一種石墨烯的生產(chǎn)裝置及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二維納米新材料的生產(chǎn)裝置及制備方法,具體涉及一種石墨烯的生產(chǎn)裝置及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨是典型的層狀結(jié)構(gòu),每個碳與相鄰的碳之間等距相連,每一層中的碳按六方環(huán)狀排列,上下相鄰層的碳六方環(huán)通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu),位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。上下兩層的碳原子之間距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大得多(層內(nèi)C-C間距=0.142nm,層間C-C間距=0.340nm),層與層之間的碳原子通過范德華力結(jié)合在一起,通過破壞層與層之間的范德華力可以使石墨發(fā)生剝離制得石墨烯。理想的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點陣,可以看作是一層被剝離的石墨分子,每個碳原子均為Sp2雜化,并貢獻剩余一個P軌道上的電子形成大π鍵,π電子可以自由移動,賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)可以看是形成所有Sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單
J Li ο
[0003]目前,石墨烯制備的方法主要有:氧化還原法,超臨界法,外延生長法,化學(xué)氣相沉積法以及機械剝離法。氧化還原法是指在濃硫酸等強氧化劑下將石墨氧化,得到氧化石墨烯,通過水合肼、硼氫酸鈉等還原劑還原得到石墨烯。由于強氧化作用,碳原子六元環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞,引入了“缺陷”,導(dǎo)致最后制備的石墨烯有較多的缺陷,且強酸、水合肼環(huán)保問題突出,使之在工業(yè)化應(yīng)用上存在一定問題。超臨界法是在超臨界條件下,將溶劑插入石墨層間,通過短時間內(nèi)的壓力降低,“爆破”式的制取石墨烯。雖然其能有效的打開石墨層,但是其得到的石墨烯片層大小不均一,操作條件有一定危險性。外延生長法通過碳化硅的熱解制備石墨烯,其操作條件苛刻?;瘜W(xué)氣相沉積法是通過甲烷等碳源在銅箔等基質(zhì)表面高溫分解,生成石墨烯,其成本高,不利用大規(guī)模的工業(yè)化。
[0004]機械法是以石墨為原料,借助機械外力,通過剪切作用,打破石墨層間的范德華力,從而得到石墨烯。通過機械法,可以制備較大面積,沒有結(jié)構(gòu)缺陷的石墨烯材料,更重要的是這種方法的成本極低,是一種有前途的石墨烯的產(chǎn)業(yè)技術(shù)?;瘜W(xué)學(xué)術(shù)期刊《Carbon》(碳材料Carbon 2010, 48(11) 3196),報道了通過攪拌磨的方式,借助50 μ m或100 μ m的氧化鋯,對石墨微片的分散液進行處理,通過幾個小時的剝離,最高得到了 25g/L的單層或少層石墨烯溶液從而證明了機械方式對生產(chǎn)石墨的可行性。另外,《Nature MaterialK自然材料Nature Materials 2014, 13 (6) 624)報道了利用乳化機制取石墨烯的方法,該方法了說明了剪切作用在石墨烯剝離過程中的重要性。
[0005]目前,機械法制備石墨烯有較多的應(yīng)用,但普遍存在產(chǎn)率低的缺點,這對于石墨烯的后續(xù)應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。此外,由于很難掌握剝離的剪切力,部分產(chǎn)品出現(xiàn)“過磨”現(xiàn)象,使得產(chǎn)品邊緣出現(xiàn)“毛刺”,不規(guī)則銳角,對于石墨烯在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用產(chǎn)生不利的影響,不能充分發(fā)揮其性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述不足,提供一種高效剝離石墨制備石墨烯的生產(chǎn)裝置及制備方法,該生產(chǎn)裝置能夠在不破壞石墨片層自然結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,得到大面積、沒有缺陷的石墨烯,制得的石墨烯產(chǎn)品通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié),保證了其較好的外觀形態(tài),整個生產(chǎn)過程采用物理方法,綠色環(huán)保,工藝簡單。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種石墨烯的生產(chǎn)裝置,它包括反應(yīng)釜和電機,所述電機安裝于反應(yīng)釜的頂部,在所述電機的輸出端上連接有剪切器,在所述反應(yīng)釜的頂部設(shè)置有進料口、壓力表和溫度計,在所述反應(yīng)釜的內(nèi)壁面上設(shè)置有剪切溝槽,在所述反應(yīng)釜的中下部設(shè)置有出料口,便于卸出反應(yīng)后懸浮液,在所述反應(yīng)釜的外圍設(shè)置有夾套,在所述夾套上設(shè)有熱媒進口和出口,所述反應(yīng)釜的出料口與儲料罐的進料口相連,所述儲料罐的出料口與離心機的進料口相連,所述離心機的出料口與干燥機的進料口相連。
[0008]所述剪切器包括與電機相連的轉(zhuǎn)動軸,在所述轉(zhuǎn)動軸的下部均勻設(shè)置有四片剪切葉片,在所述剪切葉片上設(shè)置有與之相垂直的端部剪切葉片。
[0009]所述剪切溝槽由四面體或齒形或兩者結(jié)合組成,溝槽之間交錯、平行、螺旋上升或下降形式排布。
[0010]所述剪切溝槽的四面體或齒形的頂角角度為10° ~160°,長度為lcm-1000cm,厚度為 0.5cm~3cm。
[0011]本發(fā)明還提供一種利用上述生產(chǎn)裝置制備石墨烯的方法,所述方法包括以下步驟:
步驟一、將純度在98%以上,粒徑為2 μ m~lcm石墨鱗片和溶劑注入反應(yīng)釜內(nèi),同時添加分散劑,啟動電機進行攪拌,使物料混合均勻,攪拌均勻后,封閉反應(yīng)釜;
步驟二、加熱反應(yīng)釜,保持反應(yīng)釜內(nèi)溫度為80°C ~150°C,壓力為0.l_5Mpa,剪切器轉(zhuǎn)速為1000~20000 rpm/min,數(shù)小時后關(guān)閉電機,通過出料口將上層石墨烯懸浮液排出至儲料罐內(nèi),靜置12~24h ;
步驟三、將儲料罐內(nèi)的石墨烯懸浮液輸送至離心機內(nèi),離心機轉(zhuǎn)速為1000-6000 rpm/min,離心時間10min~2h,取上層清液,真空過濾得到濾餅;
步驟四、將步驟三得到的濾餅以適量的蒸餾水洗滌3次,濾餅轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機內(nèi),冷凍干燥3h,即得到石墨烯產(chǎn)品。
[0012]溶劑包括水,乙腈,正丁醇,乙醇,丙酮,N,N -二甲基甲酰胺,N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種混合物,分散劑包括十六烷基三甲基溴化銨,十二烷基硫酸鈉,十二烷基苯磺酸鈉,膽酸鈉,聚乙烯醇,聚乙烯吡咯烷酮中的一種或多種的復(fù)配。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下有益效果:
1、制備石墨烯產(chǎn)率高,成本低
一般認為,機械剝離石墨制備石墨烯的方法質(zhì)量不穩(wěn)定,石墨烯產(chǎn)率低。本發(fā)明緊緊抓住石墨烯剝離制備過程中,最重要的剪切作用,通過高轉(zhuǎn)速,剪切溝槽的設(shè)置等方式,充分發(fā)揮物料之間的剪切以及物料在高轉(zhuǎn)速下與溝槽的“碰撞”,實現(xiàn)了石墨烯的成功剝離。此夕卜,通過對溫度精確控制,保證了在制備過程中,各個條件可控性和可重復(fù)性的恒定,制備產(chǎn)品的重復(fù)性好,沒有較大波動。通過物料的多次循環(huán),提高了石墨烯產(chǎn)率。
[0014]另外,由于采用物理剝離的方法生產(chǎn)石墨烯,主要成本為石墨,人工費,水電費和管理費,石墨原料價格低廉,通過更進一步優(yōu)化管理,生產(chǎn)成本具有極高優(yōu)勢。
[0015]2、工藝簡單,操作可實現(xiàn)自動化
生產(chǎn)裝置可以具有高效的剪切強度,在此基礎(chǔ)上設(shè)計的工藝路線簡單,便于操作。此夕卜,反應(yīng)完畢后,懸浮液可輸送至儲料罐儲存,這時計算好時間以及出料量,加入新鮮的原料液,后續(xù)處理,被排除的未經(jīng)剝離的石墨原料可以循環(huán)使用,提高了產(chǎn)率。多臺一同操作,便于實現(xiàn)自動化管理。
[0016]3、制備的石墨烯質(zhì)量好
通過機械剝離制得的石墨烯質(zhì)量好,本發(fā)明中,石墨通過自身的相互剪切作用,能夠去除表面的微粉顆粒。經(jīng)過后續(xù)離心分離,干燥制得的石墨烯分布均一,邊緣呈圓形。
[0017]4、環(huán)保,無污染
本發(fā)明不使用強酸強堿或其他有毒物質(zhì),生產(chǎn)過程綠色環(huán)保,無污染。新型二維材料石墨烯的成功制備能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益,對環(huán)境不存在任何破壞。
[0018]5、后續(xù)應(yīng)用,效果明顯
生產(chǎn)的石墨烯對于復(fù)合材料、光電領(lǐng)域領(lǐng)域提供了重要的原材料,由于表面平滑,尺度均一,應(yīng)用在材料復(fù)合等領(lǐng)域能最大的發(fā)揮石墨烯的“四大特性”。較好的保存了石墨烯的片層結(jié)構(gòu),使用過程中,界面相互作用強,能夠發(fā)揮最大的材料力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種石墨烯的生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明中剪切器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:
反應(yīng)釜I 電機2 剪切器3 轉(zhuǎn)動軸31 剪切葉片32 端部剪切葉片33 進料口 4 壓力表5