工业化量产多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置与流程

1.本发明涉及一种石墨烯的量产化技术，特别涉及一种利用喷雾、超音波照射、二氧化碳激光器照射而能大量生产高纯度多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置。


背景技术：

2.石墨是由多层石墨烯构成的结晶构造，而石墨烯(graphene)是一种单层的石墨结构，每个碳原子之间以sp2结晶结构与相邻的三个碳原子形成键结，并延伸成蜂窝状六角形的二维结构，目前石墨烯已被广为应用于半导体、触控面板或太阳能电池等领域中，且更预期广泛应用于光电、绿能发电、环境生医感测、复合性功能材料等诸多产业领域的发展。
3.现有石墨烯的制造方法包含有：机械剥离法(mechanical exfoliation)、磊晶成长法(epitaxial growth)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition,cvd)、化学剥离法(chemical exfoliation)及电化学剥离法(electrochemical exfoliation)等方法。这些现有石墨烯的制造方式，其部份方法虽可制造生产石墨烯粉末，但仍不是快速理想的石墨烯粉末的有效大量制造生产，且不易产出高纯度多孔石墨烯，因此并非理想量产的制造方法。
4.缘此，本发明人有鉴于现有石墨烯的制造方式其未尽理想的事实，即着手研发构思其解决方案，希望能开发出一种能量产高纯度多孔石墨烯粉末的制造方法，以促进此行业的发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种工业化量产高纯度多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置，其具有量产化的可实施性，并便利石墨烯的收集、取用，进而达到高纯度多孔石墨烯粉末制造生产的极佳经济效益性。
6.本发明为了达成上述目的，其所采用的技术方法包括以下步骤：步骤1：取液态的聚酰亚胺于一超音波喷雾器内进行超音波振荡而使的雾化为雾状粒子；步骤2：使该聚酰亚胺的雾状粒子进入一制备筒，并于该制备筒内进行二氧化碳雷射照射；步骤3：该聚酰亚胺的雾状粒子经二氧化碳雷射照射后，形成高纯度多孔石墨烯粉末，并落于该制备筒的底部。
7.前述方法实施例中，其中该液态的聚酰亚胺为液化的
8.前述方法实施例中，其中该步骤1进一步于该超音波喷雾器内导入一热风流运作，该超音波喷雾器连通该制备筒，该热风流并进入该制备筒内，用以进行烘干的程序操作。
9.前述方法实施例中，其中该步骤2进一步于该制备筒内导入一热风流运作，用以进行烘干的程序操作。
10.前述方法实施例中，其中该步骤3的该多孔石墨烯粉末是指2-5层的少层的多孔石墨烯。
11.前述方法实施例中，其中该制备筒的下半部位呈一上宽下窄的斗状槽，该斗状槽的周围绕设有一加热件，提供对该制备筒内加热以及维持该制备筒内的温度。
12.前述方法实施例中，其中该制备筒的底部设有一过滤网，该底部连接一排出管以连通一分离器；该分离器上方连接有一排热气管，该排热气管连接一马达使该排热气管进行热空气的排除，该分离器并设有一袋滤器，使落于该制备筒的底部的多孔石墨烯细粉末穿过该过滤网，再经由该排出管与空气分离，并被输送到该分离器，并穿过该袋滤器后落入于一收集槽。
13.本发明的技术手段另包括有：一种工业化量产高纯度多孔石墨烯粉末的装置，其包括：一制备筒，其内部上方外围设有复数个二氧化碳雷射照射器；一超音波喷雾器，连通设于该制备筒上方；一储存槽，连通该超音波喷雾器；前述构成，该储存槽用以设置液态聚酰亚胺，该液态的聚酰亚胺输送至该超音波喷雾器雾化成雾状粒子，该雾状粒子的液态聚酰亚胺输入该制备筒，并经该等二氧化碳雷射照射器的二氧化碳雷射照射而形成高纯度多孔石墨烯粉末，并落于该制备筒的底部。
14.前述实施例中，其进一步包括有一空气加热器，该空气加热器是连通一加热管路，该加热管路连通该制备筒。
15.前述实施例中，其中该加热管路是先经连通该超音波喷雾器而连通该制备筒。
16.前述实施例中，其中该储存槽是以一产品管路连通该超音波喷雾器，该产品管路上设有一第1马达。
17.前述实施例中，其中该制备筒的下半部位呈一上宽下窄的斗状槽，该斗状槽的周围绕设有一加热件，该制备筒的底部设有一过滤网，该制备筒的底部并连接一排出管以连通一分离器，该分离器上方连接有一排热气管，该排热气管连接一第2马达，该分离器并设有一袋滤器，使落于该制备筒底部的多孔石墨烯粉末穿过该过滤网，再经由该排出管与空气分离，并被输送到该分离器，并穿过该袋滤器后落入于一收集槽。
附图说明
18.图1为本发明设备实施例的立体示意图；
19.图2为本发明设备实施例的俯视剖面图；
20.图3为本发明的制备方法流程示意图。
21.主要组件符号说明：
22.聚酰亚胺
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11
23.步骤1
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201
24.步骤2
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202
25.步骤3
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203
26.产品管路
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221
27.储存槽
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24
28.第1马达
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25
29.超音波喷雾器
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26
30.制备筒
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31
31.斗状槽
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311
32.底部
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312
33.过滤网
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313
34.排出管
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314
35.二氧化碳雷射照射器
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316
36.加热件
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318
37.空气加热器
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32
38.加热管路
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321
39.第2马达
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33
40.排热气管
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331
41.分离器
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34
42.袋滤器
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341
43.收集槽
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35
44.具体实施模式
45.为使本领域技术人员对本发明的技术、方法特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如下。
46.请参阅图1、2及3，为本发明工业化量产高纯度多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置的较佳实施例，该些图式均为用以便利说明的示意图，其仅以示意方式说明本发明的基本结构，且所显示的构成绘制并未限定相同于实际实施时的形状及尺寸比例，其实际实施时的形状及尺寸比例乃为一种选择性的设计。
47.如图所示，本发明提供一种工业化量产高纯度多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置；其制备方法及装置包括：
48.步骤1(201)：取液态的聚酰亚胺于一超音波喷雾器内进行超音波振荡而使的雾化为雾状粒子；详言之，取液态的聚酰亚胺11(polyimide，简称pi)并置于一储存槽24，该储存槽24并连通一产品管路221，该产品管路221连通至一超音波喷雾器26，该液态的聚酰亚胺11经由该产品管路221被输送到该超音波喷雾器26。
49.步骤2(202)：使该聚酰亚胺的雾状粒子进入一制备筒，并于该制备筒内进行二氧化碳雷射照射；详言之，该超音波喷雾器26设于一制备筒31(中央)上方并与一制备筒31相连通，该制备筒31内部上方外围设有复数个二氧化碳雷射照射器316，该等复数个二氧化碳雷射照射器316其二氧化碳雷射照射是照射指向该制备筒31中央；该产品管路221连通该超音波喷雾器26的一端，该制备筒31连通该超音波喷雾器26的另一端；
50.步骤3(203)：该聚酰亚胺的雾状粒子经二氧化碳雷射照射后，形成高纯度多孔石墨烯粉末，并落于该制备筒的底部；详言之，该等聚酰亚胺11雾化的微小颗粒(雾状粒子)经二氧化碳雷射照射后，形成高纯度多孔石墨烯粉末，并落于该制备筒31的底部312。
51.前述构成及实施方法，该液态的聚酰亚胺11先流经该超音波喷雾器26，然后经超音波喷雾器26的喷雾作用之后在该制备筒31输入雾化的微小颗粒(即雾状粒子)，该超音波喷雾器26是利用电子震荡原理，运用压电水晶体震荡器(压电振荡器/振荡子)，产生高频率震波(超音波)作用于液态的聚酰亚胺11，用以将液态的聚酰亚胺11震成极小的雾状粒子，在此实施方式中，可进一步利用风扇(即产生风流)将该聚酰亚胺11的雾状粒子送出。此时位于该制备筒31内的该等二氧化碳雷射照射器316也同时启动以二氧化碳雷射照射该等雾化的微小颗粒(雾状粒子)；
52.藉此，能提供一种新的高纯度多孔石墨烯粉末量产方法，并能达到极佳的生产经
济效益性。
53.其中，该液态的聚酰亚胺11为液化的是美国杜邦公司生产的聚酰亚胺(pi)薄膜材料的商品名称，市面上即可购得，可藉应用此产品快速与低成本的取得聚酰亚胺。
54.此外，更可在该步骤1(201)增加以下步骤：增加一空气加热器32与一加热管路321，该加热管路321连通该空气加热器32与该超音波喷雾器26，该空气加热器32用以使该超音波喷雾器26内产生一热风流运作，使提供将该液态的聚酰亚胺11喷雾造粒与烘干的热空气，即该空气加热器32将该热空气经由该加热管路321输送到该超音波喷雾器26，使超音波喷雾器26藉由该热空气将该液态的聚酰亚胺11加速喷雾造粒送出，并使进入该制备筒31的聚酰亚胺11的雾化后微小颗粒(雾状粒子)，于该制备筒31内仍被该热空气持续加热，用以进行烘干的程序操作。该雾化后的聚酰亚胺11微小颗粒配合被二氧化碳雷射照射，使该聚酰亚胺11雾状粒子的原子晶格产生振动，打破其分子中的c＝o与n-c键，使其原子重新排列芳香族化合物(aromatic compounds)以形成多孔石墨烯，并且也使其被该热空气烘干而成颗粒化；因为聚酰亚胺包含芳香族与酰亚胺(aromatic and imide)，因此聚酰亚胺最终可以形成多孔石墨烯粉末。另，该加热管路321亦可直接连通该制备筒31，用以使该制备筒31内具有烘干效果的热风流运作，用以进行烘干的程序操作。再者，更可于该步骤2(202)的该产品管路221上设有一第1马达25，用以提供汲取输出该液态的聚酰亚胺11的作用。
55.其中，该步骤1(201)的该超音波喷雾器26的超音波震荡雾化操作，与该步骤2(202)的二氧化碳雷射照射器316的二氧化碳雷射照射，当该超音波喷雾器26的超音波震荡雾化操作与该等二氧化碳雷射照射器316的二氧化碳雷射照射的强度越强，或是震荡、照射的时间越长，则形成的多孔石墨烯粉末产量越多，反之，当该超音波喷雾器26的超音波震荡雾化操作与该等二氧化碳雷射照射器316的二氧化碳雷射照射的强度越弱，或是震荡、照射的时间越短，则形成的多孔石墨烯粉末越少，如此可调节粉末率及层数，前述的多孔石墨烯粉末是指2-5层的少层的多孔石墨烯。这是因为雷射照射的能量越多，则提供反应成单层的多孔石墨烯能量越多，因此产生的单层的多孔石墨烯粉末数量也越多。
56.另外，选择性的，该制备筒31的下半部位呈一上宽下窄的斗状槽311，以使多孔石墨烯最后所落于该制备筒的底部312其面积较该制备筒31的上半部位为小，以方便搜集多孔石墨烯。
57.另外，选择性的，该斗状槽311的周围绕设有一加热件318，提供对该制备筒31内加热以及维持该制备筒31内的温度，以加速对该制备筒31内液态的聚酰亚胺11形成多孔石墨烯粉末的反应。
58.此外，该制备筒31的底部312设有一过滤网313，该底部312连接一排出管314以连通一分离器34；该分离器34可如一旋风分离器，其上方连接有一排热气管331，该排热气管331连接一第2马达33使该排热气管331进行热空气的排除，该分离器34并设有一袋滤器341，使落于该制备筒底部312的多孔石墨烯粉末穿过该过滤网313，再经由该排出管314与空气分离，并被输送到该分离器34，并穿过该袋滤器341后落入于一收集槽35，从该收集槽35中取出多孔石墨烯粉末即可进行工业的应用。
59.本发明工业化量产高纯度多孔石墨烯粉末的制备方法及其装置藉由前述构成设计，其能使高纯度多孔石墨烯具有量产化的可实施性，并便利高纯度多孔石墨烯的收集、取
用，进而达到高纯度多孔石墨烯粉末制造生产的极佳经济效益性。
60.惟上述说明的内容，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡依本发明的技术手段所延伸的变化，理应落入本发明的保护范围之内。