一种通过振动磨内设旋转螺杆制备石墨烯微片的方法及石墨
烯微片
技术领域
[0001] 本
发明涉及
石墨烯材料领域,具体涉及通过机械法制备石墨烯的技术领域。具体涉及
一种通过振动磨内设旋转螺杆制备石墨烯微片的方法及石墨烯微片。
背景技术
[0002] 石墨烯是一种
碳原子按正六边形紧密排布为蜂窝状的平面原子
晶体结构,石墨烯特有的平面结构使其具备了许多三维晶体不具备的特性,如
比表面积高达2.6×10³m²/g,导热系数高达3×10³W/(m.K),
力学性能为1.06×10³Gpa,
杨氏模量为1.0TPa,其力学强度高达130Gpa,是
钢的100多倍。石墨烯具有稳定的正六边形晶格结构使其具有优异的
导电性,
电子迁移率高达1.5×104cm2/(V.s),比
半导体锑化铟的最大迁移率高2倍,比商用
硅片的最大迁移率高10倍,此外石墨烯还具有很高的光透射率、室温量子隧道效应、反常
量子霍尔效应等等。
[0003] 目前在石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法:通过机械作用将石墨剥离为
单层碳原子结构;
外延生长法,高温加热大面积单晶SiC,使石墨烯生长于其上,再于超高
真空或常压下脱除Si留下C,继而得到与SiC差不多面积的石墨烯薄层,用作石墨烯衬底的材料分为非金属类衬底(如SiC、SiO2、GaAs等)和金属衬底(如Cu、Ni、Co、Ru、Au、Ag等),外延生长法制得的石墨烯仍无法达到均一厚度;金属催化法:将固态或气态的碳源在一定的
温度、压强及催化剂的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法,包括
化学气相沉积法和金属催化法两种;淬火法:通过快速冷却中造成的内外温差产生
应力,使石墨烯从石墨表面脱离,还包括直接燃烧法、电化学法、原位自生模板法等。
[0004] 上述方法的工艺过程均较复杂,反应条件不易控制,制备成本较高,重复性较差,存在污染。
[0005] 在中国
专利CN103723707A中公开了一种石墨烯薄片制备方法及其所制备的石墨烯薄片,其中公开了通过
流体作用力使高度
石墨化石墨烯分散为石墨烯薄片,但其作用方式需要将流体通过一含有
喷嘴的循环系统,使流体作用于高度石墨化石墨烯的表面或侧面,即其通过流体作用力制备石墨烯的方法需要配套的设备才能实现,不利于大量推广。
[0006] 在另一份中国专利
申请CN201510174415.5中公开了一种在
电场环境下旋转剪切制备石墨烯的方法,采用的实验装置包括装有
电解液的反应容器、作为
阴极的高纯石墨、作为
阳极的惰性
电极和搅拌器,步骤为:将阴极阳极接通直流电源,用搅拌器搅拌电解液;在恒定
电压下,阴极极化剥离高纯石墨,同时电解液在搅拌器作用下,受到一定的速度搅拌,使阴极剥离下来的多层石墨烯再受到一个剪切力,制得含有石墨烯的溶液; 将含有石墨烯的溶液再清洗、离心、干燥制得石墨烯,此方法需要进行电化学反应,反应过程缓慢且难以控制。
[0007] 中国发明专利申请号201280019582.7公开了一种制备石墨烯的方法,通过
研磨、球磨、气流磨等借助
离子液体研磨4个小时获得石墨烯。借助离子液促进了石墨的剥离,但采用长时间的研磨获得的石墨烯晶体尺寸小,而且借助离子液会使石墨烯层晶格受到影响。
[0008] 中国发明专利申请号201310411516.0 公开了一种石墨烯材料的球磨制备方法,该发明将石墨碳与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子
表面活性剂的
质量体积比为1:2~1:15和去离子
水混合装于球磨罐,固定于
球磨机以200-500rpm的转速球磨5-30小时,制得不同浓度石墨烯水溶液。
[0009] 中国发明专利申请号201510073825.0公开了一种吨级生产石墨烯的类机械剥离装置及其生产方法,其通过一个磨盘似的
转子,转子转动时,转子的外表面与物料仓的内表面研磨,从而使得石墨被剥离减薄获得石墨烯。
[0010] 上述
现有技术都通过机械方式获得了石墨烯,但通过剪切方式获得石墨烯的过程均较为复杂,设备特殊性过强,生产成本高,而利用研磨方式获得石墨烯过程较简单,但在研磨中容易严重破坏石墨烯的晶体结构,导致其出现结构
缺陷,从而进一步导致应用性能的受损。
发明内容
[0011] 本发明的目的在于提出一种不需要介质,可以克服石墨在研磨过程中晶格发生缺陷的问题,同时制备效率高的石墨烯微片制备方法。
[0012] 本发明的技术方案如下:
[0013] 一种通过振动磨内设计旋转螺杆制备石墨烯微片的方法,包括以下步骤:
[0014] (1)将质量比为100:5 15的石墨原料与
干冰相混合后,加入振动磨内,所述振动磨~的磨筒内不含有研磨介质,但设置有从其上方伸入磨筒内的螺杆,所述螺杆与位于它上方的固定在磨筒盖上的
电机通过轴固定相连;
[0015] (2)开启振动磨运行5 15min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速~旋转,振动磨与螺杆共同运行1 3h后停止,打开磨筒,收集废气,排出制得的石墨烯微片;
~
[0016] (3)将所得石墨烯微片进行分级;
[0017] 其中,所述振动磨为立式振动磨,至少包括一个用于物料研磨的磨筒,用于盖上磨筒的磨筒盖,位于磨筒下的
弹簧,使磨筒振动的激振器,
支撑整个设备的
支架,提供动力源的振动磨电机,其还包括从上方伸入磨筒内的螺杆,和固定在磨筒盖上使螺杆高速转动的电机,所述螺杆为渐变型螺杆,其螺槽深度在从靠近磨筒底部到靠近磨筒盖的方向上逐渐减小,所述螺杆的外径为50 200mm,转速为1000 1500rpm,所述振动磨的振幅为10 50mm。~ ~ ~
[0018] 在本发明中振动磨主要起到强效振动,并由此引起石墨原料之间的强烈碰撞,但振动磨中并不含有振动介质,因此不会出现严重的研磨现象,导致石墨晶体受损;在振动过程中,干冰
升华为气体,一方面为物料降温,另一方面,气体在振动磨内参与物料间的运动与碰撞,可以促进振动磨的磨筒内经初步碰撞碎裂的轻质石墨微片上升,石墨微片在碰撞与上升过程中,从磨筒上方伸入其中的螺杆进行高速地转动,会对其周围的石墨微片产生较强的切削与剥离作用,使其周围的石墨微片被逐渐切剥为石墨烯微片,石墨烯微片在气体与振动磨的强力振动下继续上升脱离下方的螺杆,磨筒内的新的石墨微片继续上升至螺杆附近,形成基本相同的运动路径,借此方式,磨筒内的石墨原料被逐渐切剥为石墨烯微片。
[0019] 优选的是:与螺杆相连的电机的功率为0.5 1.5kw。~
[0020] 另外优选的是:所述振动磨的磨筒的体积为10 100L。~
[0021] 另外优选的是:所述螺杆的
螺纹头数为1 3。~
[0022] 另外优选的是:所述螺杆的最大螺槽深度为20mm 100mm,最小螺槽深度为5 10mm。~ ~
[0023] 另外优选的是:所述螺杆的螺纹长度10 50cm。~
[0024] 另外优选的是:所述螺杆的螺纹为三
角形螺纹,螺纹间距为5 30mm。~
[0025] 另外优选的是:所述石墨原料为石墨粉、
鳞片石墨、膨胀石墨、高取向石墨、热裂解石墨中的一种或多种。
[0026] 另外优选的是:所述干冰为颗粒状,其粒径为1 10mm。~
[0027] 一种石墨烯微片,由上述所述制备方法制备得到的粒径为10 100μm,厚度为0.01~ ~5μm的石墨烯微片。
[0028] 本发明因在振动磨中无研磨介质,因此不会对石墨产生反复的研磨,从而导致其晶体结构受到破坏,能得到晶格完整的石墨烯微片,同时制备过程简单,单次处理量较大,可以高效地制备石墨烯微片。
具体实施方式
[0029] 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。
[0031] (1)将质量比为100:5的石墨粉与粒径为1mm的干冰相混合后,加入立式单筒振动磨内,振动磨振幅为10 15mm,磨筒体积10L,无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率为~0.5kw,长度为15cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为10cm,为单头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为20mm,其上端螺槽深度最小,为5mm,螺纹间距为
5mm;
[0032] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行5min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1000rpm,当振动磨与螺杆共同运行1h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0033] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级
包装;
[0034] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.05μm 3μm,粒径为30 70μm,单一石墨烯微片~ ~厚度均匀,晶体结构完整。
[0035] 实施例2
[0036] (1)将质量比为100:5的石墨粉与粒径为1mm的干冰相混合后,加入立式单筒振动磨内,振动磨振幅为15 20mm,磨筒体积20L,无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率为~0.75kw,长度为30cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为25cm,为单头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为20mm,其上端螺槽深度最小,为5mm,螺纹间距为5mm;
[0037] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行10min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1200rpm,当振动磨与螺杆共同运行1.5h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0038] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级包装;
[0039] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.02μm 1μm,粒径为20 50μm,单一石墨烯微片~ ~厚度均匀,晶体结构完整。
[0040] 实施例3
[0041] (1)将质量比为100:8的石墨粉与粒径为5mm的干冰相混合后,加入立式双筒振动磨内,振动磨振幅为20 30mm,每个磨筒体积均为25L,每个磨筒配一个螺杆及螺杆电机,振~动磨内无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率均为0.7kw,长度为35cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为30cm,为双头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为30mm,其上端螺槽深度最小,为10mm,螺纹间距为10mm;
[0042] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行10min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1200rpm,当振动磨与螺杆共同运行1.5h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0043] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级包装;
[0044] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.04μm 2μm,粒径为10 50μm,单一石墨烯微片~ ~厚度均匀,晶体结构完整。
[0045] 实施例4
[0046] (1)将质量比为100:10的石墨粉与粒径为5mm的干冰相混合后,加入立式双筒振动磨内,振动磨振幅为25 30mm,每个磨筒体积均为30L,每个磨筒配一个螺杆及螺杆电机,振~动磨内无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率均为0.8kw,长度为40cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为36cm,为双头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为40mm,其上端螺槽深度最小,为6mm,螺纹间距为8mm;
[0047] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行15min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1500rpm,当振动磨与螺杆共同运行2h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0048] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级包装;
[0049] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.05μm 1μm,粒径为10 30μm,单一石墨烯微片~ ~厚度均匀,晶体结构完整。
[0050] 实施例5
[0051] (1)将质量比为100:10的石墨粉与粒径为10mm的干冰相混合后,加入立式双筒振动磨内,振动磨振幅为40 50mm,每个磨筒体积均为50L,每个磨筒配一个螺杆及螺杆电机,~振动磨内无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率均为1.0kw,长度为50cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为46cm,为双头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为50mm,其上端螺槽深度最小,为5mm,螺纹间距为5mm;
[0052] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行15min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1500rpm,当振动磨与螺杆共同运行2.5h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0053] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级包装;
[0054] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.01μm 0.08μm,粒径为10 30μm,单一石墨烯微~ ~片厚度均匀,晶体结构完整。
[0055] 实施例6
[0056] (1)将质量比为100:10的石墨粉与粒径为5mm的干冰相混合后,加入立式双筒振动磨内,振动磨振幅为40 50mm,每个磨筒体积均为50L,每个磨筒配一个螺杆及螺杆电机,振~动磨内无研磨介质,磨筒盖上固定的电机功率均为1.0kw,长度为50cm的螺杆伸入磨筒内,其螺纹长度为46cm,为三头三角形渐变螺纹,螺纹最下端、即靠近磨筒底部的一端螺槽最深,为50mm,其上端螺槽深度最小,为5mm,螺纹间距为5mm;
[0057] (2)在石墨粉与干冰加入后盖上磨筒盖,开启振动磨运行15min后,接通螺杆上方的电机的电源,开启螺杆进行高速旋转,转速为1500rpm,当振动磨与螺杆共同运行3h后停止,打开磨筒,收集废气,将石墨烯微片从磨筒下方出料口排出;
[0058] (3)将所得石墨烯微片按照粒径与厚度大小进行分级包装;
[0059] 经测试,制得的石墨烯微片厚度为0.01μm 0.05μm,粒径为10 30μm,单一石墨烯微~ ~片厚度均匀,晶体结构完整。