碳纳米管制造装置的制作方法

专利名称：碳纳米管制造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使用气相流动方法生产诸如碳纳米管和碳纤维的碳纳米管 的碳纳米管合成工艺装置。
背景技术：
碳纳米管是由结晶形碳构成的圆筒状石墨晶体薄层。更具体讲，由处于六角晶格 中的碳原子六元环形成平面或曲面状石墨烯薄片，并将该石墨烯薄片卷成圆筒状碳纳米 管。碳纳米管的直径一般为0. 4nm至数十纳米，且碳纳米管的长度通常为数十至数千纳米， 或是其直径的许多倍。这类碳纳米管具有高强度以及优良的导电性、导热性和润滑性，因此已引起人们 对其各方面应用的关注。此外，为降低碳纳米管的推广使用成本，要求采用更高效的碳纳米 管生产技术。一种被称为气相流动的方法已成为碳纳米管的生产技术之一。通过使用这种气相 流动方法，使含碳材料和金属催化剂在高温炉内随载气流动，由此使在气相中的诸如碳源 的材料发生热分解和合成，从而生产碳纳米管。由于这种气相流动方法适用于批量生产，已 就该方法提出很多改进的技术/工艺。

发明内容
技术难题通过使用这种气相流动方法，位于反应管下游的排放管有时会被制得的碳纳米管 阻塞。具体地讲，虽然在反应管中合成的碳纳米管应向下游方向流动、且应最终通过位于 反应管下游的排放管向外排放，但在该传输过程中碳纳米管有时会粘附到排放管的内表面 上。一旦碳纳米管被粘附到排放管的内表面上，即使只有少量，更多的碳纳米管就会轻易地 粘附到(或轻易地被捕集到)已粘附在内表面上的碳纳米管上，由此使碳纳米管在排放管 中的积聚数量迅速增加。这样有可能最终导致碳纳米管阻塞排放管。为解决这一难题，需 常规性定期中断生产装置的运行，并除去粘附在排放管内表面上的碳纳米管。然而，上述定 期中断生产装置的运行并除去碳纳米管的做法已造成一些问题，包括降低碳纳米管的生产 效率和增加操作人员的负担。在文献JP 2001-73231A和JP 2001-115342A中公开了避免碳纳米管粘附到反应 管内表面上的技术。然而，这些技术旨在避免碳纳米管粘附到反应管上，但不能由此避免碳 纳米管粘附到排放管上。此外，虽然已提出多种关于气相流动方法的其他改进技术，但目前 尚不存在可适当避免碳纳米管粘附和阻塞排放管的技术。因此，难以提高碳纳米管的生产 效率。因此，本发明旨在提供一种可提高碳纳米管生产效率的碳纳米管合成工艺装置。解决方案根据本发明的一方面，提供一种通过使用气相方法生产碳纳米管的碳纳米管合成工艺装置。该装置包括反应管；给料设备，用于从反应管的上游侧供应含碳原料；加热设 备，用于加热反应管并由此在反应管内产生可使含碳原料发生热分解的反应场，从而制得 碳纳米管；排放管，位于反应管的下游，用于向外部输送在反应管中制得的碳纳米管；以及 旋转流动产生设备，用于产生从排放管的内侧面沿其内侧面流动的旋转流动。根据另一优选实施例，旋转流动产生设备包括多个位于排放管内侧面上的喷嘴， 用于沿偏离排放管中心的方向喷射气体。优选多个喷嘴等间隔位于排放管的圆周方向上。 此外，优选喷嘴位于低于喷嘴容许温度的排放管低温区域的上游端附近。本发明优点根据本发明，在排放管内产生从排放管内侧面沿其内侧面的旋转流动。通过这种 旋转流动，可使碳纳米管与壁面隔离，且向排放管的中心传输，从而可有效避免碳纳米管粘 附到内侧面上以及由此造成的排放管阻塞。此外，即使碳纳米管粘附到内侧面上，碳纳米管 也可被旋转流动移走。由此可使碳纳米管合成工艺装置连续运行，从而提高其生产效率。


下文将结合附图对本发明的这些和其他目的作说明。这些附图中图1是本发明实施例所述碳纳米管合成工艺装置的结构示意图；图2是排放管的横截面示意图；图3是沿图2中A-A线的横截面图；以及图4是沿图2中B-B线的横截面图。参考编号10.碳纳米管合成工艺装置；12.反应管；14.加热设备；18.原料给料机构；20.原 料槽；22.泵；24.原料给料线；26.给料喷嘴；28.进气管；30.罩；32.排放管；34.喷嘴。
具体实施例方式下文将结合附图描述本发明的优选实施例。图1是本发明一实施例所述碳纳米管 合成工艺装置10的结构示意图。碳纳米管合成工艺装置是一种采用气相流动方法生产碳 纳米管的装置，它包括反应管12、用于加热反应管12的加热设备14、用于向反应管12供应 原料液体的原料给料机构18、用于将在反应管12中制得的碳纳米管输送到收集槽(未显 示)中的排放管32等。反应管12是一管状元件，它由下述加热设备14加热，以在其中产生可进行碳纳米 管合成反应的反应场。根据本实施例，使用被称为垂直向下流动型的反应管12，它可使在反 应管12中从上向下进行碳纳米管的合成反应。然而，只要反应场稳定，也可使用合成反应 从下向上进行的垂直向上流动型反应管、以及合成反应沿横向进行的横向型反应管。此外， 虽然期望反应管12大体上呈圆筒状，但只要反应场稳定，反应管12也可呈矩柱状。加热设备14位于反应管12的外围表面周围。加热设备14例如由电炉组成，用于 将反应管12的内部加热至可合成碳纳米管的温度(以下称为“合成温度”)。加热设备14的布置方式可使加热设备14尽可能均勻加热反应管12的内部。不 过，在反应管12的边缘部分的热耗面积通常大于在反应管12的中心部分的热耗面积，由此 易使边缘部分的温度较低。换言之，在反应管12的内部可产生向反应管12的两端温度降低的温度分布。虽然不可能清楚确定该温度分布的边界，但在反应管12的上游边缘附近形 成低于合成温度的第一中间温度区域Ea、以及在反应管12的下游边缘附近形成低于合成 温度的第二中间温度区域Ec。此外，在反应管12的中心部分(即在第一中间温度区域Ea 与第二中间温度区域Ec之间)形成温度达到碳纳米管合成温度的反应区域Eb。虽然该处 在本实施例中加热设备14只位于反应管12的外部周围，根据反应管12的内径以及每台加 热设备14的性能，加热设备14还可位于反应管12的内部。由原料给料机构18向反应管12供应原料液体。原料给料机构18包括原料槽20、 给料喷嘴26、原料给料线24、泵22等。原料槽20是用于储存原料液体的容器。原料液体 是一种含碳液体，或是一种由有机金属催化剂、含有机金属催化剂的反向胶团粒子、催化剂 助剂等混合而成的液体。原料液体通过原料给料线24被输送给多个给料喷嘴26。由泵22 输送原料液体，对该泵22的操纵是由控制段(未显示)控制的。给料喷嘴26可雾化和供应已从原料槽20输送到反应管12的原料液体。给料喷 嘴26位于反应管12的上游边缘，且其前端从反应管12的上游边缘表面延伸到反应管12 的内部，从而到达反应区域Eb。图1显示一实施例，其中有两个给料喷嘴26，且未特别限制 给料喷嘴26的数量，有可能有一个、三个或更多个。当向高温反应管12供应由给料喷嘴26喷出的雾化原料液体时，原料液体中所含 的碳源、有机金属催化剂、以及催化剂助剂被蒸发。然后，有机金属催化剂发生热分解，得到 催化剂细粒。当碳源与这样制得的催化剂细粒接触时，在催化剂细粒表面上形成由碳原子 构成的六边形平面，由此形成圆筒状石墨烯薄片。进而，在催化剂细粒在反应管12内沉积 的过程中，该石墨烯薄片沿纵向逐渐生长，从而制得碳纳米管。在给料喷嘴26的周围设有载气的进气管28。进气管28通过供气线与供气源连 接。载气不影响碳纳米管的合成反应，且向下游侧传输原料和制得的碳纳米管。上述供应原料和载气的方法只是实施例，只要可通过在气相中发生原料合成反应 的气相流动方法制得碳纳米管，就可根据需要修正。例如，可以气态而非液态(原料液体) 的形式供应原料。同时，进气管28不仅可位于给料喷嘴26的周围，还可位于反应管12的 内部周围边缘附近，以使载气从进气管28沿反应管12的内侧面流动。通过使用这种结构， 可避免碳纳米管粘附到反应管12的内侧面上。排放管32与反应管12的下游边缘连接。排放管32是一管状体，用于向外输送在 反应管12中制得的碳纳米管，且通过罩30与反应管12的下游边缘连接。收集槽位于排放 管32的下方，用于收集制得的碳纳米管。碳纳米管通常易于阻塞排放管32。更具体讲，虽然流向排放管32的碳纳米管应 通过排放管32排放到收集槽中，一些碳纳米管仍会粘附到排放管32的内表面侧并在此停 留。当一些碳纳米管粘附在排放管32的内侧面上时，更多的碳纳米管会轻易地粘附到这些 碳纳米管上。还会有更多的碳纳米管依次粘附到已被粘附的碳纳米管上。最后，大量的碳 纳米管相互咬合并停留在排放管32的内侧面上，这有可能使碳纳米管阻塞排放管32的内 部。有可能已在反应管12中同样发生这类由碳纳米管造成的阻塞。不过，对于 避免阻塞反应管12，已提出很多常规性改进技术(例如文献JP 2001-73231A和JP 20011-115342A)，由此可在一定程度上避免阻塞反应管12。
另一方面，尚未提出有效避免阻塞排放管32的常规性技术。此外，由图1可清楚 看出，排放管32未由加热设备14加热。经验数据显示，高温部分与低温部分相比，碳纳米 管易于粘附到低温部分上。换言之，排放管32比反应管12更有可能被碳纳米管阻塞。事 实上，不希望发生这种阻碍向收集槽排放碳纳米管的排放管32的阻塞。为解决这一难题， 有必要常规性定期中断碳纳米管合成工艺装置10的运行，以除去粘附在排放管32内侧面 上的碳纳米管，从而避免排放管32被阻塞。这些中断生产装置10以及除去碳纳米管的定 期操作降低了碳纳米管的生产效率，并增加了操作人员的负担。因此，根据本实施例，使排放管32具有特殊结构，以避免碳纳米管阻塞排放管32， 如下文详述。图2是排放管32的横截面示意图(未显示将排放管32与反应管12连接起来的 罩30)。此外，图3是沿图2中A-A线的横截面图，图4是沿图2中B-B线的横截面图。本实施例所述排放管32是一管状体，通过罩30与反应管12的下端连接(参见图 3)，且其内径大体上与反应管12的内径相等。不过，排放管32靠近上游边缘的部分(即在 反应管12侧的边缘部分)形成有其内径向上游边缘逐渐减小的略微渐缩部分32a，如图3 所示。换言之，排放管32在上游边缘附近的壁比在下游侧的壁稍厚些。这种在上游边缘附 近壁更厚些的结构有助于稳定支承喷嘴34，如下文所述。然而，只要可确保能够稳定支承喷 嘴34，并不总是有必要使用更厚的壁部分(锥形部分)，且可使用壁厚均勻的直管体或提供 轮毂等形式的支座。在排放管32的侧面上固定有多个(在所述实施例中为六个)喷嘴34。这些多个 喷嘴34起到旋转流动产生设备的作用，可在排放管32内产生旋转流动。每个喷嘴34均与 供气源(未显示)连接，且根据控制器的指令向排放管32内喷射气体。只要在合成反应后 所喷射的气体不降低或改变碳纳米管的质量，这种气体就不特别受到限制。因此，可使用与 载气相同的气体，或使用氮气。此外，从每个喷嘴34喷射出的气体的流速(流量)大小应 可使碳纳米管在传输期间不发生粘附。如图2所示，所述喷嘴34沿偏离排放管32的中心0的方向固定在排放管32的侧 壁上。在该实施例中，所有喷嘴34的取向相同。同时，多个喷嘴34等间隔位于圆周方向上。 虽然该处可根据要喷射的气体的流速和喷嘴34的数量适当调节每个喷嘴34相对于直径的 偏转角α，喷嘴34例如可沿与正多边形的边大体上相同的方向布置，且多个喷嘴的顶端位 于该正多边形的顶点所在的位置。更具体讲，在图2所示的实施例中，每个喷嘴34大体上 可沿正六边形(其每个顶点与每个喷嘴34的顶端对应)的每条边布置。此外，如图4所示，每个喷嘴34的安装方向均斜向下。通过这种布置方式，可从每 个喷嘴34中喷射出斜向下流动的气体，且由该气体向下游侧有效传输碳纳米管。该处可根 据喷嘴数量适当调节每个喷嘴的倾角。当根据本实施例布置六个喷嘴时，倾角优选约为10 度，且该倾角可在约士 10度的范围内增大或减小。该处为减少粘附在排放管32内侧面上的碳纳米管的数量，期望每个喷嘴34尽可 能靠近排放管32的上游边缘。然而，与高温反应管12连接的排放管32的上游边缘有可能 具有相对高的温度。更具体讲，如图1所示，在排放管32上游边缘的附近区段中形成温度 大体上与反应管12下游边缘的附近区段中的温度相等的第二中间温度区域Ec。虽然该第 二中间温度区域Ec的温度与进行碳纳米管合成反应的反应区域Eb的温度一样高，但该第二中间温度区域Ec可具有相当高的温度状态(数百度)。因此，喷嘴34在该第二中间温度 区域Ec中有可能发生热损坏。因此，喷嘴34位于温度等于或低于喷嘴34的容许温度的低 温区域Ed的上游边缘附近。当由如上所述布置的多个喷嘴34喷射气体时，在排放管32内形成沿内侧面向下 游侧流动的漩涡状或螺旋状旋转流动(参见图2)。通过这种旋转流动，行经排放管32的碳 纳米管与壁面隔离，且在排放管32的中心附近会聚。换言之，可阻止碳纳米管向排放管32 的内侧面上移动，从而避免碳纳米管粘附到内侧面上。由此可无需定期中断生产设备10的 运行，且无需除去粘附在内表面侧上的碳纳米管，从而可长时间连续运行生产设备10。这样 可显著提高碳纳米管的生产效率。如上所述，根据本实施例，有可能有效避免碳纳米管粘附到排放管32的内侧面 上，从而可显著提高碳纳米管的生产效率。应注意的是，虽然排放管32和反应管12在上述 实施例中是单独的设备，这些设备也有可能被整合在一起。此外，虽然在上述实施例中多个 喷嘴34均位于相同的高度，但喷嘴34也可位于不同的高度。
权利要求
一种通过使用气相方法生产碳纳米管的碳纳米管合成工艺装置，所述装置包括反应管；给料设备，用于从所述反应管的上游侧供应含碳原料；加热设备，用于加热所述反应管，由此在所述反应管内产生可热分解所述含碳原料以制得碳纳米管的反应场；排放管，位于所述反应管的下游侧，用于将在所述反应管内制得的所述碳纳米管输送到外部；以及旋转流动产生设备，用于产生从所述排放管的内侧面沿该内侧面流动的旋转流动。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管合成工艺装置，其中所述旋转流动产生设备包括位于所述排放管内侧面上的多个喷嘴，用于沿偏离所述排 放管中心的方向喷射气体。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管合成工艺装置，其中 所述多个喷嘴等间隔位于所述排放管的圆周方向上。
4.根据权利要求2所述的碳纳米管合成工艺装置，其中所述喷嘴位于所述排放管的低温区域的上游边缘附近，且该低温区域的温度低于所述 喷嘴的容许温度。
全文摘要
本发明公开了一种碳纳米管制造装置，包括内部形成有反应场的反应管、以及位于反应管下游并向外部排放碳纳米管的排放管(32)。多个喷嘴(34)沿偏离排放管(32)的中心(O)的方向位于排放管(32)的侧壁上。当从多个喷嘴(34)中喷射气体时，在排放管(32)中可产生从内侧面沿内侧面流动的漩涡。通过旋转流动可避免碳纳米管粘附到排放管(32)的内侧面上，由此可使该装置连续运行。
文档编号C01B31/02GK101910061SQ200880125329
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年1月21日
发明者中川裕三, 村井刚次, 素木岫一 申请人:日机装株式会社