Устройство для получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита
DEVICE FOR OBTAINING GRAPHENE-CONTAINING SUSPENSIONS BY GRAPHITE EXFOLIATION

Техническое решение относится к химической промышленности, строительству и оборудованию получения графеносодержащих суспензий, путем сдвиговой эксфолиации графита в жидкости, а также может быть использовано в других отраслях промышленности при модифицировании мало- и многослойным графеном композитных материалов: масел, смазок, эпоксидных смол, бетонов и других.
Известен способ получения графеносодержащих суспензий и устройство для его осуществления (заявка WO 2012166001, МПК С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00, 2011). Способ реализуется в устройстве, содержащем статор в виде цилиндрической оболочки с отверстиями, ротор с лопастями и привод вращения ротора. Данное устройство помещают в емкость, заполненную водой, в которой взвешены частицы графита. Для предотвращения агрегации графеновых частиц в воду добавляют поверхностно активное вещество (ПАВ), например 2-метилпиралидон или холат натрия. Суспензия поступает в цилиндрический статор через верхний и нижний торец, раскручивается лопастями ротора и под действием центробежных сил выбрасывается из статора через отверстия в его боковой поверхности. Внутри статора создается разряжение, что способствует более интенсивному поступлению суспензии в статор через верхний и нижний торец. На частицы графита, попавшие в эту зону, действуют сдвиговые усилия и происходит эксфолиация, т.е. расслаивание этих частиц. При многократном воздействии образуются графеновые наноструктуры.
Недостатком устройства является то, что зазор между внутренней поверхностью корпуса и лопастями ротора должен быть менее 0,1 мм и не может изменяться в процессе эксфолиации. Таким образом, частицы графита толщиной менее 0,1 мм проходят этот зазор без эксфолиации, т.е. число слоев не изменяется. При большем зазоре эксфолиация практически отсутствует и графеновые структуры не образуются.
8
Наиболее близким техническим решением является способ получения графеносодержащей суспензиии устройство для его осуществления (Патент РФ №2737925, МПК С01В 31/02, В82В 3/00, B82Y 40/00). Способ реализуется в устройстве, включающем блок эксфолиации графита, содержащий роторный аппарат включающий корпус, выполненный в виде цилиндрического статора с отверстиями для подачи и отвода суспензии, ротора с радиальными лопастями и привод вращения ротора, включающий электродвигатель, связанный через предохранительную муфту с осью ротора, причем блок эксфолиации графита состоит из 5-10 роторных аппаратов соединенных последовательно, таким образом, отверстие 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. Подача исходной суспензии в первый роторный аппарат осуществляется насосом с регулируемой производительностью, а на выходе из последнего роторного аппарата установлен регулируемый вентиль.
Недостатком предлагаемого устройства является не достаточное качество графеносодержащих суспензий.
Технической задачей предложенного изобретения является повышение качества графеносодержащих суспензий, за счет динамического уменьшения зазора в области эксфолиации, что при сохранении режимов обработки графита значительно увеличивает выход малослойного графена.
Указанная задача решается тем, что устройство для получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита, содержащее блок эксфолиации графита, включающий жестко закрепленный на основании роторный аппарат, содержащий статор, выполненный в виде цилиндрического корпуса с отверстиями для подачи и отвода суспензии, а также ротор с приводом вращения, включающим электродвигатель, связанный через предохранительную муфту с осью ротора, причем внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность ротора выполнены коническими с нивелированным зазором между ними, причем основание конуса расположено со стороны электродвигателя, ротор зафиксирован в корпусе при помощи глухой с одной стороны и герметичной крышки с другой стороны, электродвигатель размещен на салазках, установленных на направляющих основания, между стенкой основания и салазками встроена балочка с пружиной для прижима ротора к корпусу с помощью электродвигателя, а на наружной поверхности ротора по всей его длине выфрезерованы продольные радиальные пазы.
На Фиг. 1 изображено устройство для получения графеносодежащих суспензий эксфолиацией графита. На Фиг. 2 изображено устройство для получения графеносодежащих суспензий эксфолиацией графита, выполненное в 3D-модели. На Фиг. 3 изображен роторный аппарат. На Фиг. 4 изображен роторный аппарат, выполненный в 3D-модели. На Фиг. 5 показано сечение А-А роторного аппарата.
Устройство для получения графеносодежащих суспензий эксфолиацией графита состоит из блока эксфолиации графита, включающего роторный аппарат, содержащий цилиндрический корпус 1, жестко закрепленный при помощи кронштейна 2 на основании 3 устройства. Конический ротор 4 зафиксирован в цилиндрическом корпусе 1 при помощи глухой 5 и герметизирующей крышки 6 с уплотнением 7. Конический ротор 4 при помощи шлицевого соединения и предохранительной муфты 8 связан с приводом устройства, состоящим из электродвигателя 9, закрепленного на салазках 10 с балочкой 11, который при помощи направляющих 12, расположенных на основании 3 устройства, обеспечивает постоянное прижатие конического ротора 4 к цилиндрическому корпусу 1 посредством пружины 13. В верхней и нижней частях цилиндрического корпуса 1 выполнены отверстия со штуцерами 14 для подачи и отвода суспензии. На наружной конической поверхности ротора 4 по всей длине выполнены лопасти в виде выфрезерованных пазов15.
Работает устройство для получения графеносодежащих суспензий эксфолиацией графита следующим образом. Смесь графита с рабочей жидкостью (фугат) принудительно подают через систему штуцеров 14 в рабочую область эксфолиации между неподвижным корпусом 1 и вращающимся коническим ротором 4 с выфрезерованнымипазами 15, в этих зонах трущихся поверхностей и режущих кромок конического ротора 4 происходит многократная и интенсивная эксфолиация графита до мало- и многослойных пластин графена, который в выфрезерованных пазах 15 конического ротора 4 смешивают с рабочей жидкостью и образуют с ней суспензию. За счет постоянного прижима конического ротора 4 к внутренним коническим стенкам корпуса 1 зазор между ними динамически обеспечивают минимальным и при притирании рабочих внутренней конической поверхности неподвижного корпуса 1 и внешней конической поверхности ротора 4 нивелируют до микро и нанометров, что позволяет осуществлять эксфолиацию графита на молекулярном уровне и получать более высококачественные графеносодержащие суспензии по сравнению с аналогами и прототипами. Внешний конический профиль ротора и внутренний конический профиль корпуса, вместе с приводом состоящим из электродвигателя принудительным прижимом позволяют динамически нивелировать зазор между коническими поверхностями ротора и корпуса в процессе эксфолиации независимо от износа их рабочих поверхностей. Таким образом зазор между трущимися рабочими коническими поверхностями ротора и корпуса не превышает максимального допуска на их изготовление, который на несколько порядков меньше чем в аналогичных устройствах, что позволяет значительно увеличить эффективность процесса эксфолиации как по производительности, так и по качеству получаемых графеносодерхащих суспензий. При длительной эксплуатации предлагаемого устройства зазор между его коническими рабочими поверхностями за счет их износа и притирания становиться еще меньше, что позволяет еще больше интенсифицировать процесс эксфолиации графита.
Таким образом с помощью предложенного технического решения достигнуто качества графеносодержащих суспензий используемых в качестве модифицирующих добавок при производстве многих композитных материалов.