箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法，所述裝置包括高溫化學氣相反應器以及用以密封高溫化學氣相反應器的箱體。所述箱體內設有用以往復運動至高溫化學氣相反應器后端的引絲桿以及位于高溫化學氣相反應器與引絲桿之間的紡軸。所述方法包括以下步驟：反應液體進入高溫化學氣相反應器中催化熱解反應生長碳納米管，氣相流中生長的碳納米管在氣相中組裝形成聚集體之后向高溫化學氣相反應器后端移動，形成連續碳納米管聚集體后在引絲桿牽引作用下進入箱體，致密成纖維后被紡軸纏繞，繼而制得連續碳納米管纖維。如此設置可提高化學氣相反應制備碳納米管纖維紡絲穩定性。
【專利說明】箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米材料制備【技術領域】，尤其涉及化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管具有獨特一維納米結構和優異的電學、熱學和力學性能，由其組裝構成的宏觀體連續的纖維在工程纖維、功能復合、生物傳感和能量儲存等領域有廣泛潛在應用。將碳納米管組裝成連續碳納米管纖維是實現其眾多潛在應用的關鍵步驟。
[0003]目前，制備碳納米管纖維的方法主要有化學氣相反應、陣列紡絲和溶液紡絲方法。化學氣相反應制備連續碳納米管纖維是在碳納米管合成過程中直接將碳納米管組裝成連續聚集體，為一步法，有望發展為連續碳納米管纖維規模化制備，實現碳納米管纖維的產業化。化學氣相反應制備連續碳納米管纖維是在高溫反應器中先制備連續碳納米管聚集體，在反應器后端實現對碳納米管聚集體纏繞和處理，使其收縮變成碳納米管纖維。高溫反應器后端可通過法蘭，氣體或液體密封化學氣相反應系統。
[0004]但是，法蘭密封化學氣相反應難實現制備連續碳納米管纖維，紡絲空間和操作性都很差。氣體密封可提供大碳納米管纖維紡絲空間，但氣相反應制備的碳納米管聚集體非常輕，在經過用于密封的氣流時會顫動，致使碳納米管紡絲不穩定。液體密封與氣體密封類似，可提供大的碳納米管纖維紡絲空間，但碳納米管纖維從密封液體中經過時與液體摩擦，摩擦容易造成碳納米管纖維拉斷，繼而使得碳納米管纖維紡絲不穩定。
[0005]因此，需要對現有技術進行改進來要提高化學氣相反應制備碳納米管纖維紡絲的穩定性。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種用以提高化學氣相反應制備碳納米管纖維紡絲穩定性的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置和方法。
[0007]為實現上述發明目的，本發明提供一種箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，包括用以供反應液體在載氣流作用下催化熱解反應生長碳納米聚集體的高溫化學氣相反應器以及位于高溫化學氣相反應器后端用以密封高溫化學氣相反應器的箱體。
[0008]進一步的，所述箱體內設有用以往復運動至高溫化學氣相反應器后端牽引碳納米聚集體的引絲桿以及位于高溫化學氣相反應器與引絲桿之間的用以纏繞碳納米管纖維的紡軸。
[0009]進一步的，所述紡軸進行旋轉或兩維運動對所述碳納米管纖維進行纏繞。
[0010]進一步的，所述箱體內設有用以向位于紡軸與高溫化學氣相反應器之間的碳納米管聚集體噴射有機液體的箱體超聲霧化器，所述有機液體為乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇或苯的有機液體或所述幾種有機液體的混合液體。[0011]進一步的，所述箱體內還設有液體槽，所述液體槽內設有用以與碳納米管聚集體接觸的PVA水性溶液、聚碳硅烷的二甲苯溶液或乙醇液體。
[0012]進一步的，本發明還可采用如下技術方案實現本發明的目的:
[0013]本發明提供一種箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的方法，所述方法包括以下步驟:提供箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維裝置，所述裝置包括高溫化學氣相反應器以及位于高溫化學氣相反應器后端用以密封高溫化學氣相反應器的箱體，所述箱體內設有可往復運動至高溫化學氣相反應器后端的引絲桿以及位于高溫化學氣相反應器與引絲桿之間的紡軸，反應液體進入高溫化學氣相反應器中催化熱解反應生長碳納米管，所述碳納米管在氣相中組裝形成聚集體之后隨載氣流向高溫化學氣相反應器后移動，形成連續碳納米管聚集體，所述碳納米管聚集體在引絲桿牽引作用下進入箱體，致密成纖維后被紡軸纏繞，繼而制得連續碳納米管纖維。
[0014]進一步的，高溫化學氣相反應器與紡軸之間設有用以將有機液體霧化并向碳納米管聚集體噴射的箱體超聲霧化器，碳納米管聚集體在到達紡軸前遇到所述霧化的有機液體致密成纖維，所述的超聲霧化液體流量為l_500ml/min，所述超聲霧化用的載氣流流量為0-10L/mino
[0015]進一步的，紡軸轉動過程中所述碳納米管聚集體經過高分子液體，碳納米管聚集體收縮成纖維，變成碳納米管復合纖維。
[0016]進一步的，紡軸在電機帶動下轉動或進行兩維運動，對碳納米管纖維紡絲，所述的紡絲速度為2-100m/min。
[0017]本發明提供箱體密封化學氣相反應制備碳納米管纖維的裝置和方法，所述箱體與高溫化學氣相反應器連接，提供足夠大的空間提供碳納米管聚集體各種處理，含自動引絲，致密、復合和紡絲等處理。箱體除提供足夠大的空間供碳納米管聚集體處理外，且使得碳納米管聚集體在處理過程免受外界干擾，進而實現了穩定制備連續碳納米管纖維。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明具體實施例1中的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維裝置的不意圖；
[0019]圖2是本發明具體實施例1中的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維裝置制得的碳納米管纖維的掃描式電子顯微照片；
[0020]圖3是本發明具體實施例3箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維裝置制備的碳納米管/PVA復合纖維的掃描式電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0021]以下將結合附圖所示的具體實施例對本發明進行詳細描述。值得說明的是，下文所記載的實施例并不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施例所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護范圍內。
[0022]本發明提供一種箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置和方法。所述箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置特征在于高溫化學氣相反應器I后端密封連接有與高溫化學氣相反應器I相連通的箱體2，箱體2提供足夠大空間實現對碳納米管聚集體5的各種處理，進而獲得穩定制備連續碳納米管纖維6。
[0023]所述的箱體2可做成方形、圓形、橢圓等不同形狀，制作箱子的材質可為金屬材料、玻璃鋼、塑料等不同材料。所述箱體2提供足夠大空間，供碳納米管聚集體5引絲、致密、復合和紡絲等操作。
[0024]所述在箱體2中對碳納米管聚集體5引絲是在箱體2上或后端固定引絲桿21，引絲桿21在傳送帶211或電機動力牽引作用下做前后的往復運動，可伸入高溫化學氣相反應器I后端碳納米管聚集體5沉積處，粘住聚集體5，往回運動，牽引聚集體5進入箱體2中，到達轉動的紡軸22處被紡絲，實現其引絲功能。所述紡軸22與電機221相連，并由電機221提供動力進行旋轉或兩維運動。
[0025]所述在箱體2中對碳納米管聚集體5致密目的是讓碳納米管聚集體5收縮為碳納米管纖維6。致密連續碳納米管聚集體5有不同的方法，包括在高溫化學氣相反應器I后端的出口處固定箱體超聲霧化器23，所述箱體超聲霧化器23包括用以與提供有機液體235的輸液裝置相連接的超聲發生器231和與箱體2連接的箱體超聲霧化器23噴嘴232，所述輸液裝置為與輸液泵連接的注射器233或其他輸液裝置，在本實施方式中，所述輸液裝置為注射器233以及位于注射器233和超聲發生器231之間的用以輸送有機液體235的輸液管路234。所述超聲發生器231通有載氣流，有機液體235經過箱體超聲霧化器23霧化形成霧氣或小液滴后進入到箱體2中，霧氣或小液滴遇到從高溫化學氣相反應器I中引出的碳納米管聚集體5使得碳納米管聚集體5收縮致密成碳納米管纖維6，其中，所述箱體超聲霧化器23的有機液體235流量為l-500ml/min，所述超聲霧化用的載氣流流量為0-10L/min ；另外，還可從高溫化學氣相反應器I中引出的碳納米管聚集體5施以捻處理，使碳納米管聚集體5在自身轉動下致密成碳納米管纖維6 ;此外，還可讓碳納米管聚集體5經過并接觸有機液體235，液體毛細力誘使其致密成碳納米管纖維6，繼而實現了對碳納米管聚集體5致
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[0026]所述的箱體2中對碳納米管聚集體5復合是指讓碳納米管聚集體5經過并接觸高分子液體，實現在線制備碳納米管纖維6復合材料。由于單純靠高溫化學氣相反應器I制備的碳納米管聚集體5結構非常松散，所以高分子材料易進入碳納米管間，如此設置，便于實現高性能復合材料的制備，解決了碳納米管分散的難題。
[0027]所述的箱體2中對碳納米管聚集體5紡絲是指對引絲桿21拉出的碳納米管聚集體5進行紡絲纏繞,紡絲速度為2-100m/min。
[0028]所述的箱體2中對碳納米管聚集體5的各種處理可以相互結合，例如，對碳納米管聚集體5引絲和紡絲；對碳納米管聚集體5引絲、致密和紡絲；對碳納米管聚集體5引絲、復合和紡絲。
[0029]所述的箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的方法為，反應液體4通過注射泵注射到輔助超聲霧化器3中或直接注入到高溫化學氣相反應器I中，反應液體4在載氣流作用下進入高溫化學氣相反應器I的反應區13，催化熱解反應生長碳納米管，氣相流中生長的碳納米管在氣相中組裝形成碳納米管聚集體5，碳納米管聚集體5隨反應氣流向高溫化學氣相反應器I后端移動，形成連續碳納米管聚集體5，碳納米管聚集體5在引絲桿21牽引作用下進入箱體2，遇到高溫化學氣相反應器I后端固定的箱體超聲霧化器23霧化的有機體液體致密成碳納米管纖維6，碳納米管纖維6被軸向轉動的紡軸22纏繞，繼而制得連續碳納米管纖維6。
[0030]具體實施例1
[0031]請參考圖1所示，所述箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置含兩部分，一是高溫反應制備碳納米管聚集體5設備，另一部分是箱體2及位于箱體2內對碳納米管聚集體5進行處理的設備。在本實施例中，高溫化學氣相反應設備與超聲霧化輔助制備連續碳納米管聚集體5的類似，即，所述高溫化學氣相反應器I連接有輔助超聲霧化器3，所述高溫化學氣相反應器I包括反應器11以及用以加熱所述反應器11的高溫加熱爐12，所述輔助超聲霧化器3包括用以與提供反應液體4的輸液裝置相連接的超聲發生器31和與高溫化學氣相反應器I連接的輔助超聲霧化器3噴嘴311，所述反應器11于輔助超聲霧化器3噴嘴311的一端還設有用以向反應器11輸送載氣112氣流的載氣管路111。所述的超聲發生器31有兩管路，一路是用以向超聲發生器31內輸送反應液體4的輸液管路312，所述輸液管路312與輸液裝置相連接，輸液裝置將反應液體4通過所述輸液管路312輸入輔助超聲霧化器3霧化成霧氣。另一路是用以向超聲發生器31內通輸送氣32的輸送氣管路313，在輸送氣32的作用下所述輔助超聲霧化器3噴嘴311將霧化后的霧氣吹散，形成錐形霧氣后輸入到高溫化學氣相反應器I中。所述的輸液裝置是將反應液體4輸入到輔助超聲霧化器3中的裝置，包括輸液泵以及注射器33，所述注射器33連接于輸液泵與超聲發生器31之間的用以向超聲發生器31內輸入反應液體4，在其他實施方式中所述輸液裝置可以為注射泵等。反應液體4經過輔助超聲霧化器3霧化后進入到高溫化學氣相反應器I中形成碳納米管聚集體5。高溫化學氣相反應器I后端與箱體2通過法蘭連接，制作箱體2的材料為金屬鋁。箱體2尺寸為長1600m，高400mm，寬400mm。為了對碳納米管聚集體5進行處理，箱體2中安裝了對碳納米管聚集體5引絲、致密和紡絲部件。箱體2距高溫化學氣相反應器I后端出口 600mm處安裝有引絲桿21及傳送帶，所述引絲桿21固定于傳送帶211上，所述傳送帶211運動可帶動引絲桿21做前后的往復運動，繼而實現對碳納米管聚集體5引絲功能。碳納米管聚集體5在引絲桿21作用下從高溫化學氣相反應器I后端出來，被固定于距高溫化學氣相反應器I出口 200mm處箱體超聲霧化器23噴嘴232霧化的乙醇液體致密成碳納米管纖維6。碳納米管纖維6在引絲桿21牽引作用下，到達距高溫化學氣相反應器I后端500mm的紡軸22處，被轉動的紡軸22以10m/min紡速纏繞。如圖2所示，為SEM觀察所述碳納米管纖維6的照片，即碳納米管纖維6的掃描式電子顯微照片。碳納米管纖維6直徑均勻，為20um。放大SEM觀察碳納米管顯微表面，碳納米管間緊密堆積，碳納米管沿纖維長方向分布，還能看到少量的顆粒。透射電子顯微鏡觀察碳納米管纖維6，由雙壁碳納米管組成，雙壁碳納米管直徑主要在8-10nm，雙壁碳納米管以管束形式存在。
[0032]具體實施例2
[0033]所述箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置與實施例1類似，不同的是在距離高溫化學氣相反應器I出口 200mm超聲霧化的有機液體235為甲醇液體，碳納米管聚集體5遇到甲醇霧氣致密成碳納米管纖維6，碳納米管纖維6以50m/min紡速纏繞到紡軸22上，獲得連續碳納米管纖維6。在其他實施例中，所述超聲霧化的有機液體235還可以是乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇、苯或其他小分子中的一種或一種以上的混合液體。
[0034]具體實施例3
[0035]箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置與實施例1類似，不同的是在距離高溫化學氣相反應器I出口 200_處固定紡軸22，箱體2內還設有位于紡軸22處的液體槽，液體槽中盛有高分子液體，在本實施例中，所述高分子液體為3wt.%的PVA水性溶液，紡軸22轉動過程中經過所述PVA水溶液。碳納米管聚集體5在引絲桿21牽引作用下進入箱體2中，經過沾有PVA水溶液的紡軸22，碳納米管聚集體5收縮成碳納米管纖維6，變成碳納米管/PVA復合纖維，復合纖維在紡軸22上以15m/min紡速紡絲。如圖3所示，為SHM觀察碳納米管/PVA復合纖維材料的照片，復合纖維直徑均勻，直徑為30um。放大SEM觀察顯微斷開，PVA高分子滲透到碳納米管纖維6中，將碳納米管束分開。[0036]具體實施例4
[0037]所述箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置與實施例1類似，不同的是在距離高溫化學氣相反應器I出口 200_處固定紡軸22，箱體2內還設有位于紡軸22處的液體槽，液體槽中盛有高分子液體，在本實施例中，所述高分子液體為50wt.%的聚碳硅烷二甲苯溶液，紡軸22轉動過程中經過聚碳硅烷的二甲苯溶液。碳納米管聚集體5在引絲桿21牽引作用下進入箱體2中，經過沾所述有聚碳硅烷的二甲苯溶液的紡軸22，碳納米管聚集體5收縮成纖維，變成碳納米管/PCS復合纖維，復合纖維在紡軸22上以5m/min紡速紡絲。SHM觀察碳納米管/PCS復合纖維材料，PCS高分子滲透到碳納米管纖維6中，將碳納米管束分開。
[0038]具體實施例5
[0039]所述箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置與實施例3類似，不同的不設有箱體超聲霧化器23，而是在距離高溫化學氣相反應器I出口 200mm液體槽中盛有所述有機液體，在本實施方式中為乙醇液體。碳納米管聚集體5在引絲桿21作用下從高溫化學氣相反應器I后端出來后直接到達距高溫化學氣相反應器I后端500mm的紡軸22。紡軸22轉動過程中經過乙醇液體。碳納米管聚集體5在引絲桿21牽引作用下進入箱體2中，經過沾有乙醇的紡軸22，碳納米管聚集體5收縮成纖維，變成碳納米管纖維6。SEM觀察碳納米管聚集體5表面碳納米管分布，碳納米管沿聚集體5長方向分布，部分的碳納米管大于取向碳納米管間，將碳納米管連接成三維網絡結構。
[0040]具體實施例6
[0041]箱體2密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維6的裝置與實施例1類似，不同的是在距離高溫化學氣相反應器I出口 200mm無箱體超聲霧化器23，距高溫化學氣相反應器I后端500_處有紡軸22，紡軸22可同時進行兩維運動。即，所述紡軸22可大致以碳納米管聚集體5為軸心進行旋轉加捻。所述兩維運動使碳納米管聚集體5加捻，同時，對加捻致密變成的纖維收絲，繼而獲得碳納米管纖維6。
[0042]綜上所述，在高溫化學氣相制備碳納米管聚集體5設備的后端連接密封作用的箱體2，在箱體2中對高溫化學氣相反應器I制備的碳納米管聚集體5進行引絲、致密、復合和紡絲的不同處理。所述箱體2紡絲過程都是在密封環境中完成，不受外界的環境的干擾，同時，避免了空氣中雜質顆粒影響碳納米管纖維6，另外，以有機液體235致密碳納米管聚集體5過程中是在箱體2中進行，避免了與空氣接觸，提高了處理碳納米管聚集體5的穩定性，因此，所述方法適合發展規模化制備連續碳納米管纖維6。
[0043]應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0044]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍 之內。
【權利要求】
1.一種箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:包括用以供反應液體在載氣流作用下催化熱解反應生長碳納米聚集體的高溫化學氣相反應器以及位于高溫化學氣相反應器后端用以密封高溫化學氣相反應器的箱體。
2.根據權利要求1所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:所述箱體內設有用以往復運動至高溫化學氣相反應器后端牽引碳納米聚集體的引絲桿以及位于高溫化學氣相反應器與引絲桿之間用以纏繞碳納米管纖維的紡軸。
3.根據權利要求2所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:所述紡軸進行旋轉或兩維運動對所述碳納米管纖維進行紡絲。
4.根據權利要求2所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:所述箱體內設有用以向位于紡軸與高溫化學氣相反應器之間的碳納米管聚集體噴射有機液體的箱體超聲霧化器，所述有機液體為乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇或苯的有機液體或所述幾種有機液體的混合液體。
5.根據權利要求1所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:所述箱體內還設有液體槽，所述液體槽內設有用以與碳納米管聚集體接觸的PVA水性溶液、聚碳硅烷的二甲苯溶液或乙醇液體。
6.根據權利要求 1至5中任意一項所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置，其特征在于:所述箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的裝置還包括與高溫化學氣相反應器另一端相連接的輔助超聲霧化器，所述高溫化學氣相反應器包括反應器以及用以加熱所述反應器的高溫加熱爐，所述輔助超聲霧化器包括用以與提供反應液體的輸液裝置相連接的超聲發生器以及與高溫化學氣相反應器連接的超聲霧化器噴嘴，反應液體經過輔助超聲霧化器霧化后進入到高溫化學氣相反應器中形成所述碳納米管聚集體。
7.一種箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:提供箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維裝置，所述裝置包括高溫化學氣相反應器以及位于高溫化學氣相反應器后端用以密封高溫化學氣相反應器的箱體，所述箱體內設有可往復運動至高溫化學氣相反應器后端的引絲桿以及位于高溫化學氣相反應器與引絲桿之間的紡軸，反應液體進入高溫化學氣相反應器中催化熱解反應生長碳納米管，所述碳納米管在氣相中組裝形成聚集體之后隨載氣流向高溫化學氣相反應器后移動，形成連續碳納米管聚集體，所述碳納米管聚集體在引絲桿牽引作用下進入箱體致密成纖維后被紡軸纏繞，繼而制得連續碳納米管纖維。
8.根據權利要求7所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的方法，其特征在于:高溫化學氣相反應器與紡軸之間設有用以將有機液體霧化并向碳納米管聚集體噴射的箱體超聲霧化器，碳納米管聚集體在到達紡軸前遇到所述霧化的有機液體致密成纖維，所述的超聲霧化液體流量為l_500ml/min，所述超聲霧化用的載氣流流量為O-1OL/min0
9.根據權利要求7所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的方法，其特征在于:紡軸轉動過程中所述碳納米管聚集體經過高分子液體，碳納米管聚集體收縮成纖維，變成碳納米管復合纖維。
10.根據權利要求7所述的箱體密封化學氣相反應制備連續碳納米管纖維的方法，其特征在于:紡軸在電機帶動下轉動或進行兩維運動對碳納米管纖維紡絲，所述的紡絲速度為 2-100m/mino`
【文檔編號】C01B31/02GK103523768SQ201310450490
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】蔣雅雅 申請人:武漢博力信納米科技有限公司