一种生成石墨烯薄膜的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种生成石墨烯薄膜的装置，使用湿法搅拌球磨剥离石墨层，制备石墨烯薄膜。其特征在于：装置由高温处理部、原位还原部、加药部、机械剥离部、离心分离部和干燥部构成；剥离设备包括圆柱形腔室、转动轴、转动横杆和磨球等，其中转动轴带动与轴垂直的许多转动横杆在固定的圆柱形腔体内搅动，转动横杆在搅动中带动腔体内的磨球相互碰撞和摩擦，从而对粉体进行研磨，石墨原料在受到摩擦力的剪切作用下，石墨中各石墨层间的范德华力瓦解，从而使得石墨被剥离减薄获得石墨烯，进入离心分离部。本实用新型生产石墨烯的类机械剥离装置操作简单，所得石墨烯晶体结构完美，且可以实现石墨烯的高效稳定化生产。
【专利说明】
一种生成石墨烯薄膜的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种高效稳定的石墨烯薄膜生产设备，尤其涉及一种生成石墨烯薄膜的装置。
【背景技术】
[0002]石墨烯凭借其独特的性质成为了近年来材料研究领域的热点之一。最初发现的石墨烯是由单层碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，可称为本征石墨烯或单碳层石墨烯，它是通过胶带法制备获得的。它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此单碳层石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。作为一种准二维晶体，单碳层石墨烯在碳平面内有无限重复的周期性结构，但在垂直于碳平面的方向只具有纳米尺度，可以看作是具有宏观尺寸的纳米材料，表现出许多独特的性质。石墨烯具有卓越的二维电学、光学、热学、力学性能以及化学稳定性，其独特的二维结构和优异的晶体学质量使得其在超快速微纳光电子器件，射频器件，洁净能源和各类传感器等领域具有重要的实用价值。比如，电子在石墨烯里遵循相对论量子力学，没有静质量，以1/300光速的超高速度运行，表现出奇异的室温量子霍尔效应及弹道输运现象，可制备室温弹道输运晶体管，被视为未来信息纳米器件的重要基础新材料;石墨烯电子传输速度是硅的150倍，有望制备出速度达到兆赫的超快速计算机与射频器件；石墨烯的单分子度的敏感性有望在各种传感器，如气体传感器和生物传感器等领域得到广泛应用；石墨烯具有2.3 %光吸收的光学特性，使其可以用于制备超快速光探测器和锁模激光器，另一方面，由于极低的光吸收特性，使得石墨烯既可用于制备光电子器件，如发光二极管和太阳能电池等的透明电极，从而取代成本昂贵、资源稀少、不可折叠的以铟为主要成分的ITO透明导电膜，也可用于制备超级电容器和锂离子电池;基于石墨烯的有机光伏打电池的能量转换效率可望达到24%。
[0003]目前，制备石墨烯的方法主要有机械剥离法，氧化石墨还原法，热分解SiC法，化学气相沉积法和外延生长法等。其中，氧化石墨还原法相对高效且成本较低，并能够制备出大量的石墨烯悬浮液及石墨烯衍生物，但在氧化还原的过程中，石墨烯的电子结构以及晶体的完整性容易受到强氧化剂的破坏，造成石墨烯的结构存在较多的不可控缺陷，而导致其部分电学、热学性能损失;热解SiC法也会产生不可控缺陷以及多晶畴结构，难以获得较好的长程有序结构，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难;化学气相沉积法虽然可以实现石墨烯薄膜的大面积生长，但工艺控制较为复杂;外延生长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碳层的特性。相比之下，机械剥离法是一种能以低成本制备出高质量石墨烯的简单易行的方法。目前制约石墨烯材料研究和应用的主要因素为:石墨烯难以规模化制备和制备过程中质量和产率难以控制。
【实用新型内容】
[0004]针对现有技术之不足，本发明提供了一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述装置由高温处理部、原位还原部、加药部、机械剥离部、离心分离部和干燥部构成；
[0005]所述机械剥离部的圆柱形腔室通过第一进料通道与原位还原部相连，所述机械剥离部的圆柱形腔室通过第二进料通道与加药部相连，转动轴在圆柱形腔室内与转动横杆垂直连接，磨球置于所述圆柱形腔室内，所述圆柱形腔室通过排料口与离心分离部相连；
[0006]其中，所述转动轴带动与轴垂直相连的转动横杆在固定的圆柱形腔室内搅动，以便在搅动中带动腔室内磨球和石墨原料相互碰撞和摩擦。
[0007]根据一个优选实施方式，所述磨球为直径50μηι?ΙΟΟμπι且硬度大于石墨的珠子。
[0008]根据一个优选实施方式，所述高温处理部用于在200°C?1200°C和氮气或惰性气体气氛的条件下对石墨原料进行高温处理。
[0009]根据一个优选实施方式，所述原位还原部用于在200°C?1200°C和氮氢混合气体气氛的条件下对石墨原料进行还原处理。
[0010]根据一个优选实施方式，用于存放表面活性添加剂的所述加药部用于，通过第二进料管道与用于对石墨原料进行剥离的所述机械剥离部相连，并且所述加药部用于持续向机械剥离部的圆柱形腔室加药。
[0011]根据一个优选实施方式，所述机械剥离部用于接收原位还原部处理后石墨原料并基于所述加药部提供的表面活性添加剂完成高温处理后的所述石墨原料的机械剥离处理。
[0012]根据一个优选实施方式，所述离心分离部用于将经机械剥离部处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液液进行离心分离。
[0013]根据一个优选实施方式，所述干燥部用于将得到的含石墨烯溶液进行干燥处理，得到石墨稀薄膜。
[0014]根据一个优选实施方式，所述高温处理部用于在200°C?1200°C和氮气或惰性气体气氛条件下对石墨原料进行高温处理，并与原位还原部相连；
[0015]所述原位还原部用于在200°C?1200°C和氮氢混合气体气氛的条件下对接收经所述高位处理部处理后的石墨原料进行还原处理，并通过第一进料管道与机械剥离部相连；
[0016]用于存放表面活性添加剂的所述加药部通过第二进料管道与用于对石墨原料进行剥离的所述机械剥离部相连，并且所述加药部用于持续向机械剥离部的圆柱形腔室加药；
[0017]所述机械剥离部用于接收原位还原部处理后石墨原料并基于所述加药部提供的表面活性添加剂完成高温处理后的所述石墨原料的机械剥离处理；
[0018]所述离心分离部用于将经机械剥离部处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液液进行离心分离;所述干燥部用于将得到的含石墨烯溶液进行干燥处理，得到石墨烯薄膜。
[0019]根据一个优选实施方式，所述机械剥离部的圆柱形腔室通过第一进料通道与原位还原部相连，所述机械剥离部的圆柱形腔室通过第二进料通道与加药部相连，转动轴在圆柱形腔室内与转动横杆垂直连接，磨球置于所述圆柱形腔室内，所述磨球为直径50μηι?100μπι且硬度大于石墨的珠子，所述机械剥离部的圆柱形腔室通过排料口与离心分离部相连，其中，所述转动轴带动与轴垂直相连的转动横杆在固定的圆柱形腔室内搅动，以便在搅动中带动腔体内磨球和石墨原料相互碰撞和摩擦。
[0020]本实用新型具有以下优点:
[0021 ] (I)本实用新型的磨球以50μηι?ΙΟΟμπι的磨球为球磨介质，在石墨机械剥离过程中，石墨片层被反复剥离次数显著增加，提高了机械剥离效率。
[0022](2)本实用新型的磨球直径控制在50μηι?ΙΟΟμπι时，所得石墨片层厚度分布集中，50%以上的石墨片层厚度都在4nm以下。
[0023](3)本实用新型以机械剥离的方式生产石墨烯薄膜，保证了石墨烯晶体结构完美性。
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型的装置各部连接关系示意图；和
[0025]图2是本实用新型机械剥离部结构示意图。
[0026]附图标记列表
[0027]101:石墨原料 102:高温处理部 103:原位还原部
[0028]104:加药部105:离心分离部 106:干燥部
[0029]107:石墨烯薄膜 200:机械剥离部 201:圆柱形腔室
[0030]202:第一进料通道203:第二进料通道204:转动轴
[0031]205:转动横杆 206:磨球207:排料通道
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例进行详细说明。
[0033]图1示出了本实用新型的装置各部连接关系。如图1所示，本实用新型一种生成石墨烯薄膜的装置包括高温处理部102，原位还原部103，加药部104，机械剥离部200，离心分离部105，干燥部106。所述高温处理部102与原位还原部103相连，高温处理部102对加入其中的石墨原料101进行高温处理，并将处理后的石墨原料101送至原位还原部103。高温处理温度为200°C?1200°C，处理环境保持为空气、真空、氮气或惰性气体。一个优选的实施方式为高温处理过程中处理环境保持为惰性气体环境。石墨原料101在惰性气体保护下加热200°C?1200°C，含氧官能团稳定性下降，以水蒸气、二氧化碳等形式离开。原位还原部103与高温处理部102和机械剥离部200相连。原位还原部103接受经高温处理部102处理后的石墨原料101，并对其进行还原处理，处理后的石墨原料101送至机械剥离部200。在原位还原部103中，在200°C?1200°C温度条件下，加入氮气或氢气中的至少一种作为还原介质，对石墨原料101进行还原处理，进一步去除石墨原料101中的含氧官能团。加药部104与机械剥离部200相连。加药部104用于存放表面活性添加剂，并在所述机械剥离部200对石墨原料101进行剥离过程中，持续向机械剥离部200加药。表面活性添加剂为十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、草酸钠、甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。机械剥离部200与离心分离部105相连。机械剥离部200用于接收原位还原部103的还原处理后的石墨原料101和加药部104提供的表面活性剂，并对接收的石墨原料101进行搅动球磨剥离，并将经过剥离处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液送入离心分离部105。离心分离部105与干燥部106相连。离心分离部105对进入其中的石墨烯和石墨的混合悬浊液进行离心处理，的到石墨烯悬浊液，并送入干燥部106。干燥部106对进入其中的石墨烯悬浊液进行干燥处理，最终得到石墨烯薄膜107。
[0034]图2是本实用新型机械剥离部结构事宜图。参见2所示，机械剥离部200包括圆柱形腔室201、第一进料通道202、第二进料通道203、转动轴204、转动横杆205和磨球206。机械剥离部200的圆柱形腔室201通过第一进料通道202与原位还原部103相连，所述机械剥离部200的圆柱形腔室201通过第二进料通道203与加药部104相连，转动轴204在圆柱形腔室201内与转动横杆205垂直连接，磨球206置于所述圆柱形腔室201内，所述磨球206为直径50-ΙΟΟμπι且硬度大于石墨的珠子。所述机械剥离部200的圆柱形腔室201通过排料通道207与离心分离部105相连。原位还原部103通过第一进料通道202向机械剥离部200的圆柱形腔室201加入石墨原料101。加药部104通过第二进料口 203向机械剥离部200的圆柱形腔室201加入表面活性添加剂。转动轴204带动与转动轴204垂直相连的转动横杆205在圆柱形腔室201内搅动。转动横杆205在搅动中带动圆柱形腔室201内的磨球206和石墨原料101相互碰撞和摩擦，石墨原料101在所述磨球206摩擦力的剪切作用下，石墨中各石墨层间的范德华力瓦解，获得石墨烯和石墨的悬浊液。
[0035]实施例1
[0036]结合图1和图2说明本实用新型的石墨烯薄膜生产过程。高温处理部102与原位还原部103相连，高温处理部102在1000°C高温和惰性气体处理环境下对加入其中的石墨原料101进行I小时高温处理，并将处理后的石墨原料101送至原位还原部103。石墨原料101在惰性气体保护下加热至1000°c，含氧官能团稳定性下降，以水蒸气、二氧化碳等形式离开石墨烯原料101。原位还原部103与高温处理部102相连，并通过第一进料通道202与机械剥离部200的圆柱形腔室201相连。原位还原部103接受经高温处理部102处理后的石墨原料101，并在100tC温度条件下，加入氮气或氢气中的至少一种作为还原介质，对其进行I小时还原处理，处理后的石墨原料101送至机械剥离部200的圆柱形腔室201。石墨原料101进行还原处理，将进一步去除石墨原料101中的含氧官能团。加药部104通过第二进料通道203与机械剥离部200的圆柱形腔室201相连。加药部104用于存放表面活性添加剂，并在所述机械剥离部200对石墨原料101进行剥离过程中，持续向机械剥离部200加入十二烷基硫酸钠与水配成浓度为80.0 %的浆体。机械剥离部200的转动轴204在圆柱形腔室201内与转动横杆205垂直连接，磨球206置于所述圆柱形腔室201内，原位还原部103通过第一进料通道202向机械剥离部200的圆柱形腔室201加入石墨原料101。加药部104通过第二进料口 203向机械剥离部200的圆柱形腔室201加入表面活性添加剂。转动轴204带动与转动轴204垂直相连的转动横杆205在圆柱形腔室201内搅动。转动横杆205在搅动中带动圆柱形腔室201内的磨球206和石墨原料101相互碰撞和摩擦，石墨原料101在所述磨球206摩擦力的剪切作用下，石墨中各石墨层间的范德华力瓦解，获得石墨烯和石墨的悬浊液。所述磨球206为直径50μπι?ΙΟΟμπι且硬度大于石墨的珠子。所述机械剥离部200的圆柱形腔室201通过排料通道207与离心分离部105相连。机械剥离部200通过排料通道207将经过剥离处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液送入离心分离部105。离心分离部105与干燥部106相连。离心分离部105对进入其中的石墨烯和石墨的混合悬浊液进行离心处理，的到石墨烯悬浊液，并送入干燥部106。干燥部106对进入其中的石墨烯悬浊液进行干燥处理，最终得到石墨烯薄膜107。
[0037]本实施例的磨球206以直径为50μηι?ΙΟΟμπι的磨球为球磨介质，在石墨机械剥离过程中，相对于直径大于ΙΟΟμπι的球磨介质而言，石墨片层被反复剥离次数显著增加，提高了机械剥离效率。并且所得石墨片层厚度分布集中，50%以上的石墨片层厚度都在4nm以下。
[0038]需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述装置由高温处理部(102)、原位还原部(103)、加药部(104)、机械剥离部(200)、离心分离部(105)和干燥部(106)构成； 所述机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)通过第一进料通道(202)与原位还原部(103)相连，所述机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)通过第二进料通道(203)与加药部(104)相连，转动轴(204)在圆柱形腔室(201)内与转动横杆(205)垂直连接，磨球(206)置于所述圆柱形腔室(201)内，所述圆柱形腔室(201)通过排料口与离心分离部(105)相连； 其中，所述转动轴(204)带动与轴垂直相连的转动横杆(205)在固定的圆柱形腔室(201)内搅动，以便在搅动中带动腔室内磨球(206)和石墨原料(101)相互碰撞和摩擦。2.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述磨球(206)为直径50μηι?I ΟΟμπι且硬度大于石墨的珠子。3.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述高温处理部(102)用于在200°C?1200°C和氮气或惰性气体气氛的条件下对石墨原料(101)进行高温处理。4.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述原位还原部(103)用于在200°C?1200°C和氮氢混合气体气氛的条件下对石墨原料(101)进行还原处理。5.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，用于存放表面活性添加剂的所述加药部(104)用于，通过第二进料管道与用于对石墨原料(101)进行剥离的所述机械剥离部(200)相连，并且所述加药部(104)用于持续向机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)加药。6.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述机械剥离部(200)用于接收原位还原部(103)处理后石墨原料(101)并基于所述加药部(104)提供的表面活性添加剂完成高温处理后的所述石墨原料(101)的机械剥离处理。7.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述离心分离部(105)用于将经机械剥离部(200)处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液液进行离心分离。8.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述干燥部(106)用于将得到的含石墨烯溶液进行干燥处理，得到石墨烯薄膜(107)。9.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述高温处理部(102)用于在200°C?1200°C和氮气或惰性气体气氛条件下对石墨原料(101)进行高温处理，并与原位还原部(103)相连； 所述原位还原部(103)用于在200°C?1200°C和氮氢混合气体气氛的条件下对接收经所述高温处理部(102)处理后的石墨原料(101)进行还原处理，并通过第一进料管道与机械剥离部(200)相连； 用于存放表面活性添加剂的所述加药部(104)通过第二进料管道与用于对石墨原料(101)进行剥离的所述机械剥离部(200)相连，并且所述加药部(104)用于持续向机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)加药；所述机械剥离部(200)用于接收原位还原部(103)处理后石墨原料(101)并基于所述加药部(104)提供的表面活性添加剂完成高温处理后的所述石墨原料(101)的机械剥离处理；所述离心分离部(105)用于将经机械剥离部(200)处理后的石墨烯和石墨的混合悬浊液液进行离心分离;所述干燥部(106)用于将得到的含石墨烯溶液进行干燥处理，得到石墨烯薄膜(107)。10.如权利要求1所述的一种生成石墨烯薄膜的装置，其特征在于，所述机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)通过第一进料通道(202)与原位还原部(103)相连，所述机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)通过第二进料通道(203)与加药部(104)相连，转动轴(204)在圆柱形腔室(201)内与转动横杆(205)垂直连接，磨球(206)置于所述圆柱形腔室(201)内，所述磨球(206)为直径50μηι?ΙΟΟμπι且硬度大于石墨的珠子，所述机械剥离部(200)的圆柱形腔室(201)通过排料口与离心分离部(105)相连，其中，所述转动轴(204)带动与轴垂直相连的转动横杆(205)在固定的圆柱形腔室(201)内搅动，以便在搅动中带动腔体内磨球(206)和石墨原料(101)相互碰撞和摩擦。
【文档编号】C01B31/04GK205590299SQ201521136577
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】白德旭
【申请人】白德旭