一种持压连续、微波膨化制备石墨烯的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及石墨締的制备方法，属于新材料领域。
【背景技术】
[0002] 石墨締（Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳 原子W sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材 料。通常情况下5层W内均可称为石墨締。石墨締是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料， 它几乎是完全透明的，只吸收2. 3 %的光；导热系数高达5300W/m ? K，高于碳纳米管和金 刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V ? S，又比纳米碳管或娃晶体高，而电阻率只约 10-6Q 'em,比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨締是迄今为止世界上强度最大 的材料，据测算如果用石墨締制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约10 万纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。
[0003] 石墨締的应用范围广阔。根据石墨締超薄，强度超大的特性，石墨締可被广泛应用 于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子 领域也具有巨大的应用潜力。石墨締有可能会成为娃的替代品，制造超微型晶体管，用来生 产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可W使未来的计算机获得更高的速度。另 夕阳墨締材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、裡离子电池方面，由于 其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
[0004] 目前生产石墨締的设备均无法实现W连续生产成为工业化规模，采取的方式仍是 间歇批次式的生产模式。
[0005] 其中氧化还原法来制备石墨締是主流，运用此方法首先必须制得氧化石墨后，在 高温下急速加温，使其膨化，获得最佳膨胀体积。同时在XRD分析下其片导C轴间距扩大至 5-7Ao,奠定超音波剥离的基础。上述的高温高达900°C，一般皆用马弗炉来制备，由电源加 温，预热至预期温度，耗时耗能，另外，其膨化的均匀性并不稳定，使得膨胀体积分布较广， 直接影响至下一步剥离的稳定性。
[0006] 传统加热法不仅耗时耗能，其所得的微孔结构，界于800nm - lOOOOnm之间，不但 高于纳米且分布极广。另外，其孔径容积亦大且分布宽，使得制备石墨締质量较不稳定，增 加高纯纳米级石墨締制备的难度。
[0007] 石墨必须使用强酸型氧化剂W及插层剂，才能充分氧化，加热后膨胀。而所使用后 的强酸型氧化剂，由洗漆的工艺开始，即面对环保污染的重荷。
[000引电解法虽能解决部分上述的问题，但设备工艺复杂而且成本甚高。
【发明内容】
[0009] 为了解决上述问题，本发明提供一种制备石墨締的新方法及设备。
[0010] 一种持压连续、微波膨化制备石墨締的方法，其特征在于将石墨或石墨层间化合 物输送至相对转动的两条循环转动带之间，所述两条循环转动带对所述石墨或石墨层间化 合物具有持续的压力，所述石墨或石墨层间化合物随循环转动带运动并进行持压状态下的 微波加热，当所述石墨或石墨层间化合物到达循环转动带的尾端出口时膨化形成石墨締。
[0011] 所述石墨层间化合物为石墨层间插入具有极性的插入剂制得。
[0012] 优选的所述插入剂为酸、碱或面化物。
[0013] 优选的所述插入剂为高铺酸钟或水杨酸。
[0014] 优选的所述石墨层间化合物为石墨与氧化剂和插层剂复配经由双室法、溶液法、 光学法、化学法或加压法制得。
[0015] 优选的所述氧化剂为浓硫酸或浓硝酸。
[0016] 优选的所述两条循环转动带对所述石墨或石墨层间化合物具有8-12Mpa的压力， 所述微波的功率密度为100-150mW/cm 3。
[0017] 一种持压连续、微波膨化制备石墨締的设备，其特征在于包括两条循环转动带，且 两条循环转动带的相对面为同步运动；
[0018] 在所述相对面的各自的外侧包括持压平台和调控持压平台对所述相对面之间压 力的液压系统，所述持压平台为相对于循环转动带转动方向静止的热压平板或随循环转动 带转动的履带平台，并在两条循环转动带之间形成相对的压力；
[0019] 还包括微波加热系统对两条循环转动带之间进行加热。
[0020] 优选的所述液压系统包括液压缸、油箱、液压阀和伺服器，所述液压缸包括位于持 压平台两侧的两列液压缸。
[0021] 优选的所述持压平台和循环转动带之间包括滚动装置，所述滚动装置为滚子或 漉。
[0022] 优选的所述滚子具有多个形成滚子毯，所述滚动系统包括液压油或固相润滑剂， 位于所述滚子上W及所述持压平台与所述循环转动带的接触面之间。
[002引技术效果：
[0024] 本发明的设备的膨化段，运用微波由内分子结构加热的特性，W及石墨本身可制 成不同阶数（所谓阶数为插层剂插入石墨层间时间隔的层数）的层间化合物后可加热膨化 的条件，再开创W持压下连续生产的模式，将微波福射进入石墨及其层间化合物。由于石墨 的导电性形成祸电流W及层间插入物的介电性，微波对其形成的偶极子谐振，分子间摩擦 生热，因而使得氧化石墨层间内部温度急速上升，迅速产生膨化作用。本发明运用的连续 持压模式是在外加高压下抑制上述层状石墨Z轴向的膨化推力，直至传输到循环转动带端 口。在端口处，环境压力突降为大气压，使得层间内的外受高压与抑制压力，急速降低释放， 立即形成巨大的向上顶开矢量，克服石墨层间范德华力，因而产生层间剥离。
[0025] 本发明利用持续的外加力量，由上下循环传送带对石墨的挤压，通过回旋运动保 持连续运作，达到施压作用的维持，即持压的方式。由于采用了持压方式，上述在端口处突 然的压降其释放出的压力将改变成由x、y、z =向力合成的矢量，而非全部沿着Z轴，如此结 果将可获得向上顶力W及剪切力，实现各个方向的膨胀即爆裂膨化的效果，可W充分的打 开层间片层。
[0026] 本发明又利用 了石墨 G. I. C (Graphite intercalation compounds)技术，它是使 具有极性的插入剂（酸、碱、面化物等）分子或离子插入石墨层与碳网平面形成石墨层间化 合物（GICs)。对于不同的插层物，在适当的反应条件下，可W调控插入阶数的分布，亦即，层 状堆煤的模式。此特别的模式结合在上述持压连续w微波加热的生产条件，由于不同插入 物及不同的插入阶数分布之间，会产生不同的膨化力量，即可进一步形成层面的剪切分力， 使片层状石墨充分的获得剥离的条件。本发明的作用方式是可控的，主导的矢量仍是沿Z 轴方向，不会破坏石墨原晶体结构。因此仍维持其材料导电，导热的特性。
[0027] 选择不同氧化剂及不同插层剂，W复配的组合方式经由双室法、溶液法、溶剂法、 光学法、化学法、加压法电解等现有制备石墨层间化合物的方法制备具有不同阶数、不同插 入剂的石墨层间化合物。氧化剂优选的为强酸型，包括硫酸，硝酸等，其主要目的是将石墨 之层间经由氧化作用，层间距离打开至所需要求，方便插入剂的插入。
[002引选择不同插入剂，藉由其对石墨层间插入阶数不同的特性，予W安排多次的插入， 常见施主型，受予型的插入剂及相关阶数列表如下：
[0029] 表 1
[0030]
【主权项】
1. 一种持压连续、微波膨化制备石墨烯的方法，其特征在于将石墨或石墨层间化合物 输送至相对转动的两条循环转动带之间，所述两条循环转动带对所述石墨或石墨层间化合 物具有持续的压力，所述石墨或石墨层间化合物随循环转动带运动并进行持压状态下的微 波加热，当所述石墨或石墨层间化合物到达循环转动带的尾端出口时膨化形成石墨烯。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述石墨层间化合物为石墨层间插入具有 极性的插入剂制得。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述插入剂为酸、碱或卤化物。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述石墨层间化合物为石墨与氧化剂和插 层剂复配经由双室法、溶液法、光学法、化学法或加压法制得。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述氧化剂为硫酸或硝酸。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述两条循环转动带对所述石墨或石墨层 间化合物具有8-12Mpa的压力，所述微波的功率密度为100-150mW/cm 3。
7. -种持压连续、微波膨化制备石墨烯的设备，其特征在于包括两条循环转动带，且两 条循环转动带的相对面为同步运动； 在所述相对面的各自的外侧包括持压平台所述持压平台为相对于循环转动带转动方 向静止的热压平板或随循环转动带转动的履带平台，并在两条循环转动带之间形成相对的 压力； 还包括微波加热系统对两条循环转动带之间进行加热； 还包括调控持压平台对所述相对面之间压力的液压系统。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述液压系统包括液压缸、油箱、液压阀和 伺服器，所述液压缸包括位于持压平台两侧的两列液压缸。
9. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述持压平台和循环转动带之间包括滚动 装置，所述滚动装置为滚子或辊。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述滚子具有多个形成滚子毯，所述滚动 系统包括液压油或固相润滑剂，位于所述滚子上以及所述持压平台与所述循环转动带的接 触面之间。
【专利摘要】本发明一种持压连续、微波膨化制备石墨烯的方法及设备，将石墨或石墨层间化合物输送至相对转动的两条循环转动带之间，所述两条循环转动带对所述石墨或石墨层间化合物具有持续的压力，所述石墨或石墨层间化合物随循环转动带运动并进行持压状态下的微波加热，当所述石墨或石墨层间化合物到达循环转动带的尾端出口时膨化形成石墨烯。本发明运用石墨本身可制成不同阶数的层间化合物后可加热膨化的条件，开创以持压下连续生产的模式，由于采用了持压方式，在端口处突然的压降其释放出的压力将改变成由x、y、z三向力合成的矢量，可获得向上顶力以及剪切力，实现各个方向的膨胀即爆裂膨化的效果，可以充分的打开层间片层。
【IPC分类】C01B31-04
【公开号】CN104649262
【申请号】CN201510091213
【发明人】贾纬民
【申请人】高碑店市隆泰丰博石墨烯加工有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月28日