一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯装置及其方法

1.本发明涉及一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯装置及其方法，属于电爆制粉装置技术领域。


背景技术：

2.石墨烯因其独特的力学和电学特性受到许多研究领域的广泛关注；在超级电容器和二次电池的新能源材料，用于散热、防腐、加热、海水淡化和吸波的各种膜材料，高分子、金属、陶瓷与石墨烯的复合材料领域，取得了卓有成效的结果，呈现出良好的规模应用前景。
3.这些领域使用的石墨烯通常是粉体，产业化应用时用量较大，多采用各种改进的hummers法制备，首先用强氧化剂将石墨氧化插层，增加原子间距；通过搅拌或超声处理等方法，剥离成氧化石墨烯；再使用还原剂就可得到还原型氧化石墨烯。具有高效规模化生产的优势，但该方法所产石墨烯的物理及化学特性存在较大的分散性，杂质元素含量偏高，工艺过程会产生大量的废液。
4.各研究领域都清楚地认识到，发展低成本、绿色和规模化，高质量精细结构调控的石墨烯制备方法和工艺，成为石墨烯技术发展的关键核心问题。机械剥离是原始且给予厚望的绿色制备石墨烯的方法，利用机械能克服石墨烯层之间的范德华力相互作用，可得到具有良好电导率的高质量石墨烯片。通常将石墨与溶剂混合，通过超声波、搅拌和球磨等方法输入能量，依靠石墨颗粒相互碰撞，与器壁和溶液的相互作用，实现石墨颗粒的逐渐碎化与剥离。但是，当剥离石墨微片的质量减小到一定程度时，其碰撞动能逐渐减小，石墨微片的进一步剥离变得越来越困难。在这些得到的石墨产物中，真正含有的石墨烯份额很少。
5.电爆法制备石墨烯，是一种机械剥离生产石墨烯的新方法。将石墨原料送入爆炸约束腔中；与脉冲储能电容相联的两放电电极，通过气体放电模式将大电流导入石墨原料，使其加热升温并发生爆炸。石墨的爆炸产物在约束通道中经高温高压过程，随后伴随冲击波从喷口喷射而出，石墨经历高压、高温及冲击波的作用剥离或碎化成石墨烯。爆喷射出的石墨烯,均匀悬浮在保护气氛中形成气溶胶。通过控制电爆的次数或频率，得到一定浓度的石墨烯气溶胶，可直接用于制备石墨烯/金属基复合材料和石墨烯薄膜，以及与粉末或液体进行混合。
6.目前，在约束电爆法制备石墨烯方面已有采用送粉器送料的方式进行连续约束电爆石墨制备纳米碳的装置，该装置采用电动伸缩杆做往复运动，带动约束套一起运动，在该过程中送粉器将粉末呈线状撒在载料杆中，但该装置自制的送粉器不能保证呈线状铺展在载料杆上且粉末松散，爆炸时达不到起爆要求，影响产能。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯装置及其方法，解决了粉末因松散和不能呈线状铺展在载料杆而不能爆炸
的问题，避免了爆炸后杂质元素的引入，提升了使用寿命，又可以更好的约束聚能。
8.为达到上述目的，本发明提供一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯装置，包括载粉带、用于带动载粉带转动的驱动机构、用于对载粉带实施电爆法的爆炸机构、用于负载石墨粉的载粉带和用于约束电爆法产生的爆炸能量的复合爆炸管，复合爆炸管固定安装在爆炸机构内部，载粉带穿过复合爆炸管，驱动机构、爆炸机构、载粉带和复合爆炸管均放置在氩气介质中，载粉带上负载石墨粉。
9.优先地，爆炸机构包括储能电容器c、接地导电管和高压导电管，高压导电管与储能电容器c负极相连，接地导电管与储能电容器c正极相连，高压导电管左端伸入接地导电管中，接地导电管左端开设有爆炸喷口。
10.优先地，复合爆炸管包括接地电极、聚乙烯爆炸管、连接管和高压电极，接地电极固定设置在接地导电管左端内部，接地导电管套设在聚乙烯爆炸管上，高压电极固定设置在聚乙烯爆炸管右端内部，连接管固定设置在聚乙烯爆炸管内，高压电极位于连接管和高压导电管之间，高压导电管左端伸入到聚乙烯爆炸管中与高压电极右端接触，高压电极上开设配合载粉带的载粉带通孔，用于对爆炸能量进行约束并保护聚乙烯爆炸管；载粉带从右向左依次穿过高压导电管、高压电极、聚乙烯爆炸管和接地电极；接地电极和聚乙烯爆炸管上均开设配合爆炸喷口的爆炸通孔，爆炸通孔与爆炸喷口连通，向储能电容器c中充入电压，在接地电极和高压电极之间的石墨粉导入大电流并发生爆炸，爆炸获得的爆炸产物经过爆炸喷口定向喷射到氩气介质中形成石墨烯气溶胶。
11.优先地，驱动机构包括压轮、主动轮和载带轮，驱动机构位于爆炸机构左侧，压轮和主动轮固定设置在载粉带两侧，压轮将载粉带压紧在主动轮上，用于带动载粉带转动；载带轮固定设置在爆炸机构右侧，载粉带右端缠绕在载带轮上；工作时，主动轮带动等待进行电爆法的载粉带向左运动，拉动载带轮转动，载粉带走过固定位移之后主动轮停止转动，等待进行电爆法的载粉带最终停在接地电极和高压电极之间，对载粉带负载的石墨粉实施电爆法；电爆法实施完成后，主动轮带动载粉带继续向左运动，带动下一段等待进行电爆法的载粉带停在接地电极和高压电极之间。
12.优先地，接地电极与高压电极材质为石墨。
13.一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯方法，采用上述任一项所述的装置，执行以下步骤：主动轮带动等待进行电爆法的载粉带向左运动；载粉带走过固定位移之后主动轮停止转动；等待进行电爆法的载粉带停在接地电极和高压电极之间；向储能电容器c中充入电压，在接地电极和高压电极之间的石墨粉导入大电流并发生爆炸，爆炸获得的爆炸产物经过爆炸喷口定向喷射到氩气介质中形成石墨烯气溶胶；电爆法实施完成后，主动轮带动载粉带继续向左运动，带动下一段等待进行电爆法的载粉带停在接地电极和高压电极之间；重复上述步骤，直到所有载粉带负载的石墨粉实施完成电爆法。
14.本发明所达到的有益效果：本发明中装有紧实石墨粉的载粉带，解决了粉末因松散和不能呈线状铺展，导致
不能在载料带上爆炸的问题，利用高密度聚乙烯带装载石墨粉，对石墨粉的约束更强，大大提升了连续电爆送进石墨粉的稳定性；接地电极和高压电极两电极采用石墨块制作，避免了爆炸后杂质元素的引入；在聚乙烯爆炸管中加入同心的连接管，既提升了使用寿命，又可以更好地约束聚能，使得石墨粉可以更好地剥离成石墨烯，本发明装置为石墨烯的制备提供了产业化的条件。
附图说明
15.图1是本发明的结构图；图2是图1中a-a向的剖视图；图3为本发明载粉带截面的示意图。
16.附图标记，1.压轮，2.主动轮，3.载粉带，4.导向轮，5.爆炸喷口，6.接地导电管，7.接地电极，8.聚乙烯爆炸管，9.连接管，10.高压电极，11.高压导电管，12.石墨粉，13.载带轮。
具体实施方式
17.以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.需要说明，若本发明实施例中有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)，则其仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系和运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
19.实施例一一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯装置，包括载粉带、用于带动载粉带转动的驱动机构、用于对载粉带实施电爆法的爆炸机构、用于负载石墨粉12的载粉带3和用于约束电爆法产生的爆炸能量的复合爆炸管，复合爆炸管固定安装在爆炸机构内部，载粉带3穿过复合爆炸管，驱动机构、爆炸机构、载粉带3和复合爆炸管均放置在氩气介质中，载粉带3上负载石墨粉12。
20.优先地，爆炸机构包括储能电容器c、接地导电管6和高压导电管11，高压导电管11与储能电容器c负极相连，接地导电管6与储能电容器c正极相连，高压导电管11左端伸入接地导电管6中，接地导电管6左端开设有爆炸喷口5。
21.优先地，复合爆炸管包括接地电极7、聚乙烯爆炸管8、连接管9和高压电极10，接地电极7固定设置在接地导电管6左端内部，接地导电管6套设在聚乙烯爆炸管8上，高压电极10固定设置在聚乙烯爆炸管8右端内部，连接管9固定设置在聚乙烯爆炸管8内，高压电极10位于连接管9和高压导电管11之间，高压导电管11左端伸入到聚乙烯爆炸管8中与高压电极10右端接触，高压电极10上开设配合载粉带3的载粉带通孔，用于对爆炸能量进行约束并保护聚乙烯爆炸管8；载粉带3从右向左依次穿过高压导电管11、高压电极10、聚乙烯爆炸管8和接地电极7；接地电极7和聚乙烯爆炸管8上均开设配合爆炸喷口5的爆炸通孔，爆炸通孔与爆炸喷口5连通，向储能电容器c中充入电压，在接地电极7和高压电极10之间的石墨粉12导入
大电流并发生爆炸，爆炸获得的爆炸产物经过爆炸喷口5定向喷射到氩气介质中形成石墨烯气溶胶。
22.优先地，驱动机构包括压轮1、主动轮2和载带轮13，驱动机构位于爆炸机构左侧，压轮1和主动轮2固定设置在载粉带3两侧，压轮1将载粉带3压紧在主动轮2上，用于带动载粉带3转动；载带轮13固定设置在爆炸机构右侧，载粉带3右端缠绕在载带轮13上；工作时，主动轮2带动等待进行电爆法的载粉带3向左运动，拉动载带轮13转动，载粉带3走过固定位移之后主动轮2停止转动，等待进行电爆法的载粉带3最终停在接地电极7和高压电极10之间，对载粉带3负载的石墨粉12实施电爆法；电爆法实施完成后，主动轮2带动载粉带3继续向左运动，带动下一段等待进行电爆法的载粉带3停在接地电极7和高压电极10之间。
23.优先地，接地电极7与高压电极10材质为石墨。
24.一种带载粉约束电爆法连续制备石墨烯方法，采用上述任一项所述的装置，执行以下步骤：主动轮2带动等待进行电爆法的载粉带3向左运动；载粉带3走过固定位移之后主动轮2停止转动；等待进行电爆法的载粉带3停在接地电极7和高压电极10之间；向储能电容器c中充入电压，在接地电极7和高压电极10之间的石墨粉12导入大电流并发生爆炸，爆炸获得的爆炸产物经过爆炸喷口5定向喷射到氩气介质中形成石墨烯气溶胶；电爆法实施完成后，主动轮2带动载粉带3继续向左运动，带动下一段等待进行电爆法的载粉带3停在接地电极7和高压电极10之间；重复上述步骤，直到所有载粉带3负载的石墨粉12实施完成电爆法。
25.接地导电管6和高压导电管11为圆柱形，高压导电管11轴心开设配合载粉带3的载粉带通孔，聚乙烯爆炸管8和连接管9均为圆柱形管件，压轮1、主动轮2、储能电容器c、接地电极7、高压电极10、载带轮13上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
26.实施例二本发明包括驱动机构、爆炸机构、载粉带和复合爆炸管，驱动机构、爆炸机构、载粉带和复合爆炸管均放置在氩气介质中；如图1和如图2所示，所述驱动机构包括压轮1、主动轮2、载粉带3、导向轮4和载带轮13，启动主动轮2开始旋转后，压轮1将载粉带3压紧在主动轮2上，在压力作用下带动载粉带3开始向前拉动，然后拉动载带轮13转动，载粉带3穿过聚乙烯爆炸管8前进走过固定的位移之后主动轮2停止转动，在一次爆炸完成后继续此过程，实现连续电爆。导向轮固定设置在载粉带下侧，导向轮位于主动轮上方，用于调整载粉带左端的运输方向；如图1和图2所示，所述爆炸机构包括接地导电管6、接地电极7、聚乙烯爆炸管8、连接管9、高压电极10和高压导电管11，在一定气压的氩气介质中，向储能电容器c中充入10-14kv电压，载粉带3将石墨粉12送至接地电极7和高压电极10之间，接通储能电容器c后，脉
冲大电流导通至接地电极7和高压电极10两电极，石墨粉在大电流的作用下发生爆炸，由于聚乙烯爆炸管8、接地电极7和高压电极10组成的复合管仅有爆炸喷口5是大面积敞开的，爆炸产物通过爆炸喷口5向外喷射，喷射后在氩气介质中形成石墨烯气溶胶。
27.如图1和图2所示，所述的复合爆炸管包括接地电极7、聚乙烯爆炸管8、连接管9和高压电极10，聚乙烯爆炸管8中以同心圆的方式加入连接管9，连接管9两端分布有接地电极7与高压电极10，连接管9、接地电极7与高压电极10组成复合爆炸管，复合爆炸管装在接地导电管6和高压导电管11之间，高压电极10中间开孔仅能通过载粉带3，高压电极10中间开孔面积相对于爆炸喷口5的可以忽略，爆炸后产物通过爆炸喷口5向外喷射，喷射后在氩气介质中形成石墨烯气溶胶；低压接地电极7与聚乙烯爆炸管8中心均开直径4mm的通孔，这样组成的复合爆炸管是一端封闭，一端敞口，在爆炸后爆炸产物通过一端的爆炸喷口5喷出。
28.高压导电管11与储能电容器c的负极相连，高压导电管11一端伸入到聚乙烯爆炸管8中与高压电极10接触，接地导电管6一端与储能电容器c的正极相连, 接地导电管6另一端开设有爆炸喷口5，接地导电管6另一端内设接地电极7；石墨粉12压实在载粉带3上，驱动机构连续不断地送载粉带3到聚乙烯爆炸管8中，待电爆法的载粉带停在接地电极7和高压电极10之间。
29.石墨粉12被压实在高密度聚乙烯载粉带3上，聚乙烯带载粉带3结构简单，可很好的将石墨粉连续送进，简化了送料方式，装有石墨粉的载粉带3从高压导电管11中穿入，经过复合爆炸管后从接地导电管6后绕过导向轮4后穿出，实现了石墨粉的连续送进，可完成连续电爆制粉。
30.复合爆炸管是在聚乙烯爆炸管8中以同心的方式加入连接管9，连接管9长度为70
±
2mm，连接管9和接地电极7中开设直径4mm的爆炸通孔，高压电极10中心开孔仅可通过载粉带3，复合爆炸管在连续电爆时寿命更长，且可更换。
31.接地电极7与高压电极10材质为石墨，粉体在爆炸后不会引入杂质元素。
32.因爆炸的能量较高，聚乙烯爆炸管8会炸裂，不能将所有的能量用来剥离石墨粉，所以设计在聚乙烯爆炸管8中加入复合爆炸管，复合爆炸管包括同心的连接管9，对爆炸能量进行更好地约束；石墨粉12通过驱动机构送入到接地电极7和高压电极10之间。
33.接地导电管 6和高压导电管11有一定的刚度支撑装置和有良好的导电性，本实施例中接地导电管 6和高压导电管11可以采用铜管或者铝管。
34.接地电极7和高压电极10的材质是为石墨，连接管9采用不锈钢材质。
35.本实施例的具体实施过程为：将装有石墨粉12的载粉带3绕在载带轮13上，将本发明装置放置在一定气压的氩气介质中，启动主动轮2，主动轮2开始旋转，拉动载粉带3将石墨粉12送至接地电极7和高压电极10之间，主动轮2停止，接着直流高压发生器h.v对储能电容器c进行充电至设定的10-14kv范围内的某一电压，达到要求电压后，将储能电容器c中的能量导入石墨粉12，石墨粉12瞬间产生大量的焦耳热发生爆炸，爆炸产物经爆炸喷口5喷射到氩气气氛中，形成石墨烯气溶胶，完成一次爆炸喷射过程。之后对储能电容器c进行充电，下一段等待进行电爆法的石墨粉12进入高压电极10和接地电极7之间发生爆炸；反复执行此过程，实现稳定连续的电爆制粉。
36.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
37.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
38.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
39.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。