一种石墨烯混合溶液制备装置、方法及混合溶液
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯混合溶液制备装置、方法及混合溶液。
背景技术
传统的石墨烯混合溶液的生产，采用机械剥离法、膨胀石墨插层法生产出石墨烯，再将石墨烯以勾兑的方法加入溶液中。利用勾兑的方法加入石墨烯，会因石墨烯片层之间的团聚，导制石墨烯在溶液内分散不均匀，影响石墨烯混合溶液的质量，生产工艺繁索，严重污染环境，无法推广应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯混合溶液制备装置、方法及混合溶液，整体结构简单，不需要先制造出石墨烯，不需要高温溶化金属溶液、高温溶化非金属溶液，在常温下即可生产石墨烯复合金属、非金属材料，整体结构简单，生产工艺较少，适合自动化操作，且整个生产制造流程无污染、无废气、无废水、无废料排放，石墨烯掺杂均匀。
本发明提供一种石墨烯混合溶液制备装置，包括桶体、定石墨棒、动石墨棒、驱动机构、支撑机构、调整机构和循环机构；所述桶体和所述驱动机构均通过所述支撑机构固定；所述循环机构将所述桶体的顶部和底部相连通；所述调整机构设置在所述桶体和所述支撑机构之间；所述定石墨棒的上端固定在所述桶体的顶部，下端向内形成一锥形凹面；所述动石墨棒的上端固定在所述驱动机构上，下端上设有与所述锥形凹面向匹配的锥形凸面；所述定石墨棒和所述动石墨棒同轴设置且间隔预设距离；所述动石墨棒在所述驱动机构的驱动下呈圆周转动；所述定石墨棒和所述动石墨棒同轴设置；所述桶体顶部开设有进料口，所述动石墨棒上开设有与所述进料口同轴设置的进料口；所述动石墨棒的上端开设有与所述进料口相对应的盲孔；所述定石墨棒的上端和所述动石墨棒的下端分别连接有电源线，所述电源线连接外部电源。
于本发明的一实施例中，所述驱动机构包括电机、圆盘、滑套、滑环、碳刷组件和轴承组件；所述电机固定在所述支撑组件上，所述电机的输出轴上套设有滑套，所述电机的输出轴上设有外花键，所述滑套套设在所述输出轴的部分设有内花键，所述外花键和所述内花键相啮合；所述圆盘、所述滑环和所述轴承组件由上向下依次套设在所述滑套上；所述碳刷组件套设在所述滑环上；所述碳刷组件和所述滑环相抵接；所述滑环和所述动石墨棒之间通过电源线连接，所述碳刷组件通过电源线连接外部电源。
于本发明的一实施例中，所述轴承组件包括轴承室、轴承、内卡簧和外卡簧，所述轴承、所述内卡簧和所述外卡簧均在所述轴承室内；所述轴承的两侧分别和所述轴承室和所述滑套相抵接；所述内卡簧卡设在所述轴承下侧与所述轴承室之间；所述外卡簧卡设在所述轴承的下侧与所述滑套之间；所述碳刷组件包括碳刷支架、碳刷和弹簧；所述碳刷支架固定在所述轴承室上；所述碳刷支架上开设有开口朝向所述滑环的容纳腔，所述碳刷的一端设置在所述容纳腔中，另一端和所述滑环相抵接；所述弹簧的两端分别和所述碳刷和所述碳刷支架相抵接。
于本发明的一实施例中，所述支撑机构包括三个支柱、三个支撑臂、三个底腿、电机固定支架和电机护罩；三个所述支柱沿圆周均匀垂直固定在所述桶体内，所述支撑臂和所述底腿的位置和所述支柱相对应；所述底腿固定在所述桶体底部；所述支撑臂的一端固定在所述轴承室上，另一端固定在对应的所述支柱上；所述电机固定支架固定在三个所述支柱上且水平设置，所述电机固定在所述电机固定支架的下部，所述电机固定支架的中心处开设有通孔，所述电机的输出端穿过所述通孔，所述电机的输出端和所述通孔之间设有密封圈。
于本发明的一实施例中，所述桶体包括上端盖、聚料桶和集料桶；所述上端盖覆设在所述聚料桶的上部，所述聚料桶的下部插设在所述集料桶的上部；所述聚料桶上下贯通且直径小于所述集料桶。
于本发明的一实施例中，所述制备装置包括三个所述调整机构；所述调整机构的位置和所述支撑臂位置相对应；所述调整机构包括调节螺杆和拉簧；所述调节螺杆穿设于所述上端盖，所述拉簧的上端固定在所述调节螺杆上，下端固定在所述支撑臂上。
于本发明的一实施例中，所述循环机构包括循环管、循环泵和放料阀；所述桶体底部开设有出料口，所述循环管的两端分别连接在所述进料口和所述出料口之间，所述放料阀设置在所述循环管上，所述循环泵设置在所述出料口和所述放料阀之间，且和所述循环管相连通。
本发明还提供了一种石墨烯混合溶液制备方法，其特征在于，采用上述的石墨烯混合溶液制备装置，包括步骤：S1、注入混合溶液；S2、启动所述循环机构；S3、通过所述调整机构调整所述动石墨棒与所述定石墨棒之间的距离；S4、启动驱动机构，带动所述动石墨棒转动；S5、接通外部电源，所述电源线分别对所述动石墨棒和所述定石墨棒供电，使所述动石墨棒和所述定石墨棒之间形成电场；S6、所述电场对混合溶液和石墨进行电弧击破成混合液；S7、判断所述混合液中的石墨烯含量是否达到预设参数；若否，则返回步骤S2；若是，则进入下一步；S8、关闭所述制备装置，将所述混合液从所述桶体中放出；S9、将所述混合液沉淀、离心、分离出石墨烯混合溶液。
于本发明的一实施例中，在所述步骤S1注入的混合溶液为非微粒溶液时，所述步骤S6包括步骤：S61、所述电场引燃电弧在所述动石墨棒和所述定石墨棒之间进行放电；S62、所述动石墨棒和所述定石墨棒之间电阻值最小处被电击破碎；S63、被击碎的石墨颗粒和石墨片层融入所述混合溶液中形成混合液。
本发明还提供了一种石墨烯混合溶液，采用上述的石墨烯混合溶液制备装置，通过上述的石墨烯混合溶液制备方法制备而成。
如上所述，本发明的一种石墨烯混合溶液制备装置、方法及混合溶液，具有以下有益效果：
整体结构简单，不需要先制造出石墨烯，不需要高温溶化金属溶液、高温溶化非金属溶液，在常温下即可生产石墨烯复合金属、非金属材料，整体结构简单，生产工艺较少，适合自动化操作，且整个生产制造流程无污染、无废气、无废水、无废料排放，石墨烯掺杂均匀。
附图说明
图1显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的内部结构示意图。
图2显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的工作时的结构示意图。
图3显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的外部结构示意图。
图4显示为图3的俯视图。
图5显示为本发明中石墨烯混合溶液制备方法的方框流程示意图。
元件标号说明：
1、进料口，2、通孔，3、定石墨棒，4、夹缝，5、调节螺杆，6、动石墨棒，7、上端盖，8、拉簧，9、滑套，10、支柱，11、圆盘，12、电源线，13、滑环，14、碳刷，15、碳刷支架，16、内花键，17、支撑臂，18、轴承室，19、轴承，20、内卡簧，21、外卡簧，22、外花键，23、电机固定支架，24、密封圈，25、电机，26、电机护罩，27、集料桶，28、混合液，29、底腿，30、循环泵，31、放料阀，32、盲孔，33、聚料桶，34、加料口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
参见图1至图5，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图4所示，图1显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的内部结构示意图。图2显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的工作时的结构示意图。图3显示为本发明中石墨烯混合溶液制备装置的外部结构示意图。图4显示为图3的俯视图。本发明提供了一种石墨烯混合溶液制备装置，包括桶体、定石墨棒3、动石墨棒6、驱动机构、支撑机构、调整机构和循环机构；桶体和驱动机构均通过支撑机构固定；循环机构将桶体的顶部和底部相连通；调整机构设置在桶体和支撑机构之间；定石墨棒3的上端固定在桶体的顶部，下端向内形成一锥形凹面；动石墨棒6的上端固定在驱动机构上，下端上设有与锥形凹面向匹配的锥形凸面；定石墨棒3和动石墨棒6同轴设置且间隔预设距离；动石墨棒6在驱动机构的驱动下呈圆周转动；定石墨棒3和动石墨棒6同轴设置；桶体顶部开设有进料口1，动石墨棒6上开设有与进料口1同轴设置的进料口1；动石墨棒6的上端开设有与进料口1相对应的盲孔32；定石墨棒3的上端和动石墨棒6的下端分别连接有电源线12，电源线12连接外部电源。
在本发明的一实施例中，驱动机构包括电机25、圆盘11、滑套9、滑环13、碳刷14组件和轴承19组件；电机25固定在支撑组件上，电机25的输出轴上套设有滑套9，电机25的输出轴上设有外花键22，滑套9套设在输出轴的部分设有内花键16，外花键22和内花键16相啮合；圆盘11、滑环13和轴承19组件由上向下依次套设在滑套9上；碳刷14组件套设在滑环13上；碳刷14组件和滑环13相抵接；滑环13和动石墨棒6之间通过电源线12连接，碳刷14组件通过电源线12连接外部电源。
进一步地，轴承19组件包括轴承室18、轴承19、内卡簧20和外卡簧21，轴承19、内卡簧20和外卡簧21均在轴承室18内；轴承19的两侧分别和轴承室18和滑套9相抵接；内卡簧20卡设在轴承19下侧与轴承室18之间；外卡簧21卡设在轴承19的下侧与滑套9之间；碳刷14组件包括碳刷支架15、碳刷14和弹簧；碳刷支架15固定在轴承室18上；碳刷支架15上开设有开口朝向滑环13的容纳腔，碳刷14的一端设置在容纳腔中，另一端和滑环13相抵接；弹簧的两端分别和碳刷14和碳刷支架15相抵接。
优选地于，支撑机构包括三个支柱10、三个支撑臂17、三个底腿29、电机固定支架23和电机护罩26；三个支柱10沿圆周均匀垂直固定在桶体内，支撑臂17和底腿29的位置和支柱10相对应；底腿29固定在桶体底部；支撑臂17的一端固定在轴承室18上，另一端固定在对应的支柱10上；电机固定支架23固定在三个支柱10上且水平设置，电机25固定在电机固定支架23的下部，电机固定支架23的中心处开设有通孔2，电机25的输出端穿过通孔2，电机25的输出端和通孔2之间设有密封圈24。桶体包括上端盖7、聚料桶33和集料桶27；上端盖7覆设在聚料桶33的上部，聚料桶33的下部插设在集料桶27的上部；聚料桶33上下贯通且直径小于集料桶27。通常，聚料桶的一侧还开设有加料口34，在最初始加料时或者其他需要加料的情况下进行加料。
进一步地，制备装置包括三个调整机构；调整机构的位置和支撑臂17位置相对应；调整机构包括调节螺杆5和拉簧8；调节螺杆5穿设于上端盖7，拉簧8的上端固定在调节螺杆5上，下端固定在支撑臂17上。优选地，循环机构包括循环管、循环泵30和放料阀31；桶体底部开设有出料口，循环管的两端分别连接在进料口1和出料口之间，放料阀31设置在循环管上，循环泵30设置在出料口和放料阀31之间，且和循环管相连通。
在加入普通不含微粒的混合溶液时，利用中心钻有通孔2的动石墨棒6在定石墨棒3端面之间的磨擦，从定石墨棒3中心通孔2内注入溶液，溶液流入动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的夹缝4，在动石墨棒6和定石墨棒3上分别引入电场，动石墨棒6上的电场经滑环13、碳刷14导入。因动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的接触面在原子尺寸下是高低不平的，注入两个石墨棒端面之间的溶液，因动、定石墨棒3接触面高低不平所受到电场阻值不同，阻值小的溶液面会被凸起的石墨在电场作用下击穿，击穿时所产生的瞬间高温将凸起的石墨从圆柱石墨母体分离形成片层，溶入动、定石墨棒3接触面夹缝4溶液中，在动石墨棒6转动时产生的离心力作用下，石墨烯混合溶液流入集料桶27中。流入集料桶27中的石墨烯混合溶液，经过循环泵30和管道循环注入定石墨棒3的通孔2中，颗粒较大的石墨在溶液的裹挟下进入动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的夹缝4，因较大的石墨颗粒和动石墨棒6、定石墨棒3端面之间接触阻值最小，引起动石墨棒6端面、石墨颗粒、定石墨棒3端面之间电弧放电，将石墨颗粒击碎，被击碎的石墨颗粒碎片在溶液的裹挟和动石墨棒6旋转离心力作用下，流入集料桶27。重复循环上述流程，即可制造出石墨烯、石墨混合溶液，经沉淀、离心，除去石墨烯混合溶液内的石墨微型颗粒，可得到单层、多层石墨烯混合溶液。被电弧放电从母体石墨棒上分离的颗粒较大的石墨，进入液体后在循环泵30的作用下，重新注入石墨棒紧密接触面夹缝4，因颗粒较大的石墨在石墨棒紧密接触面夹缝4液体中，相对二个石墨棒紧密接触面阻值最小，引起电弧对大颗粒石墨再次放电，大颗粒石墨被电弧击碎混入液体中流出石墨棒紧密接触面夹缝4，反复循环，直至石墨被分离所需尺寸。利用液体的阻值和可流性，对二个石墨棒紧密接触面形成绝缘层，因纳米级凸起石墨点和纳米级凹陷坑石墨高度不同，接触面绝缘层呈现电阻差，使纳米级凸起石墨点和纳米级凹陷坑石墨阻值不同，纳米级凸起石墨点阻值小于纳米级凹陷坑石墨阻值，引燃电弧首先击碎纳米级凸起石墨点，被电弧击碎的纳米级凸起石墨点会形成新的纳米级石墨凹陷坑，原纳米级凹陷坑石墨会相对凸起，引起另一轮电弧轰击，反复循环，在消耗石墨棒的过程中，得到石墨烯溶液。
如图5所示，图5显示为本发明中石墨烯混合溶液制备方法的方框流程示意图。本发明还提供了一种石墨烯混合溶液制备方法，采用上述的石墨烯混合溶液制备装置，包括步骤：S1、注入混合溶液；S2、启动循环机构；S3、通过调整机构调整动石墨棒6与定石墨棒3之间的距离；S4、启动驱动机构，带动动石墨棒6转动；S5、接通外部电源，电源线12分别对动石墨棒6和定石墨棒3供电，使动石墨棒6和定石墨棒3之间形成电场；S6、电场对混合溶液和石墨进行电弧击破成混合液28；S7、判断混合液28中的石墨烯含量是否达到预设参数；若否，则返回步骤S2；若是，则进入下一步；S8、关闭制备装置，将混合液28从桶体中放出；S9、将混合液28沉淀、离心、分离出石墨烯混合溶液。
在本发明的一实施例中，在步骤S1注入的混合溶液为非金属溶液时，步骤S6包括步骤：S61、电场引燃电弧在动石墨棒6和定石墨棒3之间进行放电；S62、动石墨棒6和定石墨棒3之间电阻值最小处被电击破碎；S63、被击碎的石墨颗粒和石墨片层融入混合溶液中形成混合液28。
在加入普通不含微粒的混合溶液时，利用中心钻有通孔2的动石墨棒6在定石墨棒3端面之间的磨擦，从定石墨棒3中心通孔2内注入溶液，溶液流入动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的夹缝4，在动石墨棒6和定石墨棒3上分别引入电场，动石墨棒6上的电场经滑环13、碳刷14导入。因动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的接触面在原子尺寸下是高低不平的，注入两个石墨棒端面之间的溶液，因动、定石墨棒3接触面高低不平所受到电场阻值不同，阻值小的溶液面会被凸起的石墨在电场作用下击穿，击穿时所产生的瞬间高温将凸起的石墨从圆柱石墨母体分离形成片层，溶入动、定石墨棒3接触面夹缝4溶液中，在动石墨棒6转动时产生的离心力作用下，石墨烯混合溶液流入集料桶27中。流入集料桶27中的石墨烯混合溶液，经过循环泵30和管道循环注入定石墨棒3的通孔2中，颗粒较大的石墨在溶液的裹挟下进入动石墨棒6和定石墨棒3端面之间的夹缝4，因较大的石墨颗粒和动石墨棒6、定石墨棒3端面之间接触阻值最小，引起动石墨棒6端面、石墨颗粒、定石墨棒3端面之间电弧放电，将石墨颗粒击碎，被击碎的石墨颗粒碎片在溶液的裹挟和动石墨棒6旋转离心力作用下，流入集料桶27。重复循环上述流程，即可制造出石墨烯、石墨混合溶液，经沉淀、离心，除去石墨烯混合溶液内的石墨微型颗粒，可得到单层、多层石墨烯混合溶液。被电弧放电从母体石墨棒上分离的颗粒较大的石墨，进入液体后在循环泵30的作用下，重新注入石墨棒紧密接触面夹缝4，因颗粒较大的石墨在石墨棒紧密接触面夹缝4液体中，相对二个石墨棒紧密接触面阻值最小，引起电弧对大颗粒石墨再次放电，大颗粒石墨被电弧击碎混入液体中流出石墨棒紧密接触面夹缝4，反复循环，直至石墨被分离所需尺寸。利用液体的阻值和可流性，对二个石墨棒紧密接触面形成绝缘层，因纳米级凸起石墨点和纳米级凹陷坑石墨高度不同，接触面绝缘层呈现电阻差，使纳米级凸起石墨点和纳米级凹陷坑石墨阻值不同，纳米级凸起石墨点阻值小于纳米级凹陷坑石墨阻值，引燃电弧首先击碎纳米级凸起石墨点，被电弧击碎的纳米级凸起石墨点会形成新的纳米级石墨凹陷坑，原纳米级凹陷坑石墨会相对凸起，引起另一轮电弧轰击，反复循环，在消耗石墨棒的过程中，得到石墨烯溶液。
本发明还提供了一种石墨烯混合溶液，采用上所述的石墨烯混合溶液制备装置，通过上述的石墨烯混合溶液制备方法制备而成。
综上所述，本发明的石墨烯混合溶液制备装置、方法及混合溶液，整体结构简单，不需要先制造出石墨烯，不需要高温溶化金属溶液、高温溶化非金属溶液，在常温下即可生产石墨烯复合金属、非金属材料，整体结构简单，生产工艺较少，适合自动化操作，且整个生产制造流程无污染、无废气、无废水、无废料排放，石墨烯掺杂均匀。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
