CN109761229A - 一种旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置 - Google Patents

Abstract

一种旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，包括定子和转子，定子内形成空腔，定子上端外侧设置有进料管道，定子下端中部设置有出料管道；转子设置在定子的密闭空腔中，转子的上端设置有转轴，转轴安装在定子上并与传动装置连接；定子空腔内壁和转子上均分布有空化盲孔。转子高速旋转，通过空化盲孔产生空化，利用高剪切和空化效应，石墨颗粒在旋流离心力场作用下富集在外套层，强化了颗粒之间的碰撞作用等。通过多重叠加作用，可更有效的克服石墨颗粒中石墨烯片层间的范德华力，有效剥离石墨烯，大大提高石墨烯的制备效率。本发明利用旋流梯度剪切流场，使石墨颗粒以平行于剪切面的方式被剪切，剥离后的石墨烯随液体流出装置，避免破坏大面积石墨烯。

Description

一种旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置

技术领域

本发明涉及一种通过水力空化产生高速剪切梯度流场在液相中剥离石墨制备石墨烯的装置，属于石墨烯制备技术领域。

背景技术

由于具有超薄、二维性质及前所未有的特性，石墨烯将在许多领域找到商业应用，从高频电子到智能涂料。石墨烯制备方法有很多，包括微机械剥离、化学氧化剥离还原、化学气相沉积和液相剥离法等。

中国专利文献CN102765717A公开了一种通过超临界在瞬间释放的压力使石墨层间发生膨胀制备石墨烯的方法。CN107217305A公开了一种液相剥离法制备二维材料的装置，将超声波破碎工作头与高剪切均质装置联合使用对溶剂中的层型块状晶体材料进行剥离破碎，其高剪切均质装置为传统搅拌桨提供高速剪切。CN104692363B公开了一种超重力法制备石墨烯的方法，在超重力旋转床中剥离预处理石墨，得到石墨烯。CN104477882B公开了一种涡流式石墨烯剥离装置，内筒的内壁面上紧密排布有用于剥离石墨片的剪切刀片，内筒下端到外筒下端之间设置涡轮，内筒由于涡轮的高速旋转在的内壁形成高强剪切作用，石墨从内筒下端进入，从内筒上端流出内筒，经外筒后再进入内筒，如此反复循环。

包括上述技术的现有液相剥离石墨烯的方法普遍存在可控性差、不适合连续性规模化生产等不足。

发明内容

本发明针对现有石墨烯制备技术存在的不足，提供一种可控性好、高效、适合连续性规模化生产的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置。

本发明的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，采用如下技术方案：

该装置，包括定子和转子，定子内形成密闭空腔，定子上端外侧设置有进料管道，定子下端中部设置有出料管道；转子设置在定子的密闭空腔中，转子的上端设置有转轴，转轴安装在定子上并与传动装置连接；密闭空腔内壁和转子上均分布有空化盲孔。

所述传动装置包括电机和联轴器，电机通过联轴器与转轴连接，带动转子在定子内转动。

所述定子上端设置有对称分布的两条进料管道，以保证进料均匀以及保证装置受力平衡。

所述转子与密闭空腔各处的间隙均为3-50mm，以保证剪切及空化效应。

所述密闭空腔底部固定设置有同心圆分布的嵌筒，转子上设置有同心圆分布的槽道，嵌筒间隙地插装在转子对应的槽道中，槽道侧壁以及嵌筒侧壁上均分布有空化盲孔。这种嵌装方式可大幅提高石墨烯剥离效果。

所述嵌筒与槽道内且各处间隙均为3-50mm，转子的外围与密闭空腔内壁的各处间隙也均为3-50mm，以保证剪切及空化效应稳定出现。

所述转轴带动转子以1000-6000rpm的转速旋转。

所述空化盲孔的直径与深度比例为1:3。

所述空化盲孔的深度为60mm，直径为20mm。

上述装置中，转子高速旋转，通过空化盲孔产生空化，利用高剪切和空化效应，石墨颗粒在旋流离心力场作用下富集在外套层，强化了颗粒之间的碰撞作用等。通过多重叠加作用，可更有效的克服石墨颗粒中石墨烯片层间的范德华力，有效剥离石墨烯，大大提高石墨烯的制备效率。

利用高速剪切梯度流场剥离石墨制备石墨烯的系统，采用上述旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，还包括预处理罐、离心机和真空过滤装置，预处理罐、所述石墨烯剥离装置、离心机和真空过滤装置依次通过管道连接，预处理罐中设置有搅拌器，预处理罐、所述石墨烯剥离装置和离心机之间的连接管道上均设置有输送泵。天然石墨和有机溶剂等原料由原料罐中进入预处理罐，通过设置在预处理罐中的搅拌器进行搅拌，将石墨颗粒同有机溶剂、离子液体与表面活性剂充分混合，制成石墨悬浮溶液。在石墨悬浮溶液中，石墨颗粒通过预处理后弱化了石墨层与层之间的相互作用力。预处理好的石墨悬浮液存储在储存罐内。经过进料泵4将石墨悬浮溶液(石墨浆)输送至石墨烯剥离装置中。石墨颗粒在旋流场作用下在外部剪切流场富集，石墨颗粒之间相互碰撞，并且外侧流场剪切力更高，石墨烯可以有效剥离，而石墨烯密度较低，则会汇集到装置中心并随液体从中部低剪切区域流出，石墨烯由定子的出料管道排出，进行离心处理和过滤。

所述石墨悬浮溶液中石墨颗粒浓度为0.1-1000mg/mL。石墨颗粒平均粒径为0.1-2000微米。

本发明利用旋流梯度剪切流场，使石墨颗粒以平行于剪切面的方式被剪切，剥离后的石墨烯随液体流出装置，避免破坏大面积石墨烯。

附图说明

图1是本发明的利用高速剪切梯度流场剥离石墨制备石墨烯的系统的流程示意图。

图2是本发明图1中的旋流梯度剪切装置的结构示意图。

图3是本发明中转子的槽道端面结构示意图。

图4是本发明中定子的嵌筒端面的结构示意图。

图中：1.原料罐，2.搅拌器，3.预处理罐，4.进料泵，5.旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，6.离心机，7.真空过滤装置，8.预处理罐，9.定子外壳，10.转子，11.第一进料管道，12.螺栓，13.端盖，14.螺钉，15.轴承壳，16.机械密封，17.角接触球轴承，18.轴，19.密封装置端盖，20.密封圈，21.第二进料管道，22.转子空化盲孔，23.定子内嵌筒，24.定子外嵌筒，25.出料管道，26.定子空化盲孔。

具体实施方式

本发明的利用高速剪切梯度流场剥离石墨制备石墨烯的系统，如图1所示，沿工艺顺序包括通过管道依次连接的原料罐1、预处理罐3、旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置5、离心机6、和真空过滤装置7预处理罐8，预处理罐3中设置有搅拌器2，预处理罐3与旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置5之间的连接管道上设置有进料泵4。天然石墨和有机溶剂等原料由原料罐1中进入预处理罐3，通过设置在预处理罐3中的搅拌器2进行搅拌，将石墨颗粒同有机溶剂、离子液体与表面活性剂充分混合，制成石墨悬浮溶液。在石墨悬浮溶液中，石墨颗粒通过(有机溶剂，离子液体，表面活性剂)预处理后弱化了石墨层与层之间的相互作用力。预处理好的石墨悬浮液存储在储存罐3内。经过进料泵4将石墨悬浮溶液(石墨浆)输送至石墨烯剥离装置5中。

如图2所示，本发明中的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置5包括定子23、转子10和转轴18。定子9竖直固定在支撑架上。定子9的上端通过螺栓连接有端盖13，连接处设置有密封垫圈。定子9与端盖13通过螺钉14连接设有轴承壳15，轴承壳15内安装有角接触球轴承17，轴承壳15上连接密封盖19，连接处设置有密封圈，实现密封。定子9及其端盖13组成密闭空腔，该密闭空腔底部固定设置有至少一个嵌筒，各嵌筒同心套装排布，图2中有定子内嵌筒23和定子外嵌筒24两个嵌筒，定子外嵌筒24套装在定子内嵌筒23外部，参见图3。定子23上端外侧设置有第一进料管道11和第二进料管道21，定子的左右侧连接两条进料管道可以保证进料均匀以及保证装置受力平衡。定子23下端中心设置有出料管道25，出料管道25处于定子内嵌筒23(最内部定子嵌筒)中部空腔下方。

转子10设置在定子23内的密闭空腔中，其上端密封，其下端设置有多个同心圆分布的圆形槽道，参见图4。这些槽道与定子密闭空腔中的嵌筒相对应，嵌筒插入槽道内且各处间隙均为3-50mm，转子10的外围与密闭空腔内壁的各处间隙也均为3-50mm，以保证剪切及空化效应稳定出现。转子10的上端固定连接转轴18，转轴18通过角接触球轴承17安装在定子的端盖13上，转轴18伸出定子端盖13的一端与传动装置连接，如通过联轴器与电机连接。转轴18上在轴承壳15内设置有机械密封16，以将石墨悬浮溶液隔离开，防止渗漏。转轴18带动转子10以1000-6000rpm的转速旋转，转速根据石墨浆和出口处石墨烯的品质调整。

转子10的各槽道的内壁与外壁上均分部有空化盲孔22，参见图4。定子9的各嵌筒的内壁与外壁上也均分部有空化盲孔26，参见图3。空化盲孔的深度为60mm，直径为20mm，直径与深度比例为1:3。

在石墨悬浮溶液开始进料的同时，启动石墨烯剥离装置5、离心机6和真空过滤装置7。石墨浆由第一进料管道11和第二进料管道21进入定子9的密闭空腔中，转轴18带动转子10旋转，这种多层转子槽道与多层定子嵌筒相互嵌套的结构，使得定子与转子相对运动时引发石墨悬浮溶液剪切和空化作用。石墨颗粒在旋流场作用下在外部剪切流场富集，石墨颗粒之间相互碰撞，并且外侧流场剪切力更高，石墨烯可以有效剥离，而石墨烯密度较低，则会汇集到装置中心并随液体从中部低剪切区域流出，制得的石墨烯溶液由定子9的出料管道25排出，进入离心装置5中。石墨烯溶液通过输送泵输送到离心机5和真空过滤装置7，提高石墨烯浓度。溶剂返回到储存罐3循环使用，富集的石墨烯溶液进入储存罐8供进一步使用。

石墨颗粒浓度为0.1-1000mg/mL。石墨颗粒平均粒径为0.1-2000微米。

上述旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置5能够解决石墨层以非平行于剪切面的方式被剥离的问题，石墨颗粒在可控的梯度剪切流场内逐步被剪切剥离成石墨烯，剥离后的石墨烯由于惯性小具有很好的流体跟随行，可克服旋流场的离心作用，随液体从中心低剪切区域流出。适用于工业化大规模生产，可最大程度保护石墨片层自然结构。

实施例

称取1kg平均粒径为100-200微米的天然石墨，放入20L有机溶剂中，如N-二甲基甲酰胺(DMF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在存储罐3中搅拌6小时，然后泵送入旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置5，开启石墨烯剥离装置的电机，带动转子转动，一开始由于旋流场的作用石墨颗粒聚集在外层，从流出口流出的溶剂中含有少量石墨烯。经过一段时间操作后，稳定的石墨烯溶液从出口流出，进入离心机，随后进入过滤装置，溶剂返回制备石墨颗粒溶液，高浓度石墨烯溶液进入下游储存罐8。在循环使用溶剂的同时，连续不断地给混合储存罐送石墨颗粒，由此可实现连续制备石墨烯。

Claims (10)

1.一种旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：包括定子和转子，定子内形成空腔，定子上端外侧设置有进料管道，定子下端中部设置有出料管道；转子设置在定子的空腔中，转子的上端设置有转轴，转轴安装在定子上并与传动装置连接；密闭空腔内壁和转子上均分布有空化盲孔。

2.根据权利要求1所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述传动装置包括电机和联轴器，电机通过联轴器与转轴连接，带动转子在定子内转动。

3.根据权利要求1所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述定子上端设置有对称分布的两条进料管道。

4.根据权利要求1所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述转子与密闭空腔各处的间隙均为3-50mm。

5.根据权利要求1所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述密闭空腔底部固定设置有同心圆分布的嵌筒，转子上设置有同心圆分布的槽道，嵌筒间隙地插装在转子对应的槽道中，槽道侧壁以及嵌筒侧壁上均分布有空化盲孔。

6.根据权利要求5所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述嵌筒与槽道内且各处间隙均为3-50mm，转子的外围与密闭空腔内壁的各处间隙也均为3-50mm。

7.根据权利要求1所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述转轴带动转子以1000-6000rpm的转速旋转。

8.根据权利要求1或5所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述空化盲孔的直径与深度比例为1:3。

9.根据权利要求1或5所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，其特征是：所述空化盲孔的深度为60mm，直径为20mm。

10.一种利用高速剪切梯度流场剥离石墨制备石墨烯的系统，包括权利要求1-9所述的旋流梯度剪切流场石墨烯剥离装置，还包括预处理罐、离心机和真空过滤装置；预处理罐、所述石墨烯剥离装置、离心机和真空过滤装置依次通过管道连接，预处理罐中设置有搅拌器，预处理罐、所述石墨烯剥离装置和离心机之间的连接管道上均设置有输送泵。