CN103180244A - 石墨烯通过多层共挤出的剥离 - Google Patents

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Abstract

一般地公开了使用多层共挤出的石墨烯由石墨的剥离。在一些实例实施方案中，可以将石墨分散在第一加工材料内，并且可以将所述第一加工材料和第二加工材料通过多个串联的层倍增模具共挤出以从所述石墨剥离石墨烯。可以将石墨烯从所得到的多层材料分离。在一些实例实施方案中，可以将石墨薄片和/或膨胀石墨分散在所述第一加工材料内。

Description

石墨烯通过多层共挤出的剥离
背景
本公开一般地涉及石墨烯由石墨的制备，并且更具体地，涉及使用多层共挤出的石墨烯由石墨的剥离。
概述
一般地公开了使用多层共挤出的石墨烯由石墨的剥离。在一些实例实施方案中，可以将石墨分散在第一加工材料内，并且可以将所述第一加工材料和第二加工材料通过多个串联的层倍增模具共挤出以从所述石墨剥离石墨烯。可以将所述的石墨烯从所得到的多层材料分离。在一些实例实施方案中，可以将石墨薄片和/或膨胀石墨分散在所述第一加工材料内。
一般地描述了用于由石墨制备石墨烯的设备。一些实例设备可以包括多层共挤出装置，所述多层共挤出装置包括多个串联的层倍增模具。一些实例多层共挤出设备可以构造为通过以下方式剥离石墨烯：将第一加工材料和第二加工材料通过多个串联的层倍增模具共挤出，以制备包含所述第一加工材料和所述第二加工材料的多个交替层的所得到的材料，其中所述第一加工材料可以包含分散在第一基质中的第一石墨材料，所述第二加工材料可以包含第二基质材料。
一般地描述了由石墨制备石墨烯的方法。一些实例方法可以包括将第一石墨材料分散在第一基质材料中以形成第一加工材料。一些实例方法可以还包括通过以下方式从所述第一石墨材料剥离石墨烯：将所述第一加工材料和第二加工材料通过一个或多个层倍增模具共挤出，以产生包含插在所述第二加工材料的单独层之间的所述第一加工材料的单独层的所得到的材料，所述第二加工材料包含第二基质材料。一些实例方法可以还包括将所述石墨烯从所述第一基质材料和所述第二基质材料分离。
一般地公开了层离多片物质的方法。一些实例方法可以包括将包括多个层叠片的多片物质与第一基质材料混合以形成第一加工材料。一些实例方法可以还包括通过对所述第一加工材料施加剪切应力而将一个或多个片从所述多片物质层离。一些实例方法可以还包括将所述一个或多个层离的片与所述第一基质材料分离。
以上概述仅为了举例说明并且不意图以任何方式限制。除了上面描述的示例性方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下的详述，其他方面、实施方案和特征将是显见的。
附图简述
由以下的描述和后附权利要求书，并结合附图，本公开的以上和其他特征将变得更加充分明显。应明白这些附图仅描绘根据本公开的数个实施方案，并且因此不应被认为是其范围的限制，本公开将通过使用附图而得以更加具体且详细地描述。
在附图中：
图1是示例用于制备石墨烯的一个实例装置的框图；
图2是示例用于制备石墨烯的一个实例装置的框图；
图3是示例由石墨制备石墨烯的一个方法的流程图；以及
图4是示例层离多片物质的一个实例方法的流程图；其全部根据本公开内容的至少一些实例。
详述
在以下详述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，相似的符号典型地表示相似的组件。详述、附图和权利要求中描述的示例实施方案不意味着限定。可以采用其他实施方案，并且可以进行其他变化，而不脱离这里给出的主题的精神或范围。将容易地明白的是，可以将如本文一般性描述的，以及附图中示例的本公开的各方面排列、代替、组合和设计在宽范围的多种不同的构造中，其全部被明确地预期，并构成本公开的一部分。
本公开尤其涉及由石墨剥离石墨烯。例如，可以使用由两种加工材料(其中至少一种可以含有分散在其中的石墨)的多层共挤出产生的剪切应力从石墨剥离石墨烯。
本公开是这样设想的，可以将石墨描述为多层结构，其中可以将单独的层称为石墨烯。石墨烯可以描述为密堆积为二维蜂巢晶格的碳原子的平面单层。石墨烯可以被认为是用于其他石墨材料的基本构建单元。
本公开是这样设想的，石墨烯的单层是使用所谓的剥离方法在2004年首次分离的，所述方法使用赛璐玢胶带以从石墨薄片相继地移除层。虽然带上存在的薄片可以比单层厚的多，但当将胶带从石墨薄片提离时单个片可以层离。该剥离方法可能需要极大的耐心，并且定位单层可能是困难的。
根据本公开的实例方法可以采用由加工材料(例如，一种或多种有机聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚环氧乙烷、聚苯乙烯，或者其他类似的聚合物和/或一种或多种蜡如聚乙烯蜡，和/或类似的物质)的多层共挤出产生的剪切力以从石墨剥离石墨烯。一些实例方法可以允许通过这种多层共挤出基本上连续制备石墨烯。
图1是示例根据本文描述的至少一些实例的用于制备石墨烯的实例装置的框图。挤出机112、114可以构造为将第一加工材料106和第二加工材料108分别提供至进料区113。进料区113可以构造为将第一加工材料106和第二加工材料108提供至多个串联的层倍增模具116、118、120、122。在本公开的教导下，应明白可以容易地采用多种热控制器、加热装置和/或甚至冷却装置用于作为精确温度控制的合适工具使用。
由石墨制备石墨烯的实例方法可以包括将第一石墨材料102分散在第一基质材料104中以形成第一加工材料106。可以将第一加工材料106和第二加工材料108(其可以包括第二基质材料110)共挤出，如使用挤出机112、114和/或进料区113，通过串联的层倍增模具116、118、120、122共挤出，以产生包含第一加工材料106和第二加工材料108的多个交替层的所得到的材料124。
在通过层倍增模具116、118、120、122的共挤出过程中第一加工材料106和/或第二加工材料108所经历的剪切应力可以将至少一些石墨烯126从第一石墨材料102剥离；因此，所得到的材料124可以包含石墨烯126。可以将石墨烯126从所得到的材料124分离，如通过将第一基质材料104和/或第二基质材料110至少部分地溶解在溶剂128(例如，水和/或有机溶剂)中。在一些实例实施方案中，第二加工材料108可以包含第二石墨材料130，其可以分散在第二基质材料110中。
本公开是这样设想的，可以使用层倍增模具制造具有从数十层至数千个层范围内的层的数目的共挤出多层体。
图2是示例根据本文描述的至少一些实例的用于制备石墨烯的实例装置的框图。进料区113可以构造为将第一加工材料106和第二加工材料108提供至多个串联的层倍增模具116、118、120，以制备包含第一加工材料106和第二加工材料108的多个交替层的所得到的材料124。在一些实例实施方案中，可以将所得到的材料124至少部分地浸渍在溶剂浴128A中和/或可以使其经受溶剂喷射128B以分离石墨烯。在一些实例实施方案中，可以采用所得到的材料124在不分离石墨烯的情况下用于进一步应用。例如，可以采用所得到的材料124(包含石墨烯)作为可以释放至所选的基体中的浓缩物。
如图1和2中所示，可以将第一加工材料106(其可以包含第一石墨材料102和/或第一基质材料104)和/或第二加工材料108(其可以包含第二基质材料110和/或第二石墨材料130)一起放入进料区113中以形成两层(N＝2)材料。可以迫使该两层材料通过层倍增模具116，层倍增模具116可以将该两层材料分开为两个部分(各自包括来自材料102和材料110的两个层)，并且可以将单独的部分与其他单独的部分一起压缩、旋转、拉伸和/或层叠。层倍增模具116可以输出四层(N＝4)材料。层倍增模具118、120，可以类似地分别增加层的数目至八(N＝8)和十六(N＝i6)。在一些实例中，可以采用第四层倍增模具(例如，图1中所示的层倍增模具122)以产生具有三十二个(32)层的材料。其中单独层倍增模具116、118、120、122构造为将层的数目加倍，所得到的材料124的层的数目N可以由N＝2n+1给出，其中n可以为模具的数目。
在一些实例实施方案中，一个或多个层倍增模具116、118、120、122可以基本上彼此相同。在一些其他的实例实施方案中，一个或多个层倍增模具116、118、120、122可以彼此不同。
在一些实例实施方案中，在通过四个层倍增模具116、118、120、122挤出之后，所得到的材料的单独层可以为约二十(20)μm厚。同样地，对于十一个(11)串联的层倍增模具，所得到的材料可以包括约四千零九十六个(4096)层，其中所得到的材料的每个单独层可以为约一百五十六(156)nm厚。进一步增加串联连接层倍增模具的数目(例如，约18个串联的层倍增模具可以产生约524,288个层)可以产生具有在大约埃的数量级的单独层厚度的所得到的材料。
本公开是这样设想的，进料区113可以构造为产生其他数目的层(例如，四层)和/或层倍增模具116、118、120、122可以构造为例如将层的数目变为三倍或四倍。
在一些实例实施方案中，第一石墨材料102和/或第二石墨材料130可以包括石墨薄片和/或膨胀石墨。回到图1，在一些实例实施方案中，第一加工材料106可以通过将第一石墨材料102(例如，粉末)与第一基质材料104(例如，粉末)共混和/或将共混物进料至挤出机112(其可以是单和/或双挤出机)中而形成。第二加工材料108可以以类似的方式使用挤出机114形成。
在一些实例实施方案中，第一加工材料106可以通过将第一基质材料104与第一石墨材料102混合在一起而制备。例如，可以将粉状的第一基质材料104和粉状的第一石墨材料102合并并搅拌，其可以将第一石墨材料102分散在第一基质材料104中。在一些实例实施方案中，可以将第一加工材料106在提供至挤出机112之前挤出和/或造粒。在一些实例实施方案中，可以将第一基质材料104和第一石墨材料102在混合过程中和/或在挤出过程中加热(例如，通过加热元件和/或归因于挤出机中的摩擦)，这可以至少部分地熔化第一基质材料104。类似地，在一些实例实施方案中，第二加工材料108可以通过将第二基质材料110和第二石墨材料130混合在一起而制备。在一些实例实施方案中，可以将第二加工材料108在进料至挤出机114之前挤出和/或造粒。在一些实例实施方案中，可以将第二基质材料110和第二石墨材料130在混合过程中和/或在挤出过程中加热(例如，通过加热元件和/或归因于挤出机中的摩擦)，这可以至少部分地熔化第二基质材料110。
在一些实例实施方案中，第一基质材料104和/或第二基质材料110可以具有基本上相同的组成和/或基本上相似的性质。例如，在一些实例实施方案中，第一基质材料和/或第二基质材料可以都是在相同的溶剂中至少部分可溶的。在一些实例实施方案中，第一基质材料104和/或第二基质材料110可以包括非极性(疏水)材料。例如，这种非极性材料可以包括石蜡材料，其添加或不添加可以改善加工的高分子量聚烯烃。这种材料可以用于冷挤出(例如，约25至约40℃)。在一些实例实施方案中，第一基质材料104和/或第二基质材料110可以包括极性(亲水)材料。例如，这种亲水材料可以包括聚环氧乙烷(PEO)，其可以用于低温挤出(例如，约40至约60℃)。
在一些实例实施方案中，第一基质材料104和/或第二基质材料110可以具有基本上不同的组成和/或性质。例如，在一些实例实施方案中，第一基质材料可以包含一种或多种疏水聚合物和/或第二基质材料可以包含一种或多种亲水聚合物。例如，第一基质材料104和/或第二基质材料110中的一个可以包含疏水材料(例如，聚乙烯/石蜡共混物、聚苯乙烯、聚(4-甲基戊烯)(P4MP)。第一基质材料104和/或第二基质材料110中的另一个可以包含亲水材料(例如，聚环氧乙烷)、聚乙酸乙烯酯、苯乙烯丙烯腈(SAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚乳酸，和/或这些和/或其他聚合物的共混物)。
在一些实例实施方案中，第一加工材料106和/或第二加工材料108(其可以分别包含第一基质材料104和/或第二基质材料110)中的一个或两个可以包含石墨烯。更详细地，在一些实例实施方案中包括具有基本上相同的组成和/或基本上相同的性质的第一基质材料104和第二基质材料110，第一加工材料106和/或第二加工材料108中的一个或两个可以包含石墨烯。类似地，在一些实例实施方案中包括具有基本上不同的组成和/或性质的第一基质材料104和第二基质材料110，第一加工材料106和/或第二加工材料108中的一个或两个可以包含石墨烯。
在一些实例实施方案中，挤出操作可以在低温进行(例如并且非限制性地，上面所述的冷挤出和低温挤出)，其可以有助于增加一种或多种加工材料中的剪切应力，这可以增加石墨烯由石墨的剥离。在一些实例实施方案中，挤出操作可以在或接近于一种或多种基质和/或加工材料的最低可行挤出温度进行。
本公开是这样设想的，如本文所述制备的石墨烯可以用于聚合物复合材料领域，如其中经由高纵横比加强的更高强度可以是有益的。例如，石墨烯可以在聚氯乙烯基(PVC)侧线中使用，其可以增加侧线的热偏移温度以使得其可以更好地耐受热气候相关的变形。作为另一个实例，聚(乳酸)，非常有价值的生物聚合物，可以与石墨烯一起使用以提高其性能，尽管其有相对低的软化温度。作为另一个实例，石墨烯可以在汽车和/或其他运输相关的应用中使用，其中一些引擎盖下条件可以受益于高的机械强度和耐热性。作为另一个实例，当作为用于聚苯乙烯基复合材料的添加剂使用时，石墨烯的二维几何形状可以提供约0.1％的极低逾渗阈值，其可以提高它们的电导率和/或基体的强度。
作为另一个实例，石墨烯可以用于提供纺织应用的导电聚合物。例如，石墨烯可以提供长期耐久的抗静电性质。作为另一个实例，石墨烯可以在一些电子相关应用中使用。
本公开是这样设想的，本文描述的方法可以用于制备除石墨烯之外的物质。例如，本文描述的多层共挤出方法可以用于层离包括多个层叠片的多片物质。例如，本公开是这样设想的，可以使用本文描述的多层共挤出方法将云母层离为其构成片。
图3是示例根据本文描述的至少一些实例的由石墨制备石墨烯的实例方法400的流程图。方法400可以包括如由一个或多个框402、404和/或406示例的一个或多个操作、功能或动作。
用于方法400的加工可以开始于框402。框402可以包括将第一石墨材料分散在第一基质材料中以形成第一加工材料。在框402之后可以是框404。框404可以包括通过以下方式由第一石墨材料剥离石墨烯：将第一加工材料和第二加工材料通过一个或多个层倍增模具共挤出以产生包含夹在第二加工材料的单独层之间的第一加工材料的单独层的所得到的材料，所述第二加工材料包含第二基质材料。在一些实例方法中，在框404之后可以是框406。框406可以包括将石墨烯由第一基质材料和第二基质材料分离。
图4是示例根据本文描述的至少一些实例层离多片物质的实例方法500的流程图。方法500可以包括如通过一个或多个框502、504和/或506示例的一个或多个操作、功能或动作。
用于方法500的加工可以开始于框502。框502可以包括将包含多个层叠片的多片物质与第一基质材料混合以形成第一加工材料。在框502之后可以是框504。框504可以包括通过将剪切应力施加至第一加工材料而将一个或多个片从多片物质层离。在框504之后可以是框506。框506可以包括将一个或多个层离的片从第一基质材料分离。
本文所描述的主题有时描述不同组成部分，这些不同组成部分包含在不同的其他组成部分内或与不同的其他组成部分相连。应明白这样描述的体系结构仅是实例，并且实际上可以实施获得相同功能的很多其他体系结构。在概念意义上，获得相同的功能的组成部分的任何安排被有效地“结合”以使得获得所需功能。因此，在本文中结合以获得特定功能的任意两个组成部分可以被视为彼此“结合”以使得获得所需功能，而与体系结构或中间组成部分无关。同样，如此结合的任何两个组成部分也可以被视作彼此“可操作连接(operably connected)”，或“可操作地连接(operablycoupled)”，以获得所需的功能，并且能够如此结合的任意两个组成部分也可以被视为彼此“可以可操作连接”，以获得所需的功能。可以可操作连接的具体实例包括但是不限于物理匹配的和/或物理相互作用的组成部分和/或可无线相互作用和/或无线相互作用的组成部分和/或逻辑相互作用的和/或可逻辑相互作用的组成部件。
关于本文所公开的基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适合于上下文和/或应用由复数变换至单数和/或由单数变换至复数。为了清楚起见在本文可能清楚地给出多种单数/复数变换。
本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是所附权利要求中(例如，所附权利要求的主体)使用的术语，一般意欲作为“开放性”术语(例如，应该将术语“包括(including)”解释为“包括但不限于”，应该将术语“具有”解释为“至少具有”，应该将术语“包括(includes)”解释为“包括但不限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下，不存在这样的意图。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词例如“一个”或“一种”时，也不应将这种短语的使用解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将任何包含这样引入的权利要求列举项的特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的发明(例如，应将“一个”和/或“一种”典型地解释为意指“至少一个”或“一种或多种”)；这对于用以引入权利要求列举项的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员也将理解应将这种列举项典型地解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”典型地意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。此外，在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。本领域技术人员将进一步理解实际上任何表现两个或更多个可替换术语的分离性单词和/或短语，不论在说明书、权利要求书还是附图中，都应当被理解为意图包括术语的一个、术语的任何一个或全部两个术语的可能性。例如，应将短语“A或B”理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
虽然本文已经公开了多个方面和实施方案，其它方面和实施方案对于本领域技术人员将是明显的。本文公开的多个方面和实施方案用于说明的目的并且不意欲限制，并通过后附的权利要求表明真实的范围和精神。
权利要求为：

Claims (22)

1.一种用于由石墨制备石墨烯的设备，所述设备包括：
多层共挤出装置，所述多层共挤出装置包括多个串联的层倍增模具，所述多层共挤出设备构造为通过以下方式剥离石墨烯：将第一加工材料和第二加工材料通过所述多个串联的层倍增模具共挤出，以制备包含所述第一加工材料和所述第二加工材料的多个交替层的所得到的材料，所述第一加工材料包含分散在第一基质中的第一石墨材料，所述第二加工材料包含第二基质材料。
2.权利要求1所述的设备，其中所述多层共挤出装置构造用于共挤出所述第一加工材料和所述第二加工材料，所述第二加工材料包含分散在所述第二基质材料中的第二石墨材料。
3.权利要求1所述的设备，其中所述多层共挤出装置还包括：
第一挤出机，所述第一挤出机构造为将所述第一加工材料提供至进料区，所述进料区流体连接至所述多个串联的层倍增模具；和
第二挤出机，所述第二挤出机构造为将所述第二加工材料提供至所述进料区。
4.权利要求1所述的设备，其中所述多个串联的层倍增模具包括至少11个串联的层倍增模具。
5.权利要求4所述的设备，其中所述多个串联的层倍增模具包括至少18个串联的层倍增模具。
6.一种由石墨制备石墨烯的方法，包括：
将第一石墨材料分散在第一基质材料中以形成第一加工材料；以及
通过以下方式从所述第一石墨材料剥离石墨烯：将所述第一加工材料和第二加工材料通过一个或多个层倍增模具共挤出，以产生包含插在所述第二加工材料的单独层之间的所述第一加工材料的单独层的所得到的材料，所述第二加工材料包含第二基质材料。
7.权利要求6所述的方法，所述方法还包括：将所述石墨烯从所述第一基质材料和所述第二基质材料分离。
8.权利要求7所述的方法，分离所述石墨烯包括将所述第一基质材料和/或所述第二基质材料中的一种或多种溶解在溶剂中。
9.权利要求8所述的方法，其中所述溶剂包括水和/或有机溶剂中的一种或多种。
10.权利要求6所述的方法，其中所述第一基质材料和所述第二基质材料各自包含一种或多种疏水聚合物或者一种或多种亲水聚合物中的一种或多种。
11.权利要求6所述的方法，
其中所述第一基质材料和所述第二基质材料中的一个包含一种或多种疏水聚合物；并且
其中所述第一基质材料和所述第二基质材料中的另一个包含一种或多种亲水聚合物。
12.权利要求6所述的方法，其中所述一种或多种层倍增模具包括至少11个串联的模具。
13.权利要求12所述的方法，其中所得到的材料包含约4096个所述第一加工材料的单独层和所述第二加工材料的单独层。
14.权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个层倍增模具包括至少18个串联的模具。
15.权利要求14所述的方法，其中所得到的材料包含约524,288个所述第一加工材料的单独层和所述第二加工材料的单独层。
16.权利要求6所述的方法，其中所述第一石墨材料包括石墨薄片或膨胀石墨中的一种或多种。
17.权利要求6所述的方法，所述方法还包括：将第二石墨材料分散在所述第二基质材料中以形成所述第二加工材料。
18.权利要求6所述的方法，其中所述共挤出包括冷挤出或低温挤出中的一种或多种。
19.一种层离多片物质的方法，所述方法包括：
将包括多个层叠片的多片物质与第一基质材料混合以形成第一加工材料；
通过对所述第一加工材料施加剪切应力将一个或多个片从所述多片物质层离；以及
将所述一个或多个层离的片与所述第一基质材料分离。
20.权利要求19所述的方法，对所述第一加工材料施加剪切应力包括将所述第一加工材料和第二加工材料通过一个或多个串联的层倍增模具多层共挤出，所述层倍增模具安排为通过所述第一加工材料和所述第二加工材料从其共挤出而制备包括多个交替层的所得到的材料，所述多个交替层包括所述第一加工材料和所述第二加工材料。
21.权利要求19所述的方法，
其中所述多片物质包括第一石墨材料；
其中所述一个或多个层离的片包括石墨烯；并且
其中所述第一基质材料包括有机聚合物和/或蜡中的一种或多种。
22.权利要求21所述的方法，其中所述第一石墨材料包含石墨薄片或膨胀石墨中的一种或多种。
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