專利名稱：一種用于制備石墨烯的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于制備石墨烯的裝置。
背景技術(shù)：
石墨烯的出現(xiàn)在全世界科學(xué)界引起了巨大反響，因其具有非同尋常的導(dǎo)電性能、 極強(qiáng)的強(qiáng)度和韌性、良好的透光性，在現(xiàn)代新材料領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)強(qiáng)烈的研發(fā)熱潮，雖然石墨烯發(fā)現(xiàn)時(shí)間很短，還處于研究階段，但是其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能使其在納米電子學(xué)、微電子學(xué)、復(fù)合材料以及儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為科學(xué)界研究的前沿和熱點(diǎn)，可望在納米電子器件、電池、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
目前，石墨烯的制備方法有機(jī)械法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法及氧化還原法。 前三種方法因效率低或條件苛刻，或不成熟，未能在規(guī)?；a(chǎn)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，氧化還原法雖可在工業(yè)上采用，但制備出來(lái)的石墨烯質(zhì)量較差，廢水量大，這也是該法較大的弱點(diǎn)， 因此人們迫切希望能研制出一種環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好的制備石墨烯的方法及裝置。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，而提供一種采用物理方法、科學(xué)合理、工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、而且環(huán)境友好的用于制備石墨烯的裝置。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種用于制備石墨烯的裝置，具有高壓釜，在高壓釜的上端出料口安裝夾持器，夾持器內(nèi)安裝有爆破片。
上述技術(shù)方案中，所述的高壓釜的上端出料口安裝夾持器其結(jié)構(gòu)為高壓釜的上端出料口連接有法蘭，法蘭連接安裝夾持器。
上述技術(shù)方案中，所述的高壓釜上還安裝有超臨界流體進(jìn)口、壓力表接口和溫度計(jì)接口，分別連接安裝進(jìn)料閥、壓力表或壓力顯示器、溫度計(jì)。
上述技術(shù)方案中，所述的高壓釜外圍安裝有夾套，夾套上有熱媒進(jìn)口和熱媒出口。
上述技術(shù)方案中，所述的熱媒為導(dǎo)熱油或蒸汽。
上述技術(shù)方案中，所述的爆破片外側(cè)連通產(chǎn)品收集器。
上述技術(shù)方案中，所述的爆破片可選用正拱形、反拱形或平板形，市場(chǎng)有購(gòu)。
上述技術(shù)方案中，所述的高壓釜為通用設(shè)備，耐壓5 — IOMPa或IOMPa以上。
上述技術(shù)方案中，所述的高壓釜置于振動(dòng)器上。
高壓釜的右部為出料口，當(dāng)釜內(nèi)超臨界流體實(shí)現(xiàn)了石墨原料的滲透溶解之后，利用爆破片爆破，形成了瞬間毫秒級(jí)泄壓，迫使超臨界流體在石墨層間汽化，產(chǎn)生強(qiáng)大的推力，使石墨剝離成石墨烯。相比于現(xiàn)有的石墨烯制備裝置，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備出石墨烯質(zhì)量好，成本低。因超臨界溶劑可回收，因此無(wú)三廢排放，生產(chǎn)能力大小依賴于設(shè)備大小，可實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)模制備，是一種新的物理制備石墨烯的新裝置。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為采用本發(fā)明裝置制備的石墨烯產(chǎn)品透射電子顯微鏡圖，其中插圖為FFT圖像； 圖3為采用本發(fā)明裝置制備的石墨烯產(chǎn)品透視電子顯微鏡圖。
圖中，1-爆破片，2-夾持器，3-法蘭，4-高壓釜出料口，5-夾套，6-高壓爸，7_導(dǎo)熱油出口(蒸汽為進(jìn)口)，8-導(dǎo)熱油進(jìn)口(蒸汽為出口)，9-溫度計(jì)接口，10-壓力表接口，11-超臨界流體進(jìn)口。
上述圖2中，由于銅網(wǎng)上碳膜的因素導(dǎo)致石墨烯的圖像不是十分清晰，但插圖中的FFT圖像表明該石墨烯的層數(shù)很低(〈5)，且電子衍射圖為標(biāo)準(zhǔn)的六邊形，沒(méi)有重影或雜點(diǎn)，說(shuō)明石墨稀的結(jié)晶狀態(tài)很好，缺陷很少，質(zhì)量聞;上述圖3中，可以清晰的觀察到石墨烯的薄片形貌，尺度接近2微米；石墨烯表現(xiàn)出薄紗狀的結(jié)構(gòu)，其表面褶皺清晰可見(jiàn)，表面缺陷少，完整性較好，沒(méi)有折疊的邊緣顏色較淺，幾乎不可見(jiàn)，這說(shuō)明石墨烯片的厚度很薄。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的用于制備石墨烯的裝置，如圖1所示，包括高壓釜6、高壓釜出料口 4，高壓釜出料口 4安裝有夾持器2和爆破片1，爆破片安裝在夾持器中間，高壓釜左部安裝有溫度計(jì)接口 9，用于安裝溫度計(jì)，高壓釜左部安裝有壓力表接口 10，用于安裝壓力表或壓力顯 示器，高壓釜左部還具有超臨界流體進(jìn)口 11，高壓釜外側(cè)安裝有夾套5，內(nèi)通導(dǎo)熱油或蒸汽，用于高壓釜加熱和保溫。
使用時(shí),將高壓爸放置于振動(dòng)器上,打開(kāi)出料口的法蘭3,放入一定量石墨,選擇合適的爆破片，安裝在夾持器中間，夾持器放于法蘭中間，旋緊螺栓，使之密封。
將進(jìn)料閥與超臨界流體進(jìn)口 11相連，再將進(jìn)料閥連通真空泵，抽真空至 O. 098MPa，關(guān)閉進(jìn)料閥，然后連接進(jìn)料管，開(kāi)啟進(jìn)料閥，依次灌入共溶劑和超臨界溶劑，即灌入超臨界流體，關(guān)閉進(jìn)料閥，開(kāi)啟振動(dòng)器，夾套內(nèi)通導(dǎo)熱油或蒸汽加熱升溫到規(guī)定溫度，保持一定時(shí)間，隨后略為增加溫度，當(dāng)壓力超出爆破片承受壓力時(shí)，爆破片爆破，物料在瞬間毫秒級(jí)內(nèi)沖出，接收器收集物料，至此完成一次石墨烯制備過(guò)程。
使用本發(fā)明裝置所產(chǎn)生的顯著效果如下(I)、本發(fā)明能在瞬間(毫秒級(jí))完成泄壓，優(yōu)于現(xiàn)有的技術(shù)使用本發(fā)明裝置在超臨界狀態(tài)下，利用超臨界溶劑在超臨界狀態(tài)下對(duì)原料石墨的滲透性和溶解性，使超臨界溶劑進(jìn)入石墨粉內(nèi)部(層與層之間)，然后采用汽爆的形式，能量在極短的時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)瞬間全部釋放完畢，伴隨沖擊波產(chǎn)生，其過(guò)程在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成，瞬間完成膨脹過(guò)程，膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于石墨，對(duì)石墨進(jìn)行層間剝離，完成石墨烯的制備。本裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨的高效剝離，重復(fù)操作次數(shù)少，所制備的石墨烯質(zhì)量較好， 具有廣闊的應(yīng)用前景。
而現(xiàn)有技術(shù)雖然也采用了活塞快速卸壓，但是達(dá)不到在毫秒級(jí)內(nèi)物料全部沖出，沒(méi)有產(chǎn)生毫秒級(jí)沖擊波，物料依次按前后順序從高壓向低壓釋放平衡，故無(wú)法產(chǎn)生瞬間爆破的行為，從而達(dá)不到瞬間泄壓的效果，減壓過(guò)程遠(yuǎn)未達(dá)到在毫秒級(jí)內(nèi)將容器內(nèi)高壓快速降為常壓，這些做功過(guò)程由于時(shí)間較長(zhǎng)，不產(chǎn)生瞬間大功率，沒(méi)有沖擊波產(chǎn)生，也就無(wú)法達(dá)到所預(yù)期的對(duì)石墨的剝離效果。
(2)、本發(fā)明剝離效果高眾所周知，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，每一層中的6個(gè)碳原子構(gòu)成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，層和層之間以范德瓦爾斯力連接。石墨層與層之間不是封閉的，有機(jī)溶劑在超臨界狀態(tài)下可以進(jìn)入石墨層與層之間，在泄壓時(shí)，超臨界溶劑可以在石墨層間汽化，也可以從石墨層間很快溢出，因此超臨界溶劑在石墨層間汽化或從石墨層間溢出，在泄壓過(guò)程中這兩種可能性同時(shí)存在， 溢出為主則達(dá)不到剝離石墨的目的，只有以汽化為主才能達(dá)到剝離石墨的目的，有機(jī)溶劑以溢出為主還是以汽化為主，關(guān)鍵是泄壓時(shí)間的控制，只有泄壓過(guò)程時(shí)間極短，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成泄壓過(guò)程，進(jìn)入石墨層間的有機(jī)溶劑來(lái)不及溢出，于是在石墨層間汽化(溶劑汽化后，瞬間急速膨脹，體積可以膨脹幾十倍至幾百倍，產(chǎn)生推力，使石墨剝離)，膨脹的氣體以沖擊波的形式作用于石墨，將石墨剝離成石墨烯，現(xiàn)有的技術(shù)壓力釋放采用的是活塞卸壓， 以液壓的形式開(kāi)啟或關(guān)閉活塞，利用此種形式卸壓無(wú)法瞬間完成，采用快開(kāi)閥(例如球閥) 卸壓，同樣不能瞬間完成，超臨界溶劑進(jìn)入石墨層間和在石墨層間汽化，是兩個(gè)相輔相承的過(guò)程，缺一不可，現(xiàn)有的技術(shù)只完成超臨界溶劑進(jìn)入石墨層間，未能解決超臨界溶劑在層間汽化(因卸壓慢，以超臨界溶劑從石墨層間溢出為主)，因此現(xiàn)有的技術(shù)對(duì)石墨剝離作用非常有限，制備過(guò)程需多次重復(fù)操作。
而采用本發(fā)明裝置制備石墨烯不但解決了超臨界溶劑進(jìn) 入石墨層間，而且解決了超臨界溶劑在石墨層間汽化，因本發(fā)明采用爆破片泄壓，其泄壓過(guò)程在毫秒級(jí)內(nèi)完成，超臨界溶劑來(lái)不及溢出，只能在石墨層間汽化，從而達(dá)到高效剝離石墨的目的。
(3)、采用本發(fā)明裝置工藝簡(jiǎn)單采用本發(fā)明裝置制備的石墨烯工藝簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)原料豐富，價(jià)格低廉，制備的石墨烯成本低，可望用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)石墨烯，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。
( 4 )、采用本發(fā)明裝置無(wú)三廢本發(fā)明避免了使用大量的化學(xué)原料，所使用的超臨界溶劑回收循環(huán)利用或作其他用途，無(wú)三廢排放，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。而目前最有希望大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的氧化還原法，制備一噸石墨烯需要幾十噸至百噸無(wú)機(jī)酸，幾十噸無(wú)機(jī)氧化劑，產(chǎn)生大量的酸性廢水和洗滌廢水， 污染環(huán)境，其廢水治理費(fèi)用大，增加了生產(chǎn)成本。
(5)、本發(fā)明產(chǎn)品質(zhì)量較好本發(fā)明不需要對(duì)石墨進(jìn)行氧化處理及其他化學(xué)處理，不會(huì)破壞石墨的晶體結(jié)構(gòu)，其制備過(guò)程使用物理方法，因此制備的石墨烯質(zhì)量較好，晶體結(jié)構(gòu)保持完整，從本發(fā)明圖3石墨烯的透射電子顯微鏡圖可以證明，而且石墨烯的層數(shù)低，小于5層。
(6)、本發(fā)明具有工業(yè)化的前景從現(xiàn)有制備的石墨烯的技術(shù)來(lái)看，能夠獲得質(zhì)量好的石墨烯的方法，如機(jī)械剝離法，產(chǎn)量低，成本高，難于工業(yè)化；而能夠工業(yè)化制備石墨烯的方法，例如氧化還原法，石墨烯質(zhì)量較差，其應(yīng)用受到限制；采用本發(fā)明裝置制備的石墨烯質(zhì)量較好，成本低，工藝簡(jiǎn)單，為用物理法制備的石墨烯提供了一條新的途徑，具有工業(yè)規(guī)模化制備石墨烯的廣闊前景。
本發(fā)明所用的爆破片由成都成航工業(yè)安全系統(tǒng)有限責(zé)任公司或蘇州安理高科安全設(shè)備開(kāi)發(fā)有限公司提供，丙烷由長(zhǎng)沙蓮湖乙炔有限公司提供，其他所使用的原料及設(shè)備等均從市場(chǎng) 渠道購(gòu)到。
權(quán)利要求
1.一種用于制備石墨烯的裝置，其特征在于具有高壓釜，在高壓釜的上端出料口安裝夾持器，夾持器內(nèi)安裝有爆破片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的高壓釜的上端出料口安裝夾持器其結(jié)構(gòu)為高壓釜的上端出料口連接有法蘭，法蘭連接安裝夾持器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的高壓釜上還安裝有超臨界流體進(jìn)口、壓力表接口和溫度計(jì)接口，分別連接安裝進(jìn)料閥、壓力表或壓力顯示器、溫度計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的高壓釜外圍安裝有夾套，夾套上有熱媒進(jìn)口和熱媒出口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的熱媒為導(dǎo)熱油或蒸汽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的爆破片外側(cè)連通產(chǎn)品收集器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于所述的爆破片選用正拱形、反拱形或平板形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備石墨烯的裝置，其特征在于高壓釜放置于振動(dòng)器上。
全文摘要
一種用于制備石墨烯的裝置，具有高壓釜，在高壓釜的上端出料口安裝夾持器，夾持器內(nèi)安裝有爆破片；高壓釜上還安裝有超臨界流體進(jìn)口、壓力表接口和溫度計(jì)接口，分別連接安裝進(jìn)料閥、壓力表或壓力顯示器、溫度計(jì)；高壓釜外圍安裝有夾套，夾套上有熱媒進(jìn)口和熱媒出口；熱媒為導(dǎo)熱油或蒸汽；爆破片外側(cè)連通產(chǎn)品收集器。本發(fā)明是一種采用物理方法制備石墨烯的裝置，制得的石墨烯質(zhì)量好，無(wú)三廢排放，工藝簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；I(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102992315SQ20131001691
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者余檢明 申請(qǐng)人:余美群