CN113185855A - 一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备 - Google Patents

一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，属于石墨烯粉体技术领域，包括运输物料盘、照射室、臭氧喷口和雾化喷头，所述运输物料盘穿过照射室，所述雾化喷头和臭氧喷口均设置在照射室内，所述雾化喷头设置在靠近照射室出口处，使用时通过运输物料盘将石墨烯粉体自动的运输到照射室内去，通过臭氧喷口放出臭氧，使石墨烯粉体与臭氧混合，再通过雾化喷头喷出石墨烯改性助剂，促进石墨烯粉体的初步表面改性，照射室发射高密度紫外线与石墨烯粉体反应。

Description

一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备
技术领域
本发明涉及石墨烯粉体技术领域，尤其涉及一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备。
背景技术
在石墨烯的应用过程中存在着一个问题，即在石墨烯的分散过程中，由于完整结构的石墨烯由含稳定键的苯六元环组成，化学稳定性高，表面呈惰性状态，与其他介质相互作用较弱，且石墨烯各片层间存在很强的分子间作用力，导致片层极易堆叠在一起而难以分散开来，很难溶解于溶剂中，更难与其他有机或无机材料均匀地复合。这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难，因而改善石墨烯分散性及其与各种溶剂和材料的相容性成为扩展石墨烯应用领域亟待解决的问题。解决上述问题的一种有效方法是对其进行表面功能化。石墨烯表面功能化是在非完美石墨烯表面的缺陷处，通过共价键、非共价键连接而引入特定的官能团，使石墨烯表面某些性质发生改变。该方法能达到的效果有：改善石墨烯的分散性；提高材料的表面活性；赋予其新的物理、化学特性；改善石墨烯与其他物资的相容性。
目前，石墨烯表面功能化的研究处于发展阶段，从功能化方法来看，主要分为两种：(1)共价键功能化；(2)非共价键功能化。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的重要手段，其次还有电子性能改性如掺杂、离子轰击等，除此之外，通过高能球磨直接制备石墨烯聚合物复合材料也较多。但上述各类方法很难避免对其原有优异性能的损伤，离子轰击方法具有独到的优势，通过赋予轰击离子合适的能量并轰击石墨烯的特定位置，可在石墨烯中形成取代缺陷(即取代石墨烯中的碳原子)、空位缺陷，在保持石墨烯本征二维结构不变的同时赋予其新的电学性能。但目前该方法在理论上研究较多，要在实验室实现定离子、定能量及定位置轰击石墨烯还是一大难题。近年来，对石墨烯改性已经取得了很大的进步，但为了充分发挥石墨烯的物理性能，进一步拓展其应用领域，还需要研究新的改性方法及完善、改进现有的方法。
CN201710249590.5公开了一种静电辅助石墨烯插层包覆钛纳米聚合物的制备方法，属于聚合物制备领域。该方法步骤为：1.将石墨粉与钛粉按一定质量比例静电混合；2.将1中混合好的粉体材料与环氧树脂E44、低分子聚硅氧烷、DPM-30、带环氧基硅氧烷、溶剂投入不锈钢反应釜中进行反应完成石墨烯插层包覆钛纳米聚合物浆料的制备。
或者现有的石墨烯改性方法主要是制备过程中通过化学氧化方法对石墨烯进行酸化处理得到氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)，石墨烯氧化物中含有大量羧基、羟基和环氧基等活性基团，因而可以利用这些基团与其他分子之间的化学反应对石墨烯表面进行共价键功能化。
本公司之前亦申请发明专利(专利号：CN201911097413.5)：一种石墨烯的制备方法及含有该石墨烯的浆料制备方法，取鳞片状石墨粉、改性剂如硅烷偶联剂或含有硅羟基的化合物、蒸馏水和硼酸溶液置于不锈钢高压瓶中，抽走不锈钢高压瓶中空气，往不锈钢高压瓶中充装液态气体，摇匀静置使液态气体及所溶解的改性剂、水等在高压环境下浸润渗透至石墨粉片层间隙内部。将不锈钢高压瓶连接固态气体制备机器，制备固态气体。将固态气体置于185、254nm波长紫外光清洗机内进行高能紫外照射，固态气体接受高能辐射直接快速升华产生微观爆裂效应，剥离出少层甚至单层石墨烯，同时辐照产生的高能诱使石墨烯表面产生C＝O基、C-OH基，与改性剂继续接枝改性，直到固态气体完全消失后继续紫外辐照一段时间制备得到所述的改性石墨烯粉体，将改性石墨烯粉体继续在紫外灯下曝照，得到石墨烯在中间体于真空中保存，进一步将制备得到的改性石墨烯中间体一步法制备成分散好的改性钛硅石墨烯浆料，该制备改性石墨烯及其分散浆的方法高效环保，同时该石墨烯浆料分散性极好，具备表面功能化特性，同时与纳米钛、硅发生键合接枝改性形成钛硅石墨烯三元复合新型材料，能方便分散并接枝于各类高分子介质中，同时也能与其他纳米材料复合接枝进行有效包覆，降低了石墨烯本身的导电性，为后期制备屏蔽性防腐涂料提供便利而又不至于形成碳负极。此发明仍存在单机产量低，流程复杂等缺陷，大规模进行下游应用成本较高。
发明内容
本发明实施例提供一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，通过直接外购石墨烯粉体进行自动化批量改性，达到快速批量制备各类接枝或界面改性后的石墨烯粉体和浆料，为下游大规模使用各类改性石墨烯提供了全新的技术路线。
本发明实施例采用下述技术方案：本发明实施例提供一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，包括运输物料盘、照射室、臭氧喷口和雾化喷头，所述运输物料盘穿过照射室，所述雾化喷头和臭氧喷口均设置在照射室内，所述雾化喷头设置在靠近照射室出口处。
进一步，所述石墨烯粉体的层数为3-10层，厚度1-10纳米，片径为0.1-5微米，均匀平铺于设备不锈钢运输物料盘内，每平米物料平铺密度控制在0.3-0.5kg之间。
进一步，所述石墨烯的配方为：
二芳基碘鎓盐I-250：0.01-0.1；
安息香***：1-5；
KH-560硅烷偶联剂：1-5；
环氧聚硅氧烷丙烯酸酯(AEPS)：80-90。
进一步，所述照射室内高密度紫外灯，紫外光波长250-285nm，照射强度达到2000-5000W/M2。接受辐射的输送行程为5米-10米，宽0.5，行走速度为0.2-0.5m/min。
进一步，所述照射室的进出口处均设置有挡板。
进一步，所述运输物料盘设置有高频震动器。
进一步，所述雾化喷头设置有六个，六个所述雾化喷头分别设置在运输物料盘的两侧且靠近照射室出口处一米的位置，喷洒总量为每分钟50-100ml改性剂。
本发明实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
其一，本发明实施例中在不影响运输物料盘上料的情况下，在照射室的进出口处均设置有挡板，可以减少臭氧的溢出，减少工作成本。
其二，使用运输物料盘将石墨烯粉体运输至照射室内，通过高频震动器使运输物料盘不断处于震动，石墨烯粉体不断搅动的状态，增加石墨烯粉体与紫外光和臭氧的接触面积，大幅提高粉体的受紫外光激发及与臭氧发生表面氧化的概率。
其三，本专利通过在照射室后端一米范围内两侧各分布三个自动雾化喷头，可以保证石墨烯粉体与石墨烯改性助剂完全混合接触，增加产品的优良率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的剖视结构示意图；
图3为KH560与GO反应示意图；
图4为GO、KH-560、f-GO的FT-IR图。
附图标记
运输物料盘1，高频震动器11，照射室2，挡板21，臭氧喷口3，雾化喷头4。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
本发明实施例提供一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，包括运输物料盘1、照射室2、臭氧喷口3和雾化喷头4，所述运输物料盘1穿过照射室2，所述雾化喷头4和臭氧喷口3均设置在照射室2内，所述雾化喷头4设置在靠近照射室2出口处，使用时通过运输物料盘1将石墨烯粉体自动的运输到照射室2内去，通过臭氧喷口3放出臭氧，使石墨烯粉体与臭氧混合，再通过雾化喷头4喷出石墨烯改性助剂，促进石墨烯粉体的初步表面改性，照射室2发射高密度紫外线与石墨烯粉体反应。
优选的，所述石墨烯粉体的层数为3-10层，厚度1-10纳米，片径为0.1-5微米，均匀平铺于设备不锈钢运输物料盘1内，每平米物料平铺密度控制在0.3-0.5kg之间。
优选的，所述石墨烯的配方为
二芳基碘鎓盐I-250：0.01-0.1
安息香***：1-5
KH-560硅烷偶联剂：1-5
环氧聚硅氧烷丙烯酸酯(AEPS)：80-90，本专利的关键点和欲保护点：所用配方材料和涉及到的紫外线改性及输送速度及喷射装置及喷射量。
优选的，所述照射室2内高密度紫外灯，紫外光波长250-285nm，照射强度达到2000-5000W/M2。接受辐射的输送行程为5米-10米，宽0.5，行走速度为0.2-0.5m/min。
优选的，所述照射室2的进出口处均设置有挡板21，其作用在于，在不影响运输物料盘1上料的情况下，在照射室2的进出口处均设置有挡板21，可以减少臭氧的溢出，减少工作成本。
优选的，所述运输物料盘1设置有高频震动器11，其作用在于，使用运输物料盘1将石墨烯粉体运输至照射室2内，通过高频震动器11使运输物料盘1不断处于震动，石墨烯粉体不断搅动的状态，增加石墨烯粉体与紫外光和臭氧的接触面积，大幅提高粉体的受紫外光激发及与臭氧发生表面氧化的概率。
优选的，所述雾化喷头4设置有六个，六个所述雾化喷头4分别设置在运输物料盘1的两侧且靠近照射室2出口处一米的位置，喷洒总量为每分钟50-100ml改性剂，其作用在于，通过在照射室2后端一米范围内两侧各分布三个自动雾化喷头4，可以保证石墨烯粉体与石墨烯改性助剂完全混合接触，增加产品的优良率。
工作原理：使用时通过运输物料盘1将石墨烯粉体自动的运输到照射室2内去，通过臭氧喷口3放出臭氧，使石墨烯粉体与臭氧混合，再通过雾化喷头4喷出石墨烯改性助剂，促进石墨烯粉体的初步表面改性，照射室2发射高密度紫外线与石墨烯粉体反应；
石墨烯在高强紫外线辐射下，与臭氧在芳基硫鎓盐裂解形成的超强酸或自由基催化下氧化反应形成表面边缘氧化或羰基化和羟基化，然后与硅烷偶联剂进行接枝，同时环氧聚硅氧烷丙烯酸酯(AEPS)光敏聚合物在光引发剂下进一步在表面或边缘聚合形成具有硅橡胶性质的透明柔性的环氧基聚硅氧烷丙烯酯有机层，为下游分散在各类介质中提供便利；
在GO的红外光谱图中：3415cmˉ1处为-OH的的特征吸收峰；
在f-GO与KH-560的红外光谱图中：
2945cmˉ1与2843cmˉ1处为-CH的特征吸收峰；1185cmˉ1处为C-O-C的特征吸收峰；
1087cmˉ1处为Si-O-C的特征吸收峰。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，包括运输物料盘(1)、照射室(2)、臭氧喷口(3)和雾化喷头(4)，所述运输物料盘(1)穿过照射室(2)，所述雾化喷头(4)和臭氧喷口(3)均设置在照射室(2)内，所述雾化喷头(4)设置在靠近照射室(2)出口处。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述石墨烯粉体的层数为3-10层，厚度1-10纳米，片径为0.1-5微米，均匀平铺于设备不锈钢运输物料盘(1)内，每平米物料平铺密度控制在0.3-0.5kg之间。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述石墨烯的配方为：
二芳基碘鎓盐I-250：0.01-0.1；
安息香***：1-5；
KH-560硅烷偶联剂：1-5；
环氧聚硅氧烷丙烯酸酯(AEPS)：80-90。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述照射室(2)内高密度紫外灯，紫外光波长250-285nm，照射强度达到2000-5000W/M2。接受辐射的输送行程为5米-10米，宽0.5，行走速度为0.2-0.5m/min。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述照射室(2)的进出口处均设置有挡板(21)。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述运输物料盘(1)设置有高频震动器(11)。
根据权利要求1所述的一种石墨烯改性粉体的制备方法及自动化设备，其特征在于，所述雾化喷头(4)设置有六个，六个所述雾化喷头(4)分别设置在运输物料盘(1)的两侧且靠近照射室(2)出口处一米的位置，喷洒总量为每分钟50-100ml改性剂。
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