Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита

Изобретение относится к оборудованию получения графеносодержащих суспензий, путем сдвиговой эксфолиации графита в жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности при модифицировании мало- и многослойным графеномкомпозитных материалов: масел, смазок, бетонов и других.

Известен способ и устройство для получения графена или графеноподобных материалов (заявка WO 02017025926 МПК⁸ С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00). Способ получения графена или графеноподобного материала, включающий следующие стадии: получение частиц кристаллического графитового материала; диспергирование частиц кристаллического графитового материала в смеси растворителя или поверхностно-активного вещества; подача смеси под действием кавитационной силы, такой, что присутствуют кавитационные пузырьки; подача смеси под действием высокого сдвига перемешивание от 2000 до 35000 об/мин. Стадия кавитации и стадия перемешивания с высоким сдвигом предпочтительно выполняются одновременно, в частности в одном и том же закрытом сосуде. Также устройство для получения графена или графеноподобного материала, содержащее реактор, имеющий закрытый сосуд для приема смеси растворителя или поверхностно-активного вещества с дисперсными частицами кристаллического графитового материала, указанный реактор выполнен с возможностью: подачи смеси в закрытый сосуд кавитационной силы, так что присутствуют кавитационные пузырьки и одновременно в том же закрытом сосуде подают смесь на перемешивание с высоким сдвигом от 2000 до 35000 об/мин.

Данный способ имеет несколько существенных недостатков: используются кавитационный метод эксфолиации, который значительно менее эффективен по сравнению с механическими методами; используются системы сервоприводов для модулей эксфолиации значительной мощности и стоимости, для обеспечения вращения рабочих органов до 10000-35000 оборотов в минуту; данный диапазон частот не соответствует оптимальной частоте вращения рабочих органов для сдвиговой жидкостной эксфолиации графита в 104^-1 с (6240 оборотов в минуту), что приводит к снижению выхода товарного графена и графеносодержащих продуктов; используются вредные химические соединения в виде растворителей и поверхностно-активных веществ.

Наиболее близким техническим решением является способ получения графеносодержащей суспензии (Патент РФ №2737925, МПК⁸ С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00), включающем приготовление смеси кристаллического графита с жидкостью с концентрацией графита от 10 до 20 массовых процентов в емкости для исходной суспензии, подачу исходной суспензии в роторный аппарат, эксфолиацию графита и отвод обработанной суспензии из роторного аппарата, эксфолиацию графита осуществляют последовательно в нескольких роторных аппаратах, причем подачу исходной суспензии в первый роторный аппарат осуществляют насосом с фиксированным расходом, после отвода обработанной суспензии из одного роторного аппарата ее подают в следующий роторный аппарат, а из последнего роторного аппарата обработанную суспензию подают в центробежный сепаратор и после сепарации фугат подают в емкость готового продукта, а осадок подают в емкость для исходной суспензии, в которую добавляют графит и жидкость до получения требуемой концентрации графита в исходной суспензии.

Способ реализуется в устройстве включающем роторный аппарат, содержащий статор в виде цилиндрической оболочки с отверстиями для подвода и отвода суспензии, ротор с лопастями, привод вращения ротора, блок эксфолиации графита состоит из 5-10 роторных аппаратов соединенных последовательно, таким образом, что отверстия для отвода суспензии каждого предыдущего аппарата соединены с отверстиями для подачи суспензии каждого последующего аппарата, а отверстие для отвода суспензии из последнего аппарата соединены с патрубком для подачи суспензии в центробежный сепаратор, выполненный с возможностью подачи фугата в емкость готового продукта, а осадка - в емкость исходной суспензии, которая снабжена узлом подачи жидкости с датчиком расхода и дозатором графита. Задача решается и тем, что подача исходной суспензии в первый роторный аппарат осуществляется насосом с регулируемой производительностью, а на выходе из последнего роторного аппарата установлен регулируемый вентиль.

Недостатками этого способа являются: наличие нерегулируемого зазора в области эксфолиации увеличивающимся при износе поверхностей ротора и статора, что приводит к значительному снижению выхода товарного графена, наличие большого (до 10) количества модулей эксфолиации, что приводит к большому потреблению энергии, материалов и производственных площадей. Также в данном способе предполагается использование сильно концентрированной серной кислоты и поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности эксфолиации графита и получение графеносодержащих суспензий за счет динамического уменьшения зазора в области эксфолиации, что при сохранении режимов обработки графита значительно увеличивает выход малослойного графена, а также снижение вредности и опасности его производства.

Способ получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита, включающий приготовление смеси кристаллического графита с жидкостью, получение исходной графитосодержащей суспензии, подачу исходной графитосодержащей суспензии в устройство эксфолиации, эксфолиацию графита, отвод исходной графеносодержащей суспензии из устройства эксфолиации с помощью насоса, причем приготовление смеси кристаллического графита осуществляют с добавлением природного щелока в качестве жидкости, эксфолиацию графитосодержащей суспензии осуществляют многоциклично с использованием модуля механической эксфолиации графита, включающего буферный танк, одно роторно-коническое устройство эксфолиации с частотой вращения рабочих органов 6240 оборотов в минуту, механический фильтр и насос.

Указанная задача решается тем, что вместо нескольких роторно-статорных аппаратов для жидкостной эксфолиации графита используется модуль эксфолиации графитовых суспензий с коническим профилем ротора и корпуса, вместе с приводом с принудительным прижимом. Для обеспечения эффективной интеркаляции графита используются слабоактивные щелоки природного биопроисхождения, что значительно снижает опасность и вредность производства графена и графеносодержащих суспензий. Наличие в комплексе нанофильтров с визуальным контролем остаточного графита позволяет в результате многократного пропуска суспензии через модуль эксфолиации оптимизировать время эксфолиации графита, что позволяет значительно снизить энергозатраты на его эксфолиацию.

На Фиг. 1. показан способ получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита, который осуществляют следующим образом. Приготавливают смесь кристаллического графита с щелоком в емкости 1 для первичной суспензии, подачу первичной суспензии, эксфолиацию графитосодержащей суспензии осуществляют многоциклично с использованием модуля 2 механической эксфолиации графита, в котором первичную суспензию через буферный танк 3 подают на одно роторно-коническое устройство эксфолиации 4 с частотой вращения рабочих органов 6240 оборотов в минуту, позволяющее с помощью нивелирования зазора между рабочими поверхностями с помощью конусной компоновки конструкции максимально увеличить эффективность процессов эксфолиации, циклическую подачу суспензии с помощью насоса 5 осуществляют последовательно через механический фильтр 6 с визуальным контролем наличия осадка, при отсутствии которого суспензию перекачивают выходным насосом 7 через мембранный фильтр 8, отделяющий суспензию с графеновыми структурами от частиц графита большего размера для дальнейшей эксфолиации или на выгрузку в емкость 9 готовой графеносодержащей суспензии, проводят сушку (при необходимости) и выгрузку товарного графена.

Преимуществом указанного способа является обеспечение более простой технологии жидкостно-механической эксфолиации графита при частоте вращения рабочих органов роторно-конического устройства эксфолиации 6240 оборотов в минуту (104 с^-1) (оптимальной скорости эксфолиации графита) по сравнению с аналогом и прототипом (в аналоге до 35000 оборотов в минуту, в прототипе до 10000 оборотов в минуту), что при использовании механического фильтра с визуальным контролем наличия осадка графита позволяет значительно увеличивать выход товарного графена и в режиме реального времени контролировать время окончания эксфолиации, оптимизируя (уменьшая) таким образом энерго затраты на его производство. Использование природных щелоков вместо серной кислоты и ПАВ позволяет снизить вредность и опасность производства графеносодержащей суспензии. Преимуществом предлагаемого способа также является механическое нивелирование зазора между рабочими поверхностями экфолиационного устройства модуля эксфолиации до минимально возможных значений, определяемых точностью изготовления сопряженных поверхностей и формой конического роторного устройства, что в случае абразивной притирки его поверхностей может доходить до 0 (в аналоге и прототипе - 0,02 мм), путем принудительного прижима их друг к другу, что позволяет максимально увеличить выход мало- и многослойного графена в готовой суспензии.

Таким образом с помощью способа решается поставленная задача получения высококачественных графеносодержащих суспензий, в качестве модифицирующих добавок при производстве многих композитных материалов.