批量生产包括石墨烯的原子级薄二维材料的设备和方法技术

通过块体层状材料如石墨的分层生产石墨烯和类似原子级层状材料的设备；所述设备包括主泵，所述主泵将包含所述块体层状材料的颗粒的固体悬浮液的流体朝向包括流体导管(12)的芯部件(10)泵送，其中所述流体导管引导流体抵靠冲击头(16)；冲击头和导管被布置成使得在导管的端部和冲击头之间的环形间隙(202)，并且冲击头围绕物(26)延伸了流体在退出芯部件之前受到约束的区域。本发明专利技术描述了通过块体层状材料如石墨的分层来生产石墨烯和类似原子级层状材料的设备。该设备包括泵，其将流体引导抵靠冲击头并穿过500μm与1μm之间的环形间隙。这会导致差异剪切力，导致块体材料分裂成薄片。薄片。薄片。

【技术实现步骤摘要】
批量生产包括石墨烯的原子级薄二维材料的设备和方法
[0001]本申请为国际申请WO2017/064496进入中国国家阶段的中 国专利申请201680059644.5的分案申请。


[0002]本专利技术涉及用于制造原子级薄二维材料(例如石墨烯)的方 法。具体而言，本专利技术涉及用于以商业上有用的量生产高质量、 无缺陷、未氧化的二维材料(例如石墨烯)的简单可扩展工艺。 这种材料将用于复合材料、涂层、热管理和电子器件应用中，在 这些应用中导电性、导热性、阻隔性和机械强度的性质是重要的。

技术介绍

[0003]石墨烯是碳的二维同素异形体，由六边形结构的几个原子厚 度的片组成。这种材料的类似物可以包括其他化学物质，包括氮 化硼和二硫化钼。
[0004]石墨，广泛使用的矿物质实际上是石墨烯的结晶形式，其中 石墨烯各层通过范德华力结合在一起。石墨烯自2004年作为隔 离材料被发现以来引起了相当大的兴趣。该材料的新颖机械性 能、热性能和电性能表明了其多种用途。石墨烯可以在足够用于 实验分析的实验室规模上生产，但商业量的生产仍然是一个发展 中的领域。其他单层结构如氮化硼预计会在纳米
表现出 类似的有趣特性。
[0005]Min Yi和Zhigang Shen编写了这项技术的综述，题为
“′
Areview on mechanical exfoliation for the scalable production ofgraphene”，Journal of Materials Chemistry，A，2015,3,11700，提 供了关于关于石墨烯生产的技术现状。
[0006]自下而上的技术，如化学气相沉积和外延生长，可以产生具 有少量缺陷的高质量石墨烯。得到的石墨烯是电子器件的理想选 择。但是，这些薄膜生长技术的规模有限并且复杂，因此生产成 本昂贵，并且不能满足生产工业相关量的石墨烯的要求。
[0007]使用自上而下的技术已经证明以低成本大规模生产石墨烯， 由此通过石墨的直接剥离来生产石墨烯，有时悬浮在液相中。这 种工艺的起始材料是三维石墨，通过机械和/或化学方法分离以 显示几个原子厚的石墨烯片。
[0008]石墨烯的发现者使用的原始技术“Scotch Tape”可用于制备 高质量和大面积的石墨烯薄片。该技术使用胶带从石墨样品中拉 出连续的层。基于该方法制备的石墨烯样品，发现了石墨烯的许 多优异性能。但是，这种方法非常耗费人力和时间。它仅限于实 验室研究，似乎不适合放大工业生产。
[0009]三辊磨机技术是一种扩展Scotch Tape方法的方法，使用溶 解在邻苯二甲酸二辛酯(DOP)中的聚氯乙烯(PVC)作为移动 辊上的粘合剂，其可以提供连续剥离。虽然三辊磨机是一种已知 的工业技术，但是完全去除残留的PVC和DOP以获得石墨烯并 不容易，并且带来了额外的复杂性。
[0010]2008年，都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授团队通 过石墨的超声波辅助液相剥落开发了石墨烯的高产量生产。以分 散在特定有机溶剂中的石墨粉末为起点，随
后进行超声处理和离 心，得到石墨烯分散体。生产石墨烯的这种方法能够按比例放大， 但是一个缺点是生产的悬浮液的极低石墨烯浓度(大约0.01mg/ mL)，这不一定适用于批量生产。
[0011]此外，超声波处理器只能达到小体积所需的高功率密度，因 此难以扩大此过程以实现任何规模经济。相关公开可以在WO2013/010211A1中找到。
[0012]剪切力技术。
[0013]众所周知，石墨层对剪切力的抵抗力低，这使得石墨成为有 用的润滑剂。这已经在许多应用剪切力来从石墨剥离石墨烯的技 术中被利用。
[0014]球磨是粉末工业中的常用技术，是一种产生剪切力的方法。 第二个效应是滚珠在滚动过程中碰撞或垂直撞击，这会将石墨烯 片碎裂成较小的碎片，有时甚至破坏结构的结晶性质。
[0015]已经尝试了对球磨技术的若干改进，例如加入溶剂的湿球 磨，但是这些技术仍然需要非常长的处理时间(约30小时)，并 且即使适用于工业规模批量生产也会产生大量缺陷。相关公开可 以在WO2012117251A1中找到。
[0016]一些剪切力生产技术在施加剪切力以减弱层间结合之前已 经使用了离子嵌入步骤。这降低了将石墨剥落成石墨烯所需的能 量，但所得石墨烯可能被污染成品的残留离子所污染，并且该方 法需要额外的时间和成本，这减少了该技术的工业应用。
[0017]最近出现了用于石墨剥落的基于流体动力学的方法。这些基 于将粉末或薄片形式的石墨与流体混合以形成悬浮液，然后流体 可以经受湍流或粘滞力，其对悬浮颗粒施加剪切应力。
[0018]通常流体是常用作溶剂的液体，并且可以包括适合从成品中 除去溶剂的表面活性剂混合物。
[0019]产生剪切力的一种方法是使用高剪切，例如旋转式混合器。 已经使用厨房搅拌器在悬浮液中的石墨颗粒上产生剪切力来证 明石墨烯剥落。该工艺已经使用商业高剪切混合器进行了扩大， 所述商用高剪切混合器包括旋转刀片靠近孔筛以产生高剪切。由 于混合叶片和静态剪切筛的速度不同，石墨颗粒经受由流体施加 的剪切力。相关公开可以在WO2012/028724A1和WO2014/ 140324A1中找到。
[0020]另一种方法是使用带微流化器的高压均质器。这种情况下的 微型流化器由具有约75μm的微尺度尺寸的通道组成。使用高 压迫使流体从入口通过通道流向出口。由于通道的尺寸较小，壁 于流体之间的粘性摩擦产生高剪切力,导致石墨分层。这种方法 需要非常高的压力，起始石墨必须已经粉碎成微米尺寸范围。相 关公开可以在WO2015/099457中找到。
[0021]需要一种能够使用较少能量生产石墨烯的石墨烯生产工艺， 其可以被放大到高生产率而不会损失成品的质量。

技术实现思路

[0022]本专利技术寻求克服先前技术中的问题，以提供一种快速，可扩 展到工业数量和能效的石墨烯的生产方法。
[0023]本专利技术的各个方面如所附权利要求中所述。
[0024]在第一方面，本专利技术提供了一种通过块体层状材料如石墨的 分层来生产石墨烯和类似原子级层状材料的设备,该设备包括：
[0025]主泵，其适于以大于1MPa的压力泵送流体朝向芯部件且与 芯部件流体连通，所述流体是块体层状材料的颗粒的固体悬浮 液，所述芯部件包括：流体导管，所述流体导管具有适于输送所 述流体的主轴，其中所述流体导管布置成引导来自所述导管的流 体抵靠冲击头；冲击头具有垂直于或主要垂直于所述主轴的面； 冲击头和导管被布置成使得导管的靠近冲击头的端部和冲击头 之间产生在500μm和1μm之间的环形间隙，其中所述间隙形 成围绕导管的端部的连续区域并且基本上与冲击头共面；以及冲 击头围绕物(26)，其延伸了流体流出芯部件之前被约束的区域。
[0026]优选地，固体颗粒是石墨，六方氮化硼或二硫化钼的颗粒。 最优选地，固体颗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于通过块体层状材料如石墨的分层来制造石墨烯和类似原子级层状材料的设备，所述设备包括：主泵(112)，其用于泵送流体朝向芯部件(10)并且与芯部件(10)流体连通，所述流体是块体层状材料的颗粒的固体悬浮液；芯部件(10)，所述芯部件包括：具有适合于输送所述流体的主轴的流体导管(12)，其中所述流体导管布置成引导来自所述导管的流体抵靠冲击头(16)；冲击头(16)，其具有垂直于或基本垂直于所述主轴的面；所述冲击头和所述导管被布置成使得在所述导管的靠近所述冲击头的端部和所述冲击头之间形成的环形间隙(20)，其中所述间隙形成围绕所述导管的端部的连续区域并基本上与冲击头共面；和冲击头围绕物(26)，其使得流体在离开芯部件之前受到约束的区域得到延伸；其中，所述冲击头包括选自氮化硅，碳化钨，碳化硅，氮化硼，氧化铝，氧化锆和金刚石的材料。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备配置为保持流体的温度在30至80℃的范围内。3.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述冲击头之后的压降阀(124)，以提供背压。4.根据前述权利要求1
‑
2中任一项所述的设备，其中，所述设备的冲击头(16)构造成能够相对于所述导管的近端(24)沿所述主轴移动，以调节所述环形间隙(20)。5.根据前述权利要求4所述的设备，其中所述导管的近端(24)不邻接所述冲击头围绕物并且提供外环区域(204)。6.根据前述权利要求1
‑
2中任一项所述的设备，还包括与所述流体导管和所述主泵流体连通的冷却器，使得待处理的悬浮液在穿过所述芯部件(10)之前穿过所述冷却器并流出到所述主泵，该冷却器被构造成降低所述流体的温度。7.根据前述权利要求1
‑
2中任一项所述的设备，其中所述主泵(112)适于以大于1MPa的压力泵送流体朝向芯部件(10)。8.根据前述权利要求中1
‑
2任一项所述的设备，其中离开所述芯部件的所述流体被再循环处理或者配置为再循环回所述主泵的入口。9.根据前述权利要求6所述的设备，其中离开所述芯部件的所述流体被再循环处理或者配置为经由所...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：托马仕有限责任公司，
类型：发明
国别省市：