CN104477882A - 一种涡流式石墨烯剥离装置、石墨烯生产系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡流式石墨烯剥离装置。它包括设有加热夹套的外筒，外筒设有用于检测外筒内压力的压力表和用于检测外筒内温度的测温装置，外筒的顶部设有进料口，外筒的中下部设有出料口；外筒内套设有锥角朝下的圆台形内筒，内筒的上下端敞开，通过镂空支架悬空固定于外筒内；内筒的内壁面上紧密排布有用于剥离石墨片的剪切刀片，相邻剪切刀片之间形成沟槽；内筒下端到外筒下端之间设置涡轮，涡轮由设置于外筒外部的驱动机构驱动旋转，且涡轮叶片垂直朝向内筒的下端开口。该涡流式石墨烯剥离装置可以实现石墨烯的成功剥离。本发明还涉及一种含有该涡流式石墨烯剥离装置的石墨烯生产系统及石墨烯生产方法。

Description

一种涡流式石墨烯剥离装置、石墨烯生产系统及生产方法

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涡流式石墨烯剥离装置及石墨烯生产系统，还涉及一种石墨烯的生产方法。

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研磨、球磨、搅拌球磨等。

其中，常规研磨是指将石墨在臼式研磨仪中研磨，其缺点是：首先，剪切力来源压力造成的摩擦力，而压力过大会导致电机难以带动杵体转动，限制了剪切力，压力过小难以剪切剥离；其次，剪切效率低，增加受压粉体量反而会导致部分粉体剪切力不足；再次，杵体对石墨施加压力不均，容易产生过磨，杵体对石墨施加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。

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；如常规研磨方式中的压力一样，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多有“毛刺”，且晶体尺寸小。

除了上述纯物理剥离法之外，还有一些通过搅拌石墨粉末分散液并用外在媒介辅助剥离得到石墨烯的方法；这些外在媒介譬如有公开号为CN102765717A的中国专利中公开的通过超临界在瞬间释放的压力使石墨层间发生膨胀、以及公开号为CN103910354A的中国专利中公开的超声波作用等等。但是超临界和超声波产生的冲击力虽为石墨的层间剥离提供驱动力，但冲击力的无定向性也会使石墨烯产生爆破，从而降低制得的石墨烯尺寸。

由此可见，现有的物理剥离方法的普遍缺点是得到的石墨烯通常尺寸都比较小，并且可控性差。这将极大地阻碍石墨烯在实际器件中的应用。

在研究过程中，发明人发现，现有石墨烯剥离装置剥离得到的石墨烯尺寸小的主要原因在于石墨是在未定向的方向被剪切，其中在石墨层以非平行于所述剪切面的方式被剪切时，导致的结果倾向于石墨不是被剪切而剥离出石墨烯，而是石墨或石墨烯被粉碎成更小的尺寸。从这一点出发，发明人进行石墨烯剥离装置和生产系统精心的设计，并研究了石墨烯的生产工艺。

发明内容

针对石墨烯物理剥离方法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。

本发明的第二个目的还在于，提供一种适合工业化生产高品质石墨烯的生产系统。

本发明的第三目的还在于，提供一种可工业化生产高品质石墨烯的方法。

为实现上述第一目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种涡流式石墨烯剥离装置，其包括设有加热夹套的外筒，外筒设有用于检测外筒内压力的压力表和用于检测外筒内温度的测温装置，外筒的顶部设有进料口，外筒的中下部设有出料口；外筒内套设有锥角朝下的圆台形内筒，内筒的上下端敞开，通过镂空支架悬空固定于外筒内；内筒的内壁面上紧密排布有用于剥离石墨片的剪切刀片，相邻剪切刀片之间形成沟槽；内筒下端到外筒下端之间设置涡轮，涡轮由设置于外筒外部的驱动机构驱动旋转，且涡轮叶片垂直朝向内筒的下端开口。

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介质的流动方向平行。与现有的石墨烯剥离装置相比，本发明涡流式石墨烯剥离装置利用了涡轮转动产生的独特涡形状，通过外筒体内设置锥角朝下的圆台形内筒、在内筒下端到外筒下端之间设置涡轮，通过涡轮的高速旋转在内筒的内壁形成高强剪切作用，并使石墨从内筒下端进入内筒、其石墨片层以近似平行内筒内壁的方式经过内筒内壁、再从内筒上端流出内筒，经外筒后再进入内筒，如此反复循环；通过涡流作用，石墨被强烈、反复、平行地剪切；在石墨以近似平行内筒内壁的方式经过内筒内壁时，内筒内壁上设置的剪切刀片对滑过剪切刀片表面的石墨产生良好的剪切作用，且剪切刀片之间形成的沟槽可以对石墨产生摩擦力，增加了剪切效果；从而使石墨烯被剥离出，降低了石墨或石墨烯被粉碎的几率。配合温度和压力的控制，保证了制备过程中各条件的可控性和可重复性，制备的产品工业生产重复性高。

为了使剪切刀片剥离出石墨烯，同时极大限度地降低定剪切刀片对石墨烯结构的破坏，优选地，所述剪切刀片呈锥形或锯齿形或两者的结合；锥形或齿形的顶角角度为10-160°。

为了提高剪切效果，增加剪切刀片的有效剪切作用面积，进一步优选地，所述剪切刀片在所述内筒的内壁面沿所述涡轮的转动方向螺旋上升排布；各剪切刀片的两侧端面垂直于其所在螺旋线。

为了更进一步避免石墨或石墨烯在剪切过程中碎化，进一步优选地，优选地，所述剪切刀片为锯齿形的勾刀；齿尖略朝背离所述剪切刀片的螺旋上升方向弯曲，形成勾刀的翘曲部。

为了提高剥离效果，更进一步优选地，所述剪切刀片的齿尖略朝背离所述剪切刀片的螺旋上升方向弯曲的角度为5-15°。

为了使进入内筒的石墨片几乎均是平行内筒内壁的方式经过内筒,避免在投料初期石墨片发生碎化，优选地，其特征在于，所述进料口正对所述内筒的外侧。

为了避免从进料口投料的石墨结团、进而导致石墨在启动涡轮进入内筒后不是完全以平行内筒内壁的方式经过内筒,优选地，在所述外筒内的靠近所述进料口设置有超声波振盒，通过导线与所述外筒外的超声波发生器相连接。

为了使石墨片与内筒内壁产生强有力的剪切作用，优选地，所述内筒圆台的锥角为30-90°。锥角过大则剪切力弱，锥角过小则剥离效率低。

为了使涡轮转动产生的涡流可以有效地进入内筒，优选地，所述内筒的底部还连接有锥角朝上的圆台形导流筒，所述涡轮位于导流筒的进口处。

为实现上述第二目的，本发明通过以下技术方案来实现的：一种石墨烯生产系统，除了包括上述涡流式石墨烯剥离装置，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涡流式石墨烯剥离装置处理后排出产物的储料罐、用于将储料罐内上层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：一种石墨烯生产方法，包括以下步骤：

步骤一、将石墨鳞片和溶剂注入所述涡流式石墨烯剥离装置内，添加分散剂进行分散；

步骤二、加热涡流式石墨烯剥离装置，保持其内温度为80-150℃，压力为0.1-5Mpa，涡轮转速为1000-20000 rpm/min，搅拌至少3h后关闭电机；

步骤三、通过釜体的出料口将上层石墨烯悬浮液排出至储料罐内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三中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。

优选地，所述步骤一中，所述涡流式石墨烯剥离装置内设有超声波振盒，在加入石墨鳞片、溶剂和分散剂之后，启动超声波发生器进行超声1-30min，保持容器内的超声波功率为500-2000W，然后停止超声。

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，通过锥角朝下的圆台形内筒、高转速涡轮、剪切刀片和沟槽的设置等方式，充分发挥物料在高转速下与剪切刀片和沟槽的“碰撞”，并使石墨受到强有力的平行剪切作用，从而实现了石墨烯的成功剥离。

2、本发明石墨烯剥离装置无需向杵体一样对石墨或石墨烯直接施加巨大压力，且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平行的剪切作用，从而使得通过本发明石墨烯生产系统和生产方法制得的石墨烯质量好，较好地保存了石墨烯的片层结构，制得的石墨烯尺寸大、分布均一，结构缺陷毛刺少，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、采用本发明石墨烯生产系统和生产方法制备石墨烯，由于该剥离装置可以对石墨产生高剪切作用，因此在搅拌剥离方式中常用的辅助媒介和辅助方法在用本装置生产石墨烯时也可以省去，制备过程也不使用强酸强碱或其他有毒物质，添加剂少，使得制备石墨烯更为绿色环保、工艺简单。

4、采用本发明石墨烯生产系统和生产方法制备石墨烯，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。

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中石墨烯剥离装置的内筒内壁面展开后的局部示意图；

图4是实施例2中石墨烯剥离装置的内筒内壁面展开后的局部示意图；

图5是沿图4中从P向的垂直方向、即A向观察釜体内壁面时的局部结构示意图；

图6是实施例3中石墨烯剥离釜的结构示意图；

图7是实施例4中石墨烯剥离釜的结构示意图。

图中：1、涡流式石墨烯剥离装置；2、储料罐；3、离心机；4、真空过滤装置；5、冷冻干燥装置；11、外筒；12、加热夹套；13、内筒；14、支架；15、剪切刀片；16、涡轮；17、驱动电机；18、压力表；19、测温装置；20、筒座；21、超声波发生器；22、超声波振盒；23、导流筒；111、进料口；112、出料口；150、翘曲部。

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

本发明涉及一种涡流式石墨烯剥离装置1及石墨烯生产系统，还涉及一种石墨烯生产方法。

该石墨烯生产系统，如图1所示，沿工艺顺序依次包括涡流式石墨烯剥离装置1、储料罐2、离心机3、真空过滤装置4和冷冻干燥装置5；储料罐2用于收集和静置石墨烯剥离装置1处理后排出产物，离心机3用于将储料罐2内上层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。这里，涡流式石墨烯剥离装置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。

本实施例中，如图2所示，涡流式石墨烯剥离装置1包括一个设有加热夹套12的外筒11，外筒11固定于筒座20之上，使外筒的外底部脱离地面。外筒11设有用于检测外筒11内压力的压力表18和用于检测外筒内温度的测温装置19。外筒11的顶部设有进料口111，用于投料；外筒11的中下部设有出料口112，用于排出剥离处理后的产物。

外筒11内套设有锥角为30-90°、且锥角朝下的圆台形内筒13，内筒13的上下端敞开，内筒13通过镂空支架14悬空固定于外筒11内，内筒13的上端与外筒11的内顶面不接触，内筒13的下端与外筒11的内底面不接触，这样外筒11和内筒13可以形成流动循环。内筒13下端到外筒11下端之间设置涡轮16，涡轮16由设置于外筒11外底部的驱动机构17驱动旋转，且涡轮17叶片垂直朝向内筒13的下端开口。内筒13的内壁面上紧密排布有用于剥离石墨片的剪切刀片15，相邻剪切刀片15之间形成沟槽。

这样，启动涡轮16之后，从进料口111经外筒11进入内筒13的石墨悬浮液在涡轮16的作用下从内筒13的下端进入内筒13、经过内筒13内壁、从内筒13上端流出内筒13，经外筒11后再进入内筒13，反复循环。由于涡轮16产生的涡流呈锥角朝下的锥形，内部几乎中空，不仅在内筒13的内壁处产生高强剪切作用，而且涡流带动悬浮液中的石墨以近似平行内筒13内壁的方式经过内筒13内壁,内筒13内壁上设置的剪切刀片15对滑过剪切刀片15表面的石墨产生剪切作用，剪切刀片15之间形成的沟槽对石墨产生摩擦力，增加了剪切效果；从而使石墨烯以片状被顺利地剥离出，并较大程度地保持了石墨原有的片状尺寸。配合温度和压力的控制，该涡流式石墨烯剥离装置1可以可控形貌、以稳定的产率地剥离石墨，适合工业应用。

剪切刀片15和涡轮16是涡流式石墨烯剥离装置1中最为重要的两个结构部件之二。这里，剪切刀片15可以呈锥形，锥形剪切刀片15的各锥棱可均设置为刀刃，各锥棱的刀刃和锥顶都可以对滑过其表面的石墨产生剪切作用。剪切刀片15还可以是锯齿形，如图2所示，通过锯齿的齿面特别是齿间对滑过其表面的石墨产生剪切作用。再无特殊结构设置的情况下，前者的剪切效力更好，后者虽然剪切力稍弱，但更有利于降低剪切刀片15对石墨烯结构的破坏，有利于提高剥离的石墨烯尺寸。当然还可以将定剪切刀片15设计成锥形和锯齿形的组合，这里不再赘述。不管选择这里所说的何种结构的剪切刀片15，优选锥形或齿形的顶角角度为10-160°。

剪切效果和剥离效果除了与剪切刀片15的形状有关，还有形成剪切作用的面积有关。这里的面积不仅涉及剪切刀片15的设置数量和密度，更关乎于石墨以何种方式经过剪切刀片15。如果石墨中的石墨层以与剪切刀片15近似垂直的方向经过剪切刀片15，如图2所示，那么剪切刀片15可以最大限度地对石墨施加剪切作用，从而提高剪切效果和剥离效果。

在剪切刀片15的排布方式上，剪切刀片15最好在内筒13的内壁面沿涡轮16的转动方向螺旋上升排布。在此基础上，设置剪切刀片15的两侧端面垂直于其所在螺旋线，从而最大可能地增加剪切有效面积。如图3所示，P方向表示内筒13内壁面附近的流体流动方向，也即剪切刀片15的螺旋上升方向。相邻排的剪切刀片15可以平行设置也可以交错设置；相比之下如图3所示的交错设置是一种可以提高剪切刀片15的排布密度、增加沟槽的摩擦作用、增强剪切效果的方式。

实施例2

本实施例与实施例1的区别之一在于涡流式石墨烯剥离装置1中剪切刀片15的结构。

本实施例中，为了降低剪切刀片15的齿尖对石墨烯结构的损伤，进一步减少制得的石墨烯缺陷、提高石墨烯尺寸，如图4和图5所示，将剪切刀片15设计成一种锯齿形的勾刀：各剪切刀片15的两侧端面垂直于其所在螺旋线（P方向），不过剪切刀片15的齿尖略朝背离剪切刀片15的螺旋上升方向弯曲，形成勾刀的翘曲部150。在研究中发现，剪切刀片15的齿尖略朝背离剪切刀片15的螺旋上升方向弯曲的角度α为5-15°可以最大程度地兼顾剪切效率和剪切效果。图4和图5中，P方向表示内筒13内壁面附近的流体流动方向，也即剪切刀片15的螺旋上升方向；A方向是P方向的垂直方向。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于涡流式石墨烯剥离装置1中进料口111的设计和外筒11的配置。本实施例中，如图6所示，进料口111正对内筒13的外侧，这样从进料口111进入外筒11时先被分散而后进入内筒13，可以一定程度上避免剪切刀片15之间的沟槽堵塞，且使石墨均是以平行或近似平行内筒13内壁的方式经过内筒13。

与此同时，在外筒11内的靠近进料口111设置有超声波振盒22，通过导线与外筒11外的超声波发生器21相连接。这样从进料口111投料的石墨可以在短时间内打破结团，从而以分散状态进入内筒13。

实施例4

本实施例与实施例3的区别在于涡流式石墨烯剥离装置1中导流筒23的设计。

本实施例中，为了使涡轮16转动产生的涡流可以有效地进入内筒13，在内筒13的底部连接一锥角朝上的圆台形导流筒23，涡轮16设置于导流筒23的进口处,如图7所示。

利用上述石墨烯剥离装置和石墨烯生产系统制备石墨烯的基本步骤是：

步骤一、将石墨鳞片和溶剂注入上述涡流式石墨烯剥离装置1内，添加分散剂进行分散；当涡流式石墨烯剥离装置1设置有超声波发生器21和超声波振盒22时，通过启动超声波发生器对石墨悬浮液超声1-30min，保持容器内的超声波功率为500-2000W，使物料混合均匀后停止超声；这里的溶剂可选自水，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，分散剂可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、通过加热涡流式石墨烯剥离装置1，保持其内温度为80-150℃，压力为0.1-5Mpa，涡轮16转速为1000-20000 rpm/min，搅拌至少3h后关闭电机；

步骤三、通过涡流式石墨烯剥离装置1的出料口112将上层石墨烯悬浮液排出至储料罐2内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三中储料罐2内的石墨烯悬浮液输送至离心机3内，离心机3转速为1000-6000 rpm/min，离心时间10min-2h，取上层清液，在真空过滤装置4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5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装置和石墨烯生产装置制备石墨烯的几个实施例：

比如，可以将20kg石墨鳞片、300kg蒸馏水注入涡流式石墨烯剥离装置1内，添加1kg聚乙烯吡咯烷酮分散剂，通过人工搅拌分散，使物料混合均匀。搅拌均匀后，封闭石墨烯剥离装置1。通过水蒸气加热夹套12加热方式，保持石墨烯剥离装置1内悬浮液温度为80℃、且压力为0.1-5Mpa，启动涡轮16，使涡轮16转速为1000 rpm/min，此时涡轮16产生锥角朝下的锥形涡流，带动悬浮液中的石墨以近似平行内筒13内壁的方式经过内筒13内壁,由于剪切使得石墨被逐层剥离成石墨烯。保持恒定温度、转速，搅拌3h后停止反应，通过出料口111将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置24h。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3000 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。

再比如，选择带有超声波发生器21和超声波振盒22的涡流式石墨烯剥离装置1；将30kg石墨鳞片、400kg乙醇、1kg十二烷基硫酸钠分散剂注入涡流式石墨烯剥离装置1内，添加1kg十二烷基苯磺酸钠分散剂，启动超声波发生器21，选择超声波功率为2000W，超声1min，使物料混合均匀。混合均匀后，通过水蒸气加热夹套12加热方式，保持石墨烯剥离釜1内的温度为90℃、且压力为0.1-5Mpa，启动涡轮16，使涡轮16转速为3000 rpm/min，通过涡流剪切使得石墨被逐层剥离成石墨烯。保持恒定温度、转速，3h后停止反应，通过出料口112将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置15h。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1h，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无水乙醇洗涤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，选择带有超声波发生器21和超声波振盒22的涡流式石墨烯剥离装置1；将50kg石墨鳞片、400kg丙酮、1kg聚乙烯吡咯烷酮分散剂注入涡流式石墨烯剥离装置1内，启动超声波发生器21，选择超声波功率为500W，超声30min，使物料混合均匀。混合均匀后，封闭石墨烯剥离釜1。通过加热夹套12导热油加热方式，保持涡流式石墨烯剥离装置1内温度为150℃、且压力为0.1-5Mpa，启动涡轮16，使涡轮16转速为20000rpm/min，通过涡流剪切使得石墨被逐层剥离成石墨烯。保持恒定温度、转速，7h后停止反应，通过出料口112将上层悬浮液排出至储料罐2内，静置12h。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无水乙醇洗涤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)

1.一种涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，包括设有加热夹套的外筒，外筒设有用于检测外筒内压力的压力表和用于检测外筒内温度的测温装置，外筒的顶部设有进料口，外筒的中下部设有出料口；外筒内套设有锥角朝下的圆台形内筒，内筒的上下端敞开，通过镂空支架悬空固定于外筒内；内筒的内壁面上紧密排布有用于剥离石墨片的剪切刀片，相邻剪切刀片之间形成沟槽；内筒下端到外筒下端之间设置涡轮，涡轮由设置于外筒外部的驱动机构驱动旋转，且涡轮叶片垂直朝向内筒的下端开口。

2.如权利要求1所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述剪切刀片呈锥形或锯齿形或两者的结合；锥形或齿形的顶角角度为10-160°。

3.如权利要求2所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述剪切刀片在所述内筒的内壁面沿所述涡轮的转动方向螺旋上升排布；各剪切刀片的两侧端面垂直于其所在螺旋线。

4.如权利要求3所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述剪切刀片为锯齿形的勾刀；齿尖略朝背离所述剪切刀片的螺旋上升方向弯曲，形成勾刀的翘曲部；所述剪切刀片的齿尖略朝背离所述剪切刀片的螺旋上升方向弯曲的角度为5-15°。

5.如权利要求1所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述进料口正对所述内筒的外侧；在所述外筒内的靠近所述进料口设置有超声波振盒，通过导线与所述外筒外的超声波发生器相连接。

6.如权利要求1所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述内筒圆台的锥角为30-90°。

7.如权利要求1至6任意一项所述的涡流式石墨烯剥离装置，其特征在于，所述内筒的底部还连接有锥角朝上的圆台形导流筒，所述涡轮位于导流筒的进口处。

8.一种石墨烯生产系统，其特征在于，除了权利要求1至7任意一项所述的涡流式石墨烯剥离装置，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涡流式石墨烯剥离装置处理后排出产物的储料罐、用于将储料罐内上层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。

9.一种使用含权利要求8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、将石墨鳞片和溶剂注入所述涡流式石墨烯剥离装置内，添加分散剂进行分散；

步骤二、加热涡流式石墨烯剥离装置，保持其内温度为80-150℃，压力为0.1-5Mpa，涡轮转速为1000-20000 rpm/min，搅拌至少3h后关闭电机；

步骤三、通过釜体的出料口将上层石墨烯悬浮液排出至储料罐内，静置12-24h；

步骤四、将步骤三中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。

10. 如权利要求9所述生产石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤一中，所述涡流式石墨烯剥离装置内设有超声波振盒，在加入石墨鳞片、溶剂和分散剂之后，启动超声波发生器进行超声1-30min，保持容器内的超声波功率为500-2000W，然后停止超声。