本發(fā)明涉及化學(xué)工程與技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高效剝離二維材料的方法及裝置。

背景技術(shù)：

一次旋轉(zhuǎn)流是指料液在旋轉(zhuǎn)過程中，其旋轉(zhuǎn)方向始終保持不變。二次旋轉(zhuǎn)流是指料液在旋轉(zhuǎn)過程中，每旋轉(zhuǎn)180度其旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次。二次旋轉(zhuǎn)流是超重力技術(shù)的全新發(fā)展方向。二次旋轉(zhuǎn)流的內(nèi)部受到高頻顛倒的超重力場和壓力場之間強(qiáng)烈的相互作用而形成強(qiáng)勁的剪切力作用，尤其是在二次旋轉(zhuǎn)流的初始階段，由于正、負(fù)能量流的同時(shí)存在，形成了極其旺盛的并且非常均勻的剪切力作用，當(dāng)超重力場水平高達(dá)1000g至10000g（g為正常重力場加速度）以上時(shí)，其剪切強(qiáng)度不亞于超聲波產(chǎn)生的剪切力強(qiáng)度。超聲剝離二維層狀材料的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，在超聲波的中心位置處，超聲波的強(qiáng)度非常高，可能會(huì)對(duì)二維材料的完美結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷；第二，偏離中心位置后，超聲波的場強(qiáng)迅速衰減，造成超聲效率的顯著降低以及超聲波能量的快速耗散。在二次旋轉(zhuǎn)流的初始階段，其流通截面上剪切強(qiáng)度無論是沿軸向或徑向都可以達(dá)到非常均勻的分布，因而使二次旋轉(zhuǎn)流具有非常均勻的剝離強(qiáng)度和非常高的剝離效率。

所謂正、負(fù)能量流是指流體在流動(dòng)過程中機(jī)械能正快速增加或減少，二者之間存在著相互吸引，相互依托和相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。典型的正能量流是離心泵內(nèi)的流體，其流動(dòng)方式屬于一次旋轉(zhuǎn)流。一次旋轉(zhuǎn)流的特征是旋轉(zhuǎn)中心始終固定不動(dòng)，離心力方向也固定不變，流體在離心泵內(nèi)做一次旋轉(zhuǎn)過程中機(jī)械能可以在很短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到最大值。由于流體是沿著軸向進(jìn)入離心泵的中心位置，并沿著徑向被離心泵高速向外甩出，因此，流體進(jìn)入離心泵時(shí)機(jī)械能沿軸向迅速減小，屬于負(fù)能量流；而當(dāng)流體沿著離心泵的徑向被向外甩出時(shí)，機(jī)械能沿徑向快速增加，屬于正能量流。由此看出，在離心泵內(nèi)，正能量流的中心是負(fù)能量流，正能量流來源于負(fù)能量流，正、負(fù)能量流是完全分離的。

二次旋轉(zhuǎn)流屬于典型的負(fù)能量流，流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每轉(zhuǎn)180度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，并導(dǎo)致離心力場和壓力場的方向也顛倒變化一次；離心力場和壓力場方向的變化可以最大程度地抵消掉旋轉(zhuǎn)慣性。當(dāng)含有很高機(jī)械能的流體進(jìn)入二次旋轉(zhuǎn)流道時(shí)，流體的機(jī)械能沿流動(dòng)方向（即軸向）快速均勻地降低，屬于負(fù)能量流。與此同步，在流通截面上產(chǎn)生二次流，二次流屬于正能量流，當(dāng)二次流達(dá)到慣性流動(dòng)狀態(tài)后，該正能量流消失。因此，在二次旋轉(zhuǎn)流的初始階段，正、負(fù)能量流同時(shí)產(chǎn)生并完全融為一體，正能量流可以充分吸收負(fù)能量流釋放出的能量并形成高速旋轉(zhuǎn)的迪恩渦，迪恩渦的形成是流體徑向剪應(yīng)力均勻分布的結(jié)果和外在表現(xiàn)。通過不斷提高二次旋轉(zhuǎn)流的超重力水平和顛倒頻率，可以延長二次旋轉(zhuǎn)流內(nèi)正能量流的存在時(shí)間?？傊淮涡D(zhuǎn)流可以高效地生成高壓流體，二次旋轉(zhuǎn)流可以高效地將靜壓力轉(zhuǎn)化為均勻分布的剪切應(yīng)力消耗掉，二者可以共同構(gòu)成一個(gè)高效的機(jī)械能循環(huán)系統(tǒng)。n次旋轉(zhuǎn)流是指料液在旋轉(zhuǎn)過程中，每旋轉(zhuǎn)360度其旋轉(zhuǎn)方向顛倒n次（n≥2），在旋轉(zhuǎn)角速度相等的情況下，n越大料液顛倒頻率越高，越難形成慣性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能耗也會(huì)隨之增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高效剝離二維材料的方法，可以實(shí)現(xiàn)快速、高效、低成本、大批量、高質(zhì)量地生產(chǎn)各種二維層狀納米材料的效果。

本發(fā)明還提供了一種高效剝離二維材料的裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種高效剝離二維材料的方法，包括如下步驟：

（1）將二維層狀材料投入分散液中，使得二維層狀材料的表面被分散液充分潤濕，且混合均勻得物料分散液，然后將物料分散液輸入至循環(huán)儲(chǔ)槽；

（2）物料分散液從循環(huán)儲(chǔ)槽下端的出口輸出，通過管路進(jìn)入用于剝離二維層狀材料的n次旋轉(zhuǎn)流混合器，然后從n次旋轉(zhuǎn)流混合器出口流出，通過管路從循環(huán)儲(chǔ)槽上端回流至循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)完成一次循環(huán)，如此循環(huán)多次后得到層數(shù)10層以下的少層二維納米材料。

在很高壓力作用下，分散液挾帶二維材料進(jìn)入n次旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)，料液所受超重力場強(qiáng)度會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)半徑的縮小而逐步增大，使n次旋轉(zhuǎn)流內(nèi)的正、負(fù)能量流始終保持同步，并形成高速旋轉(zhuǎn)的迪恩渦，在迪恩渦內(nèi)均勻的強(qiáng)剪切力作用下，二維材料被快速層層剝離并分散開來。從n次旋轉(zhuǎn)流道出口端流出的分散液挾帶著二維材料以接近于平推流的方式再回流至n次旋轉(zhuǎn)流道的入口端進(jìn)行第二次剝離，經(jīng)過反復(fù)剝離數(shù)百次后得到層數(shù)少于10層以下的少層二維納米材料。本發(fā)明的核心是通過改變n次旋轉(zhuǎn)流內(nèi)不同旋轉(zhuǎn)圓弧的超重力場強(qiáng)度，使n次旋轉(zhuǎn)流始終存在正、負(fù)能量流之間高效的轉(zhuǎn)化，形成旺盛而均勻的剪切力作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料的快速剝離。

作為優(yōu)選，所述二維層狀材料為第四至第六主族半導(dǎo)體化合物（如gase、sns）、過渡金屬鹵化物（如pbi2、mgbr2）、金屬氧化物(如mno2、moo3)、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、過渡金屬碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯類似物（半金屬硅烯、鍺烯）、第四主族元素的蜂窩狀二元化合物（如sic、snge）、第三至第六主族化合物（如insb、gan）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和銻烯）、硅酸鹽、硅鋁酸鹽的電荷平衡膜板（如云母、粘土）、層狀水滑石中的一種。

作為優(yōu)選，所述分散液在80℃下的飽和蒸氣壓低于100mmhg，且在剝離過程中分散液的粘度控制在1.0至10.0mpa·s之間。

作為優(yōu)選，所述物料分散液的濃度為1.0至5.0g/l；控制完成一次循環(huán)的時(shí)間在15至60秒?？刂仆瓿梢淮窝h(huán)的時(shí)間優(yōu)選為20至40秒之間。

為了防止分散液在強(qiáng)剪切力作用下有氣泡生成，分散液在80℃下的飽和蒸氣壓需低于100mmhg以下。為了提高剝離效率并降低能耗，二維材料的剝離濃度控制在1.0至5.0g/l，優(yōu)選為2.5至4.0g/l，剝離過程中分散液的粘度在1.0至10.0mpa·s之間，優(yōu)選為1.0至3.0mpa·s之間。

作為優(yōu)選，所述n次旋轉(zhuǎn)流混合器為二次旋轉(zhuǎn)流混合器、三次旋轉(zhuǎn)流混合器或四次旋轉(zhuǎn)流混合器，n次旋轉(zhuǎn)流混合器由m個(gè)的圓弧形流道構(gòu)成，m為>2的整數(shù)，流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，m個(gè)圓弧形流道內(nèi)的超重力場強(qiáng)度逐級(jí)增大。在剝離過程中，m個(gè)圓弧形流道內(nèi)超重力場強(qiáng)度逐級(jí)增大，如6個(gè)圓弧形流道內(nèi)超重力場強(qiáng)度分布為3000g，3000g（或4500g），6000g，6000g（或7500g），9000g和9000g（或10500g）。

作為優(yōu)選，所述n次旋轉(zhuǎn)流混合器的旋轉(zhuǎn)流道的流通截面為圓形，n次旋轉(zhuǎn)流混合器中最小的旋轉(zhuǎn)半徑r與流通截面的直徑d之比≥5。n次旋轉(zhuǎn)流混合器的旋轉(zhuǎn)流道的流通截面為圓形，以利于形成均勻分布的剪切力場和迪恩渦。

作為優(yōu)選，所述二次旋轉(zhuǎn)流混合器：流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)180度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次；所述三次旋轉(zhuǎn)流混合器：流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)120度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次或旋轉(zhuǎn)方向每顛倒兩次超重力場強(qiáng)度增大一次；所述四次旋轉(zhuǎn)流混合器，流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)90度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次或旋轉(zhuǎn)方向每顛倒兩次超重力場強(qiáng)度增大一次。

作為優(yōu)選，物料分散液在管路中的流速控制為為2.0至3.0m/s，進(jìn)入n次旋轉(zhuǎn)流混合器后流速控制20至40m/s。

作為優(yōu)選，在循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)物料分散液沿軸向下降的速度控制為5至10cm/s。

一種高效剝離二維材料的裝置，包括循環(huán)儲(chǔ)槽、循環(huán)泵及n次旋轉(zhuǎn)流混合器，循環(huán)儲(chǔ)槽上部設(shè)有第一進(jìn)料口和第二進(jìn)料口，第一進(jìn)料口通過管路與攪拌釜連接，循環(huán)儲(chǔ)槽通過管路與循環(huán)泵的進(jìn)料口連接，循環(huán)泵的出料口通過管路與n次旋轉(zhuǎn)流混合器的進(jìn)料口連接，n次旋轉(zhuǎn)流混合器的出料口通過管路與循環(huán)儲(chǔ)槽的第二進(jìn)料口連接。作為優(yōu)選，

本發(fā)明的有益效果是：可以實(shí)現(xiàn)快速、高效、低成本、大批量、高質(zhì)量地生產(chǎn)各種二維層狀納米材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明四次旋轉(zhuǎn)流混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明二次旋轉(zhuǎn)流混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體說明。

本發(fā)明中，若非特指，所采用的原料和設(shè)備等均可從市場購得或是本領(lǐng)域常用的。下述實(shí)施例中的方法，如無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。

總實(shí)施方案

一種高效剝離二維材料的方法，包括如下步驟：

（1）將二維層狀材料投入分散液中，使得二維層狀材料的表面被分散液充分潤濕，且混合均勻得物料分散液，然后將物料分散液輸入至循環(huán)儲(chǔ)槽；

（2）物料分散液從循環(huán)儲(chǔ)槽下端的出口輸出，通過管路進(jìn)入用于剝離二維層狀材料的n次旋轉(zhuǎn)流混合器，然后從n次旋轉(zhuǎn)流混合器出口流出，通過管路從循環(huán)儲(chǔ)槽上端回流至循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)完成一次循環(huán)，如此循環(huán)多次后得到層數(shù)10層以下的少層二維納米材料。

所述二維層狀材料為第四至第六主族半導(dǎo)體化合物（如gase、sns）、過渡金屬鹵化物（如pbi2、mgbr2）、金屬氧化物(如mno2、moo3)、六方氮化硼（白石墨烯）、石墨相氮化碳、過渡金屬碳化物、碳氮化物、第四主族石墨烯類似物（半金屬硅烯、鍺烯）、第四主族元素的蜂窩狀二元化合物（sic、snge）、第三至第六主族化合物（insb、gan）、第五主族元素（如磷烯、砷烯和銻烯）、硅酸鹽、硅鋁酸鹽的電荷平衡膜板（如云母、粘土）、層狀水滑石中的一種。

所述分散液在80℃下的飽和蒸氣壓低于100mmhg，且在剝離過程中分散液的粘度控制在1.0至10.0mpa·s之間。所述物料分散液的濃度為1.0至5.0g/l；控制完成一次循環(huán)的時(shí)間在15至60秒。所述n次旋轉(zhuǎn)流混合器為二次旋轉(zhuǎn)流混合器、三次旋轉(zhuǎn)流混合器或四次旋轉(zhuǎn)流混合器，n次旋轉(zhuǎn)流混合器由m個(gè)的圓弧形流道構(gòu)成，m為>2的整數(shù)，流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，m個(gè)圓弧形流道內(nèi)的超重力場強(qiáng)度逐級(jí)增大。所述n次旋轉(zhuǎn)流混合器的旋轉(zhuǎn)流道的流通截面為圓形，n次旋轉(zhuǎn)流混合器中最小的旋轉(zhuǎn)半徑r與流通截面的直徑d之比≥5。物料分散液在管路中的流速控制為為2.0至3.0m/s，進(jìn)入n次旋轉(zhuǎn)流混合器后流速控制20至40m/s。在循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)物料分散液沿軸向下降的速度控制為5至10cm/s。

所述二次旋轉(zhuǎn)流混合器：流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)180度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次；所述三次旋轉(zhuǎn)流混合器：流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)120度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次或旋轉(zhuǎn)方向每顛倒兩次超重力場強(qiáng)度增大一次；所述四次旋轉(zhuǎn)流混合器，流體在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中，每旋轉(zhuǎn)90度旋轉(zhuǎn)方向顛倒一次，旋轉(zhuǎn)方向每顛倒一次超重力場強(qiáng)度增大一次或旋轉(zhuǎn)方向每顛倒兩次超重力場強(qiáng)度增大一次。

具體實(shí)施例：

采用n-甲基吡咯烷酮（英文縮寫：nmp）作為分散劑，以鱗片石墨為原料，剝離制備少層石墨烯材料。n-甲基吡咯烷酮相關(guān)物化性質(zhì)如下：相對(duì)密度為1.028，沸點(diǎn)203℃，81℃下的蒸氣壓僅為10mmhg，在強(qiáng)剪切力作用下基本不會(huì)產(chǎn)生大量微泡而大量消耗剪切力的做功能力；20℃下的粘度為1.65mpas，25℃下的表面張力為41.0mn/m，能完全潤濕鱗片石墨的表面。具體操作步驟如下：將50l的nmp倒入攪拌釜中，加入250g的鱗片石墨，開啟攪拌槳使鱗片石墨基本均勻分布于nmp分散劑中，然后，開啟進(jìn)料泵，將料液全部打入到循環(huán)儲(chǔ)槽中。當(dāng)料液全部充滿循環(huán)泵后，開啟循環(huán)泵，將循環(huán)流量控制在2.0l/s，物料循環(huán)一次的時(shí)間25s，物料在管路中的流速為2m/s，管路的內(nèi)徑為35.6mm，進(jìn)入四次旋轉(zhuǎn)流混合器后，物料的流速迅速升高到25m/s，四次旋轉(zhuǎn)流的流通截面內(nèi)徑d為10mm，四次旋轉(zhuǎn)流的六個(gè)旋轉(zhuǎn)圓弧的內(nèi)徑r（mm）分布為208、208、104、104、69.5、69.5，對(duì)應(yīng)的四次旋轉(zhuǎn)流最小超重力場分布為3000g、3000g、6000g、6000g、9000g、9000g。物料從四次旋轉(zhuǎn)流混合器流出后，先流經(jīng)流量計(jì)，然后沿切線方向回流進(jìn)入循環(huán)儲(chǔ)槽，循環(huán)儲(chǔ)槽的內(nèi)徑為22.6cm、高為1.5m。物料循環(huán)400次后，用時(shí)約3小時(shí)，取樣放入離心機(jī)中，設(shè)定離心力場強(qiáng)度為1000g，高速離心操作時(shí)間設(shè)定為1分鐘，1分鐘后料液沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表明鱗片石墨已被全部剝離生成少層石墨烯。此時(shí)，關(guān)閉泵，開啟出口閥門出料，完成整個(gè)剝離操作過程。

為了實(shí)現(xiàn)上述工藝方法，本發(fā)明還提供了一套具體實(shí)施裝置，該裝置及流程如附圖1所示，該裝置由六個(gè)部分構(gòu)成包括：包括循環(huán)儲(chǔ)槽1、循環(huán)泵2及n次旋轉(zhuǎn)流混合器3，循環(huán)儲(chǔ)槽上部設(shè)有第一進(jìn)料口11和第二進(jìn)料口12，第一進(jìn)料口11通過管路與攪拌釜4連接，循環(huán)儲(chǔ)槽通過管路與循環(huán)泵的進(jìn)料口連接，循環(huán)泵的出料口通過管路與n次旋轉(zhuǎn)流混合器的進(jìn)料口連接，n次旋轉(zhuǎn)流混合器的出料口通過管路與循環(huán)儲(chǔ)槽的第二進(jìn)料口12連接，n次旋轉(zhuǎn)流混合器的出料口與循環(huán)儲(chǔ)槽的第二進(jìn)料口連接的管路上裝有流量計(jì)5。其中四次旋轉(zhuǎn)流混合器的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，為了與二次旋轉(zhuǎn)流混合器形成對(duì)比，附圖3給出了與四次旋轉(zhuǎn)流旋轉(zhuǎn)半徑相等的二次旋轉(zhuǎn)流混合器示意圖。具體工藝流程如下：將二維層狀材料投入到裝滿指定分散液的攪拌釜中，待二維材料的表面被分散液全部充分潤濕后，開啟攪拌槳使二維層狀材料在攪拌釜中的分布基本均勻，然后將料液全部打入到循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)并幾乎裝滿整個(gè)循環(huán)儲(chǔ)槽。循環(huán)儲(chǔ)槽具有比較高的長徑比，開啟循環(huán)泵使分散劑挾帶著二維層狀材料由緩變快進(jìn)入到n次旋轉(zhuǎn)流混合器內(nèi)部，在n次旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過程中二維材料在強(qiáng)勁均勻的剪切力作用下被撕碎和剝離開來，最典型的特征是流體在整個(gè)n次旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)都能夠形成高速旋轉(zhuǎn)的迪恩渦，一旦流體從n次旋轉(zhuǎn)流混合器內(nèi)出來后，其流速立即由快變緩，流體順著管路沿切線方向緩緩進(jìn)入循環(huán)儲(chǔ)槽中，在循環(huán)儲(chǔ)槽內(nèi)流體緩慢向下旋轉(zhuǎn)直至循環(huán)儲(chǔ)槽出口位置，循環(huán)儲(chǔ)槽的出口位于整個(gè)圓形循環(huán)儲(chǔ)槽的中心位置，從循環(huán)儲(chǔ)槽出口流出后，流體再進(jìn)入到循環(huán)泵中進(jìn)行加壓，完成整個(gè)循環(huán)過程。在回流管路上設(shè)有一個(gè)流量計(jì)用于監(jiān)測循環(huán)流量，分散液的體積與循環(huán)流量之比即為料液循環(huán)一次所需時(shí)間。通常為了獲得少層二維納米材料所需循環(huán)次數(shù)至少在100次以上，循環(huán)次數(shù)越多，二維納米材料的層數(shù)越少，比表面積越大。從出料口取樣放入一離心機(jī)中進(jìn)行測試，設(shè)定離心力場強(qiáng)度為1000g，高速離心操作時(shí)間設(shè)定為1分鐘，1分鐘后若料液沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表明二維材料已經(jīng)被全部剝離生成少層二維納米材料。此時(shí)，關(guān)閉泵，開啟出口閥門出料，完成整個(gè)剝離操作的過程。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，在不超出權(quán)利要求所記載的技術(shù)方案的前提下還有其它的變體及改型。