一種噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯的批量生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)，又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)碳原子厚度的二維納米材料。石墨烯的發(fā)現(xiàn)雖然僅10年左右，卻引發(fā)了席卷全球的一波又一波的研宄開發(fā)浪潮。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，具有神奇的電子傳輸、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械等特征。2004年英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，在實(shí)驗(yàn)室成功地從石墨中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨(dú)存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，從而掀起了石墨烯制備、改性和應(yīng)用的全球研宄熱潮。將石墨烯用于超級(jí)電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復(fù)合材料等方面的應(yīng)用前景，開辟了石墨烯材料的新時(shí)代。
[0003]正如有學(xué)者所言，19世紀(jì)是鐵器的時(shí)代，20世紀(jì)是硅的時(shí)代，21世紀(jì)是碳的時(shí)代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是構(gòu)成地球上一切生命體最重要的元素。碳材料的特性幾乎涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)。先進(jìn)碳材料具有新型結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，是對(duì)未來發(fā)展具有重大和決定意義的新材料。
[0004]新材料產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)之一，也是未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，是我國成為世界制造業(yè)強(qiáng)國的重要基礎(chǔ)。石墨烯作為先進(jìn)碳材料，它是當(dāng)今發(fā)現(xiàn)的世界上最優(yōu)質(zhì)的材料。它有以下特點(diǎn):最薄，0.35nm，被稱為現(xiàn)今世界最薄的材料；比表面積最大，2620m2/g ;最硬，剛度優(yōu)于金剛石，是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鋼鐵硬100倍；最抗拉，可彈性拉伸20% ;熱導(dǎo)率最高，5300W/m.k ;最高迀移率200，000cm2/v.s (300k);高透光性，透光率為97.7%/單層；高載流能力:電流密度比銅高6個(gè)數(shù)量級(jí)；最奇特的是，石墨烯是二維量子材料，線性能帶色散關(guān)系，載流子有效質(zhì)量為零，能在溫室下觀察到量子霍爾效應(yīng)；還具有室溫彈道輸運(yùn)特性。
[0005]石墨烯具有無限廣闊的應(yīng)用前景，雖然現(xiàn)在還是潛在階段，普遍應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化還沒有打開局面，但是從科學(xué)預(yù)測的角度來看，已經(jīng)成為不可忽視的重點(diǎn)領(lǐng)域。比如，它可替代和解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端，可解決電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵難題，使新能源電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展。再比如可以替代硅，制造未來新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)；替代ITO透明導(dǎo)電薄膜，應(yīng)用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業(yè)領(lǐng)域；還可應(yīng)用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復(fù)合材料、平板電腦、手表日歷、移動(dòng)電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機(jī)、超薄折疊手機(jī)、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創(chuàng)造的需求，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。從全球發(fā)展趨勢來看，誰都不愿意喪失石墨烯發(fā)展帶來的重大機(jī)遇。
[0006]制備石墨烯目前比較成熟的方式有物理法和化學(xué)法，其中物理法的典型代表是用膠帶粘貼的方式從石墨晶體上獲得，這種方法能拿到結(jié)構(gòu)非常完美的石墨烯晶體，比較適用于開發(fā)電子器件或物理研宄，無法量產(chǎn)。量產(chǎn)主要依賴化學(xué)法，一種是用于生成薄膜狀石墨烯的“自下而上”法，也就是從小分子或碳原子通過化學(xué)氣相沉積、外延生長或有機(jī)合成等途徑組裝成石墨烯片。這種方法規(guī)模相對(duì)容易做大，所獲石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，更適合去做觸摸屏或太陽能電池的透明導(dǎo)電薄膜，而很難應(yīng)用于粉體石墨烯的制備。另一種方式就是“自上而下”法，有時(shí)也叫化學(xué)剝離法，就是利用插層劑把三維的石墨晶體各層間的范德華力瓦解，使得石墨層層拆解開，剝成單層或少數(shù)幾層的石墨烯產(chǎn)品。目前各廠家的工藝路線和所用插層劑是有差別的。有的用鹽插層然后液相剝離，這種方法制備的石墨烯含氧量低，導(dǎo)電性能好，但剝離程度相對(duì)低一點(diǎn)，比表面積不太大；有的先氧化插層然后剝離，這種方法剝離程度高，比表面積大，但做出的石墨烯缺陷比較多，含氧量大，制約了石墨烯的工業(yè)化進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置及其生產(chǎn)方法，以期可以實(shí)現(xiàn)無污染、零排放、低能耗的批量化生產(chǎn)高比表面積、無缺陷石墨稀。
[0008]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置，其特點(diǎn)在于:所述裝置由一級(jí)或多級(jí)剝離設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成；
[0010]所述剝離設(shè)備的結(jié)構(gòu)為:在一物料倉的上端設(shè)置有兩進(jìn)料口，下端設(shè)置有出料口，所述出料口下方連通與分料倉，在所述分料倉內(nèi)設(shè)置有濾網(wǎng)，所述濾網(wǎng)將所述分料倉分隔為粗料倉和細(xì)料倉，物料倉內(nèi)物料由出料口進(jìn)入分料倉后，經(jīng)濾網(wǎng)過濾，可通過濾網(wǎng)的物料進(jìn)入細(xì)料倉，未通過濾網(wǎng)的物料進(jìn)入粗料倉；在所述物料倉內(nèi)設(shè)置有一轉(zhuǎn)子；所述轉(zhuǎn)子的下方與所述物料倉的下方相配合，使所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的外表面與物料倉的內(nèi)表面在相配合位置處形成相對(duì)摩擦；
[0011]各級(jí)剝離設(shè)備的粗料倉通過設(shè)置有抽泵的管道連通與第一級(jí)剝離設(shè)備的另一進(jìn)料口 ；上一級(jí)剝離設(shè)備的細(xì)料倉通過設(shè)置有抽泵的管道連通與下一級(jí)剝離設(shè)備的進(jìn)料口，最后一級(jí)剝離設(shè)備的細(xì)料倉通過設(shè)置有抽泵的管道連通與成品收容器；
[0012]所述轉(zhuǎn)子的外表面與物料倉的內(nèi)表面在相配合位置處由相同材質(zhì)高硬度材料構(gòu)成，所述高硬度材料為硬度大于石墨的材料。
[0013]優(yōu)選的，所述硬度大于石墨的材料為大理石、花崗巖石、金剛石、精鋼、碳素鋼、高錳鋼、碳化鎢或不銹鋼。
[0014]所述轉(zhuǎn)子的外表面與物料倉的內(nèi)表面在相配合位置處為平面或設(shè)置有多個(gè)齒槽的齒槽式磨面。
[0015]在所述細(xì)料倉內(nèi)、位于所述濾網(wǎng)的下方設(shè)置有濾網(wǎng)刷；
[0016]在最后一級(jí)剝離設(shè)備的細(xì)料倉與成品收容器連通的管道上設(shè)置有干燥設(shè)備。
[0017]利用上述類機(jī)械剝離裝置的噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的生產(chǎn)方法，其特點(diǎn)在于:
[0018]啟動(dòng)各級(jí)剝尚設(shè)備的轉(zhuǎn)子和抽栗；
[0019]轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的外表面與物料倉的內(nèi)表面在相配合位置處形成摩擦力；
[0020]將石墨和液體助劑混合并攪拌均勻，然后從進(jìn)料口加入到第一級(jí)剝離設(shè)備的物料倉中，石墨在轉(zhuǎn)子與物料倉相配合的位置處受到摩擦力的剪切作用，石墨中各石墨層間的范德華力瓦解，從而使得石墨被剝離減薄獲得石墨烯，從下料口進(jìn)入分料倉，經(jīng)濾網(wǎng)篩分，通過濾網(wǎng)的物料(包括滿足濾網(wǎng)目數(shù)的未剝離石墨原料及剝離獲得的石墨烯)進(jìn)入下一級(jí)剝離設(shè)備，再次剝離減薄，經(jīng)過多級(jí)剝離設(shè)備層層剝離所獲得的成品石墨烯進(jìn)入成品收容器；各級(jí)剝離設(shè)備中未通過濾網(wǎng)的物料返回第一級(jí)剝離設(shè)備的物料倉繼續(xù)剝離。
[0021]其中所述液體助劑為去離子水、酒精、N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、苯甲酸芐酯中的一種或幾種混合。
[0022]所述石墨的質(zhì)量與所述液體助劑的體積比為0.01?150:100g/ml。
[0023]本發(fā)明利用類機(jī)械剝離裝置中轉(zhuǎn)子與物料倉的相對(duì)摩擦，使石墨原料被層層剝離，從而獲得石墨烯，轉(zhuǎn)子的外表面與物料倉的內(nèi)表面在相配合位置處由硬度大于石墨的材料構(gòu)成，以減少裝置的磨損。
[0024]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0025]1、本發(fā)明噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置操作簡單，所得石墨烯晶體結(jié)構(gòu)完美、比表面積大、導(dǎo)電性能好，且可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的批量化生產(chǎn)。
[0026]2、本發(fā)明制備的石墨烯剝離程度相對(duì)可調(diào)，可根據(jù)剝離時(shí)間與剝離次數(shù)來調(diào)整所得石墨烯的層數(shù)；
[0027]3、本發(fā)明制備的石墨烯幾乎沒有缺陷，含氧量極低；
[0028]4、本發(fā)明制備石墨烯的方法中間不引人任何外來雜質(zhì)粒子，最大程度上保持了石墨烯的純度，對(duì)石墨烯基本做到了零破壞，實(shí)現(xiàn)了零損傷、零污染、零排放、低能耗、高產(chǎn)量，是今后石墨烯量產(chǎn)的必然選擇；
[0029]5、本發(fā)明合成的石墨烯的方法簡單易行，穩(wěn)定可靠，產(chǎn)線復(fù)制簡單，能夠快速響應(yīng)市場的需求。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置中物料倉與轉(zhuǎn)子相配合位置處的不意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯分散到氧化硅上的顯微鏡圖；
[0033]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯的TEM圖；
[0034]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的石墨烯的純度表；
[0035]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2大理石磨盤的照片；
[0036]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯分散到氧化硅上的顯微鏡圖；
[0037]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2制備的石墨烯的TEM圖；
[0038]圖9為本發(fā)明實(shí)施例3制備的石墨烯的純度表；
[0039]圖中標(biāo)號(hào):1a進(jìn)料口 ；lb出料口 ；2物料倉；3轉(zhuǎn)子；4a粗料倉；4b細(xì)料倉；5濾網(wǎng)；6濾網(wǎng)刷；7抽泵；8成品收容器。
【具體實(shí)施方式】
[0040]實(shí)施例1
[0041]如圖1所示，本實(shí)施例噸級(jí)生產(chǎn)石墨烯的類機(jī)械剝離裝置由三級(jí)剝離設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成；
[0042]剝離設(shè)備的結(jié)構(gòu)為:在一物料倉2的上端設(shè)置有兩進(jìn)料口 la，下端設(shè)置有出料口Ib,出料口 Ib下方連通與分料倉，在分料倉內(nèi)設(shè)置有濾網(wǎng)5，濾網(wǎng)5將分料倉分隔為粗料倉4a和細(xì)料倉4b，物料倉2內(nèi)物料由出料口 Ib進(jìn)入分料倉后，經(jīng)濾網(wǎng)5過濾，可通過濾網(wǎng)5的物料進(jìn)入細(xì)料倉4b，未通過濾網(wǎng)5的物料進(jìn)入粗料倉4a ;在物料倉2內(nèi)設(shè)置有一轉(zhuǎn)子3 ；轉(zhuǎn)子3的下方與物料倉2的下方相配合，使轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子3的外表面與物料倉2的內(nèi)表面在相配合位置處形成相對(duì)摩擦；
[0043]各級(jí)剝離設(shè)備的粗料倉4a通過設(shè)置有抽泵7的管道連通與第一級(jí)剝離設(shè)備的另一進(jìn)料口 Ia ;上一級(jí)剝離設(shè)備的細(xì)料倉通過設(shè)置有抽泵7的管道連通與下一級(jí)剝離設(shè)備的進(jìn)料口 la，最后一級(jí)剝離設(shè)備的細(xì)料倉通過設(shè)置有抽泵7的管