用于制造大面积石墨烯的设备的制作方法

本发明涉及一种用于制造大面积石墨烯的设备，尤指一种可有效将一高度石墨化石墨片分散为具有完整六角网状平面结构的石墨烯的设备。

背景技术：

石墨烯为一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型蜂巢状晶格的平面薄膜，为目前世界上最薄也是最坚硬的奈米材料。由于石墨烯的电阻率低，且几乎是透明的，被期待用于发展更薄、导电速度更快的电子元件以应用在诸如半导体、面板、或是电池等领域中。

即使有许多期待，国际大厂也已竞相投入石墨烯研究并积极布局，但现阶段石墨烯技术还未能被大量应用，显见目前还有许多技术上问题存在：无论是在石墨烯本身、或在配方上进行改良，以令石墨烯应用于复合材料时有更佳的效果。

技术实现要素：

本发明的主要目的，系在不破坏石墨烯的六角网状平面结构的情况下，将一高度石墨化石墨片有效地分散为石墨烯。

为了达成上述目的，本发明提供一种用于制造大面积石墨烯的设备，包含有：一喷嘴，该喷嘴包括一进料口、一出料口以及一连通于该进料口和该出料口之间管体；一连通至该进料口的加压器，用于加压一石墨分散液使其由该进料口进入该管体；其中，该管体从该进料口至该出料口之间具有至少一内径变化以及一形成于该内径变化的段差，使该石墨分散液的石墨片流经该管体而逐渐减少层数至少于20层的大面积石墨烯，该大面积石墨烯具有一La介于1μm至1000μm之间的直径，该La系为一由拉曼光谱所获得的值。

因习知技术常以爆炸法或化学拆层法将石墨分散为复数个单层或多层石墨烯，但都有破坏该石墨烯的六角网状平面结构的缺点，使得石墨烯物理特性变差，亦无法制得大尺寸且具有完美六角网状平面结构的石墨烯。而本发明中，透过该设备可将该石墨分散液于该含有喷嘴的循环系统中重复地循环，故可快速且有效地将一高度石墨化石墨片分散为兼具完美六角网状平面结构及大面积的石墨烯。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于制造大面积石墨烯的设备示意图；

图2为本发明另一实施例的用于制造大面积石墨烯的设备示意图；

其中，3、喷嘴；29、石墨分散液；31、加压器；32、进料口；33、管体；34、出料口；35、大面积石墨烯。

具体实施方式

于下文中，将搭配图式详细说明本发明。

请参考图1，为本发明用于制造大面积石墨烯的设备示意图，包含有：一喷嘴3，该喷嘴包括一进料口32、一出料口34以及一连通于该进料口32和该出料口34之间管体33；一连通至该进料口的加压器31，用于加压一石墨分散液29使其由该进料口32进入该管体33；其中，该管体33从该进料口32至该出料口34之间具有至少一内径变化以及一形成于该内径变化的段差，使该石墨分散液29的石墨片流经该管体33而逐渐减少层数至少于20层的大面积石墨烯35，该大面积石墨烯35具有一La介于1μm至1000μm之间的直径，该La系为一由拉曼光谱所获得的值。

于本实施例中，该出料口33可连结回该进料口32，如此一来，该石墨分散液29可于该含有喷嘴的循环系统中重复循环，有效地将其中的高度石墨化石墨片逐渐减少层数而分散为少于20层的大面积石墨烯35。

本实施例中，该石墨分散液29于循环系统中的循环次数并无特别限制，只要所制造的该大面积石墨烯35的结构可达到所需层数即可。举例而言，该循环次数可视情况进行1次至900次，较佳为50次至500次，更佳为100次至200次。此外，本实施例并无特别限制由循环系统所产生的剪切力大小，只要该剪切力不破坏该石墨烯六角网状平面结构即可。在本文中，“剪切力”一词意指，巨观而言平行于石墨烯平面的作用力，具体而言，本实施例中，该石墨分散液29中的高度石墨化石墨片于该循环系统的剪切力举例可为1MPa至500MPa，较佳为10MPa至500MPa，更佳为50MPa至200MPa。据此，于本发明的一实施例中，当该石墨分散液29于该循环系统的循环次数为200次，由循环系统所产生作用于该石墨分散液29中该高度石墨化石墨片的剪切力可为200MPa，以达到最佳化分散效果。

于本实施例中，该加压器31的种类及其设置位置并无特别限制，只要能够提供所需的液体作用力即可，举例来说，本实施例中所使用的该加压器31为一帮浦。此外，该加压器31提供给该石墨分散液29的压力较佳介于100MPa至500MPa之间，然在某些实施例中，亦可根据实际情况调整至适当的压力范围。于本实施例中，为使该液体作用力能有效地分散该高度石墨化石墨片，该高度石墨化石墨片可形成一弯折角度，使该液体作用力施加于该高度石墨化石墨片的侧面以分散为该大面积石墨烯35。举例来说，该高度石墨化石墨片的该弯折角度可为30°至150°，从而使该液体作用力有效地施加于该高度石墨化石墨片的侧面，以将其分散为该大面积石墨烯35。为达成上述目的，举例来说，可于该管体33中设置有一凸壁，据此，液体中该高度石墨化石墨片可藉由流经该凸壁处而形成一90°的弯折角度。然上述凸壁之设计乃选择性的，在其他实施例中，如图2，该管体33中亦可不包括该凸壁之设计。

此外，为了避免该大面积石墨烯35因热力学作用而发生“软凝聚现象”，本实施例中，该石墨分散液29于整个制备过程的温度可为25℃至100℃、较佳可为20℃至50℃，从而避免已分散的该石墨烯再度凝聚，且任何习知控制液体温度的方法皆可应用于本实施例而无特别限制。

于本实施例中，该进料口32的内径可大于该出料口34的内径，然而具体的内径尺寸可根据该石墨分散液29的石墨片固体含量而调整。举例来说，譬如，于一实施例中，当该石墨分散液29的石墨片固体含量小于30wt.％时，该进料口32可有一介于5cm至10cm之间的内径，而该出料口34具有一介于100μm至200μm之间的内径；或于另一实施例中，当该石墨分散液29的石墨片固体含量大于或等于80wt.％时，该进料口32具有一介于100cm至500cm之间的内径，该出料口34具有一介于5mm至10mm之间的内径，本领域人士应可根据实际情况加以调整，本发明对此并无特别限制。

于本实施例中并不特别限制该石墨分散液29内该高度石墨化石墨片的浓度，只要该高度石墨化石墨片可于该石墨分散液29中藉由液体作用力有效地分散为该大面积石墨烯35即可。举例来说，于一实施例中，该石墨分散液29的石墨片固体含量可小于30wt.％；而在另一实施例中，该石墨分散液29的石墨片固体含量可大于或等于80wt.％。

本实施例中，该高度石墨化石墨片的石墨化程度介于0.8至1.0之间，较佳为0.95至1.0之间。在本文中，“石墨化程度(degree of graphitization)”意指石墨的比例，其石墨烯平面(graphene plane)间距离的理论值为3.354埃(angstrom)，因此当石墨化程度为1时，系指石墨烯堆栈最为紧密，其石墨平面间距(d(0002))为3.354埃。石墨化程度(G)可由下列式1计算：

式1 G＝(3.440-d(0002))/(3.440-3.354)

据此，较高的石墨化程度系对应于较大的结晶尺寸，其系藉由石墨烯的六角网状结构平面的延伸尺寸(La)以及堆栈层(Lc)的尺寸所决定。因此，一般而言，高度石墨化系指石墨化程度大于或等于0.8。

本实施例的目的在于利用不同湿式剪切力达到分散高度石墨化石墨片的效果，其中，该湿式剪切力系为由制造大面积石墨烯35的设备所提供的液体作用力。故本实施例不特别限制所选用的液体种类，只要其能提供上述大面积石墨烯35制备方法所需的力即可。举例而言，该液体可为至少一选自由水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、界面活性剂、盐类、及其组合所组成的群组。于本发明的一特定态样中，该液体可为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

于本实施例中，为了更有效地利用剪切力将高度石墨化石墨片分散为大面积石墨烯35，可先将该高度石墨化石墨片进行一前处理，藉此前处理使高度石墨化石墨片膨胀化，增加其石墨烯的平面间距(d(0002))，如此一来将可使该高度石墨化石墨片更容易分散为该大面积石墨烯35。详言之，只要不破坏石墨烯的六角网状平面结构，任何前处理方法皆可使用，本发明并不特别限制，譬如，爆炸法、化学拆层法、超音波震荡、球磨法、或上述方法的任意组合。

据此，经上述实施例所制备的该大面积石墨烯35即可具有完美的六角网状平面结构。

试验例

本试验例系以一拉曼光谱分析仪分析上述实施例所获得的石墨烯于平面结构的完整性，及其多层结构所包含的层数。

本试验例所测试的石墨烯，系该高度石墨化石墨片于该设备中，经200MPa的湿式剪切力作用，并且循环200次所得的产物。

将所获得的石墨烯进行拉曼光谱分析，并以横轴为拉曼位移(cm^-1)，纵轴为吸收强度(a.u.)。习知石墨烯的拉曼光谱具有三个特征峰，系分别为位于1364cm^-1的D Band，显示石墨烯中碳为Sp3的结构；位于1586cm^-1的G Band，显示石墨烯中碳为Sp2的结构；以及位于2700cm^-1的2D Band，其系随石墨烯的层数而有些许偏移及变化。本实施例中，由位于1364cm^-1的D Band和位于1586cm^-1的G Band两者的强度比，可确定以本发明石墨烯制备方法制造的石墨烯具有相当完整的六角网状平面结构，并且由位于2710cm^-1的2D Band特征峰可知所制造的石墨烯，其多层结构系为5层。据此，由上述说明可知，藉由一含有喷嘴的循环系统所产生的湿式剪切力，能够快速将石墨分散液29中的高度石墨化石墨片分散为大面积石墨烯35，且该大面积石墨烯35具有较完美六角网状平面结构。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。