CN209815701U - 一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，包括依次设置的微流芯片、冷凝装置和盛料装置，微流芯片上设有微流通道，还包括用于将体相二维材料悬浮液送入微流芯片的压力泵；体相二维材料悬浮液在微流通道中高速流动产生湍流，湍流中的小涡流之间的剪切力将体相二维材料剥离。该装置采用微流控的方法实现高效剥离，并利用涡流与涡流之间产生的剪切力剥离二维材料，属于材料加工制备领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料加工制备领域，具体地说是一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置。
背景技术
包括石墨烯在内的二维材料以其优异且多样化的材料性能，在很多领域都有广阔的应用前景，包括传感器，场效应晶体管，激光器，电解水，电池和电容器领域等。大量的科学工作者在二维材料的研究和应用方面做了很多的研究，其中，二维材料的有效剥离是研究和工程应用二维材料的第一步，因为只有在单层或少层的情况下，二维材料很多优异的性能才可能显现出来。目前，常见的二维材料剥离的方法包括机械剥离，超声离心，研磨法等，但这些剥离方法都存在着一些问题，比如效率低，产率低，功耗大，难以大规模生产等，寻找一种高效节能，高产率的二维材料剥离方法一直是很多科学工作者研究的内容之一。剑桥大学石墨烯研究中心Andrea C.Ferrari团队曾将石墨烯水溶液在微流通道中，在高压高流速条件下，利用湍流惯性区中涡流间产生的强大的剪切力剥离石墨烯，得到了高浓度，100％产率的石墨烯单层溶液。但这种方法条件苛刻，需要在极高的压力下(2000个大气压)进行，实际操作中对实验条件要求高。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法，往溶剂中加入高分子和表面活性剂，到达完全溶解后再加入二维片状颗粒材料得到体相二维材料、高分子和表面活性剂的悬浮液；将悬浮液通过设有微流通道的微流芯片，悬浮液在微流通道内高速流动产生湍流，湍流中的涡流之间产生很高的剪切力，从而使体相二维材料剥离成单层或少层的二维材料。
优选地，高分子是指具有高分子量的水溶或有机溶剂溶解的柔性聚合物，作为体相二维材料悬浮液的湍流诱导剂，使体相二维材料悬浮液在较低的雷诺数下诱导产生湍流，从而实现高效剥离，得到单层或少层的二维材料。
优选地，表面活性剂是避免剥离后的单层或少层二维片状颗粒材料重新聚集的悬浮液稳定剂。
优选地，经微流通道剥离后的体相二维材料再次回流输送至微流通道再次进行剥离，循环剥离直至剥离成单层或少层的二维材料。
优选地，调整装置的多项参数和体相二维材料悬浮液的性质，调节Kolmogorov长度的大小，从而间接调节适用于湍流剥离二维材料的尺寸范围。
优选地，通过改变微流通道的结构形状，进而调节剥离条件。
一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，包括依次设置的微流芯片、冷凝装置和盛料装置，微流芯片上设有微流通道，还包括用于将体相二维材料悬浮液送入微流芯片的压力泵；体相二维材料悬浮液在微流通道中高速流动产生湍流，湍流中的小涡流之间的剪切力将体相二维材料剥离。
优选地，微流通道为一簇相互平行的直线通道。
优选地，微流通道为扁平薄层状的内有若干垂直于流体流向的圆柱结构的通道。
优选地，还包括用于自动送入混有高分子的体相二维材料悬浮液的入料系统。
优选地，还包括回流装置，回流装置的一端连接盛料装置，一端连接入料系统，回流装置用于将盛料装置内的体相二维材料输送至入料系统，经微流通道再次剥离至单层或少层的二维材料。
本实用新型的原理是：在微流通道中，利用高分子溶液的性质，在相对低的压力和雷诺数下，高效剥离得到包括石墨烯在内的二维材料。在体相二维材料的悬浮液中溶入了高分子，高分子作为体相二维材料悬浮液的湍流诱导剂，高分子溶液在流动过程中，由于高分子产生的不稳定，因此更容易产生湍流，从而在相对较低流速，较低的雷诺数条件下，实现对二维材料的剥离。同时由于高分子溶液的减阻效应，相比于牛顿流体，可以实现在相对较低的压力下，产生高流速，这样有助于实现在较低的压力下高效剥离体相二维材料。
总的说来，本实用新型具有如下优点：
1.由于在体相二维材料的悬浮液中加入了高分子，高分子作为体相二维材料悬浮液的湍流诱导剂，带来了在较低压力下和较低雷诺数下有效剥离体相二维材料的优点。相较于现有的条件苛刻的剥离方法，本实用新型的实验条件更加容易实现。
2.本实用新型采用微流控的方法实现高效节能生产。由于所有的体相二维材料都几乎在完全相同的剥离条件下，因此得到的产物的均匀性更好，产率更高。
附图说明
图1为本实用新型剥离体相二维材料的装置示意图。
图2为微流芯片的结构示意图。
图中的标号和对应的零部件名称为：1-入料系统，2-体相二维材料，3-压力泵，4-涡流，5-微流芯片，6-微流通道，7-冷凝装置，8-盛料装置，9-单层或少层的二维材料，10-回流装置。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型做进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
本实用新型中，剥离前为体相二维材料，剥离后为单层或少层的二维材料。
一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，如图1所示，包括入料系统、压力泵、微流芯片、冷凝装置、回流装置和盛料装置，冷凝装置为冷凝器。入料系统用于自动送入混有高分子的体相二维材料悬浮液，压力泵将入料系统送入的体相二维材料悬浮液经过微流芯片和冷凝装置输送至盛料装置，盛料装置中的体相二维材料悬浮液经过回流装置送入入料系统，实现多次循环剥离，最终得到单层或少层的二维材料。体相二维材料悬浮液内的体相二维材料为多层的二维材料(未剥离的材料或剥离不充分的材料称为体相二维材料，剥离后的单层或少层(即5层以下)称为做二维材料)，微流芯片上设有微流通道，由于压力泵的泵入，体相二维材料悬浮液在微流通道内高速流动产生湍流，湍流中的涡流之间会产生很高的剪切力，从而使体相二维材料剥离成单层或少层的二维材料。在微流通道的剥离过程中，所有的体相二维材料都同时暴露在极高的剪切力下，所有的体相二维材料都可以同时剥离，因此得到的产物均匀性更好，可以达到100％的产率。而传统的剥离方法中，只有在靠近转子(机械剥离)或变幅杆(超声剥离)的地方(这是整个溶液/悬浮液中很小的一部分)会产生足够的力使体相二维材料剥离成单层或少层，因此产率很低，一般不超过1％，而且比较耗能。经微流通道剥离后的二维材料经冷凝装置冷凝后，进入盛料装置；盛料装置中的剥离不充分的体相二维材料悬浮液经过回流装置送入入料系统，实现循环剥离，确保剥离充分。
由于高分子的加入，可以使体相二维材料悬浮液在较低的雷诺数下诱导产生湍流，微流道的形状对湍流的产生影响不大，微流道的形状可以设成不同的样式。所以本实施例的装置的微流通道采用简单的形状，本实施例中采用的是一簇相互平行的直线通道。
本实用新型的装置可以通过调节多个参数对体相二维材料实现有效剥离，包括：微流通道的半径、表面粗糙度、横截面的形状，流体压力；单条或多条通道并行，提高效率；在微流通道中加入圆柱或方柱等，圆柱或方柱用于形成绕柱流，绕柱流也诱发湍流，进而设计出更利于剥离的条件。
一种低雷诺数下高效剥离二维材料的方法，采用上述装置实现，包括如下步骤：
(1)往溶剂中加入一定量的高分子和表面活性剂，到达完全溶解后再加入一定量的二维片状颗粒材料得到体相二维材料、高分子和表面活性剂的悬浮液；本实施例所加入的高分子是指具有高分子量的水溶或有机溶剂溶解的柔性聚合物，其主要作用是作为二维材料悬浮液的湍流诱导剂，可以诱导悬浮液在较低雷诺数下就产生湍流，从而剥离二维材料。本实施例中，以水为溶剂，高分子以PAAM分子量1800万为例，浓度为0.01wt％；二维材料以石墨烯(用石墨剥离得到)为例，石墨浓度为10mg/ml；表面活性剂以CTAB为例，浓度为0.22mg/ml。高分子，表面活性剂和体相二维材料的浓度可以调节以得到更好的剥离效果，并不仅仅限于本实施例所述。
(2)调整装置的多项参数和体相二维材料悬浮液的性质，调节Kolmogorov长度的大小，从而间接调节适用于湍流剥离二维材料的尺寸范围。其中调节体相二维材料悬浮液的性质包括调节体相二维材料悬浮液的粘度，密度，流速，表面张力，高分子在溶剂中的排除体积效应，高分子的分子量、分子量分布及浓度，加入的体相二维材料的浓度等。其中装置的多项参数包括：微流通道的半径、表面粗糙度、横截面的形状，流体压力；单条或多条通道并行，提高效率；在微流通道中加入圆柱或方柱等。
(3)利用压力泵将步骤(1)得到的悬浮液从入料系统送入到微流通道，高分子溶液具有湍流减阻效应，相比于牛顿流体，可以实现在相对较低的压力下，产生高速流，体相二维材料悬浮液在微流通道内高速流动产生湍流，湍流中的涡流之间会产生很高的剪切力，从而剥离体相二维材料。
(4)经过步骤(3)剥离后的二维材料经过冷凝器冷凝后进入盛料装置。
(5)针对剥离不充分的体相二维材料，可以通过回流装置重新送入微流通道中再次剥离，多次循环剥离，得到单层或少层的二维材料，确保剥离充分。
本实用新型采用微流控的方法，实现高效剥离。微流控是指控制流体(压力，流速，微流通道的形状等)在细微流道中流动，然后研究流体的行为。在微流通道中，流体的压力，流速基本会保持恒定，流体的流动状态(主要是指湍流)保持不变，由于微流道中整个流体都是湍流，所以在整个流体中都有涡流产生(湍流本身就会产生涡流)并利用涡流与涡流之间产生的剪切力剥离二维材料，所以说是在完全相同的剥离条件(因为微流道中整个流体都是湍流，都有涡流产生)。
只要流速足够高，就可以产生涡流，而由于溶剂中高分子本身的粘弹性质容易诱发流动的不稳定，因此更容易诱导产生湍流，即与牛顿流体(比如纯水)相比，在相对较低的压力，流速条件下(即雷诺数也低)就可以产生湍流。
微流控技术更容易控制流道中流体的压力流速等(因为比较小，设计也比较方便)，而且能够达到更高的压力和流速。
除了上述实施例提及的方式外，微流通道还可以是扁平薄层状的流道中加入垂直的圆柱结构(即图2中黑色原点所示)，圆柱或方柱用于形成绕柱流，绕柱流也诱发湍流，这样的微流通道设计有利于增加表面积，提高剥离效率。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，其特征在于：包括依次设置的微流芯片、冷凝装置和盛料装置，微流芯片上设有微流通道，还包括用于将体相二维材料悬浮液送入微流芯片的压力泵；体相二维材料悬浮液在微流通道中高速流动产生湍流，湍流中的小涡流之间的剪切力将体相二维材料剥离。
2.按照权利要求1所述的低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，其特征在于：微流通道为一簇相互平行的直线通道。
3.按照权利要求1所述的低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，其特征在于：微流通道为扁平薄层状的内有若干垂直于流体流向的圆柱结构的通道。
4.按照权利要求1所述的低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，其特征在于：还包括用于自动送入混有高分子的体相二维材料悬浮液的入料系统。
5.按照权利要求4所述的低雷诺数下高效剥离二维材料的装置，其特征在于：还包括回流装置，回流装置的一端连接盛料装置，一端连接入料系统，回流装置用于将盛料装置内的体相二维材料输送至入料系统，经微流通道再次剥离至单层或少层的二维材料。
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