CN105797819B - 机械剥落装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于提供预定力的装置、用于保持颗粒材料和介质的容器、介质、用于操作该设备的相关参数以及方法和由该装置和方法提供的组分。

Description

机械剥落装置
本分案申请是基于申请号为201380017776.8(其国际申请号为PCT/US2013/032741)、申请日为2013年3月18日、发明名称为“机械剥落装置”的中国专利申请的分案申请。
本申请关于：
发明人Scott L.Murray(居住在Michigan州的Ingham县的East Lansing)、JimL.Peyton(居住在Kentucky州的Madison县的Richmond)和Korey Morris(居住在Kentucky州的Fayette县的Lexington)都是美国的公民，发明了本申请。
背景技术
在化学上、热学上和机械上已经有多种发明和努力来生产石墨烯(graphene)。剥落包括除去在石墨的最外侧表面上的层。球磨是这些方法中最常用的，且该方法包括使用多种研磨介质在封闭容器中研磨石墨烯。球磨机只沿一个方向运动，也就是在水平轴线上旋转。现有技术的方法已经介绍了结果，不过它们没有介绍特定机械力的类型和大小以及成功应用所需的部件系统。
本申请人知道WO2011006814，该WO2011006814涉及一种用于提供颗粒材料的湿处理。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种装置，该装置包括多部件系统，以便使用多轴线方法来机械剥落颗粒材料。在该实施例中，颗粒材料或多层材料的多个层通过利用机械运动通过控制剪切来除去。
本发明的装置包括：机器，用于提供力；容器，用于保持颗粒材料和介质；介质；用于操作该设备的相关参数；以及方法和由该装置和方法提供的组分。
因此，在一个实施例中要求保护一种用于机械剥落颗粒材料的装置，该颗粒材料有基底平面(basil plane)，所述装置结合地包括支承框架、马达安装件和安装在该马达安装件上的马达，该马达有驱动轴，其中，该驱动轴有安装于其上的从动飞轮。
支承框架有非固定板，该非固定板通过安装的吸振器而置于该支承框架上面。非固定板具有前端和后端，它有刚性地置于其上的非固定板。
还有处理器组件，该处理器组件包括：主驱动轴，该主驱动轴有穿过驱动轴安装件延伸的两端部，主驱动轴包括在其端部之间的飞轮。
还有在主驱动轴上的一个或多个凸轮和在主驱动轴的各端部上的紧固部件，以便将主驱动轴保持在驱动轴安装件中。
还有罐载体，该罐载体安装在各凸轮上，罐载体包括毂，毂有安装托架的外表面和支承轴承的内部平表面。
还有稳定器驱动机构，稳定器驱动机构包括：环齿轮，该环齿轮由小齿轮驱动；以及第二驱动轴，该第二驱动轴置于非固定平板上。第二驱动轴安装在置于非固定平板上的第二驱动轴安装件中。
第二驱动轴有至少三个第一驱动轮。还有传动连接件，该传动连接件使得各第一驱动轮与对齐的第二驱动轮连接。
另外，一个实施例是一种用于机械剥落颗粒材料的装置，装置组合地包括支承框架。支承框架包括上部杆框架和下部杆框架，其中，上部杆框架和下部杆框架由竖直支腿来支承。上部杆框架和下部杆框架相互平行和间隔开；
还有马达安装件，该马达安装件安装在下部杆框架上并由该下部杆框架支承。还有安装在马达安装件上的马达，马达有驱动轴，驱动轴有安装于其上的从动飞轮。
上部杆框架有非固定板，该非固定板通过至少四个角部安装的吸振安装件而置于该上部杆框架上面。非固定板具有前端和后端。非固定板有刚性地置于其上的驱动轴安装件。非固定板有在较小中心开口两侧的两个大开口，且驱动轴安装件布置在大开口的外侧边缘。
还有处理器组件，该处理器组件包括主驱动轴，该主驱动轴有穿过全部驱动轴安装件延伸的两端部。主驱动轴包括在其端部之间的中心处的飞轮。还有：两个凸轮，各自在飞轮和主驱动轴的端部之间的中心处；以及在主驱动轴的各端部上的紧固部件，以便将主驱动轴保持在驱动轴安装件中。
还有罐载体，该罐载体安装在各凸轮上，罐载体包括：毂，其中，毂有安装托架的外表面和支承轴承的内部平表面，还有安装在外部毂上的驱动部件例如稳定器环齿轮。还有稳定器壳体，该稳定器壳体可旋转地安装在主驱动轴上并靠近稳定器环齿轮，稳定器壳体包含在主驱动轴附近的内部轴承，其中，还有稳定器小齿轮，该稳定器小齿轮环绕稳定器壳体，并与稳定器环齿轮啮合。
还有稳定器驱动机构，稳定器驱动机构包括第二驱动轴，该第二驱动轴置于非固定平板上并靠近它的后端。第二驱动轴安装在置于非固定平板上的第二驱动轴安装件中。第二驱动轴有至少三个第一驱动轮，在第二驱动轴的端部附近各有一个，另一个在第二驱动轴的中心处。
主驱动轴有至少三个第二驱动轮，各第二驱动轮与在第二驱动轴上的第二端部第一驱动轮对齐，中心处的第一驱动轮与安装在齿轮减速器上的第三驱动轮对齐。齿轮减速器置于非固定平板上并在飞轮和第二轴之间。齿轮减速器有第四驱动轮，该第四驱动轮通过减速齿轮而与第三驱动轮机械连接，第四驱动轮和中心处的第一驱动轮通过传动连接件来连接，该传动连接件使得各第一驱动轮与对齐的第二驱动轮连接。
在另一实施例中有一种用于机械剥落颗粒材料的装置，所述装置包括支承框架。支承框架包括上部杆框架和下部杆框架，其中，上部杆框架和下部杆框架由竖直支腿来支承。上部杆框架和下部杆框架相互平行和间隔开。
还有马达安装件，该马达安装件安装在下部杆框架上并由该下部杆框架支承，还有安装在马达安装件上的马达，马达有驱动轴，驱动轴有安装于其上的从动飞轮。
上部杆框架有非固定板，该非固定板通过至少四个角部安装的吸振安装件而置于该上部杆框架上面。非固定板具有前端和后端。非固定板有刚性地置于其上的驱动轴安装件。非固定板有在较小中心开口两侧的两个大开口，且驱动轴安装件布置在大开口的外侧边缘上。
还有处理器组件，该处理器组件包括主驱动轴，该主驱动轴有穿过全部驱动轴安装件延伸的两端部。主驱动轴包括在其端部之间的中心处的飞轮。还有：两个凸轮，各自在飞轮和主驱动轴的端部之间的中心处；以及在主驱动轴的各端部上的紧固部件，以便将主驱动轴保持在驱动轴安装件中。
还有罐载体，该罐载体安装在各凸轮上，罐载体包括：毂，其中，毂有安装托架的外表面和支承轴承的内部平表面，还有安装在外部毂上的稳定器环齿轮。还有稳定器壳体，该稳定器壳体可旋转地安装在主驱动轴上并靠近第一稳定器轮，稳定器壳体包含在主驱动轴附近的内部轴承，其中，还有第二稳定器轮，该第二稳定器轮环绕稳定器壳体，并与第一稳定器轮啮合。
还有稳定器驱动机构，稳定器驱动机构包括第二驱动轴，该第二驱动轴置于非固定平板上并靠近它的后端。第二驱动轴安装在置于非固定平板上的第二驱动轴安装件中。第二驱动轴有至少三个第一驱动轮，在第二驱动轴的端部附近各有一个，另一个在第二驱动轴的中心处。
主驱动轴有至少三个第二驱动轮，各第二驱动轮与在第二驱动轴上的第二端部第一驱动轮对齐，中心处的第一驱动轮与安装在齿轮减速器上的第三驱动轮对齐。齿轮减速器置于非固定平板上并在飞轮和第二轴之间。齿轮减速器有第四驱动轮，该第四驱动轮通过减速齿轮而与第三驱动轮机械连接，第四驱动轮和中心处的第一驱动轮通过传动连接件来连接，该传动连接件使得各第一驱动轮与对齐的第二驱动轮连接。
在还一实施例中，有一种驱动轴。该驱动轴包括以下部件并与之成一体：线性轴，该线性轴有两个末端和中心点。线性轴在中心点处牢固安装飞轮。还有两个凸轮，各自有近端和远端。各凸轮有穿透的开口，因此，开口在近端处在凸轮的底边缘附近开始，并穿过远端终止于顶边缘附近。线性轴穿过凸轮中的开口延伸，并延伸超过凸轮的远端。驱动轴有安装于其上的、邻近飞轮的驱动轮。
在本发明的还一实施例中，有一种环齿轮。该环齿轮包括：内表面和外表面，内表面包括多个齿轮齿，齿轮齿的数目和形状与在相邻小齿轮上的相应齿轮匹配，从而与之啮合。
还一实施例是一种凸轮组件，它包括圆柱形壳体。该圆柱形壳体有近端和远端以及从近端延伸穿过远端的开口。开口在凸轮的近端处在底边缘附近开始，并穿过远端终止于顶边缘附近，远端有非圆形，至少一个所述端帽有插入其中的阀。
还一实施例是一种用于罐的载体组件。该载体组件包括有毂的壳体，该壳体有中心穿透的开口，该开口有内表面。毂有至少两个轴承，该轴承安装在壳体的内表面上，并在各毂内部。毂支承附接在毂上的成一体的罐托架。一个毂有固定地附接于其上的稳定器环齿轮，从而齿轮的齿轮面背离毂。
在还一实施例中，具有载体组件和至少一个罐的组合。
还有罐实施例，该罐包括空心圆柱体，该空心圆柱体有两个末端，各末端有安装于其上的可密封帽。有至少一个端帽，其具有插入其中的阀。
附图说明
图1是本发明装置的俯视透视图。
图2是本发明装置的完全俯视图。
图3是本发明装置的完全正视图。
图4是本发明装置从与马达相反的端部看的完全端视图。
图5是本发明装置从马达安装件端部看的完全端视图。
图6是本发明的主驱动轴和它的组成部件的完全侧视图。
图7是图6的主驱动轴的透视图。
图8是本发明的凸轮的完全侧视图。
图9是本发明的凸轮的完全端视图，表示了矩形插入件和穿透的开口。
图10是图8的凸轮的透视图。
图11是图9的凸轮沿线A-A的剖视图。
图12是安装在凸轮上的罐载体的局部剖视图。
图13是罐载体的端视图(表示了安装有罐的罐托架)和环齿轮的端视图。
图14是图13的罐载体的完全侧视图。
图15是图13的罐载体的透视图。
图16是使用摩擦轮的本发明稳定器组件的另一实施例。
图17是本发明的环齿轮的完全端视图。
图18是图17的环齿轮的完全边缘视图。
图19是图17的环齿轮从前面看的透视图。
图20是本发明的小齿轮的完全后视图。
图21是图20的小齿轮的完全侧视图。
图22是图20的小齿轮的后部的完全透视图。
图23是安装在平板上的第二驱动组件的俯视图。
图24是图23的驱动组件的端视图。
图25A是当装置运动时罐的轴线1轨道旋转的视图。
图25B是当装置运动时罐的轴线2轨道旋转的视图。
图25C是当装置运动时罐的平面轴线2平移和平面轴线1平移的视图。
图25D是当装置运动时罐的平面轴线3平移的视图。
图26是本发明的一个罐设计的完全侧视图。
图27是稳定器组件的局部放大图。
图28是本发明的同步驱动器的完全侧视图。
具体实施方式
下面参考图1，图中表示了本发明的装置1的完全俯视透视图。图2是装置的完全俯视图，图3是装置的完全正视图，而图4是本发明的装置从与马达安装件相反的端部看时的完全端视图。附图将被参考用于理解下面的信息。
在图1、2、3和4中表示了用于支承本发明的工作部件的框架2，因此表示有框架2的支腿3、上部杆框架4和下部杆框架5。
参考图5，图中表示了马达安装件6，该马达安装件6安装在下部杆框架5上，在该马达安装件6上安装有马达7，也在图3中更清楚表示。马达7是用于装置1的主驱动机构。马达具有马达驱动轴8，该马达驱动轴8在图4中表示，且从动飞轮9附接在该驱动轴8上。
如图1、2和3中清楚所示，上部杆框架4在其顶上具有非固定的平板10，该平板至少在四个角部11的每一个处由吸振安装件12来支承。非固定平板10具有前端13和后端14(图5中表示)。驱动轴安装件15刚性地安装在该平板10上，该驱动轴安装件15保持主驱动轴16，该主驱动轴16将在后面详细介绍。驱动轴安装件15布置在小开口(后面将介绍)的各侧和两个较大开口18(也后面将介绍)的各侧。
平板10有位于中心的小开口17和两个较大开口，这两个较大开口在该中心小开口17各侧。处理器组件19布置在这两个较大开口18中，处理器组件都由主驱动轴16支承和驱动，该主驱动轴16从在平板10的一个边缘处的驱动轴安装件15延伸至在平板10的相对边缘处的驱动轴安装件15。
在主驱动轴16上在中心处有主飞轮20，该主飞轮20在该小开口17中基本由主驱动轴16悬挂。因此，处理器组件19包括主驱动轴16和主飞轮20。
下面参考图6和7，图中表示了主驱动轴16的细节。图6是完全侧视图，图7是完全透视图。主驱动轴包括直轴21，主飞轮20和两个凸轮23安装在该直轴21上，该主飞轮在直轴21的端部22之间中心处，这两个凸轮23各自在主飞轮20和直轴21的端部22之间基本等距离间隔开。还表示了紧固件23，用于将主驱动轴16紧固在驱动轴安装件15(图6和7中未示出)中。用于主驱动轴的一种优选驱动机构表示为链轮24。
凸轮23在图8、9、10和11中详细表示。凸轮包括实心圆柱体31，该实心圆柱体31有一个平端部32和相对的端部33，该端部33设置成与竖直方向成很小角度θ，所述角度θ包括小于大约15°。(图8是本发明的凸轮23的完全侧视图。)应当知道，端部33还有与该端部相连的很小毂。在观察图9和10时，图中表示有开口34，该开口34为矩形形状，主驱动轴16的直轴21穿过该开口34延伸。由图11可知，开口34具有插入件35，该开口34的其余部分倾斜地穿过该凸轮23。这样，当主驱动轴16转动时，直轴21使得附接于其上的罐载体26进行不规则运动，如后面详细所述。
罐载体26安装在各凸轮23上(见图12、13、14、15和16)。罐载体26能够承载一个或多个罐27，如图13、14、15和16中所示。当凸轮23运动时，罐载体26运动。罐载体26有外部毂28(图12)，其中，外部毂28有外表面安装托架29。外部毂28有支承轴承30的内部平表面37。
罐能够由将承受力和并不污染罐内的材料的任何材料来制造。这样的可用材料例如包括不锈钢、电镀钢、聚碳酸酯、铝和钛。
在外部毂28上安装有稳定器组件，该稳定器组件在一个实施例中包括小齿轮36(图20、21和22)和环齿轮38(图17、18和19)，在另一实施例中，稳定器组件包括稳定器环39和稳定器轮40(见图16)。
在主驱动轴16上在稳定器环齿轮38(或者在另一实施例中，稳定器环39)附近可旋转地安装有稳定器壳体42。稳定器壳体42包含在主驱动轴16附近的内部轴承43。应当知道，小齿轮36包围稳定器壳体42，并从该位置与环齿轮38啮合(见图12)。
环齿轮38包括内表面44和外表面45。内表面44包括多个齿轮齿46，该齿轮齿46的数目和形状与在相邻小齿轮36上的相应齿相配，从而与其啮合。由图17和19可以知道，齿轮齿46在环齿轮28内向前倾斜。
下面参考图20、21和22，图中表示了小齿轮36，该小齿轮36与环齿轮38结合操作。应当知道，在小齿轮36上的齿47设置成与环齿轮38的齿轮齿46啮合。
还有稳定器驱动机构48，最好如图2和23、24中所示，该稳定器驱动机构48包括第二驱动轴49，该第二驱动轴49在非固定平板10上面，靠近该板10的后端。第二驱动轴49安装在第二驱动轴安装件50中，在图23中表示了三个第二驱动轴安装件50，所述安装件50安装在平板10上。第二驱动轴49有至少三个第一驱动轮51，在第二驱动轴49的每一端附近都有一个第一驱动轮，还有一个基本在第二驱动轴49的中心。
主驱动轴16有至少三个第二驱动轮52，该第二驱动轮52与在第二驱动轴49上的第二端第一驱动轮51对齐。在中心的第一驱动轮52与安装在齿轮减速器53上的第三驱动轮54对齐(图23中所示)。齿轮减速器53在非固定平板10上面并在从动飞轮9和第二轴39之间。齿轮减速器53有第四驱动轮55，该第四驱动轮55通过减速齿轮(未示出)而与第三驱动轮54机械连接。第四驱动轮55和在中心的第一驱动轮52通过传动连接件56(图5中表示)来连接。还有使得各第一驱动轮51与对齐的第二驱动轮52连接的第二传动连接件57。
图28是安装在罐载体26中的罐58的侧视图。该图表示了用于稳定的机构的放大图，即凸轮23、在凸轮上的轴承30、稳定器环38、稳定器毂28、传动连接件57(该传动连接件57是皮带传动器)、稳定器轴承43和主驱动轴16。罐尺寸的范围能够是长度为从12至15英寸，直径为从4至8英寸。
在连接驱动轮的这种方式中，在操作时，主驱动轴16沿逆时针旋转方向运动，用于稳定器单元的第二驱动轴49沿顺时针旋转方向运动。由于齿轮机构53，第二驱动轴49的运动比主驱动轴16慢得多。
在本发明的范围内还考虑替换用于第二驱动机构(该第二驱动机构驱动第二轴)的同步驱动单元。
图26表示了本发明的一个罐27设计的完全侧视图，其中，表示有罐27、帽60和大气控制阀62。
下面参考本发明的稳定器驱动机构的另一实施例，图28中表示了安装在非固定板10上的同步驱动器63的完全侧视图。同步驱动器63包括皮带系统，该皮带系统包括驱动皮带64，该驱动皮带64附接在驱动轮65上，并与第二轮66连接，该第二轮66安装在第二轴49上(图1中表示)。由图28中的箭头可以知道，主驱动轴16沿逆时针运动驱动，第二驱动轴49沿顺时针运动驱动。
装置1设计成在三个平面中和在轨道平面一、二或三中同时施加力(见图25A至25D)。图25A表示了轴线1轨道旋转。图25B表示了轴线2轨道旋转。图25C表示了平面轴线2沿竖直方向平移和平面轴线1沿水平方向平移。图25D表示了平面轴线3平移。
装置作用在介质上，以便使它同时在所有平面中平移。这样，装置的能量转变成用于使得颗粒材料剥落所需的应力状态。颗粒的其它研磨、磨削或尺寸减小的方法并不同时在这些平面中施加力或者使得介质平移。更通常是，这些机器只影响2或3平面，或者最多e位置和I轨道t。这些方法或机器的原理是使得介质运动，以使得介质能够做功。这导致产生粉碎。普通机器的操作并不产生允许发生剥落的正确应力环境。
除了通过剪切力来产生剥落，本发明还由于机器做功(而不是介质)而使得介质的磨损率或退化最小。本发明的装置使得介质运动，因此介质和装置用作一个单元，并不分离。
研磨介质选择为使得它提供最佳质量和提供正确的剪切力。质量由介质的比重来确定。如果比重太大，当介质与颗粒材料接触时产生的力将超过剪切界限值，并实际上成为拉伸或压缩。当力变成拉伸或压缩时，产生粉碎。如果介质的比重太小，当介质与颗粒材料接触时产生的力将提供有限的作用。
剪切力由介质的界面能来确定。如果界面能相对于要剥落的材料太大，当介质与颗粒材料接触时产生的力将超过剪切界限值，并实际上成为拉伸或压缩。当界面能和表面面积(通过直径来获得)进行优化时，装置的性能优化。可以使用混合直径的介质。当在介质和要剥落的材料之间的表面能太低时，介质在材料的表面上滑移，不会施加足够的剪切来引起剥落。
为了使得机器和介质用作一个单元和产生剥落，空腔和介质在该空腔中的充装量必须正确。空腔必须充装成与由平面矢量产生的运动长度成比例。当充装比率(Loverall比Lvoid)优化时，装置的性能提高。
在本发明的方法中(其中使用装置1)，需要使得产生的剪切力(或能量)在基底平面(basal plane)中足够高，以使得主要在这些平面中产生破裂(势能增加)(优先于通过拉伸力的破裂)。根据测试结果，下面最佳地介绍了条件，装置应当在该条件下操作。
介质质量与颗粒质量的比率应当在1:6至1:15的范围内；介质高度与罐高度的比应当为60至90％；自由空间与罐排量(displacement)的比应当小于40％；介质的比重应当为1.05至1.38。塑料介质优选用于该装置和方法，尽管其它已知的剥落介质也能够使用，只要它适合在本发明中使用的参数，即介质选择为与颗粒的比表面能匹配。实际操作时间应当在45分钟至大约1200分钟的范围内。
由该装置和方法产生的物质组分能够是任意颗粒材料或者颗粒材料的任意组合。优选的颗粒材料是具有基底平面的颗粒材料和剥落以形成小片。用于该方法的优选颗粒物质是剥落成石墨烯纳米小片的石墨。颗粒材料优选是高表面面积的石墨烯纳米小片，包括横向尺寸范围为1纳米至5微米范围内的微粒，并由一层至多层石墨烯构成，该石墨烯有从0.3纳米至10纳米范围内的z尺寸，并有从200至1200m2/g范围内的非常高BET表面面积。在一些实施例中，可以产生具有从30至200m2/g的BET表面面积的局部剥落颗粒物质。
装置可以包含一个或多个容器。它可以由一个驱动器马达提供一个以上的运动矩心。

Claims (6)

1.一种驱动轴，所述驱动轴包括以下部件并与它们成一体：
线性轴，所述线性轴具有两个末端和中心点；
所述线性轴在所述中心点处牢固安装飞轮；
两个凸轮，各凸轮都具有近端和远端；
各所述凸轮具有穿透的开口，因此，所述开口在所述近端处在所述凸轮的底边缘附近开始，并穿过所述远端在顶边缘附近终止；
所述线性轴延伸穿过所述凸轮中的所述开口，并延伸超过所述凸轮的所述远端；
所述驱动轴具有安装于其上的、邻近所述飞轮的驱动轮。
2.一种凸轮组件，包括：
圆柱形壳体，所述圆柱形壳体具有近端和远端以及从所述近端延伸穿过所述远端的开口；
所述开口在所述凸轮的所述近端处在底边缘附近开始，并穿过所述远端在顶边缘附近终止，所述远端具有非圆形，所述开口的近端中具有插入件，而该开口的其余部分倾斜地穿过凸轮。
3.一种用于罐的载体组件，所述载体组件包括：
有毂的壳体，所述有毂的壳体具有中心穿透的开口，所述开口具有内表面；
所述毂具有至少两个轴承，所述轴承安装在所述有毂的壳体的所述内表面上，并在各毂内部；其中，在所述有毂的壳体的所述中心穿透的开口中插入有凸轮，其中，所述至少两个轴承处于所述壳体的内表面与所述凸轮的外表面之间；
所述凸轮具有近端和远端，所述凸轮具有穿透的开口，所述凸轮的开口在所述近端处在所述凸轮的底边缘附近开始，并穿过所述远端在顶边缘附近终止；
所述毂支承附接在所述毂上的成一体的罐托架；
一个所述毂具有固定地附接于其上的稳定器环齿轮，从而所述环齿轮的齿轮面背离所述毂。
4.根据权利要求3所述的载体组件，其中，所述环齿轮包括：内表面和外表面，所述内表面包括多个齿轮齿，齿轮齿的数目和形状与在相邻小齿轮上的相应齿轮匹配，从而与其啮合。
5.一种具有如权利要求3所述的载体组件和至少一个罐的组合。
6.根据权利要求5所述的组合，其中，所述罐包括：
空心圆柱体，所述空心圆柱体具有两个末端，一个末端密封，相对末端具有插入其中的阀。
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