一种石墨烯机械剥离设备及其剥离方法与流程

本发明涉及石墨烯剥离技术领域，具体为一种石墨烯机械剥离设备及其剥离方法。

背景技术：

石墨烯是一种碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，因其结构稳定，碳原子之间连接柔韧，从而石墨烯具有高强度的特性，此外，石墨烯还具有优异的光学、电学、力学特性，因而被广泛应用在微纳加工、能源、生物医学等重要领域。

因石墨烯具有丰富的特异性，因而引起研究领域人员的浓厚兴趣，而对于石墨烯的研究，则需要对原生石墨烯进行剥离，获取单层石墨烯，进行细致的研究观察，对于石墨烯的剥离采集，一般所采用的方式为机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法等，其中机械剥离法被广泛应用在实验室研究中，最传统的机械剥离法，采用特殊胶带粘取石墨烯，再利用胶带反复对折转印，使石墨烯被层层剥离开来，而现在，常采用球磨法进行研磨剥离，利用离心高速以及滚珠碾动，再利用特异溶液及超声辅助等复杂操作，最终获得功能化石墨烯样本，对于传统机械剥离法，虽然其操作简易，但在操作过程中，石墨烯反复转印的量有限，且转印效果可控性较低，最终的石墨烯样本中易存在胶带残留，不利于实验观察，而对于现有球磨法剥离方式，因其后续步骤繁琐，石墨烯在剥离过程中耗时过久，不利于实验室进行多次的石墨烯样本研究实验，降低了样本研究的进度，且累积的机械耗能较高。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的现有石墨烯剥离设备在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种石墨烯机械剥离设备及其剥离方法，具备空气电离剥离石墨烯层，离心筛留单层石墨烯样本，简缩剥离步骤，优化耗能的优点，解决了上述背景技术中提出的技术问题。

本发明提供如下技术方案：一种石墨烯机械剥离设备，包括离心机台，所述离心机台的顶端中部活动安装有离心转盘，所述离心转盘的内腔中部固定套接有转筒，所述转筒的内腔上端固定套接有电离盖，所述电离盖的中部固定安装有通气管，所述电离盖的中部固定安装有导电针，所述转筒的外部固定安装有取样腔管。

优选的，所述转筒的形状呈圆柱体，且转筒的上端开设有一排圆孔。

优选的，所述电离盖形状呈圆柱体，且电离盖的外部直径值等于转筒的内腔直径值。

优选的，所述通气管所贯通的气体是负电性气体。

优选的，所述导电针的前端形状呈圆锥形，且均匀分布在电离盖的内腔中。

优选的，所述取样腔管的内侧腔管壁上端开设有一排圆孔，且圆孔的直径大小及其位置与转筒的上端开孔一致。

优选的，所述转筒、电离盖以及取样腔管都具有绝缘特性且表面光滑。

一种石墨烯机械剥离设备的剥离方法，包括以下操作步骤：

s1、将转筒、电离盖以及取样腔管进行清洁干燥，将需要进行剥离的石墨烯原料取出适量，倒至转筒内，将转筒安装至离心转盘中；

s2、将电离盖套入转筒内，进行旋拧闭合，接通通气管，确认通气管与电离盖连接处密封完好，待通气管确认安装无误后，开始向管道内部通负电性气体；

s3、同时开启导电针供电源，给其提供持续电流通电，待石墨烯爆裂分离一段时间后，停止通气管通气，停止导电针供电，取下电离盖；

s4、拿取与转筒相配套的筒盖，给予其封盖闭合，将取样腔管套接安装在转筒外部，使其腔管壁上开孔与转筒壁上开孔相对，启动离心机，使离心转盘带动转筒开始高速旋转，转筒腔内单层石墨烯从开孔中甩出，进入取样腔管内，待离心转动一段时间后，关闭离心机，取下取样腔管，将管内石墨烯样本倒出装袋即可。

本发明具备以下有益效果：

本发明通过采用通气管贯通负电性气体，使转筒腔内充满负电性气体，因负电性气体具有强烈的负电性，且导电针端头尖锐，其端头附近负电性气体触碰至针端，造成空气电离，空腔中开始发生电晕放电现象，负离子在转筒腔体内游离，因通气管向下吹拂，石墨烯粉末被吹起，与空中负离子接触，负离子被石墨烯结构碳原子所带正电荷吸引，且负离子远远小于碳原子间隙，从而其逐渐渗入石墨烯碳结构层间隙内，因负离子相对产生静电斥力，石墨烯层间隙开始扩大，当静电斥力大于原子间的静电吸力时，石墨烯发生爆裂，从而分散成单层及少层石墨烯样本，再利用离心机带动离心转盘开始高速转动，使分散后的石墨烯发生离心运动，通过转筒及取样腔管上的开孔，使得单层石墨烯被甩出，进而被筛至取样腔管内，从而实现无接触空气自动电离，避免采用传统转印而遗留胶带残片，影响实验观察，且电离分散石墨烯，通过离心分层，即可筛选出单层石墨烯样本，极大的简缩了后续处理步骤，节约了累积的机械耗能，可令石墨烯研究实验多次进行。

附图说明

图1为本发明结构立体示意图；

图2为本发明结构剖面立体示意图；

图3为本发明转筒剖面立体示意图；

图4为本发明电离盖剖面立体示意图；

图5为本发明取样腔管剖面立体示意图。

图中：1、离心机台；2、离心转盘；3、转筒；4、电离盖；5、通气管；6、导电针；7、取样腔管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种石墨烯机械剥离设备，包括离心机台1，离心机台1的顶端中部活动安装有离心转盘2，离心转盘2的内腔中部固定套接有转筒3，转筒3的内腔上端固定套接有电离盖4，电离盖4的中部固定安装有通气管5，电离盖4的中部固定安装有导电针6，通过采用通气管5贯通负电性气体，使转筒3腔内充满负电性气体，当气体贯通时，利用导电针6导通电流至针端，因负电性气体具有强烈的负电性，且导电针6端头尖锐，其端头附近负电性气体触碰至针端，造成空气电离，负电性气体内气体原子开始吸附电子，形成负离子，导电针6端头吸附正离子，空腔中开始发生电晕放电现象，负离子在转筒3腔体内游离，因通气管5向下吹拂，石墨烯粉末被吹起，与空中负离子接触，负离子被石墨烯结构碳原子所带正电荷吸引，且负离子远远小于碳原子间隙，从而其逐渐渗入石墨烯碳结构层间隙内，因负离子相对产生静电斥力，石墨烯层间隙开始扩大，因石墨烯层与层之间通过分子作用力相连，即其层间隙的作用力为范德华力，假定为f1，而正负离子之间作用力为离子键，为化学键的一种，假定为f2，对于间隙中插至的负离子所导致的同极电荷的斥力，为静电斥力，假定为f3，根据现有已知的相关化学键理论可知，f2力的大小远大于f1，若f3大于f1时，即当静电斥力大于原子间的静电吸力(范德华力)时，石墨烯整体层面结构发生互斥，单层石墨烯结构开始分离，当到达临界值时，石墨烯发生爆裂，从而分散成单层及少层石墨烯样本，转筒3的外部固定安装有取样腔管7，利用离心机带动离心转盘2开始高速转动，使分散后的石墨烯发生离心运动，因单层石墨烯的质量小于少层石墨烯的质量，根据离心力相关公式f＝mv²/r可知，当离心力f及直径r相等时，质量m与线速度v呈正比，因而单层石墨烯的线速度，相较于少层石墨烯的线速度较低，单层石墨烯会向上移动，而少层石墨烯向下沉淀，通过转筒3及取样腔管7上的开孔，使得单层石墨烯被甩出，进而被筛至取样腔管7内，从而实现无接触空气自动电离，避免采用传统转印而遗留胶带残片，影响实验观察，且电离分散石墨烯，通过离心分层，即可筛选出单层石墨烯样本，极大的简缩了后续处理步骤，节约了累积的机械耗能，可令石墨烯研究实验多次进行。

其中，转筒3的形状呈圆柱体，且转筒3的上端开设有一排圆孔。

其中，电离盖4形状呈圆柱体，且电离盖4的外部直径值等于转筒3的内腔直径值。

其中，通气管5所贯通的气体是负电性气体。

其中，导电针6的前端形状呈圆锥形，且均匀分布在电离盖4的内腔中，曲率半径极小的尖锐电极相对，更容易产生空气电离现象，促使发生电晕放电，且均匀分布，可使得电晕放电电离范围较为集中。

其中，取样腔管7的内侧腔管壁上端开设有一排圆孔，且圆孔的直径大小及其位置与转筒3的上端开孔一致。

其中，转筒3、电离盖4以及取样腔管7都具有绝缘特性且表面光滑，避免导电针6进行电离时，电晕放电对装置造成损坏，且表面光滑减少离心时，装置表面的摩擦力，避免石墨烯粉末沾附在筒壁。

本发明的使用方法(工作原理)如下：

首先，将转筒3、电离盖4以及取样腔管7进行清洁干燥，待装置部件清洗完毕后，将需要进行剥离的石墨烯原料取出适量，倒至转筒3内，将转筒3安装至离心转盘2中，确认其安装平稳，无偏移，待确认安装后，将电离盖4套入转筒3内，进行旋拧闭合，待电离盖4紧合完毕后，接通通气管5，确认通气管5与电离盖4连接处密封完好，待通气管5确认安装无误后，开始向管道内部通负电性气体，同时开启导电针6供电源，给其提供持续电流通电，此时，负电性气体在转筒3内腔中与导电针6端头接触，开始发生电离及电晕放电现象，石墨烯被通气管5吹起，与气体电离出的负离子接触，开始发生石墨烯层结构分离，产生爆裂现象，待石墨烯爆裂分离一段时间后，停止通气管5通气，停止导电针6供电，取下电离盖4，拿取与转筒3相配套的筒盖，给予其封盖闭合，将取样腔管7套接安装在转筒3外部，使其腔管壁上开孔与转筒3壁上开孔相对，启动离心机，使离心转盘2带动转筒3开始高速旋转，转筒3腔内单层石墨烯受离心现象影响，从开孔中甩出，进入取样腔管7内，待离心转动一段时间后，关闭离心机，取下取样腔管7，将管内石墨烯样本倒出装袋即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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