[0045]根据本发明的装置，包含有分散其中的催化剂的纺丝溶液可长时间停留在所述反应器的热区域中，使得能够制备长度长、强度高、弹性高的碳纳米管纤维。基于这些优点，碳纳米管纤维预期可开辟出要求有高比表面积、卓越的机械性能和高电导率的多种应用领域，包括多功能复合材料的增强剂，利用稳定且可再现的压电电阻效应的变形/损坏传感器，要求高电导率的输电电缆，以及电化学装置，例如，用于生物物质检测的微电极材料、超级电容器和传动装置。
【附图说明】
[0046]图1示意性地图示了通过直接纺丝法制备碳纳米管纤维的常规装置的结构；
[0047]图2图示了根据本发明的一个实施方式制备碳纳米管纤维的装置；
[0048]图3为图2中A部分的放大图；以及
[0049]图4至图6示意性地图示了根据本发明的其他实施方式制备碳纳米管纤维的装置。
【具体实施方式】
[0050]将参照图示本发明的实施方式的附图对本发明进行详述。然而，可以理解的是，本发明并不限于特定的示例性实施方式，而是包括在本发明的精神和范围内所包含的全部改进方式、等同方式和替代方式。
[0051 ] 在所有图中相同的附图标记指代相同的部件。
[0052]可以理解的是，尽管文中采用术语“第一”、“第二”、等来描述各种不同的部件，但这些部件并不受这些术语的限制。这些术语仅用来区分一个部件与另一个部件。
[0053]术语“和/或”涵盖诸多所公开的相关项目的结合，以及诸多所公开的相关项目中的任一项目。
[0054]当提及一个部件“连接”或“接入”另一个部件时，这可表示其直接连接或接入该另一部件，但可以理解的是，还可以在二者之中或之间存在有其它部件。
[0055]单数形式的措辞涵盖复数形式的措辞，除非在语境中有明确不同的含义。
[0056]在本申请中，可以理解的是，术语如“包含”、“包括”、“具有”等等的意思是指在说明书中公开的所述特征、数字、操作、功能、部件、零件或其组合的存在，并不意味着排除可能存在或加入一种或多种其它的特征、数字、操作、功能、部件、零件或其组合。
[0057]本文中所用的术语“碳纳米管纤维”的意思是包括通过碳纳米管的生长或熔融所制备的所有类型的纤维。
[0058]已知溶液纺丝、阵列纺丝、气凝胶纺丝和薄膜扭转/卷绕是制备碳纳米管纤维的技术。本发明基于化学沉积(⑶，chemical deposit1n)，其中由将纺丝溶液输入至反应器后即刻形成的碳纳米管气凝胶直接纺丝成碳纳米管纤维或条带。
[0059]直接纺丝是如下的工艺，其中将催化剂加入碳源中，得到的纺丝溶液连同载气以恒速引入竖炉(vertical furnace)中以合成碳纳米管，接着以连续的方式制备仅由所述碳纳米管组成的碳纳米管纤维。
[0060]按照采用直接纺丝制备碳纳米管纤维的常规方法，通过炉顶引入的催化剂分散体系和载气沿着炉不断地下降，因此，其没有长时间停留在炉中的热区域中。
[0061]因此，本发明提供一种装置，该装置设计为使得催化剂分散体系和载气以恒速通过炉底引入，从而形成向上的层流，这防止催化剂沿着炉不断地下降并使得催化剂长时间停留在反应器的热区域中。
[0062]下文中，将参照附图对本发明进行详述。
[0063]图1图示一种根据本发明的一个实施方式的制备碳纳米管纤维的装置；图2为显示图1中A部分的放大图。
[0064]具体地，本发明的装置包括:具有反应区域的竖直反应器111 ;
[0065]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 130 ;
[0066]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 132 ;
[0067]加热器121，用于加热所述反应区域；以及
[0068]排放单元133，其设置于所述反应区域顶部并且通过其将碳纳米管纤维从所述反应器中排放出来，
[0069]其中，通过所述纺丝溶液进口 130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 132进入的载气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141。
[0070]所述装置可进一步包括用于向所述纺丝溶液进口 130供应纺丝溶液的供料单元200 ;以及用于向所述载气进口 132供应载气的供料单元300。
[0071 ] 所述纺丝溶液通过所述纺丝溶液进口 130从纺丝溶液供料单元200流入所述反应器111中，并通过喷雾嘴131供应至所述反应区域，如图1所示，但所述纺丝溶液的流入和供应并不限于此。
[0072]所述纺丝溶液供料单元200可包括:混合单元210，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220，用于将所述纺丝溶液从混合单元210输送到供给喷嘴。
[0073]当所述纺丝溶液被供应至所述反应器时，优选通过载气形成层流。因此，优选通过载气进口 132进入的载气以能够形成层流151、151’的线速度流入所述反应区域。结果，当分散于纺丝溶液的催化剂向上流动时，碳纳米管得以合成，接着其生长和熔融以形成碳纳米管纤维，如图3所示。
[0074]优选地，进入所述反应器111的载气形成了通过反应器内横截面的均匀的层流。为了实现该目的，可以使用分配板。将结合图4至6更详细地描述与层流形成相关的【具体实施方式】。
[0075]所述载气从包括气柜310和流量控制器320的所述载气供料单元300经过所述载气进口 132流入所述反应器111。通过所述流量控制器320，以能够形成层流151的线速度供应所述载气。
[0076]具体的说，如通过公式I计算的，优选以对应于雷诺数(Re)为I或更小的线速度供给通过所述载气进口 132进入的所述载气:
[0077]Re = P uD/ μ (I)
[0078]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)。
[0079]按照采用直接纺丝制备碳纳米管纤维的常规方法，载气从炉顶通入并移动至炉底，通过自然对流形成湍流，使得难以以稳定且连续的方式合成碳纳米管。相比之下，根据本发明，所述载气的流速降低，从而防止包含有分散其中的催化剂的纺丝溶液上升至炉顶，并在所述反应器热区域形成层流，因此，使得所述催化剂在所述炉的热区域中停留更久。准确控制所述载气和所述纺丝溶液的供应速率，对在所述反应器热区域中的层流的形成尤为重要。
[0080]假设所述载气为氢气，来讨论用于层流形成的所述载气的流速范围和催化剂颗粒的浮动性的所述载气的流速范围。
[0081]反应器直径(D):0.1m
[0082]反应温度:1273Κ
[0083]载气:Η2
[0084]催化剂颗粒:铁颗粒(由纺丝溶液中所含的二茂铁形成，并假设其以平均粒径5nm分布)
[0085]层流形成的流速范围的计算
[0086]H2密度(P H2):0.0096kg/m3(在 1273K)
[0087]H2粘度(μ H2): 2.15 X l(T5kg/m.s (在 1273K)
[0088]为使气体在所述反应器中形成层流，所述雷诺数(Re)必须小于I。
[0089]Re = P uD/ μ = 0.0096kg/m3.u.(0.lm) /2.15 X lCT5kg/m.s
[0090]为使Re〈l, u 应当小于 0.0223m/s ( = 2.23cm/s)。
[0091]即当所述反应器直径为0.lm，所述反应温度为1000°C，以及所述载气为氢气时，所述载气的流速应当为2.23cm/s或更小。
[0092]所述载气流速的下限考虑为所述催化剂颗粒不再能流动的水平。理论计算上，对催化剂颗粒来说，在线速度为10_14cm/s左右时流动就不再可能，但lmm/s左右的线速度可以被认为是流速的实际下限。在这个实例中，当用氮气代替氢气作为载气时，在1.72mm/s或更小时形成层流。
[0093]催化剂颗粒的浮动性
[0094]当假设形成于所述反应器中的催化剂颗粒的直径为5nm时，所述催化剂颗粒的浮动状态可通过比较催化剂颗粒的拉力与重力来预测。根据斯托克斯定律(Stokes’law)，所述拉力通过公式2来确定:
[0095]拉力=6JT η rv (2)
[0096]其中q为流体粘度，r为颗粒半径，以及V为气体流速。
[0097]重力=mg(3)
[0098]其中m为颗粒的质量，g为重力加速度。
[0099]将数值代入上述公式得
[0100]F拉力=6 π (2.15Χ l(T5kg/m.s) (2.5 X 10? (0.0223m/s) = 2.26 X KT14N
[0101]F18 Λ = mg =(所述催化剂颗粒的体积)X (催化剂颗粒的密度)X g =(6.54X 1(Γ26ι?3) X