一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法及剥离制石墨烯的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法及剥离制石墨烯的装置，该方法通过将鳞片石墨与含有表面活性剂的水混合的石墨分散液在研磨的过程加载了超声剥离，在研磨转速1000～3000r/min、超声功率100～750KW条件下对石墨分散液进行研磨超声剥离，后经离心分离得到石墨烯分散液。该方法利用砂磨机研磨过程中的剪切作用，结合超声波粉碎机中的超声空化作用，实现鳞片石墨的纯物理破碎剥离制备，工艺过程简单，条件温和，且成本低廉，适用于大规模的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法及剥离制石墨烯的装置
本专利技术涉及一种制备石墨烯的方法，更特别地说，是指一种采用超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法。
技术介绍
石墨烯于2004年由英国曼彻斯特大学的Geim教授等首先获得，它是由单层碳原子组成的二维蜂窝状结构。自被发现以来，石墨烯由于其独特的性质成为了近年来材料研究的热点之一，已经在新材料、新能源、电子等领域展露出了巨大的应用前景，但其产量和价格一直是限制其产业化应用的瓶颈。目前石墨烯的制备方法分为化学法和物理法两大类。其中化学法主要采用氧化-还原法，它是通过氧化剂将石墨氧化成为氧化石墨，然后通过超声剥离后得到氧化石墨烯，最后通过还原剂将氧化石墨烯还原得到石墨烯。但该方法需要用到强氧化剂和强腐蚀性酸，同时还原过程中并不能完全将氧化石墨烯表面的含氧官能团还原，所得到的还原石墨烯表面还存在含氧官能团缺陷，而且制备过程繁琐，时间较长。而物理方法主要是一种以克服石墨碳层间范德华力的方式，实现石墨自上而下的剥离而制备石墨烯的方法，如胶带剥离法、超声剥离法、球磨法等。Geim等采用胶带剥离法制备出了世界上第一片石墨烯，但该方法制备石墨烯不可控，产量低、石墨烯片尺寸小、转移困难等。为此人们开发了超声波直接剥离石墨粉末来制备石墨烯的方法，该方法主要利用超声空化作用来实现石墨层间的剥离，具有工艺简单，成本低廉，所制备的石墨烯缺陷较小等，但目前采用该方法实现工业化生产石墨烯的最大障碍在于超声剥离的能量利用率较低、超声空化区域小等。为此人们又开发了球磨法来制备石墨烯的方法，该方法主要利用研磨介质的剪切作用来实现石墨层间的剥离，具有工艺简单，成本低廉，所制备的石墨烯缺陷较小等，但制备时间较长，所制备石墨烯的产率较低。
技术实现思路
本专利技术方法的目的旨在克服现有技术的不足之处而提供一种采用超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法。本专利技术方法采用相对于球磨机具有更密集研磨能量、更高研磨效率及物料可连续加工的砂磨机来制备石墨烯，同时将超声波粉碎机的超声探头放入砂磨机料斗中，在石墨研磨的同时进行超声剥离，实现超声剥离法制备石墨烯与球磨法制备石墨烯二者的结合。将超声剥离法制备石墨烯的超声空化作用与球磨法制备石墨烯的研磨介质剪切作用二者结合起来，通过剪切作用与超声空化作用二者的共同作用来剥离石墨而获得石墨烯。本专利技术的另一目的是提供一种将超声波粉碎辅助在砂磨机上的剥离制石墨烯装置，该剥离制石墨烯装置是在现有的砂磨机上进行改进，采用超声波粉碎替代机械搅拌，从而实现在石墨研磨的同时进行超声剥离，实现超声剥离法制备石墨烯与球磨法制备石墨烯二者的结合。本专利技术是一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法，其包括有下列步骤：步骤A，制石墨分散液；将鳞片石墨与表面活性剂水溶液在原料混合系统中混合，制得石墨分散液。所述鳞片石墨尺寸小于325目，鳞片石墨的浓度为1～50mg/ml，表面活性剂水溶液的浓度为0.05～10mg/ml；步骤B，超声波辅助研磨制石墨剥离液；将经步骤A制得的石墨分散液加入砂磨机系统的加料斗中，使石墨分散液在砂磨机的研磨腔及料斗中能够循环；在研磨转速为1550～3000r/min条件下对石墨分散液进行研磨处理3～30min后，将超声波粉碎机系统的超声探头置于加料斗中；在研磨转速为1550～3000r/min、超声功率为100～750KW的条件下对循环的石墨分散液进行处理0.5～6h后，停止超声粉碎；在研磨转速为1000～1500r/min条件下对石墨分散液进行研磨处理3～30min后，将超声波粉碎机的超声探头置于加料斗中；在研磨转速为1000～1500r/min、超声功率为100～750KW的条件下对循环的石墨分散液进行处理0.5～6h后，制得石墨剥离液；步骤C，离心分离制石墨烯分散液；将步骤B得到的石墨剥离液在1000～6000r/min条件下离心分离系统4中离心分离1～4h，取上层清液，即为石墨烯分散液。经本专利技术方法制得的石墨烯横向尺寸在0.4～1.8微米左右，横向尺寸分布均匀。经本专利技术方法制得的石墨烯溶液浓度在0.7％～1.5％。本专利技术采用超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法的优点在于：①能够实现产业化的生产石墨烯，且产率高，质量好。②应用本专利技术方法制备石墨烯工艺简单可控，成本低廉，所制备的石墨烯缺陷小。③该方法利用砂磨机研磨过程中的剪切作用，结合超声波粉碎机中的超声空化作用，实现鳞片石墨的纯物理破碎剥离制备，工艺过程简单，条件温和，且成本低廉、适用于大规模生产。附图说明图1是本专利技术采用超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的系统结构示意图。图1A是本专利技术中超声波粉碎机系统的探头与砂磨机系统的加料斗之间的组合示意图。图2是现有实验室卧式砂磨机的设备照片。图3是实施例1采用本专利技术方法制得的石墨烯的原子力显微镜照片。图4是对比实施例1制得的石墨烯的原子力显微镜照片。图5是对比实施例2制得的石墨烯的原子力显微镜照片。1.原料混合系统2.超声波粉碎系统21.超声波探头3.砂磨机系统31.研磨主机32.加料斗33.A管道34.B管道4.离心分离系统具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。参见图2所示，实验室卧式砂磨机系统中至少设置了研磨主机、研磨容器、加料斗、搅拌机。由于搅拌机只能够起到防止石墨在料斗中沉淀的作用，为了强化石墨的剥离效果，故将搅拌机替换为超声波粉碎机系统，在研磨剥离过程中应用超声剥离的空化作用与强的研磨介质剪切力相结合，达到剪切作用与超声空化作用二者的共同作用来剥离石墨而获得低缺陷、产率高的石墨烯。在本专利技术中，超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的剥离制石墨烯的装置，是将超声波粉碎机系统2的超声波探头21置于砂磨机系统3的加料斗32中，并去除砂磨机系统3的搅拌机，如图1A所示。石墨分散液加入砂磨机系统3的加料斗32中，在砂磨机系统3产生的负压下，石墨分散液经A管道33进入到研磨主机31中，后经B管道34再次进入料斗32中实现物料的循环。参见图1、图1A所示，本专利技术采用超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯包括有下列步骤：步骤A，制石墨分散液；将鳞片石墨与表面活性剂水溶液在原料混合系统1中混合，制得石墨分散液。所述鳞片石墨尺寸小于325目，鳞片石墨的浓度为1～50mg/ml。所述表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、羧甲基纤维素钠、十八酰氨乙基三甲基硫酸铵、十四酰氨丙基二甲基苄基氯化铵、胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、聚氧代乙烯(40)壬基苯基醚和失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚中的一种或者二种的组合。表面活性剂水溶液的浓度为0.05～10mg/ml。所述原料混合系统1可以是烧杯、玻璃量杯、研磨容器、普通的塑料、玻璃或者铁质容器。步骤B，超声波辅助研磨制石墨剥离液；将经步骤A制得的石墨分散液加入砂磨机系统3的加料斗中，使石墨分散液在砂磨机的研磨腔及料斗中能够循环；在研磨转速为1550～3000r/min条件下对石墨分散液进行研磨处理3～30min后，将超声波粉碎机系统2的超声探头置于加料斗中；在研磨转速为1550～3000r/min、超声功率为100～750KW的条件下对循环的石墨分散液进行处理0.5～6h后，停止超声粉碎；在研磨转速为1000～1500r/min条件下对石墨分散液进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤A，制石墨分散液；将鳞片石墨与表面活性剂水溶液在原料混合系统中混合，制得石墨分散液。所述鳞片石墨尺寸小于325目，鳞片石墨的浓度为1～50mg/ml，表面活性剂水溶液的浓度为0.05～10mg/ml；步骤B，超声波辅助研磨制石墨剥离液；将经步骤A制得的石墨分散液加入砂磨机系统的加料斗中，使石墨分散液在砂磨机的研磨腔及料斗中能够循环；在研磨转速为1550～3000r/min条件下对石墨分散液进行研磨处理3～30min后，将超声波粉碎机系统的超声探头置于加料斗中；在研磨转速为1550～3000r/min、超声功率为100～750KW的条件下对循环的石墨分散液进行处理0.5～6h后，停止超声粉碎；在研磨转速为1000～1500r/min条件下对石墨分散液进行研磨处理3～30min后，将超声波粉碎机的超声探头置于加料斗中；在研磨转速为1000～1500r/min、超声功率为100～750KW的条件下对循环的石墨分散液进行处理0.5～6h后，制得石墨剥离液；步骤C，离心分离制石墨烯分散液；将步骤B得到的石墨剥离液在1000～6000r/min条件下离心分离系统4中离心分离1～4h，取上层清液，即为石墨烯分散液。...

【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助砂磨机剥离制备石墨烯的方法，其特征在于包括有下列步骤：步骤A，制石墨分散液；将鳞片石墨与表面活性剂水溶液在原料混合系统中混合，制得石墨分散液；所述表面活性剂是羧甲基纤维素钠、十八酰氨乙基三甲基硫酸铵、十四酰氨丙基二甲基苄基氯化铵、胆酸钠、牛磺脱氧胆酸钠、聚氧代乙烯(40)壬基苯基醚和失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚中的一种或者三种的组合；所述鳞片石墨尺寸小于325目，鳞片石墨的浓度为1～50mg/ml，表面活性剂水溶液的浓度为0.05～10mg/ml；步骤B，超声波辅助研磨制石墨剥离液；将经步骤A制得的石墨分散液加入卧式砂磨机的加料斗中，使石墨分散液在卧式砂磨机的研磨腔及料斗中能够循环；将卧式砂磨机中的搅拌机替换为超声波细胞粉碎机；在研磨转速为1550～3000r/min条件下对石墨分散液进行研磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡楚江，袁骏鹏，桑楠楠，滕思聪，沈志刚，麻树林，张晓静，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11