微射流均质机在石墨材料中的应用

石墨烯是 21 世纪的战略性新兴材料，是目前已知的最硬、最薄的材料，具有较高的电子迁移率、热导系数以及能承载非常高的电流密度。在电子信息、能源、功能材料、生物医药、航空航天、节能环保等领域有重要的潜在应用前景。

材料结构

石墨烯具有单层二维蜂窝状晶格结构，该结构是由以杂化连接紧密堆积的碳原子组成的。理论比表面积高达。

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物,结构中含有大量的褶皱孔穴和较大的比表面积，还含有很多含氧基团，如羟基、羧基和环氧基等，所以氧化石墨烯具有良好的亲水性，这些含氧基团也为氧化石墨烯的功能化提供了大量接触点。

石墨是由石墨烯一层层叠起来。在晶体中同层碳原子间以杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。

碳纳米管是由石墨烯片同轴卷曲而成的新型纳米碳材料，按照石墨烯片层数不同，可分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。长度在几微米到数毫米之间，长径比一般在1 000 以上。直径是几纳米，上万根纳米管才有一根头发粗。

碳纳米管在锂电池中的应用

碳纳米管作为一种结构特殊的新型碳材料，具有优异的机械性能和电化学性能。在锂电池的应用中，碳纳米管作为导电剂时，其特殊的网络结构不仅能够有效地连接更多的活性物质，出色的电导率也可以大幅降低阻抗。此外，较大长径比的碳纳米管具有更大的比表面积，只需很少的添加量便足以在电极内组建高效的三维高导电网络并达到提升电池能量密度的目标。

碳纳米管团聚

碳纳米管团聚的原因主要有两种，分别是纳米颗粒间的团聚效应和一维材料间的缠绕团聚现象。前者指的是当颗粒材料达到纳米尺寸其团聚效应显著增加，团聚体内颗粒的相互吸引力也明显增大，从而导致碳管难以分散；后者指的是由于碳纳米管较大的长径比容易纠缠粘结在一起，形成很大的团聚体。

碳纳米管的分散机理

根据碳纳米管团聚的原因分析，要想得到均匀分散的碳纳米管必须同时满足3个条件:破坏长纤维纠缠粘结状态、克服团聚体强吸附力、稳定碳纳米管分散状态。

• 破坏长纤维纠缠粘结状态碳纳米管壁上有很多缺陷，通过物理或化学作用可以从缺陷处断开碳纳米管，把碳纳米管剪短，从而去除长纤维纠缠粘结状态。
• 克服团聚体的强吸附力通过机械搅拌和研磨等方法，可以克服团聚体的强吸附力，使碳纳米管团聚体分散开。
• 稳定碳纳米管分散状态选择合适的介质可以稳定碳纳米管分散状态。

碳纳米管的分散方法

从团聚机理出发，目前主流的分散方法都需要同时满足以下两个条件：

• 破坏碳管纠缠粘结状态一般使用物理或化学的方法，从而去除碳管纠缠粘结状态。常见的分散方法有微射流均质、超高压均质、机械搅拌与研磨法、高能球磨法、超声波处理法等方法。
• 克服团聚体之间的强吸附力通过添加合适的分散剂，可以使碳纳米管团聚体分散开。

微射流均质机

微射流均质机是一种通过电气控制的液压站内的液压油来给液压缸加压，以此来驱动柱塞进行正位移的、往复运动，通过单向阀的作用，柱塞给物料加压，加压后的物料通过一个特别设计的微孔工作喷腔，液体通过不同微米孔径的喷腔会形成不同的均质压力，超高的液体流速形成的高剪切力和撞击力，对通过的物料进行连续的微粒化作用的机器。

工作原理

物料流经单向阀后，在高压腔泵里加压，通过微米级的喷嘴，以亚音速撞击在乳化腔上，同时通过强烈的空穴，剪切效应，得到足够小而均一的粒径分布。

具体案例

氧化石墨烯

氧化石墨烯，固含量5%，为解决氧化石墨烯本身粘稠度问题，高剪切预处理后，采用诺泽流体科技有限公司的MINI型的微射流均质机而进行的均质分散过程。

10000psi的均质压力，循环处理三遍后，氧化石墨烯流动性明显改善，且能很好的分散石墨烯碳层。

碳纳米管

为解决碳纳米管团聚缠绕的状态，采用诺泽流体科技有限公司的MINI型的微射流均质机而进行的均质分散过程。

10000psi的均质压力，循环处理三遍后，碳纳米管宏观表现仍有明显的条带状，表明仍未解团聚。

采用30000psi的均质压力，循环处理六遍后，碳纳米管宏观表现流动性较好，且静置后表面成光滑状态，表明团聚已分散开来。

碳纳米管在微射流均质机处理前后的物料性状对比。

参考资料

1. //石墨烯在防腐涂料中的应用分析及展望
2. //碳纳米管超细粉碎分级的特性研究
3. //（图片来源：刘开辉 等，《石墨烯的结构与基本性质》，华东理工大学出版社，2020.10
4. sohu/a/227348176_99919252