一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于新材料領域，具體涉及一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯最早是由英國曼切斯特大學科學家從石墨中剝離出來，并發現這種由碳原子構成的單層片狀結構，且只有一個碳原子厚度的二維材料是已知的材料中最薄、最堅硬的納米材料，而且在很多方面都具有異常獨特的物理性質:只吸收2.3%的光，透光率達97.7% ;導熱系數高于碳納米管和金剛石達到5 300ff/m.K ;常溫下其電子迀移率高于納米碳管和硅晶體超過15 000cm2/V.s ;而電阻率比銅或銀更低，是目前已知電阻率最小的材料，只有約106Ω - cm,;以及已知材料中最薄且最堅硬的材料。這些獨特的物理性質讓科學家們堅信石墨烯是革命性的新材料，將是開辟下一個工業時代的基礎材料。
[0003]中國專利公開號為CN104876217A公開了一種石墨烯的制備方法，該發明以無機鹽作為反應介質，在高溫惰性氣氛中，通過調控加熱速率、保溫時間和原料配比等，利用含碳有機物直接轉化非氣相生長可控合成得到大面積高質量石墨烯材料。該發明制備的石墨烯厚度為0.7?2nm，面積為數個微米，層數為1?8層，具備石墨烯材料所具有的各種特性，可用作鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池等電極材料和催化劑載體等。但是該發明的制備方法產量小，難以實現石墨烯的量產化。
[0004]中國專利公開號為CN104445177A公開了一種石墨烯的制備方法及石墨烯，該發明包括以下步驟:A)將金屬催化劑與碳源混合，進行吸附，得到吸附有金屬催化劑的碳源，所述碳源包括離子交換樹脂、碳材料、生物質材料和凝膠類材料中的一種或幾種；B)將還原劑與所述步驟A)中的吸附有金屬催化劑的碳源進行加熱，得到石墨烯。該發明提供的制備方法沒有采用強酸或氧化劑等對環境污染嚴重的原料，而是由一步式原位催化碳化碳源得到；但是該發明制備的石墨烯產量小，產率低。
[0005]中國專利公開號為CN103569999A公開了一種石墨烯的制備方法，該發明包括以下步驟:將糖類物質與氧化石墨按質量比0.01?0.2:1混合，加入去離子水，超聲30?60分鐘，得到糖類物質與氧化石墨烯的混合溶液；將混合溶液過濾，得到的濾渣在60~80°C下干燥12~24小時后，置于反應爐內；加熱反應爐至300?600°C，保溫10?30分鐘進行反應，待反應結束后，冷卻至室溫，打開反應爐，收集固體產物，該固體產物即為石墨烯。該發明制得的石墨烯具有多孔結構，晶體結構完整，性能良好；但是該發明制備方法制備的石墨烯尺寸不均，應用范圍受限。
[0006]由于目前的石墨烯制備方法存在制備工藝復雜、生產安全性差、生產成本高、反應條件苛刻、產量和質量低等問題，難以實現量化生產，這些問題成為了石墨烯材料的應用和發展的瓶頸。因此，發明一種制備工藝簡單，生產安全環保，生產成本低，產量高，可連續化生產的石墨烯制備方法，對推動石墨烯材料的應用，促進石墨烯產業的發展具有重要意義。
【發明內容】
[0007]本發明目的:為了豐富石墨烯的制備方法，本發明提供一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法，其制備工藝簡單，生產安全環保，石墨烯產量高，尺寸均勻，并且可連續化生產，為石墨烯的制備方法提供更多的選擇。
[0008]本發明采用的技術方案:為了解決現有石墨烯制備方法中制備工藝復雜、生產安全性差、生產成本高、反應所需設備復雜、反應條件苛刻、石墨烯產量低等問題，提供了一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法，包括以下步驟:
(1)將淀粉和硫酸鐵在操作溫度為10°c-30°c，經攪拌混合均勻，得到預混物，攪拌器轉速為 400rpm-1000rpm，攬摔時間 20min_60min ；
(2)將步驟(1)得到的預混物加入螺桿機中，螺桿機由進料端向出料端依次設置分散段、剪切段、碳化段、剝離段，螺桿以200-1000rpm的轉速旋轉時，在分散段，預混物沿螺桿旋轉方向均勻分散開，并逐漸向前輸送；
(3)將步驟(2)的物料連續通過剪切段，物料經擠壓剪切形成尺寸均勻的石墨烯前驅體，同時加熱預處理；
(4)將步驟(3)得到的石墨烯前驅體連續通過碳化段，在溫度為15°C-25°C下碳化還原，得到石墨稀初級產物；
(5)將步驟(4)得到的石墨烯初級產物連續通過剝離段，利用剝離段螺紋元件邊界轉動方向相反產生的剪切應力，在這一剝離過程中，使石墨烯初級產物剝離形成單層或多層大尺寸面積的石墨烯。
[0009]進一步地，所述步驟(1)中所述淀粉和硫酸鐵的質量配比介于100:0.5和100:2.0之間。
[0010]進一步地，步驟(2)所述的分散段由兩組64/64輸送螺紋元件、兩組齒形盤、四組斜角為45°的嚙合螺紋元件、四組反向64/64輸送螺紋元件組成；
進一步地，步驟(3)所述的剪切段由四組斜角為30°的嚙合螺紋元件、四組斜角為45°的嚙合螺紋元件、四組反向45°的嚙合螺紋元件組成；
進一步地，步驟(4)所述的碳化段由四組斜角為30°的嚙合螺紋元件、四組斜角為60°的嚙合螺紋元件、四組反向30°的嚙合螺紋元件組成；
進一步地，步驟(5)所述的剝離段由四組斜角為30°的嚙合螺紋元件、四組反向45°的嚙合螺紋元件組、四組90°的直角嚙合螺紋元件、四組反向45°的嚙合螺紋元件組成。
[0011]進一步地，所述分散段設置溫度為10°C -100°C，剪切段設置溫度為100°C -200°c,碳化段設置溫度為300°c -600°C，玻璃段設置溫度為100°C _200°C。
[0012]現有的制備生物質石墨烯的方法，都是通過高溫碳化制備生物質石墨烯，而這種制備方法得到的石墨烯尺寸不均，產量小，制備工藝難以工業化。鑒于此，本發明提供一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法，利用連續旋轉的同向嚙合螺桿機，將物料沿螺桿旋轉方向均勻分散開，通過嚙合螺紋元件定向的方向擠壓剪切，這種剝離是同向嚙合的雙螺桿機、三螺桿機、四螺桿機，甚至更多螺桿的同向嚙合雙螺桿機在螺桿同向旋轉過程中螺桿嚙合螺紋元件間界面高剪切應力，從而形成了石墨烯前驅體，然后連續通過碳化段還原處理，石墨烯初級產物，再經由剝離段剝離，形成單層或多層尺寸均勻的石墨烯。這種通過螺桿機制備生物質石墨烯，在連續螺桿中可以實現物料的連續分散、剪切、碳化和剝離，精簡了制備工藝，而且可以連續穩定制備石墨烯，進一步推動了石墨烯的量產化生產。
[0013]本發明突出特點和有益效果在于:
(1)本發明的一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法采用螺桿機連續穩定制備石墨烯，降低了生產成本，提高了石墨烯的產量；
(2)本發明的一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法以淀粉為原料，降低了生產成本；
(3)本發明的一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法生產工藝簡單，成本低廉，安全環保，具有較高的市場應用前景。
【具體實施方式】
[0014]下面根據具體實施例對本發明作更進一步的說明，以下所述僅是本發明的優選實施方式，在相同原理下，可以做出部分改進，這些改進也屬于本發明的保護范圍內:
實施例1:
一種利用螺桿機制備生物質石墨烯材料的方法:
(1)將質量配比為100:0.5的淀粉和硫酸鐵在操作溫度為10°C，經攪拌混合均勻，得到預混物，攪拌器轉速為400rpm，攪拌時間20min ；
(2)將步驟(1)得到的預混物加入螺桿機中，螺桿機由進料端向出料端依次設置分散段、剪切段、碳化段、剝離段，螺桿以200rpm的轉速旋轉時，在分散段，預混物沿螺桿旋轉