CN107624105A - 利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法及制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法及制备装置。本发明的石墨烯制备方法的特征在于，包括：向储存于反应器的反应空间的包含溶剂的流体投入石墨类物质的步骤；以及使投入上述石墨类物质的流体进行旋转并利用通过流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨类物质来制备石墨烯的步骤。

Description

利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法及制备装置

技术领域

本发明涉及石墨烯制备方法，更详细地，涉及利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法。

并且，本发明涉及适合于实现上述石墨烯制备方法的制备装置。

背景技术

通常，将石墨烯定义为具有二维平面结构的六边形结晶结构的单层碳。

相比于以往的碳材料，石墨烯具有呈现出优秀的导电性、导热性及机械强度的优点，因而其为有望利用于半导体、显示器等多种领域的碳材料。

上述石墨烯以多种方法来制备。

图1为简要示出利用氧化/还原方法的石墨烯制备方法的图。

参照图1，利用氧化/还原方法的石墨烯制备方法通过对石墨(graphite)进行氧化来形成氧化石墨(graphite oxide)，并对其进行剥离来获取氧化石墨烯(graphene oxide)后通过还原来制备石墨烯。

利用氧化/还原方法的石墨烯制备方法具有如下优点，即，可将廉价的石墨作为原料物质来制备大量的石墨烯，并可以利用石墨烯分散液来进行溶液工序。但是，此方法存在如下问题，即，在石墨的氧化过程中碳晶被破坏，因而所制备出的石墨烯存在很多化学缺陷和结构缺陷，因此，导致石墨烯性能差。

图2为简要示出利用超声波的石墨烯制备方法的图。

参照图2，利用超声波的石墨烯制备方法在施加超声波的溶剂内直接剥离石墨来制备石墨烯。此方法不伴随氧化/还原工序，因此，可以制备缺陷少的石墨烯，并可以确保优秀的电特性。但是，此方法因石墨的剥离效率的局限性而存在石墨烯的生产速度低的缺点。并且，此方法因超声波设备的技术局限性而存在难以连续生产大量石墨烯的局限性。

作为制备石墨烯的另一种方法，还有利用化学气相沉积法(CVD)等来在高温环境中合成石墨烯的方法。此方法具有可直接在基板上形成石墨烯的优点，但是因高温工序而存在制备石墨烯需要高额费用的缺点。

与本发明有关的背景技术有韩国公开专利公报第10-2011-0077606号(2011年07月07日公开)，在上述文献中公开了在向1-丙醇添加石墨后通过超声波分解来制备石墨烯的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法。

本发明的另一目的在于，提供可以适用于上述石墨烯制备方法的石墨烯制备装置。

技术方案

用于实现上述目的的本发明实施例的石墨烯制备方法的特征在于，包括：向储存于反应器的反应空间的包含溶剂的流体投入石墨类物质的步骤；以及使投入上述石墨类物质的流体进行旋转并利用通过流体的旋转流动而产生的剪切力(shear force)剥离石墨类物质来制备石墨烯的步骤。

此时，上述反应器可包括：内侧主体，沿着水平方向延伸；以及圆筒形外侧主体，以与上述内侧主体相隔开的状态包围上述内侧主体来在内部形成反应空间。

并且，可在上述圆筒形外侧主体的一侧投入石墨类物质，可在上述圆筒形外侧主体的另一侧排出石墨烯。

并且，上述溶剂可包含N-甲基吡咯烷酮(NMP；N-methyl-2-pyrrolidinone)及N,N-二甲基甲酰胺(DMF；N,N-dimethylformamide中的1种以上。

并且，上述流体可还包含分散剂，上述分散剂包含胆酸钠(NaC；Sodium Cholate)、聚乙烯醇(PVA；poly vinyl alcohol)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP；poly vinyl pyrrolidone)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS；polystyrenesulfonate)、十二烷基苯磺酸(DBSA；dodecylbenzenesulfonic acid)及离子液体(Ionic liquid)中的1种以上。

并且，可在对上述流体进行加热的状态下使上述流体进行旋转流动。

并且，可将上述内侧主体的旋转速度调节为500rpm以上。

并且，可作为上述石墨类物种来利用非膨胀性石墨或压缩状态的膨胀性石墨。

作为上述石墨类物质的另一例，可利用在石墨的各层之间插入有插层剂(intercalant)的石墨插层化合物(Graphite Intercalation Compound)。在此情况下，上述插层剂可包含含有1种以上的碱金属及碱土金属的化合物、硫酸、硝酸、磷酸及有机酸、离子液体中的1种以上。

用于实现上述目的的本发明实施例的石墨烯制备装置的特征在于，包括：反应器，包括沿着水平方向延伸的内侧主体和以与上述内侧主体相隔开的状态包围上述内侧主体来在内部形成反应空间的圆筒形外侧主体；投入口，形成于上述圆筒形外侧主体的一侧，用于投入石墨类物质；排出口，形成于上述圆筒形外侧主体的另一侧，用于排出利用通过储存于上述反应空间的流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨来获取的石墨烯；以及驱动部，用于使上述内侧主体进行旋转。

有益效果

本发明的石墨烯制备方法可以通过利用流体的剪切流动有效地剥离石墨，可以连续制备大量的石墨烯。

并且，本发明的石墨烯制备方法不伴随氧化/还原，因而可以制备高品质的石墨烯。

并且，在作为石墨类物质来利用石墨插层化合物的例的情况下，由于含有可起到减弱石墨的石墨烯各层之间引力作用的插层剂，因此，还具有可进一步提高石墨的剥离效率，即，石墨烯的制备效率的额外优点。

附图说明

图1为简要示出利用氧化/还原方法的石墨烯制备方法的图。

图2为简要示出利用超声波的石墨烯制备方法的图。

图3为简要示出本发明的利用剪切流动的石墨烯制备方法的图。

图4为简要示出可适用于本发明的石墨烯制备方法的反应器的例的立体图。

图5为简要示出可适用于本发明的石墨烯制备方法的反应器的例的剖视图。

图6为简要示出本发明实施例的石墨烯制备装置的图。

具体实施方式

若参照详细后述的实施例及附图，则可以明确理解本发明的优点、特征及实现它们的方法。但是，本发明并不局限于以下所公开的实施例，而能够以互不相同的各种方式实施，只是，提供本实施例的目的仅在于完整地公开本发明，并使本发明所属技术领域的普通技术人员完整地理解本发明的范畴，本发明通过发明要求保护范围的范畴来定义。

以下，参照附图来对本发明的利用剪切流动的高品质石墨烯制备方法及制备装置进行详细说明。

图3为简要示出本发明的利用剪切流动的石墨烯制备方法的图。

参照图3，本发明的石墨烯制备方法利用剪切流动(shear flow)。更具体地，在本发明中，通过使流体进行旋转来形成泰勒(Taylor)流体流动，并利用通过上述流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨类物质来制备石墨烯。此时，施加于石墨类物质的剪切力需充足，从而克服石墨的各石墨烯层之间的强范德瓦尔斯(Van der Waals)引力，这可通过作为对流体的旋转流动特性产生影响的要素，即，通过提高反应器的旋转速度、提高流体温度、投入添加剂(插层剂，分散剂等)来实现。

为了利用剪切流动制备石墨烯，本发明利用如图4及图5所示的例相同的反应器。

参照图4及图5，利用泰勒流体的反应器包括：内侧主体410，沿着水平方向延伸；以及圆筒形外侧主体420，以与内侧主体相隔开的状态包围上述内侧主体。在内侧主体410与圆筒形外侧主体420之间形成有反应空间430。并且，内侧主体410和圆筒形外侧主体420的两侧末端形成有密封材料。而且，内侧主体410利用旋转轴405以水平轴为基准进行旋转，圆筒形外侧主体420被固定。

反应器的长度可以约为10cm～1m，反应空间的体积可以约为10mL～10L。但是，反应器的长度及反应空间的体积并不局限于此。

本发明的泰勒流体流动是指如下的双环排列的涡流：当外部圆筒，即，外侧主体被固定，且内部圆筒，即，内侧主体进行旋转时，在流体沿着内部圆筒的旋转方向流动的过程中，通过离心力而产生从内部圆筒侧向外部圆筒方向流动的力量，此时，内部圆筒的旋转速度越快，则流体变得不稳定，从而根据轴方向进行有规则且沿着相反方向进行旋转的双环排列的涡流。具有可根据流体的旋转速度、内侧主体及外侧主体的半径及隔开距离、流体的粘度等而形成泰勒流体流动，随着泰勒流体的形成，剪切流动力大大增加的原理。

即，在本发明中，向储存于反应器的反应空间430的包含溶剂的流体投入石墨类物质，使投入石墨类物质的流体进行旋转来形成泰勒流体，并利用通过泰勒流动而产生的剪切力剥离石墨类物质来制备石墨烯。

并且，在本发明的情况下，如图6所示，可在圆筒形外侧主体420的一侧投入石墨类物质，可在圆筒形外侧主体420的另一侧排出石墨烯。

在本发明中所利用的石墨类物质可以为普通的非膨胀性石墨、压缩状态的膨胀性石墨等，可单独投入或混合2种以上来投入。

作为石墨类物质的另一例，可以为石墨插层化合物。石墨插层化合物为在石墨的层间，即，石墨烯的各层之间插入作为异种物质的插层剂的石墨类物质。插层剂可通过减弱石墨的石墨烯各层之间的引力来起到降低石墨的层间能量的作用，因而当进行剪切流动时，石墨插层化合物可大大提高石墨烯的剥离效率。

作为石墨插层化合物的插层剂，可举出包含1种以上的碱金属及碱土金属的化合物，例如，可举出酒石酸钾钠(potassium sodium tartrate)。此外，作为插层剂，可利用硫酸、硝酸、磷酸等有机酸。并且，铵类或咪唑类等离子液体也可用作插层剂。上述插层剂可单独使用或混合2种以上来使用。

包含于流体的溶剂可包含N-甲基吡咯烷酮及N,N-二甲基甲酰胺中的1种以上。上述N-甲基吡咯烷酮及N,N-二甲基甲酰胺的特征在于具有与石墨烯类似的表面能量。

并且，为了提高石墨类物质的剥离效率，流体还可包含分散剂。分散剂可包含胆酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸钠、十二烷基苯磺酸及离子液体中的1种以上。

另一方面，作为进一步提高流体的流动性的方法，将内侧主体410的旋转速度调节为500rpm以上，更具体地，调节为500rpm至5000rpm之间。内侧主体410的旋转速度越快，则流体呈现出更快的旋转流动，由此，还可提高施加于石墨类物质的剪切力。在旋转速度低于500rpm的情况下，泰勒流动层的形成受限，并可使流动层的剪切效率下降，因而并不优选。

图6为简要示出本发明实施例的石墨烯制备装置的图。

参照图6，本发明的石墨烯制备装置包括上述反应器、投入口601、排出口602及驱动部610。

反应器包括：内侧主体410，沿着水平方向延伸；以及圆筒形外侧主体420，以与内侧主体向隔开的状态包围内侧主体。在内侧主体410与圆筒形外侧主体420之间形成有反应空间430，流体储存于反应空间。并且，内侧主体410利用旋转轴405进行旋转，圆筒形外侧主体420被固定。

投入口601形成于圆筒形外侧主体420的一侧，用于投入石墨类物质。可以仅投入石墨类物质，也可一同投入石墨类物质和流体，可连续或周期性地进行投入。

排出口602形成于圆筒形外侧主体420的另一侧，用于排出利用通过储存于反应空间430的流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨来获取的石墨烯。

被排出的结果物通过离心分离等而可分离为层数低于10层，即，1～9层的石墨烯和除此之外的石墨类物质、溶剂等。当将10层为止定义为石墨烯时，10层以上的石墨类物质、溶剂等可通过投入口601再次投入于反应器内。

驱动部610通过旋转轴405使内侧主体410及圆筒形外侧主体420进行旋转。

除此之外，本发明的石墨烯制备装置可包括加热器620及支架630。

加热器620可通过对流体进行加热来使旋转流动更加顺畅，可呈包围圆筒形外侧主体420的形态。

支架630起到可使包括旋转轴405在内的反应器以水平轴为基准进行旋转。

如上所述，根据本发明的石墨烯制备方法，可利用流体的剪切流动来有效剥离石墨，被可连续制备大量的石墨烯。

并且，本发明的石墨烯制备方法不伴随氧化/还原，因而可制备出高品质的石墨烯，属于在制备过程中不产生强酸或酸性废液的经济且环保的方法。

所制备的石墨烯可利用于用于制备印刷型电子元件的导电性石墨烯墨水、超级电容器等能量存储装置的电极材料领域、散热及复合材料等多种领域。

以上，参照附图对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，而是能够以互不相同的多种方式变形，本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解可在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下以其它具体方式实施本发明。因此，应当理解，以上所说明的实施例在所有方面仅为例示性的，而并非为限制性的。

Claims (11)

1.一种石墨烯制备方法，其特征在于，包括：

向储存于反应器的反应空间的包含溶剂的流体投入石墨类物质的步骤；以及

使投入上述石墨类物质的流体进行旋转，并利用通过流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨类物质来制备石墨烯的步骤。

2.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，上述反应器包括：

内侧主体，沿着水平方向延伸；以及

圆筒形外侧主体，以与上述内侧主体相隔开的状态包围上述内侧主体来在内部形成反应空间。

3.根据权利要求2所述的石墨烯制备方法，其特征在于，

在上述圆筒形外侧主体的一侧投入石墨类物质，

在上述圆筒形外侧主体的另一侧排出石墨烯。

4.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，上述溶剂包含N-甲基吡咯烷酮及N,N-二甲基甲酰胺中的1种以上。

5.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，上述流体还包含分散剂，上述分散剂包含胆酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸钠、十二烷基苯磺酸及离子液体中的1种以上。

6.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，在对上述流体进行加热的状态下使上述流体进行旋转流动。

7.根据权利要求2所述的石墨烯制备方法，其特征在于，将上述内侧主体的旋转速度调节为500rpm以上。

8.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，利用非膨胀性石墨或压缩状态的膨胀性石墨作为上述石墨类物质。

9.根据权利要求1所述的石墨烯制备方法，其特征在于，利用在石墨的各层之间插入有插层剂的石墨插层化合物作为上述石墨类物质。

10.根据权利要求9所述的石墨烯制备方法，其特征在于，上述插层剂包含含有1种以上的碱金属及碱土金属的化合物、硫酸、硝酸、磷酸及有机酸、离子液体中的1种以上。

11.一种石墨烯制备装置，其特征在于，包括：

反应器，包括沿着水平方向延伸的内侧主体和以与上述内侧主体相隔开的状态包围上述内侧主体来在内部形成反应空间的圆筒形外侧主体；

投入口，形成于上述圆筒形外侧主体的一侧，用于投入石墨类物质；

排出口，形成于上述圆筒形外侧主体的另一侧，用于排出利用通过储存于上述反应空间的流体的旋转流动而产生的剪切力剥离石墨来获取的石墨烯；以及

驱动部，用于使上述内侧主体进行旋转。