合室5，將產(chǎn)生強大的吸入效應，石墨烯懸浮液從石墨烯懸浮液入口2進入混合室5，兩股流體間巨大的速度差造成劇烈的混合效應，使石墨烯很均勻地分散到橡膠溶液中。

本發(fā)明中的石墨烯/橡膠復合材料的制備方法采用超聲波制得石墨烯懸浮液，超聲波具有聲空化作用，超聲將在液體中產(chǎn)生一系列的“空化泡”，當“空化泡”破裂瞬間，其周圍極小空間內將產(chǎn)生5000K以上的高溫和大約50MPa的高壓，并伴生出強烈沖擊波和時速達400km的微射流，這種高壓、高溫、高射流可以使得石墨烯團聚體被粉碎，實現(xiàn)石墨烯作為納米級粒子與橡膠分子接觸。高速射流場中石墨烯懸浮液與橡膠溶液邊界層存在極大的速度差，實現(xiàn)石墨烯在橡膠溶液中的快速微觀分散，得到高度分散的石墨烯/橡膠復合材料。

本發(fā)明利用高壓水射流裝置將橡膠溶液以射流的方式噴射到石墨烯懸浮液中，兩股流體間巨大的速度差將造成劇烈的混合效應，使得石墨烯很均勻地分散到橡膠溶液中，分散狀態(tài)良好。

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明權利要求書確定的保護范圍內。