CN111099580A - 一种剥离层状材料纳米片的方法及设备 - Google Patents

一种剥离层状材料纳米片的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，尤其为一种剥离层状材料纳米片的方法及设备，该方法包括以下步骤：S1、取出层状晶体材料，并将层状晶体材料与液相介质混合后置于湿磨设备内进行湿磨，湿磨后得到湿磨混合物；S2、经所述S1湿磨后得到的湿磨混合物置于震荡设备内震荡，实现充分混合；S3、经所述S2充分混合后得到的湿磨混合物和有机溶剂加入高压加热设备中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末。本发明能够实现湿磨混合物的充分混合，利于提高剥离效率，剥离耗时短，产率高，无需采用超声辅助剥离，避免了纳米片尺寸缩减以及纳米片结构缺陷，具备较强的普遍性，适合大规模生产，有效提高生产总效率，降低生产成本。

Description

一种剥离层状材料纳米片的方法及设备
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体为一种剥离层状材料纳米片的方法及设备。
背景技术
二维纳米片指的是，横向尺寸为数百纳米-数微米，厚度仅为数个甚至单个原子层的片层状结构纳米材料。自从2004年Novoselov和Geim等人以透明胶从石墨中粘出石墨烯以来，二维材料因其原子级别的厚度、大的水平/纵向尺寸比，而具有大比表面积和诸多纳米效应，表现出优异的电学、光学、磁学、力学性质，在催化、能源、传感、电子领域有着广泛的应用前景，为物理等基础科学领域提供了丰富的研究课题。如何从二维纳米片的层状材料前驱体中将其剥离，获得高质量的纳米片一直以来是广泛研究的热点问题。
截止目前，层状材料的剥离主要包括微机械剥离法和液相剥离法(包括离子插层/交换辅助，电化学辅助，机械力辅助(如超声、剪切力)等)。微机械剥离法，最具代表性的为Novoselov和Geim等人以透明胶从石墨中粘出石墨烯，此方法具有很好的普适性，操作简单，纳米片保持本征结构，尺寸大；但是缺点也十分明显，如产率低、速率低、纳米片形貌不可控、基底的附着问题，该方法不适用于大规模合成及实际应用(Acc.Chem.Res.2014，47，1067-1075)。液相剥离法是借助离子插层/交换或外部机械力，在液相介质中获得纳米片分散液的剥离方法。其中，离子预插层/交换辅助法，由于引入了“预膨胀”机制，使得纳米片产率较高，但离子插层/交换仅仅适用于部分层状材料，且选用的插层介质多为锂、钠、钾等活跃碱金属元素，操作危险性高，耗时较长(Nanoscale2014，6，12458-12462)。机械力辅助，如超声辅助液相剥离是目前使用最为广泛的液相剥离方法，但由于持续的超声作用，获得的纳米片尺寸缩减严重，且易引入结构缺陷，单层纳米片比例低。
因此，现有的层状材料剥离方法不具备较强的普遍性，耗时长且产率低，纳米尺寸大，存在结构缺陷，难以大规模生产。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种剥离层状材料纳米片的方法及设备，解决了现有的层状材料剥离方法不具备较强的普遍性，耗时长且产率低，纳米尺寸大，存在结构缺陷，难以大规模生产的问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种剥离层状材料纳米片的方法，包括以下步骤：
S1、取出层状晶体材料，并将层状晶体材料与液相介质混合后置于湿磨设备内进行湿磨，湿磨后得到湿磨混合物；
S2、经所述S1湿磨后得到的湿磨混合物置于震荡设备内震荡，实现充分混合；
S3、经所述S2充分混合后得到的湿磨混合物和有机溶剂加入高压加热设备中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末；
S4、经所述S3剥离得到得到的纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末加入离心分离设备内进行固液分离，并将得到的晶体粉末产物投入至步骤1中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液加入过滤设备内进行过滤并得到滤膜；
S5、经所述S4得到的滤膜进行干燥得到纳米片粉末。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中液相介质为丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐或己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中高压加热设备内的控制温度为160～260℃，反应时间为24～48︒。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中高压加热设备内通入气体，气体压力不高于10MPa。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中离心分离设备的数量为1～2个，当离心分离设备为两个时，其包括一级离心分离设备和二级离心分离设备，二级离心分离设备的筛选尺寸小于一级离心分离设备的筛选尺寸。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中过滤设备采用玻璃砂芯过滤装置，滤膜采用聚四氟乙烯滤膜，抽滤中以50-80mL乙醇冲洗滤杯。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S5中采用真空干燥机对经S4得到的滤膜进行真空干燥，得到纳米片粉末。
一种剥离层状材料纳米片设备，包括球磨机、振荡器、高压釜、离心分离机、过滤器和真空干燥机，所述球磨机的出料口通过第一混合物输送管道与振荡器的进料口连接，所述第一混合物输送管道上设有第一输液泵，所述振荡器的出料口通过第二混合物输送管道与高压釜的进料口连接，所述第二混合物输送管道上设有第二输液泵，所述高压釜的出料口通过第三混合物输送管道与离心分离机的进料口连接，所述第三混合物输送管道上设有第三输液泵，所述离心分离机的侧壁上下端分别设有清相出口和固相出口，清相出口通过溶液输送管道与过滤器的进液口连接，所述溶液输送管道上设有第四输液泵，固相出口的产物回送至球磨机内，经过滤器过滤后得到的滤膜通过真空干燥机进行干燥得到纳米片粉末。
作为本发明的一种优选技术方案，所述球磨机为湿式球磨设备，所述球磨机内的料、球、水装载总量以占其有效容积为80%。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高压釜为立式搅拌高压加热设备，所述高压釜的顶部设有搅拌电机，所述高压釜的内部设有与搅拌电机输出端连接的搅拌器。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种剥离层状材料纳米片的方法及设备，具备以下有益效果：
1、该剥离层状材料纳米片的方法及设备，纳米晶体材料采用湿磨法和振荡混合方式辅助进行，能够实现湿磨混合物的充分混合，利于提高剥离效率，剥离耗时短，产率高。
2、该剥离层状材料纳米片的方法及设备，无需采用超声辅助剥离，避免了纳米片尺寸缩减以及纳米片结构缺陷，具备较强的普遍性，适合大规模生产。
3、该剥离层状材料纳米片的方法及设备，剥离得到的晶体粉末能够实现循环使用，有效提高生产总效率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：100、球磨机；101、第一混合物输送管道；102、第一输液泵；200、振荡器；201、第二混合物输送管道；202、第二输液泵；300、高压釜；301、第三混合物输送管道；302、第三输液泵；400、离心分离机；401、溶液输送管道；402、第四输液泵；500、过滤器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种剥离层状材料纳米片的方法，包括以下步骤：
S1、取出层状晶体材料，并将层状晶体材料与液相介质混合后置于湿磨设备内进行湿磨，湿磨后得到湿磨混合物；
S2、经S1湿磨后得到的湿磨混合物置于震荡设备内震荡，实现充分混合；
S3、经S2充分混合后得到的湿磨混合物和有机溶剂加入高压加热设备中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末；
S4、经S3剥离得到得到的纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末加入离心分离设备内进行固液分离，并将得到的晶体粉末产物投入至步骤1中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液加入过滤设备内进行过滤并得到滤膜；
S5、经S4得到的滤膜进行干燥得到纳米片粉末。
具体的，S1中液相介质为丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐或己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
具体的，S3中高压加热设备内的控制温度为160～260℃，反应时间为24～48︒。
具体的，S3中高压加热设备内通入气体，气体压力不高于10MPa。
具体的，S4中离心分离设备的数量为1～2个，当离心分离设备为两个时，其包括一级离心分离设备和二级离心分离设备，二级离心分离设备的筛选尺寸小于一级离心分离设备的筛选尺寸。
具体的，S4中过滤设备采用玻璃砂芯过滤装置，滤膜采用聚四氟乙烯滤膜，抽滤中以50-80mL乙醇冲洗滤杯。
具体的，S5中采用真空干燥机对经S4得到的滤膜进行真空干燥，得到纳米片粉末。
本发明还提出了一种剥离层状材料纳米片设备，包括球磨机100、振荡器200、高压釜300、离心分离机400、过滤器500和真空干燥机，球磨机100的出料口通过第一混合物输送管道101与振荡器200的进料口连接，第一混合物输送管道101上设有第一输液泵102，振荡器200的出料口通过第二混合物输送管道201与高压釜300的进料口连接，第二混合物输送管道201上设有第二输液泵202，高压釜300的出料口通过第三混合物输送管道301与离心分离机400的进料口连接，所述第三混合物输送管道301上设有第三输液泵302，离心分离机400的侧壁上下端分别设有清相出口和固相出口，清相出口通过溶液输送管道401与过滤器500的进液口连接，溶液输送管道401上设有第四输液泵402，固相出口的产物回送至球磨机100内，经过滤器500过滤后得到的滤膜通过真空干燥机进行干燥得到纳米片粉末。
本实施方案中，生产时，首先将层状晶体材料投入球磨机100端部的进料器内，通过进料器内的进料螺旋完成投料，进而向筒体内注入适量水，在驱动电机的作用下，使筒体旋转，层状晶体材料在筒体内的破碎介质（大小球）和水的湿磨作用下完成破碎，湿磨后得到的湿磨混合物在第一输液泵102的泵送作用下，经第一混合物输送管道101输送至振荡器200内，在振荡器200的振荡作用下实现充分混合，充分混合的混合物和有机溶剂在第二输液泵202泵送的作用下，经第二混合物输送管道201输送至高压釜300内剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末在第三输液泵302的泵送作用下，经第三混合物输送管道301输送至离心分离机400内，在离心分离机400的离心分离作用下得到晶体粉末产物以及纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液，将晶体粉末产物循环投入至球磨机100内实现二次湿磨，以提供总产量和减少投入成本，得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液在第四输液泵402的泵送作用下，经第四输液泵402输送至过滤设备内进行抽滤并得到滤膜，最后将滤膜通过真空干燥机进行干燥得到纳米片粉末，即完成层状晶体材料的纳米片剥离。
具体的，球磨机100为湿式球磨设备，球磨机100内的料、球、水装载总量以占其有效容积为80%。
具体的，高压釜300为立式搅拌高压加热设备，高压釜300的顶部设有搅拌电机，高压釜300的内部设有与搅拌电机输出端连接的搅拌器。
本实施例中，通过搅拌电机驱动搅拌器对进入高压釜300内的混合物和有机溶剂进行混合剥离，在实际应用中，高压釜300内的控制温度为160～260℃，反应时间为24～48︒，同时向高压釜300内通入气体，气体压力不高于10MPa，从而剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取出层状晶体材料，并将层状晶体材料与液相介质混合后置于湿磨设备内进行湿磨，湿磨后得到湿磨混合物；
S2、经所述S1湿磨后得到的湿磨混合物置于震荡设备内震荡，实现充分混合；
S3、经所述S2充分混合后得到的湿磨混合物和有机溶剂加入高压加热设备中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末；
S4、经所述S3剥离得到得到的纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液以及未剥离的晶体粉末加入离心分离设备内进行固液分离，并将得到的晶体粉末产物投入至步骤1中，剥离得到纳米片和有机溶剂形成的悬浮溶液加入过滤设备内进行过滤并得到滤膜；
S5、经所述S4得到的滤膜进行干燥得到纳米片粉末。
2.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S1中液相介质为丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐或己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
3.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S3中高压加热设备内的控制温度为160～260℃，反应时间为24～48︒。
4.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S3中高压加热设备内通入气体，气体压力不高于10MPa。
5.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S4中离心分离设备的数量为1～2个，当离心分离设备为两个时，其包括一级离心分离设备和二级离心分离设备，二级离心分离设备的筛选尺寸小于一级离心分离设备的筛选尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S4中过滤设备采用玻璃砂芯过滤装置，滤膜采用聚四氟乙烯滤膜，抽滤中以50-80mL乙醇冲洗滤杯。
7.根据权利要求1所述的一种剥离层状材料纳米片的方法，其特征在于：所述S5中采用真空干燥机对经S4得到的滤膜进行真空干燥，得到纳米片粉末。
8.一种剥离层状材料纳米片设备，其特征在于：包括球磨机（100）、振荡器（200）、高压釜（300）、离心分离机（400）、过滤器（500）和真空干燥机，所述球磨机（100）的出料口通过第一混合物输送管道（101）与振荡器（200）的进料口连接，所述第一混合物输送管道（101）上设有第一输液泵（102），所述振荡器（200）的出料口通过第二混合物输送管道（201）与高压釜（300）的进料口连接，所述第二混合物输送管道（201）上设有第二输液泵（202），所述高压釜（300）的出料口通过第三混合物输送管道（301）与离心分离机（400）的进料口连接，所述第三混合物输送管道（301）上设有第三输液泵（302），所述离心分离机（400）的侧壁上下端分别设有清相出口和固相出口，清相出口通过溶液输送管道（401）与过滤器（500）的进液口连接，所述溶液输送管道（401）上设有第四输液泵（402），固相出口的产物回送至球磨机（100）内，经过滤器（500）过滤后得到的滤膜通过真空干燥机进行干燥得到纳米片粉末。
9.根据权利要求8所述的一种剥离层状材料纳米片设备，其特征在于：所述球磨机（100）为湿式球磨设备，所述球磨机（100）内的料、球、水装载总量以占其有效容积为80%。
10.根据权利要求8所述的一种剥离层状材料纳米片设备，其特征在于：所述高压釜（300）为立式搅拌高压加热设备，所述高压釜（300）的顶部设有搅拌电机，所述高压釜（300）的内部设有与搅拌电机输出端连接的搅拌器。
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