细径碳纳米管纤维及其反应炉管、制备设备和方法技术

本发明专利技术公开了一种细径碳纳米管纤维及其反应炉管、制备设备和方法。所述反应炉管包括第一管体，形成第一管腔，第一管体包括注入段、生长段以及输出段；还包括第二管体，第二管体形成第二管腔，第二管体包括相对的第一端和第二端；第一端设置于注入段内，第二端设置于生长段内，第二管腔通过第二端的下管口与第一管腔相连通；至少与下管口相接的部分第二管体的内径沿指定方向减小。本发明专利技术极大地提升了碳纳米管纤维的连续性，同时所制得的碳纳米管纤维的直径小，取向性好，纤维结构无损伤，力学强度优异；一步法直接生长便可制得细径高强度的碳纳米管纤维，简化了制备过程，降低了制备成本，避免了使用危险和污染性的化学品。避免了使用危险和污染性的化学品。避免了使用危险和污染性的化学品。

【技术实现步骤摘要】
细径碳纳米管纤维及其反应炉管、制备设备和方法


[0001]本专利技术涉及无机碳材料制备
，尤其涉及一种细径碳纳米管纤维及其反应炉管、制备设备和方法。

技术介绍

[0002]高性能纤维普遍具有高强度、高模量、耐高温、化学稳定性突出等特点，主要应用于军工和高科技产业各个领域。在高性能纤维中，最具代表性的是碳纤维和芳纶纤维，它们强度在4
‑
6.8GPa，其单丝纤维直径在7
‑
12μm，纤维直径越小，表面或内部缺陷越少，更有利于力学强度的提升，因此，将纤维直径做的更小已然是提升纤维强度的一种有效方法。
[0003]碳纳米管纤维是由单根碳纳米管及碳纳米管束组装成的宏观纤维材料，具有优异的电学、力学、热学性能。在复合材料、电子器件等领域具有广泛应用前景。单根碳纳米管理论强度高达100GPa，是目前已知材料中强度最高的，并且实验室报道的碳纳米管束的强度也高达80Cpa，但受限于其长度只有厘米级别，仍属于实验室阶段而无法进行宏观的应用，而由于单根碳纳米管的尺度在纳米级别，也无法直接使用，必须组装成宏观碳纳米管纤维，但从微观碳纳米管到宏观碳纳米管纤维的力学性能传递较差，影响最终使用。
[0004]浮动催化气相沉积法是目前最稳定的制备碳纳米管纤维的方法。通过浮动催化法制备的碳纳米管纤维直径在30
‑
100μm之间，大量研究表明，纤维直径越小，强度越高，因此纤维直径大小极大影响着力学性能，纤维强度的提升主要依赖于纤维截面积的减小。减小碳纳米管纤维直径能够有效的降低纤维结构缺陷、增加管间范德华作用力，从而提升碳纳米管纤维力学强度。
[0005]目前，有部分研究者报道通过减小纤维截面积来增强纤维力学强度。如韩国，韩国科学技术研究所(KIST)的Jaegeun Lee等人(Nature Communications 10，2962，(2019))通过氯磺酸浸泡碳纳米管纤维，并对其进行牵伸，降低纤维内部间隙，减小纤维直径，实现碳纳米管纤维强度提升，最高强度达到4.08N/tex，但该工艺方法复杂，需对纤维进行膨胀和二次致密等步骤，并且所采用的氯磺酸属于超酸，提高了工艺难度和危险度。
[0006]J.N.Wang(J.N.Wang，et al.Nature Communications，2014，5，3845)通过辊压致密化的方法大大降低了纤维横截面积，提高了碳纳米管纤维的强度纤维最高强度达到8
‑
9GPa，但处理后纤维结构破坏，载荷下降。
[0007]上述现有技术中的制备方法均是两步法制备，即：先制备出力学性能相对较低的碳纳米管纤维，然后在利用诸如牵伸或辊压等等后处理方法对上述纤维进行后处理，其制备方法复杂，成本高昂，也有可能利用到一些具有危险性和污染性的化学品，并且上述方法也非常难以制得连续长度足够长的碳纳米管纤维，极大地限制了碳纳米管纤维的实际应用和继续研究。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种细径碳纳米管纤维及其反应炉
管、制备设备和方法。
[0009]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种用于制备细径碳纳米管纤维的反应炉管，包括第一管体，用于提供碳纳米管纤维前躯体的合成环境，所述第一管体形成第一管腔，所述第一管体包括沿指定方向依次相接的注入段、生长段以及输出段；
[0011]还包括第二管体，所述第二管体形成可供碳纳米管气凝胶通过的第二管腔，所述第二管体包括相对的第一端和第二端；
[0012]所述第一端设置于所述注入段内，所述第二端设置于所述生长段内，所述第二管腔通过设置于所述第二端的下管口与所述第一管腔相连通；
[0013]至少与所述下管口相接的部分所述第二管体的内径沿指定方向减小。
[0014]第二方面，本专利技术还提供一种细径碳纳米管纤维的制备设备，包括：
[0015]用于注入碳纳米管生长所需的载气以及反应原料的注入装置；
[0016]上述反应炉管，所述反应炉管的注入段与所述注入装置密闭连接，所述载气及反应原料在所述反应炉管的第二管腔内以及生长段内反应生成碳纳米管前驱体；
[0017]用于至少控制所述反应炉管的生长段的温度的加热装置；
[0018]以及，用于使所述反应炉管的输出段输出的碳纳米管前驱体致密转化为碳纳米管纤维，并收集所述碳纳米管纤维的收集装置。
[0019]第三方面，本专利技术还提供一种细径碳纳米管纤维的制备方法，采用上述制备设备进行碳纳米管纤维的制备，所述制备方法包括：
[0020]通过注入装置使载气以及反应原料进入反应炉管的第二管腔内；
[0021]是所述载气以及部分反应原料在所述第二管腔的部分空间内反应生成碳纳米管气凝胶；
[0022]使所述碳纳米管气凝胶经过所述第二管腔的下管口进入第一管腔，并与部分反应原料继续反应生成碳纳米管前驱体；
[0023]通过收集装置使所述碳纳米管前驱体致密转化为细径碳纳米管纤维并收集所述细径碳纳米管纤维。
[0024]第四方面，本专利技术还提供上述制备方法制得的细径碳纳米管纤维，所述细径碳纳米管纤维的直径为8
‑
15μm，力学强度在3GPa以上。
[0025]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0026]本专利技术提供的一种细径碳纳米管纤维的制备装置及制备方法通过在第一管体内设置内径逐渐收缩的第二管体，改变了制备过程中碳纳米管气凝胶以及碳纳米管前驱体的流速及取向，使得碳纳米管前驱体与第一管体的内壁无接触，极大地提升了碳纳米管纤维的连续性，同时所制得的碳纳米管纤维的直径小，取向性好，纤维结构无损伤，因此力学强度优异；并且，一步法直接生长便可制得细径高强度的碳纳米管纤维，简化了制备过程，降低了制备成本，且避免了具有危险性和污染性的化学品的使用。
[0027]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0028]图1是本专利技术一典型实施案例提供的细径碳纳米管纤维的制备设备的结构示意图；
[0029]图2是本专利技术一典型实施案例提供的细径碳纳米管纤维的表面低倍率电镜照片；
[0030]图3是本专利技术一典型实施案例提供的细径碳纳米管纤维的表面高倍率电镜照片；
[0031]图4是本专利技术一典型实施案例以及对比案例提供的碳纳米管纤维的力学强度对比测试图。
[0032]附图标记说明：1、反应原料通道；2、载气通道；3、第一管体；4、加热装置；5、第二管体；6、密封箱；7、排气口；8、碳纳米管前驱体；9、碳纳米管纤维；10、液封箱；11、收集器；12、碳纳米管气凝胶。
具体实施方式
[0033]上述
技术介绍
中提及的氯磺酸辅助牵伸技术，通过氯磺酸质子化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制备细径碳纳米管纤维的反应炉管，包括第一管体，用于提供碳纳米管纤维前躯体的合成环境，所述第一管体形成第一管腔，所述第一管体包括沿指定方向依次相接的注入段、生长段以及输出段；其特征在于，还包括第二管体，所述第二管体形成可供碳纳米管气凝胶通过的第二管腔，所述第二管体包括相对的第一端和第二端；所述第一端设置于所述注入段内，所述第二端设置于所述生长段内，所述第二管腔通过设置于所述第二端的下管口与所述第一管腔相连通；至少与所述下管口相接的部分所述第二管体的内径沿指定方向减小。2.根据权利要求1所述的反应炉管，其特征在于，所述第一管体的材质包括刚玉、石英、莫来石以及石墨中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述第二管体的材质包括刚玉、莫来石以及石墨中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述第一管体和第二管体分体式连接或一体式连接；优选的，所述第一管体和第二管体同轴设置。3.根据权利要求1所述的反应炉管，其特征在于，所述第一管体的长度为800
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1600mm，直径为30
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150mm，所述注入段占所述第一管体总长度的5
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15％，所述生长段占所述第一管体总长度的70
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90％，所述输出段占所述第一管体总长度的5
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15％；优选的，所述第二管体伸入所述生长段250
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500mm。4.根据权利要求1所述的反应炉管，其特征在于，所述下管口的内径为2
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40mm，所述第二管体包括与所述第一端相接的等径段和与所述第二端相接的变径段，并且所述等径段与变径段相接；优选的，所述等径段的内径为30
‑
150mm；和/或，所述等径段的长度为20
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50mm，所述变径段的长度为200
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480mm。5.根据权利要求4所述的反应炉管，其特征在于，所述变径段的外形为圆台形。6.一种细径碳纳米管纤维的制备设备，其特征在于，包括：用于注入碳纳米管生长所需的载气以...

【专利技术属性】
技术研发人员：勇振中，周涛，吴昆杰，张永毅，张亦弛，詹祥和，万子尧，李清文，
申请(专利权)人：江西省纳米技术研究院，
类型：发明
国别省市：