一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微片材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石墨烯材料領(lǐng)域，具體涉及一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微 片材料的方法。
【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，是一種只有一個(gè)原子厚 度的二維碳膜，是人們迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一種由單層原子構(gòu)成的材料，碳膜中碳原子之間由 化學(xué)鍵連接成六角網(wǎng)絡(luò)，由于碳原子之間的化學(xué)鍵由sp2雜化軌道組成，因此石墨烯很頑 強(qiáng)，具備可彎折、導(dǎo)電性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度好、透光性好等其他新材料不具備的優(yōu)良特性，這些特 性使得石墨烯的制備方法一直以來(lái)備受關(guān)注。
[0003] 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01510096254.2公開(kāi)了纖維素為原料制備生物質(zhì)石墨烯的 方法，具體制備方法為:步驟一:催化劑溶液的配制；步驟二:纖維素與催化劑離子配位、高 溫脫氧，得到前驅(qū)體;步驟三:熱處理;步驟四：酸處理、干燥；即得到石墨烯。本發(fā)明制備的 石墨烯形貌均一，具有單層或多層二維層狀結(jié)構(gòu)，尺寸為0.5~2μπι，導(dǎo)電性為25000~ 45000S/m。該發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)量高、生產(chǎn)安全性強(qiáng)、產(chǎn)品尺寸及物理性質(zhì)可 控，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但是該發(fā)明的制備方法成本高昂，環(huán)境污染嚴(yán)重。
[0004] 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01310411516.0公開(kāi)了一種石墨烯的球磨制備法，該發(fā)明 將石墨碳與烷基六元芳環(huán)或稠環(huán)聚醚型非離子表面活性劑的質(zhì)量體積比為1:2~1:15和去 離子水混合裝于球磨罐，固定于球磨機(jī)以200-500rpm的轉(zhuǎn)速球磨5-30小時(shí);再轉(zhuǎn)入去離子 水中，以3000-8000rpm的轉(zhuǎn)速離心10-30min，得到黑色上層膠體懸浮液，制得不同濃度石墨 烯水溶液。該發(fā)明的制備方法采用球磨設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行安全，但是該發(fā)明的制備 方法制備的石墨烯粒徑不均。
[0005] 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01110190763.3公開(kāi)了一種射流空化技術(shù)制備石墨烯的裝 置及方法，該裝置由儲(chǔ)料罐、入水管、閥門(mén)、電機(jī)、柱塞栗、壓力表、高壓管、空化發(fā)生器、循環(huán) 水冷裝置和回流管路組成，儲(chǔ)料罐的出口與入水管的入口端連接，入水管的出口端與柱塞 栗的入水口連接；閥門(mén)安裝在入水管上，柱塞栗由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作壓力由壓力表顯示;柱 塞栗的出水口與高壓管的入水口連接，高壓管的出水口與空化發(fā)生器的入水口連接;空化 發(fā)生器的出水口與回流管路的入水口連接，回流管路的出水口與儲(chǔ)料罐的入口連接，回流 管路上安裝循環(huán)水冷裝置;該制備方法有七大步驟。該發(fā)明構(gòu)思科學(xué)，工藝先進(jìn)，生產(chǎn)成本 低，無(wú)環(huán)境污染，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] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，現(xiàn)有的石墨烯制備方法由于環(huán)境污染大、成本高、工藝 復(fù)雜等缺陷，阻礙了石墨烯的應(yīng)用與推廣。因此，發(fā)明一種制備工藝簡(jiǎn)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)定的石墨稀制備方法，對(duì)推動(dòng)石墨稀材料的應(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(duì)目前石墨烯生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染大，制備工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種 低成本制備石墨烯材料的方法。該方法利用高壓水射流粉碎機(jī)制備層數(shù)在100-300層的分 布均勻的石墨烯微片材料，制備的石墨烯微片材料可應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、潤(rùn)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(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微片材料的方法，其特征在于:先將石墨粉加 熱預(yù)處理，然后均勻分散，再通過(guò)高壓水射流粉碎機(jī)的一定直徑的噴嘴使石墨粉與靶物碰 撞粉碎，獲得層數(shù)在100-300層的分散均勻的石墨烯微片材料，具體方法如下： (1) 將重量份為90-100的石墨粉在加熱溫度為150°C-200 °C下加熱預(yù)處理，加熱時(shí)間為 40min -60min，得到熱膨脹的石墨粉； (2) 將步驟(1)得到的石墨粉和重量份為1.0-2.0的乙醇，重量份為0.5-1.5的三聚磷酸 鉀以及重量份為500-1000的水加入高速混合機(jī)中，加入過(guò)程中同時(shí)以轉(zhuǎn)速200rpm-500rpm 攪拌，攪拌時(shí)間5min-25min，得到分散性良好的石墨粉水溶液； (3) 將步驟(2)得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入噴嘴直徑為1.7_高壓水射流粉 碎機(jī)的高壓儲(chǔ)料罐中，高壓水射流粉碎機(jī)設(shè)置了高壓栗站，高壓栗站以45MPa-60MPa的壓力 噴射兩股高壓水，石墨粉水溶液通過(guò)其中一股高壓栗站產(chǎn)生的高壓水在流態(tài)化室獲得初始 速度，然后在混合室與另一股高壓站產(chǎn)生的高壓水充分混合，混合后的石墨粉以懸浮狀態(tài) 送到噴嘴，作為載體的高壓水通過(guò)噴嘴被加速的同時(shí)帶動(dòng)石墨粉加速，石墨粉以接近水射 流的速度，噴向堅(jiān)硬的靶物，并與靶物產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，從而發(fā)生粉碎剝離； (4) 將步驟(3)得到的物料送入噴嘴直徑為1.0mm高壓水射流粉碎機(jī)的高壓儲(chǔ)料罐中， 通過(guò)高壓水射流粉碎機(jī)將石墨烯初級(jí)產(chǎn)物通過(guò)噴嘴以接近水射流的速度與堅(jiān)硬的靶物碰 撞、粉碎剝離，經(jīng)過(guò)濾、烘干，得到層數(shù)在100-300層的分散均勻的石墨烯微片材料。
[0009] 所述石墨粉為膨脹石墨、熱裂解石墨中的任一種，粒徑介于1_和5_之間。
[0010] 所述的高壓水射流粉碎機(jī)包高壓栗站、節(jié)流閥、高壓儲(chǔ)料罐、流態(tài)化室、混合室、噴 嘴、革巴物。
[0011] 進(jìn)一步地，所述節(jié)流閥至少一個(gè)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述噴嘴至少一個(gè);更進(jìn)一步地，噴嘴有兩個(gè)及以上時(shí)，噴嘴間既可以 交替工作，也可以同時(shí)工作。
[0013] 先將石墨粉進(jìn)行熱處理，減小石墨層之間范德華力，使石墨層更易被剝離，再將石 墨粉均勻分散至水中，加入高壓水射流粉碎機(jī)的高壓儲(chǔ)料罐中，在高壓水的帶動(dòng)下使石墨 通過(guò)噴嘴噴射向靶物，產(chǎn)生碰撞粉碎，將石墨剝層，從而獲得石墨烯微片材料;在石墨粉通 過(guò)噴嘴時(shí)，由于噴嘴直徑小于石墨烯粒徑，因而噴嘴會(huì)對(duì)石墨粉產(chǎn)生擠壓、摩擦、粉碎剝離； 另一方面，石墨粉第一次通過(guò)高壓水射流粉碎機(jī)碰撞靶物時(shí)，一部分能量用于粉碎，另外一 部分能量使石墨粉產(chǎn)生疲勞和裂縫，而當(dāng)石墨粉第二次通過(guò)高壓水射流粉碎機(jī)碰撞靶物 時(shí)，石墨粉中的疲勞和裂縫得到發(fā)展，引起更大的粉碎，從而獲得層數(shù)均勻的石墨烯微片材 料。
[0014] 所述高壓水射流粉碎機(jī)設(shè)置高壓栗站，高壓栗站產(chǎn)生兩股高壓水，一股高壓水通 過(guò)節(jié)流閥的調(diào)節(jié)，在流態(tài)化室使石墨粉水溶液獲得初始速度，另一股高壓水流入混合室，與 來(lái)自流態(tài)化室的石墨粉水溶液混合，使石墨粉以懸浮狀態(tài)輸送到噴嘴，作為載體的高壓水 通過(guò)噴嘴被加速的同時(shí)帶動(dòng)石墨粉的加速，使石墨粉以接近水射流的速度，噴向堅(jiān)硬的靶 物，并與靶物產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞粉碎，使石墨層剝離。
[0015] 為了推動(dòng)石墨烯材料的廣泛應(yīng)用，本發(fā)明提出一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石 墨烯微片材料的方法，該方法能夠量產(chǎn)的獲取層數(shù)在100-300層的石墨烯微片材料，生產(chǎn)過(guò) 程穩(wěn)定，而且無(wú)污染，生產(chǎn)成本想比于現(xiàn)有的石墨烯制備方法，只有百分之一；制備的石墨 烯微片材料不僅層數(shù)均勻，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(rùn)滑、耐 高溫和抗腐蝕特性。另一方面，本發(fā)明制備的石墨烯微片材料的厚度介于納米尺度范圍之 內(nèi)，而其徑向?qū)挾冉橛?微米和30微米之間，具有超大的比表面積，因而可將石墨烯微片材 料應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料、潤(rùn)滑油等復(fù)合材料中，作為添加劑使用時(shí)，添加使用量為重質(zhì)量 的4-25%;也可以作為進(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。
[0016] 本發(fā)明利用高壓水射流粉碎機(jī)制備的石墨烯微片材料，不但層數(shù)分散均勻，而且 無(wú)污染、成本低，滿足在橡膠增強(qiáng)、塑料增強(qiáng)、涂料防腐、潤(rùn)滑、污水處理等領(lǐng)域的要求，有利 于推動(dòng)石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用。其主要性能優(yōu)勢(shì)如表1所示。
[0017] 表1:
本發(fā)明一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微片材料的方法，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、利用熱處理預(yù)處理石墨粉，減小石墨層之間范德華力，使得石墨層更易剝離。
[0018] 2、利用高壓水射流粉碎機(jī)，通過(guò)高壓水射流粉碎機(jī)的一定直徑的噴嘴使石墨粉與 靶物碰撞粉碎，讓石墨粉在通過(guò)噴嘴和撞擊靶物的過(guò)程中，不斷粉碎剝離，獲得層數(shù)可控、 分布均勻的石墨烯微片材料。
[0019] 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(wú)環(huán)境 污染、產(chǎn)量高，具有顯著的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 為進(jìn)一步說(shuō)明利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微片材料的方法，通過(guò)附圖進(jìn)行 說(shuō)明。
[0021 ]附圖1:為高壓水射流粉碎機(jī)示意圖。1-高壓栗站;2-節(jié)流閥；3-高壓儲(chǔ)料罐;4-流 態(tài)化室;5-混合室;6-噴嘴;7-靶物。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明 的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù) 知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0023] 實(shí)施例1 一種利用高壓水射流粉碎機(jī)制備石墨烯微片材料的方法： (1) 將重量份為90的石墨粉在加熱溫度為150 °C下加熱預(yù)處理，加熱時(shí)間為40min，得到 熱膨脹的石墨粉； (2) 將步驟(1)得到的石墨粉和重量份為1.0的乙醇，重量份為0.5的三聚磷酸鉀以及重 量份為500的水加入高速混合機(jī)中，加入過(guò)程中同時(shí)以轉(zhuǎn)速200rpm攪拌，攪拌時(shí)間5min，得 到分散性良好的石墨粉水溶液； (3) 將步驟(2)得到的分散性良好的石墨粉水溶液送入噴嘴直徑為1.7_高壓水射流粉 碎機(jī)的高壓儲(chǔ)料罐中，高壓水射流粉碎機(jī)設(shè)置了高壓栗站，高壓栗站以45MPa的壓力噴射兩 股高壓水，石墨粉水溶液通過(guò)其中一股高壓栗站產(chǎn)生的高壓水在流態(tài)化室獲得初始速度， 然后在混合