CN107175162B - 一种液相剥离法制备微纳米材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液相剥离法制备微纳米材料的装置，其包括：容器罐、超声波破碎工作头和搅拌装置。本发明还涉及一种液相剥离法制备微纳米材料的方法。本发明的方法和装置，在使用超声波破碎工作头对层型块状晶体材料进行破碎剥离的过程中，通过搅拌溶液，可以使得溶液处于不断搅拌的状态，有效的增加了晶体材料，尤其大颗粒的晶体材料被超声波破碎的概率，能够获取到破碎更加充分的、均匀度高的微纳米材料，也可大大提高微纳米材料的制备效率。

Description

一种液相剥离法制备微纳米材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种液相剥离法制备微纳米材料的装置和方法。

背景技术

当前，液相剥离法是微纳米材料制备的重要手段，该方法的原理是通过利用超声波粉碎作用将分散在有机溶剂中的层型块状晶体材料中层与层之间的作用力或化学键打破，从而得到微纳米材料。然而在实际应用中，即使在前期将晶体材料经过例如研磨等的简单处理，所得的晶体材料仍然大小不一，尺寸均匀度差，这就导致在超声波破碎的过程中，大颗粒的晶体材料会沉落于溶液底层，使得超声波破碎工作头对大颗粒的晶体材料破碎不充分，最终所获得的微纳米材料整体均匀性差，且获得的量少，破碎效率和质量都不高。

同时，在剥离过程中，超声波破碎工作头和搅拌装置在工作过程中产生的大量热能会导致溶液的温度上升，在一定程度上也会影响剥离的效果。

此外，当制备易被氧化的微纳米材料时，容器内的空气容易将制备的微纳米材料氧化生成相应的氧化物，生成的氧化物粘附在微纳米材料表面或溶解在剥离溶剂中，会影响微纳米材料的质量和产量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种液相剥离法制备微纳米材料的装置和方法，利用本发明的装置和方法，可以大大提高制备所得的微纳米材料的均匀性、制备效率以及获得质量更好的微纳米材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一方面，本发明提供一种液相剥离法制备微纳米材料的装置，包括：

容器罐，其用于盛装层型块状晶体材料和剥离溶剂；

超声波破碎工作头，其位于所述容器罐中，用于对容器罐中的晶体材料进行超声波破碎；

搅拌装置，其位于所述容器罐中，用于对容器罐中的晶体材料进行搅拌。

在一种优选的实施方式中，所述搅拌装置包括旋转叶片，所述旋转叶片为带有切削角的叶片式刀具，对容器罐中的晶体材料可同时起到搅拌和切削作用。

在一种优选的实施方式中，所述容器罐罐体上设有恒温槽，所述恒温槽具有恒温介质入口和恒温介质出口。

在一种优选的实施方式中，还包括一与所述容器罐适配的容器盖，所述容器盖通过密封垫可与容器罐实现气密性连接；容器盖上设有可供超声波破碎工作头主轴穿过的孔，所述容器盖通过密封圈可与超声波破碎工作头主轴实现气密性连接，所述容器盖、密封圈、密封垫与容器罐组成容器装置。

在一种优选的实施方式中，还包括一与容器罐连接的真空系统，可用于对容器罐进行抽真空的操作，使得容器罐内形成真空环境；还包括一与容器罐连接的气体保护装置，用于向容器罐内充入保护气体。

在一种优选的实施方式中，所述容器装置设有一进料口，所述进料口的开闭由进料开关控制；所述容器装置设有一出料口，所述出料口的开闭由出料开关控制。

在一种优选的实施方式中，所述出料口下方设有一抽滤装置，所述抽滤装置包括一抽滤瓶、与抽滤瓶适配的单孔塞、安装在单孔塞塞孔内的漏斗以及紧贴漏斗内壁的过滤媒介。

又一方面，本发明提供一种液相剥离法制备微纳米材料的方法,该方法对放入容器罐中的层型块状晶体材料和剥离溶剂进行超声波破碎从而获取微纳米材料，所述方法在对容器罐中的层型块状晶体材料进行超声波破碎的过程中，还对层型块状晶体材料进行搅拌。

在一种优选的实施方式中，在对层型块状晶体材料进行超声波破碎的过程中，控制容器罐内溶液的温度恒定。

在一种优选的实施方式中，在对层型块状晶体材料进行超声波破碎前，对容器罐内进行抽真空的处理，使得容器罐内形成真空环境，在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体。

本发明的有益效果是：

本发明用液相剥离法制备微纳米材料的装置和方法，在使用超声波破碎工作头对层型块状晶体材料进行破碎剥离的过程中，通过搅拌溶液，可以使得溶液处于不断搅拌的状态，有效的增加了晶体材料，尤其是大颗粒的晶体材料被超声波破碎的概率，能够获取到破碎更加充分的、均匀度高的微纳米材料，也可大大提高微纳米材料的制备效率。

同时，本发明的装置和方法配置的恒温槽能够将整个制备过程控制在一定的温度范围内，真空系统和气体保护装置，能够有效地避免空气、水汽等对获得的微纳米材料进行氧化作用，整体上提高了微纳米材料制备的效率和质量，与材料制备装置一体化的抽滤装置也可以大大提高微纳米材料的收集效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的液相剥离法制备微纳米材料的装置的组成结构示意图；

图2是本发明一个实施例的叶片式刀具的结构示意图；

图3是图2中实施例的A-A向剖视图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1是本发明一个实施例的液相剥离法制备微纳米材料的装置的组成结构示意图，请参照图1，该装置包括超声波破碎工作头1、固定板2、支撑架3、容器装置4、恒温槽5、搅拌装置6、抽滤装置7以及基座8。

如图1所示，在本实施例中，容器罐41优选为一个顶部开口的器皿，固定在基座8上，容器罐41用来盛装剥离溶剂和层型块状晶体材料，其中的层型块状晶体材料经过简单研磨处理，剥离溶剂视晶体材料的种类进行选择，不同的晶体材料所需的剥离溶剂是不同的；超声波破碎工作头1固定在一个水平支撑板2上，水平支撑板2与竖直支撑架3固连，超声波破碎工作头自上向下竖向设置；固定板2与支撑架3可采用常见的金属材料或高分子材料，两者之间的连接优选为可以快速锁紧的夹头，便于拆卸，通过调节水平支撑板的高度，可使得超声波破碎工作头1伸入到容器罐41内。

本实施例中，搅拌装置6置于容器罐41底部，搅拌装置包括叶片式刀具61、驱动结构62以及将叶片式刀具与驱动结构的驱动轴固定连接的固定螺母。叶片式刀具61自下而上竖直设置，在驱动结构62的作用下，叶片式刀具转动，将沉落在容器罐41底部的大颗粒晶体材料搅拌起来，使其在超声波破碎工作头的空化效应下被充分破碎，同时旋转叶片本身就是带有切削角的刀具，在旋转搅拌的过程中同时对晶体材料进行切削。

图2是本发明一个实施例的叶片式刀具61的结构示意图，图3是图2中叶片式刀具61的A-A向剖视图。

当然，此处对起搅拌切削作用的刀具的具体形状不作限定，对搅拌装置在容器中的安装位置不作限定，例如，如图1所示，叶片式刀具61位于容器罐41的底部，在另外的实施例中，叶片式刀具61也可以是位于容器罐41的侧面。

本实施例中对驱动结构的具体结构也不作限定，它既可以是直流式电机，也可以是电磁式电机或者是其他驱动形式。

本实施例中对搅拌装置的搅拌速率也不作限定，只是在通常情况下，会采用高速搅拌的模式，既能保证搅拌充分，也加大了搅拌刀具对晶体材料的切削作用，有利于获得更加均匀的微纳米材料并且提高制备效率。

本实施例中，对于超声波破碎工作头1、叶片式刀具61的数量、以及相互的位置关系也不作任何限定。在本实施例中，联合使用超声波破碎工作头1与叶片式刀具61，对容器罐41内的层型块状晶体材料的溶液进行破碎与搅拌切削，能够有效增加晶体材料，尤其是大颗粒的晶体材料被超声波破碎的概率，能够获取到破碎更加充分的、均匀度高的微纳米材料，也可大大提高微纳米材料的制备效率。

本实施例中，容器罐41的罐体上设有一恒温槽5，恒温槽5具有恒温介质入口和恒温介质出口(如图中实心长箭头所示)，外接循环水、油等介质可通过该出入口循环流经容器罐41的壁，可以分散超声波破碎工作头1和叶片式刀具61在工作过程中产生的大量热能，保证容器罐41内溶液温度维持恒定，优化剥离效果，使得获得的微纳米材料的质量更好。如对温变幅度的容忍度较大，也可以将容器罐带有的冷却槽设计成缠绕容器罐外壁的冷凝管。

本实施例中，还包括与容器罐41配套的容器盖42，可与容器罐41形成气密性连接。此时，为使超声波破碎工作头1能够作用于容器罐41内的晶体材料，容器盖42上设有可供超声波破碎工作头1主轴穿过的孔，超声波破碎工作头主轴与孔之间设有密封圈49保证气密性。容器盖42与容器罐41之间优选为螺纹结构的连接，连接处设有密封垫46保证连接的气密性。容器盖42、密封圈49、密封垫46与容器罐41组成容器装置4。

本实施例中，容器盖42上还设有进气口47与排气口43，容器罐41通过进气口47、排气口43与真空系统以及气体保护装置连接，排气口安装有气压表，用于检测容器罐41内气体的压强。当真空系统(例如真空泵)工作时，可将容器罐41内的空气抽出，使容器罐41内形成真空环境，不会有空气、水分等使经剥离的微纳米材料产生氧化；当气体保护装置(例如电磁阀和气体瓶)工作时，气体保护装置视具体情况将保护气体(例如氦气、氩气等)充入真空的容器罐41中，使容器罐41内形成更加稳定的气体保护氛围。

本实施例中，优选地，将进料口设置在容器盖42上，与一进料漏斗44连接，进料开关45控制进料漏斗44的开闭；优选地，将出料口设置在容器罐41底部，由出料开关48控制出料口的开闭；进料开关与出料开关配合完成容器罐41内溶液的储存与更换。本实施例中，对进料口、出料口的位置不作限定，只要方便操作即可。

本实施例中，抽滤装置7位于出料口下方，抽滤装置7包括一抽滤瓶、一个与抽滤瓶适配的单孔塞、安装在单孔塞塞孔内的漏斗以及过滤媒介，其中单孔塞可优选为密封性好的橡胶塞，过滤媒介可根据需要制备的微纳米材料的尺寸大小选择不同型号的滤纸、过滤筛等，过滤媒介需要紧贴漏斗内壁并覆盖漏斗上的所有孔。当出料口48打开时，经破碎剥离作用的溶液从出料口落入漏斗，在漏斗中经过过滤媒介的作用，破碎充分的微纳米材料随溶剂进入抽滤瓶，破碎不充分的大颗粒晶体材料留在过滤媒介上，如此，通过抽滤装置所获得的材料均为破碎充分且符合相应要求的微纳米材料，同时，与材料制备装置一体化安装的抽滤装置也可以大大提高微纳米材料的收集效率。

本实施例的液相剥离法制备微纳米材料的装置的操作方法如下：

通过螺纹结构和密封垫46将容器罐41和容器盖42进行密封连接。打开进料口45，将经过研磨的层型块状微纳米材料(如石墨、黑磷、硫化钼、硫化钨、氮化硼等)晶体和剥离用溶剂通过进料漏斗44加入容器罐41，关闭进料口45。通过调节连接固定板2与支撑架3之间可以快速锁紧的夹头，调节固定板2以及超声波破碎工作头1至适宜高度，紧固。

打开进气口47与排气口43，开启与之连接的真空系统，待抽真空结束后，开启与之连接的气体保护装置，使容器罐41充满保护气体(例如氩气)。开启恒温槽5的水、油循环系统，待恒温槽5的温度稳定后，通过设置相关的参数(包括运行时间、超声功率、刀具转速等)开启超声波破碎工作头1和叶片式刀具61，开始微纳米材料破碎剥离操作。

待超声波破碎工作头1和叶片式刀具61运行到设定时间停止后，打开出料口48，经过破碎的晶体材料溶液进入漏斗中，根据实际情况选择的漏斗内壁的过滤媒介对溶液进行过滤，在抽滤装置中抽气泵的作用下，符合具体条件的材料随溶剂进入抽滤瓶。将抽滤瓶中的溶液转至离心管进行离心分离，即可获得微纳米材料。

本发明一个实施例的液相剥离法制备微纳米材料的方法描述如下，该方法对放入容器罐中的层型块状晶体材料和剥离溶剂进行超声波破碎从而获取微纳米材料，其特征在于，所述方法在对容器罐中的层型块状晶体材料进行超声波破碎的过程中，还对层型块状晶体材料进行搅拌。

在一种优选的实施方式中，在使用超声波破碎工作头1和搅拌装置6对容器罐41内的晶体材料作用时，通过恒温槽5将容器罐内的溶液温度控制在一定范围内，可以分散超声波破碎工作头1和搅拌装置6在工作过程中产生的大量热能，优化剥离效果。

在一种优选的实施方式中，在使用超声波破碎工作头1和搅拌装置6同时对容器罐41内的晶体材料作用之前，对容器罐41内进行抽真空的处理，使得容器罐41内形成真空环境。不会有空气、水分等使经破碎的微纳米材料产生氧化。更优选的，在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体，防止破碎的微纳米材料氧化产生缺陷。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于，包括：

容器罐，其用于盛装层型块状晶体材料和剥离溶剂；

容器盖，所述容器盖与所述容器罐适配，所述容器盖通过密封垫可与容器罐实现气密性连接；

超声波破碎工作头，其位于所述容器罐中，用于对容器罐中的晶体材料进行超声波破碎；

搅拌装置，包括带有切削角的叶片式工具，其位于所述容器罐底部，用于对容器罐中的晶体材料进行搅拌和切削。

2.如权利要求1所述的液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于：所述容器罐罐体上设有恒温槽，所述恒温槽具有恒温介质入口和恒温介质出口。

3.如权利要求2所述的液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于：所述容器盖上设有可供超声波破碎工作头主轴穿过的孔，所述容器盖通过密封圈可与超声波破碎工作头主轴实现气密性连接，所述容器盖、密封圈、密封垫与容器罐组成容器装置。

4.如权利要求3所述的液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于：还包括一与容器罐连接的真空系统，可用于对容器罐进行抽真空的操作，使得容器罐内形成真空环境；还包括一与容器罐连接的气体保护装置，用于向容器罐内充入保护气体。

5.如权利要求3至4中任一项所述的液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于：所述容器装置设有一进料口，所述进料口的开闭由进料开关控制；所述容器装置设有一出料口，所述出料口的开闭由出料开关控制。

6.如权利要求5所述的液相剥离法制备微纳米材料的装置，其特征在于：所述出料口下方设有一抽滤装置，所述抽滤装置包括一抽滤瓶、与抽滤瓶适配的单孔塞、安装在单孔塞塞孔内的漏斗以及紧贴漏斗内壁的过滤媒介。

7.一种液相剥离法制备微纳米材料的方法，该方法对放入容器罐中的层型块状晶体材料和剥离溶剂进行超声波破碎从而获取微纳米材料，其特征在于，所述方法在对密封的容器罐中的层型块状晶体材料进行超声波破碎的过程中，还对底部层型块状晶体材料进行搅拌和切削。

8.如权利要求7所述的液相剥离法制备微纳米材料的方法，其特征在于：在对层型块状晶体材料进行超声波破碎的过程中，控制容器罐内溶液的温度恒定。

9.如权利要求8所述的液相剥离法制微纳米材料的方法，其特征在于：在对层型块状晶体材料进行超声波破碎前，对容器罐内进行抽真空的处理，使得容器罐内形成真空环境，在对容器罐内进行抽真空的处理后，再向容器罐内充入保护性气体。