[發明專利]石墨烯剝離裝置、石墨烯生產系統及生產石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201410567247.1
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104445158A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 戴加龍
• 申請（專利權）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: 江陰大田知識產權代理事務所(普通合伙) 32247
• 代理人: 楊新勇

技術領域

本發明涉及石墨烯生產技術領域，具體涉及一種用于將石墨剝離為石墨烯的剝離裝置及石墨烯生產系統，還涉及一種生產石墨烯的方法。

背景技術

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構。這種特殊的二維結構導致石墨烯呈現出各種特殊的性能，如高強度、高硬度、高導熱性和導電性；由于這些結構特點和性能特點，石墨烯被譽為用來制造保護涂層、透明可彎折電子元件、超大容量電容器等的最有希望的潛在材料。需要補充的是，嚴格意義上說，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。

目前，石墨烯制備的方法主要有：化學生長法和物理剝離法。相比于效率低、不適合于工業化批量生產的化學生長法，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化前景和適合規模化生產。

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

其中，球磨是指在球磨機中借助磨球對石墨粉體研磨，這種方法克服了常規粉體研磨受壓不均、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壁對石墨施加剪切作用，而且磨球會來回撞擊球磨罐的內壁，對剝離的石墨烯產生巨大的沖擊力；來自于磨球的這種沖擊力也會使石墨烯產生結構缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使得制得的產品邊緣多有“毛刺”，且晶體尺寸小。

攪拌球墨是一種攪拌與球墨相結合的機械磨方式，攪拌器在腔體內帶動磨球碰撞摩擦，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生沖擊力，使石墨烯產生結構缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使得制得的產品邊緣產生“毛刺”，且降低晶體尺寸。

常規的研磨剝離方法主要是指將石墨在臼式研磨儀中研磨。相比于前兩種物理剝離方法，研磨石墨時所需的溶劑添加量少，因此在效率上通過研磨得到石墨烯要優于球磨和攪拌球磨的石墨烯剝離方式。但其存在的缺點是：首先，由于剪切力來源于壓力造成的摩擦力；杵體對石墨施加的壓力會使石墨烯產生結構缺陷，甚至會使剝離后石墨烯粉碎，使得制得的產品邊緣多有“毛刺”，且晶體尺寸小。其次，由于臼體和杵體的結構，通過杵體對石墨產生剪切，容易造成杵體對石墨施加壓力不均，進而容易產生過磨，影響石墨烯的品質。再次，由于剪切力來源于壓力造成的摩擦力，那么施加壓力過大會導致電機難以帶動杵體轉動，限制了剪切力，降低剪切效率，針對剪切效率低的缺點，即使增加受壓粉體量以期提高剪切效率，但最終結果卻反而會導致部分粉體剪切力不足；壓力過小的話，則摩擦力小，難以剪切剝離，剪切效果不好；因此設備的工藝參數難以調試到最佳工作狀態，因此工業化上難以應用。

因此，有必要開發一種可工業化使用生產剝離石墨烯、得到大晶體尺寸、少邊緣毛刺的石墨烯生產設備。

發明內容

針對現有的石墨烯機械剝離設備得到的石墨烯尺寸小、邊緣多有“毛刺”、結構缺陷多、且方法難以工業化的缺點，本發明的目的在于設計一種適合工業化生產的、可以在不破壞石墨片層自然結構的基礎上得到大面積無缺陷石墨烯的剝離裝置。

本發明的另一個目的還在于，提供一種適合工業化生產高品質石墨烯的生產線。

本發明的又一個目的還在于，提供一種工業化生產石墨烯的方法。

為實現上述第一目的，本發明通過以下技術方案來實現的：一種石墨烯剝離裝置，包括原料分散罐、高壓噴射機構以及研磨機構；其中，原料分散罐為內設有攪拌器和帶有投料口及送料口的罐體；高壓噴射機構包括噴射槍和高壓輸送泵，原料分散罐的送料口經高壓輸送泵與噴射槍的進口相連；研磨機構包括機殼、位于機殼內的鋪展輥和研磨輥、以及機殼外用于驅動鋪展輥和研磨輥做反向旋轉的驅動機構，機殼上部設有進料口、中下部設有出料口，機殼的進料口和研磨輥沿鋪展輥的旋轉方向依次布置在鋪展輥的上半部周圍，各鋪展輥與研磨輥之間設有可供石墨烯穿過的間隙，且鋪展輥為光滑表面，研磨輥表面分布有硬質毛刷或剪切刀片；噴射槍出口與機殼的進料口相連，且噴射槍沿鋪展輥的切線方向延伸。