连续制备单分散碳微球的装置、制备方法及应用与流程

本发明属于微米级碳微球制备技术领域，具体涉及一种连续制备单分散碳微球的装置、制备方法及应用。

背景技术：

20世纪60年代，人们在对焦炭成长过程的研究中意外地发现了一种球形碳材料，进一步的研究结果表明这种球形碳材料是由沥青类化合物在高温处理时发生中间相转变而生成的。

20世纪70年代，yamada和hond从沥青母体中分离出中间相小球，并将其称为中间相碳微球。1978年，lewis在热台显微镜上发现了中间相的可溶热变特征，最终认定中间相可以包括溶剂不溶的高分子量组分及溶剂可溶的低分子量组分。此后，日本学者也进一步发展了碳质中间相理论，并对其结构进行了研究，为广大学者对碳微球做进一步深入的研究提供了更有力的理论指导。所以，近年来越来越多的学者利用非沥青类原料通过不同方法成功地制备出粒径较为均匀的碳微球，大大丰富了碳材料在众多领域的广泛应用。

碳微球具有重要的的发展趋势和应用前景，可应用在锂离子二次电池的电极材料、高比表面活性碳微球、高密度各向同性炭/石墨材料和高效液相色谱柱的填充材料等领域。

目前制备碳微球的方法有热缩聚法、乳化法、悬浮法等。热缩聚法具有工序简单、制备条件容易控制、易实现连续生产等优点，但在反应过程中发生小球融并现象从而使得小球的尺寸分布宽且粒径不均匀，从而限制了收率；而且乳化法和悬浮法由于工艺复杂，应用受到限制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种连续制备单分散碳微球的装置、制备方法及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种连续制备单分散碳微球的装置，包括：

反应室，其顶部设有进料口；

反应器，其设置在反应室内部且其底部设有中心孔，反应器用于熔融物料；

压电传动单元，其设置在反应器内部且一端可将反应器内的物料从中心孔内挤出；

微孔单元，其设置在中心孔底部，用于控制形成颗粒的大小；

加热单元，用于加热反应器；以及

真空单元，为反应器内外提供压力差。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种采用如上所述装置来得到微米级单分散碳微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)将反应器中的熔融状态碳材料与溶剂混合，冷却后得到碳材料一；

(2)将碳材料一熔化后在压电传动单元的作用下从微孔单元中喷出形成液滴，液滴冷却后形成微球，即得到所述的微米级单分散碳微球。

作为本发明的又一个方面，还提供了一种采用如上所述的装置制备得到或采用如上所述的制备方法得到的单分散碳微球。

作为本发明的再一个方面，还提供了如上所述的单分散碳微球在锂离子二次电池的电极材料、各向同性炭/石墨材料和高效液相色谱柱的填充材料领域中的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的连续制备单分散碳微球的装置、制备方法及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明在坩埚中熔化的碳材料在搅拌叶片的作用下均匀分散，之后通过脉冲的方式从坩埚底部小孔喷射出来，经过无容器凝固过程形成碳微球。利用这种方法制备出的碳微球具有粒径分布均一，圆球度高，纯度高，收率和提取效率高等优点。

2、本发明可以连续不断的生产碳微球，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例中所述装置的结构示意图。

上图中，附图标记含义如下：

1-压电传动单元；2-出水口；3-进料口；4-隔热片；5-传动杆；6-坩埚；7-叶片；8-环形加热器；9-炉门；10-微孔装置；11-支架；12-收集室；13-上通气管；14-进水口；15-冷却水；16-放气阀；17-熔体；18-腔体；19-下通气管；20-液滴；21-降落管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种制备单分散碳微球的装置，包括：

反应室，其顶部设有进料口；

反应器，其设置在反应室内部且其底部设有中心孔，反应器用于熔融物料；

压电传动单元，其设置在反应器内部且一端可将反应器内的物料从中心孔内挤出；

微孔单元，其设置在中心孔底部，用于控制形成颗粒的大小；

加热单元，用于加热反应器；以及

真空单元，为反应器内外提供压力差。

所述反应器内部设有用于搅拌物料的搅拌单元；

其中，所述搅拌单元包括叶片；所述叶片水平旋转；所述叶片的轴心与所述压电传动单元的轴心在一条垂直线上；

其中，所述反应室侧壁上设有放气口；放气口内设有起保护作用的连通反应室内部与外部大气的放气阀。

其中，所述反应器及微孔单元与熔体之间的接触角均大于90度，且两者不发生反应；

其中，所述反应器包括坩埚；

其中，所述反应室上设有用于实时观察反应器的观察窗口。

其中，所述压电传动单元包括压电陶瓷、隔热板和传动杆，所述隔热板设置在传动杆上方，所述传动杆底端可伸入反应器内的中心孔内；

其中，所述微孔单元的孔径为0.05-0.8mm；

其中，所述加热单元包括加热器；

其中，所述加热器为环形；

其中，所述加热器为电阻加热器；

其中，所述真空单元包括：

第一通气管，其设置在反应器顶部，用于调节反应器内部的压力；

第二通气管，其设置在反应室侧壁上，用于调节反应室内部的压力；以及

第三通气管，其连通第一通气管和第二通气管，且第三通气管上设有用于调节反应器与反应室之间压力差的第三通气管阀门。

其中，所述制备单分散碳微球的装置还包括用于收集产物的收集单元，收集单元设置在反应室下方；

其中，所述收集单元包括降落管和收集室，降落管设置在反应室与收集室之间，制备好的单分散碳微球从降落管进入所述收集室；

其中，所述制备单分散碳微球的装置还包括用于冷却反应室的水冷单元，所述水冷单元包括冷却水进水口和冷却水出水口；

其中，所述制备单分散碳微球的装置还包括设置在反应室底部起支撑作用的支架。

本发明还公开了一种采用如上所述装置来得到微米级单分散碳微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)将反应器中的熔融状态碳材料与溶剂混合，冷却后得到碳材料一；

(2)将碳材料一熔化后在压电传动单元的作用下从微孔单元中喷出形成液滴，液滴冷却后形成微球，即得到所述的微米级单分散碳微球。

其中，步骤(1)中所述反应器的内外压力差为1-10kpa；

其中，步骤(2)中所述形成液滴的过程具体为：将碳材料熔化后设置预设的脉冲信号，通过调节脉冲波形的参数控制传动杆的上下往复运动，使碳材料从微孔装置中喷出形成液滴；

其中，步骤(2)中所述的脉冲信号为梯形波，所述梯形波的上升沿时间为50-1000μs，保持沿时间为500-5000μs，下降沿时间为500-5000μs；

其中，步骤(2)中所述液滴冷却的方法包括在降落管中自然冷却；

其中，步骤(2)中制备得到的微米级单分散碳微球的圆球度分布s50≥0.94。

其中，步骤(2)中所述碳材料一熔化步骤结束后进行保温步骤；

其中，步骤(2)中碳材料一保温步骤结束后再进行搅拌步骤；

其中，所述搅拌步骤具体为：所述压电传动单元在开启之前，搅拌单元的叶片先工作10-30min，使熔体分散均匀；

其中，所述制备方法的过程具有连续性，所述连续性是通过不断添加原料使反应室内熔体的量保持不变实现的。

本发明还公开了一种采用如上所述的装置制备得到或采用如上所述的制备方法得到的单分散碳微球。

本发明还公开了如上所述的单分散碳微球在锂离子二次电池的电极材料、高比表面活性碳微球、高密度各向同性炭/石墨材料和高效液相色谱柱的填充材料领域中的应用。

在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：

本发明公开了一种连续制备微米级单分散碳微球的装置及方法，包括腔体、坩埚、进料口、环形加热器、压电传动单元、微孔装置、降落管、收集室、搅拌单元、真空单元及水冷单元。本发明设计了一种同时利用搅拌及脉冲作用高效连续制备单分散碳微球的装置，坩埚中熔化的碳材料在搅拌叶片的作用下均匀分散，之后通过脉冲的方式从坩埚底部小孔喷射出来，经过无容器凝固过程形成碳微球。利用这种方法制备出的碳微球具有粒径分布均一，圆球度高，纯度高等优点。

在一个优选实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：

一种连续制备微米级单分散碳微球的装置，包括腔体、坩埚(反应室)、环形加热器、压电传动单元、微孔装置、降落管、收集室、搅拌单元、真空单元及水冷单元；其中：

所述坩埚位于所述腔体内，所述坩埚周围有所述环形加热器，所述压电传动单元位于所述坩埚上方，所述坩埚底部有中心孔与所述微孔装置相连，所述降落管将所述腔体和所述收集室连接起来，所述搅拌单元位于所述坩埚内部。

所述环形加热器是电阻加热器，所述搅拌单元包括叶片，所述叶片水平旋转，所述叶片轴心与所述传动杆轴心在一条垂直线上。

所述进料口将所述坩埚中的熔体和待加原料连接起来，保证所述坩埚中熔体量保持不变。

所述微孔装置的微孔孔径范围在0.05-0.8mm之间。

所述坩埚的材质与加入溶剂后的碳熔体的接触角大于90度，且两者不发生反应。

所述腔体上设有用于高速摄像机实时记录的观察窗口。

本发明还提供了一种利用前述装置连续制备微米级单分散碳微球的方法，包括如下步骤：

(1)预处理：将碳材料在熔融状态下与一定量溶剂进行均匀混合，冷却下来之后备用。

(2)搅拌及脉冲共同作用：将碳材料加热至一定温度熔化，保温5—10min，开启搅拌单元，待分散均匀。设置预设的脉冲信号，通过调节脉冲波形的参数控制传动杆的上下往复运动，使碳材料从微孔装置中喷出形成液滴。

(3)连续性：待加原料从进料口中不断加入，保证坩埚内熔体的量不变。

(4)形成微球：液滴在降落管中无容器凝固形成微球，然后落在收集室中。

(5)反应结束后，关闭装置，取出单分散碳微球。

所述压电传动单元包括压电陶瓷、隔热板及传动杆，所述压电陶瓷的脉冲信号波形为梯形波，所述梯形波的上升沿时间为50-500μs，保持沿时间为500-5000μs，下降沿时间为500-5000μs。

给坩埚内外一个额定压差，控制在1-10kpa。

所述压电传动单元在开启之前，搅拌单元的叶片先工作10-30min，使熔体分散均匀。

适合通过本发明方法连续制备微米级单分散碳微球，制备得到的微米级单分散碳微球的圆球度分布s50≥0.94。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

将原料装入坩埚中，关闭炉门，接着对坩埚腔室和腔体抽真空，然后通过环形加热器对坩埚进行加热，将碳材料熔化成熔体，接着启动搅拌单元，叶片水平旋转使熔体混合均匀，再给压电传动单元输入脉冲信号，压电传动单元带动传动杆向下挤压熔体，熔体从微孔部件的微孔中喷射出来形成液滴，液滴在降落管中无容器凝固成单分散微球。同时，原料从进料口不断加入，保证坩埚内熔体的量不变。

实施例1

制备石墨的单分散微球，首先将石墨原料装入定制带中心孔的坩埚6中，装入量大约为坩埚6容量的1/2；然后将微孔装置10固定在坩埚6的正下方，保证坩埚6的中心孔与微孔在同一垂直线上；将传动杆5固定在坩埚6中心孔正上方，装上热电偶测温装置，关闭炉门9；先用机械泵将坩埚6内外同时抽低真空，待电阻单元真空计示数达到4pa以下，然后开启分子泵对坩埚6内外抽高真空，待电离单元真空计示数达到8×10^-3pa以下，即可关闭抽真空单元；打开上通气管13(第一通气管)和下通气管19(第二通气管)，同时对坩埚6和腔体18通入高纯惰性气体ar；通过压差感应器使坩埚6与腔体18之间的压差达到50kpa；接着打开环形加热器8对坩埚6内的原料进行加热，达到预定温度后保温15min；随后开启搅拌单元，叶片7水平旋转，工作20min使熔体17充分混合均匀；然后给压电驱动装置1输入梯形波的脉冲信号，压电驱动装置1带动传动杆5进行上下往复运动，将熔体17从微孔中打出来，形成液滴20；待加原料熔化后从进料口3中不断加到坩埚6中，保证坩埚内熔体的量不变；液滴20在降落管21中无容器凝固形成微球，落在收集室12内；待收集结束后，停止环形加热器8和叶片7，关闭进料口3，将传动杆5升起，其次关闭上通气管13、下通气管19；等待30min后，关闭冷却水15，打开收集室12，取出单分散碳微球。

实施例2

制备木炭的单分散微球，首先将木炭原料装入定制带中心孔的坩埚6中，装入量大约为坩埚6容量的3/4；然后将微孔装置10固定在坩埚6的正下方，保证坩埚6的中心孔与微孔在同一垂直线上；将传动杆5固定在坩埚6中心孔正上方，装上热电偶测温装置，关闭炉门9；先用机械泵将坩埚6内外同时抽低真空，待电阻单元真空计示数达到4pa以下，然后开启分子泵对坩埚6内外抽高真空，待电离单元真空计示数达到8×10^-3pa以下，即可关闭抽真空单元；打开上通气管13和下通气管19，同时对坩埚6和腔体18通入高纯惰性气体ar；通过压差感应器使坩埚6与腔体18之间的压差达到45kpa；接着打开环形加热器8对坩埚6内的原料进行加热，达到预定温度后保温15min；随后开启搅拌单元，叶片7水平旋转，工作20min使熔体17充分混合均匀；然后给压电驱动装置1输入梯形波的脉冲信号，压电驱动装置1带动传动杆5进行上下往复运动，将熔体17从微孔中打出来，形成液滴20；待加原料熔化后从进料口3中不断加到坩埚6中，保证坩埚内熔体的量不变；液滴20在降落管21中无容器凝固形成微球，落在收集室12内；待收集结束后，停止环形加热器8和叶片7，关闭进料口3，将传动杆5升起，其次关闭上通气管13、下通气管19；等待30min后，关闭冷却水15，打开收集室12，取出单分散碳微球。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。