石墨烯制备设备解读什么是石墨烯

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，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，几乎完全透明，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8Ω/m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

石墨烯分散的目的是为了实现互不相溶相的分散，必须强力粉碎并混合其粒子，这意味着新表面的形成必须克服表面张力的阻力来实现。随着技术的不断发展，团聚问题已成为石墨烯继续发展的瓶颈，因此提高石墨烯分散性已经成为提高产品（材料）质量、性能和工艺效率不可或缺的技术方法。

石墨烯由于表面惰性导致其与很多物质不溶且分散性差，如何解决石墨烯发展中的瓶颈问题有两种思路：一是低成本高质量石墨烯原料的规模化生产；二是石墨烯的商业化应用。近两年石墨烯进入产业化应用阶段，产业链上下游互动至关重要，我们必须面向用户进行二次开发，去解决分散和成型等共性技术难题，让石墨烯更接“地气”。

石墨烯粉体的粒度细微、比表面积大、表面能高、表面原子数增多及原子配位不足等特性，使得这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易团聚形成带有若干链接接口的尺寸较大的团聚体。粉体的团聚一般分为软团聚和硬团聚。团聚体的形成使得纳米颗粒不能以单一的颗粒均匀分散，不能发挥其应有的纳米特性，对纳米粉体的应用性能产生十分不利的影响。

所谓分散一般是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程，它包括三个阶段：

1、超细颗粒在液体中的润湿；

2、团聚体在机械力作用下被打开形成独立的原生粒子或较小的团聚体；

3、将原生粒子或较小团聚体稳定化，阻止再次团聚。从某种意义上讲，纳米粉体的分散处理是纳米粉体技术中最关键的技术，也是纳米材料应用中必须解决的重要环节。

石墨烯在应用中必须克服粉体的团聚问题，其采用的分散方法和手段，已逐渐成为产业化应用中所关注的焦点。石墨烯制备设备总结国内外针对石墨烯分散问题主要采取的方式与设备有以下几种：

1机械搅拌分散

机械分散的必要条件是机械力（指流体的剪切力及压应力）应大于微纳米粉体间的粘着力。其具体形式有研磨分散、胶体磨分散、球磨分散、砂磨分散、高速搅拌等。机械搅拌分散不用添加接口改性剂或偶联剂，不考虑材料组成成份，是在低于高分子材料玻璃化温度下（即在固态状态），通过边粉碎、边混合、边反应，使高分子与其他化学结构不同、性质不同的材料强制混合形成复合材料的复合方法。

在机械搅拌下，纳米微粒的特殊表面结构容易产生化学反应，形成有机化合物支链或保护层，使纳米微粒更易分散。但机械搅拌也存在几个问题：

(1)一旦颗粒离开机械搅拌产生的湍流流场外部环境，他们又有可能重新团聚，而且搅拌会造成溶液飞溅，使反应物损失；

(2)由于是一种强制性分散方法，相互粘结的分体尽管可以在分散器重被打散，但其之间的作用力犹存，排出分散器后又可能重新粘结团聚。因此如何维持打散粒子的稳定性仍然是一个需要克服的难题；

(3)研磨等需要的中间介质（如氧化锆珠等）使用时成本高、能耗大。又如：高速搅拌剪切分散机，它可以达到每分种几十万转的速度，在高真空的状态下，所获得的体系颗粒度通常在100nm以上，不十分理想。

机械搅拌分散的前提是：纳米材料的原生粒子一定要是纳米级的，发生的是软团聚现象。

2电超声分散

一般采用超声波振动部件、专用驱动电源和反应釜三大部分构成，产生超声波振动，并将振动能量向液体中传送，在悬浮体中以驻波形式传播，使微粒受到周期性拉伸和压缩。超声波在液体中可能产生“空化”作用形成局部高温、高压或强冲击波和微射流，这些作用相结合导致系统中颗粒的团聚结构被破坏，颗粒间隙变大直至破裂，形成分散体系，提高粉体分散度。

电超声分散方式存在的问题是：

(1)分散作用区间小，仅限于超声发生器周围十分薄的一个范围，这要求超声发生器不断移动，分散纳米级材料效率低，产量小，不能满足产业化生产要求，一般仅用于实验室；

(2)分散粉体的浓度或黏度较低，这样限制了其使用范围；

(3)超声分散时如果时间掌握不当，也会引起粉体颗粒的进一步重新团聚。

3超高压微射流分散

超高压微射流纳米分散均质设备，具有多种功能（分散、均质、乳化、破碎、细度化等），用于脂质体，乳剂，纳米粒，混悬剂，分散液，微胶囊，细胞破碎，降低药物粒径至纳米级等。具体应用为生物、医药、化工行、化妆品、食品等行业和其它纳米材料的分散。从小样品的实验室配方优化，到中试阶段的工艺制程确定，到工业化的大生产，可提供线性放大的参数结果。目前，国内外已有部分单位选用此类开展生产和从事研究。

超高压微射流分散方式存在的问题是：

(1)工作压力非常高，一般在300MPa以上，最高可达600 MPa，此设必需依靠进口，其最高性能设备尚未对中国开放；

(2)设备价格高，耗能大，产业化生产成本高；

(3)中试型产能在1升/分钟左右，难以满足一般性的生产要求，而产业化大规模生产设备还未在国内见到实际应用。

4超强流体动力超声纳米分散

超强流体动力超声纳米分散方式：是利用液体或气体射流通过特定的超声波发声装置，而产生的具有特定频率和声强的一种超声波，其发声原理与分散效果与电超声完全不同，一体化的结构设计，可使声能在较大范围内直接作用于被分散物质，在很短的时间内分散开团聚的粉体，并使之不容易重新团聚。

其优势是有效解决了现行纳米混合分散体系制备中存在的制备难度大、单位产量低、生产成本高、质量不稳定等诸多技术难题；单套设备的处理量大，单位处理量可根据产能需要设计，从几十公斤到几吨之间均可，分散效果极佳（通常可把粉体分散至5-100纳米），粒径分布窄，可不加入助剂，减少困扰；无污染，产品纯度高（不借助珠磨），高粘度亦适用。满足各类纳米产品的产业化分散需求。

超强流体动力超声纳米分散方式存在的问题是：

(1)此项分散技术制作小型分散设备（小于15升）较为困难，因发生器微型化的加工难度很高，实验室用分散设备价格略高；

(2)设备存在管路、泵等部件，清洗困难，不利于不同纳米材料共享一套分散实验设备；

(3)一般情况属于非标专用设备类，需针对具体应用进行设备设计与调试，采购需要一定的时间周期。

以上就是石墨烯制备设备总结的石墨烯分散问题主要采取的方式与设备。