一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法制造方法及图纸

技术编号:19569810 阅读:72 留言:0更新日期:2018-11-25 05:15
本发明专利技术公开了一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法,属于石墨烯的制备技术领域。该宏量制备装置包括第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜、干燥塔、第一储罐和第二储罐,第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜和干燥塔依次连接,第一过滤洗涤塔、第一储罐和第一分散釜依次连接,第二过滤洗涤塔、第二储罐和第二分散釜依次连接。本发明专利技术具有结构简单紧凑,设计合理,连续化程度高且设备投资少的优点,能够高效制备羧基功能化石墨烯,降低生产成本。

A Macro-preparation Device and Method for Carboxyl Functionalized Graphene

The invention discloses a macro preparation device and method of carboxyl functionalized graphene, belonging to the technical field of graphene preparation. The macro-preparation device includes the first dispersing kettle, activation reactor, the first filter scrubbing tower, the second dispersing kettle, the reaction kettle, the second filter scrubbing tower, the third dispersing kettle, the drying tower, the first storage tank and the second storage tank, the first dispersing kettle, the activating reactor, the first filter scrubbing tower, the second dispersing kettle, the reaction kettle and the second storage tank. The filter scrubbing tower, the third dispersing kettle and the drying tower are connected in turn, the first filter scrubbing tower, the first storage tank and the first dispersing kettle are connected in turn, and the second filter scrubbing tower, the second storage tank and the second dispersing kettle are connected in turn. The invention has the advantages of simple and compact structure, reasonable design, high degree of continuity and low investment in equipment, can efficiently prepare carboxyl functionalized graphene and reduce production cost.

【技术实现步骤摘要】
一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法
本专利技术属于石墨烯的制备
,更具体地说,涉及一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置及方法。
技术介绍
石墨烯是一种新型二维碳纳米材料,具有独特的单原子层二维晶体结构、高比表面积、高的强度、电导率、热导率等独特性能,被誉为“改变21世纪的神奇材料”。但纯石墨烯由于其比表面积大、表面能高的特点,非常容易在溶剂和基体中团聚,致使其本征优良特征的发挥受到极大限制,而功能化石墨烯在保留石墨烯特性的同时,负载官能化基团,赋予其良好的相容性及可调的化学、电学等性能,有效地解决石墨烯材料使用困难的问题。氧化石墨烯是将石墨进行氧化后剥离得到的,具有很好的水溶性,根据氧化石墨烯的Lerf-Klinowski模型[Chem.Soc.ReV.2010,39,228.]:氧化石墨烯层面上修饰有羟基和环氧基团,而羧基主要在层边缘处。基于氧化石墨烯的可溶性和化学反应活性,氧化石墨烯层面和边缘处均可被功能化。羧基改性的氧化石墨烯在功能化氧化石墨烯的制备中占有重要的地位,利用氧化石墨烯表面的活泼羧基,通过酰胺化或酯化反应,可使各种有机小分子、高分子、生物大分子以及含有活泼基团的功能材料被共价结合到氧化石墨烯上。有文献首次报道了利用氯乙酸对氧化石墨烯进行羧基功能化,以活化氧化石墨烯表面的环氧基与羟基,使其转变成为羧基,从而提高其溶解性和生物学性能(XiaomingSun,ZhuangLiu,KevinWelsher,JoshuaTuckerRobinson,AndrewGoodwin,SasaZaric,HongjieDai.Nano-GrapheneOxideforCellularImagingandDrugDelivery.NanoRes.2008,1:203-212.2.)。公开日为2012年5月2日的中国专利201110265734.9“可控合成羧基化氧化石墨烯的方法及制得的纳米材料”公开了一种合成羧基化氧化石墨烯的方法,该方法采用偶氮类引发剂对氧化石墨烯作用,得到氰基改性氧化石墨烯,然后再将其溶于碱的醇溶液中反应,获得羧基化氧化石墨烯。公开日为2015年3月25日的中国专利201310425628.1公开了一种羧基功能化的石墨烯材料及其制备方法,该方法利用重氮化反应对石墨烯进行功能化,得到羧基化的石墨烯材料。公开日为2015年3月25日的中国专利201410647838.X公开了一种羧基化石墨烯的制备方法,该方法先制备氧化石墨烯悬浮液,然后还原制备石墨烯浑浊液,然后制备羧基化石墨烯的前驱体浑浊液,最后经过酸化前驱体后得到羧基化石墨烯。目前羧基化石墨烯存在的问题是:制备工艺过程复杂,所得到羧基化石墨烯其羧基在片层中或边缘,反应活性较低,位阻效应较大,尤其是在进行原位聚合改性时,只有很少一部分羧基能够以化学键的形式与基体材料成键分散于产物中,不能较好分散,甚至会出现阻聚现象。因此,需要寻求一种高效的合成羧基化石墨烯的工艺。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题,本专利技术的目的之一在于提供一种工艺流程简单、绿色环保无污染、生产效率高、布局紧凑的羧基功能化石墨烯宏量制备装置,本专利技术的目的之二在于提供采用该宏量制备装置的制备方法,制备的羧基功能化石墨烯羧基含量高、反应活性高。为了解决上述问题,本专利技术所采用的技术方案如下:本专利技术涉及一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置,包括第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜、干燥塔、第一储罐和第二储罐,所述第一分散釜、活化反应器、第一过滤洗涤塔、第二分散釜、反应釜、第二过滤洗涤塔、第三分散釜和干燥塔依次连接,所述第一过滤洗涤塔、所述第一储罐和所述第一分散釜依次连接,所述第二过滤洗涤塔、所述第二储罐和所述第二分散釜依次连接,所述第一分散釜、第二分散釜和第三分散釜中均同时设有高剪切乳化机和超声分散器。所述干燥塔为上喷式气流喷雾干燥塔。本专利技术还涉及一种采用上述装置的羧基功能化石墨烯的宏量制备方法,首先通过机械分散的方法对氧化石墨进行分散剥离,然后对氧化石墨烯进行活化处理,最后加入羧基化试剂进行羧基化反应。包括以下步骤:步骤1,将氧化石墨和碱液投入第一分散釜进行机械分散,得到氧化石墨烯水性浆料;步骤2,将步骤1所得浆料通入活化反应器,并加入活化剂,进行羧基活化反应;步骤3,将步骤2所得产物通入第一过滤洗涤塔中进行抽滤、水洗,过滤液经过第一储罐回用至第一分散釜中;步骤4,将步骤3洗涤后的产物输送至第二分散釜,加水后进行机械分散,得到活化氧化石墨烯水性浆料;步骤5,将步骤4所得浆料通入反应釜中,缓慢加入羧基化试剂和脱水缩合剂进行反应;步骤6,将步骤5所得产物通入第二过滤洗涤塔中进行抽滤、水洗,过滤液经过第二储罐回用至第二分散釜中;步骤7,将步骤6洗涤后的产物输送至第三分散釜,加水后进行机械分散,得到羧基功能化石墨烯水性浆料;步骤8,将步骤7所得浆料输送至干燥塔中进行干燥,即得羧基功能化石墨烯粉体。所述机械分散的方法为:采用高剪切乳化机和超声分散器同时运行的机械分散方式,分散温度5~40℃,高剪切乳化机的转速为500~3000r/min,超声功率为1~20kW,超声时间为1~10h。所述步骤1中采用的氧化石墨由石墨粉、蠕虫石墨、鳞片石墨、膨胀石墨中的一种或多种经氧化处理而成,碱液选自氢氧化钾、氢氧化钠、氨水中的一种或多种,所得氧化石墨烯水性浆料的pH值为8~10。所述步骤2中,活化剂为氯乙酸或氯乙酸钠,氧化石墨烯和活化剂的质量比为1:(0.1~1),活化反应的条件为:反应温度10~90℃,反应时间2~6h。所述步骤5中,羧基化试剂为氨基乙酸、3-氨基丙酸、4-氨基丁酸、5-氨基戊酸、6-氨基己酸或对氨基苯甲酸,脱水缩合剂为N,N'-二环己基碳酰亚胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、4-(4,6-二甲氧基三嗪)-4-甲基吗啉盐酸盐、2-(7-氧化苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯或2-(2-吡啶酮-1-基)-1,1,3,3-四甲基脲四氟硼酸盐,所述羧基化试剂与活化氧化石墨烯的质量比为(0.3~3):1,所述脱水缩合剂的用量为活化氧化石墨烯质量的5~100%,反应条件为:氮气保护、40~100℃下回流反应2~48h。所述步骤1、4和7中,水性浆料的浓度为0.1~10.0g/mL。所述步骤8中的干燥方式为上喷式气流喷雾干燥,干燥温度为105~180℃。相比于现有技术,本专利技术的有益效果为:(1)本专利技术采用的羧基功能化石墨烯的宏量制备装置,结构简单紧凑,设计合理,连续化程度高且设备投资少,能够高效制备羧基功能化石墨烯,降低生产成本。(2)本专利技术的羧基功能化石墨烯的制备方法,利用活化剂的高反应活性,能够同时对氧化石墨烯片层上的羟基及环氧基进行活化,再和羧基化试剂进行反应,形成末端羧基封端的支链,这种制备方法充分利用氧化石墨烯片层上的含氧官能团,制备的羧基功能化石墨烯羧基含量高、反应活性高。在复合材料改性的过程中该羧基功能化石墨烯通过羧基可以与基体材料发生酰胺化、酯化反应等,以化学键的形式接枝在基体材料中,界面结合力高,分散性能提高,力学性能改性效果更好。(3)本专利技术制备得到的羧基功能化石墨烯其羧基本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置,其特征在于,包括第一分散釜(1)、活化反应器(2)、第一过滤洗涤塔(3)、第二分散釜(4)、反应釜(5)、第二过滤洗涤塔(6)、第三分散釜(7)、干燥塔(8)、第一储罐(9)和第二储罐(10),所述第一分散釜(1)、活化反应器(2)、第一过滤洗涤塔(3)、第二分散釜(4)、反应釜(5)、第二过滤洗涤塔(6)、第三分散釜(7)和干燥塔(8)依次连接,所述第一过滤洗涤塔(3)、所述第一储罐(9)和所述第一分散釜(1)依次连接,所述第二过滤洗涤塔(6)、所述第二储罐(10)和所述第二分散釜(4)依次连接,所述第一分散釜(1)、第二分散釜(4)和第三分散釜(7)中均同时设有高剪切乳化机和超声分散器。

【技术特征摘要】
1.一种羧基功能化石墨烯的宏量制备装置,其特征在于,包括第一分散釜(1)、活化反应器(2)、第一过滤洗涤塔(3)、第二分散釜(4)、反应釜(5)、第二过滤洗涤塔(6)、第三分散釜(7)、干燥塔(8)、第一储罐(9)和第二储罐(10),所述第一分散釜(1)、活化反应器(2)、第一过滤洗涤塔(3)、第二分散釜(4)、反应釜(5)、第二过滤洗涤塔(6)、第三分散釜(7)和干燥塔(8)依次连接,所述第一过滤洗涤塔(3)、所述第一储罐(9)和所述第一分散釜(1)依次连接,所述第二过滤洗涤塔(6)、所述第二储罐(10)和所述第二分散釜(4)依次连接,所述第一分散釜(1)、第二分散釜(4)和第三分散釜(7)中均同时设有高剪切乳化机和超声分散器。2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述干燥塔(8)为上喷式气流喷雾干燥塔。3.一种采用如权利要求1或2所述装置的羧基功能化石墨烯的宏量制备方法,其特征在于,首先通过机械分散的方法对氧化石墨进行分散剥离,然后对氧化石墨烯进行活化处理,最后加入羧基化试剂进行羧基化反应。4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,将氧化石墨和碱液投入第一分散釜(1)进行机械分散,得到氧化石墨烯水性浆料;步骤2,将步骤1所得浆料通入活化反应器(2),并加入活化剂,进行羧基活化反应;步骤3,将步骤2所得产物通入第一过滤洗涤塔(3)中进行抽滤、水洗,过滤液经过第一储罐(9)回用至第一分散釜(1)中;步骤4,将步骤3洗涤后的产物输送至第二分散釜(4),加水后进行机械分散,得到活化氧化石墨烯水性浆料;步骤5,将步骤4所得浆料通入反应釜(5)中,缓慢加入羧基化试剂和脱水缩合剂进行反应;步骤6,将步骤5所得产物通入第二过滤洗涤塔(6)中进行抽滤、水洗,过滤液经过第二储罐(10)回用至第二分散釜(4)中;步骤7,将步骤6洗涤后的产物输送至第三分散釜(7),加水...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒋炎罗振扬马宏明梁燕黄荣庆曹建鹏周良艳万元俊宋彦杰禹龙刘雪静
申请(专利权)人:常州恒利宝纳米新材料科技有限公司南通九野智能科技有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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