一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法
【專利摘要】一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法，涉及一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】。通過將臥式高溫管式反應(yīng)爐與水平基座分離，并將臥式反應(yīng)器進行一定角度的傾動，不但達到了碳納米管宏觀管連續(xù)體在制備時的連續(xù)程度和制備速度，并且通過該法還可進一步擴大該連續(xù)體制備時的溫度范圍，進一步增大了反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)管直徑，大大提高制備效率。本發(fā)明的裝置簡便，原料簡單易得，成本低廉，對環(huán)境無污染；采用惰性氣體保護，無明顯易燃危險原料；產(chǎn)物易于處理，收率高，設(shè)備簡單，可以連續(xù)化操作，適于大量生產(chǎn)。
【專利說明】一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高效制備由碳納米管組成的宏觀管連續(xù)體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種新型的納米材料，碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨特的幾何結(jié)構(gòu)與電子能帶結(jié)構(gòu)帶來了優(yōu)異的機械性能、電學性能、熱學性能以及電磁性能等，這些優(yōu)異的性能使得碳納米管存在著極大的潛在應(yīng)用優(yōu)勢。碳納米管宏觀管連續(xù)體是最近提出的一個新名詞，這種碳納米管宏觀管連續(xù)體具有非常重要的應(yīng)用潛能，通過其可以非常方便的制備碳納米管宏觀結(jié)構(gòu)，如薄膜、厚膜、塊體、宏觀纖維等較多種形態(tài)的宏觀存在形式。所以，研究碳納米管宏觀管連續(xù)體將會對碳納米管的應(yīng)用具有十分重要的促進意義。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，由碳納米管組成的宏觀管連續(xù)體目前還處于研究的探索階段。英國劍橋大學的Alan H.Windle等在《Science》(科學)2004年第304期276 頁和 2007 年第 318 期 1892 頁發(fā)表了《Direct spinning of carbon nanotube fibersfrom chemical vapor deposition synthesis))(化學氣相沉積法直接纏繞碳納米管纖維)和《High-performance carobn nanotube fiber》(高強度碳納米管纖維)兩文，在這兩篇文獻中，碳納米管氣凝膠首先被提出并被利用，他們通過立式反應(yīng)爐內(nèi)的纏繞機構(gòu)可將反應(yīng)管內(nèi)生成的碳納米管氣凝膠凝縮成連續(xù)的碳納米管纖維。但它們卻沒有將氣凝膠直接變成連續(xù)的宏觀管狀物。專利號為ZL 201010230938.4的中國發(fā)明專利“一種由碳納米管組成的透明宏觀管連續(xù)體及其合成方法”中首次提出并發(fā)現(xiàn)的碳納米管宏觀管連續(xù)體是用臥式反應(yīng)器制備的。由于臥式反應(yīng)器是水平放置，導致水平進入并反應(yīng)生成的產(chǎn)物不能及時的到達相同高度的另一端而堵塞，造成反應(yīng)時有中斷、反應(yīng)溫度過高、反應(yīng)系統(tǒng)受壓力限制影響反應(yīng)管直徑、生成產(chǎn)物速度較慢等；而豎直放置的立式反應(yīng)器由于反應(yīng)爐內(nèi)的大是液體汽化而產(chǎn)生向上的壓力而造成生成的輕質(zhì)量碳納米管宏觀管連續(xù)體容易塞積在反應(yīng)管下端的出口致使反應(yīng)中斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上面所述缺陷，提供一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法，能有效提高碳納米管宏觀管連續(xù)體在制備時的連續(xù)程度和制備速度。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。
[0006]一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法，依次包括如下步驟:
步驟一，首先將高溫管式反應(yīng)爐的爐體水平放置，然后將其放置于水平基座；
步驟二，將直徑為10-60_的高溫反應(yīng)器水平放置于高溫管式反應(yīng)爐的爐膛；在反應(yīng)
爐升溫之前，通過將高溫管式反應(yīng)爐的入口端加墊片，抬起反應(yīng)爐的后端，使爐體與水平基座調(diào)整到適當?shù)慕嵌?，由于受爐體加熱材料所限，該角度在0-45°間；
步驟三，將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1100-1650°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為5-50L/h，10分鐘后再通入反應(yīng)溶液；
步驟四，生成碳納米管宏觀管連續(xù)體的反應(yīng)溶液由正已烷、二茂鐵、噻酚組成；氬氣在反應(yīng)器中通入10分鐘后，反應(yīng)溶液以0.5-5ml/min的速度在IS氣的攜帶下連續(xù)的通入傾動式高溫反應(yīng)器中；在通入反應(yīng)溶液0.5-1.5分鐘的等待時間后，反應(yīng)管的中部區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)器內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在5-100m/min間，連續(xù)體的直徑小于反應(yīng)管內(nèi)徑，在5-55mm之間，連續(xù)體具有高粘度和低密度；將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、膜和塊體等。
[0007]本發(fā)明采用了傾動式高溫反應(yīng)裝置，反應(yīng)的液態(tài)物質(zhì)在輸入反應(yīng)管后在高溫下將發(fā)生分解生成碳納米管，碳納米管在較高的溫度下可保持氣凝膠狀態(tài)。一方面，由于在反應(yīng)管內(nèi)通入的反應(yīng)液體在分解時生成大量氣體而使管內(nèi)壓力升高；加之反應(yīng)管內(nèi)輸入的載氣，反應(yīng)管內(nèi)的壓力進一步升高；另一方面，由于反應(yīng)管處于傾動狀態(tài)，使得輸入的反應(yīng)液體和氬氣在進入反應(yīng)系統(tǒng)前就有了一個加速度，這又使得它在進入反應(yīng)系統(tǒng)后就有了比水平放置時更大的初速度。當反應(yīng)液體反應(yīng)后，生成的碳納米管氣凝膠繼承了反應(yīng)液體的初速度，反應(yīng)系統(tǒng)的傾斜使得其在與反應(yīng)管平行的方向有一個重力分量，從而有了一個加速度。所以其可以在這種條件下更快，更連續(xù)的移動至反應(yīng)管出口。由于反應(yīng)管壁與外界的熱交換，使得反應(yīng)管內(nèi)部的溫度總是低于反應(yīng)管壁，所以生成的碳納米管氣凝膠總是趨于靠近反應(yīng)管的壁部向出 口方向運動，出口端的溫度大大低于高溫區(qū)，所以碳納米管氣凝膠在移動到反應(yīng)管出口處即固化凝結(jié)。由于反應(yīng)溶液不間斷的輸向至反應(yīng)管，從而可不斷的生成碳納米管氣凝膠及不停的向出口端運動而生成碳納米管宏觀管連續(xù)體。
[0008]本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明由于采用了傾動式高溫反應(yīng)裝置，相比臥式反應(yīng)裝置，不但給了反應(yīng)溶液和生成碳納米管氣凝膠一個更大的初速度，而且還使它們在運動方向上有了加速度，傾斜角度越大，加速度越大。造成反應(yīng)管內(nèi)生成碳納米管氣凝膠向外移動的速度大大增加，從而大大減輕了碳納米管氣凝膠向外移動對反應(yīng)管內(nèi)壓力的依賴。這又使得生成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體的連續(xù)程度與生成速度更高、反應(yīng)溫度更低、輸入氬氣的流量更低、反應(yīng)管的直徑可增大。如相比專利[ZL 201010230938.4]中的制備方法，最低的制備溫度可降低至110(TC，大大降低了制備溫度和能源消耗；隨著傾動角度的增加，制備溫度會相應(yīng)的降低，受反應(yīng)爐體目前技術(shù)所限，最高的傾斜角為45° ;生成碳納米管宏觀管連續(xù)體的最大速度可增加一倍；輸入氬氣的最小流量可降低至5 L/h ;最大反應(yīng)管的直徑可由40 mm提高到60 mm。上述參數(shù)影響的直接后果是大大增加了制備效率，卻又在很大程度降低了成本。相比于立式反應(yīng)裝置，可避免反應(yīng)液體的汽化而產(chǎn)生向上的壓力使輕質(zhì)量碳納米管宏觀管連續(xù)體容易塞積在反應(yīng)管下端的出口致使反應(yīng)中斷。另外，本發(fā)明方法工藝簡單易行，得到的碳納米管宏觀管連續(xù)體可以在相對較低的溫度下直接連續(xù)制備。并且可以通過反應(yīng)溫度、反應(yīng)溶液的通入速度和載氣的流量方便的控制該宏觀管連續(xù)體的制備速率。由于該宏觀管連續(xù)具有較高的粘度，故將其經(jīng)過簡單的后續(xù)處理后，即可得到連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜或塊體等。且所得宏觀管連續(xù)體的密度為0.lg/cm3，使用其制備得到的纖維、薄膜和塊體等產(chǎn)物也就具有較輕的質(zhì)量，從而為其應(yīng)用帶來了極大的方便。本發(fā)明有效提高了碳納米管宏觀管連續(xù)體在制備時的連續(xù)程度和制備速度，并且通過該法還進一步擴大該連續(xù)體制備時的溫度范圍，進一步增大了反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)管直徑，大大提高了制備效率。本發(fā)明的原料簡單易得，制備溫度范圍寬、成本低廉，對環(huán)境無污染；采用惰性氣體保護，無明顯易燃危險原料；產(chǎn)物易于處理，收率高，設(shè)備簡單，可實現(xiàn)連續(xù)化操作，適于大量生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0009] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。
[0010]實施例1。
[0011]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為10 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到5 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1650 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為50 L/h，10分鐘后再以0.5 ml/min的速度在気氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已燒、二茂鐵、噻酹組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液1.5分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在100 m/min,連續(xù)體的直徑為8 mm,連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0012]實施例2。
[0013]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為20 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到10 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1600 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為30 L/h，10分鐘后再以I ml/min的速度在氬氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液I分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在100 m/min,連續(xù)體的直徑為16 mm,連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0014]實施例3。
[0015]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為20 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到15 將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1500 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為30 L/h，10分鐘后再以I ml/min的速度在IS氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已燒、二茂鐵、噻酹組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液0.5分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在80 m/min，連續(xù)體的直徑為17mm，連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0016]實施例4。
[0017]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為30 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到22 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1400 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為20 L/h，10分鐘后再以0.5 ml/min的速度在気氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已燒、二茂鐵、噻酹組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液0.5分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在70 m/min，連續(xù)體的直徑為25 mm，連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0018]實施例5。
[0019]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為60 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到25 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1300 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為20 L/h，10分鐘后再以2 ml/min的速度 在氬氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液I分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在60 m/min間，連續(xù)體的直徑為55 mm，連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0020]實施例6。
[0021]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為40 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到30 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1200 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為5 L/h，10分鐘后再以2 ml/min的速度在気氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已燒、二茂鐵、噻酹組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液0.5分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在50 m/min，連續(xù)體的直徑為35 mm，連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
[0022]實施例7。
[0023]準備高溫管式反應(yīng)爐，并使其可以于水平的放置于基座上，再將直徑為50 mm的高溫反應(yīng)器水平放置于反應(yīng)爐的爐膛中，在反應(yīng)爐升溫之前，將高溫管式反應(yīng)爐的入口端抬起，使高溫管式反應(yīng)爐體與水平基座調(diào)整到45 0 ;將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1100 1:后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為50 L/h，10分鐘后再以5 ml/min的速度在気氣的攜帶下連續(xù)的通入由正已燒、二茂鐵、噻酹組成的反應(yīng)溶液；在通入反應(yīng)溶液0.5分鐘的等待后，傾動式高溫反應(yīng)管的的中間部分區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)管內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在60 m/min間，連續(xù)體的直徑為45 _，連續(xù)體具有高粘度和低密度。將該連續(xù)體進 行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊體等。
【權(quán)利要求】
1.一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法，其特征在于:依次包括如下步驟: 步驟一，首先將高溫管式反應(yīng)爐的爐體水平放置，然后將其放置于水平基座； 步驟二，將直徑為10-60_的高溫反應(yīng)器水平放置于高溫管式反應(yīng)爐的爐膛；在反應(yīng)爐升溫之前，通過將高溫管式反應(yīng)爐的入口端加墊片，抬起反應(yīng)爐的后端，使爐體與水平基座調(diào)整到適當?shù)慕嵌?，由于受爐體加熱材料所限，該角度在0-45°間； 步驟三，將上述調(diào)整好后的傾動式反應(yīng)裝置的溫度升高至1100-1650°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器的入口端通入氬氣，氬氣流量為5-50L/h，10分鐘后再通入反應(yīng)溶液； 步驟四，生成碳納米管宏觀管連續(xù)體的反應(yīng)溶液由正已烷、二茂鐵、噻酚組成；氬氣在反應(yīng)器中通入10分鐘后，反應(yīng)溶液以0.5-5ml/min的速度在IS氣的攜帶下連續(xù)的通入傾動式高溫反應(yīng)器中；在通入反應(yīng)溶液0.5-1.5分鐘的等待時間后，反應(yīng)管的中部區(qū)域可生成大量呈氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則傾動式高溫反應(yīng)器內(nèi)大量的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng)管的高溫區(qū)而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出，形成固態(tài)的碳納米管宏觀管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速度在5-100m/min間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傾動式制備碳納米管宏觀管連續(xù)體的方法，其特征在于:所述該連續(xù)體直徑小于反應(yīng)管內(nèi)徑，在5-55mm之間，連續(xù)體具有高粘度和低密度；將該連續(xù)體進行各種簡單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、膜和塊體等。
【文檔編號】C01B31/02GK103922299SQ201310013214
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月15日
【發(fā)明者】吳子平, 胡英燕, 尹艷紅, 黎業(yè)生 申請人:江西理工大學