Устройство для получения графеносодержащей суспензии
Владельцы патента RU 2777632:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ») (RU)
Изобретение относится к технике получения графеносодержащих суспензий путем сдвиговой эксфолиации графита в жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности при модифицировании графеном пластичных смазок, эпоксидных смол, бетонов и т.д. Технической задачей изобретения является повышение эффективности эксфолиации графита и повышение степени преобразования графита в графен. Устройство для эксфолиации графита состоит из статора в виде цилиндрической оболочки с отверстиями для подвода и отвода суспензии, ротора с лопастями. Ротор по длине разделен на N участков, и лопасти на каждом последующем участке по окружности смещены по отношению к лопастям на предыдущем участке на угол
Изобретение относится к технике получения графеносодержащих суспензий путем сдвиговой эксфолиации графита в жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности при модифицировании графеном пластичных смазок, эпоксидных смол, бетонов и т.д. Известно устройство, содержащее статор в виде цилиндрической оболочки с отверстиями, ротор с лопастями и привод вращения ротора [Keith R. Paton et al. Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids NATURE MATERIALS |VOL 13| JUNE 2014, pp. 624-630]. 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. Недостатком данного способа и 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.
Наиболее близким является устройство по патенту РФ №2737925 («Способ получения графеносодержащих суспензий эксфолиацией графита и устройство для его реализации», заявл. 12.12.2019, опубл. 04.12.2020, Бюл. № 34), включающее емкость исходной суспензии, блок эксфолиации графита, состоящий из роторных аппаратов, содержащих статор в виде цилиндрической оболочки с отверстиями для подвода и отвода суспензии, ротор с лопастями.
Недостаток устройства заключается в том, что в роторном аппарате суспензия относительно вращающегося ротора движется в поршневом режиме, т.е. практически не перемешивается, что уменьшает степень преобразования графитовых частиц в графеновые пластины.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности эксфолиации графита и повышение степени преобразования графита в графен.
Указанная задача решается тем, что в устройстве, содержащем статор в виде цилиндрической оболочки с отверстиями для подвода и отвода суспензии, ротор с лопастями, ротор по длине разделен на N участков и лопасти на каждом последующем участке по окружности смещены по отношению к лопастям на предыдущем участке на угол:
,
где n – число лопастей в поперечном сечении,
причем по длине ротора между лопастями соседних участков есть зазор размером от 5 до 10 мм.
Реализация изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2, 3, 4 показаны поперечные сечения на разных участках, на фиг. 5 - результаты сравнения прототипа и предлагаемого устройства.
Роторный аппарат, схема которого показана на фиг. 1, состоит из цилиндрического статора 1, ротора 2 с радиальными лопастями, который установлен в подшипниковых опорах 3. Радиальные подвижные лопасти 4 установлены в радиальных пазах ротора. Ось ротора 2 через муфту соединена с электродвигателем 7. Роторный аппарат и электродвигатель установлены на основании с помощью кронштейнов. С одной стороны статора 1 установлен патрубок 5 для подачи суспензии. С другой стороны статора установлен патрубок 6 для отвода суспензии. По длине ротор разделен на N участков (на фиг. 1 показаны три участка) и лопасти на каждом последующем участке по окружности смещены по отношению к лопастям на предыдущем участке на угол:
(1)
где n - число лопастей на каждом участке.
По длине ротора между лопастями соседних участков есть зазор 
размером от 5 до 10 мм. На фиг. 2, 3, 4 показаны поперечные сечения на разных участках. На сечениях видно, что лопасти на каждом последующем участке по окружности смещены по отношению к лопастям на предыдущем участке на угол .
Эффективность предлагаемого способа и устройства для его реализации была проверена экспериментально, путем сравнения с прототипом. В качестве прототипа был использовано устройство, выполненное по прототипу (патент РФ №2737925) с внутренним диаметром статора 42 мм и длиной 180 мм. Ротор имеет четыре радиальных паза, в которых расположены подвижные лопасти. Предлагаемое устройство имело те же размеры, но ротор по длине разделен на три участка, каждый из которых имел длину 54 мм. Расстояния между участками 5 мм, а расстояния между крайними лопастями и торцевыми стенками 4 мм. Лопасти на каждом участке повернуты относительно лопастей на предыдущем участке на угол ϕ=30°, рассчитанный по формуле (1). Для каждой серии опытов готовили исходную суспензию с концентрацией графита от 10 до 20% в объеме 10 литров. Суспензию подавали в устройство насосом с производительностью от 2 до 4 литров в минуту. После каждых 5 циклов обработки определяли концентрацию графеновых пластин в суспензии. На фиг. 5 даны характерные зависимости изменения концентрации графеновых пластин в суспензии от числа циклов обработки. Нижняя кривая – прототип, верхняя кривая – предлагаемый способ и устройство. Как видно из графиков интенсивность процесса эксфолиации с использованием предлагаемого способа и устройства примерно на 10% выше, чем у прототипа. Кроме этого на 10-15% больше частиц графита преобразовались в графеновые пластины.
Таким образом, цель изобретения достигнута.
Устройство для получения графеносодержащей суспензии, состоящее из статора в виде цилиндрической оболочки с отверстиями для подвода и отвода суспензии, ротора с лопастями, отличающееся тем, что по длине ротор разделен на N участков и лопасти на каждом последующем участке по окружности смещены по отношению к лопастям на предыдущем участке на угол:
где n – число лопастей в поперечном сечении,
причем по длине ротора между лопастями соседних участков есть зазор размером от 5 до 10 мм.
