[发明专利]一种吨级生产石墨烯的类机械剥离装置及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的批量生产设备及生产方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)，又称单层石墨，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维纳米材料。石墨烯的发现虽然仅10年左右，却引发了席卷全球的一波又一波的研究开发浪潮。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，具有神奇的电子传输、导电、导热和机械等特征。2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，在实验室成功地从石墨中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，因此荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球研究热潮。将石墨烯用于超级电容器、透明电极、锂离子电池、传感器、功能涂料和聚合物纳米复合材料等方面的应用前景，开辟了石墨烯材料的新时代。

正如有学者所言，19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪是碳的时代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是构成地球上一切生命体最重要的元素。碳材料的特性几乎涵盖地球上所有物质的性质。先进碳材料具有新型结构和优异的物理化学性能，是对未来发展具有重大和决定意义的新材料。

新材料产业作为战略性新兴产业的重点之一，也是未来高新技术产业发展的基石和先导，是我国成为世界制造业强国的重要基础。石墨烯作为先进碳材料，它是当今发现的世界上最优质的材料。它有以下特点：最薄，0.35nm，被称为现今世界最薄的材料；比表面积最大，2620m²/g；最硬，刚度优于金刚石，是人类已知强度最高的物质，比钢铁硬100倍；最抗拉，可弹性拉伸20％；热导率最高，5300W/m.k；最高迁移率200,000cm²/v.s(300k)；高透光性，透光率为97.7％/单层；高载流能力：电流密度比铜高6个数量级；最奇特的是，石墨烯是二维量子材料，线性能带色散关系，载流子有效质量为零，能在温室下观察到量子霍尔效应；还具有室温弹道输运特性。

石墨烯具有无限广阔的应用前景，虽然现在还是潜在阶段，普遍应用与产业化还没有打开局面，但是从科学预测的角度来看，已经成为不可忽视的重点领域。比如，它可替代和解决传统锂电池充电速度慢、蓄电能力差、寿命短、污染等弊端，可解决电动汽车发展的关键难题，使新能源电动汽车蓬勃发展。再比如可以替代硅，制造未来新一代超级计算机；替代ITO透明导电薄膜，应用于触摸屏、柔性显示、太阳能电池等电子工业领域；还可应用于海水淡化、可降解塑料、散热膜、防腐涂层、生物材料、复合材料、平板电脑、手表日历、移动电话、光电探测器、石墨烯纸、石墨烯布以及航天军工、超轻防弹衣、超薄超轻飞机、超薄折叠手机、甚至有想象力的天空电梯等。石墨烯创造的需求，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。从全球发展趋势来看，谁都不愿意丧失石墨烯发展带来的重大机遇。

制备石墨烯目前比较成熟的方式有物理法和化学法，其中物理法的典型代表是用胶带粘贴的方式从石墨晶体上获得，这种方法能拿到结构非常完美的石墨烯晶体，比较适用于开发电子器件或物理研究，无法量产。量产主要依赖化学法，一种是用于生成薄膜状石墨烯的“自下而上”法，也就是从小分子或碳原子通过化学气相沉积、外延生长或有机合成等途径组装成石墨烯片。这种方法规模相对容易做大，所获石墨烯的晶体结构相对完整，更适合去做触摸屏或太阳能电池的透明导电薄膜，而很难应用于粉体石墨烯的制备。另一种方式就是“自上而下”法，有时也叫化学剥离法，就是利用插层剂把三维的石墨晶体各层间的范德华力瓦解，使得石墨层层拆解开，剥成单层或少数几层的石墨烯产品。目前各厂家的工艺路线和所用插层剂是有差别的。有的用盐插层然后液相剥离，这种方法制备的石墨烯含氧量低，导电性能好，但剥离程度相对低一点，比表面积不太大；有的先氧化插层然后剥离，这种方法剥离程度高，比表面积大，但做出的石墨烯缺陷比较多，含氧量大，制约了石墨烯的工业化进程。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种吨级生产石墨烯的类机械剥离装置及其生产方法，以期可以实现无污染、零排放、低能耗的批量化生产高比表面积、无缺陷石墨烯。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明吨级生产石墨烯的类机械剥离装置，其特点在于：所述装置由一级或多级剥离设备串联构成；