一种大型石墨烯超声波剥离装置的制作方法

本发明涉及石墨烯制备的技术领域，特别涉及一种大型石墨烯超声波剥离装置。

背景技术：

自2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。它是一种完全由sp2杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高透光性和导电性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能，可望在高性能纳米电子器件、光电器件、气体传感器、复合材料、场发射材料及能量存储等领域获得广泛应用。

目前石墨烯的制备方法有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法、有机合成法、溶剂热法、化学气相沉积法等。在这些方法中，由于机械剥离法制备方法简单，制备过程环保无污染，生产成本较为低廉，在工业生产中备受青睐。通过超声波剥离石墨烯，过程中不引入杂质，能够有效保护石墨烯的结构完整性，提高石墨烯产量，是石墨烯大规模工业化生产的选择方案之一。

中国专利公告号为cn203128206u的发明专利公开了一种石墨烯制备用插层剥离设备，包括超声波发生器、超声波分散罐和用于对分散罐内的石墨悬浮液进行分散的搅拌装置，搅拌装置包括搅拌电机、搅拌旋转轴和搅拌旋转叶片，搅拌旋转轴一端连接搅拌电机另一端连接搅拌旋转叶片，超声波分散罐的侧壁安装有复数个超声波换能器，超声波分散罐的底部设置有排料口，整个石墨烯制备用插层剥离设备放置在机架上。

这种石墨烯制备用插层剥离设备将机械搅拌与超声处理结合在一起，实现石墨烯制备过程中插层和剥离的协同有效进行。

在实际工作过程中，经过超声波换能器转化得到的超声波传导至石墨悬浮液内，其能量被石墨悬浮液迅速吸收，衰减速度较快。因此，超声波在石墨悬浮液内所能传播的距离有限，即超声波换能器的有效工作距离较短。这大大制约了石墨烯超声波剥离装置的体积，也意味着制备石墨烯的工作效率难以提升，不利于石墨烯的工业化生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大型石墨烯超声波剥离装置，具有使石墨悬浮液循环流动，轮流流经超声波换能器附近，在保证剥离质量的情况下使得设备的体积大大增加，从而提高石墨烯的制备效率的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种大型石墨烯超声波剥离装置，包括罐体，还包括转动架设在罐体上的转轴，所述转轴与罐体同轴，转轴上设有若干组扇叶，所述罐体顶端架设有电机，罐体内架设有若干超声室，所述电机的机轴与转轴相连，所述超声室环绕转轴分布，各超声室之间形成内流道，超声室与罐体内壁之间形成外流道，所述超声室内壁的内外两侧分别设有若干超声波换能器。

通过采用上述技术方案，电机驱动转轴旋转，带动扇叶转动，使石墨悬浮液在内流道内向上流动，石墨悬浮液流至超声室上方后，向外越过超声室，然后在外流道内向下流动，直至超声室下方，最终从超声室与罐体的内壁底面之间流回罐体中心，完成完整的循环，在此过程中，设置在超声室内壁内侧的超声波换能器发出超声波，对内流道内的石墨烯进行超声剥离，设置在超声室内壁外侧的超声波换能器发出超声波，对外流道内的石墨烯进行超声剥离，在超声波换能器的有效工作距离一定的情况下，罐体的直径相较于现有技术可以增加一倍；使石墨悬浮液循环流动，轮流流经超声波换能器附近，在保证剥离质量的情况下使得设备的体积大大增加，从而提高石墨烯的制备效率。

进一步的，所述罐体内设有若干交互组件，所述交互组件环绕罐体的轴线分布，交互组件包括内进液通道、外进液通道、内出液通道、外出液通道，所述内进液通道位于外进液通道与超声室之间，且内进液通道与外出液通道之间设有第一流道相连，所述内出液通道位于外出液通道与超声室之间，且外进液通道与内出液通道之间设有第二流道相连。

通过采用上述技术方案，超声波在石墨悬浮液内传递的过程中，其能量逐渐衰减，故距离超声室越远的石墨烯，其剥离效果越差，罐体内的石墨烯容易出现剥离不均的情况；石墨悬浮液在循环流动的过程中，流经交互组件，靠近超声室一侧的石墨悬浮液进入内进液通道，流经第一流道后由外出液通道排出，远离超声室一侧的石墨悬浮液进入外进液通道，流经第二流道后由内出液通道排出，二者的位置发生交换，使得罐体内的石墨烯整体能够更加均匀地被剥离。

进一步的，所述转轴上设有若干交互板，所述交互板与转轴平行，交互板不与转轴的轴线共面，交互板环绕转轴分布。

通过采用上述技术方案，交互板与转轴平行，但不与转轴的轴线共面，在旋转过程中不断挤压石墨悬浮液，且交互板与石墨悬浮液的接触面与其线速度之间的夹角为锐角，将靠近转轴的石墨悬浮液排向超声室，使转轴与超声室附近的石墨悬浮液互换位置，进而使罐体内的石墨烯整体能够更加均匀地被剥离。

进一步的，所述交互板的横截面呈弧形，交互板的凹面朝向转轴。

通过采用上述技术方案，交互板的横截面呈弧形设置，在石墨悬浮液沿交互板外表面朝向超声室流动的过程中对其起到引导的作用，石墨悬浮液朝向超声室移动为主，在交互板的推动下沿转轴的周向移动为辅，从而使交互板所受阻力减小。

进一步的，所述罐体的内侧壁底端设有导流板，所述导流板环绕罐体的轴心设置，导流板背向罐体内侧壁的一侧与罐体底面相抵。

通过采用上述技术方案，导流板设置在罐体的内壁侧面与底面的连接处，避免石墨悬浮液在循环流动的过程中出现死角。

进一步的，所述罐体的外侧壁上设有壳体，所述壳体与罐体之间形成密闭且真空的隔音腔。

通过采用上述技术方案，密闭且真空的隔音腔能够有效阻隔超声波向罐体外部传播，减少该超声波剥离装置在运行过程中产生的声污染。

进一步的，所述隔音腔内设有支撑板，所述支撑板呈螺旋形，支撑板与罐体同轴。

通过采用上述技术方案，在隔音腔内抽真空的情况下，罐体和壳体的内外两侧压差较大，设置螺旋形支撑板能够较好地对其进行支撑，避免罐体和壳体向隔音腔内塌陷变形。

进一步的，所述罐体的底面上设有若干超声波换能器。

通过采用上述技术方案，在罐体的底面上设置超声波换能器，不影响罐体上其它结构的设置，同时增加对石墨烯的剥离效果。

进一步的，所述罐体内架设有环形布线管，所述布线管与罐体同轴，布线管与各超声室连通。

通过采用上述技术方案，设置布线管，使连接超声波换能器与超声波发生器的线缆不易石墨悬浮液直接接触，避免石墨悬浮液粘附在线缆上。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.使石墨悬浮液循环流动，轮流流经超声波换能器附近，在保证剥离质量的情况下使得设备的体积大大增加，从而提高石墨烯的制备效率；

2.通过设置交互组件和交互板，使与超声室之间距离不同的石墨悬浮液得以相互交换位置，进而使罐体内的石墨烯整体能够更加均匀地被剥离。

附图说明

图1是实施例的整体剖面图；

图2是实施例中交互板的结构示意图；

图3是实施例中交互组件的结构示意图。

图中，1、罐体；2、转轴；3、超声室；4、超声波换能器；5、交互组件；6、支撑架；11、电机；12、导流板；13、壳体；14、隔音腔；15、支撑板；16、布线管；17、进料孔；18、出料管；21、扇叶；22、交互板；51、内进液通道；52、外进液通道；53、内出液通道；54、外出液通道；55、第一流道；56、第二流道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：

一种大型石墨烯超声波剥离装置，如图1所示，包括圆筒状的罐体1，罐体1的轴线竖直，放置在支撑架6上。罐体1的顶端端面上架设有电机11，并开设有进料孔17，罐体1底面设有出料管18和若干超声波换能器4，且出料管18与罐体1底面中心相连。

如图1所示，罐体1的外侧壁上套设有壳体13，壳体13与罐体1同轴，其内侧壁与罐体1的外侧壁之间形成密闭的隔音腔14。此外，隔音腔14内设有螺旋形的支撑板15，支撑板15与罐体1同轴，其内侧与罐体1的外侧壁固接，外侧与壳体13的内侧壁固接。

将隔音腔14内抽真空，可以很好地阻隔超声波向罐体1外传播，避免操作人员的身体健康受损。

如图1所示，罐体1内设有转轴2和超声室3，转轴2转动架设在罐体1上，与罐体1同轴，其顶端与电机11的机轴相连。五个超声室3架设在罐体1的内壁上，与转轴2平行，并环绕转轴2均匀分布。超声室3与转轴2之间形成内流道，超声室3与罐体1的内壁之间形成外流道。

如图1所示，转轴2上固接有三组扇叶21，扇叶21的长度略小于转轴2与超声室3之间的最小距离，且三组扇叶21沿竖直方向排布。

电机11通过转轴2带动扇叶21转动，进而使石墨悬浮液在内流道内向上流动，然后向外绕过超声室3，在外流道内向下流动，最后在超声室3与罐体1底面之间流回罐体1中心，形成完整的循环。

如图1和图2所示，转轴2上还固接有四块交互板22，四块交互板22的轴线竖直，环绕转轴2均匀分布。此外，交互板22的横截面呈弧形，其凹面朝向转轴2。沿交互板22的前进方向上，交互板22首端与转轴2之间的距离最小，尾端与转轴2之间的距离最大。

电机11驱动转轴2旋转时，带动交互板22转动。交互板22背向转轴2一侧挤压石墨悬浮液，将其排向超声室3，原本在超声室3附近的石墨悬浮液则被挤向转轴2，从而使转轴2和超声室3附近的石墨悬浮液交换位置。

如图1所示，架设在罐体1内部的布线管16呈环形，并与罐体1同轴，与各超声室3的顶端端面连通。超声室3的内壁内侧和外侧均设置有超声波换能器4，用于连接超声波换能器4与超声波发生器的线缆则从布线管16内穿过。

如图1所示，罐体1内架设有多个交互组件5，各交互组件5位于超声室3的正上方，并环绕罐体1的轴线均匀分布。

如图3所示，交互组件5由内进液通道51、第一流道55、外出液通道54、外进液通道52、第二流道56、内出液通道53组成，前三者依次连接，后三者依次连接。其中，内进液通道51位于外进液通道52与超声室3（参见图1）之间，内出液通道53位于外出液通道54与超声室3（参见图1）之间，两条第一流道55和一条第二流道56交叉设置。

石墨悬浮液在超声室3上方向外流动时，靠近超声室3的部分进入内进液通道51，然后由外出液通道54排出，远离超声室3的部分进入外进液通道52，然后由内出液通道53排出，二者位置互换。

如图1所示，导流板12呈环形，并与罐体1同轴，其横截面呈弧形，且凹面朝向罐体1中心。导流板12顶端与罐体1的内侧壁底端固接，底端与罐体1的底面边沿固接，石墨悬浮液在该处流动时没有死角。

具体实施过程：

电机11驱动扇叶21转动，使石墨悬浮液在内流道和外流道内循环流动。在此过程中，设置在超声室3内壁内侧的超声波换能器4发出超声波，对内流道内的石墨烯进行超声剥离，设置在超声室3内壁外侧的超声波换能器4发出超声波，对外流道内的石墨烯进行超声剥离。在保证剥离质量的情况下，罐体1的体积得以增加，石墨烯的制备效率因此提高。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。