CN111204746A - 石墨烯剥离装置及石墨烯生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯剥离装置及石墨烯生产方法，该石墨烯剥离装置包括：第一筒体，其包括进料口和出料口；至少一个旋转辊，其安装在所述第一筒体的内部，使得所述至少一个旋转辊的表面与所述第一筒体的内侧面相切；其中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊分别与各自的驱动机构连接，在操作过程中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊能够在各自的驱动机构的驱动作用下沿着相反的方向旋转。本发明的石墨烯剥离装置结构简单，安装方便，能够满足大批量生产石墨烯的要求，并且生产效率高且操作便捷。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯生产领域。更具体地，涉及一种石墨烯剥离装置及石墨烯生产方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的力学性能，具有非常高的强度，同时还具有很好的韧性；另外，石墨烯还具有非常好的热传导性能和光学性能。在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面，石墨烯具有重要的应用前景。
目前，已知的石墨烯的生产方法如下。英国曼彻斯特大学的两位科学家从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨一分为二。不断的这样操作，于是薄片越来越薄，最后他们得到了仅有一层碳原子构成的石墨烯。
然而，上述通过胶带进行分离生产石墨烯的方法不能满足大规模的分离提取，因此需要一种不仅能满足大批量的生产、而且生产效率更高、操作更便捷的石墨烯生产设备。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够大批量生产石墨烯并且生产效率高且操作方便的石墨烯剥离装置及石墨烯生产方法。
根据本发明的一方面，提供了一种石墨烯剥离装置，所述石墨烯剥离装置包括：第一筒体(例如旋转筒体)，其包括进料口和出料口；至少一个旋转辊，其安装在所述第一筒体的内部，使得所述至少一个旋转辊的表面与所述第一筒体的内侧面相切；其中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊分别与各自的驱动机构连接，在操作过程中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊能够在各自的驱动机构的驱动作用下沿着相反的方向旋转。
根据本发明的进一步优选的实施例，所述石墨烯剥离装置还包括：固定安装的第二筒体(例如外筒体)，所述第一筒体安装在所述第二筒体的内部，所述第二筒体设置有可闭合的放料口。
根据本发明的进一步优选的实施例，所述第二筒体的内侧设置有以相同的径向角度间隔开的至少三个支承部。
根据本发明的进一步优选的实施例，所述第一筒体的设置有出料口的一端向下倾斜一定角度。
根据本发明的进一步优选的实施例，所述石墨烯剥离装置包括至少两个旋转辊，所述至少两个旋转辊关于所述第一筒体的中轴线对称安装，并且在操作过程中，所述至少两个旋转辊沿相同的方向旋转。
根据本发明的进一步优选的实施例，所述支承部是自所述第二筒体的内侧面朝向所述第一筒体的外侧面延伸的托架，所述托架在靠近所述第一筒体的一端设置有与所述第一筒体的外侧面接触的托轮。
根据本发明的更进一步优选的实施例，所述至少一个旋转辊由橡胶制成。
根据本发明的更进一步优选的实施例，所述第一筒体的出料口设置有电磁阀。
根据本发明的更进一步优选的实施例，所述第二筒体的设置可闭合的放料口的一端向下倾斜一定角度。
另外，根据本发明的另一方面，还提供一种使用上述石墨烯剥离装置生产石墨烯的方法，所述方法包括以下步骤：
将待处理的石墨粉料与介质混合成石墨浆料；
将混合好的石墨浆料加入到第一筒体；
将第一筒体装配到石墨烯剥离装置中；
启动第一筒体和至少一个旋转辊的各自的驱动机构；
调节第一内筒和/或至少一个旋转辊的转速；以及
关闭第一内筒和至少一个旋转辊的驱动机构，收集通过剥离处理获得的石墨烯。
如上所述，本发明的石墨烯剥离装置结构简单，安装方便，能够满足大批量生产石墨烯的要求，并且生产效率高且操作便捷。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图例示了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与文字说明一起用来解释本发明的原理。
图1是例示根据本发明的石墨烯剥离装置的结构的示意性剖视图。
图2是例示根据本发明的石墨烯剥离装置的外筒体盖的视图。
图3是例示根据本发明的石墨烯生产过程的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。应当指出，除非另外具体说明，在这些实施例中描述的部件、数字表示和数值的相对配置不限制本发明的范围。应当指出，下面的实施例并不限制权利要求中记载的本发明的范围，并且并非这些实施例中描述的特征的全部组合均是本发明所必须的。
(石墨烯剥离装置)
下面，参照图1来描述本发明的石墨烯剥离装置的结构示例。图1是例示根据本发明的石墨烯剥离装置的结构的示意性剖视图。根据本发明的实施例，如图1所示，本发明的石墨烯剥离装置包括固定地安装在基座上的外筒体4、被套装在外筒体4的内部的内筒体2(内筒体2用作旋转筒体)、和安装在内筒体2的内部的旋转辊1(例如，其形状可为圆柱形)。其中，如图1所示，外筒体4包括可拆卸的外筒体盖10(在下文将参照图2进行说明)，由此能够将内筒体2安装到外筒体4的内部。旋转辊1被装配在内筒体2的内部，使得旋转辊1的中轴线(即旋转轴线)与内筒体2的中轴线平行，并且旋转辊1的表面与内筒体2的内侧面相切。
具体来说，如图1的示例所示，旋转辊1的圆柱面与内筒体2的内圆柱面相切，即旋转辊1的圆柱面与内筒体2的内圆柱面刚好相接触。根据本发明的实施例，如图1所示，沿着外筒体4的中轴线固定地安装有中心主轴7，并且在外筒体4的内部，内筒体2以可旋转的方式(例如通过轴承)安装在中心主轴7上。另外，支承旋转辊1的旋转辊支架5被安装在中心主轴7上，例如中心主轴7穿过旋转辊支架5的中心孔。旋转辊1可旋转地(例如通过轴承)支承在旋转辊支架5上。
此外，如图1所示，外筒体4可以由若干筒体部分通过法兰9连接组装。在本发明中，外筒体4的结构不限于此，其可以由一体式的筒体构成。
根据本发明的实施例，内筒体2设置有进料口(未示出)和出料口11，从而通过进料口将待处理的包含石墨粉料的浆料装入内筒体2内，并且通过出料口11将剥离处理后的石墨烯从内筒体2中排放出来。出料口11设置有阀，例如电磁阀，从而能够在剥离操作完成前关闭出料口11从而将石墨浆料容纳在内筒体2中，并且在剥离操作完成后打开出料口11从而将石墨浆料排出到外筒体4中。如图1所示，在内筒体2的末端设置有例如八个开孔作为出料口11。然而要指出的是，在本发明中，出料口11的数量、尺寸和位置并不限于此，可以根据具体的需要进行设置。另外，如图1所示，外筒体4的末端设置有放料阀门8，用于将自内筒体2排放出的剥离处理后的石墨烯排放到装置外部以进行收集。
此外，优选地，如图1所示，本发明的石墨烯剥离装置的外筒体4以及安装在其内部的内筒体2的出料端一侧向下倾斜一定的角度，从而有利于使剥离处理后的石墨烯排出。
根据本发明的实施例，内筒体2与其驱动机构12连接，旋转辊1与其驱动机构6连接，从而在操作过程中内筒体2和旋转辊1能够在各自驱动机构的驱动下沿相反的方向旋转。例如，根据本发明的优选的实施例，内筒体2和旋转辊1可以分别通过具有V型带的带轮传统机构驱动。另选地，内筒体2和/或旋转辊1也可以通过由电机带动变速齿轮进行驱动。根据本发明的优选的实施例，内筒体2和/或旋转辊1可以在其驱动机构的驱动下进行变速运动，即能够根据具体的工况调节各自的转速。
在图1所示的本发明的优选的实施例中，在内筒体2的内部关于其中轴线对称地安装有两个旋转辊，然而根据产能的要求和具体的工况，也可以在内筒体2的内部关于其中轴线对称地布置其他数量(例如，四个或六个)的旋转辊。在操作中，所有旋转辊1沿着相同的方向(即与内筒体2的旋转方向相反的方向)旋转。
根据本发明的优选的实施例，外筒体4和内筒体2可由金属材料(例如钢材)制成，旋转辊1可由弹性材料制成，从而有助于减轻内筒体2和旋转辊1在沿相反的方向转动的过程中发生的磨损。另外，在石墨烯剥离装置的操作过程中，弹性的旋转辊1有助于使包含石墨粉料的浆料进入到相对转动的内筒体2和旋转辊1之间，从而在沿相反方向转动的内筒体2和旋转辊1之间的剪切作用下实现对石墨粉料的不断地剥离，由此制备出石墨烯。根据本发明的优选的实施例，旋转辊1是橡胶辊。替代地，旋转辊1可以由聚氨酯材料制成。
此外，根据本发明的优选的实施例，如图1所示，在外筒体4的内侧设置有自其内侧面向内筒体2的外侧面延伸的至少三个托架3，用于保证在操作中当内筒体2旋转时不发生径向偏离，从而起到辅助固定的作用。优选地，设置四个托架3，并且各个托架以相等的径向角度间隔开。优选地，在托架3的靠近内筒体2的一端设置有与内筒体2的外侧面接触的托轮，托轮的旋转轴线与内筒体2的中轴线平行，从而既能够保证内筒体2在旋转过程中不发生径向偏离，又能够避免发生磨损。
下面，参照图2描述根据本发明的实施例的石墨烯剥离装置的外筒体盖的结构。图2示出了本发明的石墨烯剥离装置的外筒体盖10的示例性结构。外筒体盖10可以通过例如法兰连接安装至外筒体4。如图2所示，外筒体盖10上设置有用于安装内筒体2的驱动机构12的连接口13和用于安装旋转辊1的驱动机构6的连接口14。
以上描述了根据本发明的石墨烯剥离装置。如上所述，本发明的石墨烯剥离装置结构简单且安装方便，适合大批量生产石墨烃产品。
(石墨烯生产方法)
下面，具体说明利用根据本发明的石墨烯剥离装置生产石墨烯的方法。
在具体的石墨烯生产操作中，首先将石墨粉料与介质(诸如豆油、糖浆等)混合成待剥离处理的浆料。然后，将待处理的浆料加入到内筒体2中，此时内筒体2的出料口11处于关闭状态。然后，将内筒体2装配至外筒体4中并将外筒体盖10连接至外筒体2。启动内筒体2和旋转辊1的驱动机构，浆料被夹杂在沿相反方向旋转的内筒体2和旋转辊1之间，使得石墨粉料在内筒体2和旋转辊1两者的剪切作用下被不断地剥离。剥离处理完成后，打开内筒体2的出料口11，将经剥离处理后的石墨烯从出料口11排出到外筒体4中。最后，打开外筒体4的放料阀门8，对外筒体4中的通过剥离获得的石墨烯进行收集。另外，可以通过例如过滤和清洗操作来去除石墨烯中残留的介质，从而获得最终的石墨烯产品。
下面参照图3详细说明根据本发明的石墨烯生产过程。图3是例示根据本发明的石墨烯生产过程的流程图。
首先，在图3的步骤S1中，将待处理的石墨粉料与介质混合成石墨浆料。具体来说，将待处理的石墨粉料加入到例如豆油、糖浆等的介质中，并充分搅拌使石墨粉料与介质混合均匀。
在步骤S2中，将混合好的石墨浆料通过内筒体2上设置的进料口加入到内筒体2中，此时内筒体2的出料口11处于关闭状态。
接下来，在步骤S3中，将内筒体2装配至石墨烯剥离装置中。具体地，将容纳有待处理的石墨浆料的内筒体2套装至外筒体4中，然后将外筒体盖10连接至外筒体4。
然后，在步骤S4中，启动内筒体2和旋转辊1的各自的驱动机构。具体地，启动内筒体2的驱动机构12和旋转辊1的驱动机构6，从而开始对石墨浆料进行剥离操作。
在步骤S5中，调节内筒体2和/或旋转辊1的转速。具体地，根据具体的需要调节内筒体2和/或旋转辊1的转速并在每种转速状态下持续特定时间，从而改变对石墨浆料的剥离程度。根据具体的需要，可以仅改变内筒体2和旋转辊1的其中一者的转速，而保持另外一者匀速旋转；或者也可以改变内筒体2和旋转辊1两者的转速。根据本发明的优选地实施例，旋转辊1的转速在4000rpm至6000rpm的范围内调节，内筒体2的转速在1000rpm至1500rpm的范围内调节。
在步骤S6中，关闭内筒体2和旋转辊1的驱动机构，并收集通过剥离处理获得的石墨烯。具体来说，关闭内筒体2的驱动机构12和旋转辊1的驱动机构6，打开内筒体2的放料口11，使内筒体2中的完成了剥离处理的石墨烯从放料口11排放到外筒体4中，然后打开外筒体4的放料阀门8，由此收集通过剥离处理获得石墨烯。根据本发明的优选的实施例，内筒体2和旋转辊1自达到预定转速后持续旋转10秒至2分钟，然后关闭内筒体2和旋转辊1的驱动机构，并对收集的石墨烯进行检验。例如检验收集的石墨烯是否达到预定标准(例如是否达到厚度为大约0.35nm的片状结构)。如果未达到预定标准，可以重新投入本发明的石墨烯剥离装置再次进行上述操作。
根据本发明的石墨烯生产方法操作方便，能够适应大批量生产石墨烯。
以上说述仅为本发明的优选的实施例。需要指出的是，本领域的技术人员在本发明在不脱离本发明的基本原则的前提下，能够做出各种不同的修改和改进，这些修改和改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯剥离装置，其特征在于，所述石墨烯剥离装置包括：
第一筒体，其包括进料口和出料口；
至少一个旋转辊，其安装在所述第一筒体的内部，使得所述至少一个旋转辊的表面与所述第一筒体的内侧面相切；
其中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊分别与各自的驱动机构连接，在操作过程中，所述第一筒体和所述至少一个旋转辊能够在各自的驱动机构的驱动作用下沿着相反的方向旋转。
2.根据权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其中，所述石墨烯剥离装置还包括：
固定安装的第二筒体，所述第一筒体安装在所述第二筒体的内部，所述第二筒体设置有可闭合的放料口。
3.根据权利要求2所述的石墨烯剥离装置，其中，所述第二筒体的内侧设置有以相同的径向角度间隔开的至少三个支承部。
4.根据权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其中，所述第一筒体的设置有出料口的一端向下倾斜一定角度。
5.根据权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其中，所述石墨烯剥离装置包括至少两个旋转辊，所述至少两个旋转辊关于所述第一筒体的中轴线对称安装，并且在操作过程中，所述至少两个旋转辊沿相同的方向旋转。
6.根据权利要求3所述的石墨烯剥离装置，其中，所述支承部是自所述第二筒体的内侧面朝向所述第一筒体的外侧面延伸的托架，所述托架在靠近所述第一筒体的一端设置有与所述第一筒体的外侧面接触的托轮。
7.根据权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其中，所述至少一个旋转辊由弹性材料制成。
8.根据权利要求1所述的石墨烯剥离装置，其中，所述第一筒体的出料口设置有电磁阀。
9.根据权利要求2所述的石墨烯剥离装置，其中，所述第二筒体的设置可闭合的放料口的一端向下倾斜一定角度。
10.一种使用权利要求1至9中的任一项所述的石墨烯剥离装置生产石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将待处理的石墨粉料与介质混合成石墨浆料；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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