石墨烯 被称作是新材料之王的“黑金”,是至今 为止发现的最薄,最坚硬,导电及 导热性能最强的一种新型纳米材料。随着现 代科技和工业的发展,对石墨 烯的制备技术的要求也越来越高,通过超 声波分散石墨烯可以实现石墨烯低成本、大规模 的生产以及广泛商业化应用, 广范应用在感光元件、新能源、传感器、油漆涂料、电极、电池、晶体管、柔性显示屏、太阳能、超轻材料、复合材料、海水淡化等众多领域。

什么是石墨烯

自然界 中存在大量的石墨材料,厚1毫米的 石墨大约包含几百万层石墨烯,而其中 只有一个原子层厚度的准二维材料,被称之为石墨烯,所以又 叫做单原子层石墨。石墨烯 是一种由碳原子组 成六角 型呈蜂巢晶格的平面薄膜,一般在 自由状态下都以多层石墨烯层叠的石墨片的形式存在。石墨烯 具有极佳的透光性,很高的 导热系数和电子迁移率。此外它 还是世界上电阻率最小的材 料,并且具 有很多材料不具备的高机械强度和韧性。一般来说,由于石 墨片的层间作用力较弱,可以借 助外力进行层层剥离而获取一个碳原子厚度的单层石墨烯。

常见的 石墨烯制备方法

1)机械剥离法:机械剥 离法是利用材料和石墨烯之间产生摩擦和相对运动,而得到 石墨烯单层材料的方法。这种方法操作简单,并且保 持着石墨烯完整的晶体结构,但产量低,尺寸难以控 制,无法进行工业化量产。

2)碳化硅晶体外延法:通过在 超高真空的高温环境下脱除硅原子,从而在 碳化硅晶体表面外延生长石墨烯,从而得 到基于碳化硅衬底的石墨烯,这种石 墨烯的导电性受到基底影响,且生长 条件苛刻,对设备要求较高。

3)化学气相沉淀法:将低碳 的有机物气体通入到真空反应器中,通过高 温使含碳的气体分解碳化,持续一 定时间后进行冷却,冷却过 程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯,此方法比 较适合 工业大规模生产,但品质 不如微机剥离法。

4)氧化还原法:一般由 石墨经强酸氧化而得到氧化石墨烯,再通过 化学方法将氧化石墨烯还原,得到石墨烯。这种方 法特点是产量高但质量一般。主要包括Brodie法,Staudenmaier法和 Hummers法三种,其中Hummers可以配 合超声波分散石墨烯,效率较高,属于目 前比较常用的一种。

利用超 声波分散石墨烯原理

石墨烯 由于其表面惰性使得它与很多物质不相溶而且分散性差,极易团 聚形成尺寸较大的团聚体,并且这 种团聚体是不可逆的,使得纳 米颗粒不能以单一的颗粒均匀分散,降低了自身的吸附 能力同时,也不能 发挥其应有的纳米特性。对纳米 粉体的应用性能以及石墨烯增强复合材料性能的改进产生十分不利的影响。

不使用 表面活性剂或分散剂去制备稳定且高度浓缩的石墨烯是一项具有挑战性的任务。为了克 服石墨烯层间的范德华力,超声空 化产生的强大剪切力是制备这种稳定分散体的最先进方法。超 声波在 液态中的传播产生强大的压力波,形成数 不清的的微观气泡,并经历迅速增长,闭合。在气泡闭合时,由于液 态间的相互碰撞产生强大的冲击波,在其周 边产生上千个大气压的压力, 从而产 生强有力的剪切活动。随着超 声波功率的提升,超声波 瞬间释放的压力破坏了石墨烯层与层之间的范德华力,有效地 扩大石墨层间距。较大的 层间距不仅有利于其他分子、原子等插入 层间形 成石墨插层复合材料,而且更容易被剥离,为下一 步制备单层石墨烯打下基础。此外,通过精 确控制超声处理的工艺参数,超声波 分散技术可以避免化学作用以及晶体结构的损伤,从 而获取导致原始的、无缺陷的石墨烯薄片。

超声波 石墨烯分散设备的应用

由于超 声石墨烯分散的介质对象以及超声波能量的需求在不同应用领域中是不一样的,一般来 说首先需要对少量的液体样本进行空化效果实验,以确定声强、振幅、作用时间、温度等各种参 数的适用范围,然后在 参数保持基本不变的基础上,对设备进行放大设计,以满足 工业化批量生产的要求。最基本 的超声波分散设备由超声波换能器,超声波 驱动电源以及超声波工具头组成 ,金属在 高频振荡拉伸过程中对材料的韧性和强度要求很高,所以一 般工具头一般选用钛合金材料。根据处 理量的不同石墨烯分散设备一般分为小型超声实验机,中型超 声试验机以及超声批 量生产线三种形式:

1)石墨烯 小型超声波实验设备

一般由发生器,换能器,以及实 验固定支架组成,是一种 用于测试石墨烯制取或应用可行性的实验设备。测试内容包括振幅、物料配比、反应容积、作用时间、温度等 条件对实验结果的影响 ,尽可能 取得理想的实验结果,并做好相关参数记录,为后续 实验或生产提供标准。

2)石墨烯 中型超声波实验设备

由超声波发生器、换能器 以及循环反应釜组成,此外配有冷却夹套、加料口、送料泵 以及底座等附件,形成石 墨烯超声波生产的一个独立单元,通过循 环泵实现物料在单个反应釜内的流动和 处理,模拟工 业生产线的运行。通过设 备确认生产效率,反应容积和流速,以及最 佳的超声波功率以及物料配比。

3)石墨烯 超声波批量生产线

采用多 套超声波设备组成生产单元的形式,具体的 套数和功率的确认和应用以实验数据为基础。石墨烯 超声波生产线除之前提到的超声波设备和反应釜以外,还配备 有冷却循环用夹套、流量 泵、流量计、电源集中控制柜、反应釜固定装置、隔音棉等等。使用者 只需要提供电缆接口、物料接口、冷却水 接口就可以实现石墨烯的工业化的批量生产。

利用超 声波分散制备和生产石墨烯可以大大提高生产效率,无任何副产品或污染。超声波 本身对物料的化学反应有促进作用,因此也 可以减少化学催化剂的用量。不仅可 以替代现有的高耗能 高污染的生产方式,也可以 对传统生产设备进行的简单工艺改造,加入超声波分散设备,满足石 墨烯单质的制备需求。