一种用于风机叶片的生物质石墨烯的制备方法
技术领域
本发明属于风机叶片材料领域，涉及一种用于风机叶片的生物质石墨烯的制备方法。
背景技术
(1)风能是最具开发潜力的一种可再生能源。风机叶片是风力发电系统的关键部件，是风力发电机组获得较高风能利用系数和经济效益的基础。风机叶片长度与风机功率成正比，叶片越长，捕获风能越多，风机功率越大。随着风电机组的大型化发展，要求叶片材料具有密度小、抗疲劳强度高和机械性能好等特点。为了保障在恶劣的自然环境下长周期正常运行，现代大型风机叶片通常采用纤维增强树脂复合材料制成。常见的纤维增强材料有玻璃纤维和碳纤维，基体材料主要有环氧树脂、环氧乙烯基树脂和不饱和聚酯等热固性树脂。
(2)玻璃纤维增强材料成本低，在中小型风机叶片中应用较多。但是，随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维较难达到使用要求。大型风机叶片采用碳纤维增强材料可充分发挥其高弹轻质、抗疲劳性好、防雷击等优点。但是，碳纤维具有成本高、与基体树脂的浸润性差的缺点。
(3)石墨烯是一种碳原子以sp2杂化成的六元环排列形成的二维碳材料。石墨烯被视为芳香族大分子在二维平面上的无限延伸，也被视为富勒烯、一维碳纳米管等石墨基材料的基本组成单元。石墨烯具有非常优异的机械性能。单层石墨烯的杨氏模量高达1.1TPa，断裂强度为130GPa。因此，石墨烯可应用于水轮机、涡轮机、飞机螺旋桨、工业风扇等众多领域。石墨烯还具有优良的导电性能，电流密度比铜高6个数量级，可以提高叶片的避雷性能，因此，石墨烯作为风机叶片中的增强材料具有良好的应用前景。
(4)目前石墨烯的制备方法主要有物理剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。化学气相沉积法生产的石墨烯结构较完整、层数少，但是生产过程需要催化剂、工艺条件苛刻、生产成本高；物理剥离法生产的石墨烯缺陷少、纯度高，但是生产耗时、收率低、规模化生产难度大；氧化还原法可以实现较大规模生产石墨烯，但是生产的石墨烯缺陷多、品质欠佳、生产过程影响因素多。
(5)油菜、芦苇、高粱、玉米等天然农作物秸秆内部具有多孔疏松结构的芯。这些秸秆芯为植物生长输送和保存养料和水分。秸秆芯中木质素含量很少，其主要成分是纤维素和半纤维素。由于农作物秸秆芯的特殊微观结构和化学组成，首先通过碳化工艺，去除杂质元素并重排碳原子，再通过在特殊的有机溶剂中超声剥离，制备石墨烯材料。本发明提供了一种以不同种类农作物秸秆芯为原材料，通过碳化和有机溶剂超声剥离工艺，制备与基体树脂具有良好浸润性的生物质石墨烯浆料的方法，通过控制工艺参数可以调节石墨烯层数、机械性能和导电性能，制备工艺简单易行、设备要求低、生产成本低廉、适合大规模批量化生产。本发明制备的生物质石墨烯具有良好的机械强度和刚度，还可应用于水轮机、涡轮机、飞机螺旋桨、工业风扇等众多领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以天然农作物秸秆芯为原材料制备用于风机叶片的生物质石墨烯的方法。将多孔疏松结构的秸秆芯碳化后，在特殊有机溶剂中超声剥离出石墨烯。有目的地保留一定量的有机溶剂，形成石墨烯浆料，可提高石墨烯与基体树脂的浸润性。该制备方法涉及到的碳化和超声剥离工艺条件温和，不使用强氧化剂、强酸等化学试剂，不受原材料种类的影响，通过调节工艺参数，制得不同机械性能的生物质石墨烯，以满足不同场合的使用要求。
本发明所述的用于风机叶片的生物质石墨烯的制备方法包括以下步骤：
(1)去除天然农作物秸秆的外壳，将秸秆芯机械粉碎成粉末状，粒径尺寸控制在60目至200目范围；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5～20℃/min，升温至200～600℃，保温1～20h后，得到碳化产物；
(3)将1～50g碳化产物加入100mL有机溶剂中浸泡并搅拌0.5h，再在10～60℃下超声2～48h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在40～140℃下保温0.5～10h，控制固体含量在70～95％范围，制得生物质石墨烯。
步骤(3)中所述的有机溶剂为苯甲酸苄酯(BNBZ)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、γ-丁内酯(GBL)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、氯仿、异丙醇、正丙醇、乙腈中的一种或多种。
与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的制备方法，通过在有机溶剂中对秸秆芯碳化产物超声剥离较短时间，制得用作风机叶片增强材料的生物质石墨烯；
(2)本发明提供的制备方法，制得的石墨烯中含有一定量的有机溶剂，能提高石墨烯与基体树脂的浸润性；
(3)本发明采用的制备石墨烯的方法，原材料廉价易得、工艺条件温和、不使用强氧化剂和强酸、生产周期相对较短、工艺简单可行、设备要求低、生产成本低，适用于规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的生物质石墨烯的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
实施例1：
(1)去除芦苇秸秆的外壳，将芦苇秸秆芯机械粉碎成粒径为200目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5℃/min，升温至500℃，保温8h后，得到碳化产物；
(3)将20g碳化产物加入100mL的BNBZ中浸泡并搅拌0.5h，再在40℃下超声24h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在100℃下保温8h，控制固体含量为90％，制得生物质石墨烯。
实施例2：
(1)去除高粱秸秆的外壳，将高粱秸秆芯机械粉碎成粒径为160目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在10℃/min，升温至600℃，保温12h后，得到碳化产物；
(3)将30g碳化产物加入50mL的DMF和50mL的NMP的混合溶剂中浸泡并搅拌0.5h，再在40℃下超声36h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在80℃下保温6h，控制固体含量为80％，制得生物质石墨烯。
实施例3：
(1)去除玉米秸秆的外壳，将玉米秸秆芯机械粉碎成粒径为100目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5℃/min，升温至550℃，保温10h后，得到碳化产物；
(3)将15g碳化产物加入100mL的GBL中浸泡并搅拌0.5h，再在30℃下超声40h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在120℃下保温4h，控制固体含量为70％，制得生物质石墨烯。
实施例4：
(1)去除油菜秸秆的外壳，将油菜秸秆芯机械粉碎成粒径为80目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在10℃/min，升温至450℃，保温16h后，得到碳化产物；
(3)将20g碳化产物加入50mL的DMAC和50mL的异丙醇的混合溶剂中浸泡并搅拌0.5h，再在20℃下超声48h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在80℃下保温6h，控制固体含量为85％，制得生物质石墨烯。
实施例5：
(1)去除芦苇秸秆的外壳，将芦苇秸秆芯机械粉碎成粒径为80目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在10℃/min，升温至600℃，保温6h后，得到碳化产物；
(3)将30g碳化产物加入100mL的正丙醇中浸泡并搅拌0.5h，再在20℃下超声48h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在80℃下保温2h，控制固体含量为95％，制得生物质石墨烯。
实施例6：
(1)去除玉米秸秆的外壳，将玉米秸秆芯机械粉碎成粒径为200目的粉末状；
(2)将秸秆芯粉末放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5℃/min，升温至400℃，保温18h后，得到碳化产物；
(3)将10g碳化产物加入100mL的DMSO中浸泡并搅拌0.5h，再在40℃下超声36h后，得到超声剥离产物；
(4)将超声剥离产物放入烘箱中，在100℃下保温6h，控制固体含量为80％，制得生物质石墨烯。
