CN106006626A - 石墨烯材料生产装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯材料生产装置，包括：第一反应组件、第二反应组件和负压产生组件；所述第一反应组件包括第一反应室和设于所述第一反应室底部的第一物料出口；所述第二反应组件包括第二反应室和第二物料入口；所述第一物料出口与所述第二物料入口间的连接通路设有阀门；所述负压产生组件的抽气孔设于所述第二反应室内。使用该装置应用在氧化还原法生产石墨烯材料的工艺中，能克服黏稠物料不易转移的问题，降低生产难度，有效提高石墨烯材料的生产效率。

Description

石墨烯材料生产装置和系统

技术领域

本发明涉及化工领域，特别涉及一种石墨烯材料生产装置和系统。

背景技术

石墨烯材料是一种二维材料，其优异的物理和结构特性使其在电子、传感和光电器件等多领域表现出非凡的应用潜力。石墨烯的制备方法主要分为物理法和化学法：物理法包括机械剥离法、取向附生法等；化学法则包括化学气相沉积法、外延生长法及氧化石墨还原法等。现有的石墨烯材料大多采用氧化还原法制备。氧化还原法制备石墨烯材料具有操作简单，产物可加工性好、生产工艺成本低等优点，适合大规模生产石墨烯粉体或溶液产品，但是氧化还原法生产石墨烯的过程中物料非常黏稠，不易转移，在生产过程中增加了生产难度，影响石墨烯的生产效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种石墨烯材料生产装置，采用该装置生产石墨烯材料，黏稠的物料在反应器间转移简单高效，降低了生产难度，提高了石墨烯生产效率。

本发明提供一种石墨烯材料生产装置，包括：第一反应组件、第二反应组件和负压产生组件；

所述第一反应组件包括第一反应室和设于所述第一反应室底部的第一物料出口；所述第二反应组件包括第二反应室和第二物料入口；

所述第一物料出口与所述第二物料入口间的连接通路设有阀门；

所述负压产生组件的抽气孔设于所述第二反应室内。

优选的，所述第二物料入口设于第二反应室顶部，所述第一物料出口与所述第二物料入口的所述连接通路设置为最短长度。

优选的，所述第一反应组件包括第一搅拌机构；

所述第一搅拌机构包括螺带式的第一搅拌器，所述第一搅拌器设于所述第一反应室内部。

优选的，所述第一反应组件还包括温度检测装置，所述温度检测装置的检测端设于所述第一反应室内部。

优选的，所述温度检测装置的检测端内置于所述第一搅拌器中。

优选的，所述第二反应组件包括第二搅拌机构；

所述第二搅拌机构包括叶轮式的第二搅拌器，所述第二搅拌器设于第二反应室内部。

优选的，所述第二反应室包括第二物料出口；

所述第二物料出口设置于所述第二反应室的侧壁或底部。

优选的，第一反应组件包括超声分散组件；

所述超声分散组件包括超声液槽和超声发生器；

所述超声液槽套设在所述第一反应室外；

所述超声发生器设于所述超声液槽外表面。

优选的，所述第一反应组件包括第一调温盘管和第一加热部件，所述第二反应组件包括第二调温盘管和第二加热部件；

所述第一调温盘管套设于所述第一反应室的外围，所述第一调温盘管用于容纳调温液体；所述第一加热部件用于加热所述第一反应室内的物料；

所述第二调温盘管套设于所述第二反应室的外围，所述第二调温盘管用于容纳调温液体；所述第二加热部件用于加热所述第二反应室内的物料。

本发明还提供了一种石墨烯材料生产系统，设置有上述的石墨烯材料生产装置。

相对于现有技术，本发明的技术效果是：

本发明提供的一种石墨烯材料生产装置，第一反应组件的第一反应室用于盛放物料，物料在第一反应室实施反应工艺完成后，打开阀门，通过设置在第一反应室底部的第一物料出口，在重力的影响下，物料向第二物料入口方向运动，从第二物料入口进入第二反应组件的第二反应室，进行下一步的工艺流程。此时，负压产生组件启动，从抽气孔不断抽气，使第二反应室的压力低于第一反应室的压力，第二反应室由于压差对第一反应室产生真空吸力，将物料从第一反应室吸入转移至第二反应室，在重力和负压抽吸力的共同作用下完成了物料的转移，从而降低了黏稠物料转移难度。该装置适用范围广，对于各种物料都具有很好的转移效果，尤其是，氧化还原法制备石墨烯材料其中间反应物料黏度大，使用该装置应用在氧化还原法生产石墨烯材料的工艺中，能克服黏稠物料不易转移的问题，降低生产难度，有效提高石墨烯材料的生产效率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种实施方式的石墨烯生产装置的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种实施方式的石墨烯生产装置的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种实施方式的石墨烯生产装置的结构示意图。

附图标记说明：

1第一反应组件；	2第二反应组件；
		3负压产生组件；	4阀门；
11第一反应室；	12第一物料出口；
		21第二反应室；	22第二物料入口；
13第一搅拌机构；	131第一搅拌器；
		14温度检测装置；	23第二搅拌机构；
231第二搅拌器；	15超声分散组件；
		151超声液槽；	152超声发生器；
16第一调温盘管；	17第一加热部件；
		25第二调温盘管；	26第二加热部件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

氧化还原法生产石墨烯材料的工艺过程是采用强氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂如水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。上述反应产生的中间产物黏性大，在整个石墨烯生产工艺过程中对这种高黏度物料的转移，给连续生产工艺增加难度。

本发明提供一种石墨烯材料生产装置，包括：第一反应组件1、第二反应组件2和负压产生组件3；

第一反应组件1包括第一反应室11和设于第一反应室11底部的第一物料出口12；第二反应组件2包括第二反应室21和第二物料入口22；

第一物料出口12与第二物料入口22间的连接通路设有阀门4；

负压产生组件3的抽气孔设于所述第二反应室21内。

该装置在生产石墨烯材料的工艺过程中，对物料具有很好的转移效果，尤其是粘稠的固-液系的物料转移，特别适用于基于氧化还原法大规模连续生产石墨烯材料。

请参见图1，该图示出了本发明提供的一种实施方式的石墨烯材料生产装置的结构。

第一反应组件1的第一反应室11用于盛放物料，物料在第一反应室11实施反应工艺完成后，打开阀门4，通过设置在第一反应室11底部的第一物料出口12，在重力的影响下，物料向第二物料入口22方向运动，从第二物料入口22进入第二反应组件2的第二反应室21，进行下一步的工艺流程。此时，负压产生组件3启动，从抽气孔不断抽气，使第二反应室21的压力低于第一反应室11的压力，第二反应室21由于压差对第一反应室产21生真空吸力，将物料从第一反应室11吸入转移至第二反应室21，在重力和负压抽吸力的共同作用下完成了物料的转移，从而降低了黏稠物料转移难度。该装置适用范围广，对于各种物料都具有很好的转移效果，尤其是，氧化还原法制备石墨烯材料其中间反应物料黏度大，使用该装置应用在氧化还原法生产石墨烯材料的工艺中，能克服黏稠物料不易转移的问题，降低生产难度，有效提高石墨烯材料的生产效率。

第一反应室11和第二反应室21可以由金属材质，如不锈钢材质构成。对于一些具有腐蚀性的物料体系（如石墨-无机强质子酸体系），或者后续化学反应需要添加腐蚀性原料（如KMnO4）的情况，金属材料的耐腐蚀性较差，若选用其作为反应容器，容易造成容器的腐蚀，影响设备的使用寿命，可采用在反应室内壁增加抗腐蚀涂层的方法解决，抗腐蚀涂层优选聚四氟乙烯或聚丙烯涂层。聚四氟乙烯或聚丙烯能够抗强酸强碱的腐蚀，能有效够延长设备使用寿命；另外，因为氧化还原法生产石墨烯材料过程中间产物物料黏度大，在每次物料转移时由于黏壁现象而造成了严重的物料损耗，从而导致石墨烯产品产量的下降。采用聚四氟乙烯的另一个优点是，涂层非常光滑，改善了物料黏壁现象，降低了物料在转移过程中的损耗，增加了石墨烯材料的产率。

优选的，第二物料入口22设于第二反应室21顶部，第一物料出口12与第二物料入口22的连接通路设置为最短长度。具体的，将第一反应组件1架高设置，使第一物料出口12的位置高于第二反应组件2的第二物料入口22的位置，则第一反应室11高于第二反应室21。第一物料出口12设于第一反应室11的底部，第二物料入口22设于第二反应室21的顶部，第一物料出口12和第二物料入口22通过管路连接，管路设置为最短长度，管路上设置阀门4，形成最短输运距离，通过阀门4的开关控制物料的转移通道的开启和关闭。

当物料反应后需要转移时，打开阀门4，负压产生组件3启动，开始抽气，第二反应室21与第一反应室11之间的形成压差，产生对物料的吸力，一方面物料会受到两个反应室之间压差产生的真空吸力而运动；另一方面，物料还会由于自身的重力向下流动，两个助力同时促进了物料转移，再加上两个反应组件之间通路设置为最短输运距离，进而达到了更好转移效果，进一步降低了高黏度物料的转移难度，提高了石墨烯材料的生产效率。

进一步的，第一反应组件1包括第一搅拌机构13；

第一搅拌机构12包括螺带式的第一搅拌器131，第一搅拌器131设于所述第一反应室11内部。

请参考图2示出的本发明提供的另一种实施方式的石墨烯材料生产装置的结构。

本领域技术人员可以理解，对于化学反应，尤其是液相反应，很多是需要边分散搅拌边进行，或者分散后立即进行的，以防止分散后的物料再次发生团聚。因此，本发明实施例提供的生产装置不仅可以用于物料反应，还可以用于分散搅拌，尤其是可以作为对氧化石墨进行分散剥离的装置。例如：其可以作为石墨预处理的分散装置，石墨氧化插层的装置等等。故本发明提供的石墨烯生产装置包括第一搅拌机构13，第一搅拌机构13可以采用螺带式的第一搅拌器131。第一搅拌器131不仅能够实现一边搅拌一边反应，提高液相反应均匀性的作用，螺带式的搅拌叶片在转动搅拌的同时，还能产生助推物料向下运动的推力。也就是说，在本实施例中，物料转移进入第二反应室21时，同时受到了真空抽吸、搅拌推动与重力的作用向下运动，因此对高粘度物料具有更好的转移能力，进一步提高了石墨烯材料生产效率。

进一步的，化学法尤其是氧化还原法生产石墨烯材料，一般会采用强酸强碱等具有强氧化还原性的反应试剂，氧化还原工艺过程中温度变化很大，为了便于操作者能及时了解第一反应室21内的温度，本实施例提供的石墨烯材料生产装置还优选包括有温度检测装置14， 该温度检测装置14的检测端设于所述第一反应室11内部，以对第一反应室11腔内的物料体系温度进行检测。上述温度检测装置可以为温度计、温度传感器等。设置上述温度检测装置14有助于操作者及时了解分散腔内物料的温度，为操作者后续及时进行调整第一反应室11腔内温度的操作提供依据，也避免了安全事故的发生。

可选的，将温度检测装置14的检测端内置于第一搅拌器131中，优选将温度检测端，如温度计、温度传感器内置于第一搅拌器131的搅拌轴中，既能实现实时检测反应室内的物料温度，便于操作者控制物料反应过程；同时还避免了第一搅拌器131的叶片在搅拌过程中碰撞检测端的情况发生，进一步提高了石墨烯生产装置的安全可靠性。

本领域技术人员周知，化学法生产制备石墨烯材料一般需要经过多个化学反应过程，每个反应需要独立操作反应。因此，本石墨烯材料生产装置包括第二反应组件2，物料在第一反应组件1内完成反应后转移至第二反应组件2中继续下一步反应。第二反应组件2的第二反应室21内设置叶轮式第二搅拌器23，能够有效地将第二反应室21中的物料快速搅拌均匀，有助于加速物料的分散，提高反应均匀性。优选的，第二搅拌器231的搅拌叶轮可设置多组，增加搅拌均匀性，提高搅拌效率，进一步提高反应均匀性。

第一搅拌器131和第二搅拌器231的另一作用是，平衡反应物料的局部热量的突增或突减，达到快速传递温度的效果，反应室中的温度均匀分布，进一步提高石墨烯材料生产装置的安全可靠性。

另外，第二反应室21包括第二物料出口，为了便于石墨烯材料产品的卸料，第二物料出口设置于第二反应室21的侧壁或底部。当氧化还原反应完成，石墨烯材料可从第二物料出口直接卸料，便于操作者收集。

本领域技术人员应当了解，通常氧化还原反应结束后，石墨烯材料还需要经过分离和干燥，因此，第二物料出口可连接至分离干燥装置的接口，继续完成生产石墨烯材料的后续工艺。

利用氧化还原法在生产制备石墨烯材料，由于单层石墨烯非常薄，极易团聚，故反应过程中要通过不断搅拌分散。故进一步的，石墨烯生产装置包括超声分散组件15，超声分散组件15利用超声波在液体介质中优越的振动分散能力，可以完成对石墨烯氧化还原反应过程中的物料分散。请参考图3示出的另一种实施方式的石墨烯材料生产装置的结构。

超声分散组件15包括超声液槽151和超声发生器152，超声液槽套151设在第一反应室11外，超声发生器152设于超声液槽151外表面。超声液槽151用于盛放液体介质，液体介质用于传导超声波。超声发生器152可采用目前市场上可购得的常规超声振荡器。超声振荡器通过与第一反应室11的外表面接触，通过超声介质将超声波传递入第一反应室11内，以对第一反应室11内的物料进行超声分散。具体的，可以根据第一反应室11的形状和生产条件的要求设置多个超声发生器152，以满足石墨烯材料的生产需求。

进一步地，为了便于向超声液槽151内加入液体介质，可以在超声液槽151侧壁设置有进口，该进口与超声液槽151内连通。由此超声波传导液体介质可以通过该进口进入到超声液槽151内。另外，还可以设置有泄口，该泄口与超声液槽151内连通，用于将超声介质液体排出，该泄口上可设置有阀门。当然，超声液槽151上还优选设置有出口，该出口与超声液槽151内连通；设置在进口的上方，可以起到溢流口的作用。或，更优选的，还可设置液位检测器，当液位检测器检测到液位超出最高液位时，可自动停止超声介质的注入，或发出报警提醒操作者。

石墨烯材料生产装置能够将超声分散组件15与第一搅拌机构13配合使用，同时进行超声搅拌和机械搅拌。在搅拌分散过程中，超声发生器152发出超声波，超声波通过超声介质传递至第一反应室11内的物料内部，实现超声振动分散的效果；搅拌器施加的机械搅拌力有助于加速物料的流动，以促进超声波的传递，尤其是对于粘稠的物料（如氧化石墨-水物料），有助于提高超声波与物料充分接触，进而提高物料分散的均匀性，由此也避免了物料局部过热造成的反应失控等情况。因此，本发明实施例提供的生产装置使用范围广，对于多种物料，尤其是粘稠的固-液系物料也具有均匀的分散效果，使用安全性高。将其应用于石墨烯材料的制备，有助于提高固体物料在液体介质中分散的均匀性，也有助于物料反应完全，进而提高产品品质的均一性。

进一步的，由于石墨烯材料生产反应过程，物料的温度往往会骤高骤低，其原因有二：一方面是由于，氧化还原反应通常会释放出大量的热量，导致物料温度快速升高；另一方面，超声波与物料相作用会使分散腔内物料的温度骤然升高，但是对于有些反应，超声波产生的温度往往过高或过低，不利于反应的顺利进行。故需要调节在第一反应室11内的物料温度，以便控制反应速度。本发明第一反应组件1设置有第一调温盘管16和第一加热部件17，第一调温盘管16套设于第一反应室1的外围，第一加热部件17用于加热第一反应室11内的物料。具体的，为实现较佳的调温效果，第一调温盘管16可紧贴于第一反应室11的侧壁和/或底部设置。第一调温盘管16起到降温作用，防止超声过程中的温升过高带来不良影响；第一加热部件17则是用于提高超声过程中的温度来提高反应速度。通过第一调温盘管16和第一加热部件17的配合使用，达到对第一反应室11物料反应温度调节的目的。第一调温盘管16用于容纳调温液体，当然，第一调温盘管16也设置有入口和出口，用于调温液体的注入和流出，通过调温液体的流动来带走第一反应室11内的热量。例如，在对石墨进行插层氧化的过程中，氧化反应放出的热量以及超声波与物料相互作用释放的热量过高，会造成反应速率过快，此时向第一调温盘管16内通入冷水，通过控制第一调温盘管16内的冷水流动带走第一反应室11内物料的热量。以达到调整第一反应室11腔内的温度的目的，进而达到控制反应速率的效果，进一步稳定产品的品质。

同样是基于调节第二反应室21腔内物料温度的目的，第二反应组件2设置第二调温盘管25和第二加热部件26，当反应过程中下料过快时容易造成温度升温过高，因此需要通过第二调温盘管25降温；而下料完成反洗结束后，物料需要在一定的温度下保温一定时间，因此需通过第二加热部件26来加热保持温度。

本发明还提供了一种石墨烯材料生产系统，设置有上述的石墨烯材料生产装置。具体的，为了实现石墨烯材料的连续生产，本发明还可以包括：

纯化装置，用于对上述氧化石墨烯固液混合料进行提纯，得到氧化石墨烯；

干燥装置，用于将氧化石墨烯物料进行干燥；

粉碎装置，用于将干燥后的氧化石墨烯进行粉碎，得到氧化石墨烯粉体；

高温还原装置，用对将氧化石墨烯粉体进行还原，得到石墨烯粉体。

具体的，可以将第二物料出口与纯化装置物料入口连接，以便实现石墨烯材料的连续生产。

上述石墨烯材料生产系统具体可以用于制备石墨烯和官能化石墨烯，上述官能化石墨烯例如，氧化石墨烯、氨基化石墨烯、羧基化石墨烯、磺酸化石墨烯、巯基化石墨烯、氰基石墨烯、硝基石墨烯、硼酸基石墨烯、磷酸基石墨烯、羟基化石墨烯、巯基化石墨烯、甲基化石墨烯、烯丙基化石墨烯、三氟甲基化石墨烯、十二烷基化石墨烯、十八烷基化石墨烯、氟化石墨烯、溴化石墨烯、氯化石墨烯及碘化石墨烯等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯材料生产装置，其特征在于，包括：第一反应组件（1）、第二反应组件（2）和负压产生组件（3）；

所述第一反应组件（1）包括第一反应室（11）和设于所述第一反应室底部的第一物料出口（12）；所述第二反应组件（2）包括第二反应室（21）和第二物料入口（22）；

所述第一物料出口（12）与所述第二物料入口（22）间的连接通路设有阀门（4）；

所述负压产生组件（3）的抽气孔设于所述第二反应室（21）内。

2.如权利要求1所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第二物料入口（22）设于所述第二反应室（21）顶部，所述第一物料出口（12）与所述第二物料入口（22）的所述连接通路设置为最短长度。

3.如权利要求2所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第一反应组件（1）包括第一搅拌机构（13）；

所述第一搅拌机构（13）包括螺带式的第一搅拌器（131），所述第一搅拌器（131）设于所述第一反应室（21）内部。

4.如权利要求3所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第一反应组件（1）还包括温度检测装置（14），所述温度检测装置的检测端设于所述第一反应室（21）内部。

5.如权利要求4所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述温度检测装置（14）的检测端内置于所述第一搅拌器（131）中。

6.如权利要求1所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第二反应组件（2）包括第二搅拌机构（23）；

所述第二搅拌机构23包括叶轮式的第二搅拌器（231），所述第二搅拌器（231）设于所述第二反应室（21）内部。

7.如权利要6所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第二反应室（21）包括第二物料出口；

所述第二物料出口设置于所述第二反应室（21）的侧壁或底部。

8.如权利要1-7任一项所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第一反应组件（1）包括超声分散组件（15）；

所述超声分散组件（15）包括超声液槽（151）和超声发生器（152）；

所述超声液槽（151）套设在所述第一反应室（11）外；

所述超声发生器（152）设于所述超声液槽（151）外表面。

9.如权利要8所述的石墨烯材料生产装置，其特征在于，所述第一反应组件（1）包括第一调温盘管（16）和第一加热部件（17），所述第二反应组件（2）包括第二调温盘管（25）和第二加热部件（26）；

所述第一调温盘管套（16）设于所述第一反应室（11）的外围，所述第一调温盘管（16）用于容纳调温液体；所述第一加热部件（17）用于加热所述第一反应室（11）内的物料；

所述第二调温盘管套（25）设于所述第二反应室（21）的外围，所述第二调温盘管（25）用于容纳调温液体；所述第二加热部件（26）用于加热所述第二反应室（21）内的物料。

10.一种石墨烯材料生产系统，其特征在于，设置有权利要求1-9任一项所述的石墨烯材料生产装置。