[实用新型]一种高速搅拌剥离制备石墨烯材料的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及石墨烯材料制备领域，具体涉及制备石墨烯材料的配套设备，特别涉及在干粉状态下直接搅拌剥离制备石墨烯的装置。

背景技术

石墨烯是具有二维六角点阵排列方式的单片石墨。由于其特殊的单原子层结构和优异的晶体学性能，石墨具有优异的电学、力学、光学等性能，在新材料领域具有巨大的应用前景。目前已被广泛应用于锂电池导电、增强材料、防腐涂料、污水处理、空气净化、储氢、传感等众多领域。

但一直以来，石墨烯的制备成本较高，严重限制了其规模化推广应用。尽管已经成熟的氧化还原法可以规模化制备石墨烯，但由于在强氧化过程中会严重破坏石墨烯片层的结构，虽然经过还原处理，石墨烯片层的电子共轭结构得到部分恢复，所得石墨烯材料的各项性能指标仍与高质量的石墨烯存在较大的差距，特别是电性能损失严重。此外，石墨的氧化过程通常需要大量的强酸性氧化剂如浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等，而且还原过程中有需要高温处理或使用水合肼、硼氢化钠等有毒的化学物质，不仅能耗大，效率低，成本高而且污染环境。

石墨因为本来就具有可以剥离的层状构造，因此可以通过对其进行机械研磨而剥离。若不对石墨进行氧化处理，而是采用强力的研磨，同样得到了石墨烯。鉴于机械剥离制备石墨烯无污染、成本低、可规模化生产的特性，成为了石墨烯发展的主要技术途径。如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，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、去离子水混合装于球磨罐球磨制得不同浓度石墨烯水溶液。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。

然而，在研磨过程中，随着石墨尺寸的不断减小，其能量传递效率越来越低，需要借助介质来传递能量，而这种传递是不均匀的，要想通过强行研磨减薄石墨是难以做到的，而且研磨过程中颗粒位置是相对静止的，很难保证原料之间的均匀接触，从而保证不了产品的均匀性，不但耗时长，且得到的石墨烯层数分布极不均匀，因而质量欠佳。另外，研磨剥离所得到的石墨烯的面与面之间容易相互粘附进行再次排列而恢复紧密的层状结构。为此，中国发明专利申请号201210046788.0本发明公开了一种石墨烯材料的制备方法，将石墨粉末溶于有机溶剂或者水中，形成悬浮液，放入安装有齿轮组的容器中，搅拌，超声处理得到石墨烯。由于液体条件下液相剥离剪切力有限，通常需要配备超声波，效率较低。

高速混合机是一种传统的粉体混合设备，通常用于将不同的粉体进行分散和混合，其过程中粉体将存在碰撞，具有一定的粉碎作用。如果将高混机改造用于剥离石墨烯，不但推进石墨烯规模化制备的进程，也对传统高混机设备升级换代提供一个新的途径。显然，现有高混机由于剪切力、物料流速、物料运动方向是不利于剥离石墨烯的。

发明内容

为推动规模化、低成本制备石墨烯，本实用新型提出利用高速混合机剥离石墨烯，特别是提供一种高速搅拌剥离制备石墨烯材料的装置，该装置大幅简化了制备石墨烯的工艺和设备，同时提高了工作效率，为规模化、低成本化、清洁花生产石墨烯提供了配套设备。

本实用新型为实现上述技术目的，采用的技术方案是：一种高速搅拌剥离制备石墨烯材料的装置，所述装置包括动力装置（6）、搅拌腔（4）、齿形搅拌浆（5）、螺旋挡板（3），搅拌腔（4）设置第一加料口（1）、第二加料口（2）以及由气缸（7）控制的排料口（8）。

工作时，石墨原料由第一加料口（1）加入，剥离助剂由第二加料口（2）加入，动力装置（6）带动齿形搅拌浆（5）在搅拌腔（4）内高速旋转，使原料沿齿形搅拌浆（5）的齿形缺口处高速流出，在搅拌腔（4）的内壁形成向上的高速流，同时与搅拌腔（4）内壁设置的螺旋挡板（3）对撞形成高速涡旋，通过往复循环使石墨减薄为石墨烯，当达到一定时间后，开启气缸（7）使石墨烯由排料口（8）排出。

作为上述方案的进一步设置，所述螺旋挡板（3）有3组，均匀分布于搅拌腔（4）的内壁。

作为上述方案的进一步设置，所述螺旋挡板（3）每组有4个螺旋叶。

作为上述方案的进一步设置，所述齿形搅拌浆（5）为两个桨叶，两桨叶向上的弧度为120°，每个桨叶由一个齿形缺口，在高速转动时石墨原料由齿形缺口处高速流出，在搅拌腔（4）的内壁形成向上的高速流，同时与搅拌腔（4）内壁设置的螺旋挡板（3）对撞形成高速涡旋。