一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及石墨稀材料领域，具体涉及石墨稀片的制备方法，特别是涉及一种利 用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是继碳纳米管之后被发现的又一新型碳纳米材料，是一种只有一个原子厚 度的二维碳膜，是人们迄今发现的唯一一种由单层原子构成的材料，碳膜中碳原子之间由 化学键连接成六角网络，由于碳原子之间的化学键由sp2杂化轨道组成，因此石墨烯很顽 强，具备可弯折、导电性强、机械强度好、透光性好等其他新材料不具备的优良特性，这些特 性使得石墨烯的制备方法一直以来备受关注。
[0003] 中国发明专利申请号201410638933.3公开了氧化石墨烯及石墨烯的制备方法，包 括以下步骤:氧化石墨烯的制备方法:将石墨原料、溶剂及氧化剂混合均匀，置于密闭反应 容器中，于40~120°C下搅拌反应0.5~6h，减压、抽滤、洗涤后，将过虑物真空干燥、研磨处 理，将干燥研磨后的产物均匀分散于去离子水中，于酸性条件下加入氧化剂，于〇~4°C搅拌 反应1~4h，升温至20~40°C搅拌反应1~2h，将反应后的悬浊液分离提纯，分散于去离子水 中喷雾干燥即为氧化石墨烯。该发明的制备方法工艺简单而且易于操作，原辅料的选择比 较常见，但是该发明的制备方法成本高昂，很难工业化生产。
[0004] 中国发明专利申请号201410286173.4公开了一种石墨烯的制备方法，其包括以下 步骤:（1)将氧化石墨用机械剪切或球磨的方式破碎成小碎片；（2)在氢氮或氢氩气氛下，按 氢气体积浓度为1~19%，氮气或氩气的浓度为99~81%，气体流速为10~100mL/min，以5~ 35°C/min升温速率将上述氧化石墨小碎片升温至250~500°C，保温时间为5~120min，氢氮 或氢氩气流下降至室温或自然冷却至室温，得到石墨烯。该发明的制备方法操作简单，得到 的石墨烯还原程度较高，但是该发明的制备方法制备的石墨烯产量小。
[0005] 中国发明专利申请号201410226056.9公开了采用气流粉碎剥离方法制备石墨烯 前驱体二维纳米石墨粉的工艺和装置，该发明装置包括气源系统、粉碎剥离系统和气固分 离系统;在粉碎剥离系统中，A回流管、B回流管和上升管构成了气流粉碎剥离过程的物料循 环回路;A引气管、B引气管和C引气管构成了气流粉碎剥离过程的气流粉碎通道。制备石墨 烯前驱体二维纳米石墨粉采用三股超音速射流共同携带石墨颗粒，通过带料射流的碰撞与 摩擦，实现石墨颗粒的高纯粉碎与剥离，通过石墨颗粒的循环连续粉碎剥离，由此获得二维 纳米石墨粉。该发明利用石墨颗粒之间的相互碰撞与摩擦来实现石墨粉的粉碎与剥离，获 得高纯度的二维纳米石墨粉，但是该发明的制备方法产率低，产品质量不可控。
[0006] 随着现代工业的快速发展，现有的石墨烯制备方法由于成本高、工艺复杂、环境污 染大等缺陷，注定将被市场淘汰。因此，发明一种制备工艺简单，生产安全环保，生产成本 低，产量高，产品质量稳定的石墨稀制备方法，对推动石墨稀材料的应用，促进石墨稀产业 的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0007] 针对目前石墨烯生产成本高，制备工艺复杂，产量小的缺点，本发明提出一种低成 本制备石墨烯微片的方法。该方法利用圆盘式气流粉碎机制备层数在100-300层的分布均 匀的石墨烯微片，制备的石墨烯微片可应用于橡胶、塑料、涂料、润滑油、污水处理等复合材 料中，或者作为进一步制备石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制备成本。
[0008] 为解决上述问题，本发明采用以下技术方案： 一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法，其特征在于:先将石墨粉预进行 低压插层脆化，再通过圆盘式气流粉碎机八个工作喷嘴喷射的气流产生的以剪切力为主的 剪切力、摩擦力和撞击力剥离石墨，获得层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片，具体 方法如下： (1) 将重量份为90-100的石墨粉和重量份为0.5-1.5的苯甲酸苄酯在高速混合反应机 中混合，以400-500rpm的转速搅拌分散45-60min，得到混合粉料； (2) 将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比2-3:1-1.5:1配制成插层剂，然后将步骤（1)得到 的混合粉料在装有插层剂的密闭高速搅拌器中浸泡15h-20h，侵泡过程中将密闭高速搅拌 器气压抽到50-60KPa，同时以转速300-500rpm搅拌;然后通过离心机滤干、干燥得到预插层 粉料； (3) 将步骤(2)得到的预插层粉料送入圆盘式气流粉碎机中，圆盘式气流粉碎机设置八 个工作喷嘴，八个工作喷嘴均匀的分布在工作腔体的侧边，每个工作喷嘴以2.6-4. OMPa的 压力喷入工作腔体中，粉料在工作腔体中以射流的形式摩擦、碰撞，产生高强度的以剪切 力为主的剪切力、摩擦力和撞击力，粉料在高速气流中反复摩擦、碰撞的过程中，石墨层被 不断剥离，通过旋风出料口产出，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片。 所述石墨粉为鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨中的任一种，粒径介于100 微米和400微米之间。
[0009] 所述圆盘式气流粉碎机包括工质入口、内衬、工作腔体、旋风出料口、余气排出口、 进料口、工作喷嘴、工质分配室。先将石墨粉进行热处理，然后利用插层剂对石墨烯进行预 处理，减小石墨层之间范德华力，使石墨层更易被剥离，再将石墨粉加入圆盘式气流粉碎机 中，在高速气流碰撞的中使石墨之间相互摩擦、碰撞，产生以剪切力为主的剪切力、摩擦力 和撞击力，将石墨剥层，从而获得石墨烯微片。
[0010] 所述圆盘式气流粉碎机设置八个工作喷嘴，工作喷嘴入口直径为6mm-10mm，压力 通过压缩的惰性气体产生，使物料随高压气流进入工作腔体，由于设置的工作喷嘴在相邻 的两个工作喷嘴之间存在35° -50°夹角，使得石墨粉在工作腔体中相互摩擦、碰撞，摩擦、碰 撞产生的以剪切力为主的剪切力、摩擦力和撞击力，使石墨层不断剥离，得到层数在100-300层的分散均匀的石墨烯微片。
[0011] 为了推动石墨烯材料的广泛应用，本发明提出一种利用圆盘式气流粉碎机制备石 墨烯微片的方法，该方法能够量产的获取层数在100-300层的石墨烯微片，生产过程稳定， 而且无污染，生产成本想比于现有的石墨烯制备方法，只有百分之一;制备的石墨烯微片不 仅层数均匀，而且兼具优异的机械强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀 特性。另一方面，本发明制备的石墨烯微片的厚度介于纳米尺度范围之内，而其径向宽度介 于5微米和50微米之间，具有超大的比表面积，因而可将石墨烯微片应用于橡胶、塑料、涂 料、润滑油等复合材料中；也可以作为进一步制备石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯 的制备成本。
[0012] 本发明利用圆盘式气流粉碎机制备的石墨烯微片，不但层数分散均匀，而且无污 染、产量高、成本低，满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理等领域的要求， 有利于推动石墨烯的大规模应用。其主要性能优势如表1所示。
[0013] 表1。
本发明一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法，与现有技术相比，其突出 的特点和优异的效果在于： 1、利用低压插层预处理石墨粉，减小石墨层之间范德华力，使得石墨层更易剥离。
[0014] 2、利用圆盘气流粉碎机八个存在夹角的工作喷嘴喷射的气流，让石墨烯在工作腔 体摩擦、碰撞，不断剥离，获得层数可控、分布均匀的石墨烯微片。
[0015] 3、本发明制备方法易于控制，可实现连续化封闭式生产，投入小、成本低、无环境 污染、产量高，具有显著的市场应用价值。
【附图说明】
[0016] 为进一步说明利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法，通过附图进行说 明。
[0017] 附图1:为圆盘式气流粉碎机示意图。1-工质入口； 2-内衬;3-工作腔体;4-旋风出 料口； 5-余气排出口； 6-进料口； 7-工作喷嘴;8-工质分配室。
【具体实施方式】
[0018] 以下通过【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明 的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术 知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
[0019] 实施例