一種噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石墨烯的批量生產設備及生產方法。
【背景技術】
[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，是只有一個碳原子厚度的二維納米材料。石墨烯的發現雖然僅10年左右，卻引發了席卷全球的一波又一波的研宄開發浪潮。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、導電、導熱和機械等特征。2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，在實驗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存在，因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎，從而掀起了石墨烯制備、改性和應用的全球研宄熱潮。將石墨烯用于超級電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復合材料等方面的應用前景，開辟了石墨烯材料的新時代。
[0003]正如有學者所言，19世紀是鐵器的時代，20世紀是硅的時代，21世紀是碳的時代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是構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的性質。先進碳材料具有新型結構和優異的物理化學性能，是對未來發展具有重大和決定意義的新材料。
[0004]新材料產業作為戰略性新興產業的重點之一，也是未來高新技術產業發展的基石和先導，是我國成為世界制造業強國的重要基礎。石墨烯作為先進碳材料，它是當今發現的世界上最優質的材料。它有以下特點:最薄，0.35nm，被稱為現今世界最薄的材料；比表面積最大，2620m2/g ;最硬，剛度優于金剛石，是人類已知強度最高的物質，比鋼鐵硬100倍；最抗拉，可彈性拉伸20% ;熱導率最高，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個數量級；最奇特的是，石墨烯是二維量子材料，線性能帶色散關系，載流子有效質量為零，能在溫室下觀察到量子霍爾效應；還具有室溫彈道輸運特性。
[0005]石墨烯具有無限廣闊的應用前景，雖然現在還是潛在階段，普遍應用與產業化還沒有打開局面，但是從科學預測的角度來看，已經成為不可忽視的重點領域。比如，它可替代和解決傳統鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端，可解決電動汽車發展的關鍵難題，使新能源電動汽車蓬勃發展。再比如可以替代硅，制造未來新一代超級計算機；替代ITO透明導電薄膜，應用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業領域；還可應用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、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、超薄折疊手機、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創造的需求，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。從全球發展趨勢來看，誰都不愿意喪失石墨烯發展帶來的重大機遇。
[0006]制備石墨烯目前比較成熟的方式有物理法和化學法，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，這種方法能拿到結構非常完美的石墨烯晶體，比較適用于開發電子器件或物理研宄，無法量產。量產主要依賴化學法，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氣相沉積、外延生長或有機合成等途徑組裝成石墨烯片。這種方法規模相對容易做大，所獲石墨烯的晶體結構相對完整，更適合去做觸摸屏或太陽能電池的透明導電薄膜，而很難應用于粉體石墨烯的制備。另一種方式就是“自上而下”法，有時也叫化學剝離法，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，剝成單層或少數幾層的石墨烯產品。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，導電性能好，但剝離程度相對低一點，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化進程。
【發明內容】
[0007]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置及其生產方法，以期可以實現無污染、零排放、低能耗的批量化生產高比表面積、無缺陷石墨稀。
[0008]本發明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0009]本發明噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置，其特點在于:所述裝置由一級或多級剝離設備串聯構成；
[0010]所述剝離設備的結構為:在一物料倉的上端設置有兩進料口，下端設置有出料口，所述出料口下方連通與分料倉，在所述分料倉內設置有濾網，所述濾網將所述分料倉分隔為粗料倉和細料倉，物料倉內物料由出料口進入分料倉后，經濾網過濾，可通過濾網的物料進入細料倉，未通過濾網的物料進入粗料倉；在所述物料倉內設置有一轉子；所述轉子的下方與所述物料倉的下方相配合，使所述轉子轉動時，轉子的外表面與物料倉的內表面在相配合位置處形成相對摩擦；
[0011]各級剝離設備的粗料倉通過設置有抽泵的管道連通與第一級剝離設備的另一進料口 ；上一級剝離設備的細料倉通過設置有抽泵的管道連通與下一級剝離設備的進料口，最后一級剝離設備的細料倉通過設置有抽泵的管道連通與成品收容器；
[0012]所述轉子的外表面與物料倉的內表面在相配合位置處由相同材質高硬度材料構成，所述高硬度材料為硬度大于石墨的材料。
[0013]優選的，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]所述轉子的外表面與物料倉的內表面在相配合位置處為平面或設置有多個齒槽的齒槽式磨面。
[0015]在所述細料倉內、位于所述濾網的下方設置有濾網刷；
[0016]在最后一級剝離設備的細料倉與成品收容器連通的管道上設置有干燥設備。
[0017]利用上述類機械剝離裝置的噸級生產石墨烯的生產方法，其特點在于:
[0018]啟動各級剝尚設備的轉子和抽栗；
[0019]轉動轉子，使轉子的外表面與物料倉的內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，然后從進料口加入到第一級剝離設備的物料倉中，石墨在轉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，從下料口進入分料倉，經濾網篩分，通過濾網的物料(包括滿足濾網目數的未剝離石墨原料及剝離獲得的石墨烯)進入下一級剝離設備，再次剝離減薄，經過多級剝離設備層層剝離所獲得的成品石墨烯進入成品收容器；各級剝離設備中未通過濾網的物料返回第一級剝離設備的物料倉繼續剝離。
[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]所述石墨的質量與所述液體助劑的體積比為0.01?150:100g/ml。
[0023]本發明利用類機械剝離裝置中轉子與物料倉的相對摩擦，使石墨原料被層層剝離，從而獲得石墨烯，轉子的外表面與物料倉的內表面在相配合位置處由硬度大于石墨的材料構成，以減少裝置的磨損。
[0024]與已有技術相比，本發明有益效果體現在:
[0025]1、本發明噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置操作簡單，所得石墨烯晶體結構完美、比表面積大、導電性能好，且可以實現石墨烯的批量化生產。
[0026]2、本發明制備的石墨烯剝離程度相對可調，可根據剝離時間與剝離次數來調整所得石墨烯的層數；
[0027]3、本發明制備的石墨烯幾乎沒有缺陷，含氧量極低；
[0028]4、本發明制備石墨烯的方法中間不引人任何外來雜質粒子，最大程度上保持了石墨烯的純度，對石墨烯基本做到了零破壞，實現了零損傷、零污染、零排放、低能耗、高產量，是今后石墨烯量產的必然選擇；
[0029]5、本發明合成的石墨烯的方法簡單易行，穩定可靠，產線復制簡單，能夠快速響應市場的需求。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置的結構示意圖；
[0031]圖2為本發明噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置中物料倉與轉子相配合位置處的不意圖；
[0032]圖3為本發明實施例1制備的石墨烯分散到氧化硅上的顯微鏡圖；
[0033]圖4為本發明實施例1制備的石墨烯的TEM圖；
[0034]圖5為本發明實施例1制備的石墨烯的純度表；
[0035]圖6為本發明實施例2大理石磨盤的照片；
[0036]圖7為本發明實施例2制備的石墨烯分散到氧化硅上的顯微鏡圖；
[0037]圖8為本發明實施例2制備的石墨烯的TEM圖；
[0038]圖9為本發明實施例3制備的石墨烯的純度表；
[0039]圖中標號:1a進料口 ；lb出料口 ；2物料倉；3轉子；4a粗料倉；4b細料倉；5濾網；6濾網刷；7抽泵；8成品收容器。
【具體實施方式】
[0040]實施例1
[0041]如圖1所示，本實施例噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置由三級剝離設備串聯構成；
[0042]剝離設備的結構為:在一物料倉2的上端設置有兩進料口 la，下端設置有出料口Ib,出料口 Ib下方連通與分料倉，在分料倉內設置有濾網5，濾網5將分料倉分隔為粗料倉4a和細料倉4b，物料倉2內物料由出料口 Ib進入分料倉后，經濾網5過濾，可通過濾網5的物料進入細料倉4b，未通過濾網5的物料進入粗料倉4a ;在物料倉2內設置有一轉子3 ；轉子3的下方與物料倉2的下方相配合，使轉子3轉動時，轉子3的外表面與物料倉2的內表面在相配合位置處形成相對摩擦；
[0043]各級剝離設備的粗料倉4a通過設置有抽泵7的管道連通與第一級剝離設備的另一進料口 Ia ;上一級剝離設備的細料倉通過設置有抽泵7的管道連通與下一級剝離設備的進料口 la，最后一級剝離設備的細料倉通過設置有抽泵7的管