CN104445158A - 石墨烯剥离装置、石墨烯生产系统及生产石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯剥离装置；该剥离装置包括原料分散罐、高压喷射机构以及研磨机构；其中，高压喷射机构包括喷射枪和高压输送泵，研磨机构包括机壳、位于机壳内的铺展辊和研磨辊、以及机壳外用于驱动铺展辊和研磨辊做反向旋转的驱动机构，机壳的进料口和研磨辊沿铺展辊的旋转方向依次布置在铺展辊的上半部周围，且铺展辊为光滑表面，研磨辊表面分布有硬质毛刷或剪切刀片；喷射枪出口与机壳的进料口相连，且喷射枪沿铺展辊的切线方向延伸。本发明实现了石墨片的快速定向排列、并向石墨片施加平行于石墨片层方向的剪切作用，从而尽可能大地得到大面积无缺陷石墨烯。本发明还公开了石墨烯生产系统及用该生产系统生产石墨烯的方法。

Description

石墨烯剥离装置、石墨烯生产系统及生产石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯生产技术领域，具体涉及一种用于将石墨剥离为石墨烯的剥离装置及石墨烯生产系统，还涉及一种生产石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种片状二维材料，其中的碳原子以sp²杂化轨道组成六角蜂巢晶格结构。这种特殊的二维结构导致石墨烯呈现出各种特殊的性能，如高强度、高硬度、高导热性和导电性；由于这些结构特点和性能特点，石墨烯被誉为用来制造保护涂层、透明可弯折电子元件、超大容量电容器等的最有希望的潜在材料。需要补充的是，严格意义上说，石墨烯是一种单层的片状；不过由于单层石墨烯的制备难度，一般也把具有相近性能的寡层石墨烯也归类于石墨烯的范畴内。

目前，石墨烯制备的方法主要有：化学生长法和物理剥离法。相比于效率低、不适合于工业化批量生产的化学生长法，物理剥离法主要是采用低廉的石墨为原料，通过对石墨晶体施加机械力使石墨层间发生剥离，打破石墨层间的范德华力，形成单片石墨烯或寡层石墨烯，这种物理剥离方法更具有工业化前景和适合规模化生产。

为了使石墨层间发生剥离，物理剥离法中常用的剥离手段有常规球磨、搅拌球磨、研磨等。

其中，球磨是指在球磨机中借助磨球对石墨粉体研磨，这种方法克服了常规粉体研磨受压不均、局部施加压力大的缺点，但是在球磨过程中磨球会对粉体提供冲击和剪切两种类型的作用力，磨球不仅贴着球磨罐的内壁对石墨施加剪切作用，而且磨球会来回撞击球磨罐的内壁，对剥离的石墨烯产生巨大的冲击力；来自于磨球的这种冲击力也会使石墨烯产生结构缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸，使得制得的产品边缘多有“毛刺”，且晶体尺寸小。

搅拌球墨是一种搅拌与球墨相结合的机械磨方式，搅拌器在腔体内带动磨球碰撞摩擦，对粉体进行研磨；其磨球的冲击作用较球磨方式温和，但是由于磨球的存在，还是不免对剥离的石墨烯产生冲击力，使石墨烯产生结构缺陷，降低剥离后石墨烯的尺寸，使得制得的产品边缘产生“毛刺”，且降低晶体尺寸。

常规的研磨剥离方法主要是指将石墨在臼式研磨仪中研磨。相比于前两种物理剥离方法，研磨石墨时所需的溶剂添加量少，因此在效率上通过研磨得到石墨烯要优于球磨和搅拌球磨的石墨烯剥离方式。但其存在的缺点是：首先，由于剪切力来源于压力造成的摩擦力；杵体对石墨施加的压力会使石墨烯产生结构缺陷，甚至会使剥离后石墨烯粉碎，使得制得的产品边缘多有“毛刺”，且晶体尺寸小。其次，由于臼体和杵体的结构，通过杵体对石墨产生剪切，容易造成杵体对石墨施加压力不均，进而容易产生过磨，影响石墨烯的品质。再次，由于剪切力来源于压力造成的摩擦力，那么施加压力过大会导致电机难以带动杵体转动，限制了剪切力，降低剪切效率，针对剪切效率低的缺点，即使增加受压粉体量以期提高剪切效率，但最终结果却反而会导致部分粉体剪切力不足；压力过小的话，则摩擦力小，难以剪切剥离，剪切效果不好；因此设备的工艺参数难以调试到最佳工作状态，因此工业化上难以应用。

因此，有必要开发一种可工业化使用生产剥离石墨烯、得到大晶体尺寸、少边缘毛刺的石墨烯生产设备。

发明内容

针对现有的石墨烯机械剥离设备得到的石墨烯尺寸小、边缘多有“毛刺”、结构缺陷多、且方法难以工业化的缺点，本发明的目的在于设计一种适合工业化生产的、可以在不破坏石墨片层自然结构的基础上得到大面积无缺陷石墨烯的剥离装置。

本发明的另一个目的还在于，提供一种适合工业化生产高品质石墨烯的生产线。

本发明的又一个目的还在于，提供一种工业化生产石墨烯的方法。

为实现上述第一目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种石墨烯剥离装置，包括原料分散罐、高压喷射机构以及研磨机构；其中，原料分散罐为内设有搅拌器和带有投料口及送料口的罐体；高压喷射机构包括喷射枪和高压输送泵，原料分散罐的送料口经高压输送泵与喷射枪的进口相连；研磨机构包括机壳、位于机壳内的铺展辊和研磨辊、以及机壳外用于驱动铺展辊和研磨辊做反向旋转的驱动机构，机壳上部设有进料口、中下部设有出料口，机壳的进料口和研磨辊沿铺展辊的旋转方向依次布置在铺展辊的上半部周围，各铺展辊与研磨辊之间设有可供石墨烯穿过的间隙，且铺展辊为光滑表面，研磨辊表面分布有硬质毛刷或剪切刀片；喷射枪出口与机壳的进料口相连，且喷射枪沿铺展辊的切线方向延伸。

在现有的石墨烯机械剥离装置中，石墨烯基本都是非定向地被剥离，因此导致剪切效果差，剥离的同时石墨片容易被粉碎或者结构被破坏；并且还伴随过磨、冲击力过大产生石墨片破碎等问题。与现有的石墨烯剥离装置相比，本发明石墨烯剥离装置的优点在于提高剥离的石墨烯的晶体尺寸，可以在不破坏石墨片层自然结构的基础上尽大可能地得到大面积无缺陷石墨烯。其原因主要有二：

一、本发明的石墨烯剥离装置通过铺展辊和研磨辊的反向运动实现剪切剥离阶段，在剪切剥离阶段中，任何经过研磨辊和铺展辊之间的石磨片均匀地受到研磨辊和铺展辊施加的剪切力，通过研磨辊上的毛刷和剪切刀片使石墨烯被剥离出；由于使经过研磨辊和铺展辊的石磨片被均匀地研磨，因此不易发生过磨现象，且无需向杵体一样对石墨或石墨烯直接施加巨大压力，亦无需加入会对石墨或石墨烯产生冲击力的磨球,整个装置对石墨产生主要是剪切作用，从而使得制备的石墨尺寸大、结构缺陷少、边缘毛刺少，而且剪切效率和剥离效率大大提高。本发明石墨烯剥离装置的铺展辊采用光面，有利于石墨片沿铺展辊的周向排列，而研磨辊采用表面分布有硬质毛刷或剪切刀片的毛面辊，使研磨辊强中带韧，不易产生石墨烯和石墨片的破碎，适合石墨的研磨。

二、通过高速喷射机构和研磨机构的配合使用，使石墨片从机壳的进料口运动到靠近研磨辊这段过程中可以快速地定向排布，其中，待剪切的石磨片经过喷射枪的喷射之后，石墨层由杂乱无序排布转变成倾向于平行于水流方向排布，实现石墨片的预排布，又由于喷射枪沿铺展辊的切线方向延伸，石墨片在经过转动的光面铺展辊的表面之后，石墨片由平行于水流方向排布进一步转变为倾向于平行于水流方向且铺展辊的周向排布；对比于没有喷射枪、而将石墨片分散液直接倒于辊体上，那么在从机壳的进料口运动到靠近研磨辊这段过程石墨片无法完全地快速地定向排列，进而无法避免石墨烯片地非定向剪切，导致剥离效果差、晶体尺寸小。

为了提高剥离效果，提高剥离效率，优选地，所述研磨机构包括多个研磨辊；沿铺展辊的旋转方向，各研磨辊按照各研磨辊与铺展辊之间的间隙由大到小、研磨辊的转速由小到大依次布置在铺展辊的上半部周围。

在石墨片在铺展辊周围逐渐剥离的过程中，随着研磨辊与铺展辊之间的间隙距离越来越小，石墨片的厚度越来越薄，研磨辊施加的剪切力最好越来越均匀，否则容易发生石墨烯破碎。为了进一步避免石墨烯或石墨片破碎，优选地，所述研磨机构至少包括分布有直针式硬质毛刷的第一研磨辊、分布有剪切刀片的第二研磨辊和分布有硬质球头毛刷的第三研磨辊；第一、第二、第三研磨辊依次沿铺展辊的旋转方向依次布置在铺展辊的上半部周围。

为了极大限度地降低研磨辊对石墨烯结构的破坏、并保证高效地剥离效率，优选地，所述第一研磨辊的直针式硬质毛刷的延伸方向与其径向成角为0～15°；所述第二研磨辊的剪切刀片呈锯齿形,锯齿的顶角角度为10～160°；所述第三研磨辊的硬质球头毛刷沿第三研磨辊的径向延伸，且第三研磨辊的轴线与所述铺展辊的轴线相平。

为了避免石墨或石墨烯因非平行剪切而碎化，优选地，所述第二研磨辊的剪切刀片为锯齿形的勾刀，勾刀的尖部朝与第二研磨辊的旋转方向翘起5-15°，形成勾刀的翘曲部。

为了使石墨片能快速地沿铺展辊的周向定向排布，优选地，在所述机壳的进料口至靠近所述铺展辊之间设有沿所述高压喷射机构的喷射管喷射方向延伸的导流道；所述导流道包括与所述喷射枪出口连接的细管段以及与细管段连接的敞开段，其中细管段与所述高压喷射机构的喷射管内径相等，敞开段呈向所述铺展辊张开的喇叭状。其中，导流道的细管段增加了预剪切效果，敞开段使含有石墨片的分散液能迅速地从喷射枪内转移到铺展辊上，实现石墨片沿铺展辊的周向快速定向排布。

需要补充的是，本发明中石墨烯剥离装置中的喷射枪除了起到使石墨片最大限度地呈与水流方向平行的方向排列、并加速石墨片最终沿铺展辊的周向定向排布的作用之外，还起到对石墨片预剥离的作用：喷射枪内分散液高速运动，喷射枪内壁对石墨片产生阻滞作用，从而实现对石墨片的预剥离。为了进一步提高喷射枪的预剪切效果，优选地，所述导流道的细管段内壁面上紧密排布有呈锥形的预剪切刀片，锥形顶角角度为10-160°。

为了实现循环剥离以提高剥离效果，优选地，所述机壳的下部设有回料口，所述原料分散罐与所述机壳的回料口通过第一回路管路相连，第一回路管路上沿其内物料输送方向依次设有第一回路阀和第一回路输送泵。

为实现上述第二目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种含上述石墨烯剥离装置的石墨烯生产系统；除了上述石墨烯剥离装置，该石墨烯生产系统沿工艺顺序还依次包括用于收集和静置所述石墨烯剥离装置处理后从其机壳出料口排出产物的储料罐、用于将储料罐内悬浮液进行离心以分离剥离石墨烯和未剥离石墨的离心机、用于将离心机离心后得到的上层清液进行过滤、洗涤的真空过滤装置、以及用于干燥真空过滤后石墨烯的冷冻干燥装置。

为实现上述第三目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种使用上述的石墨烯生产系统生产石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将石墨鳞片原料、溶剂和分散剂投入到原料分散罐内，在原料分散内搅拌分散，得到石墨分散液；

步骤二、启动高压喷射机构和研磨机构，通过喷射枪将步骤一得到的原料分散罐石墨分散液喷射向铺展辊，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯，其中喷射枪的流速为20-80m/s，铺展辊和研磨辊的转速为1000-20000rpm/min，研磨至少30min后关闭高压喷射机构和研磨机构；

步骤三、将步骤二得到的研磨产物从研磨机构的机壳出料口排出至储料罐内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三静置后储料罐内的石墨烯悬浮液输送至离心机内，离心机转速为1000-6000 rpm/min，离心时间10min-2h，取上层清液，在真空过滤装置中真空过滤得到滤饼；

步骤五、将步骤四得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤，滤饼在冷冻干燥装置内冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明紧紧抓住石墨烯剥离制备过程中最重要的剪切作用，通过高速喷射机构和研磨机构的设置等方式，实现了石墨片的快速定向排列，在石墨片定向之后，铺展辊和研磨辊之间对定向排列的石墨片施加平行于石墨片层方向的剪切作用，从而在不破坏石墨片层自然结构的基础上尽可能大地得到大面积无缺陷石墨烯。

2、通过本发明石墨烯剥离装置和生产装置机械剥离制得的石墨烯质量好，较好地保存了石墨烯的片层结构，制得的石墨烯分布均一，结构缺陷少，边缘呈圆形，应用在材料复合等领域能最大的发挥石墨烯的“四大特性”，扩大了石墨烯的实用价值和应用范围。

3、采用本发明石墨烯剥离釜和生产装置对石墨进行剥离制备石墨烯，由于采用物理剥离的方法生产石墨烯，主要成本为石墨，人工费、水电费及管理费，石墨原料价格低廉，具有极大的成本优势，且可实现规模化的工业生产；制备过程不使用强酸强碱或其他有毒物质，添加剂少、无常见机械剥离用的辅助媒介和辅助手段，使得制备石墨烯更为绿色环保、工艺简单。

附图说明

图1是本发明石墨烯生产系统的结构示意图；

图2是实施例1中石墨烯剥离装置的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图2沿I-I线的下剖视图；

图5是图2中沿A-A线、沿B-B线、沿C-C线的左剖面处石墨片的流动状态演变示意图；

图6是实施例1中研磨辊的一种截面结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是实施例1中研磨辊的另一种截面结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是实施例1中研磨辊的又一种截面结构示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是实施例1中研磨辊的又一种截面结构示意图；

图13是图12的俯视图；

图14是实施例2中石墨烯剥离装置的结构示意图；

图15是图14处D处的局部放大图；

图16是实施例3中石墨烯剥离装置的结构示意图；

图17是图16沿I-I线的下剖视图；

图18是图16中E处的局部放大图；

图19是实施例4中石墨烯剥离装置的结构示意图。

图中：1、石墨烯剥离装置；2、储料罐；3、离心机；4、真空过滤装置；5、冷冻干燥装置；11、原料分散罐；12、高压输送泵；13、喷射枪；14、机壳；15、铺展辊；16、研磨辊；16-1、第一研磨辊；16-2、第二研磨辊；16-3、第三研磨辊；17、驱动机构；18、导流道；19、第一回液管路；110、罐体；111、投料口；112、送料口；113、搅拌器；140、进料口；141、出料口；142、回料口；181、细管段；182、敞开段；183、预剪切刀片；191、第一回路阀；192、第一回路输送泵。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

发明人发现，具有片层结构的石墨在分散介质中随分散介质运动时，石墨层倾向于与分散液的流动方向平行；利用这一点，发明人精心研究了如何设置剥离装置可使石墨被平行地剪切，从而降低了石墨或石墨烯被粉碎的几率，大大提高剥离的石墨烯的晶体尺寸、降低缺陷和毛边。

为此，本发明涉及一种石墨烯剥离釜及石墨烯生产系统；还涉及一种用这种石墨烯生产系统生产石墨烯的方法。

该石墨烯生产系统，如图1所示，沿工艺顺序依次包括石墨烯剥离装置1、储料罐2、离心机3、真空过滤装置4和冷冻干燥装置5；剥离釜1的出料口112与储料罐2的进料口相连，储料罐2的出料口与离心机3的进料口相连，离心机3的上层清液出料口与真空过滤装置4连接。其中，储料罐2用于收集和静置石墨烯剥离装置1处理后的产物，离心机3用于将储料罐2内悬浮液进行离心以分离剥离石墨烯和未剥离石墨，真空过滤装置4用于将离心机3离心后得到的上层清液进行过滤、洗涤，冷冻干燥装置5用于干燥真空过滤后石墨烯。

如图2至图4所示，石墨烯剥离装置1，包括原料分散罐11、高压喷射机构以及研磨机构。

其中，原料分散罐11用于将石墨片与溶剂等进行分散，形成分散液，进而通过高压喷射机构送入研磨机构内；原料分散罐11为内设有搅拌器113和带有投料口111及送料口112的罐体110。

研磨机构包括机壳14、位于机壳14内的铺展辊15和研磨辊16、以及机壳14外用于驱动铺展辊15和研磨辊16做反向旋转的驱动机构17。机壳14上部设有进料口140、中下部设有出料口141。机壳的进料口140和研磨辊16沿铺展辊15的旋转方向依次布置在铺展辊15的上半部周围，各铺展辊15与研磨辊16之间设有可供石墨烯穿过的间隙。

高压喷射机构包括喷射枪13和高压输送泵12，原料分散罐11的送料口112经高压输送泵12与喷射枪13的进口相连，通过高压喷射机构将原料分散罐11内的含有石墨片的分散液输送到研磨机构内；这里的喷射枪13不仅起到送料的作用，其具有的高强喷射力还可以使分散液中的石墨片定向排列；经过喷射枪13的喷射之后，分散液中石墨层由杂乱无序排布，如图5所示，转变成倾向于平行于水流方向排布，实现石墨片的初步的预排布。此外，喷射枪13出口与机壳14的进料口140相连，且喷射枪13沿铺展辊15的切线方向延伸，因此石墨片在经过旋转的铺展辊15表面之后，石墨片由平行于水流方向排布进一步转变为倾向于平行于水流方向且沿铺展辊的周向排布。

发明人对剥离效果上进行对比，发现没有喷射枪13、而将石墨片分散液直接倒于铺展辊15上，在工艺参数相同、原料相同批次的批次的情况下，通过高速喷射机构和研磨机构的配合使用，可以更大限度地提高剥离后的石墨烯晶体尺寸。这很可能归因于，单独靠铺展辊15实现石墨片的沿铺展辊15的周向排布，效率低，因此当分散液中石墨片从机壳14的进料口140运动到靠近研磨辊16这段过程中无法完全地定向排布，因此石墨片不是完全地受到平行于其石墨片层方向剪切力，而导致石墨片和石墨烯的破碎、得到的石墨烯晶体尺寸小、结构缺陷多、边缘毛刺多。

需要补充的是，这里的铺展辊15为光滑表面，从而有利于石墨片沿铺展辊15的周向排列。研磨辊16表面分布有硬质毛刷或剪切刀片，这样的研磨辊16强中带韧，即可产生可剥离石墨的剪切力，又不易产生石墨烯和石墨片的破碎，适合石墨的研磨。如图6和图7所示的研磨辊16带有硬质球头毛刷；如图8和图9所示的研磨辊16带有直针状毛刷；如图10和图11所示的研磨辊16带有剪切刀片；如图12和图13所示的研磨辊16带有尖部形成翘曲部的剪切刀片。

发明人对剥离效果上进行对比，发现采用光面研磨辊代替实施例1中的毛面研磨辊，在石墨的剥离效果上大打折扣。采用光面研磨辊得到的石墨烯多是5层甚至是10层以上的寡层石墨烯，相比之下，采用本实施例中的毛面研磨辊16得到多是5层以下的寡层石墨烯。

实施例2

在实施例1的基础上，作为改进的，本实施例中，在石墨烯剥离装置1中，为了提高剥离效果，提高剥离效率，研磨机构包括多个研磨辊16，沿铺展辊15的旋转方向，各研磨辊16按照各研磨辊16与铺展辊15之间的间隙由大到小、研磨辊16的转速由小到大依次布置在铺展辊15的上半部周围。研磨辊16可以选择实施例1中所述的各种类型的研磨辊16。

优选的方案是，如图14和图15所示，研磨机构包括分布有直针式硬质毛刷的第一研磨辊16-1、分布有尖部带翘曲部的剪切刀片的第二研磨辊16-2和分布有硬质球头毛刷的第三研磨辊16-3。第一、第二、第三研磨辊16-1、16-2、16-3依次沿铺展辊15的旋转方向依次布置在铺展辊15的上半部周围。

第一、第二、第三研磨辊16-1、16-2、16-3对石墨片施加的作用力依次是点式、线式和面式；在相同转速的情况下，第一研磨辊16-1的直针式毛刷的特点是对石墨片施加的剪切应力大、但不均匀；第三研磨辊16-3的球头毛刷的特点是对石墨片施加的剪切应力小，但对石墨片施力更为均匀得多；第二研磨辊16-2的剪切刀片对石墨片施加的剪切应力的大小和均匀性介于两者之间；因此第一研磨辊16-1更适合铺展辊15和研磨辊16间隙较大、辊速较小的情况，第三研磨辊16-3更适合铺展辊15和研磨辊16间隙较小、辊速较大的情况。这样设置可以更大限度地避免石墨烯和石墨片在研磨过程中发生破碎。

优选地，第一研磨辊16-1的直针式硬质毛刷的延伸方向与第一研磨辊的径向成角为0～15°；第二研磨辊16-2的剪切刀片呈锯齿形的勾刀,锯齿的顶角角度为10～160°；第三研磨辊16-3的硬质球头毛刷沿第三研磨辊16-3向延伸, 勾刀的尖部朝与第二研磨辊的旋转方向翘起5-15°，形成勾刀的翘曲部；第三研磨辊16-3的轴线与铺展辊15的轴线相平。

需要补充的是，第二研磨辊16-2的剪切刀片也可以是如图10和图11所示的没有有翘曲部的剪切刀片；相比于没有翘曲部的剪切刀片，研磨辊16为带有翘曲部的锯齿形剪切刀片，可以更有效地避免石墨或石墨烯因非平行剪切而碎化。

实施例3

在实施例2中，喷射枪13内分散液高速运动时，喷射枪13除了送料、使石墨片产生定向排列之外，喷射枪13的内壁还会对石墨片产生阻滞作用，从而实现对石墨片的预剥离。不过这种预剥离效果受到喷射枪13的长度和内径的影响。喷射枪13的内径过大，则不宜产生高流速，过小则易卡料。而喷射枪13的长度也受其设备尺寸等影响。在实施例3的基础上，作为改进的，本实施例的石墨烯剥离装置1中，为了使石墨片能快速地沿铺展辊15的周向定向排布，如图16至图18所示，在机壳14的进料口至靠近铺展辊15之间设有沿喷射管13喷射方向延伸的导流道18。导流管18的设置既不影响设备尺寸，又增强了对分散液内含石墨片的预剥离效果和对石墨片的定位排列引导效果。

如图17所示，作为优选，导流道18包括与喷射枪13出口连接的细管段181以及与细管段181连接的渐变敞开的敞开段182；其中细管段181与喷射管13内径相等，导流道18的细管段181增加了预剪切效果；敞开段182呈向铺展辊15张开的喇叭状，使含有石墨片的分散液能迅速地从喷射枪13内转移到铺展辊15上，实现石墨片沿铺展辊1的周向可以快速定向排布。

发明人发现，如果导流道18都是敞开段，则从喷射枪13出口喷出的分散液流速突降，导致分散液内含的石墨片无法有效地沿喷射枪13的水流方向定向排列，进而在分散液与铺展辊15接触时，石墨片也无法有效地沿铺展辊15的周向定向排列。相反地，如果都是细管段，其则不利于喷射枪13喷射的分散液法及时地向铺展辊15的轴向延伸，因此，铺展辊15与分散液的有效接触面积小；因此在分散液到达铺展辊15和第一研磨辊16-1之间的间隙前，其内含的石墨片也无法有效地沿铺展辊15的周向定向排列。也就是说，本是实施例中的导流道18结构有利于石墨片在铺张辊15周面实现快速地定向排列。

为了进一步提高预剪切效果，导流道18进一步优选的结构设计是，如图17和图18所示，在导流道18 的细管段181内壁面上紧密排布有锥形的预剪切刀片183，锥形顶角角度为10-160°。

实施例子4

在实施例3的基础上，为了实现循环剥离以提高剥离效果，改进的是，如图19所示，机壳14的下部设有回料口142，原料分散罐11与机壳14的回料口142通过第一回路管路19相连，第一回路管路19上沿其内物料输送方向依次设有第一回路阀191和第一回路输送泵192。

利用上述石墨烯剥离装置和石墨烯生产装置生产石墨烯的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将石墨鳞片原料、溶剂和分散剂投入到原料分散罐内，在原料分散内搅拌分散，得到石墨分散液；其中，溶剂选自水，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种或多种的混合物，分散剂选择十六烷基三甲基溴化铵，十二烷基硫酸钠，十二烷基苯磺酸钠，胆酸钠，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种的复配；

步骤二、启动高压喷射机构和研磨机构，通过喷射枪将步骤一得到的原料分散罐石墨分散液喷射向铺展辊，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯，其中研磨喷射枪的流速为20-80m/s，铺展辊和研磨辊的转速为1000-20000rpm/min，研磨至少30min后关闭高压喷射机构和研磨机构；

步骤三、将步骤二得到的研磨产物从研磨机构的机壳出料口排出至储料罐内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三静置后储料罐内的石墨烯悬浮液输送至离心机内，离心机转速为1000-6000 rpm/min，离心时间10min-2h，取上层清液，在真空过滤装置中真空过滤得到滤饼；

步骤五、将步骤四得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤，滤饼在冷冻干燥装置内冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。

以下是利用上述石墨烯剥离釜和石墨烯生产装置制备石墨烯的几个实施例：

比如，可以将50kg石墨鳞片、400kg蒸馏水从投料口111注入原料分散罐11中，添加1kg十二烷基苯磺酸钠分散剂，通过搅拌器113进行分散5min；然后打开原料分散罐11的送料口112，启动高压输送泵12、喷射枪13和研磨机构的驱动机构17，将原料分散罐11内物料通过喷射枪13向研磨机构喷射，喷射枪13的流速为80m/s，铺展辊和研磨辊的转速为1000rpm/min，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯；研磨2h后关闭高压喷射机构和研磨机构，通过出料口将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置18h。然后将储料罐2内的石墨烯悬浮液输送至离心机3内，离心机3转速为2000 rpm/min，离心作用30min，通过离心，未被剥离的石墨以及多层石墨烯沉淀于底部，取上层清液，经真空过滤装置4真空过滤。得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤3次，滤饼转移至冷冻干燥机5内，冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。

又比如，可以将50kg石墨鳞片、350kg N,N -二甲基甲酰胺从投料口111注入原料分散罐11中，添加1kg胆酸钠分散剂，通过搅拌器113进行分散5min；然后打开原料分散罐11的送料口112，启动高压输送泵12、喷射枪13和研磨机构的驱动机构17，将原料分散罐11内物料通过喷射枪13向研磨机构喷射，喷射枪13的流速为20m/s，铺展辊和研磨辊的转速为20000rpm/min，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯；研磨30min后关闭高压喷射机构和研磨机构，通过出料口将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置24h。然后将储料罐2内的石墨烯悬浮液输送至离心机3内，离心机3转速为6000 rpm/min，离心作用10min，通过离心，未被剥离的石墨以及多层石墨烯沉淀于底部，取上层清液，经真空过滤装置4真空过滤。得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤3次，滤饼转移至冷冻干燥机5内，冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。

再比如，可以将30kg石墨鳞片、500kg正丁醇从投料口111注入原料分散罐11中，添加1kg聚乙烯醇分散剂，通过搅拌器113进行分散5min；然后打开原料分散罐11的送料口112，启动高压输送泵12、喷射枪13和研磨机构的驱动机构17，将原料分散罐11内物料通过喷射枪13向研磨机构喷射，喷射枪13的流速为40m/s，铺展辊和研磨辊的转速为8000rpm/min，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯；研磨1h后关闭高压喷射机构和研磨机构，通过出料口将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置12h。然后将储料罐2内的石墨烯悬浮液输送至离心机3内，离心机3转速为1000 rpm/min，离心作用2h，通过离心，未被剥离的石墨以及多层石墨烯沉淀于底部，取上层清液，经真空过滤装置4真空过滤。得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤3次，滤饼转移至冷冻干燥机5内，冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯剥离装置，其特征在于，包括原料分散罐、高压喷射机构以及研磨机构；其中，原料分散罐为内设有搅拌器和带有投料口及送料口的罐体；高压喷射机构包括喷射枪和高压输送泵，原料分散罐的送料口经高压输送泵与喷射枪的进口相连；研磨机构包括机壳、位于机壳内的铺展辊和研磨辊、以及机壳外用于驱动铺展辊和研磨辊做反向旋转的驱动机构，机壳上部设有进料口、中下部设有出料口，机壳的进料口和研磨辊沿铺展辊的旋转方向依次布置在铺展辊的上半部周围，各铺展辊与研磨辊之间设有可供石墨烯穿过的间隙，且铺展辊为光滑表面，研磨辊表面分布有硬质毛刷或剪切刀片；喷射枪出口与机壳的进料口相连，且喷射枪沿铺展辊的切线方向延伸。

2.如权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述研磨机构包括多个研磨辊；沿铺展辊的旋转方向，各研磨辊按照各研磨辊与铺展辊之间的间隙由大到小、研磨辊的转速由小到大依次布置在铺展辊的上半部周围。

3.如权利要求2所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述研磨机构至少包括分布有直针式硬质毛刷的第一研磨辊、分布有剪切刀片的第二研磨辊和分布有硬质球头毛刷的第三研磨辊；第一、第二、第三研磨辊依次沿铺展辊的旋转方向依次布置在铺展辊的上半部周围。

4.如权利要求3所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述第一研磨辊的直针式硬质毛刷的延伸方向与其径向成角为0～15°；所述第二研磨辊的剪切刀片呈锯齿形,锯齿的顶角角度为10～160°；所述第三研磨辊的硬质球头毛刷沿第三研磨辊的径向延伸，且第三研磨辊的轴线与所述铺展辊的轴线相平。

5.如权利要求4所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述第二研磨辊的剪切刀片为锯齿形的勾刀，勾刀的尖部朝与第二研磨辊的旋转方向翘起5-15°，形成勾刀的翘曲部。

6.如权利要求1至5任意一项所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，在所述机壳的进料口至靠近所述铺展辊之间设有沿所述高压喷射机构的喷射管喷射方向延伸的导流道；所述导流道包括与所述喷射枪出口连接的细管段以及与细管段连接的敞开段，其中细管段与所述高压喷射机构的喷射管内径相等，敞开段呈向所述铺展辊张开的喇叭状。

7.如权利要求6所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述导流道的细管段内壁面上紧密排布有呈锥形的预剪切刀片，锥形顶角角度为10-160°。

8.如权利要求1至5任意一项所述的石墨烯剥离装置，其特征在于，所述机壳的下部设有回料口，所述原料分散罐与所述机壳的回料口通过第一回路管路相连，第一回路管路上沿其内物料输送方向依次设有第一回路阀和第一回路输送泵。

9.一种含权利要求1至8任意一项所述石墨烯剥离装置的石墨烯生产系统，其特征在于，除了所述石墨烯剥离装置，该石墨烯生产系统沿工艺顺序还依次包括用于收集和静置所述石墨烯剥离装置处理后从其机壳出料口排出产物的储料罐、用于将储料罐内悬浮液进行离心以分离剥离石墨烯和未剥离石墨的离心机、用于将离心机离心后得到的上层清液进行过滤、洗涤的真空过滤装置、以及用于干燥真空过滤后石墨烯的冷冻干燥装置。

10.一种使用含权利要求9所述的石墨烯生产系统生产石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将石墨鳞片原料、溶剂和分散剂投入到原料分散罐内，在原料分散内搅拌分散，得到石墨分散液；

步骤二、启动高压喷射机构和研磨机构，通过喷射枪将步骤一得到的原料分散罐石墨分散液喷射向铺展辊，通过铺展辊和研磨辊的反向旋转研磨石墨烯，其中喷射枪的流速为20-80m/s，铺展辊和研磨辊的转速为1000-20000 rpm/min，研磨至少30min后关闭高压喷射机构和研磨机构；

步骤三、将步骤二得到的研磨产物从研磨机构的机壳出料口排出至储料罐内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三静置后储料罐内的石墨烯悬浮液输送至离心机内，离心机转速为1000-6000 rpm/min，离心时间10min-2h，取上层清液，在真空过滤装置中真空过滤得到滤饼；

步骤五、将步骤四得到的滤饼以适量的蒸馏水洗涤，滤饼在冷冻干燥装置内冷冻干燥3h以上，即得到石墨烯产品。