CN106995212A - 一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纳米材料研究领域，特别涉及一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法；该方法包括如下步骤：石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀溶液，石墨稀溶液放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。本发明主要利用石墨通过初步搅拌混合，层间结合强度明显减弱，石墨混合液中膨胀产生很薄液层，然后经过快速旋转，剪切剥离能高效生产石墨烯；本发明机械剪切剥离生产石墨稀的方法具有成本低，无污染，易操作了可以量化生产的优点。

Description

一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法
技术领域
本发明属于碳纳米材料研究领域，特别涉及一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法。
背景技术
石墨稀是目前发现的最薄、强度最大的、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，具有十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特征，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了广泛的发展，展示了石墨稀材料广阔的应用前景，石墨稀的研究已进入快速发展的阶段，石墨稀已经成为当今新材料中的“明星”材料。
近几年来人们一直在研究石墨烯的生产方法，目前国内主要石墨稀的生产方法主要包括氧化还原法，化学气相沉积法，高温裂解法，插层剥离法等，采用氧化还原法，氧化还原法具有高效、低成本的优点，可以大量的生产石墨烯，但是该方法生产过程中使用大量的氧化剂和还原剂造成严重的环境污染，并且对石墨稀的晶体结构造成破坏，影响石墨烯的综合性能；化学气相沉积法成本高，工艺复杂，很难实现大规模生产；高温裂解法目前难以花获得高质量，大批量的石墨烯。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，本发明主要利用石墨在剪切混合液中膨胀产生很薄液层，然后经过快速旋转，剪切剥离能高效生产石墨烯。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀液体，石墨稀液体放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
进一步，所述初步搅拌混合步骤：石墨与纯净水以质量比为1:80～1:120的比例混合；采用搅拌机搅拌，搅拌转速为1800～2200r/min；搅拌时间为 20～30min，得石墨混合液。
进一步，所述石墨为鳞状、片状、鳞状和片状。
进一步，所述高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入表面活性剂，表面活性剂与石墨混合液以质量比为5：100～7:100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离4～6小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到石墨稀溶液。
进一步，将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述2500～4000r/min，连续离心2～5min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
进一步，所述干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥箱中干燥，调整干燥箱温度为50～55度，真空度为130～135Pa，连续干燥24～30小时得产品石墨稀。
进一步，所述表面活性剂为NMP和/或NAC。
进一步，所述高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为3000～6000r/min。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明主要利用石墨通过初步搅拌混合，层间结合强度明显减弱，石墨混合液中膨胀产生很薄液层，然后经过快速旋转，剪切剥离能高效生产石墨烯。
本发明机械剪切剥离生产石墨稀的方法具有成本低，无污染，易操作了可以量化生产的优点。
本发明通过3000倍显微镜观察图像、Raman光谱检测图谱、XRD检测图谱以及技术参数的检测可以看出本发明生产出的石墨烯具备高比表面积、高导电性、机械强度高以及平整的石墨烯层。
附图说明
图1为本发明实施例所得产品在1500倍显微镜观看的结构图；
图2为本发明实施例所得产品在4500倍显微镜观看的结构图；
图3为本发明实施例所得产品的Raman光谱图；
图4为本发明实施例所得产品的XRD光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：片状石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀溶液，石墨稀溶液放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
初步搅拌混合步骤：将片状石墨10g与1000g纯净水混合；用搅拌机搅拌，搅拌转速为2000r/min；搅拌时间为20min，搅拌结束得石墨混合液。
高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入50.5g表面活性剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)，表面活性剂NMP与石墨混合液以质量比为5： 100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离4小时，剥离机转速为3500± 100r/min，得到石墨稀溶液。
离心处理步骤：将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入个离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述 4000r/min,连续离心5min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥相中干燥，调整干燥箱温度为50度，真空度为133Pa，连续干燥24小时得石墨稀产品1。
所采用的高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为 3000～6000r/min。
实施例2
一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：鳞状石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀溶液，石墨稀溶液放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
初步搅拌混合步骤：将鳞状石墨10g与800g纯净水混合；用搅拌机搅拌，搅拌转速为1800r/min；搅拌时间为30min，搅拌结束得石墨混合液。
高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入56.7g表面活性剂NAC(N-乙酰半胱氨酸)，表面活性剂NAC与石墨混合液以质量比为7： 100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离6小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到石墨稀溶液。
离心处理步骤：将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入个离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述 2500r/min,连续离心2min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥相中干燥，调整干燥箱温度为55度，真空度为135Pa，连续干燥24小时得石墨稀产品2。
所采用的高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为 3000～6000r/min。
实施例3
一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：鳞状和片状石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀溶液，石墨稀溶液放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
初步搅拌混合步骤：将鳞状和片状石墨10g与1200g纯净水混合；用搅拌机搅拌，搅拌转速为2200r/min；搅拌时间为30min，搅拌结束得石墨混合液。
高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入60g表面活性剂NMP和NAC，表面活性剂NMP、NAC与石墨混合液以质量比为5：100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离6小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到石墨稀溶液。
离心处理步骤：将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入个离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述4000r/min,连续离心5min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥相中干燥，调整干燥箱温度为50度，真空度为130Pa，连续干燥28小时得石墨稀产品3。
所采用的高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为 3000～6000r/min。
实施例4
一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，该方法包括如下步骤：鳞状和片状石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀溶液，石墨稀溶液放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
初步搅拌混合步骤：将鳞状和片状石墨10g与1000g纯净水混合；用搅拌机搅拌，搅拌转速为2000r/min；搅拌时间为30min，搅拌结束得石墨混合液。
高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入60g表面活性剂NMP和NAC，表面活性剂NMP、NAC与石墨混合液以质量比为5：100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离5小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到石墨稀溶液。
离心处理步骤：将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入个离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述 2500r/min,连续离心5min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥相中干燥，调整干燥箱温度为50度，真空度为133Pa，连续干燥28小时得石墨稀产品4。
所采用的高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为 3000～6000r/min。
实验结束后，分别对产品1、2、3、4进行检测得到的技术参数均在在列范围内。
技术参数 石墨稀
片状尺寸 300
厚度 <3.6nm
碳纯度 >97％
氧含量 <2.2％
比表面积 >1800m2/g
导电率 >2400s/m
灰分 <0.5％
分别对产品1、2、3、4进行检测显微镜观察、Raman光谱检测以及XRD检测，得到结果如图1、2、3、4所示，图1为本发明实施例1的产品在1500倍显微镜下观察图像，图2为本发明实施例1的产品在4500倍显微镜下观察图像，图1和图2看出本发明石墨烯是一种非常薄的纳米材料，图3为本发明实施例 1的产品进行Raman光谱检测的光谱图，图中可以看出石墨烯的特征峰是1347 波数的D峰，1584波数的G峰，和2700附近波数的2D峰，图4XRD光谱图检测的光谱图，图中可以看出出现石墨烯的衍射峰。同样对产品2、3、4也行进上述Raman光谱检测、XRD光谱图及3000倍显微镜观察，结果如产品1的结果相同。

Claims (8)

1.一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：石墨与水经初步搅拌混合得到石墨混合液，将石墨混合液经高剪切剥离得到石墨稀溶液，石墨稀溶液离心处理得到石墨稀液体，石墨稀液体放入真空干燥箱中干燥得到石墨烯产品。
2.根据权利要求1所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述初步搅拌混合步骤：石墨与纯净水以质量比为1:80～1:120的比例混合；采用搅拌机搅拌，搅拌转速为1800～2200r/min；搅拌时间为20～30min，得石墨混合液。
3.根据权利要求2所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述石墨为鳞状、片状、鳞状和片状。
4.根据权利要求1所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述高剪切剥离步骤：向初步搅拌混合得到的石墨混合液中加入表面活性剂，表面活性剂与石墨混合液以质量比为5：100～7：100的比例混合，采用高速剥离机连续剪切剥离4～6小时，剥离机转速为3500±100r/min，得到石墨稀溶液。
5.根据权利要求1所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述离心处理步骤：将高剪切剥离得到的石墨稀溶液离心处理，石墨稀溶液放入离心管内，密封好，将离心管放入离心头中的槽内，调整离心机转述2500～4000r/min，连续离心2～5min；取出离心管并去除上部水；将离心管中石墨烯液体倒入培养皿中。
6.根据权利要求1所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述干燥步骤：将离心处理后的石墨烯液体放入真空干燥箱中干燥，调整干燥箱温度为50～55度，真空度为130～135Pa，连续干燥24～30小时得产品石墨稀。
7.根据权利要求4所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述表面活性剂为NMP和/或NAC。
8.根据权利要求4所述一种机械剪切剥离生产石墨稀的方法，其特征在于，所述高速剥离机由转子和定子组合，剥离搅拌头直径D＝210mm，高度剪切剥离间隙为0.08±0.02mm，旋转速度连续可调，其范围为3000～6000r/min。
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