制备碳纳米管纤维的装置及利用所述装置制备碳纳米管纤维的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制备碳纳米管纤维的装置，以及利用所述装置制备碳纳米管纤维的方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)是碳的同素异形体，其直径为几纳米至几十纳米，长度为几百微米至几毫米。自从1991年Iijima博士在《自然》杂志上首次报道了碳纳米管的合成，由于其卓越的热、电和物理学性质及高的长径比，碳纳米管在多个领域得到深入研宄。碳纳米管的这些内在特性要归因于碳的SP2键合。碳纳米管的强度大于钢而密度轻于铝，并显示出媲美于金属的高的电导率。碳纳米管根据其具有的壁数可大体上分为单壁碳纳米管(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT)，双壁碳纳米管(Double-Wall CarbonNanotube, DffNT)和多壁碳纳米管(Mult1-Wall Carbon Nanotube, MWNT) ο 碳纳米管根据其不对称性/手性分成锯齿型(zigzag)，扶手椅型(armchair)及手性(chiral)构型。
[0003]迄今大部分研宄集中在使用粉末形式的碳纳米管的分散体系作为复合材料增强剂以及采用碳纳米管分散体系制备透明导电膜上。在一些应用上碳纳米管已经达到了商业化。碳纳米管的分散对于碳纳米管在复合材料和透明导电膜中的应用来说很重要。然而，由于其强大的范德华力，碳纳米管的高内聚强度使得不容易以高浓度分散碳纳米管并使其保持分散性。此外，在利用碳纳米管作为增强剂的复合材料中，碳纳米管的卓越特性并没有充分的展现出来。
[0004]在此情况下，近来进行了大量关于将碳纳米管加工成纤维的研宄以制备充分展现碳纳米管特性的碳纳米管结构。将碳纳米管加工成纤维的方法可分为两种:湿法和干法。
[0005]湿法的一个实例为凝聚纺丝(coagulat1n spinning)。根据所述凝聚纺丝，将含有碳纳米管和分散剂的分散体系加入到高分子溶液中时，所述分散剂由分散体系转移到高分子溶液中，而高分子进入分散体系中以取代分散剂，担当起粘合剂的作用。由此制得的碳纳米管纤维含有约60重量％的碳纳米管。然而，尽管相较于现有的复合材料，碳纳米管的含量已有显著的提高，但是所述碳纳米管纤维的物理性能并不尽如人意。
[0006]将碳纳米管加工成纤维的另一种湿法是液晶纺丝(Iiquid-crystalIinespinning)，其利用在特定的条件下碳纳米管溶液能够形成液晶的能力。这种方法的优势在于可以生成碳纳米管排列良好的纤维，但缺点是纺丝速度极慢，以及苛刻的碳纳米管液晶的形成条件(S.Zhang, K.K.Koz1l, 1.A.Kinloch, A.H.Windle, “Macroscopic Fibers ofWell-Aligned Carbon Nanotubes by Wet Spinning”，Small 4, 1217(2008))o
[0007]制备碳纳米管纤维的干法中的一种是涂刷纺丝(Brush spinning)，其中竖直生长于硅片上的碳纳米管被缠绕扭曲和纤维化。然而，硅片的有限尺寸导致大规模生产困难重重(K.Jiang, Q.Li, and S.Fan, “Spinning continuous carbon nanotube yarns，，, Nature419,801 (2002))o
[0008]另一种干法是Windle教授提出的直接纺丝(direct spinning)。如图1所示，将碳源和催化剂以及载气，通过设置于炉顶的进口引入到直立炉中，在炉中合成碳纳米管，接着碳纳米管的聚集体与载气下降至炉底，在炉内(见图1中A)或炉外(见图1中B)，碳纳米管的聚集体被卷绕起来以获得纤维。此方法比其它方法更有优势，因为碳纳米管纤维能以最大达20-30m/min的纺丝速度被大量生产。然而，催化剂在炉中短暂的保留时间使得难以生产长而稳定的碳纳米管纤维。
【发明内容】
[0009]本发明目的是提供一种用于生产高强度的长碳纳米管纤维的装置，其中，催化剂可在炉中保留尽可能长的时间，以及提供一种利用所述装置生产碳纳米管纤维的方法。
[0010]本发明的一个方面是提供一种用于生产碳纳米管纤维的装置，包括:
[0011]具有反应区域的竖直反应器；
[0012]通过其将纺丝溶液引入到所述反应器的反应区域的底部的进口 ；
[0013]通过其将载气引入到所述反应器的反应区域的底部的进口 ；
[0014]加热器，用于加热所述反应区域；以及
[0015]排放单元，其设置于所述反应区域的顶部并通过其将碳纳米管纤维从所述反应器中排放出来，
[0016]其中，通过所述纺丝溶液进口进入到所述反应区域的纺丝溶液，在利用通过所述载气进口进入的载气而从反应区域底部上升时被碳化和石墨化，从而形成由连续的碳纳米管聚集体组成的碳纳米管纤维。
[0017]根据本发明的一个实施方式，所述装置可进一步包括用于向所述纺丝溶液进口供应纺丝溶液的供料单元；以及用于向所述载气进口供应载气的供料单元。
[0018]通过所述纺丝溶液进口进入的所述纺丝溶液可通过喷雾嘴供应至所述反应区域。
[0019]所述纺丝溶液供料单元可包括混合单元，在此催化剂被分散到液态的碳化合物中以制备所述纺丝溶液；以及输送泵，用于将所述纺丝溶液从混合单元供应到供给喷嘴。
[0020]通过所述载气进口进入的所述载气可以能够形成层流的线速度流入所述反应区域。
[0021]所述载气供料单元可具有流量控制器，通过该流量控制器以能够形成层流的线速度来供给通过所述载气进口进入的载气。
[0022]如通过公式I所计算的，可以相当于雷诺数(Re)为I或更小的线速度供给通过所述载气进口进入的所述载气:
[0023]Re = P uD/ μ (I)
[0024]其中P为所述载气的密度(kg/m3)，u为所述载气的线速度(m/s)，D为所述反应器的内径(m)以及μ为所述载气的粘度(kg/m.S)。
[0025]所述碳纳米管纤维排放单元可具有卷绕器，用于卷绕和收集从所述反应器顶部排出的碳纳米管纤维。
[0026]所述碳纳米管纤维排放单元可具有进口，通过该进口供入惰性气体以形成围绕在所述碳纳米管纤维的连续聚集体周围的惰性气体幕。
[0027]所述卷绕器可以是纺锤体、卷轴、滚筒，或者传送器。
[0028]根据本发明的进一步的实施方式，所述装置可进一步包括分配板，其设置于所述反应器的反应区域的下方，从而将所述反应器分为相互流体连通的上部反应区域和下部非反应区域，并且所述纺丝溶液进口和载气进口可分别设置于所述分配板的上方和下方。
[0029]根据本发明的另一个实施方式，所述装置可进一步包括分配板，其设置于所述反应器的反应区域的下方，从而将所述反应器分为相互流体连通的上部反应区域和下部非反应区域，并且所述纺丝溶液进口和载气进口均可设置于所述分配板的下方。
[0030]根据本发明的另一个实施方式，通过所述纺丝溶液进口进入到所述分配板底部的所述纺丝溶液，可通过穿过所述分配板的喷嘴供应至所述分配板顶部的反应区域。
[0031]根据本发明的另一个实施方式，通过所述纺丝溶液进口进入的所述纺丝溶液和通过所述载气进口进入的所述载气，可在所述分配板下是相互分隔的。
[0032]根据本发明的另一个实施方式，通过所述纺丝溶液进口进入的所述纺丝溶液和通过所述载气进口进入的所述载气可相互混合，并通过所述分配板供应至所述反应区域。
[0033]所述加热器可为环绕在所述反应器周围的炉，以将所述反应区域加热至1000-3000。。。
[0034]所述纺丝溶液可为催化剂在液态碳化合物中的分散体系。
[0035]所述载气以0.5-50cm/min的速率流过所述载气进口。
[0036]所述纺丝溶液以10-50ml/min的速率流过所述纺丝溶液进口。
[0037]所述纺丝溶液可进一步包含催化剂活化剂。
[0038]基于所述碳化合物的重量，所述纺丝溶液可包含0.5-10重量％的催化剂。
[0039]所述催化剂可包含选自铁、镍、钴、铂、钌、钼、钒以及它们的氧化物中的至少一种金属或氧化物。
[0040]所述碳化合物可选自乙醇、甲醇、丙醇、丙酮、二甲苯、三氯甲烷、乙酸乙酯、乙醚、聚乙二醇、甲酸乙酯、均三甲苯、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷、己烷、苯、四氯化碳、戊烷以及它们的混合物。
[0041]所述载气可为烃类气体、惰性气体、还原性气体，或它们的混合气体。
[0042]具体地，所述惰性气体可为氩气、氮气或它们的混合气体，以及所述还原性气体可为氢气、氨气或它们的混合气体，但并不限于此。
[0043]本发明还提供一种利用所述装置生产碳纳米管纤维的方法。
[0044]本发明还提供一种利用所述装置制备的碳纳米管纤维。