一種利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及石墨稀材料領(lǐng)域，具體涉及石墨稀片的制備方法，特別是涉及一種利 用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是繼碳納米管之后被發(fā)現(xiàn)的又一新型碳納米材料，它的出現(xiàn)使碳的晶體結(jié) 構(gòu)形成了包括富勒烯、碳納米管、石墨烯、石墨和金剛石在內(nèi)的完整體系，建立了從零到三 維的碳范式。由于石墨烯具備優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能，使得石墨烯的制備工藝一直以 來備受關(guān)注，目前制備石墨烯的主要工藝是采取氣相沉積法，利用氣態(tài)碳源在高溫下分解 后在基體表面上的催化生長制備得到石墨烯，該方法是制備高質(zhì)量和大面積單層石墨烯的 重要方法。但是其生產(chǎn)條件較為苛刻，耗能大，成本高。而且，直接采用氣體碳源很大程度上 增加了生產(chǎn)的危險(xiǎn)性。而另一種采用氧化石墨還原法為制備石墨烯的方法，主要是將石墨 進(jìn)行強(qiáng)氧化處理，得到氧化石墨后，再對其進(jìn)行剝離制備氧化石墨烯，最后經(jīng)過還原處理得 到石墨烯;但是由于該制備方法會破壞石墨烯結(jié)構(gòu)，而且制備過程中能耗大，效率低，成本 高而且污染環(huán)境，很難推廣。
[0003] 中國發(fā)明專利申請?zhí)?01310097659.9公開了石墨烯的制備方法，包括:將石墨烯 前驅(qū)體和胺基化合物混合均勻，球磨8~20小時得到混合均勻的石墨烯與胺基化合物混合 粉末，其中球磨中利用胺基化合物將石墨前驅(qū)體剝離得到石墨烯，所述石墨前驅(qū)體與胺基 化合物的質(zhì)量比為1: (1~10);將所述石墨烯與胺基化合物混合粉末分散溶劑，以將胺基化 合物溶解;過濾，采用所述溶劑洗滌濾餅得石墨烯濕粉；以及將所述石墨烯濕粉置于真空干 燥箱中于60~120°C，烘干5~12小時，制得石墨烯干粉。該發(fā)明的制備方法工藝簡單，過程 易控制，但是制備的石墨烯質(zhì)量參差不齊，很難保證重復(fù)性。
[0004] 中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410286173.4公開了一種石墨烯的制備方法，其包括以下 步驟:（1)將氧化石墨用機(jī)械剪切或球磨的方式破碎成小碎片；（2)在氫氮或氫氬氣氛下，按 氫氣體積濃度為1~19%，氮?dú)饣驓鍤獾臐舛葹?9~81%，氣體流速為10~100mL/min，以5~ 35°C/min升溫速率將上述氧化石墨小碎片升溫至250~500°C，保溫時間為5~120min，氫氮 或氫氬氣流下降至室溫或自然冷卻至室溫，得到石墨烯。該發(fā)明的制備方法操作簡單，得到 的石墨烯還原程度較高，但是制備的石墨烯分散性較差，質(zhì)量不可控。
[0005] 中國發(fā)明專利申請?zhí)?01410226056.9公開了采用氣流粉碎剝離方法制備石墨烯 前驅(qū)體二維納米石墨粉的工藝和裝置，該發(fā)明裝置包括氣源系統(tǒng)、粉碎剝離系統(tǒng)和氣固分 離系統(tǒng);在粉碎剝離系統(tǒng)中，A回流管、B回流管和上升管構(gòu)成了氣流粉碎剝離過程的物料循 環(huán)回路;A引氣管、B引氣管和C引氣管構(gòu)成了氣流粉碎剝離過程的氣流粉碎通道。制備石墨 烯前驅(qū)體二維納米石墨粉采用三股超音速射流共同攜帶石墨顆粒，通過帶料射流的碰撞與 摩擦，實(shí)現(xiàn)石墨顆粒的高純粉碎與剝離，通過石墨顆粒的循環(huán)連續(xù)粉碎剝離，由此獲得二維 納米石墨粉。該發(fā)明利用石墨顆粒之間的相互碰撞與摩擦來實(shí)現(xiàn)石墨粉的粉碎與剝離，獲 得高純度的二維納米石墨粉，但是該發(fā)明的制備方法產(chǎn)率低，產(chǎn)品質(zhì)量不可控。
[0006] 機(jī)械剝離法是一種能以低成本、無污染制備出高質(zhì)量石墨烯的方法，現(xiàn)在常用的 機(jī)械物理剝離法包括常規(guī)球磨、攪拌球磨、研磨等，但是磨球研磨石墨的過程中，由于局部 施加壓力大，強(qiáng)大的沖擊力會使石墨烯產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，降低剝離后石墨烯的尺寸。因此，發(fā) 明一種制備工藝簡單，生產(chǎn)安全環(huán)保，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)量高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的石墨烯制備方 法，對推動石墨烯材料的應(yīng)用，促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對目前石墨烯生產(chǎn)成本高，制備工藝復(fù)雜，產(chǎn)量小的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種低成 本制備石墨烯微片的方法。該方法利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備層數(shù)在500-200層的分布均 勻的石墨烯微片，制備的石墨烯微片可應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、潤滑油、污水處理等復(fù)合材 料中，或者作為進(jìn)一步制備石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制備成本。
[0008] 為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法，其特征在于:先將石墨粉熱處理， 熱處理過程中加入滑石粉和二甲基乙酰胺并進(jìn)行攪拌分散，然后通過插層劑處理使石墨粉 層間脆化，通過對噴式氣流粉碎機(jī)的粉碎噴嘴和加料噴嘴產(chǎn)生的撞擊力、剪切力、摩擦力剝 離石墨，獲得層數(shù)在50-200層的分散均勻、流動性好、不易團(tuán)聚的石墨烯微片，具體方法如 下： (1) 將重量份為80-90的石墨粉、重量份為1_5的滑石粉和重量份為0.5_1.5的二甲基乙 酰胺在高速混合反應(yīng)機(jī)中，在加熱溫度為250-300°C條件下混合，以300-600rpm的轉(zhuǎn)速攪拌 分散30-60min，得到混合粉料； (2) 將氯化鐵、氯化鉀、聚乙二醇以質(zhì)量比2-3:2-3:1配制成插層劑，然后將步驟（1)得 到的混合粉料在插層劑中浸泡48h以上，通過離心機(jī)濾干、干燥得到預(yù)插層粉料； (3) 將步驟(2)得到的預(yù)插層粉料送入對噴式氣流粉碎機(jī)中，對噴式氣流粉碎機(jī)設(shè)置兩 個噴嘴，一個粉碎噴嘴以3.0-4.0 MPa的壓力噴入粉碎室，一個加料噴嘴以2.0-2.8 MPa的 壓力噴入粉碎室，粉料在粉碎室內(nèi)以射流的形式碰撞產(chǎn)生高強(qiáng)度的撞擊力、剪切力、摩擦 力，粉料在高速氣流中反復(fù)沖擊、切割摩擦的過程中，滑石粉和石墨層被不斷剝離，通過分 級室的篩選，不合格大顆粒粉料回流至粉碎室繼續(xù)碰撞剝離，達(dá)到剝離要求的產(chǎn)品從產(chǎn)品 出口產(chǎn)出，得到層數(shù)在50-200層的分散均勻、流動性好、不易團(tuán)聚的的石墨烯材。 所述石墨粉為鱗片石墨、膨脹石墨、高取向石墨、熱裂解石墨中的任一種，粒徑介于50 微米和500微米之間。
[0009] 所述滑石粉為片狀滑石粉，粒徑介于50微米和500微米之間，厚徑比介于1:10和1: 20之間。
[0010] 所述的對噴式氣流粉碎機(jī)包括粉碎噴嘴、加料噴嘴、粉碎室、分級室、料斗、襯里、 產(chǎn)品出口。利用滑石粉流動性好、不易團(tuán)聚的特性，將滑石粉和石墨粉的混合粉料在高速氣 流碰撞的中將石墨和滑石粉剝層，進(jìn)一步通過分級室分選，不合格粉料沉回流至粉碎室，已 剝離石墨和滑石粉與氣體一起通過產(chǎn)品出口分離，獲得石墨烯微片。
[0011] 所述對噴式氣流粉碎機(jī)設(shè)置了加料噴嘴和粉碎噴嘴兩個噴嘴，所述加料噴嘴在粉 碎室料斗側(cè)，入口壓力2.0-2.8MPa，入口直徑6-10mm，所述粉碎噴嘴在與加料噴嘴相對的粉 碎室另一側(cè)，入口壓力3 · 0-4 · OMPa，入口直徑6-10mm，壓力通過壓縮的惰性氣體產(chǎn)生室，由 于設(shè)置粉碎噴嘴和加料噴嘴的壓力存在壓力差，在粉碎室內(nèi)粉料相撞并隨同一方向運(yùn)動， 優(yōu)選的粉碎噴嘴將粉碎料以3 · 6MPa的壓力噴入粉碎室，一個加料噴嘴以2 · 5 MPa的壓力噴 入粉碎室，得到層數(shù)在50-200層的分散均勻、流動性好、不易團(tuán)聚的石墨烯微片。
[0012] 為了推動石墨烯材料的廣泛應(yīng)用，本發(fā)明提出一種制備石墨烯微片的方法，該方 法能夠量產(chǎn)的獲取層數(shù)在50-200層的石墨烯片，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，而且無污染，生產(chǎn)成本相較 現(xiàn)有的石墨烯制備方法成百倍的降低，制備的石墨烯微片不僅分散均勻、流動性好、不易團(tuán) 聚，而且兼具優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，以及良好的潤滑、耐高溫和抗腐蝕特性。由 于制備的石墨烯微片的厚度處在納米尺度范圍內(nèi)，但其徑向?qū)挾瓤梢赃_(dá)到數(shù)個到數(shù)十個微 米，具有超大的直徑/厚度比，可將石墨烯微片應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、潤滑油等復(fù)合材料 中?；蛘咦鳛檫M(jìn)一步制備石墨烯的原料，可以大幅降低目前石墨烯的制備成本。
[0013] 本發(fā)明一種利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法，利用滑石粉流動性 好、不易團(tuán)聚的特性，使粉料在噴射的過程中流動性好，不易堵塞，而且制備的石墨烯微片 散均勻、流動性好、不易團(tuán)聚；同時在對噴式氣流粉碎機(jī)中通過高速氣流使物料碰撞，產(chǎn)生 的撞擊力、剪切力、摩擦力將石墨和滑石粉剝層，進(jìn)一步通過分級室分選，利用已剝離石墨 和滑石粉的高比表面積特性與大顆粒料進(jìn)行分離，不合格粉料回流至粉碎室，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、 規(guī)?；a(chǎn)層數(shù)為50-200分散均勻、流動性好、不易團(tuán)聚的石墨烯微片。
[0014] 本發(fā)明利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備的石墨烯微片，不但分散均勻、流動性好、不易 團(tuán)聚，而且無污染、產(chǎn)量高、成本低，滿足在橡膠增強(qiáng)、塑料增強(qiáng)、涂料防腐、潤滑、污水處理 等領(lǐng)域的要求，有利于推動石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用。其主要性能優(yōu)勢如表1所示。
[0015] 表1〇
本發(fā)明一種利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出 的特點(diǎn)和優(yōu)異的效果在于： 1、利用滑石粉流動性好、不易團(tuán)聚的特性，使制備的石墨烯微片散均勻、流動性好、不 易團(tuán)聚。
[0016] 2、利用對噴式氣流粉碎機(jī)兩個不同工作壓力的噴嘴，讓粉料在粉碎室碰撞剝離， 通過分級室的分選獲得層數(shù)可控、分布均勻的石墨烯微片。
[0017] 3、本發(fā)明制備方法易于控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化封閉式生產(chǎn)，投入小、成本低、無環(huán)境 污染、產(chǎn)量高，具有顯著的市場應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0018] 為進(jìn)一步說明利用對噴式氣流粉碎機(jī)制備石墨烯微片的方法，通過附圖進(jìn)行說 明。
[0019] 附圖I:為對噴式氣流粉碎機(jī)示意圖。1-產(chǎn)品出口； 2-分級室;3-襯里;4-料斗;5-加 料噴嘴;6-粉碎室;7-粉碎噴嘴。
【具體實(shí)施方式】