石墨烯金属粉末混合装置及粉末混合方法与流程

本发明涉及材料制备领域，特别是涉及一种石墨烯金属粉末混合装置及粉末混合方法。

背景技术：

石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，呈单层片状结构(厚度仅为几个纳米)。由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，是目前世界上已知的比强度最高、最坚硬的纳米材料，其断裂强度高达130gpa，基于石墨烯的优良特性，其被用于制备石墨烯金属复合材料。石墨烯与金属复合的工艺方法目前主要有两种：熔融铸造法和粉末冶金法。采用熔融铸造法制备石墨烯金属复合材料时，由于石墨烯与金属二者密度差异大，石墨烯很难在金属液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，恶化材料性能。因此石墨烯金属复合材料较少采用熔融铸造法来制备。采用粉末冶金法制备石墨烯金属复合材料时，需先获得石墨烯和金属均匀混合的粉体，然后通过后续的压力加工来制备石墨烯金属复合块体材料，最大限度地抑制了传统熔融铸造法带来的高温界面反应。因此，石墨烯金属复合材料一般采用粉末冶金法来制备。

铝及铝合金具有较高的比强度，在社会生活的各个方面均有较多的应用。粉末冶金法是目前最常用的制备石墨烯铝复合材料的方法，要得到高质量的石墨烯铝复合材料，需要石墨烯和铝粉进行充分混合，形成基本均一相，并且要求混合粉末完全干燥。传统的混合方法的粉末混合阶段通常是在液相中进行，但是铝粉成型过程中，要求铝粉完全干燥，采用先将石墨烯与铝粉混合后，再进行干燥，混合步骤复杂，制备周期较长，干燥方式能耗大，影响石墨烯铝复合材料的产业化推进。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统方法中石墨烯和铝粉混合粉末的混合步骤复杂，制备周期较长的问题，提供一种石墨烯金属粉末混合装置及粉末混合方法。

一种石墨烯金属粉末混合装置，包括：

传送装置，包括传送带、真空箱体、真空泵和加热设备，其中，所述真空泵用于对所述真空箱体进行抽真空，所述传送带包括上下相对设置上传送带和下传送带，所述上传送带和所述下传送带首尾相接形成一个空腔，所述真空箱体和所述加热装置设置于所述空腔中，所述真空箱体的上表面与所述上传送带贴合，所述真空箱体的所述上表面具有孔状结构，所述传送带设置有过滤膜，所述上传送带上的溶剂能够透过所述过滤膜和所述真空箱体的所述上表面而进入所述真空箱体内部，并且石墨烯和金属粉末不能够透过所述过滤膜；

石墨烯喷淋设备，隔空设置于所述传送带的所述上传送带上方，用于盛放石墨烯分散液并向所述上传送带上喷洒所述石墨烯分散液；

酒精喷淋设备，隔空设置于所述传送带的所述上传送带上方，并且所述酒精喷淋设备沿所述上传送带的传送方向设置于所述石墨烯喷淋设备的下游，用于盛放酒精并向所述上传送带上喷洒所述酒精。

在其中一个实施例中，所述酒精喷淋设备有多个，所述石墨烯喷淋设备及多个所述酒精喷淋设备等间隔依次沿所述传送方向并排设置。

在其中一个实施例中，所述过滤膜的孔径为0.1μm～0.45μm。

在其中一个实施例中，所述真空箱体的所述孔状结构的孔径为5mm～25mm。

在其中一个实施例中，所述过滤膜的材料为硝酸纤维素滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、醋酸纤维素滤膜、聚酰胺滤膜、聚四氟乙烯滤膜以及聚氯乙烯滤膜中的一种或多种，和/或，所述真空箱体的所述上表面的材料为橡胶。

在其中一个实施例中，所述真空箱体沿所述上传送带的传送方向设置于所述加热装置的上游。

在其中一个实施例中，所述石墨烯喷淋设备的喷嘴的孔径为2.5μm～15.5μm。

在其中一个实施例中，所述酒精喷淋设备的喷嘴的孔径为7.5μm～15.5μm。

在其中一个实施例中，所述真空箱体的底部设有排水口。

一种石墨烯金属粉末混合方法，采用所述的石墨烯金属粉末混合装置，并包括：

将金属粉末铺设在所述上传送带上；

将所述石墨烯喷淋设备中的所述石墨烯分散液喷洒在所述金属粉末上形成混合体系并采用真空泵对所述真空箱体进行抽真空，使所述混合体系中的部分溶剂透过所述过滤膜和所述真空箱体的上表面而进入所述真空箱体中；

将所述传送带自上游向下游传送至所述酒精喷淋设备，将酒精喷洒在所述混合体系上；以及

采用所述加热设备在所述空腔中对所述传送带进行加热。

在其中一个实施例中，所述传送带上铺设的所述金属粉末的厚度为30μm～100μm。

在其中一个实施例中，所述传送带的传送速度为0.6m/min～3m/min。

在其中一个实施例中，所述石墨烯喷淋设备的喷洒速度为15ml/min～300ml/min，单个所述酒精喷淋设备的喷洒速度为30ml/min～600ml/min。

在其中一个实施例中，所述加热的温度为45℃～90℃。

本发明的石墨烯金属粉末混合装置能够通过传送带的体系一步实现对石墨烯和金属的快速混合和干燥。通过将金属粉末铺设在传送带上，通过喷淋的方式，将石墨烯分散液均匀的喷淋到金属粉末上。传送带上具有过滤作用的过滤膜，采用真空辅助的方式加速过滤，石墨烯金属混合体系在传送带传送过程中，混合体系中的大部分溶剂被过滤而去除，在传送带传送的下游设有酒精喷淋设备，以保证溶剂的全部清除，在传送中进行混合体系加热，加速酒精的蒸发，并在传送带的末端进行粉末收集。该石墨烯金属粉末混合装置能够实现石墨烯和金属粉末的快速、高效的混合和干燥，适用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明一实施例的石墨烯金属粉末混合装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的石墨烯金属粉末混合方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请所述的“上游”为传送带110的传送方向的上游，“下游”为传送带110传送方向的下游。例如传送带110自左向右传送，则上游为更靠近左端的位置，下游为更靠近右端的位置。

请参阅图1，本发明实施例提供一种石墨烯金属粉末混合装置，包括：

传送装置，包括传送带110、真空箱体120、真空泵130和加热设备140，其中，所述真空泵130用于对所述真空箱体120进行抽真空，所述传送带110包括上下相对设置上传送带112和下传送带114，所述上传送带112和所述下传送带114首尾相接形成一个空腔，所述真空箱体120和所述加热设备140设置于所述空腔中，所述真空箱体120的上表面与所述上传送带112贴合，所述真空箱体120的所述上表面具有孔状结构，所述传送带110设有过滤膜，所述上传送带112上的溶剂能够透过所述过滤膜和所述真空箱体120的所述上表面而进入所述真空箱体120内部，并且石墨烯和金属粉末不能够透过所述过滤膜；

石墨烯喷淋设备210，隔空设置于所述上传送带112上方，用于盛放石墨烯分散液并向所述上传送带112上喷洒所述石墨烯分散液；

酒精喷淋设备220，隔空设置于所述传送带110的所述上传送带112上方，并且所述酒精喷淋设备220沿所述上传送带112的传送方向设置于所述石墨烯喷淋设备210的下游，用于盛放酒精并向所述上传送带112上喷洒所述酒精。

本发明实施例的石墨烯金属粉末混合装置能够通过传送带110体系一步实现对石墨烯和金属的快速混合和干燥。通过将金属粉末铺设在传送带110上，通过喷淋的方式，将石墨烯分散液均匀的喷淋到金属粉末上。传送带110上具有过滤作用的过滤膜，采用真空辅助的方式加速过滤，石墨烯金属混合体系在传送带110传送过程中，混合体系中的大部分溶剂被过滤而去除，在传送带110传送的下游设有酒精喷淋设备220，以保证溶剂的全部清除，在传送中进行混合体系加热，加速酒精的蒸发，并在传送带110的末端进行粉末收集。该石墨烯金属粉末混合装置能够实现石墨烯和金属粉末的快速、高效的混合和干燥，适用于工业化生产。

在一实施例中，所述酒精喷淋设备220有多个。在一实施例中，所述石墨烯喷淋设备210及多个所述酒精喷淋设备220依次沿所述传送方向并排设置，多个酒精喷淋设备220设置在所述。在一实施例中，所述石墨烯喷淋设备210及多个所述酒精喷淋设备220等间隔设置。在一实施例中，所述酒精喷淋设备220有3个或4个。

在一实施例中，所述传送带110的材料整体为所述过滤膜或者部分段为所述过滤膜。在一实施例中，所述过滤膜的孔径为0.1μm～0.45μm。过滤膜的孔径过大则造成石墨烯或金属粉末从过滤膜的孔洞中漏入至真空箱体120中。过滤膜的孔径过小则对溶剂的过滤效果差并且易堵塞过滤膜的孔洞。

在一实施例中，所述真空箱体120的所述孔状结构的孔径大于或等于所述过滤膜的孔径。在一实施例中，所述真空箱体120的所述孔状结构的孔径为5mm～25mm。真空箱体120的孔状结构孔径过小则对传送带110上的抽真空压力较弱，过滤性差；孔径过大则真空箱体120的密封性差，抽真空效果不明显。

在一实施例中，传送带110沿传送方向长度为l，即上传送带112长度为l，真空箱体120上表面长度为传送带110沿传送方向长度的60％～80％，即为0.6l～0.8l。

在一实施例中，所述真空箱体120沿所述上传送带112的传送方向设置于所述加热装置140的上游，所述加热装置集中于所述上传送带112的较下游用以去除混合体系中的酒精。

在一实施例中，所述过滤膜的材料为硝酸纤维素滤膜、聚偏氟乙烯滤膜、醋酸纤维素滤膜、聚酰胺滤膜、聚四氟乙烯滤膜以及聚氯乙烯滤膜中的一种或多种。该种材料的过滤膜一方面具有一定的承压性，在铺设较薄的石墨烯和金属粉末的情况下不易发生变形，另一方面该种材料与对金属粉末的粘附性差，避免石墨烯金属混合粉末粘附在传送带110上而不易收集，并且避免堵塞传送带110的过滤膜的孔洞而降低抽真空对溶剂的过滤作用。

在一实施例中，所述真空箱体120的所述上表面的材料为橡胶。橡胶具有较强的承压性，能够对传送带110及传送带110上的石墨烯金属粉末起到支撑作用，避免传送带110的形变。在一实施例中，真空箱体120上表面的厚度大于过滤膜的厚度。

石墨烯喷淋设备210和酒精喷淋设备220分别应控制在合适的范围，前者保证石墨烯和金属粉末的均匀分散，后者保证石墨烯和金属粉末混合粉体的均匀干燥。在一实施例中，所述石墨烯喷淋设备210的喷嘴的孔径为2.5μm～15.5μm。在一实施例中，所述酒精喷淋设备220的喷嘴的孔径为7.5μm～15.5μm。

在一实施例中，所述真空箱体120的底部设有排水口122。传送带110上的溶剂在抽真空作用下进入真空箱体120，从排水口122排出，使得传送混合过程连续进行。

在一实施例中，所述加热设备140可以为电阻加热元件，例如电阻加热炉、电阻加热丝或电阻加热带等。所述加热设备140和/或所述真空箱体120可通过支架固设于所述传送装置空腔的固定位置。

本发明实施例还提供一种石墨烯金属粉末混合方法，采用所述的石墨烯金属粉末混合装置，并包括：

s100，将金属粉末铺设在所述上传送带112上；

s200，将所述石墨烯喷淋设备210中的所述石墨烯分散液喷洒在所述金属粉末上形成混合体系并采用真空泵130对所述真空箱体120进行抽真空，使所述混合体系中的部分溶剂透过所述过滤膜和所述真空箱体120的上表面而进入所述真空箱体120中；

s300，将所述传送带110自上游向下游传送至所述酒精喷淋设备220，将酒精喷洒在所述混合体系上；以及

s400，采用所述加热设备140在所述空腔中对所述传送带110进行加热。

在步骤s100中，所述传送带110上铺设的所述金属粉末为较薄的厚度，避免厚度过后而造成金属粉末的上层和下层的石墨烯浓度不均。在一实施例中，传送带110上铺设的所述金属粉末的厚度为30μm～100μm。优选的，厚度可以为40μm～60μm。

在步骤s200中，喷洒石墨烯分散液的过程可在传送带110运行过程或者暂停过程中进行。

在一实施例中，所述传送带110的传送速度为0.6m/min～3m/min，所述石墨烯喷淋设备的喷洒速度为15ml/min～300ml/min，单个所述酒精喷淋设备的喷洒速度为30ml/min～600ml/min。传送带110的速度、石墨烯分散液的喷洒速度及酒精喷洒速度相互配合，实现石墨烯和金属粉末的均匀分散和充分干燥。

在步骤s300中，酒精喷淋设备220中的酒精优选为100％浓度的酒精。

在步骤s400中，所述加热的温度可为45℃～90℃。加热温度不宜过高，避免长时间高温而造成传送带110的老化。

本发明实施例的石墨烯金属粉末混合装置和混合方法可用于将石墨烯和铝粉混合，混合后的石墨烯铝混合粉体可用粉末冶金法制备石墨烯铝复合材料。

实施例1

石墨烯金属粉末混合装置的结构如图1所示。传送带110为硝酸纤维素滤膜作为过滤膜，孔径为5μm。真空箱体120上表面材料为橡胶，上表面的孔状结构孔径略大于硝酸纤维素滤膜。上传送带112长度为l，真空箱体120上表面长度为0.75l。加热设备140设于传送带110末端。在石墨烯喷淋设备210中预装石墨烯的水分散液，在酒精喷淋设备220中预装纯酒精。

在上传送带112的前端铺设50μm厚度的铝粉。

将石墨烯喷淋设备210中的石墨烯分散液喷洒在所述金属粉末上形成混合体系，并采用真空泵130对所述真空箱体120内部进行抽真空至真空箱体120中的真空度为10pa以下，使石墨烯铝粉混合体系中的部分水溶剂透过过滤膜和真空箱体120的上表面而进入真空箱体120中，通过抽真空去除大部分混合体系中的水。真空箱体120中的水通过底部的排水口122排出。

远转传送装置，按照1m/min的速度将传送带110自上游向下游传送至所述酒精喷淋设备220下，将酒精喷洒在石墨烯铝粉混合体系上，通过酒精带走剩余大部分的溶剂水。

采用电阻加热丝在传送带110的末端位置对传送带110即传送带110上的混合体系进行加热，除去剩余酒精和水，最后在传送带110末端收集混合干燥后的石墨烯铝混合粉体。

立即称取收集的石墨烯铝混合粉体质量，计算得到酒精和水的去除率为99％。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，区别仅在于不启动真空泵130，不抽真空。

称取收集的石墨烯铝混合粉体质量，计算得到酒精和水的去除率为73％。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，区别仅在于不进行传送带110末端的加热。

称取收集的石墨烯铝混合粉体质量，计算得到酒精和水的去除率为86％。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。