CN108211846A - 一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及泡沫铝复合材料，具体涉及一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，所述复合搅拌桨的搅拌桨叶包括若干泡沫铝层及相邻泡沫铝层之间设置的石墨烯层，各泡沫铝层通过轧制成型为一体结构；其中，所述泡沫铝层的厚度与石墨烯层的厚度之比为1：(0.01～0.05)；本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其搅拌桨叶通过石墨烯与泡沫铝材料的复合而成，在确保搅拌桨叶轻质的同时，提高了其结构强度，使其适用于高粘度液体的混合及降低了混料的能耗；通过搅拌桨叶的布置，极大的提高了待搅拌料的混合效率，缩短了混料时间，间接的节省了混料能耗。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫铝复合材料，具体涉及一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨。
背景技术
搅拌桨通常用于液液混合、固液悬浮、气液或液液分散。按照浆叶对流体作用时所产生得流动型态来分，可将浆叶分为两种类型：轴流式浆叶和径流式浆叶。浆叶的转速直接影响到混合的效率及混合的效果，若浆叶的强度质量不过关，则无法实现高转速的搅拌效果，为了节省能耗及满足高粘度液体搅拌的需求，可以考虑采用降低搅拌桨叶重量的方法。
泡沫铝是由基体金属和占体积70％以上的气孔所组成的非均匀材料，其具有诸多独特的性能。泡沫铝根据孔的连通性可分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝。闭孔泡沫铝具有比重小，比刚度大、比表面积大、减震性能好、隔音效果好、电磁屏蔽性能高等一系列优良性能，在建筑、机械、交通运输、航空航天和国防工业有着广泛的应用。鉴于泡沫铝中存在的孔隙结构可视为金属中的缺陷，因此，相对于密实多晶体结构的纯金属或合金而言，泡沫铝的力学性能降低较为明显。泡沫铝的力学性能主要由其密度决定，但孔的尺寸、结构与分布同样是决定力学性能的重要参数，泡沫铝的杨氏模量与剪切模量都随密度的增加而增加，而为了保持在低密度下良好的强度，需要对其进行增强。
采用泡沫铝增强材料作为搅拌桨叶的选材，即可同时满足强度及低密度的要求，确保搅拌桨叶高强度的同时，降低搅拌桨叶的重量，降低能耗及适用于高粘度液体搅拌的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，提高泡沫铝材料的强度，确保搅拌桨叶适用于高速旋转或搅动高粘度液体。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，所述复合搅拌桨的搅拌桨叶包括若干泡沫铝层及相邻泡沫铝层之间设置的石墨烯层，各泡沫铝层通过轧制成型为一体结构；
其中，所述泡沫铝层的厚度与石墨烯层的厚度之比为1：(0.01～0.05)。
石墨烯是由一层碳原子组成的平面碳纳米材料，是目前已知的最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六方的晶格组成。石墨烯中的碳原子之间由σ键连接，赋予了石墨烯极其优异的力学性能和结构刚性，被广泛应用于复合材料的增强领域。本发明通过在多层泡沫铝层中设置石墨烯层，提高了搅拌桨叶的结构强度，在确保其具有低密度低重量的同时，确保搅拌桨叶具有足够的强度，以适用于高粘度液体的搅拌需求，同时降低搅拌的动力损耗。
作为优选的，所述的搅拌桨叶包括两层泡沫铝层及设置在泡沫铝层之间的石墨烯层，两泡沫铝层通过轧制成型为一体结构。
作为优选的，所述的石墨烯层为石墨烯浆料喷涂而成，所述的石墨烯浆料为粒径在300～1000目的石墨烯粉加入溶剂混合而成。
所述的石墨烯在使用时先复配为浆料，具体的，采用与铝不发生反应的有机溶剂作为石墨烯的载体，所述的有机溶剂可以选自乙醇、乙二醇、丙三醇、异丙醇、丁醇、丙酮、丁酮、环己烷、庚烷、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、N甲基吡咯烷酮中的一种或一种以上按任意比例的组合。
为了使石墨烯更均匀的分散在有机溶剂中，先将石墨烯与分散剂混合，所述的分散剂选自纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚山梨酯、聚乙二醇、聚丙二醇、烷基醇酰胺中的一种，该分散剂的加入量为有机溶剂的0.1～0.5wt％，采用球磨、超声、研磨、高速剪切等分散工艺对石墨烯进行分散。
作为优选的，所述的石墨烯层的石墨烯为机械剥离石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯中的一种，所用的石墨烯的层数在20～80层。
作为优选的，所述石墨烯浆料中的石墨稀含量为0.2～2mg/mL。
本发明中，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与分散剂混合后加入到有机溶剂中形成石墨烯浆料；
(2)对泡沫铝板进行表面酸化处理，去除表面的氧化层；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体预热，然后经轧机轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
上述成型步骤(2)中，酸化处理的目的在于去除泡沫铝表层的氧化层，提高石墨烯与泡沫铝的结合强度，本发明对酸液的具体种类不做特殊的要求，可以去除表层的氧化层即可，具体的，所述酸化处理用酸液可以为盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、磷酸中的任意一种，所述酸的浓度为0.1wt％～10wt％。
在完成酸化处理后，需要进行烘干处理，为了避免泡沫铝的氧化，在真空条件下进行烘干处理，烘烤的温度为100～200℃，烘烤时间为20～30min，烘烤的真空度为0.01～0.1mbar。
上述成型步骤(4)中，石墨烯/泡沫铝复合体的预热温度为300～550℃，预热时间为1-2h，轧制压力为200～600Mpa。
本发明所述的复合搅拌桨的搅拌桨叶，沿中心轴布置有两层，每层搅拌桨叶为四叶斜向布置，且相间隔的搅拌桨叶的倾斜方向一致，在搅拌的过程中，待搅拌料分别自相邻的搅拌桨叶的上方及下方流过，实现了待搅拌料在纵向上的扰动，提高了待搅拌料的混合效率。
进一步的，上下两层的搅拌桨叶呈交错式布置。如此，待搅拌料在纵向上成波浪式移动，进一步的提高了待搅拌料的混合效果。
本发明提供的搅拌桨叶的布置方式，相对于现有技术中的搅拌浆叶的布置方式，有效的提高了待搅拌料的混合效率，节省了混料能耗。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其搅拌桨叶通过石墨烯与泡沫铝材料的复合而成，在确保搅拌桨叶轻质的同时，提高了其结构强度，使其适用于高粘度液体的混合及降低了混料的能耗；
2、本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，通过搅拌桨叶的布置，极大的提高了待搅拌料的混合效率，缩短了混料时间，间接的节省了混料能耗。
附图说明
图1为本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨的示意图；
图2、3为搅拌桨叶的剖视图；
图中标号说明：1-泡沫铝层，2-石墨烯层，10-中心轴，101-安装孔，11-第一搅拌桨叶，12-第二搅拌桨叶，13-第三搅拌桨叶，14-第四搅拌桨叶。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐明本发明。
结合图1所示，本发明提供了一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，包括中心轴10，中心轴10上设有沿其轴长方向布置的安装孔101供动力单元的输出轴安装固定，中心轴10的周向上间隔设有四个斜向布置的搅拌浆叶，依次为第一、第二、第三、第四搅拌叶11、12、13、14，间隔的第一、第三搅拌桨叶11、13的倾斜方向一致，第二、第四搅拌桨叶12、14的倾斜方向一致，该四叶式搅拌桨叶布置有两层，且上下两层的搅拌桨叶呈交错式布置，即以俯视的图看，位于下层的搅拌桨叶皆位于上层搅拌桨叶的间隔处。
如图2为本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨的搅拌桨叶的剖视图，其包括两层泡沫铝层1及设置在泡沫铝层1之间的石墨烯层2。
如图3为本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨的搅拌桨叶的剖视图，其包括三层泡沫铝层1及设置在相邻的泡沫铝层1之间的石墨烯层2。
以下通过具体的实施例阐明本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨具有的优点：
实施例1
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与纤维素混合后加入到乙醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为1.1mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.3wt％；
(2)利用盐酸(浓度为5wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为180℃，烘烤时间为25min，烘烤的真空度为0.05mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在400℃条件下预热1.5h，然后经轧机在450Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例2
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与甲基纤维素混合后加入到乙二醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为0.5mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.2wt％；
(2)利用盐酸(浓度为3wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为120℃，烘烤时间为28min，烘烤的真空度为0.02mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在350℃条件下预热1.2h，然后经轧机在300Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例3
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与羟甲基纤维素混合后加入到异丙醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为1.8mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.4wt％；
(2)利用盐酸(浓度为0.1wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为180℃，烘烤时间为22min，烘烤的真空度为0.08mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在500℃条件下预热2h，然后经轧机在500Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例4
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与聚丙烯酸混合后加入到丁醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为0.2mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.1wt％；
(2)利用盐酸(浓度为10wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为100℃，烘烤时间为30min，烘烤的真空度为0.01mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在300℃条件下预热2h，然后经轧机在200Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例5
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与纤维素混合后加入到丁酮中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为2mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.5wt％；
(2)利用盐酸(浓度为8wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为200℃，烘烤时间为20min，烘烤的真空度为0.1mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在550℃条件下预热1h，然后经轧机在200Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例6
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图3所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与纤维素混合后加入到乙醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为1.1mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.3wt％；
(2)利用盐酸(浓度为5wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为180℃，烘烤时间为25min，烘烤的真空度为0.05mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上，然后继续在该泡沫铝板上喷涂0.1mm厚的石墨烯浆料，并继续将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在400℃条件下预热1.5h，然后经轧机在450Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例7
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与纤维素混合后加入到乙醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为1.1mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.3wt％；
(2)利用盐酸(浓度为5wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为180℃，烘烤时间为25min，烘烤的真空度为0.05mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.05mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在400℃条件下预热1.5h，然后经轧机在450Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
实施例8
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶的结构如图2所示，具体的，该搅拌桨叶的成型包括以下步骤：
(1)将石墨烯与纤维素混合后加入到乙醇中形成石墨烯浆料，该石墨烯在石墨烯浆料中的含量为1.1mg/mL，分散剂的加入量为有机溶剂的0.3wt％；
(2)利用盐酸(浓度为5wt％)对5mm厚的泡沫铝板(购自四川元泰达新材料股份有限公司生产的泡沫铝板，比重为0.53g/cm3)进行表面酸化处理，去除表面的氧化层，然后在真空条件下进行烘干处理，烘烤条件为：烘烤的温度为180℃，烘烤时间为25min，烘烤的真空度为0.05mbar；
(3)向步骤(2)的泡沫铝板表面喷涂0.25mm厚的石墨烯浆料，然后将另一经表面酸化处理的泡沫铝板贴合到该喷涂有石墨烯浆料的泡沫铝板上；
(4)将石墨烯/泡沫铝复合体在400℃条件下预热1.5h，然后经轧机在450Mpa的压力下轧制成型获得最终的复合搅拌桨叶。
对比例1
一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其结构如图1所示，其搅拌桨叶采用如实施例1中的两层泡沫铝板直接轧制而成，轧制的条件与实施例1的操作条件一致，在450Mpa的压力下轧制成型。
根据GB/T 9341-2000的标准对上述实施例中得到的搅拌桨叶进行弯曲强度的测试，并将测试结果记录到表1中。
表1：
通过上述测试数据可以看出，本发明提供的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨的搅拌桨叶具有优异的弯曲强度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其特征在于：所述复合搅拌桨的搅拌桨叶包括若干泡沫铝层及相邻泡沫铝层之间设置的石墨烯层，各泡沫铝层通过轧制成型为一体结构；
其中，所述泡沫铝层的厚度与石墨烯层的厚度之比为1：(0.01～0.05)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，所述的搅拌桨叶包括两层泡沫铝层及设置在泡沫铝层之间的石墨烯层，两泡沫铝层通过轧制成型为一体结构。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，所述的石墨烯层为石墨烯浆料喷涂而成，所述的石墨烯浆料为粒径在300～1000目的石墨烯粉加入溶剂混合而成。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，所述的石墨烯层的石墨烯为机械剥离石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯中的一种，所用的石墨烯的层数在20～80层。
5.根据权利要求3所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，所述石墨烯浆料中的石墨稀含量为0.2～2mg/mL。
6.根据权利要求1或2所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，所述的复合搅拌桨的搅拌桨叶布置有两层，每层搅拌桨叶为四叶斜向布置，且相间隔的搅拌桨叶的倾斜方向一致。
7.根据权利要求6所述的石墨烯泡沫铝复合搅拌桨，其中，上下两层的搅拌桨叶呈交错式布置。
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2018
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