电化学法规模化生产石墨烯材料的装置及生产工艺的制作方法

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1.本发明涉及新型碳材料石墨烯制备和产业化领域，是基于一种电化学法生产石墨烯材料的工艺，涉及整套电化学法规模化生产石墨烯材料的装置。


背景技术：

2.采用电化学法制备石墨烯材料，电解液中获得的石墨片层，分离洗涤后，经超声或均质分散，可直接获得石墨烯分散液或水性石墨烯导电浆料，经喷雾干燥或冷冻干燥后，获得高质量少层石墨烯粉体。目前国内外，在电化学法制备石墨烯材料方面进行了大量探索，但还未形成涉及电化学法规模化生产的整套装置。
3.当前主流的石墨烯材料制备方法有以下几种：氧化还原法、微机械剥离法、电化学法、化学气相沉积法等，石墨烯粉体和浆料制备的主要装置和设备目前处于非标准状态，还未形成行业标准，且不同制备方法所用的装置不同，原理不同。氧化还原法制备石墨烯的装置是由配料系统、反应系统、控温系统、清洗分离系统、干燥系统等组成，实现规模化生产的话，装置规模较大，且氧化石墨烯在清洗分离过程中存在技术瓶颈，需要大量的水清洗，氧化石墨烯中性分离较为困难。同时，会产生大量的硫酸、硝酸等废液，给环保带来巨大压力，同时环保成本也增加了材料的产品成本，不利于应用发展。微机机械剥离法制备的石墨烯材料，装置规模极小，只适用于实验室获取样品对基本的物化性能进行研究，几乎不可能做到规模化生产。化学气相沉积法制备石墨烯是以甲烷、乙炔等作为碳源，在保护气氛的下，1100℃进行分子裂解，裂解出的碳源子沉积到铜箔或者镍箔的表面，形成单层透明的石墨烯薄膜，这是制备石墨烯高端膜材料的主要制备方法，虽然在一些高端应用领域具有不可替代性，但是设备昂贵，反应条件苛刻，成本居高不下，很难形成产业化生产。我国的石墨烯材料生产仍以粉体产品和浆料产品为主，主要的应用领域集中于以粉体或浆料去复合的防腐涂料、锂离子电池浆料、电热材料、导热材料、相变材料等，低成本、高效、绿色解决高质量石墨烯材料制备问题，仍然是一项非常重要的工作。本发明是基于电化学法去设计开发整套的石墨烯材料生产装置，主要是因为电化学法是一种能够快速宏量制备少层石墨烯材料的方法，相比于氧化还原法更加绿色环保，且制备的石墨烯材料晶格较为完整，缺陷少，工艺简单，涉及的装置不复杂，易于标准化和规模化。


技术实现要素：

4.基于对电化学法生产石墨烯材料的研究，本发明提供了一种采用电化学法规模化生产石墨烯材料的装置。
5.本发明的电化学法规模化生产石墨烯材料的装置，所述的装置是由电解槽、夹具、电极材料和导电板构成，所述的电解槽的内部设有夹具，夹具上装有导电板，导电板上设有电极材料，电极材料伸入电解槽中，导电板的两侧连接0～30v变频直流电源，直流方向可做定向改变。
6.作为本发明的进一步改进，所述的电极材料为高纯石墨纸、膨胀石墨板材、天然鳞
片石墨、人造石墨棒。
7.作为本发明的进一步改进，所述为导电板为pt片或cu板。
8.作为本发明的进一步改进，所述的电解槽为倒梯形搪玻璃电解槽。
9.上述电化学剥离装置，石墨烯材料产量0.33kg/天/台，按500台计算，产量165kg/天，年产约50吨，规模可根据需要调整。
10.利用所述的装置生产石墨烯材料的工艺，操作步骤如下：
11.(1)以高纯石墨纸、膨胀石墨板材、天然鳞片石墨、人造石墨棒作为电极材料(3)，即作为被剥离的阴阳极；
12.(2)将上述(1)中的阴阳极，置于电解液中，利用双向变频直流电源，使阴阳极逐渐脱落；
13.(3)将上述(2)中阴阳极从电解液中分离并洗涤，可利用超声分散或均质分散获得石墨烯分散液和浆料，再按一定比例配入分散介质进行分散；
14.(4)将上述(3)中分散后的分散液浓缩或稀释，可制备不同浓度的水性石墨烯导电浆料；浆料浓度范围0.5％wt～5.0％wt，0.5％wt～2.0％wt浓度可用于锂离子电池正极浆料碳基复合制备，提高电容量和导电性。2.5％wt～5.0％wt可用于制备发热材料的印刷浆料，例如电热膜产品、远红外加热服饰、远红外加热框画、远红外加热器等，不同浓度的选择是基于产品规格的多样化，用不同浓度的浆料适配不同电压、电阻、发热问题、尺寸需求；
15.(5)将上述(4)中浆料或分散液中加入适量食品级添加剂，进行喷雾干燥或冷冻干燥可获得高质量少层石墨烯粉体。
16.作为本发明的进一步改进，所述的电解液为烯硫酸溶液、草酸溶液、硫酸钠溶液中一种或者一种以上的混合溶液。
17.作为本发明的进一步改进，所述的分散介质为离子水、乙醇、乙二醇、nmp，分散介质配入比例为1.0％wt～5.0wt。
18.作为本发明的进一步改进，所述的食品级添加剂为茶多酚和/或葡萄糖，添加剂的添加比例为1.5％wt～4.5％wt。
19.本装置优点是工艺过程廉价、操作简单易行，石墨烯材料质量高，性能好，易于规模化生产。而且此工艺具有可控性和连续性，工艺过程简单环保，产品制备效率高，是一种理想的新型石墨烯材料规模化生产工艺。
附图说明：
20.图1是本发明结构示意图；
21.图2是本发明实际应用时的连接方式。
22.图中：电解槽1、夹具2、电极材料3、导电板4。
具体实施方式：
23.实施例1
24.电化学法规模化生产石墨烯材料的装置，所述的装置是由电解槽1、夹具2、电极材料3和导电板4构成，所述的电解槽1的内部设有夹具2，夹具2上装有导电板4，导电板4上设有电极材料3，电极材料3伸入电解槽1中，导电板4的两侧连接变频电源。
25.所述的电极材料为高纯石墨纸、膨胀石墨板材、天然鳞片石墨、人造石墨棒；所述为导电板为pt片或cu板；所述的电解槽为倒梯形搪玻璃电解槽。
26.利用所述的装置生产石墨烯材料的工艺，操作步骤如下：
27.(1)以高纯石墨纸、膨胀石墨板材、天然鳞片石墨、人造石墨棒作为电极材料3，即作为被剥离的阴阳极；
28.(2)将上述(1)中的阴阳极，置于电解液中，利用双向变频直流电源，使阴阳极逐渐脱落；
29.(3)将上述(2)中阴阳极从电解液中分离并洗涤，再按一定比例配入分散介质进行分散；
30.(4)将上述(3)中分散后的分散液浓缩或稀释，可制备不同浓度的水性石墨烯导电浆料；
31.(5)将上述(4)中浆料或分散液中加入适量食品级添加剂，进行喷雾干燥或冷冻干燥可获得高质量少层石墨烯粉体。
32.实施例2
33.与实施例1的区别在于：选用纯度为99.9％的可膨胀石墨、天然鳞片石墨、人造石墨等经去除水分后，采用自主发明的成型方法，按一定尺寸压制成阴阳极材料，该尺寸为20mm
×
10mm
×
350mm；形状为长方体；重量135
±
5g；密度1.9～2.2g/cm3。通过压型模具、重量等确定成型过程中的尺寸。成型方法一般将石墨制成电极需要加入粘结剂，但粘结剂的加入会影响电极的导电性，且两个电极是制备石墨烯的原料来源，粘结剂的加入会影响产品的质量和性能。本发明中，主要以膨胀石墨为主，或将天然鳞片石墨预制成膨胀石墨，电极的成型方法采取分次预压释放应力，再经分次压延的冷压法，制成密度达到1.9-2.2g/cm3的电极，不产生裂纹，剥离过程中不断裂、脱落大颗粒石墨。
34.实施例3
35.与实施例1的区别在于：将电极材料与双向变频质量电流电源连接，在电解液中形成闭合回路，通电，通电电源为7.5v～12v。
36.实施例4
37.与实施例1的区别在于：将通电后，电解液中获得的石墨薄片进行分离、洗涤，并将其在去离子水等介质中分散。
38.实施例5
39.与实施例1的区别在于：将最终获得物料，按照一定比例浓缩，可制备0.5％～3％范围内不同浓度的石墨烯水性导电浆料。
40.实施例6
41.与实施例1的区别在于：将分散液中加入5％可作为食品添加剂的还原性试剂(指定纯度)，除去电化学剥离过程中残余在片层的少量含氧官能团。
42.实施例7
43.与实施例1的区别在于：将除去少量官能团后的分散液，进行喷雾干燥或冷冻干燥，可获得高质量少层石墨烯粉体。