本發(fā)明涉及一種二維納米新材料的生產裝置及制備方法，具體涉及一種采用機械剝離法制備石墨烯的生產裝置及制備方法。

背景技術：

石墨烯本質上是單層石墨，也可認為石墨烯是展開后的碳納米管。石墨烯片(graphenesheets)提供了許多非凡的性能，人們正在研究其在納米電子學、納米復合物、電池、超級電容器、氫貯藏以及生物應用中的用途。使用石墨烯片的主要限制在于目前無法對其進行大量生產。類似于碳納米管和許多其他納米材料，在合成和處理大量石墨烯片的過程中，關鍵的挑戰(zhàn)在于聚集作用。除非彼此完全分離，否則由于存在范德華相互作用，具有高比表面積的石墨烯片趨向于形成不可逆的結塊(agglomerates)，甚至重新堆積形成石墨。在此前所有針對通過化學轉化或熱膨脹/還原來大規(guī)模生產石墨烯的工作中，已經遇到這一問題。防止聚集作用對于石墨烯片特別重要，這是因為它們的多數獨特性能僅與單獨的片有關。通過將其他分子或聚合物附著在所述石墨烯片上，可以降低聚集作用。然而，對多數應用而言，不希望存在外來的穩(wěn)定劑。需要新的策略來大量產生相對純凈的石墨烯片，并且使其保持各自分離。

由扁平的石墨烯片堆疊組成的石墨較為廉價，其可由天然來源和合成來源大量得到。對于生成石墨烯片而言，這一普通的碳材料是最容易利用且最為廉價的來源。石墨的機械切割起初引起了石墨烯片的發(fā)現，并且目前用于多數石墨烯的實驗性研究。然而，這一方法目前的生產能力低導致其不適合大規(guī)模使用，僅僅在實驗中得到應用。

高質量石墨烯的大量生產是實現石墨烯廣泛應用的前提，也一直是石墨烯研究的一個熱點。目前常用的石墨烯制備方法有四種：超臨界法、外延生長法、化學氣相沉積法和氧化石墨還原法。超臨界法產率過低，僅適用于實驗室小型試驗；外延生長法對于生產設備、條件均要求較高，不適應于現階段生產要求；化學氣相沉積法難于得到均勻的單層石墨烯，且工藝復雜；氧化石墨還原法得到的還原石墨烯往往有太多的缺陷，對于石墨烯的電學性質是致命的影響。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種采用機械剝離法制備石墨烯的生產裝置及方法，能夠在不破壞石墨片層自然結構的基礎上，得到大面積、沒有缺陷的石墨烯，制得的石墨烯產品通過工藝參數的調節(jié)，保證了其較好的外觀形態(tài)，整個生產過程采用物理方法，綠色環(huán)保，工藝簡單。

本發(fā)明的目的是這樣實現的：一種采用機械剝離法制備石墨烯的生產裝置，包括投料罐、高壓水槍、高壓泵和收集槽，所述投料罐的下部與收集槽相連通，在所述收集槽通過支架固定，所述高壓水槍安裝在投料罐與收集槽的連通處內，槍口位于投料罐內部，角度為15°，水壓為200kpa，所述高壓水槍與高壓泵相連，在所述高壓水槍的槍口相對面的投料罐內壁面上設置有剪切器，在所述投料罐的底部設置有反沖水管，所述反沖水管通過反沖水泵與水箱相連，在所述投料罐的底部設置有攪拌器；

所述石墨膨脹加熱裝置包括加熱爐，在所述加熱爐上方設置有進料口和溫度表，下方設置有出料口，在所述加熱爐的下方外側設置有夾套，在所述夾套上設置有熱媒進口與熱媒出口，熱媒采用熱油或蒸汽，在所述加熱爐的內部設置有攪拌槳，所述攪拌槳與加熱爐頂部的攪拌電機相連，在所述加熱爐的內部側壁上均勻分布有多個超聲裝置，通過超聲裝置作用于石墨混合液得到均勻分散的懸浮液；

所述高剪切裝置包括反應釜和電機，所述電機安裝于反應釜的底部，在所述電機的輸出端上連接有剪切器，在所述反應釜的頂部設置有進料口、壓力表和溫度計，在所述反應釜的內壁面上設置有剪切溝槽，剪切溝槽呈螺旋式上升布置，在所述反應釜的中下部設置有出料口，在所述反應釜的外圍設置有夾套，在所述夾套上設有熱媒進口和出口，所述反應釜的出料口與儲料罐的進料口相連，所述儲料罐的出料口與離心機的進料口相連，所述離心機的出料口與冷凍干燥機的進料口相連，在所述剪切器的外圍嵌套有攪拌葉片單元，所述攪拌葉片單元包括固定座和伸出式葉片，所述固定座嵌套并固定在剪切器的外圍，所述伸出式葉片的一端與固定座相連接，傾斜方向與剪切器的旋轉方向相反，所述伸出式葉片的另一端連接有端部葉片，所述端部葉片與伸出式葉片呈垂直設置。

優(yōu)選地，所述剪切溝槽由四面體或齒形或兩者結合組成。

優(yōu)選地，所述剪切溝槽的四面體或齒形的頂角角度為10°~160°，長度為1cm-1000cm，厚度為0.5cm~3cm。

采用上述生產裝置制備石墨烯的方法如下：

步驟一、將純度在98%以上，粒徑為1μm~2cm石墨鱗片原料投入到高壓水流破碎裝置中，啟動高壓泵，調節(jié)壓力1.5atm，通過高壓水槍噴射的高壓水流撞擊石墨鱗片，然后將石墨鱗片混合液排出至收集罐中，將收集罐中的石墨鱗片混合液過濾烘干；

步驟二、過濾烘干后，將石墨鱗片、分散劑和溶劑加入到石墨膨脹加熱裝置中，通過超聲振動得到均勻分散的懸浮液，將懸浮液加熱到溫度為80~150℃，超聲頻率20khz~40khz，體積功率為5w/l~100w/l，持續(xù)時間2~5h，其中石墨鱗片的質量濃度為1%~25%；

步驟三、將加熱過后的懸浮液排入高剪切裝置中，加入鹽酸，增大剪切器轉速為2000-7500rpm/min，保持反應釜內溫度為80℃~150℃，攪拌2h-10h后，加入碳酸氫鈉，1~10h后停止反應，通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內，靜置2~24h；

步驟四、將儲料罐內的石墨烯懸浮液輸送至離心機內，離心機轉速為1000-6000rpm/min，10min~2h，取上層清液，真空過濾得到濾餅；

步驟五、將步驟四得到的濾餅以適量的蒸餾水洗滌3次，濾餅轉移至冷凍干燥機內，冷凍干燥3h，即得到石墨烯產品；

所述溶劑包括水，乙腈，正丁醇，乙醇，丙酮，n,n-二甲基甲酰胺，n-甲基吡咯烷酮中的一種或多種混合物，分散劑包括十六烷基三甲基溴化銨，十二烷基硫酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，膽酸鈉，聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮中的一種或多種的復配。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明緊緊抓住石墨烯剝離制備過程中，最重要的剪切作用，通過高轉速，剪切溝槽的設置等方式，充分發(fā)揮物料之間的剪切以及物料在高轉速下與溝槽的“碰撞”，實現了石墨烯的成功剝離，另外，由于采用物理剝離的方法生產石墨烯，主要成本為石墨，人工費，水電費和管理費，石墨原料價格低廉，通過更進一步優(yōu)化管理，生產成本具有極高優(yōu)勢。

2、本發(fā)明采用機械剝離法制得的石墨烯質量好，石墨通過自身的相互剪切作用，能夠去除表面的微粉顆粒。經過后續(xù)離心分離，干燥制得的石墨烯分布均一，邊緣呈圓形。

3、本發(fā)明不使用有毒物質，生產過程簡單可控，環(huán)境污染小。新型二維材料石墨烯的成功制備能夠產生巨大的經濟和社會效益，對環(huán)境不存在任何破壞。

4、本發(fā)明生產的石墨烯對于復合材料、光電領域領域提供了重要的原材料，由于表面平滑，尺度均一，邊緣整齊，應用在材料復合等領域能最大的發(fā)揮石墨烯的“四大特性”。較好的保存了石墨烯的片層結構，使用過程中，界面相互作用強，能夠發(fā)揮最大的材料力學性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中高壓水流破碎裝置的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中石墨膨脹加熱裝置的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明中高剪切裝置的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明高剪切裝置中剪切器的結構示意圖。

其中：

投料罐1

高壓水槍2

高壓泵3

收集槽4

支架5

剪切器6

反沖水管7

反沖水泵8

水箱9

攪拌器10

加熱爐101

進料口102

溫度計103

出料口104

夾套105

熱煤進口106

熱媒出口107

攪拌槳108

攪拌電機109

超聲裝置110

反應釜201

電機202

剪切器203

攪拌葉片單元2031

固定座2032

伸出式葉片2033

端部葉片2034

進料口204

壓力表205

溫度計206

剪切溝槽207

出料口208

儲料罐209

離心機2010

冷凍干燥機2011。

具體實施方式

參見圖1—圖4，本發(fā)明涉及一種采用機械剝離法制備石墨烯的生產裝置及方法：

實施例一、

步驟一、參見圖1，將純度在98%以上，粒徑為100μm的石墨鱗片原料投入到高壓水流破碎裝置中，啟動高壓泵，調節(jié)壓力200kpa，通過高壓水槍噴射的高壓水流撞擊石墨鱗片，破壞其層間的范德華力，使石墨鱗片發(fā)生剝離，然后將石墨鱗片混合液排出至收集罐中，將收集罐中的石墨鱗片混合液過濾烘干；

步驟二、參見圖2，經過濾烘干后，將50kg石墨鱗片和1kg膽酸鈉分散劑加入到石墨膨脹加熱裝置中，在加入350kg蒸餾水，用頻率為40khz的超聲，密度功率30w/l振動2h，得到均勻分散的懸浮液，接著往夾套內通入熱油或者蒸汽，使加熱到溫度為80℃，持續(xù)時間為5h，加熱過程中打開攪拌電機，通過攪拌槳使得懸浮液得到均勻加熱，由于溫度升高石墨鱗片層與層之間的范德華力減小，便于后面的剪切；

步驟三、參見圖3，將加熱過后的懸浮液排入高剪切裝置中，加入鹽酸3.5kg，攪拌2h后加入碳酸氫鉀，碳酸鈉和鹽酸進入到石墨鱗片的層間反應，產生的二氧化碳氣體將石墨鱗片的層與層頂開，增大剪切器轉速為5000rpm/min，由于較高的轉速，物料自身之間的剪切以及與內壁剪切溝槽的相互作用，使得石墨被逐層剝離，保持恒定溫度、轉速，5h后停止反應，通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內，靜置24h；

步驟四、將儲料罐內的石墨烯懸浮液輸送至離心機內，離心機轉速為1000-6000rpm/min，離心作用10min，通過離心，未被剝離的石墨已經多層石墨烯沉淀于底部，取上層清液，真空過濾；

步驟五、將步驟四得到的濾餅以適量的無水乙醇洗滌3次，濾餅轉移至冷凍干燥機內，冷凍干燥3h，即得到石墨烯產品。

實施例二、

步驟一、將純度在98%以上，粒徑為150μm的石墨鱗片原料投入到高壓水流破碎裝置中，啟動高壓泵，調節(jié)壓力200kpa，通過高壓水槍噴射的高壓水流撞擊石墨鱗片，破壞其層間的范德華力，使石墨鱗片發(fā)生剝離，然后將石墨鱗片混合液排出至收集罐中，將收集罐中的石墨鱗片混合液過濾烘干；

步驟二、經過濾烘干后，將20kg石墨鱗片和1kg聚乙烯醇分散劑加入到石墨膨脹加熱裝置中，再加入400kg蒸餾水，用頻率為20khz的超聲，密度功率5w/l振動2h，得到均勻分散的懸浮液，接著往夾套內通入熱油或者蒸汽，使加熱到溫度為100℃，持續(xù)時間為2h，加熱過程中打開攪拌電機，通過攪拌槳使得懸浮液得到均勻加熱，由于溫度升高石墨鱗片層與層之間的范德華力減小，便于后面的剪切；

步驟三、將加熱過后的懸浮液，過濾洗滌后，排入高剪切裝置中，加入鹽酸3.5kg，攪拌2h后加入2碳酸氫鉀，碳酸鈉和鹽酸進入到石墨鱗片的層間反應，碳酸鈉和鹽酸進入到石墨鱗片的層間反應，產生的二氧化碳氣體將石墨鱗片的層與層頂開，增大剪切器轉速為3500rpm/min，由于較高的轉速，物料自身之間的剪切以及與內壁剪切溝槽的相互作用，使得石墨被逐層剝離。保持恒定溫度、轉速，8h后停止反應，通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內，靜置15h；

步驟四、將儲料罐內的石墨烯懸浮液輸送至離心機內，離心機轉速為2000-5000rpm/min，離心作用1h，通過離心，未被剝離的石墨已經多層石墨烯沉淀于底部，取上層清液，真空過濾；

步驟五、將步驟四得到的濾餅以適量的無水乙醇洗滌3次，濾餅轉移至冷凍干燥機內，冷凍干燥3h，即得到石墨烯產品。

實施例三、

步驟一、將純度在98%以上，粒徑為250μm的石墨鱗片原料投入到高壓水流破碎裝置中，啟動高壓泵，調節(jié)壓力1.5atm，通過高壓水槍噴射的高壓水流撞擊石墨鱗片，破壞其層間的范德華力，使石墨鱗片發(fā)生剝離，然后將石墨鱗片混合液排出至收集罐中，將收集罐中的石墨鱗片混合液過濾烘干；

步驟二、經濾烘干后，將30kg石墨鱗片和1kg十二烷基硫酸鈉分散劑加入到石墨膨脹加熱裝置中，再加入500kgn-甲基吡咯烷酮中，用頻率為28khz，體積功率為25w/l的超聲振動3h，得到均勻分散的懸浮液，接著往夾套內通入熱油或者蒸汽，使加熱到溫度為120℃，持續(xù)時間為3h，加熱過程中打開攪拌電機，通過攪拌槳使得懸浮液得到均勻加熱，由于溫度升高石墨鱗片層與層之間的范德華力減小，便于后面的剪切；

步驟三、將加熱過后的懸浮液排入高剪切裝置中，加入鹽酸3.5kg浸泡6h后投入碳酸氫鉀2kg，攪拌5h，碳酸氫鈉和鹽酸進入到石墨鱗片的層間反應，產生的二氧化碳氣體將石墨鱗片的層與層頂開，增大剪切器轉速為7500rpm/min，由于較高的轉速，物料自身之間的剪切以及與內壁剪切溝槽的相互作用，使得石墨被逐層剝離。保持恒定溫度、轉速，7h后停止反應，通過出料口將上層懸浮液排出至儲料罐內，靜置12h；

步驟四、將儲料罐內的石墨烯懸浮液輸送至離心機內，離心機轉速為1000-6000rpm/min，離心作用2h，通過離心，未被剝離的石墨已經多層石墨烯沉淀于底部，取上層清液，真空過濾，得到的濾餅；

步驟五、將步驟四得到的濾餅以適量的無水乙醇洗滌3次，濾餅轉移至冷凍干燥機內，冷凍干燥3h，即得到石墨烯產品。