CN105727811B - 石墨烯混合剥离系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯混合剥离系统及方法，该系统包括预分散系统、换热系统、加热及冷却系统、输送系统、传动系统及控制系统，还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；所述预分散系统包括分散桶及搅拌分散装置，所述输送系统包括与分散桶连接的隔膜泵，换热系统包括连接于隔膜泵与分散桶之间及连接于隔膜泵与所述超声波分散系统之间的换热器，隔膜泵与分散桶之间的连接管道上安装有第一三通阀及第二三通阀，隔膜泵与第一换热器及第二换热器之间通过第三三通阀连接；所述粉碎均质系统包括粉碎均质工作头，粉碎均质工作头通过管道连接所述第一三通阀及第二三通阀，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头下端的剥离均质工作头。

Description

石墨烯混合剥离系统及方法

技术领域

本发明涉及石墨烯的生产设备领域，特别涉及石墨烯的混合剥离设备。

背景技术

目前，石墨烯具有独特的结构和优异的性能,是人类已知的强度最高的物质。石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。该材料具有许多新奇的物理特性，它是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体。此外，还可用石墨烯制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等。近年来在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣，并且在石墨烯的制备上已取得了不少的进展。

石墨烯的现有的制备方法和缺陷：一、氧化还原法，这种方法环保、高效、成本低，广泛应用与工业化生产，其缺陷在于氧化剂会严重破坏石墨烯的电子结构以及晶体的完整性，影响电子性质，因而在一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。二、液相直接剥离法，因以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，制备过程不涉及化学变化石墨烯具有成本低、操作简单、产品质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷。三、电化学剥离法，该法最早以苯环或其它芳香体系为核，通过多步偶联反应使苯环或大芳香环上6个C均被取代，循环往复，使芳香体系变大，得到一定尺寸的平面结构的石墨烯，可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求，但现阶段因其较高的成本、复杂的工艺以及精确的控制加工条件制约了这种方法制备石墨烯的发展，有待进一步研究。四、生物质催化，首先在1150℃下让C原子渗入钌中，然后冷却至850℃，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯，但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。

综上所述，石墨烯的各种制备方法均含有较大的局限性，如结构缺陷多、导电性能差、产能低、难以规模化生产、成本高、品质低等。

发明内容

本申请人针对现有技术的上述缺点，进行研究和设计，提供一种石墨烯混合剥离系统，其采用宏观分散混合/微观粉碎均质及微观剥离均质三个阶段，实现对石墨烯的充分粉碎、分散、剥离、均质，显著提高石墨烯的生产效率及质量。

为了解决上述问题，本发明采用如下方案：

一种石墨烯混合剥离系统，包括预分散系统、换热系统、加热及冷却系统、输送系统、传动系统及控制系统，还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；所述预分散系统包括分散桶及搅拌分散装置，所述输送系统包括与分散桶连接的隔膜泵，所述换热系统包括连接于隔膜泵与分散桶之间的第一换热器及连接于隔膜泵与所述超声波分散系统之间的第二换热器，所述隔膜泵与分散桶之间的连接管道上安装有第一三通阀及第二三通阀，隔膜泵与第一换热器及第二换热器之间通过第三三通阀连接；所述粉碎均质系统包括与传动系统连接的粉碎均质工作头，粉碎均质工作头的一侧通过管道连接所述第一三通阀及第二三通阀，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头下端的剥离均质工作头，所述超声波分散系统包括连接于第二换热器与剥离均质工作头之间的超声波分散管。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述搅拌分散装置包括由气动马达驱动的搅拌杆及安装于搅拌杆端部的分散盘，所述搅拌杆倾斜置于所述分散桶中。

所述分散盘包括盘体及安装于盘体周面的搅拌片，相邻的搅拌片相对盘体的朝向相反。

所述粉碎均质工作头包括安装于均质桶内的筛网、定子及转子，转子包括中心的驱动轴及以驱动轴为中心向外间隔布置的切割圈，驱动轴的周壁设有切割刀片；所述定子包括内外间隔布置的分割圈，转子的切割圈相间置于相邻的分割圈中。

内外的切割圈上沿着其圆周间隔设置有第一分割槽，所述第一分割槽相对切割圈的径向带有偏角(α)；内外的分割圈上沿着其圆周间隔设置有第二分割槽，第二分割槽沿着分割圈的径向设置。

所述剥离均质工作头(包括安装于泵体中的转杯，转杯包括中心的转轴及通过支撑板连接于转轴外围的转筒，所述转筒的侧壁均布有通孔。

一种利用所述石墨烯混合剥离系统的石墨烯混合剥离方法，包括以下步骤：

第一步，在分散桶中加入溶剂，启动预分散系统的驱动电机、隔膜泵，打开第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜泵、分散桶及第一换热器连通，形成分散桶-隔膜泵-第一换热器-分散桶的闭合宏观分散混合循环系统，加热及冷却系统对第一换热器加热；

第二步，启动粉碎均质工作头的驱动电机，调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜泵与粉碎均质工作头及第一换热器连通、粉碎均质工作头与分散桶连通，形成分散桶-粉碎均质工作头-隔膜泵-第一换热器-分散桶的闭合微观粉碎均质循环系统，加热及冷却系统对第一换热器加热；

第三步，调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜泵与粉碎均质工作头及第二换热器连通、分散桶与粉碎均质工作头连通，形成分散桶-粉碎均质工作头-隔膜泵-第二换热器-超声波分散管-剥离均质工作头的微观剥离均质系统，加热及冷却系统对第二换热器进行冷却，冷却后的石墨烯进入超声波分散管进行超声波分散，经超声波分散管分散后的石墨烯进入剥离均质工作头，完成剥离均质后的石墨烯从与剥离均质工作头连接的输出管输出；

第四步，石墨烯的分散作业完成后，向分散桶中注入清洗液，调节调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，启动气动马达及传动系统，对管道中的残留物进行清理，清理后的污水从输出管排出。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统的工作时间范围为：25-35分钟；所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统的工作时间范围为：5-25分钟；所述第三步中微观剥离均质系统的工作时间范围为：2-5分钟。

所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统的工作时间为30分钟；所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统的工作时间为10分钟；所述第三步中微观剥离均质系统的工作时间为3分钟。

本发明的技术效果在于：

本发明使用时，对石墨烯的混合分为三个阶段。

本发明通过宏观分散混合阶段、微观粉碎均质阶段及微观剥离均质阶段，宏观搅拌分散后，在超细粉碎工作部件中的强烈的机械剪切力的作用下，将溶液中的石墨烯粉团等团聚体进一步粉碎并打散，得到足够细小的粉体颗粒，并均匀分布于溶液中，从而达到细化与均质的作用，可显著提高浆料混料效率；在超细粉碎工作部件中，转子刀片高速运转形成的薄膜状结构，在高强度的液力剪切力作用下，能够将溶液中的石墨烯微粉及团聚体进一步打散并剥离，充分将石墨烯进行片状剥离，并均匀分布于溶液中。

采用本发明进行石墨烯混合分散，其优点有：

1、分散过程全部在密闭环境中完成，无粉尘产生，改善工作环境；

2、超高速剪切分散原理，实现微观超细分散；

3、相比传统工艺，可缩短工作时间，提高生产效率；

4、将粉碎、分散、剥离、均质有机的组合在一起，多种分散形式相结合，取长补短，提高分散的效果；

5、多循环的管道设计，可根据分散出的效果，选择粉碎均质的次数以及整个流程的次数；

6、管道中分布两个换热管，可根据需要对分散中的浆液进行冷却或者加热；

7、配冷热水交换机，随时提供冷却水和加热水；

8、管道的排布设计比较合理，既能满足全密闭生产，有能满足在线清洗要求。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明工作原理示意图。

图3为本发明的立体结构图。

图4为本发明中搅拌分散装置的立体结构图。

图5为本发明中分散盘的立体结构图。

图6为本发明中粉碎均质工作头的转子的立体结构图。

图7为本发明中粉碎均质工作头的转子主视图。

图8为本发明中粉碎均质工作头的定子的立体结构图。

图9为本发明中粉碎均质工作头的

图10为本发明中粉碎均质工作头的立体结构图。

图11为本发明中剥离均质工作头的立体结构图。

图12为剥离均质工作头的另一立体结构图。

图13为本发明中超声波分散管的立体结构图。

图中：1、预分散系统；2、第一换热器；3、第一三通阀；4、第二三通阀；5、第三三通阀；6、粉碎均质工作头；600、均质桶；601、筛网；602、定子；6021、分割圈；6022、第二分割槽；603、转子；6031、驱动轴；6032、切割圈；6033、切割刀片；6034、第一分割槽；7、剥离均质工作头；701、泵体；702、转杯；7021、转轴；7022、支撑板；7023、转筒；7024、通孔；8、隔膜泵；9、第二换热器；10、声波分散管；100、分散桶；101、搅拌分散装置；1011、气动马达；1012、搅拌杆；1013、分散盘；10131、盘体；10132、搅拌片；11、加热及冷却系统；12、传动系统；13、闭合宏观分散混合循环系统；14、闭合微观粉碎均质循环系统；15、微观剥离均质系统；16、输出管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1、图2及图3所示，本实施例的石墨烯混合剥离系统，包括预分散系统1、换热系统、加热及冷却系统11、输送系统、传动系统12及控制系统，还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；预分散系统1包括分散桶100及搅拌分散装置101，输送系统包括与分散桶100连接的隔膜泵8，换热系统包括连接于隔膜泵8与分散桶100之间的第一换热器2及连接于隔膜泵8与超声波分散系统之间的第二换热器9，隔膜泵8与分散桶100之间的连接管道上安装有第一三通阀3及第二三通阀4，隔膜泵8与第一换热器2及第二换热器9之间通过第三三通阀5连接；粉碎均质系统包括与传动系统12连接的粉碎均质工作头6，粉碎均质工作头6的一侧通过管道连接第一三通阀3及第二三通阀4，剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头6下端的剥离均质工作头7，超声波分散系统包括连接于第二换热器9与剥离均质工作头7之间的超声波分散管10。

如图4、图5所示，预分散系统1中，搅拌分散装置101包括由气动马达1011驱动的搅拌杆1012及安装于搅拌杆1012端部的分散盘1013，搅拌杆1012倾斜置于分散桶100中。为提高分散效果，分散盘1013包括盘体10131及安装于盘体10131周面的搅拌片10132，相邻的搅拌片10132相对盘体10131的朝向相反。

如图2、图3所示，本实施例的石墨烯混合剥离方法，包括以下步骤：

第一步，在分散桶100中加入石墨烯溶剂，启动预分散系统1的驱动电机、隔膜泵8，打开第一三通阀3、第二三通阀4及第三通阀5，使隔膜泵8、分散桶100及第一换热器2连通，形成分散桶100-隔膜泵8-第一换热器2-分散桶100的闭合宏观分散混合循环系统13，加热及冷却系统11对第一换热器2加热；将石墨烯粉末逐渐的加入到搅拌罐中，电机带动分散盘对石墨烯粉末进行初步的分散，加热及冷却系统对第一换热器2进行加热，提高石墨烯粉末在溶剂中的溶解度，能够充分溶解。

第二步，启动粉碎均质工作头6的驱动电机，调节第一三通阀3、第二三通阀4及第三通阀5，使隔膜泵8与粉碎均质工作头6及第一换热器2连通、粉碎均质工作头6与分散桶100连通，形成分散桶100-粉碎均质工作头6-隔膜泵8-第一换热器2-分散桶100的闭合微观粉碎均质循环系统14，加热及冷却系统11对第一换热器2冷却，降低溶液的温度，使闭合的回路可以工作多次，从而提高石墨烯的粉碎均质的效果；

第三步，调节第一三通阀3、第二三通阀4及第三通阀5，使隔膜泵8与粉碎均质工作头6及第二换热器9连通、分散桶100与粉碎均质工作头6连通，形成分散桶100-粉碎均质工作头6-隔膜泵8-第二换热器9-超声波分散管10-剥离均质工作头7的微观剥离均质系统15，加热及冷却系统11对第二换热器9进行冷却，冷却后的石墨烯进入超声波分散管10进行超声波分散，经超声波分散管10分散后的石墨烯进入剥离均质工作头7，完成剥离均质后的石墨烯从与剥离均质工作头7连接的输出管16输出；

整个混合分散流程完成之后，如果需要提高分散效果，可以进行循环分散工作。

第四步，石墨烯的分散作业完成后，向分散桶100中注入清洗液，调节调节第一三通阀3、第二三通阀4及第三通阀5，启动气动马达1011及传动系统3，对管道中的残留物进行清理，清理后的污水从输出管16排出。

本发明中，第一步中闭合宏观分散混合循环系统13的工作时间范围为：25-35分钟；第二步中闭合微观粉碎均质循环系统14的工作时间范围为：5-25分钟；第三步中微观剥离均质系统15的工作时间范围为：2-5分钟。

本发明中，闭合宏观分散混合循环系统13的最佳工作时间为30分钟，闭合微观粉碎均质循环系统14的最佳工作时间为10分钟，微观剥离均质系统15的最佳工作时间为3分钟。

如图6至图10所示，本发明中，粉碎均质工作头6包括安装于均质桶600内的筛网601、定子602及转子603，转子603包括中心的驱动轴6031及以驱动轴6031为中心向外间隔布置的切割圈6032，驱动轴6031的周壁设有切割刀片6033；定子602包括内外间隔布置的分割圈6021，转子603的切割圈6032相间置于相邻的分割圈6021中。内外的切割圈6032上沿着其圆周间隔设置有第一分割槽6034，第一分割槽6034相对切割圈6032的径向带有偏角α；内外的分割圈6021上沿着其圆周间隔设置有第二分割槽6022，第二分割槽6022沿着分割圈6021的径向设置。

粉碎均质工作头6工作时，启动分散电机，当预混合的石墨烯混合液进入到该工作腔中，电机传动到轴系，使齿式转子603高速旋转，由于转子603与筛网601的间距设计的比较小，加工是均留有一定的刀口，并且形成一定的角度，可对预分散的石墨烯溶液进行进一步的粉碎均质工作，并且通过管道中球阀的开关调整，可以将石墨烯溶液进行循环多次的粉碎均质，此时换热器中通冷却水，可有效降低粉碎过程中溶液的温度，进一步增加粉碎均质的次数，使粉碎均质的效果更好。

如图11、图12所示，剥离均质工作头7包括安装于泵体701中的转杯702，转杯702包括中心的转轴7021及通过支撑板7022连接于转轴7021外围的转筒7023，转筒7023的侧壁均布有通孔7024。

剥离均质工作头使用时，石墨烯溶液从下端口进入，通过转杯702的高速旋转对泵体701内的溶液进行剥离均质，再经过侧边的管道出口排出。

本发明的超声波分散系统的工作原理为：超声波在溶液中传播时，通过机械作用、空化作用和热作用，产生力学、热学、化学等一系列效应。声空化是指在声波作用下，存在于液体中的微小气泡(空穴)所发生的一系列动力学过程：振荡、扩大、收缩乃至崩溃。在发生空化处，液体局部的状态发生很大的变化，会产生极端的高温和高压。当超声波发生器输出高频电压加于超声振动子，经振动子变幅杆机械振幅放大后在分散工具作用下，在管道中进行强烈的分散处理。

本发明设置两组管道换热系统：在管道的排布中合理的放置两组换热器，对工作过程中的石墨烯溶液进行加热或者冷却。

本发明中的加热及制冷系统11：配置一台冷热水交换器，配合管道中换热器工作，控制工作过程中石墨烯溶液的温度。

本发明还包括智能控制系统：整个工作流程都是通过电控箱进行控制，根据客户的需求，选择控制面板上的按钮，控制需要的工作流程。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种石墨烯混合剥离系统，包括预分散系统(1)、换热系统、加热及冷却系统(11)、输送系统、传动系统(12)及控制系统，其特征在于：还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；所述预分散系统(1)包括分散桶(100)及搅拌分散装置(101)，所述输送系统包括与分散桶(100)连接的隔膜泵(8)，所述换热系统包括连接于隔膜泵(8)与分散桶(100)之间的第一换热器(2)及连接于隔膜泵(8)与所述超声波分散系统之间的第二换热器(9)，所述隔膜泵(8)与分散桶(100)之间的连接管道上安装有第一三通阀(3)及第二三通阀(4)，隔膜泵(8)与第一换热器(2)及第二换热器(9)之间通过第三三通阀(5)连接；所述粉碎均质系统包括与传动系统(12)连接的粉碎均质工作头(6)，粉碎均质工作头(6)的一侧通过管道连接所述第一三通阀(3)及第二三通阀(4)，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头(6)下端的剥离均质工作头(7)，所述超声波分散系统包括连接于第二换热器(9)与剥离均质工作头(7)之间的超声波分散管(10)。

2.按照权利要求1所述的石墨烯混合剥离系统，其特征在于：所述搅拌分散装置(101)包括由气动马达(1011)驱动的搅拌杆(1012)及安装于搅拌杆(1012)端部的分散盘(1013)，所述搅拌杆(1012)倾斜置于所述分散桶(100)中。

3.按照权利要求2所述的石墨烯混合剥离系统，其特征在于：所述分散盘(1013)包括盘体(10131)及安装于盘体(10131)周面的搅拌片(10132)，相邻的搅拌片(10132)相对盘体(10131)的朝向相反。

4.按照权利要求1所述的石墨烯混合剥离系统，其特征在于：所述粉碎均质工作头(6)包括安装于均质桶(600)内的筛网(601)、定子(602)及转子(603)，转子(603)包括中心的驱动轴(6031)及以驱动轴(6031)为中心向外间隔布置的切割圈(6032)，驱动轴(6031)的周壁设有切割刀片(6033)；所述定子(602)包括内外间隔布置的分割圈(6021)，转子(603)的切割圈(6032)相间置于相邻的分割圈(6021)中。

5.按照权利要求4所述的石墨烯混合剥离系统，其特征在于：内外的切割圈(6032)上沿着其圆周间隔设置有第一分割槽(6034)，所述第一分割槽(6034)相对切割圈(6032)的径向带有偏角(α)；内外的分割圈(6021)上沿着其圆周间隔设置有第二分割槽(6022)，第二分割槽(6022)沿着分割圈(6021)的径向设置。

6.按照权利要求1所述的石墨烯混合剥离系统，其特征在于：所述剥离均质工作头(7)包括安装于泵体(701)中的转杯(702)，转杯(702)包括中心的转轴(7021)及通过支撑板(7022)连接于转轴(7021)外围的转筒(7023)，所述转筒(7023)的侧壁均布有通孔(7024)。

7.一种利用权利要求1所述的石墨烯混合剥离系统的石墨烯混合剥离方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在分散桶(100)中加入溶剂，启动预分散系统(1)的驱动电机、隔膜泵(8)，打开第一三通阀(3)、第二三通阀(4)及第三通阀(5)，使隔膜泵(8)、分散桶(100)及第一换热器(2)连通，形成分散桶(100)-隔膜泵(8)-第一换热器(2)-分散桶(100)的闭合宏观分散混合循环系统(13)，加热及冷却系统(11)对第一换热器(2)加热；

第二步，启动粉碎均质工作头(6)的驱动电机，调节第一三通阀(3)、第二三通阀(4)及第三通阀(5)，使隔膜泵(8)与粉碎均质工作头(6)及第一换热器(2)连通、粉碎均质工作头(6)与分散桶(100)连通，形成分散桶(100)-粉碎均质工作头(6)-隔膜泵(8)-第一换热器(2)-分散桶(100)的闭合微观粉碎均质循环系统(14)，加热及冷却系统(11)对第一换热器(2)加热；

第三步，调节第一三通阀(3)、第二三通阀(4)及第三通阀(5)，使隔膜泵(8)与粉碎均质工作头(6)及第二换热器(9)连通、分散桶(100)与粉碎均质工作头(6)连通，形成分散桶(100)-粉碎均质工作头(6)-隔膜泵(8)-第二换热器(9)-超声波分散管(10)-剥离均质工作头(7)的微观剥离均质系统(15)，加热及冷却系统(11)对第二换热器(9)进行冷却，冷却后的石墨烯进入超声波分散管(10)进行超声波分散，经超声波分散管(10)分散后的石墨烯进入剥离均质工作头(7)，完成剥离均质后的石墨烯从与剥离均质工作头(7)连接的输出管(16)输出；

第四步，石墨烯的分散作业完成后，向分散桶(100)中注入清洗液，调节调节第一三通阀(3)、第二三通阀(4)及第三通阀(5)，启动气动马达(1011)及传动系统(3)，对管道中的残留物进行清理，清理后的污水从输出管(16)排出。

8.按照权利要求7所述的石墨烯混合剥离方法，其特征在于：所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统(13)的工作时间范围为：25-35分钟；所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统(14)的工作时间范围为：5-25分钟；所述第三步中微观剥离均质系统(15)的工作时间范围为：2-5分钟。

9.按照权利要求8所述的石墨烯混合剥离方法，其特征在于：所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统(13)的工作时间为30分钟；所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统(14)的工作时间为10分钟；所述第三步中微观剥离均质系统(15)的工作时间为：3分钟。