一种微正压连续生产石墨烯膜的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石墨烯材料技术领域，涉及一种微正压连续生产石墨烯膜的方法，具体涉及一种微正压连续生产石墨烯膜的装置。
【背景技术】
[0002]石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研宄者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小，同时，石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光:导热系数高达5300 ff/ (m.K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迀移率超过15 000 cm2 / (V.S)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电附率只约10_6Ω.cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。因其高强度、高热导率、高导电性及高比表面积等优点受到了研宄者的广泛重视。目前，国内外制备石墨烯的方法主要有如下几种:
[0003](I)微机械剥离法；这种方法制得的石墨烯质量高，但只能得到数量有限的石墨烯片，只适用于作为基础研宄来探宄石墨烯的电学性质。
[0004](2)外延生长法；该法制备条件苛刻，均要求在高温高真空或某特定气氛及单晶衬底等条件下进行，且制得的石墨烯不易从衬底上分离出来，不能大规模制备石墨烯。
[0005](3)氧化-还原法；该方法是目前较为常见的低成本高效地制备大面积石墨烯薄层材料的化学方法，但得到的石墨烯含有大量的含氧基团和缺陷，其导电性能较低，且还原剂大部分有毒，使得制备过程存在环境污染。
[0006](4)化学气相沉积法；此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。
[0007](5)电解法；此方法可合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均带有大量的正离子负离子或有机物。上述方法各有局限之处，因此人们迫切希望能研制出一种环境友好、工艺简单、能够规模化生产处缺陷较少的石墨烯方法及装置。
[0008](6)液相超声波剥离法，是借助超声波对粉体的破碎作用，在有机溶剂中对石墨片层进行剥离制备石墨稀的方法(J.Mater.Chem.19，3367-3369，2009)。有机溶剂不但提供了制备场所，而且通过控制条件可以起到促进石墨层分离、分散、保护、隔离石墨烯的作用。该方法不仅可以进行大体积制备，同时由于没有引入化学过程，石墨烯晶体结构也得到了较好的保护，可获得性能优异的石墨烯。但该法存在能耗高，效率低的缺陷。而微波液相剥离法制备石墨烯，能耗低，且产品尺寸分布均匀，并能稳定悬浮在反应液中。
[0009]以上这些石墨烯制备方法大都可以在特定条件下获得实验室用的石墨烯样品，但是，快速制备大面积、高质量石墨烯的方法一直没有取得突破，极大地限制了石墨烯制备的效率、产量和成本，阻碍了其进一步的产业化发展。
[0010]中国专利号CN201410139728.2，公开了一种连续化生产石墨烯粉体工业装置及其方法。该方法为通过控制分散剂的配比来调整表面张力，再与石墨混合均匀后通过连续超声和微波的协同作用得到分散均匀石墨烯；添加粘合液至石墨烯分散液配制浆料，采用离心喷雾干燥设备对浆料进行喷雾干燥、造粒。该法可以大规模制备石墨烯粉体，但不具备大规模制备石墨烯薄膜条件。中国专利CN201210561455.1，公开了一种卷对卷石墨烯制备设备，包括密闭的真空室；所述真空室内设有用于驱动石墨烯生长箔带运动的辊系，由辊系驱动箔带运动，可以进行较大箔卷生产，但该方法在完成一卷石墨烯生长后仍要停炉出料，且生产是在密闭真空下进行，设备密封要求严，对石墨烯基底铜箔材质纯度要求高，生产成本高且对石墨烯膜的质量无法把控，仍不能大规模的推广应用。中国专利CN201310290165.2，公开了一种正压条件下合成石墨烯的方法，其特征在于:石墨烯在化学气象沉积系统的高温沉降室内生长，生长条件为高温沉降室内压强高于标准大气压的正压条件。该方法虽然是在正压条件下生产，但由于是在封闭条件下进行，仍不能连续进行工业化生产，由于在密闭条件下，仍然不能提前了解石墨烯膜的质量，且生产成本高。
[0011]鉴于此，本实用新型针对目前连续制备大面积、高质量石墨烯薄膜的技术难题，而探索一种微正压连续生产石墨烯膜的装置。采用该方法和设备制备石墨烯，相对于现有方法具有快速、连续的优点，可以进行大面积、高质量石墨烯薄膜的规模化生长，这将对石墨烯薄膜的众多应用及其产业化起到极大的推进作用，对新型导电薄膜、纳米集成电子器件、信息、能源等战略领域产生深远的影响。
【发明内容】
[0012]为了解决现有石墨烯薄膜连续生产存在的问题，本实用新型提出一种微正压连续生产石墨烯膜的装置，具有不间断连续制备的优点，且设备简单，操作简易可行，易于实现自动化及工业化生产，而且可以解决高质量石墨烯膜规模化生产的问题。
[0013]为实现上述目的，本实用新型的解决方案是:一种微正压连续生产石墨烯膜的装置，该装置包括由依次紧密连接的预热室、高温沉降室、预冷室、快速降温室，每个工作室均有进气管、出气管、压力计、流量计、计时器和温度计，每相邻室之间均有绝热隔板隔开，每个工作室均有多个转动的辊轴，由辊轴构成石墨烯基底铜箔的不停运动，形成石墨烯边沉降边运动的连续生产过程。
[0014]所述的预热室为长方形工作室，其特征在于预热室为整个装置的最前端，外壳为不锈钢构成，内衬绝热材料，预热室前端有小门，以便于一卷箔材用完及时更换，预热室前端有箔材支架，两侧壁装有辊轴，箔材放置于室内辊轴上，预热室的侧面有清洗气进气管和出气管，进气管安装流量计和程控电磁阀，预热室上部安装压力计和温度计，预热室与高温沉降室相邻端由绝热隔板隔开，绝热隔板在辊轴的同一水平处开有进料缝隙，箔材由缝隙进入高温沉降室。预热室长度为1-2米，宽度为0.5-1米，高度为0.5-1米。
[0015]所述的高温沉降室是石墨烯沉降生长在箔材上的主要工作室，其特征在于高温沉降室为长方形工作室，高温沉降室的前端与预热室相连，后端与预冷室相连，高温沉降室外壳为不锈钢构成，内衬绝热材料，侧面有人孔，以便维修。高温沉降室的侧面有清洗气的进气管和出气管，进气管安装流量计和程控电磁阀，高温沉降室的侧面底部安装有原料气进气管，原料气进气管安装有流量计和程控电磁阀，上部安装压力计、温度计、计时器和氧气检测仪，高温沉降室的两端由绝热隔板隔开，高温沉降室的两侧安装有2-4组辊轴，箔材放置于辊轴上，在高温沉降室内迂回前进，箔材在高温沉降室的迂回时间为30-120分钟，绝热隔板与最靠近的辊轴的同一水平处开有进料缝隙和出料缝隙，箔材由进料缝隙进入高温沉降室，由出料缝隙出离高温沉降室进入下一级工作室及预冷室。高温沉降室长度为2-5米，宽度为0.5-1米，高度为0.5-1米。
[0016]所述的高温沉降室，其特征在于高温沉降室内有快速加热装置，快速加热装置为电加热装置或高温熔盐盘管加热装置，加热装置的温度可控制在800-1200°C。
[0017]所述的高温沉降室，其特征在于进入高温沉降室的清洗气为氢气、氦气、氩气的一种，进入进入高温沉降室的原料气为高纯甲烷、高纯乙炔或石蜡气化气的一种。
[0018]所述的预冷室是高温沉降室的下级工作室，从高温沉降室出来的带有石墨烯薄层的箔材进入预冷室进行初步冷却，其特征在于预冷室外壳为不锈钢构成，内衬绝热材料，两侧壁装有辊轴，箔材放置于室内辊轴上，预冷室的侧面有进气管和出气管，进气管安装流量计和程控电磁阀，预冷室上部安装压力计和温度计，预冷室与高温沉降室相邻端由绝热隔板隔开，绝热隔板在辊轴的同一水平处开有进料缝隙。预热室长度为1-2米，宽度为0.5-1米，高度为0.5-1米。
[0019]所述的快速降温室是本装置的最后一个工作室，其特征在于快速降温室外壳为不锈钢夹套构成，夹套内装有冷却油或冷却水，两侧壁装有辊轴，箔材放置于室内辊轴上，快速降温室上面安装有石墨烯薄膜检测仪，在快速降温室内