合成碳纳米管的装置的制作方法

专利名称：合成碳纳米管的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合成碳纳米管的装置，特别是涉及将合成碳纳米管的未反应气体
排出到排放单元，并包括阻挡合成的碳纳米管之排放物和催化剂排出的阻挡单元的合成碳 纳米管的装置。
背景技术：
碳纳米管(Carbon nanotubes，简称CNT)是由地球上存在的碳所组成的一种碳的 同素异形体。 一个碳原子与另一个碳原子以蜂窝状形式连接以形成管状物，该管状物的直 径只有数个纳米。碳纳米管(CMT)具有很好的机构特征，优良的场发射特征和高效能之氢 储存介质特征其并习知为一种具有发展前瞻性的新型材料。 碳纳米管能够通过先进的合成技术制造，该技术包括以下之例子电弧放 电法(arc-discharge)，激光蒸发法(laser v即orization)，等离子体增强化学气相 沉积法(PECVD)，热化学气相沉积法(thermal chemical vapord印osition)，电解法 (electrolysis)，火焰合成法(flame synthesis)。
总体上，制造碳纳米管的工艺可以分为以下过程将催化剂施放於用以合成碳纳
米管的塔板上；将已经施放催化剂的塔板插入到反应管中，并使得反应气體与所施放的催
化剂进行反应，从而合成碳纳米管；回收已经在塔板上合成完毕的碳纳米管。 根据反应管放置的形式，可以将用以合成碳纳米管的装置分为水平型和垂直型。
由于在反应管尺寸，反应气体消耗和效率上的优势，具有垂直型反应管的合成碳纳米管的
装置正在积极开发中。 此外，根据形成碳纳米管之管壁的组合的数量，碳纳米管的种类可以分为单壁纳 米管(SWNT)和多壁纳米管(丽NT)，特别是组合成束型的单壁纳米管被称为袍状碳纳米管 束(robe nanotubes)。这些碳纳米管的种类可以按和反应气反应的催化剂的形式，即催化 剂密度形状，颗粒尺寸所决定，而其中所使用的催化剂的类型可以按催化剂的制造方法而 决定。 在垂直型碳纳米管合成器中，催化剂位于反应管的内部，通过向催化剂喷射反应 气体，并使催化剂藉由喷射压力的作用下而浮动于该反应管之内，以达成合成之动作。于 此，用于排出剩余反应气体的排放单元和剩余气体位于反应管上部，并具有一个阻挡单元， 使得只有反应气可以通过该排放单元排出，而合成的碳纳米管与催化剂不排出。
这里，需要提供一种阻挡单元，其能够有效地将反应气体排出，阻止合成的碳纳米 管和催化剂的排出，并且能够阻止合成的碳纳米管和催化剂的堆积。以上系基于，通过阻挡 单元所阻挡而未排出的合成的碳纳米管和催化剂再次在反应管里合成，能够使产率得到提 高。

发明内容
本发明的目的是提供一种垂直型之合成碳纳米管装置中的阻挡单元，其通过形成在被分成于一多边形结构中之各个单元上的阻挡叶片，有效地排出残留反应气体，并有效 地阻挡合成的碳纳米管和催化剂。 然而，本发明的内容并不限于在此所提出的一种陈述。通过参照以下之本发明给 出的具体实施方式
，本发明以上和其他内容对本发明所属领域的一般技术人员将变得更加 显而易见。 根据本发明的一个方面，提供一种合成碳纳米管的装置，该装置包括一提供用于 合成碳纳米管之空间并且在垂直方向呈现为长形的反应管；一形成于反应管外部的加热单 元，其用于加热反应管；一供气单元，其喷洒一用以与位于反应管内的催化剂反应而合成碳 纳米管的反应气体；一连接于反应管上部的排放单元，其排出用以合成碳纳米管之未反应 的反应气体；以及一形成于反应管内部的阻挡单元，其仅将用以合成碳纳米管之未反应的 反应气体排至排放单元，而阻挡等碳纳米管和催化剂之排出，其中阻挡单元的横截面分为 多个多边形结构，而向下倾斜的阻挡叶片形成于被分开之各个单元之上。


通过参考以下附图对实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的的特征将会更 加显而易见。
图1所示是根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的结构的透视图；
图2所示是根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的结构的垂直剖视图；
图3表示根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置中的催化剂插入单元的实 例。 图4所示为根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置内的混合器形状的透视 图； 图5表示根据本发明一实施例的蜂窝状结构的阻挡单元； 图6所示为形成在被分成于一蜂窝状结构中之各个单元上之阻挡叶片的透视图；
图7所示为根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置所包含之阻挡单元的剖 视图； 图8所示为根据本发明一实施例的合成碳纳米管装置之呈现出多层结构之阻挡 单元的剖视图。
具体实施例方式
通过参考对实施例和附图的下列详细说明，本发明的优点和特征，以及实现本发 明之的方法将更加容易理解。然而，本发明可以以多种不同形式实施，不得解释为受此处陈 述的实施例的限制。更确切地说，提供这些实施例是为了使公开充分和完整，并能完全地传 达给本领域技术人员本发明的构思，本发明也将只受权利要求书的限定。整个说明书中，相 同的附图标记表示相同的部件。 接下来，将参考用于解释根据本发明实施例的合成碳纳米管的装置的附图，对本 发明进行描述。 图1所示是根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的结构的透视图；图2所 示是根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的结构的垂直剖视图；图3表示根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置中的催化剂插入单元的实例。图4所示为根据本发明一 实施例的合成碳纳米管的装置内的混合器形状的透视图；图5表示根据本发明一实施例的 蜂窝状结构的阻挡单元；图6所示形成在被分成于一蜂窝状结构中之各个单元上之阻挡叶 片的透视图；图7所示为根据本发明一实施例的合成碳纳米管装置所包含之的阻挡单元的 剖视图；图8所示为根据本发明一实施例的合成碳纳米管装置内之呈现出的多层阻结构之 挡单元的剖视图。 根据本发明的一实施例的合成碳纳米管的装置100可以包括一反应管IOO，一加 热单元120，一供气单元130，一排放单元150，和一阻挡单元170。该装置还可以进一步包 括一混合器140和一催化剂输入单元160。 反应管110提供用于进行碳纳米管合成空间，并且该反应管在垂直方向呈现为长
形。反应管iio可以提供为垂直的圆筒形，可以由耐热材料如石英或石墨制成。 接下来将更加详细地描述，反应管可以分为一管体110a，一下部110b，一上部 110c，在上部形成排放单元。圆筒形反应管110系关于可以指反应管110的管体110a的形 状。混合器140能够将反应气和催化剂(M)均匀地混合一混合器可以形成于反应管的内部。
加热单元120安装在反应管100的外部，用于加热反应管IIO，能将反应管110的 内部加热至合成碳纳米管所必须的工艺温度。这就要求在内部进行合成的管体110a必须 能够被加热。当进行合成碳纳米管的工艺时，反应管110的内部保持在大约超过50(TC左右 的温度，而最好能够在65(TC和IOO(TC之间。加热单元120可以使用具有线圈形状并且覆 盖在反应管的外壁上的加热线(图中未示出)。加热单元120的构造并不受此限制，本领域 的技术人员可以进行改变。 如图2所示，用于通过与反应气体进行反应进而合成碳纳米管的催化剂(M)，可以 被包含于反应管110的下部。催化剂(M)可以是金属粉末或蒸发的金属，其最好能够为含 有磁性物质如铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)的有机金属化合物。 此外，提供催化剂(M)的催化剂输入单元160可以连接到反应管110的下部110b。
如图3所示，催化剂输入单元160可以包括一用以储存已制备好的催化剂之催化 剂存储单元以及一用于将催化剂(M)从催化剂存储单元162供应到反应管110内部之催化 剂供应线161。图3示意了一项实例，其中藉由根据螺距而旋转位于该催化剂供应线161内 部的螺杆，而将固定量的催化剂输入到反应管110内部。将催化剂供应到反应管110内部 的方法不受此限制，多种其它方法也可以使用，如将催化剂喷洒至反应管110内。此外，虽 然没有在图中说明，但还可以有一与该催化剂存储单元162相连之催化剂还原单元，该催 化剂还原单元能够还原被氧化的催化剂(M)。 如上所述，反应管110可以制成垂直的圆筒形，而該垂直的圆筒形提供一用以充 分合成碳纳米管的空间。 另外，如图4所示，包含催化剂(M)的反应管110的下部，也可以采用各种形式来 增加催化剂(M)的浮动性。如图2所示，反应单元110的下部最好能够为一具有向下方变 窄之横截面的圆锥形。其中圆锥形的型式可以包括玉米形或锥形。 如图2所示，由于反应管110的下部倾斜地形成为一圆锥形，如果通过将于稍后要 描述的供气单元130而将该反应气体喷洒至该催化剂，在上部的浮动的催化剂(M)就会沿 着反应管的管体110a的侧壁向下移动，并可以在反应管110的下部均匀混合。因此，包含在
5反应管110的端部110b的催化剂(M)的空余空间，能够得到填充，并且，通过供气喷嘴130 喷出的反应气体的喷射压力，其(催化剂)能够浮动于反应管110的内部空间。
参照图2，反应管110的上部110c可以制成具有比管体110a大的直径，使得催化 剂(M)或合成的碳纳米管不会被排出到排放单元150，通过增大上部110c的横截面而使催 化剂或碳纳米管的流动速度降低，因此它们又掉落到管体llOa。在反应管110内的催化剂 (M)或反应气体的流动如图2所示。 供气单元130与位于反应管110内的催化剂(M)反应，并喷射合成碳纳米管的反 应气。参照图2，供气单元130水平安装，从反应管110上部110c导向包含催化剂(M)的下 部llOb，能够朝下部llOb喷射用以合成碳纳米管的反应气体而与催化剂(M)反应。在通过 供气单元130喷出的反应气体的喷射压力作用下，储存在反应管110下部的催化剂(M)能 够浮动起来。 反应气可以使用的含碳气体例如是乙炔，乙烯，甲烷，苯，二甲苯，环己烷，一氧化 碳和二氧化碳。反应气体能够通过加热热分解而分成很多基团，并且这些基团可以与来自 于反应管110下部110b的浮动催化剂(M)进行反应而合成碳纳米管。
此外，供气单元130可以根据催化剂的类型，也就是催化剂的形状、密度、尺寸，调 整反应气体的流速。所以，如图2所示，在连接供气单元130和储存反应气体132的气体存 储单元132的供气管131上，还可以安装有向供气单元供应反应气体的压力泵(图中未示 出)和流量调节阀133。供气单元130、供气管131、压力泵和流量调节阀133的结构并不限 于此，本领域技术人员可以进行各种形式的变换。 另外，除了供气单元130之外，还可具有一用以供应流动气体于反应管110内的流 动气体供应单元(图中未示出)。流动气体阻止在反应气和催化剂之间反应而产生的碳纳 米管由于其自身的重量而掉落到反应管110的下部，并可以通过在反应管110内形成的一 流动区，活化反应气与催化剂(M)之间的反应。惰性气体如氦气、氮气、氩气能用作流动气 体，其他一些气体如甲烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳或其中一种气体与氩气的混合物也可 以作为流动气体。 排放单元150连接至反应管的上部110c，能将未反应气体排出到反应管110外部。 也就是说，在完成碳纳米管合成工艺后，未反应的剩余气体能够经过排放单元150排出到 外面。这些剩余气体里可能包括一些合成的碳纳米管或催化剂(M)，它们通过设置于反应 管110的上部110c的阻挡单元分离出来。通过分离包含在剩余气体中的碳纳米管和催化 剂(M)，只有气体才能被排出到外面。这些排出的剩余气体可能有害，所以这些气体可以在 与排放单元150连接的气体洗涤器(图中未示出)中进行处理，然后再排出到外面。
可以将一搅拌器安装在反应管110内，以使反应管内的反应气體和催化剂(M)能 均匀混合。如图2所示，可以安装搅拌器140用以包覆住呈喷嘴型的供气单元130，并从反 应管110的上部110c沿着反应管110的中心轴线径向而安装。 具有多个叶片的旋转叶轮可以用作搅拌器。如图4所示，搅拌器140包括圆柱形 主体141，该圆柱形主体141具有包覆供气喷嘴130的空心轴143，以及多个形成于主体141 周围的叶片142。多个叶片可以以主体为中心规则地间隔地排列，并且沿着主体而多层排 列。此外，各层叶片也可以相互交叉。本领域技术人员可以根据反应管110的尺寸、反应气 的种类和催化剂(M)的类型而对叶片142的数量和其排列形式进行变换。
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搅拌器140以空心轴143为中心依规则之旋转周期而旋转，可以使反应管110内 的反应气体和催化剂(M)均匀混合。因此，搅拌器140能阻止所合成的碳纳米管粘附在反 应管110的管壁上，催化剂(M)的层膨胀速度也能提高。虽然没有用图示说明，还可具有一 连接于该搅拌器的一端之驱动单元，以旋转搅拌器140。 在搅拌器140的空心轴143上还可以形成有阻挡单元180，该阻挡单元180可以通 过搅拌器140的旋转而与搅拌器140 —起旋转，这将在下面进行说明。
回收单元190，其连接至反应管110的下部llOb，以在合成的碳纳米管被排出到外 面时对其进行回。在比较适合之实施方式中，在完成碳纳米管的合成工艺后，可以通过打开 安装在回收单元190中的闸门(图中未表示)，排出并回收合成的碳纳米管，并保持反应管 150为负压力状态。于此，回收单元190可以冷却到低于一定温度，用以回收合成的碳纳米 管。虽然没有图示说明，还可以安装一用以调整压力的泵和一用以调整碳纳米管回收数量 的阀门。 阻挡单元只将未反应气体排出到排放单元150，而阻挡合成的碳纳米管或催化剂 (M)的排出。如图2所示，阻挡单元180形成于反应管110的上部110c内。反应气、碳纳米 管和催化剂(M)到达阻挡单元180。反应气体经过阻挡单元180被排出到排放单元150，碳 纳米管和催化剂(M)通过阻挡单元180与反应气体分离开来，并掉落下去。
以下将参照图5-8，对根据本发明一实施例的阻挡单元180的结构进行说明。
阻挡单元180的截面被分為多个多边形结构，并且该等阻挡叶片184和186可向 下倾斜地形成于各個多边形结构中。图5所示为六边形蜂窝状的截面。作为参考，图5没 有示出阻挡叶片184和186，阻挡叶片184和186将在下面参照图6和图7进行说明。虽然 没有图示说明，阻挡单元180的截面也可以是多个正方形结构。 而且，阻挡叶片184和186也可以形成在被分成于一多边形中之各个单元182。图 6所示为分为蜂窝结构的单元的透视图，其中具有两个朝向下倾斜的阻挡叶片184和186。 如图7所示，连接两侧的两个阻挡叶片184和186的长度可以不同。在比较适合之实施方 式中，如图7所示，长形的阻挡叶片184可以形成于短形阻挡叶片186的端部下方。也就是 说，当从阻挡单元180的垂直底部观察，在阻挡叶片184和186之间并不存在空白空间区 域。因此，从反应管110的管体110a垂直上升的碳纳米管和催化剂(M)，通过碰撞到阻挡 叶片184和186，就会掉落到反应管110的底部。如果长形阻挡叶片184不位于短形阻挡 叶片186端部的的垂直底部，在从阻挡单元180的垂直底部观察时，就会出现空白空间，所 以从反应管110的管体110a垂直上升的部分碳纳米管和催化剂(M)，就能够穿透阻挡单元 180，并经过排放单元150被排出到外面。 阻挡叶片184和186的倾斜角度可以相同，比较适合的角度为60° 。阻挡叶片184 和186的斜角很大，所以碳纳米管或催化剂(M)不会堆积在阻挡叶片184和186的上部， 而是向下滑动。因此，沿着阻挡叶片184和186又下降到反应管内部的碳纳米管或催化剂 (M)，可以再次通过合成过程，所以碳纳米管的产率能够得到提高。 此外，在本发明中，阻挡叶片184和186形成在被分成于一多边形结构中之各个单 元，所以每个阻挡叶片所占的区域很小。因此，碳纳米管或催化剂(M)不会轻易地堆积在阻 挡叶片184和186的上部。在图中，阻挡叶片184和186具有相同的角度，也可以具有相互 不同之角度。例如，可以使短的阻挡叶片186具有小的向下角度，而使长形的阻挡叶片184
7具有大的向下角度。 而且，根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的阻挡单元1S0，如图8所示， 也可以呈现以一垂直于该反应管110的多层结构。由于阻挡单元180具有多层结构，阻挡 单元180可以两重或三重地阻挡催化剂(M)和碳纳米管的排出，从而改进其阻挡排出的能 力。 此外，如图1所示，阻挡单元180还可以连接到搅拌器140的外部主体141上，并
与搅拌器一起旋转。由于阻挡单元180与搅拌器140 —起旋转，阻挡叶片184和186形成
了反向的气流，因而能够更有效地阻挡碳纳米管和催化剂(M)的排出。 根据本发明一实施例的合成碳纳米管的装置的操作方式将说明如下。 首先，当合成碳纳米管的工艺开始时，对加热单元120供应能量，开始加热反应管
110，反应管110的内部可以被加热到大约为65(TC到IOO(TC的加工温度。此外，可以通过
过催化剂输入单元160提供在反应管110的下部110b还原的催化剂(M)。 如果反应管110的内部温度达到了加工温度，在反应气体供应到反应管110的内
部空间时，可以朝反应管110的下部110b喷入反应气体。催化剂(M)和合成的碳纳米管被
反应气体的喷射压力浮动到反应管的上方。反应气体经过热分解可以被分解为基团，而此
基团可以通过与从反应管110的下部110b浮动上来的催化剂(M)反应而合成得到碳纳米
管。当在反应管110内的合成过程完成后，供气单元可停止供应反应气体。而且，当合成碳
纳米管时，搅拌器规律周期进行旋转以均匀混合反应管内的反应气和催化剂，并阻止合成
的碳纳米管粘附在反应管110的内壁上。于此，如上面所提及的，未反应的反应气体经过阻
挡单元180，通过设于反应管110的上部110c的排放单元150而排出，而浮动的碳纳米管和
催化剂(M)由阻挡单元从反应气体分离开来，并掉落下去而进行再次合成。 当碳纳米管的合成过程完成后，合成的碳纳米管可以经过连接至反应管110的下
部110c的回收单元190進行回收。 本发明的合成碳纳米管的装置具有以下效果。 第一，通过形成在被分成于一多边形结构中之各个单元中的阻挡叶片，能有效地 阻止合成的碳纳米管和催化剂被排出到反应管的外面。 第二，通过倾斜的阻挡叶片，使合成的碳纳米管或催化剂向下流动，能够阻止碳纳 米管或催化剂堆积在阻挡叶片上部。 第三，因为形成在所分成于多边形结构中之各个单元中的阻挡叶片之尺寸较小， 所以能阻止合成的碳纳米管和催化剂的堆积。 第四，合成的碳纳米管和催化剂不会堆积在阻挡叶片上，而是又掉落到反应管中 进行合成，因此能提高产率。 虽然，于此参考实施例对本发明进行了具体表示和说明，本领域技术人员应当理 解在不脱离本发明权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和细节上的 变化。实施例应当被理解为只起说明意义，而不是为了限制的目的。
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权利要求
一种合成碳纳米管的装置，该装置包含一提供用于合成碳纳米管之空间并且在垂直方向呈现为长形的反应管一形成于反应管外部的加热单元，其用于加热反应管；一供气单元，其喷洒一用以与位于反应管内的催化剂反应而合成碳纳米管的反应气体；一连接于反应管上部的排放单元，其排出用以合成碳纳米管之未反应的反应气体；以及一形成于反应管内部的阻挡单元，其仅将用以合成碳纳米管之未反应的反应气体排至排放单元，而阻挡等碳纳米管和催化剂之排出，其中阻挡单元的横截面分为多个多边形结构，而向下倾斜的阻挡叶片形成于被分开之各个单元之上。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，阻挡单元的截面为六边形蜂窝状结构。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，阻挡单元的截面被分为多个正方形结构。
4. 如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，两个分别由相向的侧面向下倾斜的阻挡 叶片形成于各个分开单元上。
5. 如权利要求4所述的装置，其特征在于，形成于各个分开单元的两个阻挡叶片具有 不同的长度，其中长形的阻挡叶片位于短形的阻挡叶片的端部的垂直底部。
6. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，阻挡单元在反应管的垂直方向形成多层结构。
7. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，催化剂位于反应管的端部，供气单元藉由一 从反应管之上部连接到具有催化剂的下部之喷嘴而将反应气体喷洒至催化剂，。
8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，进一步包括搅拌器，该搅拌器包括具有包覆 供气单元的空心轴的圆柱形主体，和多个设置于主体周围的叶片，并且该搅拌器能够旋转。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述阻挡单元随着搅拌器的旋转而一起进 行旋转。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，供应催化剂的催化剂输入单元连接至反应 管的下部。
全文摘要
提供了一种合成碳纳米管的装置，该装置包括一提供用于合成碳纳米管之空间并且在垂直方向呈现为长形的反应管；一形成于反应管外部的加热单元，其用于加热反应管；一供气单元，其喷洒一用以与位于反应管内的催化剂反应而合成碳纳米管的反应气体；一连接于反应管上部的排放单元，其排出用以合成碳纳米管之未反应的反应气体；以及一形成于反应管内部的阻挡单元，其仅将用以合成碳纳米管之未反应的反应气体排至排放单元，而阻挡等碳纳米管和催化剂之排出，其中阻挡单元的横截面分为多个多边形结构，而向下倾斜的阻挡叶片形成于被分成之各个单元之上。
文档编号B82B3/00GK101734649SQ200910222608
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月19日 优先权日2008年11月26日
发明者全钟官, 张硕元, 郑忠宪 申请人:株式会社细美事