用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用其制备碳纳米管纤维的方法制造方法及图纸

技术编号:16047393 阅读:42 留言:0更新日期:2017-08-20 06:42
本发明专利技术涉及并提供了一种用于制备碳纳米管纤维的装置。所述装置包括:具有反应区的垂直反应器;由内管和外管构成的同心套管入口管,所述内管向所述反应区中注入包含纺丝溶液和第一气体的纺丝原料,所述外管形成了包围所述内管的同心环形部分并且通过所述同心环形部分向反应区中注入第二气体;用于加热所述反应区的加热器;以及布置在所述反应区的底部的碳纳米管纤维排出单元。其中,通过所述入口管的内管流入反应区的上部的纺丝原料从反应区的上部流向其下部并被碳化和石墨化,从而形成由碳纳米管的连续聚集体形成的碳纳米管纤维。通过所述入口管的外管流入反应区的上部的第二气体从反应区的上部流向其下部并形成包围碳纳米管的连续聚集体的外周的气帘。根据本发明专利技术的装置使由于反应器内壁积垢的污染最小化并且有利于制备的碳纳米管纤维的顺利排出。因此。其优选用于连续工艺。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用其制备碳纳米管纤维的方法
本申请要求于2014年10月28日提交的韩国专利申请第2014-0147158号的优选权的权益,通过引用将其全部内容并入本文。本专利技术涉及一种用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用该装置制备碳纳米管纤维的方法。
技术介绍
碳纳米管(CNT)是直径为几纳米至几十纳米以及长度为几百微米至几毫米的碳的同素异形体。自从Iijima博士于1991年在Nature上首次报道碳纳米管的合成以来,碳纳米管由于其优异的热、电以及物理性质以及高长径比,已在各个领域得到展开研究。碳纳米管的该固有特性归因于碳的sp2键合。碳纳米管比钢更强且比铝轻,并显示可与金属媲美的高导电性。取决于其具有多少壁,可将碳纳米管大体分为单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)以及多壁碳纳米管(MWNT)。取决于其对称性/手性,可将碳纳米管分为锯齿形、椅形和手性构象。目前大多数研究已针对将以粉末形式的碳纳米管的分散液(dispersion)用作复合材料的增强剂以及使用碳纳米管的分散液制备透明导电膜。在一些应用中碳纳米管已实现商业化。碳纳米管的分散液对于碳纳米管在复合材料以及透明导电膜中的应用很重要。然而,碳纳米管由于其强的范德华力导致的高内聚强度使得难以在保持其分散性的同时以高浓度分散碳纳米管。另外,在使用碳纳米管作为增强剂的复合材料中,不能充分展现碳纳米管的优异的特性。在这种情况下,近来已广泛开展将碳纳米管加工成纤维的研究以制备充分展现碳纳米管特性的碳纳米管结构。使用含有碳纳米管以及分散剂的分散液来制备碳纳米管纤维的方法主要基于凝固纺丝(coagulationspinning)、液晶纺丝(liquid-crystallinespinning)和直接纺丝(directspinning)。根据凝固纺丝,当将含碳纳米管以及分散剂的分散液引入聚合物溶液中时,分散剂从分散液移动到聚合物溶液而聚合物进入分散液取代分散剂充当粘合剂。液晶纺丝利用了碳纳米管的溶液在特定的条件下形成液晶的能力。这种方法的优点在于可以制备良好排列的碳纳米管纤维,但其缺点在于为形成碳纳米管的液晶需要非常低的纺丝速度以及苛刻的条件。根据图1中说明的直接纺丝,碳源和催化剂与载气一起通过在熔炉的顶部形成的入口被引入垂直竖立的熔炉中,碳纳米管在熔炉中合成,碳纳米管的聚集体以及载气下降到熔炉的底部,并且碳纳米管的聚集体在熔炉的内部(参见图1中的A)或外部(参见图1中的B)卷绕得到纤维。该方法在以下方面优于其他方法:可以最大20米/分钟至30米/分钟的纺丝速度大量制备碳纳米管纤维。然而,由于纤维颗粒的特性,碳纳米管纤维颗粒可能再次缠绕或聚集在一起并易于附着到熔炉壁上。因为这些原因,很难轻易排出碳纳米管纤维颗粒。也可通过气相方法制备碳纤维,在该方法中,通过将用于碳纤维的原料和催化剂喷向反应器的内壁使它们互相反应。已知的气相方法采用通过将催化剂喷向反应器的内壁而使在碳纤维的起始合成中使用的催化剂与原料反应的工艺。然而,由于催化剂在与反应器的内壁碰撞后形成,在催化剂形成的区域中或附近其流动变得非常不规则,结果是,其尺寸分布变大,使得难以制备具有窄尺寸分布的碳纤维。另外,由于通过向反应器的内壁喷射催化剂而使在碳纤维的起始合成中使用的催化剂与原料反应,所以难以制备具有均匀外径的支化碳纤维。
技术实现思路
技术问题本专利技术的一个目的是提供一种用于高效制备碳纳米管纤维的装置。本专利技术的另一目的是提供一种使用该装置制备碳纳米管纤维的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种使用该装置制备的碳纳米管纤维。技术方案本专利技术的一个方面提供一种用于制备碳纳米管纤维的装置,其包括:具有内部反应区的垂直反应器;布置在所述反应区的顶部并由内管和外管构成的同心套管入口管,其中,包含纺丝溶液和第一气体的纺丝给料通过所述内管被引入所述反应区中,所述外管限定了包围所述内管的同心环形部分并且第二气体通过所述外管被引入所述反应区中;用于加热所述反应区的加热器;以及布置在所述反应区的底部下面的排出单元以通过其排出碳纳米管纤维,其中,通过所述入口管的内管进入反应区的纺丝给料在从反应区的顶部流向底部的同时被碳化并被石墨化从而形成由碳纳米管的连续集合体(sock)(或聚集体)构成的碳纳米管纤维并且其中,通过所述入口管的外管进入反应区的第二气体在从所述反应区的顶部流向底部的同时形成包围碳纳米管纤维外周的气帘。根据一个实施方式,从入口管的外管进入的第二气体沿着反应器的内壁形成气帘使得可以物理上防止在反应区中形成的碳纳米管的连续集合体或碳纳米管纤维接近反应器的内壁。根据一个实施方式,从入口管的外管进入的第二气体在沿反应器的内壁流动时形成气帘使得可以物理除去附着到反应器内壁的催化剂。根据一个实施方式,将外管与反应区连通的环形开口可以与将内管与反应区连通的开口隔开。根据另外的实施方式,可通过位于内管与外管之间的环形热绝缘体使环形开口与内管分离。可通过改变内管与环形开口之间的距离来控制气帘以及碳纳米管的连续集合体的直径。根据一个实施方式,反应区由预热区以及加热区构成并且引入反应区的纺丝给料顺序通过所述预热区和所述加热区。根据一个实施方式,所述装置可进一步包括将纺丝溶液供应到入口管的内管的供应单元、将所述第一气体供应到入口管的内管的供应单元以及将所述第二气体供应到入口管的外管的供应单元。根据一个实施方式,可在将入口管的内管与反应区连通的开口处布置喷雾器,并且可通过所述喷雾器将进入内管的纺丝给料供应到反应区中。根据一个实施方式,可以以能在反应区中形成层流这样的线性速度供应所述第一气体,并且可以以能在反应区中形成层流这样的线性速度供应所述第二气体。根据一个实施方式,第一气体供应单元可具有以能够形成层流这样的线性速度供应所述第一气体的流量控制器,并且第二气体供应单元可具有以能够形成层流这样的线性速度供应所述第二气体的流量控制器。根据一个实施方式,纺丝溶液供应单元可包括将催化剂或催化剂前体分散在液体碳化合物中以制备纺丝溶液的混合单元,以及用于将纺丝溶液从所述混合单元供应到入口管的内管的输送泵。根据一个实施方式,第一气体以及第二气体各自可以是惰性气体、还原性气体或它们的混合气体。根据一个实施方式,从反应器释放的第一气体以及第二气体各自可通过循环线路再进入反应器中以便重新利用。所述纺丝溶液可以是催化剂或催化剂前体在液体碳化合物中的分散液(dispersion)。根据一个实施方式,所述排出单元可包括用于卷绕并收集从反应器的底部排出的碳纳米管纤维的卷绕器。根据一个实施方式,所述排出单元可具有供给惰性气体以形成包围从反应区排出的碳纳米管纤维的连续聚集体的外周的惰性气体帘的入口。本专利技术还提供使用所述装置制备碳纳米管纤维的方法。本专利技术还提供使用所述装置制备的碳纳米管纤维。有益效果在本专利技术的装置中,形成气帘以便物理上阻挡纺丝给料和最终的碳纳米管纤维接近反应器的内壁。也就是说,气帘减少了反应器内壁的污染。此外,气帘有助于碳纳米管纤维的排出,使得所述装置能够连续长期运行。预期本专利技术的碳纳米管纤维会有各种应用,包括多功能复合材料的增强剂、利用稳定和重复的压阻效应的变形/损坏传感器,需要高导电性的传输电缆,以及需要高比表面积,优异本文档来自技高网
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用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用其制备碳纳米管纤维的方法

【技术保护点】
一种用于制备碳纳米管纤维的装置,其包括:具有反应区的垂直反应器;布置在所述反应区的顶部并由内管和外管构成的同心套管入口管,其中,包含纺丝溶液和第一气体的纺丝给料通过所述内管被引入所述反应区中,所述外管限定了包围所述内管的同心环形部分并且第二气体通过所述外管被引入所述反应区中;用于加热所述反应区的加热器;以及布置在所述反应区的底部下面的排出单元以通过其排出碳纳米管纤维,其中,通过所述入口管的内管进入反应区的纺丝给料在从反应区的顶部流向底部的同时被碳化并被石墨化从而形成由碳纳米管的连续集合体构成的碳纳米管纤维,并且其中,通过所述入口管的外管进入反应区的第二气体在从反应区的顶部流向底部的同时形成包围碳纳米管的连续集合体的外周的气帘。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.28 KR 10-2014-01471581.一种用于制备碳纳米管纤维的装置,其包括:具有反应区的垂直反应器;布置在所述反应区的顶部并由内管和外管构成的同心套管入口管,其中,包含纺丝溶液和第一气体的纺丝给料通过所述内管被引入所述反应区中,所述外管限定了包围所述内管的同心环形部分并且第二气体通过所述外管被引入所述反应区中;用于加热所述反应区的加热器;以及布置在所述反应区的底部下面的排出单元以通过其排出碳纳米管纤维,其中,通过所述入口管的内管进入反应区的纺丝给料在从反应区的顶部流向底部的同时被碳化并被石墨化从而形成由碳纳米管的连续集合体构成的碳纳米管纤维,并且其中,通过所述入口管的外管进入反应区的第二气体在从反应区的顶部流向底部的同时形成包围碳纳米管的连续集合体的外周的气帘。2.根据权利要求1所述的装置,其中,从所述入口管的外管进入的第二气体沿着反应器的内壁形成气帘使得物理上防止在反应区中形成的碳纳米管的连续集合体或碳纳米管纤维接近反应器的内壁。3.根据权利要求1所述的装置,其中,从气体入口管进入的第二气体在沿着反应器的内壁流动的同时形成气帘从而物理除去附着到反应器内壁的催化剂。4.根据权利要求1所述的装置,其中,将所述外管与所述反应区连通的环形开口与所述内管隔开。5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述环形开口通过位于所述内管和所述外管之间的环形热绝缘体与将所述内管与所述反应区连通的开口分离。6.根据权利要求4所述的装置,其中,通过改变所述内管和所述环形开口之间的距离来控制所述气帘和所述碳纳米管的连续集合体的直径。7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述反应区由预热区以及加热区构成并且引入反应区的纺丝给料顺序通过所述预热区和所述加热区。8.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员:尹其茸李荣皓金知恩崔用振
申请(专利权)人:LG化学株式会社
类型:发明
国别省市:韩国,KR

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