CN205500791U - 一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备 - Google Patents

Abstract

本发实用新型提供一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征是：包括前后依次连接的螺杆挤出机、一级粉碎系统、二级粉碎系统以及连接物料输送的管路，利用螺杆挤出机的强剪切将石墨剥离，进一步通过气流粉碎机进行粉碎和均化，使已剥离的石墨烯达到完全分散的状态，特别是通过设计串联的涡旋气流分级器将已达到层数要求的石墨烯及时分离出来，从而在Ⅰ号收集口、Ⅱ号收集口、Ⅲ号收集口收集不同层数的高质量石墨烯，实现了在高剪切应力作用下连续化、规模化、低成本化制备高质量石墨烯。

Description

一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备

技术领域

本实用新型涉及石墨烯制备领域，具体涉及一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，从而实现连续化、规模化、低成本化机械法制备高质量石墨烯。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以 SP² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004 年，英国曼彻斯特大学天文物理学教授 Andre K. Geim 领导的研究小组，成功地在实验中从石墨中剥离出石墨烯，这是世界上已知的最薄的材料，并发现它具有非凡的属性。石墨烯具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，这种特殊的性能使石墨烯在触摸屏、传感器、超级电容、锂电池、快速充电、太阳能电池、储氢、电子元器件散热、材料增强、防腐涂料、生物医学、污水处理、海水淡化等诸多领域具有极大的应用价值，有望在许多领域引发新的工业革命。

尽管石墨烯具有巨大的应用空间，但由于受制于制备技术的瓶颈，目前存在难以规模化生产、成本高、质量不稳定等缺陷。如通过撕胶带这种机械剥离的方法可以将石墨剥离获得高质量的石墨烯，但是其制备效率并不高，难以批量获取石墨烯；气相沉积法和碳化硅是通过化学反应的方法制备石墨烯，由于单纯的生长法或者沉积法，都存在严格控制反应时间、温度、压力等工艺方面的问题，工艺难以控制，不但成本高，而且难以规模化生产；氧化还原法是目前能够实现规模化生产石墨烯的有效方法，通过氧化还原法弱化石墨层间的结合力,从而剥离得到石墨烯,然而由于大量使用硫酸，导致石墨烯片层产生较多的晶格缺陷，因此所制备的片层不能充分展现石墨烯的优良性质，无法满足高性能材料对于高质量石墨烯的需求，特别是耗时长、能耗高、成本高昂、污染环境，因此，难以大面积推广使用。

而机械剪切剥离法是最易实现规模化生产的石墨烯的有效手段。如利用球磨机产生的冲击剪切，石墨在球磨过程中被粉碎、研磨，在介质存在下，石墨颗粒表面上生成裂纹扩张，进而导至其层间剥离。然而该设备冲击力大，由于不能及时将已剥离的石墨烯分离出来，容易对已达到要求的石墨烯结构造成损伤，得到石墨烯的层数通常为50-1000层，不但层数多，而且层数分布宽，难以获得高质量石墨烯，无法满足使用要求。另外由于研磨介质的使用，造成杂质含量大。因而，现有设备难以进行连续稳定的量产高质量石墨烯。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，该成套设备具有连续剥离、粉碎、分级的特性，通过将剪切剥离得到的石墨烯及时分离收集，实现了在高剪切应力作用下连续化、规模化、低成本化制备高质量石墨烯。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征是包括前后依次连接的螺杆挤出机、一级粉碎系统、二级粉碎系统以及连接物料输送的管路；

所述螺杆挤出机为同向旋转的三螺杆挤出机，主要由螺杆驱动装置（1）、主加料口（2）、辅加料口（3）、三根螺杆（4）组成；

所述一级粉碎系统包含一级气流粉碎室（6）、一级分级系统（7）、一级旋风分离器（8）、一级除尘收集器（9）、Ⅰ号引风机（10）；

所述二级粉碎系统包含二级气流粉碎室（12）、二级分级系统（11）、Ⅰ号涡旋气流分级器（13）、Ⅱ号涡旋气流分级器（14）、二级旋风分离器（15）、二级除尘收集器（16）、Ⅱ号引风机（17）；

螺杆挤出机出料口与一级粉碎系统的匀速进料口（5）连接，经一级气流粉碎室（6）通过一级分级系统（7）分级连接至一级旋风分离器（8），达到石墨烯级别的微细微粒则随气体进入一级除尘收集器（9），通过Ⅰ号收集口（18）收集得到少量石墨烯；一级旋风分离器（8）下端与二级气流粉碎室（12）连接，通过二级分级系统（11）连接至串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14），二级旋风分离器（15）与Ⅱ号涡旋气流分级器（14）连接，由Ⅱ号收集口（19）收集得到大量石墨烯，更少层数级别的石墨烯则随气体进入二级除尘收集器（16），通过除尘收集器在Ⅲ号收集口（20）收集得到石墨烯；串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）下端连接二级气流粉碎室（12），将未达标的石墨烯循环粉碎。

主要原料石墨由主加料口（2）加入，在螺杆驱动装置（1）的驱动作用下，三根螺杆（4）以同向旋转，石墨受到连续剪切被不断剥离，然后经出料口与一级粉碎系统的匀速进料口（5）连接，经一级气流粉碎室（6）内设置定刀和动刀，在动刀高速旋转时产生的气流使石墨及辅料在粉碎室内被不断粉碎，通过调整一级分级系统（7）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的小微粒受Ⅰ号引风机（10）的引风力带至一级旋风分离器（8），大颗粒则受离心作用力自然下落到一级气流粉碎室（6）内继续粉碎；小微粒与气体进入一级旋风分离器（8）后，在锥形旋风分离器内不断悬浮，由于离心力的作用，沿筒壁下滑，进入二级气流粉碎室（12），而少量已达到石墨烯级别的微细微粒则随气体进入一级除尘收集器（9），将除尘收集器作为分离装置，设置绒布袋除去气体，通过Ⅰ号收集口（18）收集得到少量石墨烯；二级气流粉碎室（12）内设置定刀和动刀，经一级旋风分离器（8）的小微粒进一步在二级气流粉碎室（12）内粉碎，并通过调整二级分级系统（11）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的微粒进入串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）进行两次分级，分离出石墨烯，在Ⅱ号引风机（17）的引风力作用下在二级旋风分离器（15）中分离，由Ⅱ号收集口（19）收集得到大量石墨烯，更少层数级别的石墨烯则随气体进入二级除尘收集器（16），通过除尘收集器在Ⅲ号收集口（20）收集得到石墨烯；而经串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）分离未达标的石墨烯则循环进入二级气流粉碎室（12）进一步粉碎。

作为上述方案的进一步设置，所述螺杆由螺纹元件以积木的形式组合而成，螺纹元件含有啮合块。

作为上述方案的进一步设置，所述螺杆挤出机设置加热装置。

作为上述方案的进一步设置，所述辅加料口（3）与高压泵连接，输入气体。

作为上述方案的进一步设置，在所述串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）基础上，串联更多涡旋气流分级器，组成3组及以上串联的涡旋气流分级器。

作为上述方案的进一步设置，所述二级分级系统（11）的分级轮转速高于一级分级系统（7）分级轮的转速。

作为上述方案的进一步设置，所述Ⅱ号引风机的引风力大于Ⅰ号引风机的引风力。

作为上述方案的进一步设置，所述输送的管路内壁设置陶瓷耐磨层，以克服由于物料在强气流运动时与管路内壁产生的摩擦损伤。

本实用新型所述成套设备用于剥离鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨或者氧化石墨得到单层石墨烯。

本实用新型所述成套设备用于剥离鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨或者氧化石墨得到石墨烯微片。

本实用新型一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，将螺杆挤出机与气流粉碎机连接，利用螺杆挤出机的强剪切将石墨剥离，进一步通过气流粉碎机进行粉碎和均化，使已剥离的石墨烯达到完全分散的状态，特别是通过设计串联的涡旋气流分级器将已达到层数要求的石墨烯及时分离出来，从而在Ⅰ号收集口、Ⅱ号收集口、Ⅲ号收集口收集不同层数的高质量石墨烯，实现了在高剪切应力作用下连续化、规模化、低成本化制备高质量石墨烯。

与现有技术相比，本实用新型提出的一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，具有如下优点：

1、通过螺杆挤出机与粉碎机、气流分级机的连接使用，实现了连续化、规模化、低成本化制备高质量石墨烯；

2、通过设置多个串联的涡旋气流分级器，将达到要求的石墨烯及时分离出来，从而得到的石墨烯层数少、层数分布窄，有效避免了已剥离石墨烯被长时间剪切造成的损伤；

3、将旋风分离器与除尘收集器组成了一个分级系统，通过控制二级分级系统分级轮与一级分级系统分级轮的转速差，以及通过控制Ⅱ号引风机与Ⅰ号引风机的引风力大小，在Ⅰ号收集口、Ⅱ号收集口、Ⅲ号收集口得到不同层数（或粒度）的石墨烯，且每个收集口的层数分布（粒度分布）窄。

附图说明

图1 为本实用新型一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备的示意图。

其中：1-螺杆驱动装置；2-主加料口；3-辅加料口；4-三螺杆；5-匀速进料口；6-一级气流粉碎室；7-一级分级系统；8-一级旋风分离器；9-一级除尘收集器；10-Ⅰ号引风机；11-二级分级系统；12-二级气流粉碎室；13-Ⅰ号涡旋气流分级器；14-Ⅱ号涡旋气流分级器；15-二级旋风分离器；16-二级除尘收集器；17-Ⅱ号引风机；18-Ⅰ号收集口；19-Ⅱ号收集口；20-Ⅲ号收集口。

具体实施方式

以下结合附图，对实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识。

实施例1

如图1 所示，本实用新型提出了一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，包括前后依次连接的螺杆挤出机、一级粉碎系统、二级粉碎系统以及连接物料输送的管路；螺杆挤出机为同向旋转的三螺杆挤出机，主要由螺杆驱动装置（1）、主加料口（2）、辅加料口（3）、三根螺杆（4）组成，螺杆由螺纹元件以积木的形式组合而成，其中螺纹元件设置为输送段和啮合块剪切段，石墨为原料由主加料口（2）加入，在螺杆驱动装置（1）的驱动作用下，三根螺杆（4）以同向旋转，辅加料口（3）泵入还原性气体，石墨受到同向旋转螺杆的连续剪切被不断剥离，然后经出料口与一级粉碎系统的匀速进料口（5）连接；匀速进料口（5）将已剪切的石墨粉均匀送入一级气流粉碎室（6），一级气流粉碎室（6）内设置定刀和动刀，在动刀高速旋转时产生的气流使石墨及辅料在粉碎室内被不断粉碎，通过调整一级分级系统（7）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的小微粒受Ⅰ号引风机（10）的引风力带至一级旋风分离器（8），大颗粒石墨则受离心作用力自然下落到一级气流粉碎室（6）内继续粉碎；小微粒与气体进入一级旋风分离器（8）后，在锥形旋风分离器内不断悬浮，由于离心力的作用，沿筒壁下滑，而少量已达到石墨烯级别的微细微粒则随气体进入一级除尘收集器（9），将除尘收集器作为分离装置，设置绒布袋除去气体，通过Ⅰ号收集口（18）收集得到少量石墨烯；更多粉体经一级旋风分离器（8）的下端进一步在二级气流粉碎室（12）内粉碎，并通过调整二级分级系统（11）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的微粒进入串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）进行两次分级，分离出石墨烯，在Ⅱ号引风机（17）的引风力作用下在二级旋风分离器（15）中分离，由Ⅱ号收集口（19）收集得到大量石墨烯，更少层数级别的石墨烯则随气体进入二级除尘收集器（16），通过除尘收集器在Ⅲ号收集口（20）收集得到石墨烯；经串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）两次分级而未达到层数要求的石墨烯则循环进入二级气流粉碎室（12）进一步粉碎，形成内循环。

本实用新型二级分级系统（11）的分级轮转速高于一级分级系统（7）分级轮的转速。Ⅱ号引风机的引风力大于Ⅰ号引风机的引风力。收集得到的石墨烯层数：Ⅰ号收集口得到的石墨烯层数为20-50层、Ⅱ号收集口得到的石墨烯层数为10-20层、Ⅲ号收集口得到的石墨烯层数为1-10层，且每个收集口的层数分布窄，质量高。

实施例2

如图1 所示，本实用新型提出了一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，包括前后依次连接的螺杆挤出机、一级粉碎系统、二级粉碎系统以及连接物料输送的管路；螺杆挤出机为同向旋转的三螺杆挤出机，主要由螺杆驱动装置（1）、主加料口（2）、辅加料口（3）、三根螺杆（4）组成，螺杆由螺纹元件以积木的形式组合而成，其中螺纹元件设置为输送段和啮合块剪切段，石墨与少量热塑性有机物为原料由主加料口（2）加入，在螺杆驱动装置（1）的驱动作用下，三根螺杆（4）以同向旋转，螺杆前端设置温度100-200℃，出料段设置温度为300-400℃，辅加料口（3）泵入还原性气体，石墨在热塑性物料辅助下被同向旋转螺杆的连续剪切被不断剥离，然后在出料端热塑性物料碳化还原，经出料口与一级粉碎系统的匀速进料口（5）连接；匀速进料口（5）将已剪切的石墨粉均匀送入一级气流粉碎室（6），一级气流粉碎室（6）内设置定刀和动刀，在动刀高速旋转时产生的气流使石墨及辅料在粉碎室内被不断粉碎，通过调整一级分级系统（7）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的小微粒受Ⅰ号引风机（10）的引风力带至一级旋风分离器（8），大颗粒石墨则受离心作用力自然下落到一级气流粉碎室（6）内继续粉碎；小微粒与气体进入一级旋风分离器（8）后，在锥形旋风分离器内不断悬浮，由于离心力的作用，沿筒壁下滑，而少量已达到石墨烯级别的微细微粒则随气体进入一级除尘收集器（9），将除尘收集器作为分离装置，设置绒布袋除去气体，通过Ⅰ号收集口（18）收集得到少量石墨烯；更多粉体经一级旋风分离器（8）的下端进入二级气流粉碎室（12）内粉碎，并通过调整二级分级系统（11）分级轮的转速，在分级轮形成强大的离心力作用下，达到细度的微粒进入串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）进行两次分级，在此基础上进一步串联两组涡旋气流分级器，组成4组串联的涡旋气流分级器，使其分级更为精细，从而获得层数分布更窄的高质量石墨烯，并在Ⅱ号引风机（17）的引风力作用下在二级旋风分离器（15）中分离，由Ⅱ号收集口（19）收集得到大量石墨烯，更少层数级别的石墨烯则随气体进入二级除尘收集器（16），通过除尘收集器在Ⅲ号收集口（20）收集得到石墨烯；而未达到层数要求的石墨烯则循环进入二级气流粉碎室（12）进一步粉碎，形成内循环。

本实用新型的螺杆挤出机设置加热装置，使加工剪切辅料完成热塑化和连续碳化，进一步优化螺杆剪切剥离效果，得到的石墨烯层数更低，分布更窄。

本实用新型二级分级系统（11）的分级轮转速高于一级分级系统（7）分级轮的转速。Ⅱ号引风机的引风力大于Ⅰ号引风机的引风力。通过串联4组涡旋气流分级器，收集得到的石墨烯层数不但更低，而且层数分布更窄：Ⅰ号收集口得到的石墨烯层数为10-20层、Ⅱ号收集口得到的石墨烯层数为5-10层、Ⅲ号收集口得到的石墨烯层数为1-5层。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征是包括前后依次连接的螺杆挤出机、一级粉碎系统、二级粉碎系统以及连接物料输送的管路；其中，所述螺杆挤出机为同向旋转的三螺杆挤出机，主要由螺杆驱动装置（1）、主加料口（2）、辅加料口（3）、三根螺杆（4）组成；

所述一级粉碎系统包含一级气流粉碎室（6）、一级分级系统（7）、一级旋风分离器（8）、一级除尘收集器（9）、Ⅰ号引风机（10）；

所述二级粉碎系统包含二级气流粉碎室（12）、二级分级系统（11）、Ⅰ号涡旋气流分级器（13）、Ⅱ号涡旋气流分级器（14）、二级旋风分离器（15）、二级除尘收集器（16）、Ⅱ号引风机（17）；

螺杆挤出机出料口与一级粉碎系统的匀速进料口（5）连接，经一级气流粉碎室（6）通过一级分级系统（7）分级连接至一级旋风分离器（8），达到石墨烯级别的微细微粒则随气体进入一级除尘收集器（9），通过Ⅰ号收集口（18）收集得到少量石墨烯；一级旋风分离器（8）下端与二级气流粉碎室（12）连接，通过二级分级系统（11）连接至串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14），二级旋风分离器（15）与Ⅱ号涡旋气流分级器（14）连接，由Ⅱ号收集口（19）收集得到大量石墨烯，更少层数级别的石墨烯则随气体进入二级除尘收集器（16），通过除尘收集器在Ⅲ号收集口（20）收集得到石墨烯；串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）下端连接二级气流粉碎室（12），将未达标的石墨烯循环粉碎。

2.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述螺杆由螺纹元件以积木的形式组合而成，螺纹元件含有啮合块。

3.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述成套设备用于剥螺杆挤出机设置加热装置。

4.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述辅加料口（3）与高压泵连接，输入气体。

5.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：在所述串联的Ⅰ号涡旋气流分级器（13）和Ⅱ号涡旋气流分级器（14）基础上，串联更多涡旋气流分级器，组成3组及以上串联的涡旋气流分级器。

6.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述二级分级系统（11）的分级轮转速高于一级分级系统（7）分级轮的转速。

7.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述Ⅱ号引风机的引风力大于Ⅰ号引风机的引风力。

8.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述输送的管路内壁设置陶瓷耐磨层，以克服由于物料在强气流运动时与管路内壁产生的摩擦损伤。

9.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述成套设备用于剥离鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨或者氧化石墨得到单层石墨烯。

10.根据权利要求1所述一种连续剪切剥离分级制备石墨烯的成套设备，其特征在于：所述成套设备用于剥离鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨或者氧化石墨得到石墨烯微片。