CN106115663A - 一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热可膨石墨生产石墨蠕虫方法，特别涉及一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备及工艺。一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产工艺，该工艺是：以可膨胀石墨为原材料，在惰性气体氛围下直接电加热可膨石墨粉，微膨胀后、微波加热至温度1000℃‑1800℃，使其完全膨胀后所得石墨蠕虫，同时不纯物气化脱离石墨提高石墨纯度；微波加热与其它加热法不同，石墨蠕虫吸收微波发热，所以石墨蠕虫温度高于周围，微波能量密度越高、石墨蠕虫温度越高；可膨石墨粉是硫酸插层或无硫以及任何可膨石墨粉。

Description

一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备及工艺

技术领域

本发明涉及一种加热可膨石墨生产石墨蠕虫方法，特别涉及一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备及工艺。

背景技术

石墨蠕虫是生产石墨烯的重要原材料（CN201510412741.X，“石墨烯纳米粉体的低成本大规模生产工艺”），高纯石墨蠕虫是生产高纯石墨烯的基础。美国专利2006/0241237A1和US7550529B2采用微波加热生产该蠕虫，电或微波加热可以减少天然气和化石燃料加热可膨石墨生产蠕虫造成的不纯成分的增加，但是产生同样的热、电加热和微波加热的成本高很多，首先电费成本高，微波加热设备成本高，电能转换成微波的效率低仅为80%左右。而由电产生的热很大一部分被载气带出，并没有用来加热可膨石墨，所以微波加热膨化石墨有3个问题要解决，1）高设备成本、2）低微波转换效率、和3）较低热效率。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，为了低成本地生产高纯度石墨蠕虫，提供一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备。

本发明还提供一种所述高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产的工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产工艺，该工艺是：以可膨胀石墨为原材料，在惰性气体氛围下直接电加热可膨石墨粉，微膨胀后、微波加热至温度1000℃-1800℃，使其完全膨胀后所得石墨蠕虫，同时不纯物气化脱离石墨提高石墨纯度；微波加热与其它加热法不同，石墨蠕虫吸收微波发热，所以石墨蠕虫温度高于周围，微波能量密度越高、石墨蠕虫温度越高；可膨石墨粉是硫酸插层或无硫以及任何可膨石墨粉。

作为优选，采用氮气作为载气，氮气的流速不超过2米/秒，不小于0.01米/秒。为了保护石墨不被氧化，采用氮气作为载气，氮气的流速不超过2米/秒，不小于0.01米/秒，快过2米/秒、石墨粉没有膨胀就可能吹离电加热器表面，小过0.01米/秒、膨胀石墨蠕虫吹离电加热器表面的速度慢，影响生产速度和效率。较好的氮气流速范围为0.05-0.5/秒，更好的0.07-0.2米/秒（相当气相学的0风力等级）。

作为优选，电加热温度为300℃-800℃。此温度下热效率近100%，设备成本低廉。作为优选，直接电加热所占石墨膨化所需热能的20至80%。

作为优选，所述的可膨胀石墨的微波加热是指，多点多角度加热下落膨胀中的石墨粉、使石墨粉得以均匀加热，微波频率为2.45±0.05GHz。微波加热的效率与微波能量密度和石墨粉的尺寸成比例，微波功率越大、其产生的能量密度越高，石墨蠕虫越大接受微波的能量越多，由于微波加热是内热，高温时加热效率比电加热的外热效率高出一倍以上（热损失减少）。微波源的数目不应小于4个、使其满足均匀加热的要求；也不可以太多，例如超过50个。较好的设计为6至24个，更好的设计为9至18个磁控管。

一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备，所述设备为密闭系统，主要由4个部分组成：螺杆进料机，高温微波膨胀炉，设置于高温微波膨胀炉外部的微波源，以及带冷却金属管和闭风器的膨胀石墨蠕虫出口，

该设备主体为高温微波膨胀炉，高温微波膨胀炉顶部与螺杆进料机的出料口相连，可膨胀石墨储罐与螺杆进料机的进料口相连，高温微波膨胀炉上方还设置氮气入口，氮气入口与螺杆进料机的出料口连通，高温微波膨胀炉的底部与带冷却金属管和闭风器的膨胀石墨蠕虫出口相连；

高温微波膨胀炉内的顶部设有含有分散盘和电加热器的可膨石墨粉分散加热区，电加热器倾斜设置，位于可膨石墨粉分散加热区下方的高温微波膨胀炉的中间段外壁设置有多个微波源，在该中间段形成微波加热区。

作为优选，膨胀石墨蠕虫出口内部为石墨蠕虫在离开密闭系统之前用于降温的冷却区，膨胀石墨蠕虫出口为金属管道，膨胀石墨蠕虫出口的长度为0.5至5米。

作为优选，高温微波膨胀炉的内壁面上设有一层微波透波隔热层。

作为优选，可膨石墨粉分散加热区中心处为对可膨石墨粉分散的分散盘，分散盘顶部处于螺杆进料机的出料口下方，分散盘下方是电加热器。

作为优选，电加热器的倾斜角度不小于10度，不大于75度。电加热器倾斜的表面使微膨石墨粉更容易吹离表面，产生滚动效应，加热更加均匀。小于10度、对粉体流动性增加不明显，超过75度、粉体在电加热器表面的停留时间太短，较好的角度为25度至65度，以及更好的角度为35度至60度。

作为优选，电加热器为锥形体或倒锥形体，电加热器加热表面的温度为300℃-800℃，温度低于300℃无明显的膨胀发生，高于800℃对加热器表面的腐蚀太快以及膨化已接近完成，对本工艺并无意义。

可膨石墨的导热率非常高，热可以快速直接传入石墨粉内，膨胀发生后、内部低热导系数气泡的形成造成导热率的下降，所以较有效的方法是在没有完全膨胀之前进入微波加热区。直接电加热所占石墨膨化所需热能的20至80%，较好的30%至70%，更好的40%至60%。电加热的效率一般为接近100%，设备成本也只是微波加热设备的十分之一以下，所以由于采用电加热、设备成本降低40%以上，热效率增加10%以上。

膨胀中的蠕虫堆积密度降低，微弱的气流就可以吹动，为了保护石墨不被氧化，采用氮气作为载气，氮气的流速不超过2米/秒，不小于0.01米/秒，快过2米/秒、石墨粉没有膨胀就可能吹离电加热器表面，小过0.01米/秒、膨胀石墨蠕虫吹离电加热器表面的速度慢，影响生产速度和效率。较好的氮气流速范围为0.05-0.5/秒，更好的0.07-0.2米/秒（相当气相学的0风力等级）。由于氮气载气流速很低，其带走的热量非常低。由此热效率再增加20%以上。

所述的可膨胀石墨的微波加热是指，多点多角度加热下落膨胀中的石墨粉、使石墨粉得以均匀加热，微波频率为2.45GHz。微波加热的效率与微波能量密度和石墨粉的尺寸成比例，微波功率越大、其产生的能量密度越高，石墨蠕虫越大接受微波的能量越多，与完全没有膨胀的可膨石墨粉相比、所以初步膨胀的蠕虫可以更有效的吸收微波快速升温膨胀。微波源的数目不应小于4个、使其满足均匀加热的要求；也不可以太多，例如超过50个，可能会产生微波能量密度低以及微波源磁控管的相互干扰，较好的设计为6至24个，更好的设计为9至18个磁控管。由于微波高能量密度地直接内加热、石墨蠕虫的温度可以加热超过1200℃至1800℃，杂质气化脱离石墨产生石墨的提纯效应。由于部分热源来自于电加热以及加热效率的提高，所需加热微波功率降低60%以上，所以微波设备的成本降低50%以上、使得整体设备的成本大幅下降。

石墨蠕虫在离开密闭系统之前通过冷却区降温，冷却区降低石墨蠕虫的温度低于100度、接近室温，其长度为0.5至5米，根据产能和氮气流量设计。石墨蠕虫通过闭风器离开出口，确保空气不逆流进入高温区。在氮气流速低的情况下、空气可以回流至炉内。

附图说明

图1为本发明石墨蠕虫的生产设备示意图；

图2为本发明采用的另一生产设备示意图；

图中标号说明： 1高温微波膨胀炉，2微波源，3电加热器，4氮气入口，5带有闭风器的膨胀石墨蠕虫出口，6可膨胀石墨储罐，7螺杆进料机，8微波透波隔热层，9分散盘。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备如图1所示，该设备主体为一个具有锥形底部的高温微波膨胀炉1，高温微波膨胀炉1顶部与螺杆进料机7的出料口相连，可膨胀石墨储罐6与螺杆进料机7的进料口相连，高温微波膨胀炉1上方还设置氮气入口4，氮气入口4与螺杆进料机7的出料口连通。高温微波膨胀炉1的底部与带冷却金属管和闭风器的膨胀石墨蠕虫出口5相连。膨胀石墨蠕虫出口5内部为石墨蠕虫在离开密闭系统之前用于降温的冷却区，膨胀石墨蠕虫出口为金属管道，冷却区使石墨蠕虫的温度降低至低于100度、接近室温，其长度根据实际生产可设置为0.5至5米。石墨蠕虫通过闭风器离开出口，确保空气不逆流进入高温区。

高温微波膨胀炉的内壁面上设有一层微波透波隔热层8，高温微波膨胀炉1内的顶部设有可膨石墨粉分散加热区，可膨石墨粉分散加热区中心处为对可膨石墨粉分散的分散盘9，分散盘顶部处于螺杆进料机7的出料口下方。分散盘下方是倾斜设置的电加热器3，位于可膨石墨粉分散加热区下方的高温微波膨胀炉1的中间段外壁设置有多个微波源2，在该中间段形成微波加热区。

该设备为密闭系统无空气氧气的流入、采用定量定速连续导入可膨石墨粉，螺杆进料机7输送可膨胀石墨储罐6内的可膨石墨粉原料至分散盘上然后降落在电加热器3表面，通过分散盘均匀散布在倾斜的电加热器表面的可膨石墨粉经加热初步膨胀，用氮气微风把微膨的石墨吹入微波加热区缓慢自由落下进行微波加热。

本实施例中，

a、电加热器为固定在高温微波膨胀炉的内壁面上的倒锥形体，其表面安置电加热板，电加热器表面的温度为500-700℃，其所占膨化石墨所需的电能的 40%至60%，电加热器的倾斜角度为50度（与水平面的夹角）。可膨石墨粉从倒锥形体的下方出口处落入微波加热区。

b、采用氮气作为石墨蠕虫的载气，氮气的流速为0.07-0.2米/秒。

c、所述的可膨胀石墨的微波加热是指，多点多角度加热下落膨胀中的石墨粉、使石墨粉得以均匀加热，微波频率为2.45GHz。采用的设计为9个磁控管分为3段，每段3个，相距120°，石墨蠕虫被加热的温度超过1200℃。

d、根据产能和氮气流量设计冷却区的长度为1米。

e、所得石墨蠕虫质量符合生产石墨烯要求、纯度高于电加热丝加热生产的蠕虫，碳含量提高0.3%，比纯电加热的生产效率提高25%。

实施例2：

具体结构同实施例1，与实施例1不同之处在于分散盘和加热设备的简化，设备示意图如图2所示，高温微波膨胀炉1的周围设置有微波源2，高温微波膨胀炉1内的上部设有电加热器3兼可膨石墨粉的分散盘9。分散盘顶部处于螺杆连续进料机7的出料口下方。可膨石墨粉从分散盘的两侧空隙落入微波加热区。

a、分散盘9为锥形体，其表面安置电加热器3，电加热器表面的温度为500-700℃，其所占膨化石墨所需的电能的 40%至60%，电加热器的倾斜角度为55度。

b、采用氮气作为石墨蠕虫的载气，氮气的流速为0.07-0.2米/秒。

c、所述的可膨胀石墨的微波加热是指，多点多角度加热下落膨胀中的石墨粉、使石墨粉得以均匀加热，微波频率为2.45GHz。采用的设计为12个磁控管、分为4段，每段3个，相距120°，石墨蠕虫被加热的温度超过1300℃。

d、根据产能和氮气流量设计冷却区的长度为2.5米。

e、所得石墨蠕虫质量符合生产石墨烯要求、纯度高于电加热丝加热生产的蠕虫，碳含量提高0.4%，比纯电加热的生产效率提高20%。

Claims (10)

1.一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产工艺，其特征在于该工艺是：以可膨胀石墨为原材料，在惰性气体氛围下直接电加热可膨石墨粉，微膨胀后、微波加热至温度1000℃-1800℃，使其完全膨胀后所得石墨蠕虫。

2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：采用氮气作为载气，氮气的流速不超过2米/秒，不小于0.01米/秒。

3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：电加热温度为300℃-800℃，直接电加热所占石墨膨化所需热能的20至80%。

4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：所述的可膨胀石墨的微波加热是指，多点多角度加热下落膨胀中的石墨粉、使石墨粉得以均匀加热，微波频率为2.45±0.05GHz。

5.一种高纯度石墨蠕虫的低成本、大规模连续生产设备，其特征在于：所述设备为密闭系统，主要由4个部分组成：螺杆进料机，高温微波膨胀炉，设置于高温微波膨胀炉外部的微波源，以及带冷却金属管和闭风器的膨胀石墨蠕虫出口，

该设备主体为高温微波膨胀炉，高温微波膨胀炉顶部与螺杆进料机的出料口相连，可膨胀石墨储罐与螺杆进料机的进料口相连，高温微波膨胀炉上方还设置氮气入口，氮气入口与螺杆进料机的出料口连通，高温微波膨胀炉的底部与带冷却金属管和闭风器的膨胀石墨蠕虫出口相连；

高温微波膨胀炉内的顶部设有含有分散盘和电加热器的可膨石墨粉分散加热区，电加热器倾斜设置，位于可膨石墨粉分散加热区下方的高温微波膨胀炉的中间段外壁设置有多个微波源，在该中间段形成微波加热区。

6.根据权利要求5所述的生产设备，其特征在于：膨胀石墨蠕虫出口内部为石墨蠕虫在离开密闭系统之前用于降温的冷却区，膨胀石墨蠕虫出口为金属管道，膨胀石墨蠕虫出口的长度为0.5至5米。

7.根据权利要求5所述的生产设备，其特征在于：高温微波膨胀炉的内壁面上设有一层微波透波隔热层。

8.根据权利要求5所述的生产设备，其特征在于：可膨石墨粉分散加热区中心处为对可膨石墨粉分散的分散盘，分散盘顶部处于螺杆进料机的出料口下方，分散盘下方是电加热器。

9.根据权利要求5所述的生产设备，其特征在于：电加热器的倾斜角度不小于10度，不大于75度。

10.根据权利要求5所述的生产设备，其特征在于：电加热器为锥形体或倒锥形体，电加热器加热表面的温度为300℃-800℃。