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行業(yè)前沿/ news

石墨烯剝離是采用砂磨機(jī)好，還是超聲波，研磨分散和高壓均質(zhì)機(jī)好

發(fā)布時(shí)間：2019-11-02 來源：TGM 瀏覽：次
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上zui薄卻也是zui堅(jiān)硬的納米材料，幾乎完全透明，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/Vs，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-8Ω/m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。
 
 
石墨烯的主要合成方案
 
 
1）機(jī)械剝離法
 
　　當(dāng)年Geim研究組就是利用3M的膠帶手工制備出了石墨烯的，但是這種方法產(chǎn)率極低而且得到的石墨烯尺寸很小，該方法顯然并不具備工業(yè)化生產(chǎn)的可能性。
 
2）化學(xué)氣相沉積法（CVD）
 
　　化學(xué)氣相沉積法主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底（Cu箔）表面催化裂解沉積然后形成石墨烯。CVD法的優(yōu)點(diǎn)在于可以生長(zhǎng)大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜，但缺點(diǎn)是成本高工藝復(fù)雜存在轉(zhuǎn)移的難題，而且生長(zhǎng)出來的一般都是多晶。
 
　　3）氧化-還原法
 
　　氧化-還原法是指將天然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化性物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨（GO），經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯，然后加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)后得到石墨烯。氧化-還原法制備成本較低容易實(shí)現(xiàn)，成為生產(chǎn)石墨烯的zui主流方法。但是該方法所產(chǎn)生的廢液對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，所制備的石墨烯一般都是多層石墨烯或者石墨微晶而非嚴(yán)格意義上的石墨烯，并且產(chǎn)品存在缺陷而導(dǎo)致石墨烯部分電學(xué)和力學(xué)性能損失。
 
　　4）溶劑剝離法
 
　　溶劑剝離法的原理是將少量的石墨分散于溶劑中形成低濃度的分散液，利用超聲波的作用破壞石墨層間的范德華力，溶劑插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離而制備出石墨烯。此方法不會(huì)像氧化-還原法那樣破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，可以制備高質(zhì)量的石墨烯。缺點(diǎn)是成本較高并且產(chǎn)率很低，工業(yè)化生產(chǎn)比較困難。
 
　　當(dāng)然，石墨烯的制備方法還有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長(zhǎng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等，這些方法都不及上述四種方法普遍。
 
　　不要混淆?。?！還原氧化石墨烯，即RGO。一般來說，氧化石墨烯是由石墨經(jīng)強(qiáng)酸氧化，然后再經(jīng)過化學(xué)還原或者熱沖擊還原得到。目前市場(chǎng)上所謂的“石墨烯”絕大多數(shù)都是通過氧化-還原法生產(chǎn)的氧化石墨烯，石墨片層數(shù)目不等，表面存在大量的缺陷和官能團(tuán)，無論是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性還是機(jī)械性都跟獲得諾貝爾獎(jiǎng)的石墨烯是兩回事。嚴(yán)格意義上而言，它們并不能稱為“石墨烯”。
 
 
 
制備石墨烯的方法有很多。但歸納起來兩大類，一類是從大往小做，也叫自上而下法。例如，以石墨為原料，通過膠帶粘貼、氧化還原、液相插層和機(jī)械剝離等手段破壞石墨晶體的長(zhǎng)程有序堆疊，得到單層或少數(shù)幾層的石墨烯。另一類是從小往大長(zhǎng)，也叫自下而上法。例如，以含碳小分子等為前驅(qū)體，采用化學(xué)氣相沉積、外延生長(zhǎng)和有機(jī)合成等方法將碳素組裝成石墨烯。
 
 
 
當(dāng)前相對(duì)成熟的技術(shù)分別是，以氧化還原和液相插層為代表的大規(guī)模粉體，和以化學(xué)氣相沉積為代表的大面積薄膜。兩者生產(chǎn)工藝完全不同，而產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域也基本不重疊。前者通常以重量來計(jì)，可達(dá)公斤至噸級(jí)，產(chǎn)品剝離效率高、比表面積大、成本低，但缺陷多、可控性差，一般用作鋰電池和超級(jí)電容器電極導(dǎo)電填料，或用于塑料、油墨、涂料、金屬和陶瓷等多種基體的增強(qiáng)或功能填料，形成納米復(fù)合材料。而后者通常以面積來計(jì)量，依托其高透光率和面向電導(dǎo)率，通常作為透明電極用于觸摸屏和光伏等領(lǐng)域。
 
 
 
但是。當(dāng)前主要瓶頸有兩點(diǎn)，一是低成本高品質(zhì)石墨烯原料的規(guī)?；a(chǎn)，二是石墨烯的商業(yè)化應(yīng)用。有人可能覺得*個(gè)已不是問題，因?yàn)橐延卸鄠€(gè)十噸乃至百噸級(jí)產(chǎn)線投產(chǎn)，規(guī)?；此埔延卸?。事實(shí)真是如此嗎？除了產(chǎn)能，我認(rèn)為更重要的是品質(zhì)，因?yàn)樵系钠焚|(zhì)直接決定其應(yīng)用屬性。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，純度是否足夠高？批次穩(wěn)定性如何？成本是否還有壓縮空間？生產(chǎn)過程可否更綠色？技術(shù)的進(jìn)步永無止境，可靠的原料永遠(yuǎn)是石墨烯產(chǎn)業(yè)化的基石。
 
 
 
對(duì)于第二點(diǎn)，我想大家談的比較多了，這是產(chǎn)品出路和價(jià)值體現(xiàn)的問題，非常關(guān)鍵，但也很難。作為一種新材料，石墨烯的前十年屬于應(yīng)用發(fā)散期，即大家認(rèn)為石墨烯幾乎是的，然后在不同領(lǐng)域嘗試應(yīng)用，是在做加法。目前，我們已步入應(yīng)用集中期，要開始做減法了，因?yàn)榇蟛糠譂撛趹?yīng)用在實(shí)踐中被證實(shí)并無實(shí)用價(jià)值，或是技術(shù)上，或是商業(yè)上。在這個(gè)階段，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的互動(dòng)非常必要。我們必須面向用戶進(jìn)行二次開發(fā)，去解決分散和成型等共性技術(shù)難題，讓石墨烯更接“地氣”。最終交給用戶的，不僅是高品質(zhì)的材料，還有配套的應(yīng)用解決方案，也就是solution。
 
 
 
有可能你會(huì)問  一般國(guó)內(nèi)做碳管或者石墨烯會(huì)用砂磨機(jī)或者球磨機(jī)   超聲波分散機(jī)等等？  球磨機(jī)或者砂磨機(jī)他們偏重研磨炸   會(huì)破壞他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 我們的研磨分散機(jī)偏重  分散剝離  。超聲波不適合工業(yè)化生產(chǎn)，只是作為一種輔助分散。
 
 
高壓均質(zhì)機(jī) 
 
高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)作用的區(qū)別： 
 
 
名稱
 
高剪切均質(zhì)乳化機(jī)
 
高壓均質(zhì)機(jī)
 
原料要求
 
粉狀物、塊狀料或水果可直接投入
 
必須先將物料融化混合為流體后方可均質(zhì)
 
易損耗件
 
兩年內(nèi)無需更換配件，無易損件
 
均質(zhì)閥、密封件使用兩、三個(gè)月便需要經(jīng)常更換
 
生產(chǎn)操作
 
靈活、簡(jiǎn)便、無需專人操作
 
需專人操作、調(diào)節(jié)
 
耗能
 
耗電量為高壓均質(zhì)機(jī)的1/3
 
耗電量高，能源浪費(fèi)
 
適應(yīng)范圍
 
適用范圍廣
 
不適宜高粘度的物料
 
酸堿性
 
適應(yīng)性強(qiáng)
 
適應(yīng)性弱
 
均質(zhì)效果
 
均質(zhì)細(xì)度可達(dá)1μm以下，穩(wěn)定性好
 
均質(zhì)細(xì)度小，穩(wěn)定性好。不過在某些行業(yè)效果較差
 
綜合效果
 
混料、殺菌、均質(zhì)同時(shí)完成
 
只能單獨(dú)均質(zhì)用
 
清洗方法
 
自動(dòng)清洗
 
清洗復(fù)雜
 
 
高剪切均質(zhì)機(jī)與高壓均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)機(jī)理的比較：
 
比較
 
高剪切均質(zhì)機(jī)
 
高壓均質(zhì)機(jī)
 
宏觀
均質(zhì)
機(jī)理
 
剪切作用
 
主要通過液滴在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和定子間的間隙內(nèi)被剪切，以及由此間隙和轉(zhuǎn)子——定子上小孔射流的綜合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
 
料液在高壓下流過縫隙時(shí)，液滴先是被延伸，后因通過閥時(shí)的渦動(dòng)作用，使延伸部分剪切拉碎。
 
 
 
撞擊作用
 
高速旋轉(zhuǎn)的液滴受慣性離心力的推動(dòng)，具有極大的沖擊力，因而產(chǎn)生撞擊作用。
 
在均質(zhì)閥縫隙中高速?zèng)_出的液流出口處置有擋圈，因而產(chǎn)生高速撞擊作用。
 
 
 
空穴作用
 
離心力的作用使未進(jìn)入環(huán)隙時(shí)的液體具有一定壓力，而進(jìn)入環(huán)隙后成為高速旋轉(zhuǎn)液流，液體離開定子小孔后壓力又回升，所以也有一定的空穴效應(yīng)
 
液流進(jìn)口處?kù)o壓很高，過狹縫時(shí)，靜壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，壓力迅速大幅度地下降，在其縫隙內(nèi)瞬時(shí)引起空穴現(xiàn)象，離開縫隙后壓力的回升又使空穴消失，因而使液滴破碎
 
 
 
微觀
均質(zhì)
機(jī)理
 
高剪切均質(zhì)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的液滴流動(dòng)狀況相當(dāng)復(fù)雜，主要受控于作用在液滴表面不斷變化的流動(dòng)速度和由此產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，從而發(fā)生了分裂液滴的張力，使液滴破裂。
 
高壓均質(zhì)機(jī)提供給液滴破裂的能量來自于料液在進(jìn)口處攜帶的極高靜壓能。
 
目前國(guó)內(nèi)常用的剪切式均質(zhì)機(jī)線速度多為10～ 25m/ s。實(shí)踐證明其均質(zhì)效果并不理想。高剪切均質(zhì)機(jī)指線速度達(dá)到30～40m/ s 的剪切式均質(zhì)機(jī), 其主要工作部件為1 級(jí)或多級(jí)相互嚙合的定轉(zhuǎn)子, 每級(jí)定轉(zhuǎn)子又有數(shù)層齒圈。
 
研磨：利用剪切力（shear force）、摩擦力或沖擊力（impactforce）將粉體由大顆粒粉碎剝離成小顆粒。
 
分散：納米粉體被其所添加溶劑、助劑、分散劑、樹脂等包覆住，以便達(dá)到顆粒完全被分離（separating）、潤(rùn)濕（wetting）、分布（distributing）均勻及穩(wěn)定（stabilization）目的。
 
在做納米粉體分散或研磨時(shí)，因?yàn)榉垠w尺度由大變小的過程中，范德華力及布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象逐漸明顯且重要。選擇適當(dāng)助劑以避免粉體再次凝聚及選擇適當(dāng)?shù)难心C(jī)來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運(yùn)動(dòng)影響，是濕法研磨分散方法能否成功地得到納米級(jí)粉體研磨及分散關(guān)鍵技術(shù)。
 
    納米研磨分散機(jī)是由膠體磨,分散機(jī)組合而成的高科技產(chǎn)品。 
 
    *級(jí)由具有精細(xì)度遞升的多級(jí)鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調(diào)整到所需要的與轉(zhuǎn)子之間的距離。在增強(qiáng)的流體湍流下，凹槽在每級(jí)都可以改變方向。
 
    第二級(jí)由轉(zhuǎn)定子組成。分散頭的設(shè)計(jì)也很好地滿足不同粘度的物質(zhì)以及顆粒粒徑的需要。在線式的定子和轉(zhuǎn)子（乳化頭）和批次式機(jī)器的工作頭設(shè)計(jì)的不同主要是因?yàn)樵趯?duì)輸送性的要求方面，特別要引起注意的是：在粗精度、中等精度、細(xì)精度和其他一些工作頭類型之間的區(qū)別不光是指定轉(zhuǎn)子齒的排列，還有一個(gè)很重要的區(qū)別是不同工作頭的幾何學(xué)特征不一樣。狹槽數(shù)、狹槽寬度以及其他幾何學(xué)特征都能改變定子和轉(zhuǎn)子工作頭的不同功能。根據(jù)以往的慣例，依據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)指定工作頭來滿足一個(gè)具體的應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，機(jī)器的構(gòu)造是和具體應(yīng)用相匹配的，因而它對(duì)制造出zui終產(chǎn)品是很重要。當(dāng)不確定一種工作頭的構(gòu)造是否滿足預(yù)期的應(yīng)用。
 
它的線速度很高，剪切間隙非常小，這樣當(dāng)物料經(jīng)過的時(shí)候，形成的摩擦力就比較劇烈，結(jié)果就是通常所說的濕磨。定轉(zhuǎn)子被制成圓椎形，具有精細(xì)度遞升的多級(jí)鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調(diào)整到所需要的與轉(zhuǎn)子之間的距離。在增強(qiáng)的流體湍流下，凹槽在每級(jí)都可以改變方向。高質(zhì)量的表面拋光和結(jié)構(gòu)材料，可以滿足不同行業(yè)的多種要求。 
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