CN109092218B - 一种纳米石墨溶胶制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米石墨溶胶制备领域，公开了一种纳米石墨溶胶制备装置，其包括电解槽，冲洗管和限位盖板，电解槽包括槽体，沿槽体的宽度方向间隔设有多个石墨支架，每相邻两个石墨支架之间设有多组一一对应的支撑开口槽，每组支撑开口槽之间用于放置一石墨板，每片石墨板的其中一对对角分别支撑在一组支撑开口槽中，限位盖板呈条状，限位盖板的底面沿其长度方向间隔设有多个卡槽，限位盖板用于设于石墨板的上方，通过卡槽将多片石墨板之间一一隔开，冲洗管沿槽体的内侧壁设置，并沿槽体的底面延伸。本发明还公开了一种制备方法。本发明能够解决纳米石墨溶胶在制备过程中易团聚，制备纳米石墨溶胶用时短，杂质离子少，粒径小，浓度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及纳米石墨溶胶制备技术领域，特别是涉及一种纳米石墨溶胶制备装置及制备方法。
背景技术
纳米材料的制备和应用技术，成为二十一世纪材料研究的一项新内容。大量研究表明，碳处于纳米尺度范围时，具有许多常规尺寸碳材料所不具有的特殊性能。其广泛应用于电发热材料、电池制造业、磁性记录材料、农业、航空、航天等领域，用途十分广泛，是纳米材料研究中的亮点。但是，由于碳是处于半金属状态的元素，在纳米状态时具有强烈的选择吸附性，且带有负电性，极易发生团聚，使纳米碳的制造十分困难。
现有生产纳米石墨溶胶的设备，纳米石墨溶胶会在负极板上堆积团聚，产生大量类似淤泥状的沉淀，直接影响到了溶胶浓度的提高，这种电极上的团聚堆积碳颗粒会形成很厚的势垒层，不但阻碍纳米石墨碳生成，而且团聚碳颗粒都在微米级，脱落后会在电解槽底部形成沉积，造成电极短路，并且清理十分困难，需将整套生产设备完全拆解露出箱底才能清理干净，严重影响设备的使用寿命和出产溶胶的质量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
本发明的目的是提供一种纳米石墨溶胶制备装置及制备方法，以解决纳米石墨溶胶在制备过程中易团聚，特别是电极上的团聚，分散难的问题，得到的溶胶浓度高，稳定性、粒径均匀性好。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种纳米石墨溶胶制备装置，其包括电解槽，冲洗管和限位盖板，所述电解槽包括槽体，沿所述槽体的宽度方向间隔设有多个石墨支架，每相邻两个所述石墨支架之间设有多组一一对应的支撑开口槽，每组所述支撑开口槽之间用于放置一石墨板，每片所述石墨板的其中一对对角分别支撑在一组所述支撑开口槽中，所述限位盖板呈条状，所述限位盖板的底面沿其长度方向间隔设有多个卡槽，所述限位盖板用于设于所述石墨板的上方，通过所述卡槽将多片所述石墨板之间一一隔开，所述冲洗管沿所述槽体的内侧壁设置，并弯折沿所述槽体的底面延伸。
其中，所述支撑开口槽沿所述石墨支架的长度方向成排间隔设置，所述支撑开口槽的宽度与所述石墨板的厚度相匹配，相邻两个所述支撑开口槽之间的间距限定出相邻两片所述石墨板之间的间距。
其中，所述支撑开口槽的槽底面呈从内向外向下倾斜设置，且所述槽底面的倾斜角度和与所述槽底面接触的所述石墨板的斜边倾斜角度一致。
其中，所述石墨板呈方形，所述限位盖板用于盖设在所述石墨板的顶角上，所述卡槽的横截面呈与所述石墨板的顶角相匹配的三角形；所述石墨板的底角与所述槽体的底部之间留有间距。
其中，所述石墨支架的两端通过支撑杆支撑在所述槽体中，所述支撑杆的顶端设有夹持所述石墨支架的定位槽，所述支撑杆贴设于所述槽体的宽度方向的相对两侧。
其中，所述冲洗管包括多组，多组所述冲洗管沿所述槽体的长度方向间隔设置，每组所述冲洗管包括竖直段和水平段，所述竖直段和水平段通过弯管接头连接，所述水平段沿所述槽体的底部宽度方向设置，所述水平段的管壁分布有若干出水孔，且所述出水孔水平向下倾斜；所述冲洗管用于向所述槽体中放入电解液或向所述槽体提供需要清洗的冲洗水。
其中，所述槽体的底部构造成四周向中部逐渐倾斜向下设置，且在槽底中部设有排放口。
其中，还包括用于与所述石墨板电连接的脉冲频率发生装置，所述槽体中的所有石墨板作为电极交替与所述脉冲频率发生装置的正负极连接，所述脉冲频率发生装置包括正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路，所述正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路的正负极分别对应与正电极的所述石墨板和负电极的所述石墨板连接。
本发明还提供一种纳米石墨溶胶的制备方法，其包括如下步骤：
选取多片高纯的石墨板，多片所述石墨板平行设置，且每片所述石墨板以其中一条对角线水平安装在电解槽中，所述石墨板的底角与电解槽的槽底之间留有间距；
从顶部将多片所述石墨板之间的位置限定；
向所述电解槽中加入纯净水，并加入电解质，混合制备而成电解质水溶液，电解质的质量浓度为电解质水溶液总质量的0.05-0.1％；
分别将所述石墨板交替连接到电源的正负极；
向所述石墨板形成的正极和负极输出正脉冲形成电路和负偏压形成电路；
每间隔2-24小时将电源的正极和负极调换一次；
3-10天得到浓度为1.5-15‰，粒径为2-10nm的纳米石墨溶胶。
其中，高纯的所述石墨板的纯度为99.9％，所述正脉冲形成电路和负偏压形成电路为两个单独电路，输出频率为50-100Hz，输出电流为10-160A，输出电压为15-30V，负电压为1-3V，负电压脉冲宽度100-1000ns。
其中，所述电解质是将石墨粉与高锰酸钾、高氯酸、双氧水或浓硫酸中的一种或多种按质量比2：5混合制备而成。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种纳米石墨溶胶制备装置，包括电解槽，冲洗管和限位盖板，所述电解槽包括槽体，沿所述槽体的宽度方向间隔设有多个石墨支架，每相邻两个所述石墨支架之间设有多组一一对应的支撑开口槽，每组所述支撑开口槽之间用于放置一石墨板，使得石墨板之间平行放置，每片所述石墨板的其中一对对角分别支撑在一组所述支撑开口槽中，在使用过程中，石墨板只有顶角部分外露于槽体的电解液外，从而能够使得石墨板最大面积地溶于电解液中，实现石墨板的最大化利用，材料利用率高；石墨支架用于承载石墨板的重量，同时使石墨板距离槽体的底部一定距离，控制石墨板电极之间的间距，避免石墨板电极靠到一起导致电解过程中短路；所述限位盖板的底面沿其长度方向间隔设有多个卡槽，所述限位盖板用于设于所述石墨板的上方，通过所述卡槽将多片所述石墨板之间一一隔开，以限制石墨板晃动，避免石墨板电极接触造成短路，所述冲洗管沿所述槽体的内侧壁设置，并弯折沿所述槽体的底面延伸，用于在每个反应周期开始时加入电解液，同时可以对槽体底部进行定时的冲刷，清洗槽体底部。
通过设置与所述石墨板电连接的脉冲频率发生装置，所述槽体中的所有石墨板作为电极交替与所述脉冲频率发生装置的正负极连接，避免石墨颗粒间堆积而造成短路，所述脉冲频率发生装置包括正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路，所述正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路的正负极分别对应与正电极的所述石墨板和负电极的所述石墨板连接，通过设置不同峰值的脉冲波形，比单一波形冲击力更大，同时负偏压多脉冲的波形，可通过脉冲有效去除负极碳纳米颗粒团聚，提高碳纳米颗粒的溶出率；成功解决了纳米石墨溶胶在制备过程中易团聚，特别是电极上的团聚，分散难的问题，得到的溶胶浓度高，表面修饰效果好，稳定性、粒径均匀性好。
本发明纳米石墨溶胶的制备方法，工艺简单，环保、节能、生产成本低，没有工业排放，纳米石墨溶胶产出率高，适合于工业化大规模生产，解决了电极上的团聚堆积问题，有效地提高了出产效率和出产溶胶的浓度，加之解决了反应体系发热用电效率低的问题，用电量可节省25-40％，使该材料的生产成本下降30％左右。
本发明的方法制备纳米石墨溶胶用时短，杂质离子少，粒径小，浓度高，稳定性好，长时间存放不团聚不沉淀，可用去离子水任意稀释。
附图说明
图1为本发明实施例一种纳米石墨溶胶制备装置的立体图；
图2为本发明实施例一种纳米石墨溶胶制备装置的俯视图；
图3为图2中的A-A剖视图；
图4为图2中的B-B剖视图；
图5为本发明实施例中脉冲频率发生装置的电路组成图；
图6为本发明实施例中正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路的波形图；
图中：1：槽体；2：石墨支架；3：石墨板；4：限位盖板；5：冲洗管；6：支撑杆；7：槽体的底部；8：排放口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。
如图1-4所示，为本发明实施例提供的一种纳米石墨溶胶制备装置，其包括电解槽，冲洗管5和限位盖板4，所述电解槽包括槽体1，电解槽由非金属绝缘材料制成，且耐酸碱，比如玻璃钢、PP、PE等材料，如图1和2所示，沿所述槽体1的宽度方向间隔设有多个石墨支架2，每相邻两个所述石墨支架2之间设有多组一一对应的支撑开口槽，每组所述支撑开口槽之间用于放置一石墨板3，形成沿石墨支架2的长度方向依次排开，相邻石墨板3相互平行的石墨板3排列方式，每片所述石墨板3的其中一对对角分别支撑在一组所述支撑开口槽中，石墨板3为方形板，将其一对对角支撑在支撑开口槽中，形成石墨板3以其中一条对角线水平安装在支撑开口槽中的安装形式，石墨板3的底角竖直向下，其顶角竖直向上，在使用过程中，石墨板3只有顶角部分外露于槽体1的电解液外，从而能够使得石墨板3最大面积地与电解液接触，被电解，实现石墨板3的最大化利用，材料利用率高；所述限位盖板4呈条状，所述限位盖板4的底面沿其长度方向间隔设有多个卡槽，优选地，卡槽的数量以及位置与支撑开口槽的数量及位置相对应，所述限位盖板4用于设于所述石墨板3的上方顶角处，通过所述卡槽将多片所述石墨板3之间一一隔开，以限制石墨板3晃动，避免石墨板3电极接触造成短路，所述冲洗管5沿所述槽体1的内侧壁设置，并弯折沿所述槽体1的底面延伸，用于在每个反应周期开始时加入电解液，同时可以对槽体1底部进行定时的冲刷，清洗槽体1底部。
本实施例中，为了便于石墨板3的安装，所述支撑开口槽沿所述石墨支架2的长度方向成排间隔设置，所述支撑开口槽的宽度与所述石墨板3的厚度相匹配，相邻两个所述支撑开口槽之间的间距限定出相邻两片所述石墨板3之间的间距，该间距为5-20mm，以避免相邻石墨板3在电解过程中接触而造成短路。
为了使得石墨板3安装后位置稳固，所述支撑开口槽的槽底面呈从内向外向下倾斜设置，此处规定位于支撑开口槽的开口外侧为外，内侧为内，且所述槽底面的倾斜角度和与所述槽底面接触的所述石墨板3的斜边倾斜角度一致，优选为45度。
本实施例中，所述石墨板3呈方形，石墨板3厚度为30-50mm，所述限位盖板4用于盖设在所述石墨板3的顶角上，为了与石墨板3的顶角完美匹配，所述卡槽的横截面呈与所述石墨板3的顶角相匹配的三角形，将限位盖板4卡设在石墨板3的上方，通过卡槽将每片石墨板3的顶部隔开并固定，限制石墨板3晃动，避免电极接触造成短路；所述石墨板3的底角与所述槽体的底部7之间留有间距，可以为5-10cm。
为了便于安装石墨支架2，所述石墨支架2的两端通过支撑杆6支撑在所述槽体1中，所述支撑杆6的顶端设有夹持所述石墨支架2的定位槽，所述支撑杆6贴设于所述槽体1的宽度方向的相对两侧，石墨支架2的两端卡设在定位槽中实现固定，也便于后期需要时拆卸。
为了对槽体1内全方位冲洗，或能够快速放入电解液，所述冲洗管5包括多组，多组所述冲洗管5沿所述槽体1的长度方向间隔设置，每组所述冲洗管5包括竖直段和水平段，所述竖直段和水平段通过弯管接头连接，连接简单方便，所述水平段沿所述槽体的底部7宽度方向设置，为了便于固定，可以通过卡扣将水平段固定在槽体的底部7，所述水平段的管壁分布有若干出水孔，所述出水孔水平向下倾斜，以向底部形成冲刷力，便于将底部的沉淀物冲离底部，便于排出；所述冲洗管5用于在电解工作进行前向所述槽体1中放入电解液或后期需要清洗时向所述槽体1提供需要清洗的冲洗水。
如图3和图4所示，为了便于清洗水在排放时形成涡流，有利于迅速排空，所述槽体的底部7构造成四周向中部逐渐倾斜向下设置，且在槽底中部设有排放口8，排放口8用于排出制备完成后的纳米石墨溶胶，也可以通过排放口8将清洗后的污水迅速排出。
本实施例中，还包括用于与所述石墨板3电连接的脉冲频率发生装置，所述槽体1中的所有石墨板3作为电极交替与所述脉冲频率发生装置的正负极连接，与脉冲频率发生装置正极连接的石墨板3形成正极(阳极)，与脉冲频率发生装置负极连接的石墨板3形成负极(阴极)，如图5所示，所述脉冲频率发生装置包括正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路，还包括依次连接的滤波电路，输入整流电路，逆变电路和输出整流电路，所述正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路分别与输出整流电路连接，滤波电路用于将电网存在的杂波过滤掉，同时也防止自身电路产生的杂波反馈到公共电网，输入整流电路用于将电网交流电直接整流为直流电，逆变电路用于将整流后的直流电变为高频交流电，输出整流电路用于将高频交流电变为大电流的直流电，所述正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路的正负极分别对应与正电极的所述石墨板3和负电极的所述石墨板3连接，如图6所示，图中，位于坐标轴上方的波形为正脉冲波形发生电路输出的波形图，位于坐标轴下方的波形为负偏压发生电路输出的波形图，通过设置不同峰值的脉冲波形，比单一波形冲击力更大，同时负偏压多脉冲的波形，可通过脉冲有效去除负极碳纳米颗粒团聚，提高碳纳米颗粒的溶出率；成功解决了纳米石墨溶胶在制备过程中易团聚，特别是电极上的团聚，分散难的问题，得到的溶胶浓度高，表面修饰效果好，稳定性、粒径均匀性好。
本发明实施例还提供了一种纳米石墨溶胶的制备方法，其包括如下步骤：
选取多片高纯的石墨板3，纯度为99.9％，多片所述石墨板3平行设置，且每片所述石墨板3以其中一条对角线水平安装在电解槽中，所述石墨板3的底角与电解槽的槽底之间留有间距，以避免相邻石墨板3在电解过程中接触而造成短路；
从顶部将多片所述石墨板3之间的位置限定，避免晃动；
向所述电解槽中加入纯净水，并加入电解质，混合制备而成电解质水溶液，电解质的质量浓度为电解质水溶液总质量的0.05-0.1％，本实施例中，电解质是将石墨粉与高锰酸钾、高氯酸、双氧水或浓硫酸中的一种或多种按质量比2：5混合制备而成；
分别将所述石墨板3交替连接到电源的正负极；
向所述石墨板3形成的正极和负极输出正脉冲形成电路和负偏压形成电路，所述正脉冲形成电路和负偏压形成电路为两个单独电路，输出频率为50-100Hz，优选为60-80Hz，输出电流为10-160A，优选为50-80A，输出电压为15-30V，优选为20V-25V，负电压为1-3V，负电压脉冲宽度100-1000ns，优选为300-500ns，不同峰值的脉冲波形，比单一波形冲击力更大，同时负偏压多脉冲的波形，可逐脉冲有效去除负极碳纳米颗粒团聚，提高碳纳米溶出率；
每间隔2-24小时将电源的正极和负极调换一次；
3-10天得到浓度为1.5-15‰，粒径为2-10nm的纳米石墨溶胶。
本发明实施例工艺简单，环保、节能、生产成本低，没有工业排放，纳米石墨溶胶产出率高，适合于工业化大规模生产，解决了电极上的团聚堆积问题，有效地提高了出产效率和出产溶胶的浓度，加之解决了反应体系发热用电效率低的问题，用电量可节省25-40％，使该材料的生产成本下降30％左右。本发明的方法制备纳米石墨溶胶用时短，杂质离子少，粒径小，浓度高，稳定性好，长时间存放不团聚不沉淀，可用去离子水任意稀释。
由以上实施例可以看出，本发明能够有效解决纳米石墨溶胶在制备过程中易团聚，特别是电极上的团聚，分散难的问题，得到的溶胶浓度高，稳定性、粒径均匀性好；且制备方法制备纳米石墨溶胶用时短，杂质离子少，粒径小，浓度高，稳定性好，长时间存放不团聚不沉淀，可用去离子水任意稀释。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，包括电解槽，冲洗管和限位盖板，所述电解槽包括槽体，沿所述槽体的宽度方向间隔设有多个石墨支架，每相邻两个所述石墨支架之间设有多组一一对应的支撑开口槽，每组所述支撑开口槽之间用于放置一石墨板，每片所述石墨板的其中一对对角分别支撑在一组所述支撑开口槽中，所述限位盖板呈条状，所述限位盖板的底面沿其长度方向间隔设有多个卡槽，所述限位盖板用于设于所述石墨板的上方，通过所述卡槽将多片所述石墨板之间一一隔开，所述冲洗管沿所述槽体的内侧壁设置，并弯折沿所述槽体的底面延伸；
还包括用于与所述石墨板电连接的脉冲频率发生装置，所述槽体中的所有石墨板作为电极交替与所述脉冲频率发生装置的正负极连接，所述脉冲频率发生装置包括正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路，所述正脉冲波形发生电路和负偏压发生电路的正负极分别对应与正电极的所述石墨板和负电极的所述石墨板连接；
所述支撑开口槽沿所述石墨支架的长度方向成排间隔设置，所述支撑开口槽的槽底面呈从内向外向下倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述支撑开口槽的宽度与所述石墨板的厚度相匹配，相邻两个所述支撑开口槽之间的间距限定出相邻两片所述石墨板之间的间距。
3.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述槽底面的倾斜角度和与所述槽底面接触的所述石墨板的斜边倾斜角度一致。
4.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述石墨板呈方形，所述限位盖板用于盖设在所述石墨板的顶角上，所述卡槽的横截面呈与所述石墨板的顶角相匹配的三角形；所述石墨板的底角与所述槽体的底部之间留有间距。
5.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述石墨支架的两端通过支撑杆支撑在所述槽体中，所述支撑杆的顶端设有夹持所述石墨支架的定位槽，所述支撑杆贴设于所述槽体的宽度方向的相对两侧。
6.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述冲洗管包括多组，多组所述冲洗管沿所述槽体的长度方向间隔设置，每组所述冲洗管包括竖直段和水平段，所述竖直段和水平段通过弯管接头连接，所述水平段沿所述槽体的底部宽度方向设置，所述水平段的管壁分布有若干出水孔，且所述出水孔水平向下倾斜；所述冲洗管用于向所述槽体中放入电解液或向所述槽体提供需要清洗的冲洗水。
7.根据权利要求1所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，所述槽体的底部构造成四周向中部逐渐倾斜向下设置，且在槽底中部设有排放口。
8.一种纳米石墨溶胶的制备方法，所述制备方法基于权利要求1至7中任意一项所述的纳米石墨溶胶制备装置，其特征在于，包括如下步骤：
选取多片高纯的石墨板，多片所述石墨板平行设置，且每片所述石墨板以其中一条对角线水平安装在电解槽中，所述石墨板的底角与电解槽的槽底之间留有间距；
从顶部将多片所述石墨板之间的位置限定；
向所述电解槽中加入纯净水，并加入电解质，混合制备而成电解质水溶液，电解质的质量浓度为电解质水溶液总质量的0.05-0.1%；
分别将所述石墨板交替连接到电源的正负极；
向所述石墨板形成的正极和负极输出正脉冲形成电路和负偏压形成电路；
每间隔2-24小时将电源的正极和负极调换一次；
3-10天得到浓度为1.5-15‰，粒径为2-10nm的纳米石墨溶胶。
9.根据权利要求8所述的纳米石墨溶胶的制备方法，其特征在于，高纯的所述石墨板的纯度为99.9%，所述正脉冲形成电路和负偏压形成电路为两个单独电路，输出频率为50-100Hz，输出电流为10-160A，输出电压为15-30V，负电压为1-3V，负电压脉冲宽度100-1000ns。
10.根据权利要求8所述的纳米石墨溶胶的制备方法，其特征在于，所述电解质是将石墨粉与高锰酸钾、高氯酸、双氧水或浓硫酸中的一种或多种按质量比2：5混合制备而成。
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