一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術涉及納米材料制備技術領域，為解決傳統(tǒng)二維納米材料制備工藝存在的低效耗能、單層率低、片層尺寸分布廣，產率低的問題，提供了一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，包括冷卻循環(huán)系統(tǒng)、超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)和超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)，所述超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)包括超重力耦合機Ⅰ，所述超重力耦合機Ⅰ通過管路與第一計量裝置、第一驅動裝置和冷卻循環(huán)系統(tǒng)相連通；所述超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)包括超重力耦合機II，所述超重力耦合機II通過管路與第二計量裝置、第二驅動裝置和電導率測量裝置相連通。本發(fā)明專利技術的裝置結構簡單，配合緊湊，生產高效，可實現三循環(huán)同步運行，安裝與拆卸方便，能夠實現大規(guī)模低成本地生產多種二維層狀納米材料。

A Device for Preparing Two-Dimensional Nanomaterials by High Gravity Coupling

【技術實現步驟摘要】
一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置
本專利技術涉及納米材料制備
，尤其涉及一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置。
技術介紹
超重力技術是強化多相流傳遞及反應過程的新技術，由于它的廣泛適用性以及具有傳統(tǒng)設備所不具有的體積小、重量輕、能耗低、易運轉、易維修、安全、可靠、靈活以及更能適應環(huán)境等優(yōu)點，使得超重力技術在環(huán)保、材料、生物、化工等工業(yè)領域中有廣闊的商業(yè)化應用前景。超重力工程技術的基本原理是利用超重力場條件下多相流體系的獨特流動行為,強化相與相之間的相對速度和相互接觸,從而實現高效的動量、質量和熱量傳遞過程。形成超重力場的方式是通過馬達轉動設備整體或部件形成離心力場。中國專利公開了“一種高效超重力剝離二維納米材料的方法”，其公告號為CN201811420442.6，該專利技術介紹了一種將一次旋轉與二次旋轉耦合在一起使一次旋轉產生的正、負能量流與二次旋轉產生的正、負能量流耦合為一體，形成四步機械能驅動系統(tǒng)：一次旋轉負能量流→一次旋轉正能量流→二次旋轉負能量流→二次旋轉正能量流。第一步是一次旋轉所產生的負能量流將物料吸入二次旋轉流道內，第二步至第四步是同步發(fā)生的機械能轉化過程，即：超重力潛能→靜壓能→迪恩渦高速旋轉的動能。最終的結果是超重力潛能幾乎全部轉化為迪恩渦高速旋轉的動能，基本不存在機械能的耗散，進而顯著降低剝離過程中制冷機的致冷功率，實現高效剝離二維納米材料的方法。其典型特征是將二維層狀材料的分散液，通過管路進入高速旋轉的二次旋轉流反應器的中心入口，從反應器出口流出的料液，通過管路進入列管式換熱器的入口，從列管式換熱器出口流出的料液回流至循環(huán)儲槽中，如此循環(huán)多次后得到層數在3層以下的少層二維納米材料。但是，通過大量實驗證明這種方法仍存在明顯的不足之處，即這種動態(tài)的高速旋轉的二次旋轉流反應器在剝離石墨烯過程中會產生大量的微泡，靜態(tài)的二次旋轉流反應器在剝離石墨烯過程中也會產生微泡，但微泡的量很少。產生的微泡越多，說明剝離石墨烯的效率越低，這是由于石墨漿液在與反應器內壁強烈摩擦過程中，摩擦產生氣泡比摩擦剝離出石墨烯容易得多，靜態(tài)的二次旋轉流反應器是依靠2兆帕以上的靜壓驅動石墨漿液流過二次旋轉流反應器內壁的，這么高的靜壓顯著抑制了氣泡的生成，因此，只在反應器臨近出口的位置由于靜壓很低產生了很少量的微泡。對于動態(tài)的高速旋轉的二次旋轉流反應器，其進、出口之間超重力勢能差也超過了2兆帕，但是如此高的超重力勢能幾乎全部轉化為迪恩渦高速旋轉所需的動能了，所以反應器內靜壓很低，無法抑制住大量微泡的生成。實驗結果顯示，動態(tài)的二次旋轉流反應器比靜態(tài)的二次旋轉流反應器剝離效率降低了一個數量級以上。中國專利公開了“一種連續(xù)超重力分離二維納米材料的方法與裝置”，其公告號為CN201810575493.X，該專利技術介紹了一種根據U形管原理設計的連續(xù)超重力分離二維納米材料的方法與裝置，將含石墨烯的石墨漿液連續(xù)注入到超重力分離機的中心進料口中，料液沿U形管通道向外甩出，高濃度的石墨漿液被甩向U形管底部并從最外側的上噴口噴出，低濃度的石墨烯溶液在U形管中逆著超重力場方向流動并從靠內側的下噴口噴出，上下兩種物料的流量分配由上噴口控制。但是大量實驗結果表明很難采用傳統(tǒng)的技術控制連續(xù)超重力分離機的流量分配，這是由于上噴口噴出物料的壓力超過2兆帕，而且石墨漿液中石墨的粒度分布達到毫米尺度，這就要求噴口的尺寸也要達到毫米尺度，在2兆帕的壓力作用下毫米尺度的噴口很難將石墨漿液的流量控制在較低的流量范圍內。中國專利公開了“一種連續(xù)超重力滲濾分離二維納米材料的裝置及方法”，其公告號為CN201810752331.9，該專利技術介紹了一種利用超重力旋轉顆粒床層將均勻分散的二維納米薄片聚集在旋轉床層的內表面形成軟團聚體分離出可循環(huán)使用的剝離溶劑，然后將洗液充滿旋轉床裝置中，在旋轉床低速正轉和反轉作用下，形成懸浮液，脫洗出二維納米材料軟團聚體，用超重力離心分離裝置將軟團聚體聚集濃縮分離出來。但是大量實驗結果表明采用這種方法分離出來的石墨烯產品，雜質含量高且很難分離除去。
技術實現思路
本專利技術為了克服上述專利技術存在的諸多缺點，提供了超重力耦合制備二維納米材料的裝置，該裝置結構簡單，配合緊湊，可以快速、高效節(jié)能、低成本、大批量、高質量地生產多種二維層狀納米材料。為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，包括冷卻循環(huán)系統(tǒng)、超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)和超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)，所述超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)包括超重力耦合機Ⅰ，所述超重力耦合機Ⅰ通過管路與第一計量裝置、第一驅動裝置和冷卻循環(huán)系統(tǒng)相連通；所述超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)包括超重力耦合機II，所述超重力耦合機II通過管路與第二計量裝置、第二驅動裝置和電導率測量裝置相連通。本專利技術的裝置應用于超重力耦合技術制備二維納米材料，所述二維層狀材料為第四至第六主族半導體化合物（如GaSe、SnS）、過渡金屬鹵化物（如PbI2、MgBr2）、金屬氧化物（如MnO2、MoO3）、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、過渡金屬碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯類似物（半金屬硅烯、鍺烯）、第四主族元素的蜂窩狀二元化合物（如SiC、SnGe）、第三至第六主族化合物（如InSb、GaN）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和銻烯）、硅酸鹽、硅鋁酸鹽的電荷平衡膜板（如云母、粘土）、層狀水滑石中的一種。本專利技術裝置的核心是超重力耦合技術，本專利技術所述“超重力耦合”是指將超重力分離過程與混合過程耦合在一起，超重力耦合機雖然既能分離又能混合，但分離與混合必須分清主次。因此，本專利技術的裝置將石墨烯制備過程分為兩個漿液循環(huán)過程即：循環(huán)剝離與循環(huán)濃縮過程。本專利技術采用超重力耦合機Ⅰ用于循環(huán)剝離過程，采用超重力耦合機Ⅱ用于循環(huán)濃縮過程。超重力耦合機Ⅰ以剝離為主，分離為輔，因為從熱力學角度出發(fā)，高效的剝離過程離不開高效的分離過程。超重力耦合機Ⅱ則以分離為主，混合為輔，因為從動力學角度出發(fā)，高效的分離過程離不開高效的混合過程。本專利技術最后采用一個溶液大循環(huán)的方式將兩個漿液循環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)一為一個運行體系，如圖5所示。作為優(yōu)選，所述超重力耦合機Ⅰ和超重力耦合機Ⅰ均具有流線型結構的轉盤，所述轉盤包括設于內部的超重力分離單元和設于外側的超重力混合單元。作為優(yōu)選，所述超重力分離單元為由雙面對稱旋轉葉輪與上、下蓋板扣合形成的U形管結構；所述超重力混合單元為由上、下蓋板上相對開設的溝槽形成的二次旋轉流道結構。作為優(yōu)選，所述U型管的底部兩側設有濃縮漿液出料口，所述濃縮漿液出料口與二次旋轉流道相連通；所述U型管的底部中心設有漿液進料口；所述超重力耦合機Ⅰ的U型管的開口端兩側設有稀溶液出料口；所述超重力耦合機II的U型管的開口端兩側設有剝離液出料口。以剝離石墨烯為例，所述超重力耦合機Ⅰ的U型管的開口端兩側的稀溶液出料口流出的是石墨烯稀溶液；所述超重力耦合機II的U型管的開口端兩側的剝離液出料口流出的是石墨烯剝離液。本專利技術所述“超重力耦合機”是將連續(xù)超重力分離單元與混合單元耦合在一起的圓盤形設備，所述超重力分離單元是由雙面對稱旋轉葉輪與上、下蓋板扣在一起形成的超重力U形管結構，所述超重力混合單元是在上、下蓋板上雕刻出加速旋轉的二次旋轉流道，分離單元居于中心，混合單元居于外側，如圖2所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，其特征在于，包括冷卻循環(huán)系統(tǒng)、超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)和超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)，所述超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)包括超重力耦合機Ⅰ，所述超重力耦合機Ⅰ通過管路與第一計量裝置、第一驅動裝置和冷卻循環(huán)系統(tǒng)相連通；所述超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)包括超重力耦合機II，所述超重力耦合機II通過管路與第二計量裝置、第二驅動裝置和電導率測量裝置相連通。

【技術特征摘要】
1.一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，其特征在于，包括冷卻循環(huán)系統(tǒng)、超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)和超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)，所述超重力循環(huán)剝離系統(tǒng)包括超重力耦合機Ⅰ，所述超重力耦合機Ⅰ通過管路與第一計量裝置、第一驅動裝置和冷卻循環(huán)系統(tǒng)相連通；所述超重力循環(huán)濃縮系統(tǒng)包括超重力耦合機II，所述超重力耦合機II通過管路與第二計量裝置、第二驅動裝置和電導率測量裝置相連通。2.根據權利要求1所述的一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，其特征在于，所述超重力耦合機Ⅰ和超重力耦合機II均具有流線型結構的轉盤，所述轉盤包括設于內部的超重力分離單元和設于外側的超重力混合單元。3.根據權利要求2所述的一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，其特征在于，所述超重力分離單元為由雙面對稱旋轉葉輪與上、下蓋板扣合形成的U形管結構；所述超重力混合單元為由上、下蓋板上相對開設的溝槽形成的二次旋轉流道結構。4.根據權利要求3所述的一種超重力耦合制備二維納米材料的裝置，其特征在于，所述U型管的底部兩側設有濃縮漿液出料口，所述濃縮漿液出料口與二次旋轉流道相連通；所述U型管的底部中心設有漿液進料口；所述超重力耦合機Ⅰ的U型管的開口端兩側...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：葛志強，許建平，王東光，
申請(專利權)人：葛志強，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31