一种大面积石墨烯的高效制备方法
技术领域
本发明涉及涉及一种大面积石墨烯的高效制备方法，尤指一种可有效将制钢设备的废弃熔渣产出为具有高经济价值的石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯为一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型蜂巢状晶格的平面薄膜，为目前世界上最薄也是最坚硬的奈米材料。由于石墨烯的电阻率低，且几乎是透明的，被期待用于发展更薄、导电速度更快的电子元件以应用在诸如半导体、面板、或是电池等领域中。
即使有许多期待，国际大厂也已竞相投入石墨烯研究并积极布局，但现阶段石墨烯技术还未能被大量应用，显见目前还有许多技术上问题存在：无论是在石墨烯本身、或在配方上进行改良，以令石墨烯应用于复合材料时有更佳的效果。
申请号为“CN201710061776.8”的中国发明专利公开了一种大面积石墨烯的制备方法，其包括以下步骤：提供一铁矿材料至一高温炉；利用一还原剂将该铁矿材料还原为一高温铁水以及一含有石墨片的产物；将该高温铁水加入一炼钢炉而得到一钢材料；将该产物通过一过滤设备，使该产物中的该石墨片自该产物分离；利用一加压流体提供一剪切力施加于该石墨片，令该石墨片分散为复数大面积石墨烯，该大面积石墨烯的层数小于20且具有一La介于1μm至 1000μm之间的直径，该La系为一由拉曼光谱所获得的值。据此，将制钢设备的废弃熔渣产出为具有高经济价值的石墨烯，不仅降低废弃熔渣带来的环境污染也可降低石墨烯的原料成本。但是由于其在制备过程中存在制备效率低下、制备周期较长的情况，也会增加制备成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种大面积石墨烯的高效制备方法，提高在制备效率低，缩短制备周期同时降低制备成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种大面积石墨烯的高效制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一铁矿材料至一高温炉；
(2)利用一还原剂将该铁矿材料还原为一高温铁水以及一含有石墨片的产物；
(3)将该高温铁水加入一炼钢炉而得到一钢材料；
(4)利用一纯化技术将该产物纯化为一石墨分散液；
(5)利用一加压流体提供一剪切力施加于该石墨分散液，令该石墨分散液的石墨片分散为大面积石墨烯；
还包括如下步骤(6)：所述步骤(5)之后利用一旋流技术提供一旋转剪切力施加于该石墨分散液；
其中：所述旋转剪切力由电机驱动的转筒旋转时带动所述石墨分散液转动产生；
所述转筒的外周侧由上至下设置有若干喷射孔，各所述喷射孔与所述转筒切向设置且喷射孔的开口方向与转筒的转动方向相反；所述转筒一端的转轴由电机驱动，另一端的转轴为中空结构且与所述转筒的内腔连通，同时与一加压流体装置的出口可转动密封配合。
进一步的，该加压流体系选自由水、N-甲基吡咯烷酮、界面活性剂、盐类其组合所组成的群组。
进一步的，该石墨片相对于该加压流体占有介于0.5wt.％至50wt.％之间的重量百分比。
进一步的，该剪切力介于1MPa至500MPa之间。
进一步的，该剪切力的作用力系大于该石墨片的层间结合力。
进一步的，所述转筒另一端的转轴通过可转动密封件能够实现相对密封转动的与一管道的一端连接，所述管道的另一端连接所述加压流体装置的出口。
进一步的，所述转筒的外周侧由上至下多圈喷射孔单元，每圈喷射孔单元均至少包括均匀分布的2个喷射孔。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
通过增加旋流技术提供一旋转剪切力施加于该石墨分散液，能够有效的提高制备效率；
同时若干喷射孔的喷射能够产生沿旋转方向的切向剪切力，能够进一步提高制备效率；
能够减少该加压流体中的该石墨片于循环系统中的循环次数，缩短制备周期，降低成本。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明用于大面积石墨烯的高效制备的设备示意图；
图2为转筒的结构示意图；
附图标记说明：10、制钢设备；20、过滤设备；21、连通管；29、液体；31、加压器；32、进料口；33、管体；34、出料口；35、大面积石墨烯；40、石墨片；50-转筒；51-喷射孔。
具体实施方式
图1系本发明一实施例的系统示意图，该制造石墨烯薄片的系统包括有一制钢设备10、一与该制钢设备10连接的过滤设备20以及一与该过滤设备20连接的循环装置。
该制钢设备10可包括一习知高炉以及一习知炼钢炉(图中未示出)，该高炉可利用一还原性物质还原一铁矿石而得到一为高温液态铁水的主产物以及一含石墨片40的副产物(于本实施例中，该石墨片可为一石墨亮片)，而该炼钢炉自该高炉取得该高温液态铁水后经由一精炼制程而得到钢。于本实施例中，该制钢设备10可进一步包括一鱼雷车，以运送该高温液态铁水至该炼钢炉，然本发明对此并无特别限制，视需求还可进一步包括其他习知用于制钢的装置设备。且在本实施例中，该还原性物质可为焦煤，而该精炼制程系指利用一转炉进行脱硫脱碳的步骤，该高炉以及该炼钢炉的操作流程已为成熟技艺，在此不另行赘述。
该过滤设备20则包括一将该制钢设备10产生的该副产物过滤以输出该石墨片40的连通管21，而该循环装置包括一将一液体29导入的加压器31、与该加压器31连通的进料管32、一与该进料口32连通的管体33以及一与该管体 33连接的出料口34，该加压器31、该进料口32与该出料口34之间形成一供该液体29流动的流道。
该连通管21连接于该加压器31，以让该石墨片40得输入至该流道内而受该液体29提供的一剪切力作用，使该石墨片40分散为大面积石墨烯35，该液体29的该剪切力的作用方向与该石墨片40的移动方向相反，同时在管体33内设置有由转筒50，转筒50一端的转轴延伸至管体33外侧由电机驱动，另一端为中空结构且与所述转筒的内腔连通同时延伸至管体33外侧后与一加压流体装置的出口可转动密封配合，，其中转轴与管体可旋转密封配合(为本领域常规技术手段)，所述转筒50的外周侧由上至下设置有若干喷射孔51，各所述喷射孔51与所述转筒切向设置且喷射孔51的开口方向与转筒50的转动方向相反，喷射孔喷射了流体与转筒的旋转配合形成旋转剪切力，进一步使该石墨片40分散为大面积石墨烯35，提高制备效率。
本实施例中，附图2所示，进一步的，所述转筒20的外周侧由上至下多圈喷射孔单元，每圈喷射孔单元均包括均匀分布的6个喷射孔51。所述转筒另一端的中空的转轴通过可转动密封件能够实现相对密封转动的与一管道的一端连接(此为本领域常规技术手段)，所述管道的另一端连接所述加压流体装置的出口。
该大面积石墨烯35的层数小于20且具有一La介于1μm至1000μm之间的直径(该La系为一由拉曼光谱所获得的值)，于本发明中，所得到的该大面积石墨烯35具有一单层或多层结构，更具体地，该大面积石墨烯35的层数介于1 至5层之间。
于本实施例中，该出料口34连接回该加压器31，以达到循环流动的功能。本发明中可使用各种可提供该液体29的一压力以产生该剪切力的装置，例如加压马达，本发明并不特别限制，只要能够提供所需的该压力即可。
本发明尚提供一种利用制钢设备所产生的石墨副产物制造石墨烯薄片的方法，此实施例系以前述的该制造石墨烯薄片的系统举例说明，该方法包括以下步骤：
S1：提供一铁矿材料至一高温炉；
S2：利用一还原剂将该铁矿材料还原为一高温铁水以及一含有石墨片的产物；
S3：将该高温铁水加入一炼钢炉而得到一钢材料；
S4：将该产物通过一过滤设备，使该产物中的该石墨片自该产物分离；
S5：利用一加压流体提供一剪切力施加于该石墨片，令该石墨片分散为复数大面积石墨烯，该大面积石墨烯35的层数小于20且具有一La介于1μm至 1000μm之间的直径，该La系为一由拉曼光谱所获得的值。
于此实施例中，该大面积石墨烯35的结构可介于1层至5层之间，且该剪切力的作用力系大于该石墨烯薄片间的结合力，该液体29(喷射孔中喷出的也是该流体)可以为水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、界面活性剂、盐类或其组合。此实施例中，该石墨片40较佳地形成一弯折角度，使该剪切力施加于该石墨片40 的侧面以分散为该石墨烯，且该石墨片40的该弯折角度较佳地介于30°至 150°之间。
本实施例中，该加压流体中的该石墨片40于循环系统中的循环次数并无特别限制，只要所制造的该大面积石墨烯35的结构可达到所需层数即可。举例而言，该循环次数可视情况进行1次至900次，较佳为50次至500次，更佳为100 次至200次。
本实施例中，该石墨片40于该循环系统的剪切力举例可为1MPa至500MPa，较佳为10MPa至500MPa，更佳为50MPa至200MPa。据此，于本发明的一实施例中，当含有高度石墨化石墨烯的液体于该循环系统的循环次数为200次，由循环系统所产生作用于该高度石墨化石墨烯的剪切力可为200MPa，以达到最佳化分散效果，然本发明对此并无特别限制。在本文中，“剪切力”一词意指，巨观而言平行于石墨烯平面的作用力。
此外，为了避免该石墨片40分散的该大面积石墨烯35因热力学作用而发生「软凝聚现象」，本实施例中，含有该石墨片40的液体于整个制备过程的温度可为25℃至100℃、较佳可为20℃至50℃，从而避免已分散的该石墨烯薄片再度凝聚，且任何习知控制液体温度的方法皆可应用于本实施例而无特别限制。
于本实施例中并不特别限制该液体内该石墨片40的浓度，只要该高度石墨化石墨片40可于液体中藉由液体作用力有效地分散为该大面积石墨烯35即可。举例来说，该石墨片相对于该加压流体占有介于0.5wt.％至50wt.％之间的重量百分比。
于本实施例中，为了更有效地利用剪切力将该加压流体中的高度石墨化石墨片40分散为大面积石墨烯35，可先将该高度石墨化石墨烯进行一前处理，藉此前处理使高度石墨化石墨烯膨胀化，增加其石墨烯的平面间距(d(0002))，如此一来将可使该高度石墨化石墨烯更容易分散为该大面积石墨烯35。详言之，只要不破坏石墨烯薄片的六角网状平面结构，任何前处理方法皆可使用，本发明并不特别限制，譬如，爆炸法、化学拆层法、超音波震荡、球磨法、或上述方法的任意组合。
综上所述，本发明主要将该高炉所产生该副产物中的该石墨片进行回收再利用，以作为制造该石墨烯薄片的原料，且将两者设备进行整合。一来可使该高炉所产生该副产物中的该石墨片可以获得利用；二来，由于该石墨烯薄片的原料为该高炉所产生该副产物，故原料成本得以获得下降。再者，除使该副产物能被再利用而不至于导致浪费与环境污染外，更可提升其经济价值。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
