一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法技術

本發明專利技術屬于石墨烯技術領域，涉及一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，其特征在于將石墨原料與插層劑進行插層改性處理，利用多級圓錐式混煉機產生的強摩擦連續剝離插層石墨獲得石墨烯材料。特別是，所述多級圓錐式混煉機包括驅動系統、混煉剝離系統、膨脹系統，其中所述的混煉剝離系統由一級銷釘式分散元件、二級圓錐形取向元件、三級圓錐形摩擦元件、混煉室組成，預混物經一級銷釘式分散元件進行粉碎和分散；經二級圓錐形取向元件將粉碎分散的預混物通過錐形取向元件碾至厚片狀；經三級圓錐形摩擦元件的摩擦將厚片狀石墨剝離成大片狀石墨烯。通過連續粉碎分散、取向、摩擦剝離，實現了機械高剪切條件下大規模制備高質量石墨烯。

Method for preparing graphene material by multi-stage conical mixing mechanism

The invention belongs to the technical field of graphene, relates to a method for using multistage cone type mixing mechanism of preparation of graphene materials, which is characterized in that the raw material and the graphite intercalation agent by intercalation modification, strong friction mixer produced by multistage cone type continuous stripping graphite intercalated graphene materials. In particular, the multistage cone type mixer comprises a drive system, mixing system, expansion stripping system, the mixing stripping system comprises a pin type dispersion element, two element, three conical orientation conical friction element, a mixing chamber, a premix by a pin the dispersion elements are crushed and dispersed; the two conical orientation components will be crushed and dispersed premix by cone roller element orientation to thick sheet; the three friction friction element conical thickness of flake graphite peeling into large patches of graphene. By continuous grinding, dispersion, orientation and friction stripping, high quality graphene was prepared on a large scale under high mechanical shear conditions.

【技術實現步驟摘要】
一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法
本專利技術屬于石墨烯
，涉及一種機械剝離制備石墨烯的方法，特別涉及一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法。
技術介紹
石墨烯是一種碳原子按正六邊形緊密排布為蜂窩狀的平面原子晶體結構，石墨烯特有的平而結構使其具備了許多三維晶體不具備的特性，如比表面積高達2.6×103m2／g，導熱系數高達3×103W/(m．K)，力學性能為1.06×103Gpa，楊氏模量為1.0TPa，其力學強度高達130Gpa，是鋼的100多倍。石墨烯具有穩定的正六邊形晶格結構使其具有優異的導電性，電子遷移率高達1.5×104cm2／(V．s)，比半導體銻化銦的最大遷移率高2倍，比商用硅片的最大遷移率高10倍，此外石墨烯還具有很高的光透射率、室溫量子隧道效應、反常量子霍爾效應等。在新材料、新能源、電子材料、生物醫學以及環境保護等諸多領域具有潛在的應用前景。石墨烯的制備方法主要包括化學氣相沉積法、氧化插層再還原法、液相剝離法、機械剝離法。其中化學氣相沉積法可以獲得高質量的石墨烯，然而產率低，對襯底要求高，轉移存在極大的困難；氧化插層再還原法可以實現批量生產石墨烯，但是由于氧化過程中石墨烯的結構遭到破壞，難以得到高質量的石墨烯產品；液相剝離法是在合適的溶劑中，利用超聲能量對石墨片層進行解離，然而，溶劑剝離法制備石墨烯存在難以去除殘留溶劑的問題，而且溶劑剝離產率一般很低。相比之下，機械剝離法是一種能以低成本制備出高質量石墨烯的簡單易行的方法。中國專利公開號CN104003375A公開了一種小尺寸石墨烯的制備萬法，將石墨粉原料與溶劑混合得到石墨混合溶液，通過高速旋轉的轉子帶動流體一起高速運動，產生高速度梯度、高剪切力，同時高速流體與定子孔壁的凸臺發生高速撞擊使石墨片剝離和細化，所制備的石墨烯尺寸小且分布集中、單層比例高。該方法設備投資少，原料成本低，操作簡便易行，產量可觀。但該方法只適用于制備小面積的石墨烯。中國專利技術專利申請號201510073825.0公開了一種噸級生產石墨烯的類機械剝離裝置及其生產方法，裝置由一級或多級剝離設備串聯構成。轉子轉動時，轉子的外表面與物料倉的內表面在相配合位置處形成相對摩擦，從而使得石墨被剝離減薄獲得石墨烯。中國專利技術專利申請號201410756521.X公開了一種大規模制各石墨烯的綠色方法，該專利技術利用水溶性有機物熔體輔助三輥剝離制備石墨烯，該方法具有簡單易行，對于設備無特殊要求，成本低，效率高，可進行大規模生產等優點。通過長時間研磨使石墨剝離獲得了石墨烯，由于研磨過程中對剝離的石墨產生巨大的沖擊力，使石墨烯層產生結構缺陷，極易造成石墨烯晶格缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸，使制得的石墨烯產品晶體尺寸小，難以獲得大尺寸高質量石墨烯，難以進行大規模工業化生產，市場難以推廣。
技術實現思路
本專利技術針對目前研磨等機械制備的石墨烯產品質量不高、效率低的缺陷，提出一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，從而實現制備的石墨烯產品質量高，成本低，可大規模生產應用，具有廣闊的市場前景。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，其特征在于將石墨原料與插層劑進行插層改性處理，利用多級圓錐式混煉機產生的強摩擦連續剝離插層石墨獲得石墨烯材料，具體方法如下：(1)將石墨原料與插層劑按質量比100：3-10加入到高速混合攪拌機，以800-1200rpm的轉速混合分散6—l0min，使插層劑均勻分散在石墨層狀結構中，得到預混物；所述插層劑由聚乙二醇、領苯二甲酸酐、十六烷基二甲基銨鹽按質量比3:2:(2-5)組成；(2)將步驟(1)得到的預混物加入多級圓錐式混煉機中，所述多級圓錐式混煉機包括驅動系統、混煉剝離系統、膨脹系統，其中所述的混煉剝離系統由一級銷釘式分散元件、二級圓錐形取向元件、三級圓錐形摩擦元件、混煉室組成，預混物經一級銷釘式分散元件進行粉碎和分散；經二級圓錐形取向元件將粉碎分散的預混物通過錐形取向元件碾至厚片狀；經三級圓錐形摩擦元件的摩擦將厚片狀石墨剝離成大片狀石墨烯；經膨脹系統加壓和輸送在出料口形成疏松的石墨烯粗料；(3)將步驟(2)中的石墨烯粗料，分別用水、丙酮清洗2～3次，除去插層劑，再離心過濾，真空干燥即得石墨烯材料。所述的混煉室內壁為大曲面錐形螺旋面，螺旋面呈30度到45度。具有向前輸送物料的功能。從而對通道內的預混物產生拖曳剪切及交換作用，同時在元件的相對運動中，預混物在逐級發生粉碎分散、片取向、摩擦剝離，從而得到大片石墨烯。所述二級圓錐形取向元件與混煉室內壁間的間隙為固定為1-2mm。所述三級圓錐形摩擦元件內置彈簧，通過彈力與混煉室內壁緊密貼合，從而當已取向為厚片的石墨進入錐形摩擦元件，夾在摩擦元件與混煉室內壁間被摩擦剝離，形成石墨烯。其摩擦的大小可以根據產量和質量需求進行調節。所述膨脹系統是在出料口設置加壓泵，摩擦剝離的石墨烯經加壓然后自然快速泄壓在出料口膨脹輸送。進一步優選的，所述多級圓錐式混煉機轉速為100-800rpm，溫度為40-80℃。進一步優選的，所述多級圓錐式混煉機的混煉系統包括l對一級銷釘式分散元件、1對二級圓錐形取向元件、2對三級圓錐形摩擦元件。所述的石墨原料為鱗片石墨、膨脹石墨、熱裂解石墨、高取向石墨、氧化石墨中的一種。由上述所述方法得到的石墨烯材料應用于塑料增強、潤滑添加劑、防腐防水油漆。本專利技術一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，利用插層劑對石墨進行插層改性處理，減弱石墨層問的范德華力，使層間距增大，利于石墨的剝離，再將處理后的石墨加入多級圓錐式混煉機中，利用多級圓錐式混煉機中一級銷釘式分散元件、二級圓錐形取向元件、三級圓錐形摩擦元件，使石墨先變為厚片，然后通過可調的錐形摩擦元件摩擦剝離得到大片狀石墨烯。通過連續粉碎分散、取向、摩擦剝離，實現了機械高剪切條件下大規模制備高質量石墨烯。利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料，在石墨烯質量、產量、剪切效率、成本等方面具有明顯優勢，通過對該方法制備石墨烯進行分析評定，徑向尺寸達到20-50μm，厚度達到3-10nm。產量規模可達千噸級或者萬噸級，生產成本約0.2-0.6元／g。本專利技術一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，與現有技術相比突出的特點和有益的效果在于：1、將石墨原料與插層劑進行插層改性處理，使石墨層間出現間隙層間距增大，減弱石墨的層間作用力，利于石墨的剝離。2、通過設計特定的多級圓錐式混煉機，連續粉碎分散、取向、摩擦剝離，避免石墨烯晶體結構造成缺陷，不但得到的石墨烯材料片徑大，而且產量高。3、本專利技術制備方法設備投入低、成本低、工藝簡單、可大規模生產制備高質量石墨烯，具有廣闊的市場前景。附圖說明附圖1為多級圓錐式混煉機的示意圖。其中：1-驅動系統；2-混煉剝離系統；3-膨脹系統；4-一級銷釘式分散元件；5-二級圓錐形取向元件；6-三級圓錐形摩擦元件；7-混煉室；8-出料口；9-加壓泵。為進一步說明多級圓錐式混煉機通過摩擦剝離石墨烯，將三級圓錐形摩擦工作原理進行圖示。附圖2為三級圓錐形摩擦元件工作截面圖。其中，61-三級圓錐形摩擦元件；62-混煉室內壁；63-摩擦元件內置彈簧。具體實施方式實施例l(1)將鱗片石墨與插層劑按本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，其特征在于將石墨原料與插層劑進行插層改性處理，利用多級圓錐式混煉機產生的強摩擦連續剝離插層石墨獲得石墨烯材料，具體方法如下：(1)將石墨原料與插層劑按質量比100：3?10加入到高速混合攪拌機，以800?1200rpm的轉速混合分散6—l0min，使插層劑均勻分散在石墨層狀結構中，得到預混物；所述插層劑由聚乙二醇、領苯二甲酸酐、十六烷基二甲基銨鹽按質量比3:2:?(2?5)組成；(2)將步驟(1)得到的預混物加入多級圓錐式混煉機中，所述多級圓錐式混煉機包括驅動系統、混煉剝離系統、膨脹系統，其中所述的混煉剝離系統由一級銷釘式分散元件、二級圓錐形取向元件、三級圓錐形摩擦元件、混煉室組成，預混物經一級銷釘式分散元件進行粉碎和分散；經二級圓錐形取向元件將粉碎分散的預混物通過錐形取向元件碾至厚片狀；經三級圓錐形摩擦元件的摩擦將厚片狀石墨剝離成大片狀石墨烯；經膨脹系統加壓和輸送在出料口形成疏松的石墨烯粗料；(3)將步驟(2)中的石墨烯粗料，分別用水、丙酮清洗2～3次，除去插層劑，再離心過濾，真空干燥即得石墨烯材料；所述的混煉室內壁為大曲面錐形螺旋面，螺旋面呈30度到45度；所述二級圓錐形取向元件與混煉室內壁間的間隙為固定為1?2mm；所述三級圓錐形摩擦元件內置彈簧，通過彈力與混煉室內壁緊密貼合，從而當已取向為厚片的石墨進入錐形摩擦元件，夾在摩擦元件與混煉室內壁間被摩擦剝離；所述膨脹系統是在出料口設置加壓泵，摩擦剝離的石墨烯經加壓然后自然快速泄壓在出料口膨脹輸送。...

【技術特征摘要】
1.一種利用多級圓錐式混煉機制備石墨烯材料的方法，其特征在于將石墨原料與插層劑進行插層改性處理，利用多級圓錐式混煉機產生的強摩擦連續剝離插層石墨獲得石墨烯材料，具體方法如下：(1)將石墨原料與插層劑按質量比100：3-10加入到高速混合攪拌機，以800-1200rpm的轉速混合分散6—l0min，使插層劑均勻分散在石墨層狀結構中，得到預混物；所述插層劑由聚乙二醇、領苯二甲酸酐、十六烷基二甲基銨鹽按質量比3:2:(2-5)組成；(2)將步驟(1)得到的預混物加入多級圓錐式混煉機中，所述多級圓錐式混煉機包括驅動系統、混煉剝離系統、膨脹系統，其中所述的混煉剝離系統由一級銷釘式分散元件、二級圓錐形取向元件、三級圓錐形摩擦元件、混煉室組成，預混物經一級銷釘式分散元件進行粉碎和分散；經二級圓錐形取向元件將粉碎分散的預混物通過錐形取向元件碾至厚片狀；經三級圓錐形摩擦元件的摩擦將厚片狀石墨剝離成大片狀石墨烯；經膨脹系統加壓和輸送在出料口形成疏松的石墨烯粗料；(3)將步驟(2)中的石墨烯粗料，分別用水、丙酮清...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳慶，曾軍堂，陳兵，
申請(專利權)人：成都新柯力化工科技有限公司，
類型：發明
國別省市：四川,51