專利名稱：碳納米管制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)使用氣相流動(dòng)方法生產(chǎn)諸如碳納米管和碳纖維的碳納米管 的碳納米管合成工藝裝置。
背景技術(shù)：
碳納米管是由結(jié)晶形碳構(gòu)成的圓筒狀石墨晶體薄層。更具體講，由處于六角晶格 中的碳原子六元環(huán)形成平面或曲面狀石墨烯薄片，并將該石墨烯薄片卷成圓筒狀碳納米 管。碳納米管的直徑一般為0. 4nm至數(shù)十納米，且碳納米管的長(zhǎng)度通常為數(shù)十至數(shù)千納米， 或是其直徑的許多倍。這類碳納米管具有高強(qiáng)度以及優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和潤(rùn)滑性，因此已引起人們 對(duì)其各方面應(yīng)用的關(guān)注。此外，為降低碳納米管的推廣使用成本，要求采用更高效的碳納米 管生產(chǎn)技術(shù)。一種被稱為氣相流動(dòng)的方法已成為碳納米管的生產(chǎn)技術(shù)之一。通過(guò)使用這種氣相 流動(dòng)方法，使含碳材料和金屬催化劑在高溫爐內(nèi)隨載氣流動(dòng)，由此使在氣相中的諸如碳源 的材料發(fā)生熱分解和合成，從而生產(chǎn)碳納米管。由于這種氣相流動(dòng)方法適用于批量生產(chǎn)，已 就該方法提出很多改進(jìn)的技術(shù)/工藝。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)難題通過(guò)使用這種氣相流動(dòng)方法，位于反應(yīng)管下游的排放管有時(shí)會(huì)被制得的碳納米管 阻塞。具體地講，雖然在反應(yīng)管中合成的碳納米管應(yīng)向下游方向流動(dòng)、且應(yīng)最終通過(guò)位于 反應(yīng)管下游的排放管向外排放，但在該傳輸過(guò)程中碳納米管有時(shí)會(huì)粘附到排放管的內(nèi)表面 上。一旦碳納米管被粘附到排放管的內(nèi)表面上，即使只有少量，更多的碳納米管就會(huì)輕易地 粘附到(或輕易地被捕集到)已粘附在內(nèi)表面上的碳納米管上，由此使碳納米管在排放管 中的積聚數(shù)量迅速增加。這樣有可能最終導(dǎo)致碳納米管阻塞排放管。為解決這一難題，需 常規(guī)性定期中斷生產(chǎn)裝置的運(yùn)行，并除去粘附在排放管內(nèi)表面上的碳納米管。然而，上述定 期中斷生產(chǎn)裝置的運(yùn)行并除去碳納米管的做法已造成一些問(wèn)題，包括降低碳納米管的生產(chǎn) 效率和增加操作人員的負(fù)擔(dān)。在文獻(xiàn)JP 2001-73231A和JP 2001-115342A中公開(kāi)了避免碳納米管粘附到反應(yīng) 管內(nèi)表面上的技術(shù)。然而，這些技術(shù)旨在避免碳納米管粘附到反應(yīng)管上，但不能由此避免碳 納米管粘附到排放管上。此外，雖然已提出多種關(guān)于氣相流動(dòng)方法的其他改進(jìn)技術(shù)，但目前 尚不存在可適當(dāng)避免碳納米管粘附和阻塞排放管的技術(shù)。因此，難以提高碳納米管的生產(chǎn) 效率。因此，本發(fā)明旨在提供一種可提高碳納米管生產(chǎn)效率的碳納米管合成工藝裝置。解決方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種通過(guò)使用氣相方法生產(chǎn)碳納米管的碳納米管合成工藝裝置。該裝置包括反應(yīng)管；給料設(shè)備，用于從反應(yīng)管的上游側(cè)供應(yīng)含碳原料；加熱設(shè) 備，用于加熱反應(yīng)管并由此在反應(yīng)管內(nèi)產(chǎn)生可使含碳原料發(fā)生熱分解的反應(yīng)場(chǎng)，從而制得 碳納米管；排放管，位于反應(yīng)管的下游，用于向外部輸送在反應(yīng)管中制得的碳納米管；以及 旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備，用于產(chǎn)生從排放管的內(nèi)側(cè)面沿其內(nèi)側(cè)面流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備包括多個(gè)位于排放管內(nèi)側(cè)面上的噴嘴， 用于沿偏離排放管中心的方向噴射氣體。優(yōu)選多個(gè)噴嘴等間隔位于排放管的圓周方向上。 此外，優(yōu)選噴嘴位于低于噴嘴容許溫度的排放管低溫區(qū)域的上游端附近。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)根據(jù)本發(fā)明，在排放管內(nèi)產(chǎn)生從排放管內(nèi)側(cè)面沿其內(nèi)側(cè)面的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。通過(guò)這種 旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，可使碳納米管與壁面隔離，且向排放管的中心傳輸，從而可有效避免碳納米管粘 附到內(nèi)側(cè)面上以及由此造成的排放管阻塞。此外，即使碳納米管粘附到內(nèi)側(cè)面上，碳納米管 也可被旋轉(zhuǎn)流動(dòng)移走。由此可使碳納米管合成工藝裝置連續(xù)運(yùn)行，從而提高其生產(chǎn)效率。


下文將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的這些和其他目的作說(shuō)明。這些附圖中圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述碳納米管合成工藝裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是排放管的橫截面示意圖；圖3是沿圖2中A-A線的橫截面圖；以及圖4是沿圖2中B-B線的橫截面圖。參考編號(hào)10.碳納米管合成工藝裝置；12.反應(yīng)管；14.加熱設(shè)備；18.原料給料機(jī)構(gòu)；20.原 料槽；22.泵；24.原料給料線；26.給料噴嘴；28.進(jìn)氣管；30.罩；32.排放管；34.噴嘴。
具體實(shí)施例方式下文將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是本發(fā)明一實(shí)施例所述碳納米管 合成工藝裝置10的結(jié)構(gòu)示意圖。碳納米管合成工藝裝置是一種采用氣相流動(dòng)方法生產(chǎn)碳 納米管的裝置，它包括反應(yīng)管12、用于加熱反應(yīng)管12的加熱設(shè)備14、用于向反應(yīng)管12供應(yīng) 原料液體的原料給料機(jī)構(gòu)18、用于將在反應(yīng)管12中制得的碳納米管輸送到收集槽(未顯 示)中的排放管32等。反應(yīng)管12是一管狀元件，它由下述加熱設(shè)備14加熱，以在其中產(chǎn)生可進(jìn)行碳納米 管合成反應(yīng)的反應(yīng)場(chǎng)。根據(jù)本實(shí)施例，使用被稱為垂直向下流動(dòng)型的反應(yīng)管12，它可使在反 應(yīng)管12中從上向下進(jìn)行碳納米管的合成反應(yīng)。然而，只要反應(yīng)場(chǎng)穩(wěn)定，也可使用合成反應(yīng) 從下向上進(jìn)行的垂直向上流動(dòng)型反應(yīng)管、以及合成反應(yīng)沿橫向進(jìn)行的橫向型反應(yīng)管。此外， 雖然期望反應(yīng)管12大體上呈圓筒狀，但只要反應(yīng)場(chǎng)穩(wěn)定，反應(yīng)管12也可呈矩柱狀。加熱設(shè)備14位于反應(yīng)管12的外圍表面周圍。加熱設(shè)備14例如由電爐組成，用于 將反應(yīng)管12的內(nèi)部加熱至可合成碳納米管的溫度(以下稱為“合成溫度”)。加熱設(shè)備14的布置方式可使加熱設(shè)備14盡可能均勻加熱反應(yīng)管12的內(nèi)部。不 過(guò)，在反應(yīng)管12的邊緣部分的熱耗面積通常大于在反應(yīng)管12的中心部分的熱耗面積，由此 易使邊緣部分的溫度較低。換言之，在反應(yīng)管12的內(nèi)部可產(chǎn)生向反應(yīng)管12的兩端溫度降低的溫度分布。雖然不可能清楚確定該溫度分布的邊界，但在反應(yīng)管12的上游邊緣附近形 成低于合成溫度的第一中間溫度區(qū)域Ea、以及在反應(yīng)管12的下游邊緣附近形成低于合成 溫度的第二中間溫度區(qū)域Ec。此外，在反應(yīng)管12的中心部分(即在第一中間溫度區(qū)域Ea 與第二中間溫度區(qū)域Ec之間)形成溫度達(dá)到碳納米管合成溫度的反應(yīng)區(qū)域Eb。雖然該處 在本實(shí)施例中加熱設(shè)備14只位于反應(yīng)管12的外部周圍，根據(jù)反應(yīng)管12的內(nèi)徑以及每臺(tái)加 熱設(shè)備14的性能，加熱設(shè)備14還可位于反應(yīng)管12的內(nèi)部。由原料給料機(jī)構(gòu)18向反應(yīng)管12供應(yīng)原料液體。原料給料機(jī)構(gòu)18包括原料槽20、 給料噴嘴26、原料給料線24、泵22等。原料槽20是用于儲(chǔ)存原料液體的容器。原料液體 是一種含碳液體，或是一種由有機(jī)金屬催化劑、含有機(jī)金屬催化劑的反向膠團(tuán)粒子、催化劑 助劑等混合而成的液體。原料液體通過(guò)原料給料線24被輸送給多個(gè)給料噴嘴26。由泵22 輸送原料液體，對(duì)該泵22的操縱是由控制段(未顯示)控制的。給料噴嘴26可霧化和供應(yīng)已從原料槽20輸送到反應(yīng)管12的原料液體。給料噴 嘴26位于反應(yīng)管12的上游邊緣，且其前端從反應(yīng)管12的上游邊緣表面延伸到反應(yīng)管12 的內(nèi)部，從而到達(dá)反應(yīng)區(qū)域Eb。圖1顯示一實(shí)施例，其中有兩個(gè)給料噴嘴26，且未特別限制 給料噴嘴26的數(shù)量，有可能有一個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)。當(dāng)向高溫反應(yīng)管12供應(yīng)由給料噴嘴26噴出的霧化原料液體時(shí)，原料液體中所含 的碳源、有機(jī)金屬催化劑、以及催化劑助劑被蒸發(fā)。然后，有機(jī)金屬催化劑發(fā)生熱分解，得到 催化劑細(xì)粒。當(dāng)碳源與這樣制得的催化劑細(xì)粒接觸時(shí)，在催化劑細(xì)粒表面上形成由碳原子 構(gòu)成的六邊形平面，由此形成圓筒狀石墨烯薄片。進(jìn)而，在催化劑細(xì)粒在反應(yīng)管12內(nèi)沉積 的過(guò)程中，該石墨烯薄片沿縱向逐漸生長(zhǎng)，從而制得碳納米管。在給料噴嘴26的周圍設(shè)有載氣的進(jìn)氣管28。進(jìn)氣管28通過(guò)供氣線與供氣源連 接。載氣不影響碳納米管的合成反應(yīng)，且向下游側(cè)傳輸原料和制得的碳納米管。上述供應(yīng)原料和載氣的方法只是實(shí)施例，只要可通過(guò)在氣相中發(fā)生原料合成反應(yīng) 的氣相流動(dòng)方法制得碳納米管，就可根據(jù)需要修正。例如，可以氣態(tài)而非液態(tài)(原料液體) 的形式供應(yīng)原料。同時(shí)，進(jìn)氣管28不僅可位于給料噴嘴26的周圍，還可位于反應(yīng)管12的 內(nèi)部周圍邊緣附近，以使載氣從進(jìn)氣管28沿反應(yīng)管12的內(nèi)側(cè)面流動(dòng)。通過(guò)使用這種結(jié)構(gòu)， 可避免碳納米管粘附到反應(yīng)管12的內(nèi)側(cè)面上。排放管32與反應(yīng)管12的下游邊緣連接。排放管32是一管狀體，用于向外輸送在 反應(yīng)管12中制得的碳納米管，且通過(guò)罩30與反應(yīng)管12的下游邊緣連接。收集槽位于排放 管32的下方，用于收集制得的碳納米管。碳納米管通常易于阻塞排放管32。更具體講，雖然流向排放管32的碳納米管應(yīng) 通過(guò)排放管32排放到收集槽中，一些碳納米管仍會(huì)粘附到排放管32的內(nèi)表面?zhèn)炔⒃诖送?留。當(dāng)一些碳納米管粘附在排放管32的內(nèi)側(cè)面上時(shí)，更多的碳納米管會(huì)輕易地粘附到這些 碳納米管上。還會(huì)有更多的碳納米管依次粘附到已被粘附的碳納米管上。最后，大量的碳 納米管相互咬合并停留在排放管32的內(nèi)側(cè)面上，這有可能使碳納米管阻塞排放管32的內(nèi) 部。有可能已在反應(yīng)管12中同樣發(fā)生這類由碳納米管造成的阻塞。不過(guò)，對(duì)于 避免阻塞反應(yīng)管12，已提出很多常規(guī)性改進(jìn)技術(shù)(例如文獻(xiàn)JP 2001-73231A和JP 20011-115342A)，由此可在一定程度上避免阻塞反應(yīng)管12。
另一方面，尚未提出有效避免阻塞排放管32的常規(guī)性技術(shù)。此外，由圖1可清楚 看出，排放管32未由加熱設(shè)備14加熱。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，高溫部分與低溫部分相比，碳納米 管易于粘附到低溫部分上。換言之，排放管32比反應(yīng)管12更有可能被碳納米管阻塞。事 實(shí)上，不希望發(fā)生這種阻礙向收集槽排放碳納米管的排放管32的阻塞。為解決這一難題， 有必要常規(guī)性定期中斷碳納米管合成工藝裝置10的運(yùn)行，以除去粘附在排放管32內(nèi)側(cè)面 上的碳納米管，從而避免排放管32被阻塞。這些中斷生產(chǎn)裝置10以及除去碳納米管的定 期操作降低了碳納米管的生產(chǎn)效率，并增加了操作人員的負(fù)擔(dān)。因此，根據(jù)本實(shí)施例，使排放管32具有特殊結(jié)構(gòu)，以避免碳納米管阻塞排放管32， 如下文詳述。圖2是排放管32的橫截面示意圖(未顯示將排放管32與反應(yīng)管12連接起來(lái)的 罩30)。此外，圖3是沿圖2中A-A線的橫截面圖，圖4是沿圖2中B-B線的橫截面圖。本實(shí)施例所述排放管32是一管狀體，通過(guò)罩30與反應(yīng)管12的下端連接(參見(jiàn)圖 3)，且其內(nèi)徑大體上與反應(yīng)管12的內(nèi)徑相等。不過(guò)，排放管32靠近上游邊緣的部分(即在 反應(yīng)管12側(cè)的邊緣部分)形成有其內(nèi)徑向上游邊緣逐漸減小的略微漸縮部分32a，如圖3 所示。換言之，排放管32在上游邊緣附近的壁比在下游側(cè)的壁稍厚些。這種在上游邊緣附 近壁更厚些的結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定支承噴嘴34，如下文所述。然而，只要可確保能夠穩(wěn)定支承噴 嘴34，并不總是有必要使用更厚的壁部分(錐形部分)，且可使用壁厚均勻的直管體或提供 輪轂等形式的支座。在排放管32的側(cè)面上固定有多個(gè)(在所述實(shí)施例中為六個(gè))噴嘴34。這些多個(gè) 噴嘴34起到旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備的作用，可在排放管32內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。每個(gè)噴嘴34均與 供氣源(未顯示)連接，且根據(jù)控制器的指令向排放管32內(nèi)噴射氣體。只要在合成反應(yīng)后 所噴射的氣體不降低或改變碳納米管的質(zhì)量，這種氣體就不特別受到限制。因此，可使用與 載氣相同的氣體，或使用氮?dú)狻４送?，從每個(gè)噴嘴34噴射出的氣體的流速(流量)大小應(yīng) 可使碳納米管在傳輸期間不發(fā)生粘附。如圖2所示，所述噴嘴34沿偏離排放管32的中心0的方向固定在排放管32的側(cè) 壁上。在該實(shí)施例中，所有噴嘴34的取向相同。同時(shí)，多個(gè)噴嘴34等間隔位于圓周方向上。 雖然該處可根據(jù)要噴射的氣體的流速和噴嘴34的數(shù)量適當(dāng)調(diào)節(jié)每個(gè)噴嘴34相對(duì)于直徑的 偏轉(zhuǎn)角α，噴嘴34例如可沿與正多邊形的邊大體上相同的方向布置，且多個(gè)噴嘴的頂端位 于該正多邊形的頂點(diǎn)所在的位置。更具體講，在圖2所示的實(shí)施例中，每個(gè)噴嘴34大體上 可沿正六邊形(其每個(gè)頂點(diǎn)與每個(gè)噴嘴34的頂端對(duì)應(yīng))的每條邊布置。此外，如圖4所示，每個(gè)噴嘴34的安裝方向均斜向下。通過(guò)這種布置方式，可從每 個(gè)噴嘴34中噴射出斜向下流動(dòng)的氣體，且由該氣體向下游側(cè)有效傳輸碳納米管。該處可根 據(jù)噴嘴數(shù)量適當(dāng)調(diào)節(jié)每個(gè)噴嘴的傾角。當(dāng)根據(jù)本實(shí)施例布置六個(gè)噴嘴時(shí)，傾角優(yōu)選約為10 度，且該傾角可在約士 10度的范圍內(nèi)增大或減小。該處為減少粘附在排放管32內(nèi)側(cè)面上的碳納米管的數(shù)量，期望每個(gè)噴嘴34盡可 能靠近排放管32的上游邊緣。然而，與高溫反應(yīng)管12連接的排放管32的上游邊緣有可能 具有相對(duì)高的溫度。更具體講，如圖1所示，在排放管32上游邊緣的附近區(qū)段中形成溫度 大體上與反應(yīng)管12下游邊緣的附近區(qū)段中的溫度相等的第二中間溫度區(qū)域Ec。雖然該第 二中間溫度區(qū)域Ec的溫度與進(jìn)行碳納米管合成反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域Eb的溫度一樣高，但該第二中間溫度區(qū)域Ec可具有相當(dāng)高的溫度狀態(tài)(數(shù)百度)。因此，噴嘴34在該第二中間溫度 區(qū)域Ec中有可能發(fā)生熱損壞。因此，噴嘴34位于溫度等于或低于噴嘴34的容許溫度的低 溫區(qū)域Ed的上游邊緣附近。當(dāng)由如上所述布置的多個(gè)噴嘴34噴射氣體時(shí)，在排放管32內(nèi)形成沿內(nèi)側(cè)面向下 游側(cè)流動(dòng)的漩渦狀或螺旋狀旋轉(zhuǎn)流動(dòng)(參見(jiàn)圖2)。通過(guò)這種旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，行經(jīng)排放管32的碳 納米管與壁面隔離，且在排放管32的中心附近會(huì)聚。換言之，可阻止碳納米管向排放管32 的內(nèi)側(cè)面上移動(dòng)，從而避免碳納米管粘附到內(nèi)側(cè)面上。由此可無(wú)需定期中斷生產(chǎn)設(shè)備10的 運(yùn)行，且無(wú)需除去粘附在內(nèi)表面?zhèn)壬系奶技{米管，從而可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)設(shè)備10。這樣 可顯著提高碳納米管的生產(chǎn)效率。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，有可能有效避免碳納米管粘附到排放管32的內(nèi)側(cè)面 上，從而可顯著提高碳納米管的生產(chǎn)效率。應(yīng)注意的是，雖然排放管32和反應(yīng)管12在上述 實(shí)施例中是單獨(dú)的設(shè)備，這些設(shè)備也有可能被整合在一起。此外，雖然在上述實(shí)施例中多個(gè) 噴嘴34均位于相同的高度，但噴嘴34也可位于不同的高度。
權(quán)利要求
一種通過(guò)使用氣相方法生產(chǎn)碳納米管的碳納米管合成工藝裝置，所述裝置包括反應(yīng)管；給料設(shè)備，用于從所述反應(yīng)管的上游側(cè)供應(yīng)含碳原料；加熱設(shè)備，用于加熱所述反應(yīng)管，由此在所述反應(yīng)管內(nèi)產(chǎn)生可熱分解所述含碳原料以制得碳納米管的反應(yīng)場(chǎng)；排放管，位于所述反應(yīng)管的下游側(cè)，用于將在所述反應(yīng)管內(nèi)制得的所述碳納米管輸送到外部；以及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備，用于產(chǎn)生從所述排放管的內(nèi)側(cè)面沿該內(nèi)側(cè)面流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管合成工藝裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生設(shè)備包括位于所述排放管內(nèi)側(cè)面上的多個(gè)噴嘴，用于沿偏離所述排 放管中心的方向噴射氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管合成工藝裝置，其中 所述多個(gè)噴嘴等間隔位于所述排放管的圓周方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管合成工藝裝置，其中所述噴嘴位于所述排放管的低溫區(qū)域的上游邊緣附近，且該低溫區(qū)域的溫度低于所述 噴嘴的容許溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳納米管制造裝置，包括內(nèi)部形成有反應(yīng)場(chǎng)的反應(yīng)管、以及位于反應(yīng)管下游并向外部排放碳納米管的排放管(32)。多個(gè)噴嘴(34)沿偏離排放管(32)的中心(O)的方向位于排放管(32)的側(cè)壁上。當(dāng)從多個(gè)噴嘴(34)中噴射氣體時(shí)，在排放管(32)中可產(chǎn)生從內(nèi)側(cè)面沿內(nèi)側(cè)面流動(dòng)的漩渦。通過(guò)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)可避免碳納米管粘附到排放管(32)的內(nèi)側(cè)面上，由此可使該裝置連續(xù)運(yùn)行。
文檔編號(hào)C01B31/02GK101910061SQ200880125329
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者中川裕三, 村井剛次, 素木岫一 申請(qǐng)人:日機(jī)裝株式會(huì)社