一種高效剝離二維材料的方法及裝置與流程

本發明涉及化學工程與技術領域，特別涉及一種高效剝離二維材料的方法及裝置。

背景技術：

一次旋轉流是指料液在旋轉過程中，其旋轉方向始終保持不變。二次旋轉流是指料液在旋轉過程中，每旋轉180度其旋轉方向顛倒一次。二次旋轉流是超重力技術的全新發展方向。二次旋轉流的內部受到高頻顛倒的超重力場和壓力場之間強烈的相互作用而形成強勁的剪切力作用，尤其是在二次旋轉流的初始階段，由于正、負能量流的同時存在，形成了極其旺盛的并且非常均勻的剪切力作用，當超重力場水平高達1000g至10000g（g為正常重力場加速度）以上時，其剪切強度不亞于超聲波產生的剪切力強度。超聲剝離二維層狀材料的缺點主要表現在兩個方面：第一，在超聲波的中心位置處，超聲波的強度非常高，可能會對二維材料的完美結構造成嚴重的損傷；第二，偏離中心位置后，超聲波的場強迅速衰減，造成超聲效率的顯著降低以及超聲波能量的快速耗散。在二次旋轉流的初始階段，其流通截面上剪切強度無論是沿軸向或徑向都可以達到非常均勻的分布，因而使二次旋轉流具有非常均勻的剝離強度和非常高的剝離效率。

所謂正、負能量流是指流體在流動過程中機械能正快速增加或減少，二者之間存在著相互吸引，相互依托和相互轉化的關系。典型的正能量流是離心泵內的流體，其流動方式屬于一次旋轉流。一次旋轉流的特征是旋轉中心始終固定不動，離心力方向也固定不變，流體在離心泵內做一次旋轉過程中機械能可以在很短時間內迅速達到最大值。由于流體是沿著軸向進入離心泵的中心位置，并沿著徑向被離心泵高速向外甩出，因此，流體進入離心泵時機械能沿軸向迅速減小，屬于負能量流；而當流體沿著離心泵的徑向被向外甩出時，機械能沿徑向快速增加，屬于正能量流。由此看出，在離心泵內，正能量流的中心是負能量流，正能量流來源于負能量流，正、負能量流是完全分離的。

二次旋轉流屬于典型的負能量流，流體在旋轉流動過程中，每轉180度旋轉方向顛倒一次，并導致離心力場和壓力場的方向也顛倒變化一次；離心力場和壓力場方向的變化可以最大程度地抵消掉旋轉慣性。當含有很高機械能的流體進入二次旋轉流道時，流體的機械能沿流動方向（即軸向）快速均勻地降低，屬于負能量流。與此同步，在流通截面上產生二次流，二次流屬于正能量流，當二次流達到慣性流動狀態后，該正能量流消失。因此，在二次旋轉流的初始階段，正、負能量流同時產生并完全融為一體，正能量流可以充分吸收負能量流釋放出的能量并形成高速旋轉的迪恩渦，迪恩渦的形成是流體徑向剪應力均勻分布的結果和外在表現。通過不斷提高二次旋轉流的超重力水平和顛倒頻率，可以延長二次旋轉流內正能量流的存在時間。總之，一次旋轉流可以高效地生成高壓流體，二次旋轉流可以高效地將靜壓力轉化為均勻分布的剪切應力消耗掉，二者可以共同構成一個高效的機械能循環系統。n次旋轉流是指料液在旋轉過程中，每旋轉360度其旋轉方向顛倒n次（n≥2），在旋轉角速度相等的情況下，n越大料液顛倒頻率越高，越難形成慣性旋轉運動，能耗也會隨之增加。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高效剝離二維材料的方法，可以實現快速、高效、低成本、大批量、高質量地生產各種二維層狀納米材料的效果。

本發明還提供了一種高效剝離二維材料的裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種高效剝離二維材料的方法，包括如下步驟：

（1）將二維層狀材料投入分散液中，使得二維層狀材料的表面被分散液充分潤濕，且混合均勻得物料分散液，然后將物料分散液輸入至循環儲槽；

（2）物料分散液從循環儲槽下端的出口輸出，通過管路進入用于剝離二維層狀材料的n次旋轉流混合器，然后從n次旋轉流混合器出口流出，通過管路從循環儲槽上端回流至循環儲槽內完成一次循環，如此循環多次后得到層數10層以下的少層二維納米材料。

在很高壓力作用下，分散液挾帶二維材料進入n次旋轉流道內，料液所受超重力場強度會隨著旋轉半徑的縮小而逐步增大，使n次旋轉流內的正、負能量流始終保持同步，并形成高速旋轉的迪恩渦，在迪恩渦內均勻的強剪切力作用下，二維材料被快速層層剝離并分散開來。從n次旋轉流道出口端流出的分散液挾帶著二維材料以接近于平推流的方式再回流至n次旋轉流道的入口端進行第二次剝離，經過反復剝離數百次后得到層數少于10層以下的少層二維納米材料。本發明的核心是通過改變n次旋轉流內不同旋轉圓弧的超重力場強度，使n次旋轉流始終存在正、負能量流之間高效的轉化，形成旺盛而均勻的剪切力作用，實現對二維材料的快速剝離。

作為優選，所述二維層狀材料為第四至第六主族半導體化合物（如gase、sns）、過渡金屬鹵化物（如pbi2、mgbr2）、金屬氧化物(如mno2、moo3)、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、過渡金屬碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯類似物（半金屬硅烯、鍺烯）、第四主族元素的蜂窩狀二元化合物（如sic、snge）、第三至第六主族化合物（如insb、gan）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和銻烯）、硅酸鹽、硅鋁酸鹽的電荷平衡膜板（如云母、粘土）、層狀水滑石中的一種。

作為優選，所述分散液在80℃下的飽和蒸氣壓低于100mmhg，且在剝離過程中分散液的粘度控制在1.0至10.0mpa·s之間。

作為優選，所述物料分散液的濃度為1.0至5.0g/l；控制完成一次循環的時間在15至60秒。控制完成一次循環的時間優選為20至40秒之間。

為了防止分散液在強剪切力作用下有氣泡生成，分散液在80℃下的飽和蒸氣壓需低于100mmhg以下。為了提高剝離效率并降低能耗，二維材料的剝離濃度控制在1.0至5.0g/l，優選為2.5至4.0g/l，剝離過程中分散液的粘度在1.0至10.0mpa·s之間，優選為1.0至3.0mpa·s之間。

作為優選，所述n次旋轉流混合器為二次旋轉流混合器、三次旋轉流混合器或四次旋轉流混合器，n次旋轉流混合器由m個的圓弧形流道構成，m為>2的整數，流體在旋轉流動過程中，m個圓弧形流道內的超重力場強度逐級增大。在剝離過程中，m個圓弧形流道內超重力場強度逐級增大，如6個圓弧形流道內超重力場強度分布為3000g，3000g（或4500g），6000g，6000g（或7500g），9000g和9000g（或10500g）。

作為優選，所述n次旋轉流混合器的旋轉流道的流通截面為圓形，n次旋轉流混合器中最小的旋轉半徑r與流通截面的直徑d之比≥5。n次旋轉流混合器的旋轉流道的流通截面為圓形，以利于形成均勻分布的剪切力場和迪恩渦。

作為優選，所述二次旋轉流混合器：流體在旋轉流動過程中，每旋轉180度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次；所述三次旋轉流混合器：流體在旋轉流動過程中，每旋轉120度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次或旋轉方向每顛倒兩次超重力場強度增大一次；所述四次旋轉流混合器，流體在旋轉流動過程中，每旋轉90度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次或旋轉方向每顛倒兩次超重力場強度增大一次。

作為優選，物料分散液在管路中的流速控制為為2.0至3.0m/s，進入n次旋轉流混合器后流速控制20至40m/s。

作為優選，在循環儲槽內物料分散液沿軸向下降的速度控制為5至10cm/s。

一種高效剝離二維材料的裝置，包括循環儲槽、循環泵及n次旋轉流混合器，循環儲槽上部設有第一進料口和第二進料口，第一進料口通過管路與攪拌釜連接，循環儲槽通過管路與循環泵的進料口連接，循環泵的出料口通過管路與n次旋轉流混合器的進料口連接，n次旋轉流混合器的出料口通過管路與循環儲槽的第二進料口連接。作為優選，

本發明的有益效果是：可以實現快速、高效、低成本、大批量、高質量地生產各種二維層狀納米材料。

附圖說明

圖1是本發明的一種主視結構示意圖。

圖2是本發明四次旋轉流混合器的結構示意圖。

圖3是本發明二次旋轉流混合器的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的具體說明。

本發明中，若非特指，所采用的原料和設備等均可從市場購得或是本領域常用的。下述實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規方法。

總實施方案

一種高效剝離二維材料的方法，包括如下步驟：

（1）將二維層狀材料投入分散液中，使得二維層狀材料的表面被分散液充分潤濕，且混合均勻得物料分散液，然后將物料分散液輸入至循環儲槽；

（2）物料分散液從循環儲槽下端的出口輸出，通過管路進入用于剝離二維層狀材料的n次旋轉流混合器，然后從n次旋轉流混合器出口流出，通過管路從循環儲槽上端回流至循環儲槽內完成一次循環，如此循環多次后得到層數10層以下的少層二維納米材料。

所述二維層狀材料為第四至第六主族半導體化合物（如gase、sns）、過渡金屬鹵化物（如pbi2、mgbr2）、金屬氧化物(如mno2、moo3)、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、過渡金屬碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯類似物（半金屬硅烯、鍺烯）、第四主族元素的蜂窩狀二元化合物（sic、snge）、第三至第六主族化合物（insb、gan）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和銻烯）、硅酸鹽、硅鋁酸鹽的電荷平衡膜板（如云母、粘土）、層狀水滑石中的一種。

所述分散液在80℃下的飽和蒸氣壓低于100mmhg，且在剝離過程中分散液的粘度控制在1.0至10.0mpa·s之間。所述物料分散液的濃度為1.0至5.0g/l；控制完成一次循環的時間在15至60秒。所述n次旋轉流混合器為二次旋轉流混合器、三次旋轉流混合器或四次旋轉流混合器，n次旋轉流混合器由m個的圓弧形流道構成，m為>2的整數，流體在旋轉流動過程中，m個圓弧形流道內的超重力場強度逐級增大。所述n次旋轉流混合器的旋轉流道的流通截面為圓形，n次旋轉流混合器中最小的旋轉半徑r與流通截面的直徑d之比≥5。物料分散液在管路中的流速控制為為2.0至3.0m/s，進入n次旋轉流混合器后流速控制20至40m/s。在循環儲槽內物料分散液沿軸向下降的速度控制為5至10cm/s。

所述二次旋轉流混合器：流體在旋轉流動過程中，每旋轉180度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次；所述三次旋轉流混合器：流體在旋轉流動過程中，每旋轉120度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次或旋轉方向每顛倒兩次超重力場強度增大一次；所述四次旋轉流混合器，流體在旋轉流動過程中，每旋轉90度旋轉方向顛倒一次，旋轉方向每顛倒一次超重力場強度增大一次或旋轉方向每顛倒兩次超重力場強度增大一次。

具體實施例：

采用n-甲基吡咯烷酮（英文縮寫：nmp）作為分散劑，以鱗片石墨為原料，剝離制備少層石墨烯材料。n-甲基吡咯烷酮相關物化性質如下：相對密度為1.028，沸點203℃，81℃下的蒸氣壓僅為10mmhg，在強剪切力作用下基本不會產生大量微泡而大量消耗剪切力的做功能力；20℃下的粘度為1.65mpas，25℃下的表面張力為41.0mn/m，能完全潤濕鱗片石墨的表面。具體操作步驟如下：將50l的nmp倒入攪拌釜中，加入250g的鱗片石墨，開啟攪拌槳使鱗片石墨基本均勻分布于nmp分散劑中，然后，開啟進料泵，將料液全部打入到循環儲槽中。當料液全部充滿循環泵后，開啟循環泵，將循環流量控制在2.0l/s，物料循環一次的時間25s，物料在管路中的流速為2m/s，管路的內徑為35.6mm，進入四次旋轉流混合器后，物料的流速迅速升高到25m/s，四次旋轉流的流通截面內徑d為10mm，四次旋轉流的六個旋轉圓弧的內徑r（mm）分布為208、208、104、104、69.5、69.5，對應的四次旋轉流最小超重力場分布為3000g、3000g、6000g、6000g、9000g、9000g。物料從四次旋轉流混合器流出后，先流經流量計，然后沿切線方向回流進入循環儲槽，循環儲槽的內徑為22.6cm、高為1.5m。物料循環400次后，用時約3小時，取樣放入離心機中，設定離心力場強度為1000g，高速離心操作時間設定為1分鐘，1分鐘后料液沒有出現分層現象，表明鱗片石墨已被全部剝離生成少層石墨烯。此時，關閉泵，開啟出口閥門出料，完成整個剝離操作過程。

為了實現上述工藝方法，本發明還提供了一套具體實施裝置，該裝置及流程如附圖1所示，該裝置由六個部分構成包括：包括循環儲槽1、循環泵2及n次旋轉流混合器3，循環儲槽上部設有第一進料口11和第二進料口12，第一進料口11通過管路與攪拌釜4連接，循環儲槽通過管路與循環泵的進料口連接，循環泵的出料口通過管路與n次旋轉流混合器的進料口連接，n次旋轉流混合器的出料口通過管路與循環儲槽的第二進料口12連接，n次旋轉流混合器的出料口與循環儲槽的第二進料口連接的管路上裝有流量計5。其中四次旋轉流混合器的結構如附圖2所示，為了與二次旋轉流混合器形成對比，附圖3給出了與四次旋轉流旋轉半徑相等的二次旋轉流混合器示意圖。具體工藝流程如下：將二維層狀材料投入到裝滿指定分散液的攪拌釜中，待二維材料的表面被分散液全部充分潤濕后，開啟攪拌槳使二維層狀材料在攪拌釜中的分布基本均勻，然后將料液全部打入到循環儲槽內并幾乎裝滿整個循環儲槽。循環儲槽具有比較高的長徑比，開啟循環泵使分散劑挾帶著二維層狀材料由緩變快進入到n次旋轉流混合器內部，在n次旋轉流動過程中二維材料在強勁均勻的剪切力作用下被撕碎和剝離開來，最典型的特征是流體在整個n次旋轉流道內都能夠形成高速旋轉的迪恩渦，一旦流體從n次旋轉流混合器內出來后，其流速立即由快變緩，流體順著管路沿切線方向緩緩進入循環儲槽中，在循環儲槽內流體緩慢向下旋轉直至循環儲槽出口位置，循環儲槽的出口位于整個圓形循環儲槽的中心位置，從循環儲槽出口流出后，流體再進入到循環泵中進行加壓，完成整個循環過程。在回流管路上設有一個流量計用于監測循環流量，分散液的體積與循環流量之比即為料液循環一次所需時間。通常為了獲得少層二維納米材料所需循環次數至少在100次以上，循環次數越多，二維納米材料的層數越少，比表面積越大。從出料口取樣放入一離心機中進行測試，設定離心力場強度為1000g，高速離心操作時間設定為1分鐘，1分鐘后若料液沒有出現分層現象，表明二維材料已經被全部剝離生成少層二維納米材料。此時，關閉泵，開啟出口閥門出料，完成整個剝離操作的過程。

以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，并非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。