CN107522192B - 连续流立式平面型液相剪切方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续流立式平面型液相剪切方法，被加工的层状前驱物料混于液体中，从进料口注入装置进入到上盘和下盘之间；当下盘转动时，二者之间的流体会同时产生层流和湍流；液体物料经过一轮液相剪切加工后流入液腔，由液压泵通过管接头、回流管、三通管接头重回上、下盘之间，再次经历液相剪切加工，如此多次循环，直至完全满足加工要求。本发明工作性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种液相剪切装置。
背景技术
新世纪以来，以石墨烯(Graphene)和二硫化钼(MoS2)为代表的柔性二维材料的研究一直是全世界的研究热点，陆续发现了它们各种独特的物理性能,比如石墨烯的超快电子传输及热传输能力，单层或少层的MoS2具有独特的能级结构导致的光学响应以及抗辐射性能等，就实验室水平而言，以它们为基础的各种新材料在催化、能源以及传感器等领域展示出潜在的优势，也成为世界上各个国家竞相发展的重点方向。然而，作为二维材料的制备而言，它们的制备也经历了一个比较复杂的过程，从最初的微机械剥离法开始，陆续发展出离子插层剥离、液相超声剥离、水热合成、氧化还原，化学气相沉积以及外延生长等等方法，各种方法各有其优缺点，比如机械剥离(包括离子插层剥离)和外延生长等方法普遍存在着产率较低的问题，离子插层剥离和外延生长还存在着工艺要求高、能耗大等问题，而超声剥离中超声功率的大小和容器形状及尺寸的关联复杂，空化作用易带来前驱体的无定型碎片，易造成产品不稳定。从批量化的前景看，目前水热合成(MoS2)、氧化还原(Graphene)方法和化学气相沉积是较有发展前景的制备方法，但水热合成(MoS2)、氧化还原(Graphene)方法总体上环保和纳米层次的团聚并不能简单解决，至于化学气相沉积，衬底的处理、层数控制以及二维材料的移出等工艺环节远未成熟，因此，在目前的技术水平上，发展出绿色环保、低能耗且具有批量生产前景的制备技术和装置具有重要意义。
注意到MoS2、Graphene的体相层状前躯体材料较弱的层间范德瓦尔斯的结合力，液相中的这些层状材料，在空化和撞击的情况下，易于实现层间插入进一步降低层间的结合力，根据流体中液相剪切力的原理，液相剪切力可用来表征，τ、η和分别为剪切力、黏度系数和x方向上的速度梯度，微小空间中流体，比如相距在毫微米量级的两平行面之间，若某一面上的流体跟随该面做较高速度的运动，则在这两平行面之间的流体存在着较高的速度梯度，而这个速度梯度提供的剪切力可实现层状前驱体剥离为二维材料。常规的液相剪切装置分为平板式和圆筒式两大类，平板式即上下采用平行排列的平板，利用两板之间的相对运动提供速度梯度，适合于实验室系统的小批量研究；圆筒式是利用同轴圆柱面之间的狭小空间，内桶高速旋转提供速度梯度，由于面积较大，高速剪切时的功耗和装置的稳定性要求较高，内桶的转速受到限制，并且，剪切剥离的过程是剪切力做功的过程，虽然两桶之间的容量可以通过增加高度来实现，但均分于层状物质前驱体的能量并不大，导致达到预期剪切效果的产率同样受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作性能好的连续流立式平面型液相剪切方法。
本发明的技术解决方案是：
一种连续流立式平面型液相剪切方法，其特征是：采用连续流立式平面型液相剪切装置；被加工的层状前驱物料混于液体中，从进料口注入装置，经过三通接头和上轴进入到上盘和下盘之间；上下盘之间保持一定的间隙，间歇量可以通过上盖板和上轴之间的螺纹来调节；工作时上下盘之间有相对运动，上盘固定在上轴上，工作时静止不动，下盘与下轴通过键连接，下轴由立式电机驱动；当下盘转动时，二者之间的流体会同时产生层流和湍流，流体因速度梯度提供的高速液相剪切力而实现层状前驱体剥离为二维材料，上、下盘两者之间的间隙为定值，则随着两盘作相对转动，其间液体层只存在粘滞切应力，液体的流动为层流，但在两盘面中间区域上，由于沟槽的存在，盘与盘之间的间隙将随着位置而产生变化，液体流经这些区域时会产生惯性力，流线的形态将发生改变，从而满足层流转变为湍流的条件，部分区域将产生湍流，所以，整个盘面区域范围内将同时存在层流和湍流；液体物料经过一轮液相剪切加工后流入液腔，由液压泵通过管接头、回流管、三通管接头重回上、下盘之间，再次经历液相剪切加工，如此多次循环，直至完全满足加工要求；
所述连续流立式平面型液相剪切装置包括底座，底座上装立式电机，立式电机通过联轴器与位于液腔中的下轴连接，下轴与下盘连接，下盘上方设置位于液腔中的上盘；上盘与设有物料通道的上轴连接，上轴穿出液腔与三通管接头的一端连接，三通管的另二端分别与进料口及回料管连接，回料管与液压泵连接，液压泵通过管接头与液腔连接；所述液腔包括腔体，腔体上端设置上盖板，腔体下端与固定在底座上的立柱连接；
上、下盘相对的工作盘面均设计成内、中、外三个区域，高度成阶梯分布，外区域为圆环平面，中间区域各自开设有径向槽，内区域与轴连接；上盘的内、中、外三个区域为依次上升的阶梯形式，下盘的内、中、外三个区域为依次降低的阶梯形式，上、下盘台阶配合成具有间隙的相对面形式。
下轴上装轴承，轴承设置在轴承安装套中。
本发明针对低功耗高剪切力提出一种连续流立式平面型液相剪切方法；插层剪切模块采用功能分区设计的平行圆盘面的结构，在盘间实现湍流和层流区域，湍流区域有利于前驱体的空化和撞击，从而实现对层状材料的层间插入，层流区域通过调节盘面间距离控制流体的总量，利于盘面高速转动而提供高剪切力，在高剪切力的作用下实现层状材料的剥离而制备出二维材料。连续供料采用自适应外接泵形式，可方便选择回流或连续流供料模式实现不同的需求。
本发明技术方案：①平面圆盘面设计，减小被剪切的含前驱体的流体总量，旨在解决功耗和高速度梯度的获得；②盘面特别的分区设计，使前驱体流体在盘面间经历两种流体的运动，湍流利于插层，层流利于剪切，旨在使前驱体流体在盘面运动的过程中一体完成插入和剥层；③自适应外接泵流量的设计，一方面保证供料量和盘面转速及盘间容量相适应，另一方面保证连续供料而提高产率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明连续流立式平面型液相剪切装置的结构示意图。
图2是上盘的结构示意图。
图3是下盘的结构示意图。
1.进料口；2.三通管接头；3.上盖板；4.上盘；5.下盘；6.液腔；7.轴承安装套；8.下轴；9.底座；10.液压泵；11.立式电机；12.管接头；13.联轴器；14.回料管；15.防松装置；16.上轴
具体实施方式
一种连续流立式平面型液相剪切方法，采用连续流立式平面型液相剪切装置；被加工的层状前驱物料混于液体中，从进料口注入装置，经过三通接头和上轴进入到上盘和下盘之间；上下盘之间保持一定的间隙，间歇量可以通过上盖板和上轴之间的螺纹来调节；工作时上下盘之间有相对运动，上盘固定在上轴上，工作时静止不动，下盘与下轴通过键连接，下轴由立式电机驱动；当下盘转动时，二者之间的流体会同时产生层流和湍流，流体因速度梯度提供的高速液相剪切力而实现层状前驱体剥离为二维材料，上、下盘两者之间的间隙为定值，则随着两盘作相对转动，其间液体层只存在粘滞切应力，液体的流动为层流，但在两盘面中间区域上，由于沟槽的存在，盘与盘之间的间隙将随着位置而产生变化，液体流经这些区域时会产生惯性力，流线的形态将发生改变，从而满足层流转变为湍流的条件，部分区域将产生湍流，所以，整个盘面区域范围内将同时存在层流和湍流；液体物料经过一轮液相剪切加工后流入液腔，由液压泵通过管接头、回流管、三通管接头重回上、下盘之间，再次经历液相剪切加工，如此多次循环，直至完全满足加工要求；
所述连续流立式平面型液相剪切装置包括底座，底座上装立式电机，立式电机通过联轴器与位于液腔中的下轴连接，下轴与下盘连接，下盘上方设置位于液腔中的上盘；上盘与设有物料通道的上轴连接，上轴穿出液腔与三通管接头的一端连接，三通管的另二端分别与进料口及回料管连接，回料管与液压泵连接，液压泵通过管接头与液腔连接；所述液腔包括腔体，腔体上端设置上盖板，腔体下端与固定在底座上的立柱连接；
上、下盘相对的工作盘面均设计成内、中、外三个区域，高度成阶梯分布，外区域为圆环平面，中间区域各自开设有径向槽，内区域与轴连接；上盘的内、中、外三个区域为依次上升的阶梯形式，下盘的内、中、外三个区域为依次降低的阶梯形式，上、下盘台阶配合成具有间隙的相对面形式。
下轴上装轴承，轴承设置在轴承安装套中。
Claims (2)
1.一种连续流立式平面型液相剪切方法，其特征是：采用连续流立式平面型液相剪切装置；被加工的层状前驱体混于液体中，从进料口注入装置，经过三通管接头和上轴进入到上盘和下盘之间；上下盘之间保持一定的间隙，间隙量可以通过上盖板和上轴之间的螺纹来调节；工作时上下盘之间有相对运动，上盘固定在上轴上，工作时静止不动，下盘与下轴通过键连接，下轴由立式电机驱动；当下盘转动时，二者之间的流体会同时产生层流和湍流，流体因速度梯度提供的高速液相剪切力而实现层状前驱体剥离为二维材料，上、下盘两者之间的间隙为定值，则随着两盘作相对转动，其间液体层只存在粘滞切应力，液体的流动为层流，但在两盘面中间区域上，由于沟槽的存在，盘与盘之间的间隙将随着位置而产生变化，液体流经这些区域时会产生惯性力，流线的形态将发生改变，从而满足层流转变为湍流的条件，部分区域将产生湍流，所以，整个盘面区域范围内将同时存在层流和湍流；液体物料经过一轮液相剪切加工后流入液腔，由液压泵通过管接头、回流管、三通管接头重回上、下盘之间，再次经历液相剪切加工，如此多次循环，直至完全满足加工要求；
所述连续流立式平面型液相剪切装置包括底座，底座上装立式电机，立式电机通过联轴器与位于液腔中的下轴连接，下轴与下盘连接，下盘上方设置位于液腔中的上盘；上盘与设有物料通道的上轴连接，上轴穿出液腔与三通管接头的一端连接，三通管接头的另二端分别与进料口及回料管连接，回料管与液压泵连接，液压泵通过管接头与液腔连接；所述液腔包括腔体，腔体上端设置上盖板，腔体下端与固定在底座上的立柱连接；
上、下盘相对的工作盘面均设计成内、中、外三个区域，高度成阶梯分布，外区域为圆环平面，中间区域各自开设有径向槽，内区域与轴连接；上盘的内、中、外三个区域为依次上升的阶梯形式，下盘的内、中、外三个区域为依次降低的阶梯形式，上、下盘台阶配合成具有间隙的相对面形式。
2.根据权利要求1所述的连续流立式平面型液相剪切方法，其特征是：下轴上装轴承，轴承设置在轴承安装套中。
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