CN111217362B - 一种石墨烯的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种石墨烯的制备装置，包括依次设置的第一挤出装置、撕脱装置、第二挤出装置及切削装置；所述第一挤出装置的出料口与所述撕脱装置的进料口连接；所述撕脱装置的出料口与所述第二挤出装置的进料口连接；所述切削装置设置在所述第二挤出装置的出料口；所述撕脱装置包括第一磨盘以及能够与所述第一磨盘相对转动的第二磨盘，所述第一磨盘和所述第二磨盘相对的研磨表面设有能够相互啮合的磨削齿。本发明利用磨削齿对石墨混炼体材料进行磨削、撕脱，能够有效提高石墨混炼体材料中少层石墨烯和多层石墨烯的含量，且切削装置也能够起到高速切削撕脱的作用，进一步提高对石墨烯的改性效果，使最终成型的改性石墨烯薄片性能大幅提高。

Description

一种石墨烯的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备装置及方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的呈蜂窝状晶格结构的二维碳纳米材料，因其具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、能源、传感器、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。

现有技术中，石墨烯的制备由于缺乏专用的撕脱设备，使得成品石墨烯材料中的少层和多层石墨烯含量不高，石墨烯的材料特性无法被充分利用。尽管有部分现有技术采用化学方法来对石墨烯材料进行改性制备，但是大多需要额外的材料进行制备，且制备条件较为严苛，导致制备成本过高，不利于大规模量产。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种石墨烯的制备装置及方法，改进石墨烯的制备设备，通过物理撕脱的方式对石墨混炼体材料进行磨削和撕脱，有效提高改性石墨烯的制备效率。

本发明公开的一种石墨烯的制备装置，包括依次设置的第一挤出装置、撕脱装置、第二挤出装置及切削装置；

所述第一挤出装置的出料口与所述撕脱装置的进料口连接；

所述撕脱装置的出料口与所述第二挤出装置的进料口连接；

所述切削装置设置在所述第二挤出装置的出料口；

所述撕脱装置包括第一磨盘以及能够与所述第一磨盘相对转动的第二磨盘，所述第一磨盘和所述第二磨盘相对的研磨表面设有能够相互啮合的磨削齿。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，设置在所述第一磨盘上的磨削齿和设置在所述第二磨盘上的磨削齿呈渐开线状啮合。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，设置在所述第一磨盘上的磨削齿和设置在所述第二磨盘上的磨削齿呈射线扩散状啮合。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述第一挤出装置包括第一螺杆挤出组件及驱动所述第一螺杆挤出组件的第一驱动电机，所述撕脱装置垂直于所述第一螺杆挤出组件设置。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述撕脱装置还包括紧固连接的第一壳体和第二壳体，所述第一磨盘形成于所述第一壳体内壁，所述第二磨盘设置在所述第一壳体与第二壳体形成的安装腔内，设有第二驱动电机驱动所述第二磨盘相对于所述第一磨盘转动。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述第二壳体内径大于所述第一壳体的内径，以使所述第二壳体与第一壳体接合处形成退料槽。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述第二磨盘周部在对应退料槽的位置设有多个出料叶片。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述第二挤出装置包括第二螺杆挤出组件及驱动所述第二螺杆挤出组件的第三驱动电机，所述切削装置的切削端部垂直于所述螺杆挤出组件设置。

作为本发明公开的一种石墨烯的制备装置的优选技术方案，所述切削装置包括切削飞刀及驱动所述切削飞刀的第四驱动电机，所述第四驱动电机平行于所述第二螺杆挤出组件，所述切削飞刀垂直于所述第二螺杆挤出组件。

本发明还公开一种石墨烯的制备方法，应用如上所述的一种石墨烯的制备装置，包括如下步骤：

将经过预先捏合混炼的石墨混炼体材料导入第一挤出装置；

在第一挤出装置的挤压作用下，石墨混炼体材料被高压导入撕脱装置；

利用第一磨盘和所述第二磨盘的磨削作用，将石墨混炼体材料进行二次切削和撕脱，以提升石墨混炼体材料中少层和多层石墨烯含量，完成第一道制备工序；

将磨削后的石墨混炼体材料导入第二挤出装置；

在第二挤出装置的挤压作用下，石墨混炼体材料呈压缩状态被挤压至第二挤出装置的出料口；

第二挤出装置的出料口设置模头装置，第二挤出装置的出料口设有若干出料孔；切削装置对在出料孔处挤出的石墨混炼体材料进行切削，完成第二道制备工序，得到改性石墨烯薄片。

本发明的有益效果在于：

本发明对现有的改性石墨烯制备设备进行改进，通过第一挤出装置和第二挤出装置对石墨混炼体材料分别进行两次高压压缩，并在第一挤出装置和第二挤出装置之后分别设置磨削、撕脱等物理加工装置对石墨混炼体材料进行改性加工，其中，利用第一磨盘和第二磨盘的磨削配合，尤其是设置在第一磨盘和第二磨盘配合面的磨削齿对石墨混炼体材料进行磨削、撕脱，能够有效提高石墨混炼体材料中少层石墨烯和多层石墨烯的含量，设置在第二挤出装置后的切削装置也能够对石墨烯混炼体材料起到高速切削撕脱的作用，进一步提高对石墨烯的改性效果，使最终成型的改性石墨烯薄片性能大幅提高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1绘示了本发明实施例1中石墨烯的制备装置的前视图。

图2绘示了本发明实施例1中石墨烯的制备装置的俯视图。

图3绘示了本发明实施例1中石墨烯的制备装置的右视图。

图4绘示了本发明实施例1中第二磨盘的结构示意图。

图5绘示了本发明实施例1中模头装置出料孔的结构示意图。

图6绘示了本发明实施例2中石墨烯的制备装置的前视图。

图7绘示了本发明实施例3中石墨烯制备的方法流程图。

其中：

1-支架，2-第一驱动电机，3-进料斗，4-第一挤出装置，5-第一磨盘，6-第二壳体，7-第二磨盘，8-第二驱动电机，9-法兰，10-出料斗，11-第三驱动电机，12-螺栓，13-第二挤出装置，14-切削装置，15-第四驱动电机，16-切削飞刀，17-出料叶片，18-模头装置，19-出料孔。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过度结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例公开的一种石墨烯的制备装置，包括支架1及在支架1上依次设置的第一挤出装置4、撕脱装置、第二挤出装置13及切削装置14。其中，第一挤出装置4与混炼装置连接，用于接收预先捏合的石墨混炼体材料。为了便于石墨混炼体材料导入，在第一挤出装置4上设置进料斗3，第一挤出装置4水平设置，进料斗3开口向上垂直于第一挤出装置4设置，可通过法兰连接的方式将混炼装置与第一挤出装置4的进料斗3连通，在第一挤出装置4中，对石墨混炼体材料进行高压挤压，以提高石墨混炼体材料的密实度。第一挤出装置4的出料口与撕脱装置的进料口连接，将高压挤压完成的石墨混炼体材料导入在撕脱装置内，进行强制撕脱。本实施例中，撕脱装置包括第一磨盘5以及能够与第一磨盘5相对转动的第二磨盘7，第一磨盘5和第二磨盘7同轴设置，其中，第一磨盘5为固定盘，第二磨盘7为活动盘，通过第一磨盘5和第二磨盘7的相对运动，使位于第一磨盘5和第二磨盘7之间的石墨混炼体材料被磨削、撕脱，撕脱装置的出料口与第二挤出装置13的进料口连接，撕脱完成的石墨混炼体材料被导出至第二挤出装置13。第二挤出装置13设置在撕脱装置底部，第二挤出装置13上设有出料斗10，可通过法兰9将撕脱装置和出料斗10连通，在撕脱装置内经过磨削撕脱的石墨混炼体材料被导出至第二挤出装置13，在第二挤出装置13中，对石墨混炼体材料进行二次高压挤压，进一步提高石墨混炼体材料的密实度，并在出料口处设置切削装置14，利用切削装置14对成型的石墨混炼体材料进行薄片切削。为了提高磨削效果，提升石墨混炼体材料中少层和多层石墨烯含量，本实施例中，第一磨盘5和第二磨盘7之间具有1-3mm的间隙，第一磨盘5和第二磨盘7相对的研磨表面设有能够相互啮合的磨削齿，磨削齿可提高磨削精度，使位于第一磨盘5和第二磨盘7之间的石墨混炼体材料充分磨削。可选地，磨削齿的截面为三角形结构，磨削齿的尖部为磨削力度最大。

如图4所示，本实施例中，为了提高撕脱效果，设置在第一磨盘5上的磨削齿和设置在第二磨盘7上的磨削齿呈渐开线状啮合。同时，设置在第一磨盘5上的磨削齿和设置在第二磨盘7上的磨削齿渐开线纹路相同，渐开线的方向相反，当第二磨盘7相对于第一磨盘5转动时，可保持持续剪切，从而使第一磨盘5和第二磨盘7之间的撕脱力度更强。

在本发明的另一个实施例中，设置在第一磨盘5上的磨削齿和设置在第二磨盘7上的磨削齿呈射线扩散状啮合。第一磨盘5和第二磨盘7均为圆形磨盘，设置在第一磨盘5上的磨削齿和设置在第二磨盘7上的磨削齿的射线中心位于磨盘圆心处，位于磨盘圆心处和位于磨盘圆周处的磨削齿的间隙逐渐变宽，更利于增加撕脱时间，增加少层与多层石墨烯的含量，也利于经过强制撕脱的石墨混炼体材料被导出。

本实施例中，第一挤出装置4包括第一螺杆挤出组件及驱动第一螺杆挤出组件的第一驱动电机2，撕脱装置垂直于第一螺杆挤出组件设置。第一螺杆挤出组件包括第一料筒及设置在第一料筒内的第一螺杆，进料斗3垂直连通第一料筒，第一驱动电机2设置在第一螺杆挤出组件的第一端部，为第一螺杆提供动力，使第一螺杆实现对物料的旋转挤出，撕脱装置设置在第一螺杆挤出组件的第二端部，接收从第一螺杆挤出组件高压挤出的石墨混炼体材料。

本实施例中，撕脱装置还包括紧固连接的第一壳体和第二壳体6，第一壳体和第二壳体6可在边缘通过螺栓12紧固连接。第一磨盘5形成于第一壳体内壁，为了提高撕脱效率，在第一壳体的底壁及周向侧壁均设有研磨齿，使第一磨盘5与第二磨盘7的相对面及侧面均能具有撕脱效果。第二磨盘7设置在第一壳体与第二壳体6形成的安装腔内，设有第二驱动电机8驱动第二磨盘7相对于第一磨盘5转动，在第二壳体6中心处设有通孔，第二驱动电机8的驱动轴通过轴承安装在通孔中。

进一步的，第二壳体6内径大于第一壳体的内径，以使第二壳体6与第一壳体接合处形成退料槽。在撕脱装置内经第一磨盘5和第二磨盘7强制撕脱的石墨混炼体材料进入退料槽中，进而导出至第二挤出装置13，退料槽能够显著提高物料导出效率，避免撕脱完成的石墨混炼体材料在撕脱装置内积存。

更进一步的，第二磨盘7周部在对应退料槽的位置设有多个出料叶片17，出料叶片17可随着第二磨盘7的转动而将在积存在退料槽内石墨混炼体材料的搅起，从而将物料导出。出料叶片17径向长度为2-5cm之间，本实施例中，出料叶片17径向长度为3cm。

需要说明的是，在实际应用中，为了便于生产，也可将第一壳体和第一磨盘5设置为分体结构，即将第一磨盘5和第二磨盘7设置在由第一壳体和第二壳体6形成的安装腔内，第一磨盘5固定设置在安装腔内，第二磨盘7活动设置在安装腔内。

本实施例中，第二挤出装置13包括第二螺杆挤出组件及驱动第二螺杆挤出组件的第三驱动电机11，切削装置14的切削端部垂直于螺杆挤出组件设置。第二螺杆挤出组件包括第二料筒及设置在第二料筒内的第二螺杆，第三驱动电机11设置在第二螺杆挤出组件的第一端部，为第二螺杆提供动力，使第二螺杆实现对物料的旋转挤出，切削装置14设置在第二螺杆挤出组件的第二端部，在第二螺杆挤出组件的第二端部设有模头装置18，模头装置18设有若干呈阵列的出料孔19，如图5所示，用于石墨混炼体材料在出料孔19处高压挤出成型，切削装置14对从第二螺杆挤出组件高压挤出的石墨混炼体材料进行切削。

如图3所示，本实施例中，切削装置14包括切削飞刀16及驱动切削飞刀16的第四驱动电机15，第四驱动电机15平行于第二螺杆挤出组件，切削飞刀16垂直于第二螺杆挤出组件。第四驱动电机15安装在第二螺杆挤出组件上，切削飞刀16设置在第四驱动电机15的输出轴端部，且切削飞刀16切削位置贴合于第二螺杆挤出组件的挤出端，当切削飞刀16在第四驱动电机15的作用下旋转时，被挤出的石墨混炼体材料被高速切削，形成改性石墨烯混炼体薄片。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1中公开的技术方案基本一致，区别仅在于，本实施例中，第二磨盘7不是圆台状磨盘，而是锥形磨盘，本实施例中，第二磨盘7的锥度为5°，在实际应用中可根据需要将第二磨盘7的锥度设置为3-8°。与第二磨盘7配合的第一磨盘5也呈锥度设置，第一磨盘5和第二磨盘7之间设置磨削齿实现锥度磨削，可以显著提高撕脱效果。

实施例3

如图7所示，本实施例公开一种石墨烯的制备方法，应用如实施例1或实施例2公开的一种石墨烯的制备装置，包括如下步骤：

S1将经过预先捏合混炼的石墨混炼体材料导入第一挤出装置4；

S2在第一挤出装置4的挤压作用下，石墨混炼体材料被高压导入撕脱装置；

S3利用第一磨盘5和第二磨盘7的磨削作用，将石墨混炼体材料进行二次切削和撕脱，以石墨混炼体材料中少层和多层石墨烯含量，完成第一道制备工序；

S4将磨削后的石墨混炼体材料导入第二挤出装置13；

S5在第二挤出装置13的挤压作用下，石墨混炼体材料呈压缩状态被挤压至第二挤出装置13的出料口；

S6第二挤出装置13的出料口设置模头装置18，第二挤出装置13的出料口设有若干出料孔19；切削装置14对在出料孔19处挤出的石墨混炼体材料进行切削，完成第二道制备工序，得到改性石墨烯薄片。其中，当切削装置14进行切削时，以大于120转/分钟的速率旋转，利用切削装置14的高速切削起到对石墨混炼体材料撕脱的效果。

本发明所保护的技术方案，并不局限于上述实施例，应当指出，任意一个实施例的技术方案与其他一个或多个实施例中技术方案的结合，在本发明的保护范围内。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯的制备装置，其特征在于，包括依次设置的第一挤出装置、撕脱装置、第二挤出装置及切削装置；

所述第一挤出装置的出料口与所述撕脱装置的进料口连接；

所述撕脱装置的出料口与所述第二挤出装置的进料口连接；

所述切削装置设置在所述第二挤出装置的出料口；

所述撕脱装置包括第一磨盘以及能够与所述第一磨盘相对转动的第二磨盘，所述第一磨盘和所述第二磨盘相对的研磨表面设有能够相互啮合的磨削齿，设置在所述第一磨盘上的磨削齿和设置在所述第二磨盘上的磨削齿呈渐开线状啮合；设置在第一磨盘上的磨削齿和设置在第二磨盘上的磨削齿渐开线纹路相同，渐开线的方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第一挤出装置包括第一螺杆挤出组件及驱动所述第一螺杆挤出组件的第一驱动电机，所述撕脱装置垂直于所述第一螺杆挤出组件设置。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述撕脱装置还包括紧固连接的第一壳体和第二壳体，所述第一磨盘形成于所述第一壳体内壁，所述第二磨盘设置在所述第一壳体与第二壳体形成的安装腔内，设有第二驱动电机驱动所述第二磨盘相对于所述第一磨盘转动。

4.根据权利要求3所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第二壳体内径大于所述第一壳体的内径，以使所述第二壳体与第一壳体接合处形成退料槽。

5.根据权利要求4所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第二磨盘周部在对应退料槽的位置设有多个出料叶片。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述第二挤出装置包括第二螺杆挤出组件及驱动所述第二螺杆挤出组件的第三驱动电机，所述切削装置的切削端部垂直于所述螺杆挤出组件设置。

7.根据权利要求6所述的一种石墨烯的制备装置，其特征在于，所述切削装置包括切削飞刀及驱动所述切削飞刀的第四驱动电机，所述第四驱动电机平行于所述第二螺杆挤出组件，所述切削飞刀垂直于所述第二螺杆挤出组件。

8.一种石墨烯的制备方法，其特征在于，应用如权利要求1-7所述的一种石墨烯的制备装置，包括如下步骤：

将经过预先捏合混炼的石墨混炼体材料导入第一挤出装置；

在第一挤出装置的挤压作用下，石墨混炼体材料被导入撕脱装置；

利用第一磨盘和所述第二磨盘的磨削作用，将石墨混炼体材料进行二次切削和撕脱，以提升石墨混炼体材料中少层和多层石墨烯含量，完成第一道制备工序；

将磨削后的石墨混炼体材料导入第二挤出装置；

在第二挤出装置的挤压作用下，石墨混炼体材料呈压缩状态被挤压至第二挤出装置的出料口；

第二挤出装置的出料口设置模头装置，第二挤出装置的出料口设有若干出料孔；切削装置对在出料孔处挤出的石墨混炼体材料进行切削，完成第二道制备工序，得到改性石墨烯薄片。