用于制备石墨烯的装置的制作方法

本实用新型属于石墨烯制备技术领域，特别涉及一种用于制备石墨烯的装置。

背景技术：

2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈•K•海姆(Andre K.Geim) 等采用机械剥离法首次制备得到石墨烯(Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研究的序幕。所谓石墨烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热性能优良、热膨胀系数低等突出优点。具体而言，其优势至少包括：高的比表面积(理论计算值：2630m²/g)；高导电性、载流子传输率 (200000cm²/V•s)；高热导率 (5000W/mK)；高强度，高杨氏模量(1100GPa)，断裂强度 (125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极大的运用前景。

现有的制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、超高真空石墨烯外延生长法、氧化-还原法、化学气相沉积法(CVD)、溶剂剥离法、电解法和溶剂热法。在这一系列方法中，氧化-还原法是目前最大批量制备石墨烯的方法中运用最广泛的方法。

然而，采用氧化还原法制备石墨烯时，在还原阶段，为了充分的剥离氧化石墨烯片层、并将片层上的含氧官能团去除，往往在反应过程中，需要施加高温、高真空的气氛，高温高真空时，需要的设备结构较为复杂，而且成本较高，同时反应过程中的生产成本也相对较高，从而使得该方法制备石墨烯的成本较高，限制了石墨烯更广泛的使用。

有鉴于此，确有必要开发一种新的用于制备石墨烯的装置，该装置结构简单，制造成本低，而且能够得到性能优良的石墨烯。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种新的用于制备石墨烯的装置，该装置结构简单，制造成本低，而且能够得到性能优良的石墨烯。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

用于制备石墨烯的装置，包括支架、炉体和设置于所述炉体内的炉管，所述炉体设置于所述支架上，所述炉管至少包括第一管道和第二管道，所述第一管道的等效管半径小于所述第二管道的等效管半径，所述第一管道内设置有阀门，所述第一管道的外壁与所述炉体之间设置有第一加热组件，所述第二管道的外壁与所述炉体设置有第二加热组件，并且所述第二管道内的温度大于所述第一管道内的温度。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述阀门连接有阀门开关，并且所述阀门开关伸出于所述炉体之外。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一管道位于所述第二管道的上方。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第二管道的靠近所述支架的一侧设置有密封件。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一加热组件和所述第二加热组件均设置为加热丝。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一管道通过第一连接管连接有压缩机，并且所述第一连接管上设置有第一开关。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第二管道通过第二连接管连接有真空泵，所述第二连接管上设置有第二开关。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一管道通过第一连接管连接有压缩机，并且所述第一连接管上设置有第一开关；所述第二管道通过第二连接管连接有真空泵，所述第二连接管上设置有第二开关。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一加热组件和所述第二加热组件均与温控箱连接。

作为本实用新型用于制备石墨烯的装置的一种改进，所述第一管道和所述第二管道均连接有惰性气体。

使用时，将氧化石墨从第一管道的远离第二管道的一端加入第一管道内，加热，使得氧化石墨升温，然后打开阀门，使得氧化石墨进入第二管道；由于第二管道的等效管半径大于第一管道的等效管半径，即炉管的直径瞬间变大，且第二管道内的温度大于第一管道内的温度，使得氧化石墨在进入第二管道瞬间形成负压，且氧化石墨在第二管道中充分流动，与管壁充分接触，受热充分，膨化完全，得到性能优良的石墨烯粉体。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

首先，通过管道结构设计，让氧化石墨在管道内流动的过程中自动产生负压环境，节省额外增加负压的成本，从而降低制备石墨烯的成本；其依据的原理为：

1）、理想气体的状态方程：pVm=RT，式中质量m、体积V、压力p、温度T；

2）、伯努利原理：p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2，式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量h2；

3）、连续性方程：AρU=常数，式中横截面积A，流速为U，密度ρ；

由以上三个公式，可以得到，当流体在管道里流动时，如果管径突然变大，流体内部压强将突然降低；此时在大管径内的流体与小管径内的流体将产生压力差，即形成负压。

其次，优化的管道设计(管径突然变大)，可以让氧化石墨在流动过程中运动更充分，均匀受热，解理的瞬间氧化石墨的状态一致性更好，因此制得的石墨烯产品性能一致性更佳；

最后，在管径突然增大的地方，温度同时升高，使得类氧化石墨瞬间达到负压及解理温度的双重作用效果下，最大程度的发生解理，制备得到石墨片层数更少的石墨烯产品。

由此可见，本实用新型构思巧妙，结构简单，制造成本低，而且能够得到性能优良的石墨烯。

附图说明

图1为本实用新型的正视结构示意图。

图2为本实用新型的侧视结构示意图。

图3为本实用新型中实施例1中提供的炉管的结构示意图。

图4为本实用新型中实施例2中提供的炉管的结构示意图。

图5为本实用新型中实施例3中提供的炉管的结构示意图。

图6为本实用新型中实施例4中提供的炉管的结构示意图。

图7为本实用新型中实施例5中提供的炉管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型及其有益效果进行详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1和图2所示，本实用新型提供的一种用于制备石墨烯的装置，包括支架1、炉体2和设置于炉体2内的炉管3，炉体2设置于支架1上，支架1用于支撑炉体2和位于炉体2内的炉管3，其中，炉管3的结构如图3所示，炉管3至少包括第一管道31和第二管道32，第一管道31的等效管半径小于第二管道32的等效管半径，第一管道31内设置有阀门33，第一管道31的外壁与炉体2之间设置有第一加热组件4，第二管道31的外壁与炉体2设置有第二加热组件5，并且第二管道32内的温度大于第一管道31内的温度。所谓等效管半径，即将管道等效为圆柱体时，其半径的大小，即在管径突然增大的地方，温度同时升高，这样就可以使得类氧化石墨瞬间达到负压及解理温度的双重作用效果下，最大程度的发生解理，制备得到石墨片层数更少的石墨烯产品。

其中第二管道32包括过渡段321和竖直段322，过渡段321连接于竖直段322和第一管道31之间，其中，过渡段321呈倾斜状。

阀门33连接有阀门开关34，并且阀门开关34伸出于炉体2之外。通过控制阀门开关34，可以控制阀门33的开与闭，从而控制位于第一管道31内的物料的动态。

第一管道31位于第二管道32的上方，物料从第一管道31加入，打开阀门33后，物料再从第一管道31加入第二管道32内。

第二管道32的靠近支架1的一侧设置有密封件6，以防止物料泄漏，并为保证其内的真空度提供条件。

第一加热组件4和第二加热组件5均设置为加热丝，通过加热丝加热第一管道31和第二管道32，为其内的物料提供温度。

第一加热组件4和第二加热组件5均与温控箱7连接，通过温控箱7的控制，可以实现对第一加热组件4和第二加热组件5的控制，以实现第一管道31和第二管道32内的不同温度，从而使得本实用新型可以满足不同的温度需求。

第一管道31和第二管道32均连接有惰性气体，从而为第一管道31和第二管道32提供惰性气体氛围。

使用时，将氧化石墨从第一管道31的远离第二管道32的一端加入第一管道31内，加热，使得氧化石墨升温，然后打开阀门33，使得氧化石墨进入第二管道32；由于第二管道32的等效管半径大于第一管道31的等效管半径，即炉管3的直径瞬间变大，且第二管道32内的温度大于第一管道31内的温度，使得氧化石墨在进入第二管道32瞬间形成负压，且氧化石墨在第二管道32中充分流动，与管壁充分接触，受热充分，膨化完全，得到性能优良的石墨烯粉体。

实施例2

与实施例1不同的是，如图4所示，本实施例提供的炉管3的第一管道31通过第一连接管8连接有压缩机9，并且第一连接管上设置有第一开关10，打开第一开关10，开启压缩机9，可以对第一管道31加压，使得物料在第一管道31和第二管道32内达到一定的流动速度，进一步改善所制备的石墨烯的性能。此时，第一管道31的远离第二管道32的一端也可以设置密封件。

实施例3

与实施例1不同的是，如图5所示，第二管道32通过第二连接管11连接有真空泵12，第二连接管11上设置有第二开关13，打开第二开关13，开启真空泵12，可以对第二管道32施加负压，使得物料在第一管道31和第二管道32内达到一定的流动速度，进一步改善所制备的石墨烯的性能。

实施例4

与实施例1不同的是，如图6所示，第一管道31通过第一连接管8连接有压缩机9，并且第一连接管8上设置有第一开关10；第二管道32通过第二连接管11连接有真空泵12，第二连接管11上设置有第二开关13，打开第一开关10，开启压缩机9，可以对第一管道31加压，同时打开第二开关13，开启真空泵12，可以对第二管道32施加负压，使得物料在第一管道31和第二管道32内达到一定的流动速度，进一步改善所制备的石墨烯的性能。此时，第一管道31的远离第二管道32的一端也可以设置密封件。

实施例5

与实施例1不同的是，如图7所示，进料漏斗11通过阀门12与第一管道31连接；第一管道31通过第一连接管15连接有真空泵13，并且第一连接管15上设置有第一开关14；第二管道32通过第二连接管41与真空腔体43连接，第二连接管41上设置有第二开关42；置于真空腔体43内的物料收集袋44与第二连接管41连接，用于收集产品；真空腔体43通过第三连接管47与真空泵45连接，第三连接管上设置有第三开关46。物料通过进料漏斗11进入第一管道31，之后关闭阀门12，打开真空泵13，抽真空，之后向第一管道中通入保护气体；打开阀门33，使得物料进入第二管道32，关闭阀门33；在第二管道32中反应完后，打开真空泵45，到一定真空度后，再打开开关42，在真空作用下，物料被吸入物料收集袋44中，卸掉真空，取出物料袋中物料。

采用本实用新型的方法制备得到的石墨烯粉体的比表面积一致性非常好，而且该方法十分简单，易于操作，可以大大降低石墨烯的生产成本，便于促进石墨烯的大规模的、更广泛的应用。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。