石墨烯混合剥离系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种石墨烯混合剥离系统及方法，该系统包括预分散系统、换热系统、加热及冷却系统、输送系统、传动系统及控制系统，还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；所述预分散系统包括分散桶及搅拌分散装置，所述输送系统包括与分散桶连接的隔膜泵，换热系统包括连接于隔膜泵与分散桶之间及连接于隔膜泵与所述超声波分散系统之间的换热器，隔膜泵与分散桶之间的连接管道上安装有第一三通阀及第二三通阀，隔膜泵与第一换热器及第二换热器之间通过第三三通阀连接；所述粉碎均质系统包括粉碎均质工作头，粉碎均质工作头通过管道连接所述第一三通阀及第二三通阀，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头下端的剥离均质工作头。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯的生产设备领域，特别涉及石墨烯的混合剥离设备。
技术介绍
目前，石墨烯具有独特的结构和优异的性能，是人类已知的强度最高的物质。石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。该材料具有许多新奇的物理特性，它是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体。此外，还可用石墨烯制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等。近年来在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣，并且在石墨烯的制备上已取得了不少的进展。石墨烯的现有的制备方法和缺陷:一、氧化还原法，这种方法环保、高效、成本低，广泛应用与工业化生产，其缺陷在于氧化剂会严重破坏石墨烯的电子结构以及晶体的完整性，影响电子性质，因而在一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。二、液相直接剥离法，因以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，制备过程不涉及化学变化石墨烯具有成本低、操作简单、产品质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷。三、电化学剥离法，该法最早以苯环或其它芳香体系为核，通过多步偶联反应使苯环或大芳香环上6个C均被取代，循环往复，使芳香体系变大，得到一定尺寸的平面结构的石墨烯，可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求，但现阶段因其较高的成本、复杂的工艺以及精确的控制加工条件制约了这种方法制备石墨烯的发展，有待进一步研究。四、生物质催化，首先在1150°C下让C原子渗入钌中，然后冷却至850°C，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯，但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。综上所述，石墨烯的各种制备方法均含有较大的局限性，如结构缺陷多、导电性能差、产能低、难以规模化生产、成本高、品质低等。
技术实现思路
本申请人针对现有技术的上述缺点，进行研究和设计，提供一种石墨烯混合剥离系统，其采用宏观分散混合/微观粉碎均质及微观剥离均质三个阶段，实现对石墨烯的充分粉碎、分散、剥离、均质，显著提高石墨烯的生产效率及质量。为了解决上述问题，本专利技术采用如下方案:—种石墨烯混合剥离系统，包括预分散系统、换热系统、加热及冷却系统、输送系统、传动系统及控制系统，还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统;所述预分散系统包括分散桶及搅拌分散装置，所述输送系统包括与分散桶连接的隔膜栗，所述换热系统包括连接于隔膜栗与分散桶之间的第一换热器及连接于隔膜栗与所述超声波分散系统之间的第二换热器，所述隔膜栗与分散桶之间的连接管道上安装有第一三通阀及第二三通阀，隔膜栗与第一换热器及第二换热器之间通过第三三通阀连接;所述粉碎均质系统包括与传动系统连接的粉碎均质工作头，粉碎均质工作头的一侧通过管道连接所述第一三通阀及第二三通阀，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头下端的剥离均质工作头，所述超声波分散系统包括连接于第二换热器与剥离均质工作头之间的超声波分散管。作为上述技术方案的进一步改进:所述搅拌分散装置包括由气动马达驱动的搅拌杆及安装于搅拌杆端部的分散盘，所述搅拌杆倾斜置于所述分散桶中。所述分散盘包括盘体及安装于盘体周面的搅拌片，相邻的搅拌片相对盘体的朝向相反。所述粉碎均质工作头包括安装于均质桶内的筛网、定子及转子，转子包括中心的驱动轴及以驱动轴为中心向外间隔布置的切割圈，驱动轴的周壁设有切割刀片;所述定子包括内外间隔布置的分割圈，转子的切割圈相间置于相邻的分割圈中。内外的切割圈上沿着其圆周间隔设置有第一分割槽，所述第一分割槽相对切割圈的径向带有偏角(Cl);内外的分割圈上沿着其圆周间隔设置有第二分割槽，第二分割槽沿着分割圈的径向设置。所述剥离均质工作头(包括安装于栗体中的转杯，转杯包括中心的转轴及通过支撑板连接于转轴外围的转筒，所述转筒的侧壁均布有通孔。—种利用所述石墨烯混合剥离系统的石墨烯混合剥离方法，包括以下步骤:第一步，在分散桶中加入溶剂，启动预分散系统的驱动电机、隔膜栗，打开第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜栗、分散桶及第一换热器连通，形成分散桶-隔膜栗_第一换热器-分散桶的闭合宏观分散混合循环系统，加热及冷却系统对第一换热器加热；第二步，启动粉碎均质工作头的驱动电机，调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜栗与粉碎均质工作头及第一换热器连通、粉碎均质工作头与分散桶连通，形成分散桶-粉碎均质工作头-隔膜栗-第一换热器-分散桶的闭合微观粉碎均质循环系统，加热及冷却系统对第一换热器加热；第三步，调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，使隔膜栗与粉碎均质工作头及第二换热器连通、分散桶与粉碎均质工作头连通，形成分散桶-粉碎均质工作头-隔膜栗-第二换热器-超声波分散管-剥离均质工作头的微观剥离均质系统，加热及冷却系统对第二换热器进行冷却，冷却后的石墨烯进入超声波分散管进行超声波分散，经超声波分散管分散后的石墨烯进入剥离均质工作头，完成剥离均质后的石墨烯从与剥离均质工作头连接的输出管输出；第四步，石墨烯的分散作业完成后，向分散桶中注入清洗液，调节调节第一三通阀、第二三通阀及第三通阀，启动气动马达及传动系统，对管道中的残留物进行清理，清理后的污水从输出管排出。作为上述技术方案的进一步改进:所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统的工作时间范围为:25-35分钟;所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统的工作时间范围为:5-25分钟;所述第三步中微观剥离均质系统的工作时间范围为:2-5分钟。所述第一步中闭合宏观分散混合循环系统的工作时间为30分钟;所述第二步中闭合微观粉碎均质循环系统的工作时间为10分钟;所述第三步中微观剥离均质系统的工作时间为3分钟。本专利技术的技术效果在于:本专利技术使用时，对石墨烯的混合分为三个阶段。本专利技术通过宏观分散混合阶段、微观粉碎均质阶段及微观剥离均质阶段，宏观搅拌分散后，在超细粉碎工作部件中的强烈的机械剪切力的作用下，将溶液中的石墨烯粉团等团聚体进一步粉碎并打散，得到足够细小的粉体颗粒，并均匀分布于溶液中，从而达到细化与均质的作用，可显著提高浆料混料效率;在超细粉碎工作部件中，转子刀片高速运转形成的薄膜状结构，在高强度的液力剪切力作用下，能够将溶液中的石墨烯微粉及团聚体进一步打散并剥离，充分将石墨烯进行片状剥离，并均匀分布于溶液中。采用本专利技术进行石墨烯混合分散，其优点有:1、分散过程全部在密闭环境中完成，无粉尘产生，改善工作环境；2、超高速剪切分散原理，实现微观超细分散；3、相比传统工艺，可缩短工作时间，提高生产效率；4、将粉碎、分散、剥离、均质有机的组合在一起，多种分散形式相结合，取长补短，提尚分散的效果；5、多循环的管道设计，可根据分散出的效果，选择粉碎均质的次数以及整个流程的次数；6、管道中分布两个换热管，可根据需要对分散中的浆液进行冷却或者加热；7、配冷热水交换机，随时提供冷却水和加热水；<当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯混合剥离系统，包括预分散系统(1)、换热系统、加热及冷却系统(11)、输送系统、传动系统(12)及控制系统，其特征在于：还包括粉碎均质系统、剥离均质系统及超声波分散系统；所述预分散系统(1)包括分散桶(100)及搅拌分散装置(101)，所述输送系统包括与分散桶(100)连接的隔膜泵(8)，所述换热系统包括连接于隔膜泵(8)与分散桶(100)之间的第一换热器(2)及连接于隔膜泵(8)与所述超声波分散系统之间的第二换热器(9)，所述隔膜泵(8)与分散桶(100)之间的连接管道上安装有第一三通阀(3)及第二三通阀(4)，隔膜泵(8)与第一换热器(2)及第二换热器(9)之间通过第三三通阀(5)连接；所述粉碎均质系统包括与传动系统(12)连接的粉碎均质工作头(6)，粉碎均质工作头(6)的一侧通过管道连接所述第一三通阀(3)及第二三通阀(4)，所述剥离均质系统包括安装于粉碎均质工作头(6)下端的剥离均质工作头(7)，所述超声波分散系统包括连接于第二换热器(9)与剥离均质工作头(7)之间的超声波分散管(10)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，顾京，曹旺萍，封万春，仲秋明，
申请(专利权)人：无锡职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32