一種剝離石墨烯的高速攪拌機及其剝離石墨烯的方法與流程
2023-10-11 05:54:54 1
本發明屬於石墨烯生產技術領域，具體涉及一種剝離製備石墨烯的高速攪拌機及其剝離石墨烯的方法。
背景技術：
石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵連接，結合方式為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極其優異的力學性質和結構剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，甚至還要超過鑽石。在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導電性。石墨烯是新一代的透明導電材料，在可見光區，四層石墨烯的透過率與傳統的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高於ITO薄膜。需要補充的是，從嚴格意義上說，石墨烯是一種單層的片狀；不過由於單層石墨烯的製備難度，一般也把具有相近性能的寡層石墨烯也歸類於石墨烯的範疇內。
目前已有氧化插層再還原法實現了批量生產石墨烯，但是由於氧化過程中石墨烯的結構遭到破壞，難以得到高質量的石墨烯產品。而且，其是先用強氧化劑濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等將石墨氧化成氧化石墨，氧化過程即在石墨層間穿插一些含氧官能團，從而加大了石墨層間距，然後再用強還原劑水合肼、硼氫化鈉等將氧化石墨烯還原成石墨烯。會產生大量的廢水、廢酸，對環境造成嚴重汙染，限制了石墨烯的產業化發展。相比於效率低、不適合於工業化批量生產的化學生長法，物理剝離法主要是採用低廉的石墨為原料，通過對石墨晶體施加機械力使石墨層間發生剝離，打破石墨層間的範德華力，形成單片石墨烯或寡層石墨烯，這種物理剝離方法更具有工業化前景和適合規模化生產。為了使石墨層間發生剝離，物理剝離法中常用的剝離手段有常規研磨、球磨、攪拌球磨等。其中，常規研磨是指將石墨在臼式研磨儀中研磨，其缺點是：首先，剪切力來源壓力造成的摩擦力，而壓力過大會導致電機難以帶動杵體轉動，限制了剪切力，壓力過小難以剪切剝離；其次，剪切效率低，增加受壓粉體量反而會導致部分粉體剪切力不足；再次，杵體對石墨施加壓力不均，容易產生過磨，杵體對石墨施加壓力會使石墨烯產生結構缺陷，甚至會使剝離後石墨烯粉碎，使得製得的產品邊緣多有「毛刺」，且晶體尺寸小。球磨是指在球磨機中藉助磨球對石墨粉體研磨，這種方法克服了常規粉體研磨受壓不均、局部施加壓力大的缺點，但是在球磨過程中磨球會對粉體提供衝擊和剪切兩種類型的作用力，磨球不僅貼著球磨罐的內壁對石墨施加剪切作用，而且磨球會來回撞擊球磨罐的內壁，對剝離的石墨烯產生巨大的衝擊力；如常規研磨方式中的壓力一樣，來自於磨球的這種衝擊力也會使石墨烯產生結構缺陷，降低剝離後石墨烯的尺寸，使得製得的產品邊緣多有「毛刺」，且晶體尺寸小。攪拌球磨是一種攪拌與球磨相結合的機械磨方式，攪拌器在腔體內帶動磨球碰撞摩擦，對粉體進行研磨；其磨球的衝擊作用較球磨方式溫和，但是由於磨球的存在，還是不免對剝離的石墨烯產生衝擊力，使石墨烯產生結構缺陷，降低剝離後石墨烯的尺寸，使得製得的產品邊緣多有「毛刺」，且晶體尺寸小。
但是由於機械剝離法的工藝簡單，成本低，無汙染，且機械法製備石墨烯的最大特點就是在剝離過程中沒有對石墨進行氧化作用，因此能夠獲得高質量的石墨烯，所以國內外許多學者都在研究利用機械剝離方法生產石墨烯。但現有技術中的機械剝離法產量低，僅適用於基礎科研，受設備限制，難以實現大規模生產，因此亟需設計一種能夠大規模、低成本的製備高質量石墨烯的裝置。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種剝離製備石墨烯的高速攪拌機，該剝離製備石墨烯的高速混合機通過設置循環高壓泵,有效防止石墨過度擠壓剪切,並藉助循環高壓泵產生的高壓氣流使被擠壓的石墨及時的懸浮,使剝離效率大幅提高。進一步提供利用該高速攪拌機製備高質量石墨烯的方法。
為了達到前述目的，本發明提出一種剝離製備石墨烯的高速攪拌機機，其包括高混機腔體(1)，高混機腔體(1)設置的石墨加料口（4）、剝離助劑加料口（2），驅動電機（14），旋轉軸（12），旋轉軸（12）上設置的由彈性漿葉（13）控制的研磨球（15）數對，高混機腔體(1)的內壁設置氣體分流板（5）和研磨板（3），高混機腔體(1)的下部設置對稱的循環泵（8）、循環泵（9），循環泵由循環閥（6）、循環閥（10）控制，排料閥（7）設在高混機腔體的最底部，與集料箱（11）連接。
所述高混機腔體(1)設置有加熱套。
所述氣體分流板（5）為多孔板，孔徑為1-3mm。
所述旋轉軸（12）上設置的彈性漿葉（13）為橡膠材料。
所述旋轉軸（12）上設置的由彈性漿葉（13）控制的研磨球（15）為氧化鋯陶瓷球，與研磨板（3）在彈性漿葉作用下緊密貼合。
所述研磨板（3）的內壁面為多孔的鏡面。
上述剝離製備石墨烯的高速攪拌機，在旋轉軸高速旋轉過程中產生的離心力使研磨球與研磨板精密貼合併摩擦剝離石墨，有效防止石墨烯層界面被破壞。特別的，下沉的石墨在高混機腔體的下部通過設置對稱的兩個循環泵加壓產生高速流動，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥（7），將製備的石墨烯收集至集料箱（11）。
本發明還提供上述剝離製備石墨烯的高速攪拌機剝離石墨烯的方法，其包括以下步驟：
將石墨原料與剝離助劑通過加入高速攪拌機，加熱至50℃-150℃後啟動電機，使旋轉軸在300rpm-500rpm轉速下穩定旋轉，啟動循環泵，石墨和剝離助劑被研磨球不斷研磨摩擦剝離，下沉的石墨經循環泵加壓形成高速流體，打開循環閥，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，同時將粘附與高混機內壁的石墨帶離，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨，使石墨層層剝離得到石墨烯，控制循環剝離30-60min，打開排料閥，將製備的石墨烯收集至集料箱。
通過控制旋轉軸轉速和剝離時間，可以製得不同層厚的石墨烯。
在上述剝離石墨烯的方法中，優選地，所述石墨原料包括粒徑為1μm-300μm的鱗片石墨和/或膨脹石墨。
在上述剝離石墨烯的方法中，優選地，所述旋轉軸速度為350rpm，循環剝離時間40min，得到較佳的石墨烯，其中層數小於10層的石墨烯佔比超過80%。
本發明提供的一種剝離製備石墨烯的高速攪拌機及其剝離石墨烯的方法，與現有技術相比，其突出的特點和優異的效果在於：
1、本發明提供的剝離製備石墨烯的高速攪拌機，內設置了可伸縮的研磨球，在旋轉軸高速旋轉過程中產生的離心力使研磨球與研磨板精密貼合併摩擦剝離石墨，有效防止石墨烯層界面被破壞。特別的，下沉的石墨在高混機腔體的下部通過設置對稱的兩個循環泵加壓產生高速流動，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨，使石墨層層剝離得到石墨烯，剝離效率高。
2、本發明提供的剝離石墨烯的方法，快速方便、易操作，能夠實現大規模、低成本地製備高質量的不同粒徑的石墨烯。
附圖說明
圖1為實施例1提供的剝離製備石墨烯的高速攪拌機的結構示意圖。
其中：1-高混機腔體；2-剝離助劑加料口；3-研磨板；4-石墨加料口；5-氣體分流板；6-循環閥；7-排料閥；8-循環泵；9-循環泵；10-循環閥；11-集料箱；12-旋轉軸；13-彈性漿葉；14-驅動電機；15-研磨球。
具體實施方式
以下通過具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發明的範圍僅限於以下的實例。在不脫離本發明上述方法思想的情況下,根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更,均應包含在本發明的範圍內。
實施例1
如圖1所示，一種剝離製備石墨烯的高速攪拌機，其包括高混機腔體(1)，高混機腔體(1)設置的石墨加料口（4）、剝離助劑加料口（2），驅動電機（14），旋轉軸（12），旋轉軸（12）上設置的由彈性漿葉（13）控制的研磨球（15）數對，高混機腔體(1)的內壁設置氣體分流板（5）和研磨板（3），高混機腔體(1)的下部設置對稱的循環泵（8）、循環泵（9），循環研磨後的物料經排料閥（7）收集至集料箱（11）。
上述剝離製備石墨烯的高速攪拌機，在旋轉軸高速旋轉過程中產生的離心力使研磨球與研磨板精密貼合併摩擦剝離石墨，有效防止石墨烯層界面被破壞。特別的，下沉的石墨在高混機腔體的下部通過設置對稱的兩個循環泵加壓產生高速流動，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥（7），將製備的石墨烯收集至集料箱（11）。
上述剝離製備石墨烯的高速攪拌機剝離石墨烯的方法，其包括以下步驟：
將鱗片石墨原料與剝離助劑氯化鈉通過加入高速攪拌機，加熱至150℃後啟動電機，使旋轉軸在300rpm-500rpm轉速下穩定旋轉，啟動循環泵，石墨和剝離助劑被彈性漿葉連接的5對氧化鋯研磨球摩擦剝離，下沉的石墨經循環泵加壓形成高速流體，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，同時將粘附與高混機內壁的石墨帶離，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨40min，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥，將製備的石墨烯收集至集料箱。
通過測試，層數小於10層的石墨烯佔比約為85%，徑向尺寸200-500nm。
實施例2
上述實施例1所述剝離製備石墨烯的高速攪拌機剝離石墨烯的方法，其包括以下步驟：
將膨脹石墨原料與剝離助劑通過加入高速攪拌機，加熱至150℃後啟動電機，使旋轉軸在350rpm轉速下穩定旋轉，啟動循環泵，石墨和剝離助劑被彈性漿葉連接的5對氧化鋯研磨球摩擦剝離，下沉的石墨經循環泵加壓形成高速流體，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，同時將粘附與高混機內壁的石墨帶離，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨40min，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥，將製備的石墨烯收集至集料箱。
通過測試，層數小於10層的石墨烯佔比約為90%，徑向尺寸200-500nm。
實施例3
上述實施例1所述剝離製備石墨烯的高速攪拌機剝離石墨烯的方法，其包括以下步驟：
將膨脹石墨原料與剝離助劑通過加入高速攪拌機，加熱至50℃後啟動電機，使旋轉軸在350rpm轉速下穩定旋轉，啟動循環泵，石墨和剝離助劑被彈性漿葉連接的5對氧化鋯研磨球摩擦剝離，下沉的石墨經循環泵加壓形成高速流體，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，同時將粘附與高混機內壁的石墨帶離，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨40min，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥，將製備的石墨烯收集至集料箱。
通過測試，層數小於10層的石墨烯佔比約為80%，徑向尺寸150-200nm。
實施例4
上述實施例1所述剝離製備石墨烯的高速攪拌機剝離石墨烯的方法，其包括以下步驟：
將膨脹石墨原料與剝離助劑通過加入高速攪拌機，加熱至150℃後啟動電機，使旋轉軸在500rpm轉速下穩定旋轉，啟動循環泵，石墨和剝離助劑被彈性漿葉連接的5對氧化鋯研磨球摩擦剝離，下沉的石墨經循環泵加壓形成高速流體，通過設置多孔的氣體分流板將高速流動的石墨分散，同時將粘附與高混機內壁的石墨帶離，有效防止石墨被長時間擠壓重疊，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨30min，使石墨層層剝離得到石墨烯，打開排料閥，將製備的石墨烯收集至集料箱。
通過測試，層數小於5層的石墨烯佔比約為85%，徑向尺寸50-100nm。
由實施例1-4可知，本發明提供的剝離製備石墨烯的高速攪拌機，通過循環泵內循環和研磨球攪拌研磨，使石墨層層剝離得到石墨烯，剝離效率高，通過控制旋轉軸轉速和剝離時間，可以製得不同層厚的石墨烯。易於操作控制，能夠實現大規模、低成本地製備高質量的石墨烯。