CN105523550A - 一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法。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。实现了连续、规模化生产层数均匀的石墨烯微片，而且产量高、成本低，无污染，层厚满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理领域的使用要求，有利于推动石墨烯的大规模应用。

Description

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

本发明涉及石墨烯材料领域，具体涉及石墨烯片的制备方法，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

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。

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℃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0～4℃搅拌反应1～4h，升温至20～40℃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。

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℃/min升温速率将上述氧化石墨小碎片升温至250～500℃，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。

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***、粉碎剥离***和气固分离***；在粉碎剥离***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。

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烯制备方法，对推动石墨烯材料的应用，促进石墨烯产业的发展具有重要意义。

发明内容

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。

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2.6-4.0MPa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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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

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。

实施例1

一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法：

（（1）将重量份为90的高取向石墨粉和重量份为0.5的苯甲酸苄酯在高速混合反应机中混合，以400rpm的转速搅拌分散45min，得到混合粉料；

（2）将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比2:1:1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，侵泡过程中将密闭高速搅拌器气压抽到50KPa，同时以转速300rpm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，每个工作喷嘴以2.6MPa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。

实施例2

一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法：

（（1）将重量份为100的热裂解石墨粉和重量份为1.5的苯甲酸苄酯在高速混合反应机中混合，以500rpm的转速搅拌分散60min，得到混合粉料；

（2）将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比3:1.5:1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20h，侵泡过程中将密闭高速搅拌器气压抽到60KPa，同时以转速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，每个工作喷嘴以4.0MPa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。

实施例3

一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法：

（（1）将重量份为95的膨胀石墨粉和重量份为0.8的苯甲酸苄酯在高速混合反应机中混合，以450rpm的转速搅拌分散50min，得到混合粉料；

（2）将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比2.4:1.2:1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18h，侵泡过程中将密闭高速搅拌器气压抽到55KPa，同时以转速360rpm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，每个工作喷嘴以3.6MPa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。

实施例4

一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法：

（（1）将重量份为98的鳞片石墨粉和重量份为1.2的苯甲酸苄酯在高速混合反应机中混合，以480rpm的转速搅拌分散55min，得到混合粉料；

（2）将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比2.2:1.3:1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，侵泡过程中将密闭高速搅拌器气压抽到56KPa，同时以转速420rpm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，每个工作喷嘴以2.8MPa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。

实施例5

一种利用圆盘式气流粉碎机制备石墨烯微片的方法：

（（1）将重量份为92的鳞片石墨粉和重量份为0.9的苯甲酸苄酯在高速混合反应机中混合，以500rpm的转速搅拌分散60min，得到混合粉料；

（2）将氯化铁、乙酸酐、乙酸以质量比3:1.4:1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18h，侵泡过程中将密闭高速搅拌器气压抽到50KPa，同时以转速320rpm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，每个工作喷嘴以3.4MPa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。

Claims (5)

1.一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，每个工作喷嘴以2.6-4.0MPa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。

2.根据权利要求1所述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：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。

3.根据权利要求1所述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：所述的圆盘式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。

4.根据权利要求1所述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：所述的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，工作喷嘴入口直径为6mm-10mm，相邻的两个工作喷嘴之间存在35°-50°夹角，使得石墨粉在扁平圆盘空腔工作室相互摩擦、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。

5.根据权利要求1所述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：所述方法制备的石墨烯微片满足在橡胶增强、塑料增强、涂料防腐、润滑、污水处理领域的应用。