CN215439687U - 一种用于石墨烯生产的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于石墨烯生产技术领域，公开了一种用于石墨烯生产的装置，包括粉碎装置、失重称料箱、氧化装置、剪切机、超声波装置、还原装置、干燥装置、粉尘处理装置、废气处理装置和PLC控制系统，所述粉碎装置对石墨进行粉碎制成石墨粉，所述失重称料箱对石墨粉进行定量投加，所述氧化装置将石墨粉氧化成氧化石墨，所述剪切机对氧化石墨混合液进行预分散，所述超声波装置将氧化石墨制成氧化石墨烯，所述还原装置将氧化石墨烯还原成石墨烯。本实用新型的有益效果：本装置通过所述PLC控制系统对整个制备过程进行控制，可以高效的制备石墨烯产品，能适用于工厂的流水线化生产，并且装置的结构简单、稳定性高，制备过程安全环保。

Description

一种用于石墨烯生产的装置

【技术领域】

本实用新型涉及石墨烯生产技术领域，尤其涉及一种用于石墨烯生产的装置。

【背景技术】

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，在透明导电薄膜、导电油墨、防腐涂料、太阳能电池、锂电池、超级电容器和传感器等领域已逐渐被应用，是近年来国内外研究的热点之一。石墨烯常见的生产方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法(CVD)等。其中，氧化还原法应用较广，步骤包括先将石墨氧化成氧化石墨，再超声剥离得氧化石墨烯，然后采用溶液还原(水合肼、硼氢化钠等还原剂还原)或高温烧结还原得石墨烯。失重称是一种通过静态称重的方式实现高精度连续定量给料的自动称重设备，它可以对粉末、颗粒、片状等干散物料进行可靠、精确和稳定的给料。现有技术中，制备石墨烯的装置的效率较低，并且自动化程度不高。因此，有必要提供一种环保高效制备石墨烯的装置，提高企业的效益。

【实用新型内容】

本实用新型公开了一种用于石墨烯生产的装置，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种用于石墨烯生产的装置，包括粉碎装置、失重称料箱、氧化装置、剪切机、超声波装置、还原装置、干燥装置、粉尘处理装置、废气处理装置和PLC控制系统。

所述粉碎装置顶部设有粉碎装置进料口和粉尘排出口，底部设有粉碎装置出料口，所述粉尘排出口和所述粉尘处理装置连通，所述粉碎装置出料口与所述失重称料箱连接，所述粉碎装置内部从上到下依次设有转轴、振动筛网、导向板和对辊机辊筒，所述转轴数量不少于两个，由电机驱动转动，所述转轴沿其竖直方向上装有交错设置的刀片，所述导向板将物料导向所述对辊机辊筒的挤压中心。

所述失重称料箱包括储料箱、失重称和支架，所述储料箱固定在所述失重称上，所述失重称固定在所述支架上，所述储料箱底部设有储料箱出料口，所述储料箱出料口处设有电磁阀，所述储料箱位于所述氧化装置的上方，所述失重称和电磁阀与所述PLC控制系统连接。

所述氧化装置顶部设有石墨粉进料口、氧化剂添加口和废气排出口，底部设有氧化石墨排出口，所述石墨粉进料口和所述储料箱出料口连接，所述废气排出口和所述废气处理装置连接，所述氧化装置还包括氧化装置内壳、氧化装置外壳和温度感应器，所述氧化装置内壳内设有第一搅拌装置，所述氧化装置内壳和所述氧化装置外壳之间设有冷却装置和第一加热装置，所述温度感应器用于测量反应物的温度，所述氧化装置内壳内壁涂有耐腐蚀涂层，所述氧化装置外壳用于保温隔热，所述温度感应器、所述冷却装置和所述第一加热装置与所述PLC控制系统连接。

所述氧化装置的产物纯化后，进入所述剪切机，所述剪切机位于所述超声波装置的上方，所述剪切机通过管道和所述超声波装置连通，管道上设有电磁阀。

所述还原装置顶部设有氧化石墨烯进料口和还原剂添加口，底部设有石墨烯排出口，所述还原装置还包括第二搅拌装置和第二加热装置，所述还原装置的产物纯化后，进入所述干燥装置，干燥后得到石墨烯产品。

需要说明的是，所述冷却装置、所述加热装置、所述超声波装置和所述PLC控制系统为本领域技术人员所知的装置，采自市面在售的。

作为本实用新型的一种优选改进：所述转轴数量为两个，由电机驱动沿相反方向转动。

作为本实用新型的一种优选改进：所述转轴上装有3组所述刀片。

作为本实用新型的一种优选改进：所述粉碎装置还包括毛刷，所述毛刷顶端固定在所述导向板上，底端和所述对辊机辊筒接触，所述毛刷位于所述对辊机辊筒轴心的正上方。

作为本实用新型的一种优选改进：所述粉碎装置的侧壁上设有清理窗。

作为本实用新型的一种优选改进：所述还原装置还包括涂有耐腐蚀层的还原装置内壳和用于保温隔热的还原装置外壳。

作为本实用新型的一种优选改进：所述一种用于石墨烯生产的装置还包括废液处理装置，所述废液处理装置对所述氧化装置和所述还原装置的废液进行收集处理。

作为本实用新型的一种优选改进：所述一种用于石墨烯生产的装置还包括离心分离装置，所述离心分离装置对所述氧化装置和所述还原装置的产物进行纯化。

作为本实用新型的一种优选改进：所述还原剂添加口用于添加茶多酚和金属的混合物。

作为本实用新型的一种优选改进：所述干燥装置为真空干燥器。

本实用新型的有益效果如下：

1、本装置通过所述PLC控制系统对整个制备过程进行控制，可以高效的制备石墨烯产品，能适用于工厂的流水线化生产，并且装置的结构简单、稳定性高，制备过程安全环保；

2、所述粉碎装置高质量的对石墨进行粉碎，提高石墨的氧化效率，并且对粉碎过程产生的粉尘进行处理，不对外部环境产生影响；

3、所述失重称料箱进行石墨粉的定量投加，称量精度高，减少氧化剂的浪费；

4、所述剪切机对氧化石墨进行预分散，提高所述超声波装置的加工质量；

5、废气处理装置和废液处理装置对反应过程产生的废气和废液进行回收处理，减少对环境的污染。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本实用新型一种用于石墨烯生产的装置的示意图；

图2为本实用新型粉碎装置结构示意图；

图3为本实用新型失重称料箱结构示意图；

图4为本实用新型氧化装置结构示意图；

图5为本实用新型还原装置结构示意图。

图中：1-粉碎装置，11-粉碎装置进料口，12-粉尘排出口，13-转轴，14-刀片，15-振动筛网，16-导向板，17-对辊机辊筒，18-粉碎装置出料口，19-毛刷，110-清理窗，2-失重称料箱，21-储料箱，211-储料箱出料口，22-失重称，23-支架，3-氧化装置，31-石墨粉进料口，32-氧化剂添加口，33-废气排出口，34-第一搅拌装置，35-氧化石墨排出口，36-氧化装置内壳，37-氧化装置外壳，38-冷却装置，39-第一加热装置，310-温度感应器，4-剪切机，5-超声波装置，6-还原装置，61-氧化石墨烯进料口，62-还原剂添加口，63-石墨烯排出口，64-第二搅拌装置，65-第二加热装置，66-氧化装置内壳，67-氧化装置外壳，7-干燥装置。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1所示，本实用新型提供一种用于石墨烯生产的装置，包括粉碎装置1、失重称料箱2、氧化装置3、剪切机4、超声波装置5、还原装置6、干燥装置7、粉尘处理装置、废气处理装置和PLC控制系统。具体的，所述粉碎装置1对石墨进行粉碎，制成石墨粉，增加其和氧化剂的接触面积，提高氧化效率。所述失重称料箱2对石墨粉进行定量投加，根据石墨粉的添加量控制氧化剂的添加量，防止氧化剂的浪费。所述氧化装置3将石墨氧化成氧化石墨，分离纯化后送入所述剪切机4。所述剪切机4对氧化石墨混合液进行预分散，分散液送入所述超声波装置5，所述超声波装置5将氧化石墨制成氧化石墨烯。所述剪切机4对氧化石墨混合液的预分散，可以提高所述超声波装置5的工作效率，提高氧化石墨烯的产率。所述还原装置6将氧化石墨烯还原成石墨烯，分离纯化后，所述干燥装置7对石墨烯进行干燥。

请参阅图2所示，所述粉碎装置1顶部设有粉碎装置进料口11和粉尘排出口12，底部设有粉碎装置出料口18，所述粉尘排出口12和所述粉尘处理装置连通，所述粉碎装置出料口18与所述失重称料箱2连接，所述粉碎装置1内部从上到下依次设有转轴13、振动筛网15、导向板16和对辊机辊筒17，所述转轴13数量不少于两个，由电机驱动沿不同方向转动，所述转轴13沿其竖直方向上装有交错设置的刀片14，所述导向板16将物料导向所述对辊机辊筒17的挤压中心。具体的，所述刀片14对石墨进行切割粉碎，多个所述转轴13且所述转轴13的旋转方向不同，可以增加所述刀片14和石墨的碰撞几率，提高粉碎质量。所述振动筛网15对石墨进行过滤，粒径大于其筛孔的石墨块无法通过。所述振动筛网15由电机驱动不停振动，既可以防止筛孔堵塞，也可以将大颗粒石墨块向上弹送，使其被所述刀片14切割粉碎，可以保证石墨被完全粉碎。所述导向板16使通过所述振动筛网15的石墨颗粒，流向所述对辊机辊筒17的挤压中心，所述对辊机辊筒17对石墨颗粒进行再次粉碎，制成石墨粉。石墨的粉碎过程会产生粉尘，粉尘基本处于所述粉碎装置1顶部，设置所述粉尘排出口12和所述粉尘处理装置，对粉尘进行收集处理，防止其污染环境。

请参阅图3所示，所述失重称料箱2包括储料箱21、失重称22和支架23，所述储料箱21固定在所述失重称22上，所述失重称22固定在所述支架23上，所述储料箱21底部设有储料箱出料口211，所述储料箱出料口211处设有电磁阀，所述储料箱21位于所述氧化装置3的上方，所述失重称22和电磁阀与所述PLC控制系统连接。所述PLC控制系统根据所述失重称22的数值，控制电磁阀的启闭，控制石墨粉的投加量，失重称测量精度高。

请参阅图4所示，所述氧化装置3顶部设有石墨粉进料口31、氧化剂添加口32和废气排出口33，底部设有氧化石墨排出口35，所述石墨粉进料口31和所述储料箱出料口211连接，所述废气排出口33和所述废气处理装置连接，所述氧化装置3还包括氧化装置内壳36、氧化装置外壳37和温度感应器310，所述氧化装置内壳36内设有第一搅拌装置34，所述氧化装置内壳36和所述氧化装置外壳37之间设有冷却装置38和第一加热装置39，所述温度感应器310用于测量反应物的温度，所述氧化装置内壳36内壁涂有耐腐蚀涂层，所述氧化装置外壳37用于保温隔热，所述温度感应器310、所述冷却装置38和所述第一加热装置39与所述PLC控制系统连接。具体的，氧化过程会产生刺激性气体，废气通过所述废气排出口33和所述废气处理装置收集处理，减少污染。所述冷却装置38、所述第一加热装置39和所述温度感应器310，对所述氧化装置3内的温度进行调控，使氧化反应处于最佳的反应温度。氧化剂具备一定的腐蚀性，所述氧化装置内壳36内壁涂有耐腐蚀涂层，增加装置的稳定性。所述氧化装置外壳37使用保温隔热材料，减少所述氧化装置3与外界的热量传递，也防止工人被烫伤。所述氧化装置内壳36和所述氧化装置外壳37之间存在空腔，可以其增加保温效果。所述第一搅拌装置34对反应物进行搅拌，提高氧化反应的效率。

所述氧化装置3的产物纯化后，进入所述剪切机4，所述剪切机4位于所述超声波装置5的上方，所述剪切机4通过管道和所述超声波装置5连通，管道上设有电磁阀。管道上的电磁阀处于关闭状态，向所述剪切机4内加入氧化石墨混合液，启动所述剪切机4对氧化石墨混合液进行分散。分散完成后，打开管道上的电磁阀，使分散液进入所述超声波装置5，随后关闭管道上的电磁阀。所述超声波装置5将氧化石墨分散液，加工成氧化石墨烯分散液。

请参阅图5所示，所述还原装置6顶部设有氧化石墨烯进料口61和还原剂添加口62，底部设有石墨烯排出口63，所述还原装置6还包括第二搅拌装置64和第二加热装置65，所述还原装置6的产物纯化后，进入所述干燥装置7。具体的，还原反应一般不产生废气，根据还原剂的不同，可以增加废气排出口。所述第二搅拌装置64和所述第二加热装置65，用于增加装置的还原效率。石墨烯混合液经过滤、水洗等操作后，送入所述干燥装置7内进行干燥，即得石墨烯产品。

优选地，所述转轴13数量为两个，由电机驱动沿相反方向转动，所述转轴13上装有3组所述刀片14，粉碎效果好，且成本低。

所述粉碎装置1还包括毛刷19，所述毛刷19顶端固定在所述导向板16上，底端和所述对辊机辊筒17接触，所述毛刷19位于所述对辊机辊筒17轴心的正上方。所述毛刷19可以将所述对辊机辊筒17上粘附的石墨粉扫落，防止石墨粉堆积对所述对辊机辊筒17造成损伤。此外，所述对辊机辊筒17对石墨颗粒进行挤压粉碎时，颗粒受挤压可能会四处飞溅，所述毛刷19和所述粉碎装置1的内壁对飞溅的颗粒形成阻挡，使其落回所述对辊机辊筒17上方，继续粉碎，这样可以保证石墨的粉碎质量，避免一些颗粒未经所述对辊机辊筒17粉碎，就落入所述粉碎装置1的下方的储存空间内。

所述粉碎装置1的侧壁上设有清理窗110，所述清理窗110用于更换所述毛刷19和对所述对辊机辊筒17等装置进行清理和维修。

优选地，所述还原装置6还包括涂有耐腐蚀层的还原装置内壳66和用于保温隔热的还原装置外壳67。所述一种用于石墨烯生产的装置还包括废液处理装置和离心分离装置，所述废液处理装置对所述氧化装置3和所述还原装置6的废液进行收集处理，所述离心分离装置对所述氧化装置3和所述还原装置6的产物进行纯化。

所述还原剂添加口62用于添加茶多酚和金属的混合物，使用茶多酚和金属的混合物作为还原剂，绿色无毒、价格低廉、还原性好，并能显著改善所制备石墨烯的导电性能。

所述干燥装置7为真空干燥器，根据需要进行干燥器的选择，也可以是冷冻干燥器。需要进一步说明的是，采用其它部件从而达到上述效果的，理应都属于本实用新型的发明构思之内，且理应属于本实用新型的保护范围内。

工作原理：将石墨块加入所述粉碎装置1进行粉碎，制成石墨粉，将石墨粉放入所述失重称料箱2内(人工或传送带等运输装置)。所述失重称料箱2将石墨粉定量投加入所述氧化装置3内，根据石墨粉的添加量，向所述氧化装置3内加入一定量的氧化剂，搅拌并控制温度，进行氧化反应，将石墨粉氧化成氧化石墨，分离纯化后送入所述剪切机4。所述剪切机4对氧化石墨混合液进行预分散，分散液送入所述超声波装置5，所述超声波装置5将氧化石墨制成氧化石墨烯。将氧化石墨烯加入所述还原装置6内，并添加还原剂，发生还原反应，将氧化石墨烯还原成石墨烯，分离纯化后，将石墨烯送入所述干燥装置7内进行干燥。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：包括粉碎装置(1)、失重称料箱(2)、氧化装置(3)、剪切机(4)、超声波装置(5)、还原装置(6)、干燥装置(7)、粉尘处理装置、废气处理装置和PLC控制系统；

所述粉碎装置(1)顶部设有粉碎装置进料口(11)和粉尘排出口(12)，底部设有粉碎装置出料口(18)，所述粉尘排出口(12)和所述粉尘处理装置连通，所述粉碎装置出料口(18)与所述失重称料箱(2)连接，所述粉碎装置(1)内部从上到下依次设有转轴(13)、振动筛网(15)、导向板(16)和对辊机辊筒(17)，所述转轴(13)数量不少于两个，由电机驱动转动，所述转轴(13)沿其竖直方向上装有交错设置的刀片(14)，所述导向板(16)将物料导向所述对辊机辊筒(17)的挤压中心；

所述失重称料箱(2)包括储料箱(21)、失重称(22)和支架(23)，所述储料箱(21)固定在所述失重称(22)上，所述失重称(22)固定在所述支架(23)上，所述储料箱(21)底部设有储料箱出料口(211)，所述储料箱出料口(211)处设有电磁阀，所述储料箱(21)位于所述氧化装置(3)的上方，所述失重称(22)和电磁阀与所述PLC控制系统连接；

所述氧化装置(3)顶部设有石墨粉进料口(31)、氧化剂添加口(32)和废气排出口(33)，底部设有氧化石墨排出口(35)，所述石墨粉进料口(31)和所述储料箱出料口(211)连接，所述废气排出口(33)和所述废气处理装置连接，所述氧化装置(3)还包括氧化装置内壳(36)、氧化装置外壳(37)和温度感应器(310)，所述氧化装置内壳(36)内设有第一搅拌装置(34)，所述氧化装置内壳(36)和所述氧化装置外壳(37)之间设有冷却装置(38)和第一加热装置(39)，所述温度感应器(310)用于测量反应物的温度，所述氧化装置内壳(36)内壁涂有耐腐蚀涂层，所述氧化装置外壳(37)用于保温隔热，所述温度感应器(310)、所述冷却装置(38)和所述第一加热装置(39)与所述PLC控制系统连接；

所述氧化装置(3)的产物纯化后，进入所述剪切机(4)，所述剪切机(4)位于所述超声波装置(5)的上方，所述剪切机(4)通过管道和所述超声波装置(5)连通，管道上设有电磁阀；

所述还原装置(6)顶部设有氧化石墨烯进料口(61)和还原剂添加口(62)，底部设有石墨烯排出口(63)，所述还原装置(6)还包括第二搅拌装置(64)和第二加热装置(65)，所述还原装置(6)的产物纯化后，进入所述干燥装置(7)，干燥后得到石墨烯产品。

2.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述转轴(13)数量为两个，由电机驱动沿相反方向转动。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述转轴(13)上装有3组所述刀片(14)。

4.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述粉碎装置(1)还包括毛刷(19)，所述毛刷(19)顶端固定在所述导向板(16)上，底端和所述对辊机辊筒(17)接触，所述毛刷(19)位于所述对辊机辊筒(17)轴心的正上方。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述粉碎装置(1)的侧壁上设有清理窗(110)。

6.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述还原装置(6)还包括涂有耐腐蚀层的还原装置内壳(66)和用于保温隔热的还原装置外壳(67)。

7.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述一种用于石墨烯生产的装置还包括废液处理装置，所述废液处理装置对所述氧化装置(3)和所述还原装置(6)的废液进行收集处理。

8.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述一种用于石墨烯生产的装置还包括离心分离装置，所述离心分离装置对所述氧化装置(3)和所述还原装置(6)的产物进行纯化。

9.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述还原剂添加口(62)用于添加茶多酚和金属的混合物。

10.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯生产的装置，其特征在于：所述干燥装置(7)为真空干燥器。

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