生产蒸气生长碳纤维的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及：（１）生产蒸气生长碳的方法，包括将含有有机化合物和有机过渡金属化合物的并预先优选加热到１００－１４５℃温度的原料气体与优选加热至７００－１６００℃温度的载气进行混合，和将所形成的气体混合物引入到碳纤维生产区段中，其中优选芳族化合物和乙炔、乙烯或丁二烯的混合物用作有机化合物；（２）一种方法，在该方法中过渡金属化合物溶于溶剂，所形成的溶液被雾化成细液滴，在液滴中的溶剂蒸发以获得过渡金属化合物的精细颗粒，漂浮颗粒与有机化合物气体一起被引入该碳纤维生产区段中；（３）用于该生产方法中的装置；和（４）所生产的蒸气生长碳纤维。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过有机化合物的汽相热分解生产精细碳纤维的方法。特别地，本专利技术涉及生产蒸气生长碳纤维的方法，其中生产碳纤维的条件是均匀的，以使得所生产的纤维的外直径和类似尺寸不会很大地变化；涉及所生产的蒸气生长碳纤维；和涉及生产蒸气生长碳纤维的装置。更具体地说，本专利技术涉及通过以特定方式将过渡金属化合物的精细颗粒(在碳纤维的生产过程中用作催化剂)加入到碳纤维生产炉中来高效地生产碳纤维的方法。通过本专利技术方法生产的碳纤维在纤维直径的均匀性方面是优异的，适合作为用于复合材料(如树脂或橡胶型的复合材料)的填料、半导体材料、催化剂材料和场致发射材料。
技术介绍
蒸气生长碳纤维是通过在用作催化剂的Fe、Ni等的精细颗粒存在下有机化合物的热分解所生产。Fe、Ni等的此类精细颗粒典型地通过有机过渡金属化合物的热分解来产生。芳族化合物如苯(典型地用作碳纤维的原料)与载气如氢气一起被加入到碳纤维生产炉中。所形成的碳纤维细丝是十分细小的，因为它们在非常短的时间内在生产炉中生长。通常，蒸气生长碳纤维典型地利用这样一种方法来生产，其中有机化合物、有机过渡金属化合物和载气被直接加入到已经加热至预定温度的碳纤维生产炉中。然而，生产碳纤维的各种改进方法已经代替这一方法。例如，已经建议了一种方法，在该方法中有机过渡金属化合物在热分解区段中分解，该分解区段与碳纤维生产区段分开，所形成的分解气体被引入到碳纤维生产区段中；有机化合物的气体和载气被供应给该生产区，因此使该有机化合物发生热分解；碳纤维在用作催化剂的Fe、Ni等的精细颗粒存在下在生产区段中生长，该催化剂已经通过有机过渡金属化合物的热分解来产生(日本专利出版物(kokoku)No.6-21377)。还建议了一种方法，在该方法中已溶解了有机过渡金属化合物的有机化合物溶液在载体存在下气化，据此产生了气体混合物，其中有机过渡金属化合物与有机化合物的比例等于这些化合物在该溶液中的相应比率；和该气体混合物在高温下在加热区段中反应，据此生产出蒸气生长碳纤维(日本专利出版物(kokoku)No.4-13448(美国专利No.4,618,333))。蒸气生长碳纤维，由于它的直径小，被用作在复合材料如树脂或橡胶型复合材料中使用的填料；和用作半导体材料；催化剂材料；和场致发射材料。蒸气生长碳纤维令人想望地具有均匀的和非常小的外径。碳纤维一般是在用作催化剂的Fe、Ni等精细颗粒(即核)周围生长。因此，为了生产外径均匀的碳纤维，首先，必须形成均匀尺寸的精细颗粒。其次，在碳纤维生产条件中的变化应该在碳纤维生产区段中最大程度地减少，该生产条件包括精细颗粒的浓度，通过有机化合物分解所获得的产品的浓度，温度，和分解产物在碳纤维生产区段中的停留时间。通过有机过渡金属化合物的分解产生的过渡金属如Fe或Ni的精细颗粒随着时间推移而变大。因此，为了生产精细碳纤维，精细颗粒在碳纤维生产区段中的停留时间必须缩短，据此防止精细颗粒的生长。当精细颗粒的停留时间长时，这些颗粒可能变大和阻止碳纤维的生产。通常，因为碳纤维生产炉需要从外部施加热量来加热，所以在炉内部保持均匀的温度是困难的。特别当生产炉(反应管)的直径增加以提高碳纤维的生产能力时，提高原料气体的温度等的操作需要长的时间，并且在炉内部的温度将倾向于在一部分与另一部分不同。由上述出版物、日本专利出版物(kokoku)No.6-21377和4-13448(美国专利No.4,618,333)建议的措施仍然需要一些改进。因此，本专利技术的第一个目的在于利用一种方法获得具有基本均匀外径的碳纤维，在该方法中原料气体与已经加热至高温的载气混合，并将所形成的气体混合物供应给碳纤维生产炉(碳纤维生产区段)，据此，升高炉内原料气体的温度所需要的时间以及原料气体在炉中的停留时间都得以缩短，并在炉中获得均匀的碳纤维生产条件。如上所述，通过在用作催化剂的过渡金属如Fe或Ni的精细颗粒的存在下进行有机化合物的热分解来生产蒸气生长碳纤维。碳纤维的形成机理如下由有机化合物热分解产生的碳沉积在过渡金属的精细颗粒周围，和通过所形成的碳原子网络的延伸来形成碳纤维。因此，为了生产精细碳纤维，精细颗粒的尺寸必须减小。精细碳纤维的生产可以通过缩短生长时间并同时使用过渡金属的非常细的颗粒来实现。蒸气生长碳纤维作为导电性填料或导热性填料用于合成树脂、漆、锂电池等等。此外，蒸气生长碳纤维连同其它材料一起用于燃料电池、二次电池、电容器等的电极材料；和场致发射显示器(FED)的电子发射材料。希望用于此类材料中的蒸气生长碳纤维具有非常小的直径。通常，已经建议了使得过渡金属的精细颗粒存在于碳纤维生产炉(反应炉)中的各种方法。例如，已经建议了一种方法，其中过渡金属化合物预先热分解而获得过渡金属的精细颗粒，并使得所形成的精细颗粒存在于反应炉中(日本专利出版物(kokoku)No.58-22571)。还建议了一种方法，其中具有比热分解温度更低的蒸发温度(气化温度)的有机过渡金属化合物(如二茂铁)被气化和输入到反应炉中，气化的化合物在炉中热分解，因此产生过渡金属的精细颗粒(日本专利出版物(kokoku)No.62-49363(美国专利No.4,572 813))。还建议了一种方法，其中过渡金属化合物溶于溶剂中，所形成的溶液被喷入反应炉中，该化合物在反应炉中分解，因此产生过渡金属的精细颗粒(日本专利No.2778434)。过渡金属的非常精细的颗粒难以通过上述传统方法获得。通过粉碎所获得的过渡金属的精细颗粒的尺寸有着它的最小化的限制，而且颗粒倾向于聚集而形成二级粒子，即该颗粒尺寸增大。同时，即使当通过有机过渡金属化合物如二茂铁的气化和热分解获得过渡金属的精细颗粒时，所形成的颗粒倾向于在热分解温度范围内聚集，颗粒尺寸增大。当过渡金属化合物被气化和然后加入到反应炉中时，该化合物必须在比其热分解温度低的温度下蒸发。因此，可使用的过渡金属化合物受到限制。化合物如二茂铁满足上述要求；即蒸发温度必须低于热分解温度，但由于它的高成本而牵涉到经济性问题。当过渡金属化合物被气化和然后加入到反应炉中时，所形成颗粒的尺寸倾向于发生变化。在这种情况下，因为在假设分子状态的同时该化合物被加入到反应炉中，所以化合物的热分解容易发生，大部分化合物将在炉的进口附近热分解。所形成的金属颗粒在气体中流动的同时会发生聚集，并且变得太大而无法用作催化剂。因此，精细碳纤维的生产效率(收率)低。其中过渡金属化合物溶于溶剂中、所形成的溶液雾化成雾滴、和所产生的液滴被输入反应炉中的这种方法是有利的，这是因为通过选择合适的溶剂可以使用各种过渡金属化合物。然而，该方法牵涉到一个问题，即不能生产具有均匀直径的碳纤维，这是因为所使用的溶剂在反应炉中蒸发，和炉内部的温度无法维持均匀，这归因于溶剂的蒸发潜热的影响。因此，本专利技术的第二个目的是提供高效生产精细的蒸气生长碳纤维的方法，其中可以使用作为催化剂的各种过渡金属化合物。本专利技术的公开为了解决上述问题，本专利技术人进行了深入细致的研究。结果，本专利技术人发现，通过使已加热的载气与含有作为碳纤维原材料的有机化合物和有机过渡金属化合物的原料气体混合、并将所形成的气体混合物引入到碳纤维生产区段中可以生产出具有均匀的且没有太大变化的直径等的碳纤维，而且发现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过使用有机过渡金属化合物作为催化剂和使用有机化合物作为碳源来生产蒸气生长碳纤维的方法，其中使已加热的载气与含有作为碳源的有机化合物的原料气体或与含有有机过渡金属化合物和有机化合物的原料气体混合，和将所形成的气体混合物引入到碳纤维生产区段中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：村慎一男，坂本芳久，山本龙之，森田利夫，
申请(专利权)人：昭和电工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]