CN104060240A - 一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，包括炉体，其特征在于，炉体的中部有传送带穿过，并且沿着传送带的方向在炉体内部先后设有加热装置和冷却装置，所述传送带架设在传送装置上，所述炉体的两侧的传送带进出的位置设有非接触密封装置，所述炉体上分别与真空泵组、排气装置和进气装置连接。本发明的生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，可在大气条件下，通过进样辊轴、传送带和收样辊轴实现衬底的连续化卷对卷运转，通过挡板控制反应区的气氛，利用两端非接触式密封装置阻止空气进入，无需真空装置，设备简单，成本低，可实现二维材料的连续化生产，提高生产产量。

Description

一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置

技术领域

本发明涉及一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，具体地体现为一种水平式的可进行连续化的快速高效地制备二维纳米材料的卷对卷的生产设备。

背景技术

以石墨烯为代表的二维纳米材料具有优异的光电热学性能，但是如何批量化生产一直是制约其产业化的重要因素。日本索尼公司在2013年初发表了卷对卷生长和转移石墨烯的方法（Production of a 100-m-long high-quality graphene transparent conductive film by roll-to-roll chemical vapor deposition and transfer process），给石墨烯连续化生产带来巨大革新，但由于真空高温，对设备的要求较高，且设备昂贵，真正做到卷对卷的少之又少，这是二维纳米材料产业化难以推进的瓶颈之一。重庆绿色智能技术研究院也申请了《卷对卷石墨烯设备》的专利，但其铜箔由上至下，在上端加热，铜箔在高温下硬度急剧下降，此种加热方式受微小拉应力铜箔则易于出现断裂，难以连续化生长石墨烯。本发明制备二维纳米材料，通过非接触式气封密闭装置，在加热区域制备二维纳米材料，无需整套设备均耐高温真空，减少设备成本；本发明使用水平式卷对卷生长，利用传送带托住制备二维纳米材料所需的衬底，使衬底向前传输只依靠输出辊、收起辊和传送带三者的协调作用，真正避免衬底受拉应力，实现连续化的卷对卷，提高生产效率。所述的二维材料包括石墨烯、氮化硼、碳纳米管、纳米银、类金刚石、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、碲化钼、碲化铊及其他锗烯类材料。

发明内容

为解决现有技术中昂贵的真空高温设备及衬底高温时受拉伸应力易断裂等问题，本发明提供一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，通过水平式的卷对卷，利用履带托住制备二维材料的衬底，解决了高温状态下生长衬底易拉伸断裂的问题，通过卷对卷的设计可进行连续化、大面积、自动化可控地制备二维纳米材料，且不需要昂贵的设备资金投入，经济高效，真正实现产业化，并且可在大气条件下制备石墨烯，避免了高温真空设备，设备成本低。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，包括炉体，炉体的中部有传送带穿过，并且沿着传送带的方向在炉体内部先后设有加热装置和冷却装置，所述传送带架设在传送装置上，所述炉体的两侧的传送带进出的位置设有非接触密封装置，所述炉体上分别与真空泵组、排气装置和进气装置连接。

优选的，可将所述炉体、所述传送带、所述传送装置、所述加热装置、所述冷却装置设置在真空室中。

所述非接触密封装置，包括4-6个膨胀室，膨胀室之间以波纹型挡板相隔，每个膨胀室均设有惰性气体喷出口。

所述加热装置设置在炉体的加热区，从中间的高温区向两端逐级延伸不同的腔室，腔室之间以挡板相隔

所述冷却装置位于炉体中的冷却区，采用水冷或风冷中的一种或两种的组合，其水冷装置位于传送带上下履带的中间，而风冷位于传送带的上部，向下送风。

在加热区传送带的下面设置反应性气体导入口，在传送带上面设置气体排出口；或者在在加热区传送带的上面设置反应性气体导入口，在传送带下面设置气体排出口；或者在加热区一侧设置气体导入口，在加热区另一侧设置设置气体排出口；所述反应性气体导入口与所述进气装置连接，所述气体排出口与所述排气装置连接。

所述传送装置包括位于炉体入口一侧的进样辊轴和位于炉体出口一侧的收样辊轴。

在所述收样辊轴与炉体出口之间的传送带上，加设一对压膜辊轴，所述压膜辊轴的保护膜来自于保护膜输料辊轴，并且在压膜辊轴上设有压力传感装置和温度传感系统。

所述的炉体加热区的挡板垂直于水平传送带，并距离传送带1-5cm，以保证反应气氛相对稳定，挡板形状为波纹形，以抵消因膨胀产生的各种应力引起的炉腔的变形挡板材料为隔热型材料，阻止热量传输；

气体导入口处的平板上开通了均匀的小圆孔，使气体均匀地经过加热器再流经反应区，最后从上端的气体排出口排出，气体排出口设以狭长的导管，供气体缓慢导出，与大气相通的阀门为单向阀，只能从排气口向大气排气；

所述传送带为类似碳纤维布的耐高温材料；辊轴为表面光滑的石英辊轴、金属辊轴或胶辊中的任一种，其中加热区的辊轴为石英辊，其他区域的辊轴优选胶辊；

所述的保护膜为热释放胶带或PET保护膜；

所述进样辊轴、传送带、保护膜输料辊轴、压膜辊轴和收样辊轴设置相同的线速度，确保生长衬底可有条不紊地实现连续化；

在加热装置和两端非接触式密封装置分别配有压力计，用于监控压力，确保反应时，两端的压力略高于1个大气压，加热区的气压略低于一个大气压；

在加热区、冷却区、两端非接触式密封装置处分别设有氧含量检测仪，要求氧气含量低于25ppm。

本发明的有益效果是：

本发明的生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，可在大气条件下，通过进样辊轴、传送带和收样辊轴实现衬底的连续化卷对卷运转，通过挡板控制反应区的气氛，利用两端非接触式密封装置阻止空气进入，无需真空装置，设备简单，成本低，可实现二维材料的连续化生产，提高生产产量；

本发明采用两端气压高，中间气压低，利用惰性气体气封两端，隔绝大气，可使整个二维材料的制备置于大气压力中，避免了昂贵的真空高温设备；

加热区和两端非接触式密闭装置分别设置垂直于碳纤维履带的挡板，保证反应体系的气氛相对均一性和稳定性；

本装置通过水平的碳纤维履带托住衬底向前运动，避免衬底在高温时受拉应力作用，真正防止衬底出现断裂；

收样辊轴前端设置的保护膜压制制备好的二维材料，保护材料表面受伤的同时，实现成卷材料的存储和运输的同时，方便后端处理以进一步应用。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置的结构示意图。

图2是本发明所述处于全真空状态下水平式卷对卷装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明大气条件下用于生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置实施例的结构示意图。本实施例的用于二维纳米材料制备的卷对卷装置，包括炉体1，炉体内部设有加热区和冷却区，分别用于制备二维纳米材料加热装置2和冷却装置3，在加热装置处设有进气装置4和排气装置5，炉体的两端设有抑制空气进入炉体的非接触式密封装置6，在炉体横向中间区域设有用于传送二维材料衬底的传送装置，包括进样端的进样辊轴7、炉体中间生长二维材料的传送带8和生长完用于收卷二维材料的收样辊轴9，在收样辊轴的前端还设有用于保护制备好的样品的保护膜送样辊轴10和压膜辊轴11。

炉体内部的加热装置2分别位于中间传送带8的上下两侧，从中间的高温区向两端逐级延伸不同的腔室，分为3-4个加热区域，腔室之间以波纹形挡板12相隔，波纹形档板12垂直于传送带8，并距有1-2mm的距离，加热区中间设有热电偶，用于监控加热温度，加热方式为红外加热法、微波加热法、电磁感应加热法、加热丝热辐射法中的一种或两种的组合，优选加热丝热辐射法，加热丝为独立的加热区域，中间设有缝隙，以方便气体流进流出，加热区还设有保温层、隔热层和外层保护壳，以防止热量流失过快。

在加热装置区域分别设有进气装置4和排气装置5，进气装置4位于加热区域底部，使气体流经加热元件加热至所需温度后在传送带上的制备衬底上发生反应，生成二维纳米材料，反应完的废气经排气装置5排走，排气装置设置在加热区域的顶部，使气体从下而上经过。

沿二维材料制备的运动方向，在加热装置后端紧接着是冷却装置3，冷却方式为水冷或风冷中的一种或两种的组合，其水冷装置位于传送带8的下部，并紧贴传送带，使制备的样品及传送带8上的热量迅速经水冷装置带走，而风冷位于传送带的顶部，向下送风，优选水冷装置。

炉体的两端设有抑制空气进入炉体的非接触式密封装置6，包括4-6个膨胀室，膨胀室之间以波纹型挡板12相隔，每个膨胀室均设有惰性气体喷出口13，气封两端出口。

在炉体横向中间区域设有用于传送二维材料衬底的传送装置中进样辊轴7、收样辊轴9、保护膜辊轴10和压膜辊轴分别为表面光滑的胶辊，而炉体1处传送带8辊轴采用外表面光滑的石英辊轴，耐高温。

进一步地，炉体1配有真空泵组14，用于生产前排去炉中空气，在加热区2、冷却区3、两端非接触式密封装置4处分别设有氧含量检测仪15，要求氧气含量低于25ppm。

进一步地，排气装置5连接口设以狭长的管，管后端连接一定容积的排气罐，排气罐的后端连接着通向大气的单向阀，使气体只能由排气罐向室外排出，而室外大气无法进入排气罐。

进一步地，非接触式密封装置6中惰性气体的喷出速度在0.2-1.0m/s之间，一方面防止炉体外的空气进入炉体，另一方面抑制炉内气氛逸至炉外，气体的喷出速度过小，气密效果差，炉内氧含量增大，气体的喷出速度过大，气体耗费增加，气封效果没有显著提高，优选气体喷出速度为0.5m/s。

进一步地，所述的传送带8采用碳纤维布，布的厚度为1-2mm，碳纤维履带托住衬底向前运动，避免衬底在高温时受拉应力作用，真正防止衬底出现断裂；所述的保护膜10为为热释放胶带或PET保护膜，压覆在制备好的二维材料上，保护材料免受刮伤或灰尘；所述的压膜辊轴11为一对胶辊，设有压力传感系统和温度传感系统。

进一步，所述的样品衬底可为卷材、半连续式片材，优选卷材。

进一步地，所述进样辊轴、传送带、保护膜输料辊轴、压膜辊轴和收样辊轴设置相同的线速度，确保生长衬底可有条不紊地实现连续化。

进一步地，在加热装置和两端非接触式密封装置分别配有压力计16，用于监控压力，确保反应时，两端的压力略高于1个大气压，加热区的气压略低于一个大气压。

下面对采用本实施例大气条件下用于生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置制备卷对卷石墨烯的方法进行说明，包括如下步骤：

1采用铜箔作为反应衬底，将卷材铜箔放入进样辊轴7，并将铜箔拉至碳纤维传送带8，再和保护膜热释放胶带10经压辊11压制后在收样辊轴9处收绕成卷。

2利用泵组将炉体1抽真空至10Pa以下，再充入Ar气至大气压再抽至10Pa以下，如此反复3次至氧含量低于25ppm，通入Ar、CH4和H2，三者的比例为500:50:200，生长气压为10000-100000Pa之间，打开排气装置关闭泵。

3启动加热装置至加热温度为950-1050℃。

4启动辊轴传送装置，使所有辊轴均以10-15m/h的线速度运动，加热恒温区为4-6m，即生长时间为16-36min。

5通冷却水，使铜箔在冷却区迅速冷却，在与热释放胶带压制前温度不高于80℃

6待铜箔卷材反应完成后停止辊轴运动，并充Ar气至大气压，即可从收样端取下长好石墨烯的Cu卷材。

如此重复，即可不断批量生产。

当然如在真空环境下，本装置将简易化，下面对采用本实施例真空条件下用于生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置制备卷对卷石墨烯的方法进行说明，见图2，（图中显示为真空室17）

包括如下步骤：

1采用铜箔作为反应衬底，将卷材铜箔放入送样辊轴，并将铜箔拉至碳纤维传送带，再和保护膜热释放胶带经压辊压制后在收样辊轴处收绕成卷。

2利用泵组将真空室抽真空至0.1Pa以下，再充入Ar气至大气压再抽至0.1Pa以下，如此反复3次至氧含量低于25ppm，通入Ar、CH4和H2，三者的比例为500:50:200，生长气压为10000-100000Pa之间，打开旁路关闭泵

3启动加热装置至加热温度为950-1050℃

4启动辊轴运动体系，使辊轴以10-15m/h的线速度运动，加热恒温区为4-6m，即生长时间为16-36min

5通冷却水，使铜箔在冷却区迅速冷却，在与热释放胶带压制前温度不高于80℃

6从观察窗观察，铜箔卷材反应完成后停止辊轴运动，启动泵组，抽真空至0.1Pa以下后，关闭泵组，充Ar气至大气压，即可从收样端取下长好石墨烯的Cu卷材

如此重复，即可不断批量生产。

Claims (10)

1.一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，包括炉体，其特征在于，炉体的中部有传送带穿过，并且沿着传送带的方向在炉体内部先后设有加热装置和冷却装置，所述传送带架设在传送装置上，所述炉体的两侧的传送带进出的位置设有非接触密封装置，所述炉体上分别与真空泵组、排气装置和进气装置连接。

2.如权利要求1所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，可将所述炉体、所述传送带、所述传送装置、所述加热装置、所述冷却装置设置在真空室中。

3.如权利要求1或2所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，所述非接触密封装置，包括4-6个膨胀室，膨胀室之间以波纹型挡板相隔，每个膨胀室均设有惰性气体喷出口。

4.如权利要求1或2所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，所述加热装置设置在炉体的加热区，从中间的高温区向两端逐级延伸不同的腔室，腔室之间以挡板相隔。

5.如权利要求1或2所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，所述冷却装置位于炉体中的冷却区，采用水冷或风冷中的一种或两种的组合，其水冷装置位于传送带上下履带的中间，而风冷位于传送带的上部，向下送风。

6.如权利要求1或2所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，在加热区传送带的下面设置反应性气体导入口，在传送带上面设置气体排出口；或者在在加热区传送带的上面设置反应性气体导入口，在传送带下面设置气体排出口；或者在加热区一侧设置气体导入口，在加热区另一侧设置设置气体排出口；所述反应性气体导入口与所述进气装置连接，所述气体排出口与所述排气装置连接。

7.如权利要求1所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，所述传送装置包括位于炉体入口一侧的进样辊轴和位于炉体出口一侧的收样辊轴。

8.如权利要求1所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，在所述收样辊轴与炉体出口之间的传送带上，加设一对压膜辊轴，所述压膜辊轴的保护膜来自于保护膜输料辊轴，并且在压膜辊轴上设有压力传感装置和温度传感系统。

9.如权利要求1所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，气体导入口处的平板上开通了均匀的小圆孔，使气体均匀地经过加热器再流经反应区，最后从上端的气体排出口排出，气体排出口设以狭长的导管，供气体缓慢导出，与大气相通的阀门为单向阀，只能从排气口向大气排气。

10.如权利要求1所述的一种生产二维纳米材料的水平式卷对卷装置，其特征在于，所述进样辊轴、传送带、保护膜输料辊轴、压膜辊轴和收样辊轴设置相同的线速度。