一种石墨烯高压超声反应釜的制作方法

1.本发明涉及石墨烯生产技术领域，具体涉及一种石墨烯高压超声反应釜。


背景技术：

2.石墨烯(graphene)是碳原子以sp2杂化轨道组成，具有六角型蜂巢品格的二维层状石墨烯。石墨烯是组成其它石墨烯的基本单元，它能够通过翘曲制备得到零维的富勒烯，堆叠得到三维的石墨，也可以通过氧化、插层和剥离得到二维的氧化石墨烯，进一步切割剥离获得准零维的石墨烯量子点。石墨烯因自身大比表面积、高强度、高导电和导热等优异性能引起研究者们的广泛关注，并在能源、催化、电子和生物等领域具有重大的应用前景。
3.研究者们致力于在不同领域尝试不同方法已求制备出高质量、大面积、少片层或单片层石墨烯，并通过对石墨烯的制备工艺的不断优化和改进，降低石墨烯制备成本时期有效的材料性能得到广泛的应用，并逐步走向产业化。
4.现有市场上的石墨烯制备设备，大多采用的是机械剥离法、sic外延生长法、氧化还原石墨法、化学气相沉积法(cvd)等方法。其中，机械剥离法能得到晶体结构完整的少数层或多层石墨烯，但是其生产效率不高，不能大规模的应用；氧化还原法是先将石墨氧化成氧化石墨分散在水性介质中，然后再还原得到石墨烯，该方法可用于工业化大规模生产石墨烯，但是石墨烯的结构受到较大的破坏，石墨烯缺陷多；sic外延生长法可得到尺寸较大的单层或多层石墨烯，但是其生产装置要求高、成本高，且石墨烯的缺陷不可控、厚度不均匀；cvd法可实现大面积的制备石墨烯，但是成本较高、工艺复杂。因此，在现有生产工艺的基础上，亟需研制一款高效，且能工业化生产出少层和单层石墨烯的生产设备，以满足市场对石墨烯的大规模及高质量的需求。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种石墨烯高压超声反应釜，该石墨烯高压超声反应釜制备石墨烯，不仅操作简单，条件容易实现，且在制备过程中未使用强酸强碱，绿色环保。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种石墨烯高压超声反应釜，其包括：
7.反应釜主体，其下部设有释放通道；
8.电机，安装在所述反应釜主体的顶部，所述电机的输出端安装有向下延伸到所述反应釜主体内的搅拌浆；
9.来料管道，安装在所述反应釜主体的顶部，所述来料管道用于将石墨物料上料到所述反应釜主体内；
10.剥离气输送管道，安装在所述反应釜主体的顶部，所述剥离气输送管道用于将超临界co2输送至所述反应釜主体内；
11.加热装置，与所述反应釜主体连接，以用于对反应釜主体内的反应釜进行辅助加热；以及
12.高压超声装置，安装在所述反应釜主体的侧面并延伸到所述反应釜主体内，，以产生作用于反应釜主体内的高压超声。
13.作为本发明的进一步优选技术方案，所述高压超声装置为多个，并于所述反应釜主体的外周上呈圆周分布。
14.作为本发明的进一步优选技术方案，所述反应釜主体的侧壁设有管套，所述高压超声装置通过所述管套倾斜或水平插入到所述反应釜主体内，所述高压超声装置的前端靠近所述搅拌浆的底部。
15.作为本发明的进一步优选技术方案，还包括安装在所述反应釜主体顶部的过滤器，所述过滤器有上下两个腔体，上下两个腔体的中间固定有钛合金过滤芯用于隔断上下腔体，所述过滤器的上腔体连接外部的负压上料进气管、二氧化碳回收管道、压缩气反吹管道、抽负压管道和负压破真空反吹装置，所述过滤器的下腔体连接反应釜主体的顶部并与所述反应釜主体的腔体连通。
16.作为本发明的进一步优选技术方案，所述反应釜主体为圆形锥底，所述反应釜主体由底部的釜身和顶部的釜盖组成，所述釜身和釜盖通过法兰密封连接，所述电机设置在所述釜盖的中心，所述高压超声装置安装在所述釜身上，所述释放通道位于所述釜身的底部。
17.作为本发明的进一步优选技术方案，所述釜盖上还设有压力检测接口和温度检测接口，所述压力检测接口安装有延伸到所述反应釜主体内的压力传感器，所述温度检测接口安装有延伸到所述反应釜主体内的温度传感器。
18.作为本发明的进一步优选技术方案，所述釜身包括内胆和夹套，所述内胆与所述夹套之间形成有夹层空间，所述夹套外壁连接有与所述夹层空间连通的进水口、出水口、排气口和排尽口，其中，所述进水口和所述排尽口位于所述釜身的底部，所述出水口和所述排气口靠近釜盖设置在所述釜身的上部，所述加热装置用于提供循环的热水或蒸汽，所述加热装置通过循环供热管路与所述进水口和所述出水口连通。
19.作为本发明的进一步优选技术方案，所述内胆的内壁材质为sus316l不锈钢并且表面高精度镜面抛光，所述夹套为sus304不锈钢材质。
20.作为本发明的进一步优选技术方案，所述加热装置对反应釜主体的加热温度为40～50℃。
21.作为本发明的进一步优选技术方案，所述高压超声装置产生的高压超声的频率范围25～27khz。
22.本发明的石墨烯高压超声反应釜，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
23.1)本发明的石墨烯高压超声反应釜，通过设置高压超声装置和搅拌浆，可实现机械搅拌与高压超声相结合，使得超临界co2的分子更容易渗入到石墨或者石墨烯的层结构内部，从而实现层状石墨材料的插层，进而提高石墨的剥离效率，即更好地满足工业化生产的需求；
24.2)本发明的石墨烯高压超声反应釜，通过过滤器连接外部的抽负压管道、压缩气供给管道，以根据工艺需求对反应釜主体进行抽负压上料或反吹压缩气除尘，便于反应釜主体在完成此反应工序后，可快速投入到一次反应工序的准备中，即提高了工作效率；
25.3)本发明的石墨烯高压超声反应釜，其制备石墨烯不仅操作简单，条件容易实现，且在制备过程中未使用强酸强碱，绿色环保。
附图说明
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.图1为本发明石墨烯高压超声反应釜提供的一实施例的立体图；
28.图2为本发明石墨烯高压超声反应釜提供的一实施例的俯视图；
29.图3为本发明石墨烯高压超声反应釜提供的一实施例的剖视图。
30.图中：1、反应釜主体，2、釜身，3、釜盖，4、压缩气反吹管道，5、抽负压管道，6、过滤器，7、电机，8、第一阀门，9、来料管道，10、第二阀门，11、排气口，12、高压超声装置，13、进水口，14、释放通道，15、第四阀门，16、排尽口，17、出水口，19、剥离气输送管道，20、压力传感器，21、温度传感器，22、搅拌浆，23、管套，24、内胆，25、夹套。
31.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
33.如图1-3所示，本发明提供了一种石墨烯高压超声反应釜，包括反应釜主体1，以及围绕所述反应釜主体1设置的电机7、过滤器6、来料管道9、剥离气输送管道19和高压超声装置12。
34.反应釜主体1是圆形椎底，内壁材质是sus316l不锈钢并且表面高精度镜面抛光，体积约100l～500l(当然根据需要还可设计为其他尺寸，不限制体积)，反应釜主体1下部设有释放通道并连接第四阀门15，反应釜主体罐内工作压力0.095mpa～10mpa且设计压力达到12mpa；反应釜主体连接有用于高压泄压的安全装置；反应釜主体上设有用于感应温度的温度传感器21和用于检测内部压力的压力传感器20。
35.电机7安装在所述反应釜主体1的顶部，所述电机7的输出端安装有向下延伸到所述反应釜主体1内的搅拌浆22，本实施例中的电机7采用磁力搅拌电机，其磁力搅拌速度可调，磁力搅拌电机还设有不锈钢夹层以连接冷却装置用于给磁力搅拌电机降温；来料管道9安装在所述反应釜主体1的顶部，反应釜主体1处于真空状态下由所述来料管道9用于将石墨物料在负压作用下上料到所述反应釜主体1内；剥离气输送管道19安装在所述反应釜主体1的顶部，所述剥离气输送管道19用于将超临界co2输送至所述反应釜主体1内；加热装置，与所述反应釜主体连接，以用于对反应釜主体内的反应釜进行辅助加热，加热温度为45～60℃；高压超声装置12，安装在所述反应釜主体1的侧面并延伸到所述反应釜主体1内，以产生作用于所述反应釜主体1内的高压超声，所述高压超声装置12为多个(如两个或四个)，并于所述反应釜主体1的呈圆周分布。
36.所述反应釜主体1的顶部还连接有过滤器6，所述过滤器6具有上下两个腔体，上下两个腔体的中间固定有用于隔断上下腔体钛合金过滤芯，所述过滤器内的过滤芯用于过滤
气体中夹杂的粉料，所述过滤器上腔体连接外部的负压上料进气管、二氧化碳回收管道、压缩气反吹管道4、抽负压管道5、负压破真空反吹装置，所述过滤器下腔体连接反应釜主体的顶部并与反应釜腔体连通，所述抽负压管道5用于对所述反应釜主体内抽负压，所述压缩气供给管道4用于对所述反应釜主体内通入压缩气体，二氧化碳回收管道用于在反应釜完成爆破剥离后对二氧化碳进行回收再利用，负压上料进气管用于抽负压上料。具体应用中，抽负压管道5外接有负压机，通过对所述反应釜主体内抽负压，把石墨粉料(或含石墨烯)从来料管道9进入反应釜主体里，此时由过滤器6将气流里的粉料过滤掉，为了防止过滤器6堵塞，在上料完成后，需要利用负压破真空反吹装置打开把过滤器中的粉料料吹到反应釜主体里，这样可能没法除干净，然后再用干燥后的压缩气再次吹，压缩气由压缩气反吹管道4提供。
37.在一具体实施中，所述过滤器6与所述反应釜主体1之间的管路上连接有第一阀门8，所述来料管道9上连接有第二阀门10，剥离气输送管道19上连接有第三阀门，所述释放通道14的通道口连接有第四阀门15，各阀门根据生产工艺以对连接的管道进行启/闭操作。
38.在另一具体实施中，所述反应釜主体1的侧壁设有管套23，所述高压超声装置12通过所述管套23倾斜或水平插入到所述反应釜主体1内，所述高压超声装置12的前端靠近所述搅拌浆22的底部。
39.在一实施例中，所述反应釜主体1为圆形锥底，所述反应釜主体1由底部的釜身2和顶部的釜盖3组成，所述釜身2和釜盖3密封连接，所述电机7设置在所述釜盖3的中心，所述过滤器6、来料管道9和剥离气输送管道19围绕所述电机7安装在所述釜盖3上，所述高压超声装置12安装在所述釜身2上，所述释放通道14位于所述釜身2的底部，该释放通道14用于将反应完成后的反应产物快速释放。
40.所述釜盖3上还设有压力检测接口和温度检测接口，所述压力检测接口安装有延伸到所述反应釜主体1内的压力传感器20，所述温度检测接口安装有延伸到所述反应釜主体1内的温度传感器21，分别用于在反应对反应釜主体1内的温度及压力进行监测。所述釜盖3上通过滤器连接有二氧化碳回收管道1 8，二氧化碳回收管道用于在反应完成后对反应釜主体1内的气体进行回收，本实施例中超临界co2在完成爆破剥离后形成二氧化碳气体，回收利用可缩减生产成本。
41.所述釜身2由内胆24和夹套25组成，所述内胆24与所述夹套25之间形成有夹层空间，所述夹套25外壁连接有与所述夹层空间连通的进水口13、出水口17、排气口11和排尽口16，其中，所述进水口13和所述排尽口16位于所述釜身2的底部，所述出水口17和所述排气口11靠近釜盖3设置在所述釜身2的上部。进水口13与出水口17配合以用于通入循环热水到夹层空间来对内胆24进行水浴加热，所述加热装置用于提供循环的热水或蒸汽，所述加热装置通过循环供热管路与所述进水口和所述出水口连通。此处的排气口11和排尽口16用于对夹层空间进行排气或排水。
42.本发明的石墨烯高压超声反应釜采用超临界co2对石墨及石墨烯片层结构的剥离，，其生产石墨烯的工作原理如下：
43.步骤1、在负压作用下，通过来料管道9将外部的石墨物料吸入反应釜主体1内，上料时间3min(实际应用中，不同体积的物料上料时间多少由物料多少和负压上料机上料速度决定，本技术中不做限定)；利用剥离气输送管将处于超临界流体输送至所述反应釜主体
1内，注液时间3min(实际应用中，按照物料的反应配比来计算剥离气液体重量，具体时间需要根据剥离气重量来决定，本技术中不做限定)；
44.步骤2、利用压缩气反吹管道将压缩气体(空气、氮气或惰性气体)经过滤器输送到反应釜主体内进行反吹清灰0.5min，再利用抽负压管道5对反应釜主体1内进行抽真空到-0.095mpa，需要约1min的时间；
45.步骤3、电机7以转速100～300rpm带动搅拌浆22进行机械搅拌，水浴装置给反应釜主体1加热，同时由高压超声装置12产生高压超声，高压超声的超声波频率范围25～27khz，将反应釜主体1加热至40～50℃(优选45℃)，此时反应釜内压力8mpa左右，整个过程大概需要10分钟，然后开始计时，电机、高压超声装置12和加热装置持续工作，使石墨物料与二氧化碳继续反应30min；
46.步骤4、打开释放通道14，将反应产物快速释放，当快速泄压时，co2发生在石墨烯层间显著膨胀，从而释放大量能量以克服石墨烯层间的作用力，最终得到石墨烯；重复步骤1-4，经过36次的反复爆破剥离，即可进一步得到单层或少层的石墨烯。
47.本发明的超临界流体(supercritical fluid，scf)是指温度及压力均处于临界点以上的流体。本发明采用的超临界co2除了具有高的扩散性和渗透性外，还具有相对较低的临界值温度(304.1k)和临界压力(7.38mpa)，而且其化学性质不活泼、无毒、无臭、无味，成本适中，能够反复利用。同时由于超临界co2对石墨烯层的溶解能力，其也可以作为一种有效的“夹带剂”携带某些小分子渗入到石墨内部，即实现了层状石墨材料的插层。
48.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。