ES3036468T3 - Apparatus and method for bulk production of atomically thin 2-dimensional materials including graphene - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona un aparato para la producción de grafeno y materiales laminares similares a escala atómica mediante la delaminación de un material laminar a granel, como el grafito. El aparato comprende: una bomba (112) para bombear un fluido, consistente en una suspensión de partículas sólidas del material laminar a granel, a una presión superior a 1 MPa, a lo largo de un conducto de fluido (12) y contra un cabezal de impacto (16) con una cara de impacto perpendicular o sustancialmente perpendicular a la trayectoria del fluido entrante, cuyo eje principal se encuentra en relación con el extremo proximal del conducto (24) para formar un espacio estrecho y variable (20), y donde el cabezal de impacto es simétrico respecto a un eje longitudinal alineado con el eje principal, de modo que dicha simetría permite su rotación. Este aparato prolonga la vida útil del cabezal y evita su desgaste catastrófico en una zona aislada. Se mantiene mejor la calidad general del producto a lo largo del tiempo. Además, se puede obtener la ventaja de un aparato de delaminación autodesbloqueante, manteniendo al mismo tiempo una alta calidad y consistencia del producto. Una variación relativamente pequeña en el tamaño del espacio es suficiente para evitar el bloqueo, como ocurre por la agregación de partículas grandes o grupos de partículas en el espacio de alto cizallamiento utilizado para la delaminación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato y método para la producción a granel de materiales bidimensionales atómicamente delgados, incluyendo grafeno

La presente invención se refiere a un aparato para producir materiales bidimensional atómicamente delgados, por ejemplo, grafeno. En particular, la invención se refiere a un aparato para producir materiales bidimensionales de alta calidad, sin defectos y no oxidados, por ejemplo, grafeno, en cantidades comercialmente útiles. Un material de este tipo tendrá aplicaciones en materiales compuestos, recubrimientos, gestión térmica y dispositivos electrónicos donde son importantes las propiedades de conductividad eléctrica, conductividad térmica, barrera y resistencia mecánica.

Antecedentes de la invención

El grafeno es un alótropo bidimensional del carbono, que consiste en láminas de algunos átomos de grosor en una estructura hexagonal. Los análogos de este material pueden incluir otras composiciones químicas que incluyen nitruro de boro y disulfuro de molibdeno.

El grafito, un mineral ampliamente utilizado, es en realidad una forma cristalina de grafeno, en la que las capas de grafeno están unidas entre sí mediante fuerzas de van der Waals. El grafeno ha atraído un interés considerable desde su descubrimiento como material aislable en 2004. Las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas novedosas del material sugieren numerosos usos. El grafeno puede producirse a escala de laboratorio de manera suficiente para el análisis experimental, pero la producción en cantidades comerciales todavía es un área en desarrollo. Se espera que otras estructuras de una sola capa, tales como el nitruro de boro, presenten propiedades igualmente interesantes en el campo de la nanotecnología.

Min Yi y Zhigang Shen han compilado una revisión de esta tecnología y su artículo titulado “A review on mechanical exfoliation for the scalable production of Graphene”, Journal of Materials Chemistry, A, 2015, 3, 11700, proporciona una descripción general del estado de la técnica con respecto a la producción de grafeno.

Las técnicas de abajo hacia arriba, tales como la deposición química en fase de vapor y el crecimiento epitaxial, pueden producir grafeno de alta calidad con un pequeño número de defectos. El grafeno resultante es un buen candidato para dispositivos electrónicos. Sin embargo, estas técnicas de crecimiento de película delgada adolecen de una escala limitada y una producción compleja y por tanto costosa, y no pueden satisfacer los requisitos de producción de cantidades industrialmente relevantes de grafeno.

Se ha demostrado la producción de grafeno a gran escala, a bajo coste, utilizando técnicas de arriba hacia abajo, mediante las cuales el grafeno se produce mediante la exfoliación directa del grafito, a veces suspendido en una fase líquida. El material de partida para esto es grafito tridimensional, que se separa mediante medios mecánicos y/o químicos para revelar láminas de grafeno de unos pocos átomos de grosor.

La técnica original utilizada por los descubridores del grafeno, el método “Scotch Tape”, que puede usarse para preparar láminas de grafeno de alta calidad y gran superficie, está limitada a la investigación de laboratorio y parece inviable ampliarla a la producción industrial.

La técnica del molino de tres rodillos es un método para ampliar el método Scotch Tape, usando poli(cloruro de vinilo) (PVC) disuelto en ftalato de dioctilo (DOP) como adhesivo en rodillos móviles que pueden proporcionar una exfoliación continua. Aunque la máquina de molino de tres rodillos es una técnica industrial conocida, la eliminación completa del PVC y el DOP residuales para obtener grafeno no es fácil y conlleva una complejidad adicional.

En 2008, el Trinity College de Dublín desarrolló un método de producción de alto rendimiento de grafeno mediante exfoliación en fase líquida asistida por sonicación. A partir de polvo de grafito disperso en disolventes orgánicos específicos, seguido por sonicación y centrifugación, obtuvieron una dispersión de grafeno. Este método de producción de grafeno puede ampliarse a escala, pero una desventaja es la concentración extremadamente baja de grafeno (alrededor de 0,01 mg/ml) de la suspensión producida, lo que no es necesariamente adecuado para la producción a granel.

Adicionalmente, los procesadores ultrasónicos sólo pueden lograr la alta densidad de potencia requerida en pequeños volúmenes, por lo que es difícil ampliar a escala este procedimiento para lograr economías de escala. Puede encontrarse una divulgación relevante en el documento WO2013/010211A1.

Técnicas de fuerza de cizalladura

Tal como se conoce bien, las capas de grafito tienen una baja resistencia a la fuerza de cizalladura, lo que hace del grafito un lubricante útil. Esto se ha aprovechado en varias técnicas que aplican fuerza de cizalladura para exfoliar grafeno a partir del grafito.

La molienda de bolas, una técnica común en la industria de productos en polvo, es un método para generar fuerza de cizalladura. Un efecto secundario son las colisiones o impactos verticales de las bolas durante las acciones de rodadura que pueden fragmentar las láminas de grafeno en otras más pequeñas y, a veces, incluso destruir la naturaleza cristalina de las estructuras.

Se han intentado varias mejoras en la técnica de molienda de bolas, como la molienda de bolas en húmedo con la adición de disolventes, pero estas técnicas todavía requieren un tiempo de procesamiento muy prolongado (alrededor de 30 horas) y producen un gran número de defectos, aunque sean adecuados para la producción a granel a escala industrial. Puede encontrarse una divulgación relevante en el documento WO 2012117251 A1. Algunas técnicas de producción de fuerza de cizalladura han usado una etapa de intercalación de iones antes de aplicar la fuerza de cizalladura para debilitar los enlaces entre capas. Esto reduce la energía necesaria para exfoliar el grafito para dar grafeno, pero el grafeno resultante puede estar contaminado con iones residuales que contaminan el producto terminado, y el procedimiento requiere tiempo y costes adicionales, lo que reduce la aplicación industrial de esta técnica.

Más recientemente han surgido métodos basados en la dinámica de fluidos para la exfoliación de grafito. Estos se basan en mezclar grafito en forma de polvo o láminas con un fluido para formar una suspensión; luego, el fluido puede someterse a fuerzas turbulentas o viscosas que aplican un esfuerzo de cizalladura a las partículas suspendidas. Habitualmente, el fluido es un líquido del tipo que se usa a menudo como disolvente y puede incluir una mezcla de tensioactivos adaptada para poder retirarse del producto terminado.

Un método para generar fuerzas de cizalladura es con un mezclador rotatorio de alta cizalladura. Se ha demostrado la exfoliación de grafeno usando una licuadora de cocina para crear fuerzas de cizalladura sobre partículas de grafito en suspensión. Este procedimiento se ha ampliado a escala utilizando mezcladores de alta cizalladura comerciales que comprenden palas rotatorias que pasan muy cerca de una pantalla de apertura para producir alta cizalladura. Las partículas de grafito experimentan una fuerza de cizalladura aplicada por el fluido debido a la diferencia de velocidad de las palas de mezclado y la pantalla de cizalladura estática. Puede encontrarse una divulgación relevante en los documentos WO2012/028724A1 y WO 2014/140324 A1.

Un método adicional es el uso de un homogeneizador de alta presión con un microfluidizador. El microfluidizador en este caso consiste en un canal con dimensiones de microescala, lo que significa de alrededor de 75 |im. Se fuerza al fluido a pasar a través del canal desde una entrada hasta una salida usando alta presión. Esta tecnología se deriva del procesamiento de fluidos usado en la producción de leche, tal como se da a conocer en los documentos EP 0 034 675, US8585277B2 y WO2016174528A1, pero este aparato no es adecuado para su uso con sólidos suspendidos, ya que esto da lugar a bloqueo y altas tasas de desgaste, ya que los equipos de producción de leche para la homogeneización de fluidos presentan un problema técnico diferente en términos de ingeniería. Debido a la estrecha dimensión del canal, existe una alta fuerza de cizalladura generada por la fricción viscosa entre las paredes y el flujo laminar, lo que conduce a la deslaminación del grafito. Este método requiere presiones muy altas y el grafito de partida ya debe haberse triturado hasta alcanzar un rango de tamaño micrométrico. Puede encontrarse una divulgación relevante en el documento WO2015/099457.

Puede encontrarse una variación adicional en Nacken, RSC Advances, 2015, 5, 57328. En este caso se expulsa un fluido a través de una boquilla hacia un vacío contra una válvula que proporciona contrapresión para evitar la cavitación en la cámara de expansión. Aquí, un material tal como el grafeno se deslamina a medida que el fluido sale de la boquilla hacia la cámara de expansión.

Para completar la información, en el documento WO 2004/052567 se describe una tecnología superficialmente similar. En este caso, se hace incidir una suspensión de sólidos contra un disco rotatorio que, al girar a altas rpm, acelera la suspensión hacia afuera para que incida con gran fuerza contra un anillo de colisión separado del reborde del disco. La alta velocidad de rotación y las ranuras en el disco accionado significan que están presentes espacios relativamente grandes (mm en lugar de |im) tanto en la entrada como en la salida del disco para permitir la vibración del disco, particularmente dado que pueden transmitirse frecuencias resonantes al acelerar y desacelerar (entre 0 y 40.000 rpm). Además, el esfuerzo de cizalladura creado es insuficiente o posiblemente la falta de cavitación, lo que significa que este equipo no es adecuado para deslaminar materiales laminares.

Existe la necesidad de un procedimiento de producción de grafeno que pueda producir grafeno usando menos energía y que pueda ampliarse a escala a altas tasas de producción sin pérdida de calidad del producto terminado. Un aparato de este tipo se da a conocer en las solicitudes de patente en tramitación junto con la presente GB15181.5 y PCT/GB2016/053177. Ese aparato proporciona un conducto de fluido para impactar una suspensión de partículas que va a deslaminarse contra un cabezal de impacto que tiene una cara de impacto y un espacio anular. En la práctica, se ha descubierto que el aparato tiene una vida útil limitada antes de que se requiera mantenimiento, ya que el espacio anular puede obstruirse con material particulado y/o desgastarse de modo que proporcione un espacio desigual a través del cual fluye preferiblemente la suspensión y que, a su vez, hace que el espacio sea incluso más grande. Aunque estos dos problemas tienden a ser mutuamente excluyentes, no lo son necesariamente. Tienden a producirse obstrucciones cuando se introduce una suspensión nueva, es decir, partículas más grandes y un cabezal sin desgaste. Tiende a producirse desgaste del tipo mencionado después de un uso prolongado y puede generar una trayectoria de menor resistencia a través de la cual pueden escapar partículas más grandes, pero con una deslaminación deficiente. Existe la necesidad de proporcionar un aparato mejorado, siendo el propósito del aparato es la deslaminación a escala industrial de suspensiones de material laminar, tal como para la producción de grafeno a partir de grafito, y la producción industrial requiere una operación durante un período de tiempo prolongado, tal como horas o incluso días de operación. Esta solicitud aborda predominantemente la cuestión del desgaste.

La presente invención busca superar los problemas de las técnicas anteriores para proporcionar un método de producción para grafeno que sea rápido, que pueda aumentarse a escala hasta cantidades industriales y energéticamente eficiente.

Definición de la invención

La presente invención en sus diversos aspectos es tal como se expone en las reivindicaciones adjuntas.

En un primer aspecto la presente invención proporciona:

Un aparato para la producción de grafeno y materiales laminares a escala atómica similares mediante la deslaminación de un material laminar a granel, tal como grafito; comprendiendo el aparato:

una bomba principal (112) adecuada para bombear un fluido, siendo el fluido una suspensión de partículas sólidas del material laminar a granel, a una presión mayor de 1 MPa, hacia y en comunicación de fluido con; componentes centrales (10), comprendiendo los componentes centrales:

un conducto de fluido (12) que tiene un eje principal adecuado para transportar dicho fluido, en el que el conducto de fluido está dispuesto para dirigir fluido a dicha presión desde ese conducto contra;

un cabezal de impacto (16) que tiene una cara de impacto perpendicular o sustancialmente perpendicular a dicho eje principal; estando dispuestos el cabezal de impacto y el conducto de modo que resulta un espacio anular (20) de entre 500 |im y 1 |im entre un extremo del conducto próximo al cabezal de impacto y el cabezal de impacto, en el que el espacio forma una región continua que rodea el extremo del conducto y que es sustancialmente coplanaria con el cabezal de impacto; y

un elemento envolvente de cabezal de impacto (26) que extiende la región en la que está restringido el fluido antes de salir de los componentes centrales, en el que,

el cabezal de impacto es simétrico alrededor de un eje longitudinal que está en línea con el eje principal adecuado para transportar dicho fluido y de manera que la simetría permite la rotación del cabezal.

Por tanto, una simetría adecuada comprenderá un cabezal de impacto que sea cilíndrico y/o (tronco)cónico o que esté compuesto por porciones cilíndricas y/o (tronco)cónicas. La simetría es preferiblemente una simetría radial alrededor del eje principal. Esto se debe a que los aparatos asimétricos, tal como el mostrado en el documento WO 2015/099378, proporcionan una deslaminación del producto menos homogénea. Se cree que esto se debe a que están presentes una variedad de trayectorias a través del campo de alta cizalladura. Además, las regiones de baja turbulencia acumulan depósitos de sólidos procedentes del fluido y esto puede dar lugar a obstrucción y bloqueo. Esto ocurre de manera gradual y, en particular, cuando cambian los caudales (tal como en el arranque), pueden desprenderse bloques de depósitos y bloquear las trayectorias de flujo, lo que requiere el desmontaje y la limpieza de los equipos.

Preferiblemente, las partículas sólidas son partículas de grafito, nitruro de boro o disulfuro de molibdeno hexagonal. Lo más preferiblemente, las partículas sólidas son grafito.

El fluido puede ser una suspensión, preferiblemente en el intervalo de tamaño de partícula de 11 |im a 1000 |im. La suspensión es preferiblemente una suspensión acuosa.

Los beneficios y las capacidades de este tipo general de aparato se han dado a conocer en la solicitud de patente del Reino Unido en tramitación junto con la presente GB15181.5. Se ha descubierto que este aparato permite la deslaminación de grafito y materiales laminares similares a presiones y niveles de energía inferiores a los requeridos por un microfluidizador. Esto tiene la ventaja adicional de que se reduce la acumulación de calor durante el procedimiento.

Una disposición (sustancialmente) perpendicular y dentro de una banda estrecha de movimiento mediado neumáticamente, con espaciado anular, es altamente beneficiosa para proporcionar un producto consistente. Por tanto, sustancialmente perpendicular abarca como máximo un desplazamiento de 10°, preferiblemente no más de 1°, y lo más preferiblemente no más de 0,1°. Tal desplazamiento puede ser cónico.

Sin embargo, puede que no se obtenga una calidad constante del producto después de un uso prolongado, que a veces no supera algunas horas. Tal como puede observarse en un ejemplo exagerado en la figura 6, un punto débil en el cabezal de impacto puede dar lugar a una erosión localizada y el espacio anular puede volverse desigual, dando lugar a un canal localizado de mayores dimensiones, que luego puede desgastarse hasta el punto mostrado en la figura 1, tiempo durante el cual la calidad del producto disminuye rápidamente a medida que se reduce la cantidad de suspensión sometida al régimen de cizalladura/impacto requerido del aparato, así como la caída de presión a través del cabezal de impacto.

Se ha descubierto que proporcionar un cabezal de impacto que sea simétrico alrededor de un eje longitudinal que esté en línea con el eje principal adecuado para transportar dicho fluido supera el problema del desgaste selectivo. La forma preferida de simetría se expresa como una geometría cilíndrica y/o (tronco)cónica. Algunas porciones del cabezal pueden ser asimétricas para acoplar un árbol mecánico para controlar la rotación, siempre que exista simetría en la medida necesaria para permitir la rotación del cabezal de impacto en el aparato.

Parece ser que tener un cabezal simétrico, cuya simetría es tal que permite la rotación del cabezal en el aparato, permite un grado de rotación y esto sirve para equilibrar el desgaste. Esto resulta sorprendente, ya que, a primera vista, un cabezal rotatorio debería rotar para proporcionar el tamaño máximo de apertura con el fin de aliviar la presión entrante, lo que por tanto agravaría el desgaste localizado. Sin embargo, sin desear limitarse a la teoría, se especula que el alto grado de turbulencia en este aparato da lugar a fuerzas no lineales y se combina, tal vez, con la vibración, lo que significa que las fuerzas que dan lugar a la rotación del cabezal pueden ser mayores que las que lo orientarían preferiblemente para proporcionar el mayor espacio.

Los efectos de esta capacidad de rotación, que surge de la simetría del cabezal de impacto en relación con el fluido entrante, pueden observarse con un cabezal de reemplazo que se hace funcionar durante un período de tiempo similar, tal como se observa en la figura 7. En este caso, hay cierta evidencia de desgaste localizado en un lapso de alrededor de 50°, tal como se muestra mediante el color más claro, pero esto no alcanza en modo alguno el grado mostrado en la figura 1 en la que se entiende que el desgaste localizado se amplió rápidamente para proporcionar la muesca mostrada.

El cabezal de impacto del aparato puede rotar libremente alrededor del eje principal. Se ha demostrado que esto es efectivo, tal como se mencionó anteriormente.

Al diseñar el aparato, el cabezal de impacto se asienta en un alojamiento (no mostrado para mayor claridad en los diagramas esquemáticos). El ajuste del cabezal en el alojamiento lo determinará el experto de forma que permita la rotación pero también dé estabilidad dimensional, para así, por ejemplo, detener una rotación asimétrica que puede ser destructiva a las altas presiones implicadas. De manera similar, grandes tolerancias de ajuste pueden permitir una rotación excesivamente rápida y dar lugar a un desgaste lateral del cabezal de impacto y la fuga y pérdida de ajuste consiguientes. El término “ajuste” se usa en este caso en el sentido técnico de la palabra. En concreto, las normas ISO son las normas aceptadas internacionalmente para definir ajustes de ingeniería, pero en Norteamérica se utilizan las normas ANSI.

Las normas ISO y ANSI agrupan los ajustes en tres categorías: holgura, transición e interferencia. Dentro de cada categoría hay varios códigos para definir los límites de tamaño del orificio o del eje, cuya combinación determina el tipo de ajuste. El ajuste se selecciona en la etapa de diseño en función de si las piezas acopladas deben estar ubicadas con precisión, ser libres para deslizarse o rotar, separarse fácilmente o resistir la separación. En el presente caso, el ajuste del cabezal de impacto y del alojamiento se encuentra dentro de la categoría de libre para deslizarse o rotar de los ajustes con holgura. Esto permite al ingeniero de diseño elegir las tolerancias adecuadas para cualquier combinación de materiales determinada. Como guía, los ajustes con holgura preferidos son:

Ajuste con holgura de funcionamiento fácil: holgura moderada con requisitos mínimos de precisión, por ejemplo, altas velocidades de funcionamiento, norma ISO 286-2 H9/e9

Ajuste con holgura de funcionamiento estrecho: holguras pequeñas con requisitos moderados de precisión, por ejemplo, velocidades de funcionamiento moderadas, norma ISO 286-2 H8/f7

Ajuste con holgura deslizante: holguras mínimas para requisitos de alta precisión, que puede montarse fácilmente y girará y se deslizará libremente, norma ISO 286-2 H7/g6

Ajuste con holgura de ubicación: holguras muy estrechas para requisitos de precisión precisa, que puede montarse sin forzar y girará y se deslizará con lubricación, norma ISO 286-2 H7/h6.

En la práctica, se ha encontrado que se prefieren el deslizamiento y la ubicación ya que las grandes fuerzas presentes a la presión requerida de más de 1 MPa y el espacio requerido de entre 500 |im y 1 |im en la presente invención permiten que se ejerza suficiente fuerza de rotación por turbulencia al tiempo que se mantiene el espacio particularmente cuando se utilizan estas tolerancias. En caso de duda se prefiere la tolerancia ISO “H”. La consideración práctica anterior distingue al aparato de tecnologías como las que se encuentran en el documento WO 2004/052567, donde hay espacios de un tamaño del orden de mm.

La cara de impacto del cabezal de impacto es preferiblemente simétrica. Esto es preferible porque la asimetría, como la que se utiliza para impulsar la rotación del cabezal de impacto y, por tanto, equilibrar más fácilmente el desgaste, no se ha encontrado que sea beneficiosa, ya que en la práctica realmente se produce un punto de desgaste localizado (tal como si la muesca está presente) o si se configura para inducir la rotación, las altas presiones del dispositivo originan tal grado de rotación que pueden producirse giros, vibración y desgaste del orificio en el que está ubicado el cabezal de impacto. En particular, parece que si bien un cabezal de impacto perfectamente simétrico ubicado de manera superficial ubicado con un ajuste con holgura en un alojamiento no debería rotar, en la práctica sí se produce rotación probablemente debido a la turbulencia en el flujo de fluido y/o la vibración de los equipos. Esta rotación inducida se encuentra preferiblemente en el orden de 0,05 a 50 rotaciones por minuto (rpm). Preferiblemente de 0,1 a 10 rpm. Para lograr esto, es posible que se requiera algo de prueba y error para cualquiera instalación determinada, pero no más que probar un intervalo estrecho de ajustes a una presión dada para un material laminar a granel determinado.

No obstante, también se contempla que el cabezal de impacto (16) del aparato esté configurado para poder rotar alrededor del eje principal según lo restringido por un mecanismo. El mecanismo puede ser, por ejemplo, un árbol con un régimen de accionamiento, como en los intervalos mencionados anteriormente. Aunque esto no es lo preferible ya que da lugar a una complejidad adicional y puede ser difícil de implementar dadas las fuerzas y presiones implicadas. No obstante, es un mecanismo para evitar el enfoque de prueba y error mencionado anteriormente y así permitir el uso de una variedad más amplia de materias primas y presiones para una configuración dada de los equipos.

En resumen, el cabezal de impacto del aparato de la presente invención puede rotar durante su uso. El experto interpretará este término en el sentido de que bajo las fuerzas de funcionamiento puede producirse rotación. Esto no significa que el cabezal necesariamente girará de manera libre ni que podrá moverse con la mano o incluso con herramientas simples, tal como cuando no está en funcionamiento, ya que las holguras de las partes, tal como el cabezal de impacto en el orificio del dispositivo que puede recibirlo, son estrechas. En el caso de que para un cabezal de impacto dado en la configuración del alojamiento haya una fuga entre el cabezal y el alojamiento, puede utilizarse un sello de junta tórica para evitarlo.

El cabezal de impacto de la presente invención puede combinarse con un mecanismo de ajuste neumático de tal manera que el espacio en el aparato varíe dependiendo de la presión ejercida por el fluido entrante durante el uso. Esto es ventajoso ya que además de un movimiento de rotación también puede producirse un movimiento axial para permitir la eliminación de cualquier bloqueo en el espacio.

El cabezal de impacto puede comprender materiales de ingeniería normales, tales como el acero. Esto no es sorprendente, ya que todas las divulgaciones de la técnica anterior utilizan aparatos de acero o de acero inoxidable, dado que el grafito y el grafeno son buenos lubricantes. En particular, el grafito tiene una dureza (Mohs) de 1-2 y una dureza (Vickers) de VHN10=7-11 kg/mm2, esto en comparación con un acero convencional de dureza (Mohs) 4-4,5 y para acero de alta velocidad VHN10=7-11 kg/mm2. Sin embargo, se ha descubierto sorprendentemente que los materiales de cabezal de impacto más duros proporcionan un rendimiento potencialmente mayor. Sin querer limitarse a la teoría, se cree que la elasticidad del cabezal de impacto es menor para materiales más duros y, por tanto, la exfoliación se hace más eficiente. Sin embargo, el cromo con una dureza (Mohs) de 8,5 no es necesariamente mejor que el acero (para el cual el desgaste y la abrasión con grafito de calidad no han supuesto un problema), mientras que el grupo de alúmina, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, carburo de silicio, nitruro de boro y diamante son los preferidos. En particular, el diamante es el más preferido. Sin querer limitarse a la teoría, parecería que la energía de interacción entre el diamante y el grafito, siendo ambos materiales naturalmente de carbono, es la más baja, pero la diferencia en la estructura cristalina del diamante y el grafito da lugar a la dureza necesaria.

Se ha descubierto que el aparato de la presente invención es más eficaz cuando se enfría el cabezal de impacto. No está del todo claro por qué ocurre esto, ya que la viscosidad del fluido debería ser mayor a baja temperatura. El aparato de la presente invención comprende preferiblemente un cabezal de impacto enfriado. El aparato está configurado preferiblemente para permitir que el cabezal de impacto, a un caudal mayor de 1000 l/h, se mantenga a una temperatura menor de 50 °C, preferiblemente menor 25 °C y, lo más preferiblemente menor de 10 °C. Se ha descubierto que el enfriamiento superficial más eficiente del cabezal de impacto se obtiene utilizando un cabezal de impacto de diamante.

En un segundo aspecto, la presente invención abarca el uso del aparato descrito en el presente documento para la producción de grafeno y materiales laminares a escala atómica similares mediante la deslaminación de un material laminar a granel, tal como grafito.

Descripción específica

El aparato de la presente invención se ilustrará ahora por medio de las siguientes figuras en las que:

la figura 1 muestra una vista esquemática de la trayectoria de fluido a través del aparato de la presente invención e ilustra los componentes centrales;

la figura 2 muestra una vista esquemática en sección transversal de una primera disposición de componentes centrales del aparato de la presente invención;

la figura 3 muestra una vista esquemática en sección transversal de una segunda disposición de componentes centrales del aparato de la presente invención;

la figura 4 muestra una vista esquemática en sección transversal de una segunda disposición de componentes centrales del aparato de la presente invención;

la figura 5 muestra una vista esquemática de un sistema o aparato de la presente invención que comprende los componentes centrales conjuntamente con componentes auxiliares para proporcionar un sistema de procesamiento óptimo para realizar el método de la presente invención.

La figura 6 muestra un cabezal de impacto que ha sufrido daños por el uso durante un periodo prolongado y que tuvo restricción de rotación.

La figura 7 muestra un cabezal de impacto que ha sufrido desgaste mínimo por el uso durante un periodo prolongado y que no tuvo restricción de rotación.

Los diagramas proporcionan las siguientes características:

10 conjunto de componentes centrales;

12 volumen/conducto de fluido;

14 entrada al conducto de fluido en un punto distal con respecto al cabezal de impacto;

16 conjunto de cabezal de impacto;

18 cara opcional (cara de impacto) del conjunto de cabezal de impacto;

20 anillo;

202 anillo troncocónico;

204 anillo exterior;

22 estructura de soporte;

24 salida del conducto de fluido proximal al cabezal de impacto/extremo proximal del conducto;

242 extremo proximal del conducto, forma alternativa;

26 elemento envolvente de cabezal de impacto;

28 cara del cabezal de impacto;

32 conducto/tubería; (cuando es la línea inferior en la figura 5)

100 sistema o aparato (extendido) de la presente invención;

110 recipiente de material de partida;

112 bomba de alta presión;

114 válvula;

124 válvula de caída de presión;

116 recipiente de producto terminado;

118 refrigerador/enfriador.

Haciendo referencia a las figuras 1 a 4, en uso, el aparato de la presente invención bombea fluido desde una bomba 112 a través de un conducto 32 en forma de tubería que termina como parte del conjunto central 10. El conjunto central 10 tiene un extremo proximal 24 de la tubería 32 en el que el fluido en el volumen del conducto 12 sale del conducto bajo presión para impactar contra el cabezal de impacto 16; que puede tener una cara de un material endurecido 18. Cuando el fluido impacta contra la cara del cabezal de impacto, entonces se desplaza a través del anillo 20 definido entre la cara del cabezal de impacto 28 y el extremo proximal del conducto 24 antes de salir de los componentes centrales, para recircularse o recuperarse como producto terminado. En la figura particular, se proporciona un elemento envolvente de cabezal de impacto 26 adicional con el fin de extender la región en la que está restringido el fluido antes de salir de los componentes centrales en uso. El cabezal de impacto 16 del aparato está configurado para poder moverse preferiblemente en relación con el extremo proximal del conducto 24 y de esta manera puede lograrse la definición de un espacio anular 20 óptimo.

En la figura 3, el extremo proximal del conducto 242 tiene una cara biselada internamente, de manera que en uso, el fluido que se transfiere desde el volumen del conducto 12 a través de los componentes centrales se acelera en el anillo (que ahora es troncocónico) hasta que se llega a un punto de pinzamiento que proporciona una cizalladura máxima.

En la figura 4, el extremo proximal del conducto 24 no hace tope contra el elemento envolvente de cabezal de impacto y proporciona una región anular exterior 204 en la que puede producirse un flujo turbulento para un mejor procesamiento. La región anular exterior 204 se presenta en la figura 3 conjuntamente con la cara biselada internamente, pero la figura 3 puede proporcionarse sin la región 204.

Haciendo referencia a la figura 5, un sistema de procesamiento de la presente invención comprende componentes centrales 10 tal como se describió anteriormente. El sistema está configurado de modo que la materia prima se proporcione en el recipiente 110 y se bombee a través de la bomba de alta presión 112 hacia el conducto 12/32 hacia los componentes centrales 10, y en particular el cabezal de impacto 16, antes de salir a la válvula de caída de presión 124 opcional para proporcionar contrapresión a los componentes centrales para un procesamiento mejorado. El sistema está configurado además de modo que el fluido pase entonces a través de la válvula de control direccional 114 o bien como producto terminado al recipiente de producto 116 o bien que se recircule a través del refrigerador 118 antes de entrar en la bomba de alta presión 112 para la recirculación opcional.

Experimental

Un aparato de la presente invención que comprende una prebomba con impulsor de 3 kW a una salida de 400 kPa alimenta una bomba principal de pistones múltiples de 30 kW que bombea una suspensión de grafito con un tamaño de partícula promedio de 20 |im y 100 g/l de partículas sólidas de grafito a una presión de 60 MPa (+/- 1 Pa) y un caudal de 1200 l/h a lo largo de un conducto de fluido que tiene un cabezal de impacto cilíndrico en su eje principal, que tiene una cara de impacto de extremo perpendicular a dicho eje principal. El cilindro tiene 15 mm de diámetro y 25 mm de longitud y está colocado en el orificio correspondiente de un alojamiento (que es un cilindro de 20 cm de longitud), alojando el orificio 15 mm del cabezal de impacto cilíndrico. El espacio se establece en 5 |im. La suspensión está inicialmente a una temperatura de 20 °C y se mantiene a una temperatura de 30 °C mediante enfriamiento antes de recircularla nuevamente al aparato. El circuito de recirculación tiene una capacidad de 500 litros. La base del cabezal de impacto cilíndrico (la cara alejada de la cara de impacto) está soportada por el alojamiento. El cabezal de impacto está ubicado en el alojamiento según la norma ISO 286-2 H7. El cabezal está grabado ligeramente con una marca en el lateral del cilindro y éste está alineada con una marca similar en el alojamiento. Se hizo funcionar la máquina durante 15 minutos. Lo anterior corresponde a las series 1 y 4. El experimento se repitió con una suspensión nueva y el cabezal se selló en su lugar con un adhesivo epoxídico para detener la rotación y llenar la holgura según la norma ISO 286-2 H7, alineándose de nuevo las marcas. Estas son las series 2 y 3.

Resultados

Se cree que el cabezal rotatorio sirve para detener la acumulación de bloqueos al romper y desalojar el material antes de que se cree una contrapresión significativa. El bloqueo también se evidenció indirectamente al observar el residuo en el aparato cuando fue desmontó. Si bien el bloqueo podría evitarse utilizando un material de partida más fino, esto requeriría una serie de preprocesamiento para reducir el tamaño de la materia prima y convertir un procedimiento continuo en un procedimiento discontinuo menos eficiente. También podría usarse un espacio más grande, lo cual daría lugar a un tiempo de procesamiento mucho más largo, ya que los equipos funcionarían en dos etapas de tamaño de espacio. El grado de las rotaciones no se conoce a partir de lo anterior. Sin embargo, a partir de otros experimentos se infirió una velocidad de rotación del orden de 10 rpm en una secuencia de serieinspección-serie, etc. La serie 5, en cualquier caso, es equivalente a la serie 1. El producto de las series 1 y 4 comprendía grafeno.

La presente invención proporciona un aparato más resistente al bloqueo cuando se usa con un sólido suspendido que puede experimentar deslaminación. Es probable que un sólido que no sea laminar no se rompa tan fácilmente con un cabezal rotatorio.

Las presiones en el presente documento son presiones superiores a la presión atmosférica. Las temperaturas en el presente documento son de 20 °C a menos que se indique lo contrario.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un aparato para la producción de grafeno y materiales laminares a escala atómica similares mediante la deslaminación de un material laminar a granel; comprendiendo el aparato:

   una bomba principal (112) adecuada para bombear un fluido, siendo el fluido una suspensión de partículas sólidas del material laminar a granel, a una presión mayor de 1 MPa, hacia y en comunicación de fluido con; componentes centrales (10), comprendiendo los componentes centrales:

   un conducto de fluido (12) que tiene un eje principal adecuado para transportar dicho fluido, en el que el conducto de fluido está dispuesto para dirigir fluido a dicha presión desde ese conducto contra;

   un cabezal de impacto (16) que tiene una cara de impacto perpendicular o sustancialmente perpendicular a dicho eje principal; estando dispuestos el cabezal de impacto y el conducto de modo que resulta un espacio anular (20) de entre 500 |im y 1 |im entre un extremo del conducto próximo al cabezal de impacto y el cabezal de impacto, en el que el espacio forma una región continua que rodea el extremo del conducto y que es sustancialmente coplanaria con el cabezal de impacto; y

   un elemento envolvente de cabezal de impacto (26) que extiende la región en la que está restringido el fluido antes de salir de los componentes centrales, en el que,

   el cabezal de impacto es simétrico alrededor de un eje longitudinal que está en línea con el eje principal y de manera que la simetría permite la rotación del cabezal;

   comprendiendo además el aparato una válvula de caída de presión (124) aguas abajo del cabezal de impacto (16) para proporcionar contrapresión.
2. 2. El aparato según la reivindicación 1, en el que la disposición entre la cara de cabezal de impacto y el eje principal es de 1° o menos con respecto a la perpendicular al eje principal.
3. 3. El aparato según cualquier reivindicación anterior, en el que el cabezal de impacto (16) del aparato puede moverse a lo largo del eje principal en relación con el extremo proximal del conducto (24) para ajustar el espacio anular (20).
4. 4. El aparato según cualquier reivindicación anterior, en el que el cabezal de impacto (16) del aparato puede rotar libremente alrededor del eje principal.
5. 5. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el cabezal de impacto (16) del aparato está configurado para poder rotar alrededor del eje principal según lo restringido por un mecanismo.
6. 6. El aparato según cualquier reivindicación anterior, en el que el cabezal de impacto (16) del aparato está configurado para, en uso, poder rotar a una velocidad de entre 0,01 y 50 rpm.
7. 7. El aparato según cualquier reivindicación anterior, en el que el cabezal de impacto (16) del aparato está ubicado en un alojamiento y el ajuste de holgura lateral entre un orificio del alojamiento que aloja el cabezal de impacto y la pared lateral del cabezal de impacto es tal como se define por la norma ISO 286-2 H6 a H9.
8. 8. Un método para la exfoliación de materiales laminares para producir materiales laminares a escala atómica mediante la deslaminación de material a granel; comprendiendo el método las etapas de: proporcionar el aparato descrito en la reivindicación 1 y; hacer pasar a través del aparato una suspensión de material laminar en un líquido a una presión mayor de 1 MPa en el cabezal de impacto.
9. 9. El aparato o método según cualquier reivindicación anterior, en el que el fluido que sale de los componentes centrales se recicla de nuevo o está configurado en uso para reciclarse nuevamente a la entrada de la bomba principal.
10. 10. El uso del aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, para la producción de grafeno y materiales laminares a escala atómica similares mediante la deslaminación de un material laminar a granel.