CN113213469A - 一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，由插层反应釜、氧化反应釜和收集釜组成，所述插层反应釜安装于所述氧化反应釜内部，所述氧化反应釜安装于所述收集釜内部；插层反应釜侧壁有第一孔洞，氧化反应釜侧壁有第二孔洞，所述第一孔洞的直径为20—80微米，所述第二孔洞的直径为4—20微米；所述插层反应釜内安装搅拌器，插层反应釜和氧化反应釜内还分别安装有剪切乳化机，所述收集釜底部安装出料阀。本发明通过两级尺寸筛分和两级剪切，使氧化石墨烯尺寸均布在极窄尺寸范围，解决了现有生产技术得到氧化石墨烯分布宽的问题，同时成本低，工业化难度小，具有显著的实用价值。

Description

一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备
技术领域
本发明属于制备氧化石墨烯的设备领域，尤其涉及一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备。
背景技术
石墨烯是21世纪的明星材料，自问世以来就收到了广泛的关注。因其独特的力学、热学、电学、光学、磁学和生物学等特性，被用于包括结构材料、导热原件、导电剂、LED、光电子芯片、复合材料和生物医药等领域。然而，石墨烯本身易于难以制备，通过化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯虽然具有完美的二维结构，但是在后续转移和使用过程中极易出现缺陷，并且难以量产，不适合工业化应用。相比之下，氧化石墨烯（GO）作为石墨烯重要的衍生物材料，可以通过石墨的氧化剥离实现简单快速的批量化制备，能够直接用于共混制备复合材料，同时能够通过组装得到石墨烯纤维、石墨烯气凝胶和石墨烯膜等不同维度材料，再经还原后就可以恢复石墨烯的共轭结构。因此，氧化石墨烯是实现石墨烯量产化应用的首选方案。
常规的氧化石墨烯制备是通过改进Hummers法进行制备，采用单釜低温氧化，在浓硫酸环境下使石墨与高锰酸钾反应，反应结束后经水洗、浓缩得到氧化石墨烯的水相分散液。但是该方法存在尺寸分布宽的问题，这是由于将石墨完全氧化的过程中，小片径的石墨首先氧化完成，而大片径的石墨需更长时间才能氧化完成，而在此期间小片径石墨会进一步在面内发生氧化，使得小片径氧化石墨烯进一步碎片化，从而当反应整体结束时，体系内氧化石墨烯尺寸分布很宽，整体反应时间也过长。
因此，需要一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术不足，提供一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，由插层反应釜、氧化反应釜和收集釜组成，插层反应釜安装于氧化反应釜内部，氧化反应釜安装于收集釜内部；插层反应釜侧壁有第一孔洞，氧化反应釜侧壁有第二孔洞，第一孔洞的直径为20—80微米，第二孔洞的直径为4—20微米；插层反应釜内安装搅拌器，插层反应釜和氧化反应釜内还分别安装有剪切乳化机，收集釜底部安装出料阀。
进一步地，氧化反应釜的底部连接返回插层反应釜的管道，管道安装输送泵。
进一步地，第一孔洞直径为40微米，第二孔洞直径为10微米。
进一步地，第一孔洞直径为20微米，第二孔洞直径为4微米。
进一步地，第一孔洞直径为80微米，第二孔洞直径为20微米。
进一步地，第一孔洞和第二孔洞周边具有多个与水平方向的夹角为10-30°的挡板。
本发明的插层反应釜的侧壁和氧化反应釜的侧壁可以采用冲孔板或者多层丝网制作。
与现有技术方案相比，本发明的有益效果在于：
（1）石墨和浓硫酸混合后加入插层反应釜内，在搅拌和剪切作用下，石墨被硫酸插层形成插层石墨，并且在剪切力作用下，大尺寸插层石墨被撕裂为小尺寸，实现初步均一化。反应后的插层石墨经反应釜侧壁上孔洞的筛分后，大部分符合尺寸要求的插层石墨进入氧化反应釜，剩余尺寸未达要求的继续进行反应和剪切。进入氧化反应釜的插层石墨在氧化剂作用下发生氧化剥离，并在剪切作用下进一步实现尺寸均一化和剥离，反应后符合尺寸要求的氧化石墨通过孔洞进入收集釜，剩余未反应完全的则继续反应。收集釜内的氧化石墨再经水洗、分离和浓缩等步骤后，即可得到均匀小尺寸的氧化石墨烯。
（2）通过泵输送将氧化釜内剩余未反应完全的插层石墨重新投入插层反应釜中，与后续新一批的石墨和浓硫酸混合液进行新一轮反应，可实现物料100%利用，既无原料浪费，又不产生污染。
（3）插层反应釜内的剪切设备主要目的在于通过剪切力将大尺寸石墨及插层石墨撕裂，使尺寸更均一，而氧化反应釜内的剪切设备主要是利用剪切力加速氧化石墨的剥离，同时将大尺寸氧化石墨撕裂，使得到的氧化石墨尺寸均匀。
（4）插层反应釜壁的孔洞直径一般为石墨的1/2~1/5左右，而氧化反应釜壁的孔洞直径一般为石墨的1/10~1/50左右。
（5）釜壁上设置挡板，当挡板与水平方向存在一定夹角时，沿搅拌而作螺旋作用的混合液在挡板处形成微小湍流，从而带来额外的剪切力，使得氧化石墨在进入孔洞前再次被撕裂，从而进一步缩小尺寸。经历以上步骤后大尺寸氧化石墨可快速降低尺寸至孔洞直径大小。
附图说明
图1为本发明一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备的一种结构示意图；
图2为本发明一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备的另一种结构示意图；
图3为本发明一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备的孔洞和挡板的结构示意图。
其中：插层反应釜1，氧化反应釜2，收集釜3，插层反应釜侧壁4，氧化反应釜侧壁5，搅拌器6，剪切乳化机7，出料阀8，输送泵9。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，由插层反应釜1、氧化反应釜2和收集釜3组成，插层反应釜1安装于氧化反应釜2内部，氧化反应釜2安装于收集釜3内部；插层反应釜侧壁4有第一孔洞，氧化反应釜侧壁5有第二孔洞，第一孔洞的直径为40微米，第二孔洞的直径为10微米；插层反应釜1内安装搅拌器6，插层反应釜1和氧化反应釜2内还分别安装有剪切乳化机7，收集釜3底部安装出料阀8。插层反应釜侧壁4和氧化反应釜侧壁5采用冲孔板制作。
通过本实施例的设备，可以实现以下方法制备尺寸均匀分布在10微米左右的氧化石墨烯。具体包括如下步骤：
一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的方法，包括：
将石墨和浓硫酸的混合液加入插层反应釜1中，边搅拌边剪切反应，其中石墨的尺寸为100微米左右，石墨和浓硫酸的质量比为1:100；
将氧化剂和浓硫酸的混合液加入氧化反应釜2中，在剪切下反应，其中氧化剂为高锰酸钾，石墨和氧化剂的比例为1:5；
反应8小时后基本完成，停止搅拌和剪切，打开收集釜3的出料阀8，进行后续洗涤、分离和浓缩，得到尺寸均匀分布在10微米左右的氧化石墨烯。
重新在插层反应釜1和氧化反应釜2中加入物料可重复进行上述步骤。
实施例2
如图1所示，一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，由插层反应釜1、氧化反应釜2和收集釜3组成，插层反应釜1安装于氧化反应釜2内部，氧化反应釜2安装于收集釜3内部；插层反应釜侧壁4有第一孔洞，氧化反应釜侧壁5有第二孔洞，第一孔洞的直径为20微米，第二孔洞的直径为4微米；插层反应釜1内安装搅拌器6，插层反应釜1和氧化反应釜2内还分别安装有剪切乳化机7，收集釜3底部安装出料阀8。插层反应釜侧壁4和氧化反应釜侧壁5采用多层丝网制作。
通过本实施例的设备，可以实现以下方法制备尺寸均匀分布在4微米左右的氧化石墨烯。具体包括如下步骤：
一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的方法，包括：
将石墨和浓硫酸的混合液加入插层反应釜1中，边搅拌边剪切反应，其中石墨的尺寸为50微米左右，石墨和浓硫酸的质量比为1:100；
将氧化剂和浓硫酸的混合液加入氧化反应釜2中，在剪切下反应，其中氧化剂为高锰酸钾，石墨和氧化剂的比例为1:4；
反应6.5小时后基本完成，停止搅拌和剪切，打开收集釜3的出料阀8，进行后续洗涤、分离和浓缩，得到尺寸均匀分布在4微米左右的氧化石墨烯。
重新在插层反应釜1和氧化反应釜2中加入物料可重复进行上述步骤。
实施例3
如图2-3所示，一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，由插层反应釜1、氧化反应釜2和收集釜3组成，插层反应釜1安装于氧化反应釜2内部，氧化反应釜2安装于收集釜3内部；插层反应釜侧壁4有第一孔洞，氧化反应釜侧壁5有第二孔洞，第一孔洞的直径为80微米，第二孔洞的直径为20微米；插层反应釜1内安装搅拌器6，插层反应釜1和氧化反应釜2内还分别安装有剪切乳化机7，收集釜3底部安装出料阀8；氧化反应釜2的底部连接返回插层反应釜1的管道，所述管道安装输送泵9。插层反应釜侧壁4采用冲孔板制作，氧化反应釜侧壁5采用多层丝网制作。
通过本实施例的设备，可以实现以下方法制备尺寸均匀分布在20微米左右的氧化石墨烯。具体包括如下步骤：
一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的方法，包括：
将石墨和浓硫酸的混合液加入插层反应釜1中，边搅拌边剪切反应，其中石墨的尺寸为100微米左右，石墨和浓硫酸的质量比为1:100；
将氧化剂和浓硫酸的混合液加入氧化反应釜2中，在剪切下反应，其中氧化剂为高锰酸钾，石墨和氧化剂的比例为1:4；
反应5小时后基本完成，停止搅拌和剪切，打开收集釜3的出料阀8，进行后续洗涤、分离和浓缩，得到尺寸均匀分布在20微米左右的氧化石墨烯。
反应5小时后基本完成，停止搅拌和剪切，使用输送泵9将氧化反应釜2中的混合液送回插层反应釜1。打开收集釜3的出料阀8，进行后续洗涤、分离和浓缩，得到尺寸均匀分布在20微米左右的氧化石墨烯。
重新在插层反应釜1和氧化反应釜2中加入物料可重复进行上述步骤。
本实施例中，第一档板和第二挡板与水平方向存在一定夹角，沿搅拌而作螺旋作用的混合液在挡板处形成微小湍流，从而带来额外的剪切力，使得氧化石墨在进入孔洞前再次被撕裂，从而进一步缩小尺寸。经历以上步骤后大尺寸氧化石墨可快速降低尺寸至孔洞直径大小。

Claims (6)

1.一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，由插层反应釜、氧化反应釜和收集釜组成，所述插层反应釜安装于所述氧化反应釜内部，所述氧化反应釜安装于所述收集釜内部；插层反应釜侧壁有第一孔洞，氧化反应釜侧壁有第二孔洞，所述第一孔洞的直径为20—80微米，所述第二孔洞的直径为4—20微米；所述插层反应釜内安装搅拌器，插层反应釜和氧化反应釜内还分别安装有剪切乳化机，所述收集釜底部安装出料阀。
2.根据权利要求1所述的一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，所述氧化反应釜的底部连接返回插层反应釜的管道，所述管道安装输送泵。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，所述第一孔洞直径为40微米，第二孔洞直径为10微米。
4.根据权利要求1或2所述的一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，所述第一孔洞直径为20微米，第二孔洞直径为4微米。
5.根据权利要求1或2所述的一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，所述第一孔洞直径为80微米，第二孔洞直径为20微米。
6.根据权利要求1或2所述的一种制备均匀小尺寸氧化石墨烯的设备，其特征在于，所述第一孔洞和第二孔洞周边具有多个与水平方向的夹角为10-30°的挡板。
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