CN105621405A

CN105621405A - 一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法

Info

Publication number: CN105621405A
Application number: CN201610110765.XA
Authority: CN
Inventors: 陈庆; 叶任海
Original assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Current assignee: Chengdu New Keli Chemical Science Co Ltd
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法。先将石墨粉加热预处理，然后均匀分撒，再通过高压水射流粉碎机的一定直径的喷嘴使石墨粉与靶物碰撞粉碎，获得层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料,实现了连续、规模化生产层数均匀的石墨烯微片材料，而且产量高、成本低，无污染，层厚满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理领域的使用要求，有利于推动石墨烯的大规模应用。

Description

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法。

背景技术

石墨烯是继碳纳米管之后被发现的又一新型碳纳米材料，是一种只有一个原子厚度的二维碳膜，是人们迄今发现的唯一一种由单层原子构成的材料，碳膜中碳原子之间由化学键连接成六角网络，由于碳原子之间的化学键由sp2杂化轨道组成，因此石墨烯很顽强，具备可弯折、导电性强、机械强度好、透光性好等其他新材料不具备的优良特性，这些特性使得石墨烯的制备方法一直以来备受关注。

中国发明专利申请号201510096254.2公开了纤维素为原料制备生物质石墨烯的方法，具体制备方法为：步骤一：催化剂溶液的配制；步骤二：纤维素与催化剂离子配位、高温脱氧，得到前驱体；步骤三：热处理；步骤四：酸处理、干燥；即得到石墨烯。本发明制备的石墨烯形貌均一，具有单层或多层二维层状结构，尺寸为0.5～2μm，导电性为25000～45000S/m。该发明的制备工艺简单、成本低、产量高、生产安全性强、产品尺寸及物理性质可控，可以实现工业化生产，但是该发明的制备方法成本高昂，环境污染严重。

中国发明专利申请号201310411516.0公开了一种石墨烯的球磨制备法，该发明将石墨碳与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子表面活性剂的质量体积比为1：2～1：15和去离子水混合装于球磨罐，固定于球磨机以200-500rpm的转速球磨5-30小时；再转入去离子水中，以3000-8000rpm的转速离心10-30min，得到黑色上层胶体悬浮液，制得不同浓度石墨烯水溶液。该发明的制备方法采用球磨设备简单、操作方便、运行安全，但是该发明的制备方法制备的石墨烯粒径不均。

中国发明专利申请号201110190763.3公开了一种射流空化技术制备石墨烯的装置及方法，该装置由储料罐、入水管、阀门、电机、柱塞泵、压力表、高压管、空化发生器、循环水冷装置和回流管路组成,储料罐的出口与入水管的入口端连接,入水管的出口端与柱塞泵的入水口连接;阀门安装在入水管上,柱塞泵由电机驱动,其工作压力由压力表显示;柱塞泵的出水口与高压管的入水口连接,高压管的出水口与空化发生器的入水口连接;空化发生器的出水口与回流管路的入水口连接,回流管路的出水口与储料罐的入口连接,回流管路上安装循环水冷装置;该制备方法有七大步骤。该发明构思科学,工艺先进,生产成本低,无环境污染，但是该发明的制备方法产率低，产品质量不可控。

随着现代工业的产业升级，现有的石墨烯制备方法由于环境污染大、成本高、工艺复杂等缺陷，阻碍了石墨烯的应用与推广。因此，发明一种制备工艺简单，生产安全环保，生产成本低，产量高，产品质量稳定的石墨烯制备方法，对推动石墨烯材料的应用，促进石墨烯产业的发展具有重要意义。

发明内容

针对目前石墨烯生产成本高，环境污染大，制备工艺复杂的缺点，本发明提出一种低成本制备石墨烯材料的方法。该方法利用高压水射流粉碎机制备层数在100-300层的分布均匀的石墨烯微片材料，制备的石墨烯微片材料可应用于橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材料中，或者作为进一步制备石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制备成本。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：先将石墨粉加热预处理，然后均匀分散，再通过高压水射流粉碎机的一定直径的喷嘴使石墨粉与靶物碰撞粉碎，获得层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料，具体方法如下：

（1）将重量份为90-100的石墨粉在加热温度为150℃-200℃下加热预处理，加热时间为40min-60min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为1.0-2.0的乙醇，重量份为0.5-1.5的三聚磷酸钾以及重量份为500-1000的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速200rpm-500rpm搅拌，搅拌时间5min-25min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

（3）将步骤（2）得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入喷嘴直径为1.7mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，高压水射流粉碎机设置了高压泵站，高压泵站以45MPa-60MPa的压力喷射两股高压水，石墨粉水溶液通过其中一股高压泵站产生的高压水在流态化室获得初始速度，然后在混合室与另一股高压站产生的高压水充分混合，混合后的石墨粉以悬浮状态送到喷嘴，作为载体的高压水通过喷嘴被加速的同时带动石墨粉加速，石墨粉以接近水射流的速度，喷向坚硬的靶物，并与靶物产生强烈碰撞，从而发生粉碎剥离；

（4）将步骤（3）得到的物料送入喷嘴直径为1.0mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，通过高压水射流粉碎机将石墨烯初级产物通过喷嘴以接近水射流的速度与坚硬的靶物碰撞、粉碎剥离，经过滤、烘干，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料。

所述石墨粉为膨胀石墨、热裂解石墨中的任一种，粒径介于1mm和5mm之间。

所述的高压水射流粉碎机包高压泵站、节流阀、高压储料罐、流态化室、混合室、喷嘴、靶物。

进一步地，所述节流阀至少一个。

进一步地，所述喷嘴至少一个；更进一步地，喷嘴有两个及以上时，喷嘴间既可以交替工作，也可以同时工作。

先将石墨粉进行热处理，减小石墨层之间范德华力，使石墨层更易被剥离，再将石墨粉均匀分散至水中，加入高压水射流粉碎机的高压储料罐中，在高压水的带动下使石墨通过喷嘴喷射向靶物，产生碰撞粉碎，将石墨剥层，从而获得石墨烯微片材料；在石墨粉通过喷嘴时，由于喷嘴直径小于石墨烯粒径，因而喷嘴会对石墨粉产生挤压、摩擦、粉碎剥离；另一方面，石墨粉第一次通过高压水射流粉碎机碰撞靶物时，一部分能量用于粉碎，另外一部分能量使石墨粉产生疲劳和裂缝，而当石墨粉第二次通过高压水射流粉碎机碰撞靶物时，石墨粉中的疲劳和裂缝得到发展，引起更大的粉碎，从而获得层数均匀的石墨烯微片材料。

所述高压水射流粉碎机设置高压泵站，高压泵站产生两股高压水，一股高压水通过节流阀的调节，在流态化室使石墨粉水溶液获得初始速度，另一股高压水流入混合室，与来自流态化室的石墨粉水溶液混合，使石墨粉以悬浮状态输送到喷嘴，作为载体的高压水通过喷嘴被加速的同时带动石墨粉的加速，使石墨粉以接近水射流的速度，喷向坚硬的靶物，并与靶物产生强烈的碰撞粉碎，使石墨层剥离。

为了推动石墨烯材料的广泛应用，本发明提出一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，该方法能够量产的获取层数在100-300层的石墨烯微片材料，生产过程稳定，而且无污染，生产成本想比于现有的石墨烯制备方法，只有百分之一；制备的石墨烯微片材料不仅层数均匀，而且兼具优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性。另一方面，本发明制备的石墨烯微片材料的厚度介于纳米尺度范围之内，而其径向宽度介于5微米和30微米之间，具有超大的比表面积，因而可将石墨烯微片材料应用于橡胶、塑料、涂料、润滑油等复合材料中，作为添加剂使用时，添加使用量为重质量的4-25%；也可以作为进一步制备石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制备成本。

本发明利用高压水射流粉碎机制备的石墨烯微片材料，不但层数分散均匀，而且无污染、成本低，满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理等领域的要求，有利于推动石墨烯的大规模应用。其主要性能优势如表1所示。

表1：

本发明一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、利用热处理预处理石墨粉，减小石墨层之间范德华力，使得石墨层更易剥离。

2、利用高压水射流粉碎机，通过高压水射流粉碎机的一定直径的喷嘴使石墨粉与靶物碰撞粉碎，让石墨粉在通过喷嘴和撞击靶物的过程中，不断粉碎剥离，获得层数可控、分布均匀的石墨烯微片材料。

3、本发明制备方法易于控制，可实现连续化封闭式生产，投入小、成本低、无环境污染、产量高，具有显著的市场应用价值。

附图说明

为进一步说明利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，通过附图进行说明。

附图1：为高压水射流粉碎机示意图。1-高压泵站；2-节流阀；3-高压储料罐；4-流态化室；5-混合室；6-喷嘴；7-靶物。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法：

（1）将重量份为90的石墨粉在加热温度为150℃下加热预处理，加热时间为40min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为1.0的乙醇，重量份为0.5的三聚磷酸钾以及重量份为500的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速200rpm搅拌，搅拌时间5min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

（3）将步骤（2）得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入喷嘴直径为1.7mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，高压水射流粉碎机设置了高压泵站，高压泵站以45MPa的压力喷射两股高压水，石墨粉水溶液通过其中一股高压泵站产生的高压水在流态化室获得初始速度，然后在混合室与另一股高压站产生的高压水充分混合，混合后的石墨粉以悬浮状态送到喷嘴，作为载体的高压水通过喷嘴被加速的同时带动石墨粉加速，石墨粉以接近水射流的速度，喷向坚硬的靶物，并与靶物产生强烈碰撞，从而发生粉碎剥离。

（4）将步骤（3）得到的石墨烯初级产物送入喷嘴直径为1.0mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，通过高压水射流粉碎机将石墨烯初级产物通过喷嘴以接近水射流的速度与坚硬的靶物碰撞粉碎，经过滤、烘干，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料。

实施例2

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法：

（1）将重量份为100的石墨粉在加热温度为200℃下加热预处理，加热时间为60min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为2.0的乙醇，重量份为1.5的三聚磷酸钾以及重量份为1000的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速500rpm搅拌，搅拌时间25min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

（3）将步骤（2）得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入喷嘴直径为1.7mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，高压水射流粉碎机设置了高压泵站，高压泵站以60MPa的压力喷射两股高压水，石墨粉水溶液通过其中一股高压泵站产生的高压水在流态化室获得初始速度，然后在混合室与另一股高压站产生的高压水充分混合，混合后的石墨粉以悬浮状态送到喷嘴，作为载体的高压水通过喷嘴被加速的同时带动石墨粉加速，石墨粉以接近水射流的速度，喷向坚硬的靶物，并与靶物产生强烈碰撞，从而发生粉碎剥离。

（4）将步骤（3）得到的物料送入喷嘴直径为1.0mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，通过高压水射流粉碎机将石墨烯初级产物通过喷嘴以接近水射流的速度与坚硬的靶物碰撞粉碎，经过滤、烘干，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料。

实施例3

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法：

（1）将重量份为94的石墨粉在加热温度为180℃下加热预处理，加热时间为50min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为1.6的乙醇，重量份为1.1的三聚磷酸钾以及重量份为680的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速450rpm搅拌，搅拌时间12min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

（3）将步骤（2）得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入喷嘴直径为1.7mm高压水射流粉碎机的高压储料罐中，高压水射流粉碎机设置了高压泵站，高压泵站以50MPa的压力喷射两股高压水，石墨粉水溶液通过其中一股高压泵站产生的高压水在流态化室获得初始速度，然后在混合室与另一股高压站产生的高压水充分混合，混合后的石墨粉以悬浮状态送到喷嘴，作为载体的高压水通过喷嘴被加速的同时带动石墨粉加速，石墨粉以接近水射流的速度，喷向坚硬的靶物，并与靶物产生强烈碰撞，从而发生粉碎，得到石墨烯初级产物。

实施例4

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法：

（1）将重量份为96的石墨粉在加热温度为180下加热预处理，加热时间为45min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为1.5的乙醇，重量份为0.9的三聚磷酸钾以及重量份为800的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速420rpm搅拌，搅拌时间10min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

实施例5

一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法：

（1）将重量份为92的石墨粉在加热温度为155℃下加热预处理，加热时间为60min，得到热膨胀的石墨粉；

（2）将步骤（1）得到的石墨粉和重量份为1.7的乙醇，重量份为1.3的三聚磷酸钾以及重量份为700的水加入高速混合机中，加入过程中同时以转速500rpm搅拌，搅拌时间15min，得到分散性良好的石墨粉水溶液；

Claims

1.一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：先将石墨粉加热预处理，然后均匀分散，再通过高压水射流粉碎机的一定直径的喷嘴使石墨粉与靶物碰撞粉碎，获得层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料，具体方法如下：

2.根据权利要求1所述一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：所述石墨粉为膨胀石墨、热裂解石墨中的任一种，粒径介于1mm和5mm之间。

3.根据权利要求1所述一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：所述的高压水射流粉碎机包括高压泵站、节流阀、高压储料罐、流态化室、混合室、喷嘴、靶物；所述节流阀至少一个；所述喷嘴至少一个，当喷嘴有两个及以上时，喷嘴间既可以交替工作，也可以同时工作。

4.根据权利要求1所述一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中高压水射流粉碎机喷嘴直径小于部分石墨粉粒径，使得石墨粉在通过喷嘴时，喷嘴会对石墨粉产生挤压、摩擦、粉碎剥离。

5.根据权利要求1所述一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：所述的步骤（4）中高压水射流粉碎机喷嘴直径小于部分石墨粉粒径，使得石墨粉在通过喷嘴时，喷嘴会对石墨粉产生挤压、摩擦、粉碎剥离，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片材料。

6.根据权利要求1所述一种利用高压水射流粉碎机制备石墨烯微片材料的方法，其特征在于：所述方法制备的石墨烯微片材料满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理领域的应用。

7.根据权利要求6所述石墨烯微片材料的应用，其特征在于：添加使用量为重质量的4-25%。