[發(fā)明專利]一種渦流式石墨烯剝離裝置、石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)及生產(chǎn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410567246.7
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104477882A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戴加龍
• 申請（專利權(quán)）人: 江陰碳谷科技有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 江陰大田知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32247
• 代理人: 楊新勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于將渦流式石墨烯剝離裝置及石墨烯生產(chǎn)系統(tǒng)，還涉及一種石墨烯的生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種片狀二維材料，其中的碳原子以sp²雜化軌道組成六角蜂巢晶格結(jié)構(gòu)。這種特殊的二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致石墨烯呈現(xiàn)出各種特殊的性能，如高強度、高硬度、高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性；由于這些結(jié)構(gòu)特點和性能特點，石墨烯被譽為用來制造保護涂層、透明可彎折電子元件、超大容量電容器等最有希望的潛在材料。需要補充的是，嚴(yán)格意義上說，石墨烯是一種單層的片狀；不過由于單層石墨烯的制備難度，一般也把具有相近性能的寡層石墨烯也歸類于石墨烯的范疇內(nèi)。

目前，石墨烯制備的方法主要有：化學(xué)生長法和物理剝離法。相比于效率低、不適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)的化學(xué)生長法，物理剝離法主要是采用低廉的石墨為原料，通過對石墨晶體施加機械力使石墨層間發(fā)生剝離，打破石墨層間的范德華力，形成單片石墨烯或寡層石墨烯，這種物理剝離方法更具有工業(yè)化前景和適合規(guī)模化生產(chǎn)。

為了使石墨層間發(fā)生剝離，物理剝離法中常用的剝離手段有常規(guī)研磨、球磨、攪拌球磨等。

其中，常規(guī)研磨是指將石墨在臼式研磨儀中研磨，其缺點是：首先，剪切力來源壓力造成的摩擦力，而壓力過大會導(dǎo)致電機難以帶動杵體轉(zhuǎn)動，限制了剪切力，壓力過小難以剪切剝離；其次，剪切效率低，增加受壓粉體量反而會導(dǎo)致部分粉體剪切力不足；再次，杵體對石墨施加壓力不均，容易產(chǎn)生過磨，杵體對石墨施加壓力會使石墨烯產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，甚至?xí)箘冸x后石墨烯粉碎，使得制得的產(chǎn)品邊緣多有“毛刺”，且晶體尺寸小。

球磨是指在球磨機中借助磨球?qū)κ垠w研磨，這種方法克服了常規(guī)粉體研磨受壓不均、局部施加壓力大的缺點，但是在球磨過程中磨球會對粉體提供沖擊和剪切兩種類型的作用力，磨球不僅貼著球磨罐的內(nèi)壁對石墨施加剪切作用，而且磨球會來回撞擊球磨罐的內(nèi)壁，對剝離的石墨烯產(chǎn)生巨大的沖擊力；如常規(guī)研磨方式中的壓力一樣，來自于磨球的這種沖擊力也會使石墨烯產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使得制得的產(chǎn)品邊緣多有“毛刺”，且晶體尺寸小。

攪拌球墨是一種攪拌與球墨相結(jié)合的機械磨方式，攪拌器在腔體內(nèi)帶動磨球碰撞摩擦，對粉體進行研磨；其磨球的沖擊作用較球磨方式溫和，但是由于磨球的存在，還是不免對剝離的石墨烯產(chǎn)生沖擊力，使石墨烯產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使得制得的產(chǎn)品邊緣多有“毛刺”，且晶體尺寸小。

除了上述純物理剝離法之外，還有一些通過攪拌石墨粉末分散液并用外在媒介輔助剝離得到石墨烯的方法；這些外在媒介譬如有公開號為CN102765717A的中國專利中公開的通過超臨界在瞬間釋放的壓力使石墨層間發(fā)生膨脹、以及公開號為CN103910354A的中國專利中公開的超聲波作用等等。但是超臨界和超聲波產(chǎn)生的沖擊力雖為石墨的層間剝離提供驅(qū)動力，但沖擊力的無定向性也會使石墨烯產(chǎn)生爆破，從而降低制得的石墨烯尺寸。

由此可見，現(xiàn)有的物理剝離方法的普遍缺點是得到的石墨烯通常尺寸都比較小，并且可控性差。這將極大地阻礙石墨烯在實際器件中的應(yīng)用。

在研究過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有石墨烯剝離裝置剝離得到的石墨烯尺寸小的主要原因在于石墨是在未定向的方向被剪切，其中在石墨層以非平行于所述剪切面的方式被剪切時，導(dǎo)致的結(jié)果傾向于石墨不是被剪切而剝離出石墨烯，而是石墨或石墨烯被粉碎成更小的尺寸。從這一點出發(fā)，發(fā)明人進行石墨烯剝離裝置和生產(chǎn)系統(tǒng)精心的設(shè)計，并研究了石墨烯的生產(chǎn)工藝。

發(fā)明內(nèi)容

針對石墨烯物理剝離方法得到的石墨烯尺寸小、邊緣多有“毛刺”、結(jié)構(gòu)缺陷多、且方法難以工業(yè)化的缺點，本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種適合工業(yè)化生產(chǎn)的、可以在不破壞石墨片層自然結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得到大面積無缺陷石墨烯的剝離裝置。

本發(fā)明的第二個目的還在于，提供一種適合工業(yè)化生產(chǎn)高品質(zhì)石墨烯的生產(chǎn)系統(tǒng)。

本發(fā)明的第三目的還在于，提供一種可工業(yè)化生產(chǎn)高品質(zhì)石墨烯的方法。

為實現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種渦流式石墨烯剝離裝置，其包括設(shè)有加熱夾套的外筒，外筒設(shè)有用于檢測外筒內(nèi)壓力的壓力表和用于檢測外筒內(nèi)溫度的測溫裝置，外筒的頂部設(shè)有進料口，外筒的中下部設(shè)有出料口；外筒內(nèi)套設(shè)有錐角朝下的圓臺形內(nèi)筒，內(nèi)筒的上下端敞開，通過鏤空支架懸空固定于外筒內(nèi)；內(nèi)筒的內(nèi)壁面上緊密排布有用于剝離石墨片的剪切刀片，相鄰剪切刀片之間形成溝槽；內(nèi)筒下端到外筒下端之間設(shè)置渦輪，渦輪由設(shè)置于外筒外部的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，且渦輪葉片垂直朝向內(nèi)筒的下端開口。