CN206823884U - 一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的目的在于提供一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，包括研磨系统、分离系统和循环系统；所述的研磨系统包括电机（6），主轴（5），转子一（2），转子二（9），定子一（4）、定子二（7）；所述的分离系统包括齿形盘（10），集料池（15），排料阀（13）；所述的循环系统包括引流泵（12），循环管（14），循环阀（11）；通过设计倒锥形转子和顺锥形转子，使石墨在倒锥形转粉碎后在顺锥形转子渐变磨齿纹的作用下进行精细层剥离。特别是设计的齿形盘内缘为细齿，外缘为粗齿，外齿研磨的物料由引流泵引至循环研磨，内齿研磨细料进入集料池，通过及时将细料分离出来，从而实现了连续、规模化、高效制备高质量石墨烯。
Description
技术领域
本实用新型涉及石墨烯材料制备领域，具体涉及一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，从而实现连续化、规模化、高效制备高质量石墨烯材料。
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。是目前已知的最薄的一种材料，因此石墨烯拥有了许多材料所不具备的特性。石墨烯的电子的运动速度超过了在其他金属单体中的运动速度，能够达到光速的1/300，拥有超强的导电性；其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲；比表面积能够达到 2630m2/g。因此，石墨烯被公认为21世纪的“未来材料”和“黑色金子”。这种特殊的性能使石墨烯在超级电容、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。
目前大部分企业选用的技术路线是氧化还原法制备石墨烯产品。该方法是将石墨进行强氧化处理，得到氧化石墨后，再对其进行剥离制备氧化石墨烯，最后经过还原处理得到石墨烯。由于石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，还原过程使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质，不仅能耗大，效率低，成本高，而且污染环境。这种方法所生产的石墨烯，缺点是氧化和还原的操作过程复杂繁琐，废酸废水产生量太大，污染问题不容回避。另外，在氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，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。但是由于产品生产难以稳定量产、结构缺陷多，导热导电性不佳，影响了市场的商业应用。
相比而言，机械剥离法是一种能规模化低成本制备出高质量石墨烯的方法。为了使石墨层间发生剥离。如通过机械剪切装置的设置，直接利用机械剪切剥离使石墨中各石墨层间的范德华力瓦解，从而使得石墨被剥离减薄获得石墨烯。特别是，随着石墨烯在导热、导电、增强、涂料、润滑等领域的大规模应用，这种以机械剥离为主的技术能够规模化、低成本、清洁生产获得高质量石墨烯，成为石墨烯产业化的可行途径。
已有报道，通过胶体磨等的机械冲击实现石墨烯的剥离。在实践中，通过机械方式反复地研磨尽管获得了石墨烯，但是，目前研磨生产石墨烯属于间歇式，在对石墨进行剥离的同时，对已剥离的石墨烯无法及时筛选出，因而难以进行连续稳定的量产。众所周知，胶体磨是一种良好的机械研磨设备，基本原理是流体或半流体物料通过高速相对连动的定齿与动齿之间，使物料受到强大的剪切力、摩擦力等作用，有效地进行粉碎、乳化，从而获得满意的精细加工的产品。但用于剥离石墨烯，通过动磨盘和静磨盘之间的缝隙研磨时，物料过粘缝隙易堵塞，过稀则存在流淌，研磨效率变低，且是通过粉碎将石墨减薄，缺少层方向的剥离。另外，不能连续将已剥离的石墨烯分离出来，从而整体效率降低，得到的石墨烯质量并不高。
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用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，专用于将石墨剥离成石墨烯，实现了连续高效的层剥离，并在循环剥离过程中将已剥离的石墨烯及时分离出来，是一种规模化、连续化、低成本化制备高质量石墨烯的设备。
本实用新型为实现上述技术目的，采用的技术方案是：一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，包括研磨系统、分离系统和循环系统；所述的研磨系统包括电机、主轴、转子一、转子二、定子一、定子二；所述的分离系统包括齿形盘、集料池、排料阀；所述的循环系统包括引流泵、循环管、循环阀；
所述定子一安装在定子二上方；所述转子一转动安装在定子一内，所述转子二转动安装在定子二内；所述转子一、转子二设置在主轴上，所述电机与主轴传动连接；
所述转子一的外表面设置有磨齿纹；所述转子二的外表面设置有渐变磨齿纹；
所述转子一与定子一之间具有缝隙，所述转子二与定子二之间具有缝隙；所述转子一与定子一之间的缝隙与转子二与定子二之间的缝隙连通；
所述定子一上方设置有连通转子一与定子一之间的缝隙的加料口；
所述齿形盘位于定子二的下方，所述齿形盘与定子二之间具有间隙；所述转子二与定子二之间的缝隙的出口位于定子二的下方；所述齿形盘上设置有内圈的内齿以及外圈的外齿；
所述内齿与外齿之间具有环形间距；
所述齿形盘下方设置有集料池；所述集料池上设置有排料阀；所述循环阀与齿形盘和定子二之间的间隙连通，所述循环阀、引流泵、循环管以及加料口依次连通；
石墨浆料由加料口加入，在电机带动主轴作用下使转子一、转子二高速转动，物料从转子一与定子一的缝隙进入，在磨齿纹作用下粉碎，进一步进入转子二与定子二的缝隙，在渐变磨齿纹的作用下进行精细层剥离，落入齿形盘的物料在高速转动过程中，粗料被分散在齿形盘的外齿，细料停留在内齿，同时经外齿研磨的物料由引流泵经循环管引至加料口进行循环研磨，细料经内齿研磨后进入集料池，由排料阀进行灌装得到高质量石墨烯。
所述转子一为倒锥形，转子二为顺锥形。
所述定子一、定子二表面为锯齿形。
所述转子一表面为磨齿纹，主要作用为粉碎石墨。
所述转子二表面为由上向下逐渐精细的渐变磨齿纹，主要作用为通过逐渐精细进行层剥离石墨。
所述齿形盘表面为交错的齿纹，且外齿为粗齿，内齿为细齿，对齿形盘外缘的粗料内缘的细料分级研磨。
本实用新型所述用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，用于剥离鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种与水、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮中至少一种配制的浆体。
本实用新型用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，通过设计倒锥形转子和顺锥形转子，使石墨在倒锥形转粉碎后在顺锥形转子渐变磨齿纹的作用下进行精细层剥离。特别是设计的齿形盘内缘为细齿，外缘为粗齿，在高速转动过程中，粗料被分散在外齿研磨，细料停留在内齿研磨，通过分级研磨后，外齿研磨的物料由引流泵引至加料口进行循环研磨，内齿研磨细料进入集料池，得到高质量石墨烯。通过及时将细料分离出来，从而实现了连续、规模化、高效制备高质量石墨烯。
与现有技术相比，本实用新型提出的一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，具有如下优点：
1、通过设计转子使石墨逐级剥离，通过先粉碎后层剥离，使石墨烯结构不受损。
2、设计的分离系统及时将细料分离出来，相较于传统的研磨，大大降低了工作能耗，提高工作效率。
3、实现了连续化、规模化、低成本化制备高质量石墨烯，是制备石墨烯的专用设备。
附图说明
图1 为本实用新型一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置的示意图。
其中：1-加料口；2-转子一；3-磨齿纹；4-定子一；5-主轴；6-电机；7-定子二；8-渐变磨齿纹；9-转子二；10-齿形盘；11-循环阀；12-引流泵；13-排料阀；14-循环管；15-集料池。
图2 为本实用新型一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置齿形盘的示意图。
其中：5-主轴；10-齿形盘；16-外齿；17-内齿。
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、图2 所示，本实用新型一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，包括研磨系统、分离系统和循环系统；所述的研磨系统包括电机6、主轴5、转子一2、转子二9、定子一4、定子二7；所述的分离系统包括齿形盘10、集料池15、排料阀13；所述的循环系统包括引流泵12、循环管14、循环阀11；
所述定子一4安装在定子二7上方；所述转子一2转动安装在定子一4内，所述转子二9转动安装在定子二7内；所述转子一2、转子二9设置在主轴5上，所述电机6与主轴5传动连接；
所述转子一2的外表面设置有磨齿纹3；所述转子二9的外表面设置有渐变磨齿纹8；
所述转子一2与定子一4之间具有缝隙，所述转子二9与定子二7之间具有缝隙；所述转子一2与定子一4之间的缝隙与转子二9与定子二7之间的缝隙连通；
所述定子一4上方设置有连通转子一2与定子一4之间的缝隙的加料口1；
所述齿形盘10位于定子二7的下方，所述齿形盘10与定子二7之间具有间隙；所述转子二9与定子二7之间的缝隙的出口位于定子二7的下方；所述齿形盘10上设置有内圈的内齿17以及外圈的外齿16；
所述内齿17与外齿16之间具有环形间距；
所述齿形盘10下方设置有集料池15；所述集料池15上设置有排料阀13；所述循环阀11与齿形盘10和定子二7之间的间隙连通，所述循环阀11、引流泵12、循环管14以及加料口1依次连通；
石墨浆料由加料口1加入，在电机6带动主轴5作用下使转子一2、转子二9高速转动，物料从转子一2与定子一4的缝隙进入，在磨齿纹3作用下粉碎，进一步进入转子二9与定子二7的缝隙，在渐变磨齿纹8的作用下进行精细层剥离，落入齿形盘10的物料在高速转动过程中，粗料被分散在齿形盘10的外齿16，细料停留在内齿17，同时经外齿16研磨的物料由引流泵12经循环管14引至加料口1进行循环研磨，细料经内齿17研磨后进入集料池15，由排料阀13进行灌装得到高质量石墨烯。通过设计倒锥形转子和顺锥形转子，使石墨在倒锥形转粉碎后在顺锥形转子渐变磨齿纹的作用下进行精细层剥离。特别是设计的齿形盘内缘为细齿，外缘为粗齿，在高速转动过程中，粗料被分散在外齿研磨，细料停留在内齿研磨，通过分级研磨后，外齿研磨的物料由引流泵引至加料口进行循环研磨，内齿研磨细料进入集料池，得到高质量石墨烯。通过及时将细料分离出来，从而实现了连续、规模化、高效制备高质量石墨烯。
实施例2
如图1、图2 所示，本实用新型一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，包括研磨系统、分离系统和循环系统；所述的研磨系统包括电机6、主轴5、转子一2、转子二9、定子一4、定子二7；所述的分离系统包括齿形盘10、集料池15、排料阀13；所述的循环系统包括引流泵12、循环管14、循环阀11；
所述定子一4安装在定子二7上方；所述转子一2转动安装在定子一4内，所述转子二9转动安装在定子二7内；所述转子一2、转子二9设置在主轴5上，所述电机6与主轴5传动连接；
所述转子一2的外表面设置有磨齿纹3；所述转子二9的外表面设置有渐变磨齿纹8；
所述转子一2与定子一4之间具有缝隙，所述转子二9与定子二7之间具有缝隙；所述转子一2与定子一4之间的缝隙与转子二9与定子二7之间的缝隙连通；
所述定子一4上方设置有连通转子一2与定子一4之间的缝隙的加料口1；
所述齿形盘10位于定子二7的下方，所述齿形盘10与定子二7之间具有间隙；所述转子二9与定子二7之间的缝隙的出口位于定子二7的下方；所述齿形盘10上设置有内圈的内齿17以及外圈的外齿16；
所述内齿17与外齿16之间具有环形间距；
所述齿形盘10下方设置有集料池15；所述集料池15上设置有排料阀13；所述循环阀11与齿形盘10和定子二7之间的间隙连通，所述循环阀11、引流泵12、循环管14以及加料口1依次连通；
石墨浆料由加料口1加入，在电机6带动主轴5作用下使转子一2、转子二9高速转动，物料从转子一2与定子一4的缝隙进入，在磨齿纹3作用下粉碎，进一步进入转子二9与定子二7的缝隙，在渐变磨齿纹8的作用下进行精细层剥离，落入齿形盘10的物料在高速转动过程中，粗料被分散在齿形盘10的外齿16，细料停留在内齿17，同时经外齿16研磨的物料由引流泵12经循环管14引至加料口1进行循环研磨，细料经内齿17研磨后进入集料池15，由排料阀13进行灌装得到高质量石墨烯。
其中，所述转子一2为倒锥形，转子二9为顺锥形。所述定子一4、定子二7表面为锯齿形。所述转子一2表面为磨齿纹3，主要作用为粉碎石墨。所述转子二9表面为由上向下逐渐精细的渐变磨齿纹8，主要作用为通过逐渐精细进行层剥离石墨。所述齿形盘10表面为交错的齿纹，且外齿16为粗齿，内齿17为细齿，对齿形盘外缘的粗料内缘的细料分级研磨。石墨浆料是将鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨、氧化石墨中的至少一种与水、乙醇、聚乙烯吡咯烷酮中至少一种配制的浆体。
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 (5)
1.一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，包括研磨系统、分离系统和循环系统；所述的研磨系统包括电机（6）、主轴（5）、转子一（2）、转子二（9）、定子一（4）、定子二（7）；所述的分离系统包括齿形盘（10）、集料池（15）、排料阀（13）；所述的循环系统包括引流泵（12）、循环管（14）、循环阀（11）；
所述定子一（4）安装在定子二（7）上方；所述转子一（2）转动安装在定子一（4）内，所述转子二（9）转动安装在定子二（7）内；所述转子一（2）、转子二（9）设置在主轴（5）上，所述电机（6）与主轴（5）传动连接；
所述转子一（2）的外表面设置有磨齿纹（3）；所述转子二（9）的外表面设置有渐变磨齿纹（8）；
所述转子一（2）与定子一（4）之间具有缝隙，所述转子二（9）与定子二（7）之间具有缝隙；所述转子一（2）与定子一（4）之间的缝隙与转子二（9）与定子二（7）之间的缝隙连通；
所述定子一（4）上方设置有连通转子一（2）与定子一（4）之间的缝隙的加料口（1）；
所述齿形盘（10）位于定子二（7）的下方，所述齿形盘（10）与定子二（7）之间具有间隙；所述转子二（9）与定子二（7）之间的缝隙的出口位于定子二（7）的下方；所述齿形盘（10）上设置有内圈的内齿（17）以及外圈的外齿（16）；
所述内齿（17）与外齿（16）之间具有环形间距；
所述齿形盘（10）下方设置有集料池（15）；所述集料池（15）上设置有排料阀（13）；所述循环阀（11）与齿形盘（10）和定子二（7）之间的间隙连通，所述循环阀（11）、引流泵（12）、循环管（14）以及加料口（1）依次连通。
2.根据权利要求1所述一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，其特征在于：所述转子一（2）为倒锥形，转子二（9）为顺锥形。
3.根据权利要求1所述一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，其特征在于：所述定子一（4）、定子二（7）表面为锯齿形。
4.根据权利要求1所述一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，其特征在于：所述转子二（9）表面为由上向下逐渐精细的渐变磨齿纹（8）。
5.根据权利要求1所述一种用于连续制备石墨烯材料的胶体磨装置，其特征在于：所述齿形盘（10）表面为交错的齿纹，且外齿（16）为粗齿，内齿（17）为细齿，对齿形盘外缘的粗料内缘的细料分级研磨。
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