【深涂学会 涂料技术】这些新型设备能低成本大规模生产石墨烯!

作为一种具有高强度、高导热、高导电、润滑、耐腐蚀等多重功效的新材料,它是如何制备的呢?

我们都知道,石墨有着层状结构,每个单层就是石墨烯。只要将石墨的层间逐步剥离分开,得到的1-10层石墨就称之为石墨烯。石墨的层间主要是以范德华力结合,结合能约为2eV/nm2。因此,只要破坏了石墨的层间力,就会轻松地得到石墨烯。

传统的方法通过强酸氧化石墨,能够破坏石墨的层间力,通过超声即可获得石墨烯。但由于使用大量酸液,很容易带来废液污染。大批量生产石墨烯的污染问题难以解决,这也是目前石墨烯不能规模化生产、成本高的原因。

如果采用机械力破坏石墨的层间力,剪切力使得石墨的层间相互运动分离,不需要强酸氧化处理,同样可以获得石墨烯。为此,机械剥离成为规模化、清洁、低成本制备石墨烯的主要途径。

根据现有技术,已有采用球磨机、砂磨机、胶体研磨机、气流粉碎机、螺杆剪切机等多种机械剥离设备制备石墨烯。

在机械剥离制备石墨烯时需要借助一定的辅助材料,不同的机械剥离设备制备的石墨烯质量和适应性不同,性能存在一定的差异。

球磨机剥离制备石墨烯,需要1-3mm的研磨介质(氧化锆),分散介质用水或二甲基甲酰胺,优选选用行星球磨机。研磨后的产品可以是石墨烯浆体,也可以干燥后制备石墨烯粉末。球磨机剥离制备石墨烯,可应用于大规模生产石墨烯,石墨烯的成本低,适应性较宽,适合用于混凝土增强剂、防腐涂料、润滑剂、导电涂料、散热涂料等。

优点:利用球磨机制备石墨烯设备成本低,一般在5万元以内,生产简单、高效,产能大,适合于规模化生产。

缺点:利用球磨机制备的石墨烯中单层石墨烯含量较少,一般在10层以上,石墨烯性能较差,一般为石墨烯微片。

砂磨机剥离制备石墨烯,需要0.1mm的研磨介质(氧化锆),分散介质用水或二甲基甲酰胺,优选卧式砂磨机,最高转速一般在1500rpm,高速研磨后的产品可以是石墨烯浆体,也可以干燥后制备石墨烯粉末。石墨烯产品质量高,主要是单层石墨烯,产品适应性较宽,适合用于高性能需求的锂电池导电剂、导电油墨、导电涂料、散热涂料等。

优点:砂磨机高转速研磨,不断循环,研磨效率高,得到的石墨烯质量高,单层含量高。砂磨机设备成本较低,一般价格为20万元左右。。

胶体研磨制备石墨烯,主要是采用胶体研磨头的剪切,在湿法状态下研磨石墨。一般采用膨胀石墨、二甲基甲酰胺和少量分散剂混合,在胶体磨研磨,再搭配超声分散、喷雾干燥,得到石墨烯粉。

优点:胶体研磨制备石墨烯产能高,石墨烯质量高,一般石墨烯都在10层以内。适合规模化生产高质量石墨烯。利用胶体研磨制备石墨烯,石墨烯可以是浆体,也可以是粉体,适合用于锂电池导电浆料、光伏导电涂料、防腐涂料、润滑剂、散热涂料、导热纺织物、导热膜等。

气流粉碎以干态石墨为原料,通过极强的气流射流使石墨颗粒在粉碎剥离腔中循环连续粉碎剥离。不需要加入其它介质,其剥离效率高,产能高,适合于规模化生产。设备一般在50-100万元。

优点:气流粉碎剥离制备石墨烯产能高,由于配有分级机,可以获得高质量石墨烯,一般石墨烯都在2-8层。非常适合规模化生产高质量石墨烯。石墨烯产品是粉末,适合用于对纯度要求较高的锂电池导电浆料、光伏导电涂料、散热涂料、导热纺织物、导热膜、润滑油添加剂等。

螺杆剪切机为成熟的设备,通过将石墨分散在聚合物中,在螺杆强剪切力的作用下连续挤出剪切,使石墨剥离为石墨烯并分散的聚合物中形成粒状。一般选用高剪切的双螺杆挤出机。该方法不但高效获得石墨烯,而且石墨烯中直接在聚合物中,不再团聚,使用存储方便。这类石墨烯不需要从聚合物中分离,可以直接应用于塑料、橡胶等,制备增强塑料、增强橡胶、导热塑料、纺织导热纤维等。

优点:利用螺杆剪切制备石墨烯设备成熟稳定,一台螺杆剪切机约为30-50万元,制备效率高,非常适合规模化生产。石墨烯产品已被剥离分散处理为粒料,易于在塑料、橡胶等高分子材料中添加使用。

缺点:螺杆剪切机制备得到的石墨烯为复合物,不是单纯的石墨烯粉,不适合用于涂料。

制备石墨烯原来可以这么简单。机械剥离均是采用机械剪切力快速制备石墨烯。不但无污染,而且可以批量制备石墨烯,使石墨烯的制造成本大幅降低,进而推动了石墨烯在橡塑增强、锂电池石墨烯导电剂、导电油墨、防腐涂料、散热涂料、混凝土增强、可加热纺织物、导热膜等的规模化应用。机械剥离已经开启了规模化低成本制备石墨烯的号角,其发展潜力无限。

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