几十微米至几厘米。由于所述碳纳米管纤维长达几厘米的长度，预期其可拥有优异的机械性能，例如，高的强度、拉伸强度和弹性，高电导率，以及增大的比表面积。
[0140]本领域技术人员可以理解的是，在不改变发明的主旨思想与基本特征的情况下，能够以其它具体形式实施本发明。因此，应该注意的是，前述实施方式仅仅是所有方面的举例说明，并不解释为限制本发明。本发明的范围通过所附的权利要求而非本发明的详细说明加以界定。在权利要求的范围与含义内作出的所有变化方式、改进方式或它们的等价方式，均应被认为落入本发明的保护范围。
[0141]附图标记说明
[0142]100反应单元
[0143]111反应器
[0144]121加热器
[0145]131纺丝溶液喷雾嘴
[0146]132 气体进口
[0147]133气体和碳纳米管纤维排放单元
[0148]134废气线路
[0149]135氮气幕
[0150]141碳纳米管纤维
[0151]142碳纳米管纤维卷绕器
[0152]151,151’ 层流
[0153]200纺丝溶液供料单元
[0154]210混合单元
[0155]220输送泵
[0156]230搅拌器
[0157]300载气供料单元
[0158]310 气柜
[0159]320气体控制单元
[0160]10, 20 反应器
[0161]11, 21纺丝溶液进口
[0162]12，22 载气进口
[0163]13纺丝溶液供料喷嘴
[0164]23混流线路
[0165]14，24 分配板
[0166]15, 25 炉
[0167]16, 26 热区域
[0168]17，27 卷绕器
[0169]I纺丝溶液
[0170]2 载气
[0171]3 混流
[0172]5催化剂颗粒
[0173]6碳纳米管
[0174]7碳纳米管纤维
[0175]根据本发明的装置，包含有分散其中的催化剂的所述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，包括多功能复合材料的增强剂，利用了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。
【主权项】
1.一种用于制备碳纳米管纤维的装置，包括: 具有反应区域的竖直反应器； 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； 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； 加热器，用于加热所述反应区域；以及 排放单元，其设置在所述反应区域顶部并通过其将碳纳米管纤维从所述反应器中排放出来， 其中，通过纺丝溶液进口进入到所述反应区域的纺丝溶液，在利用通过载气进口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。
2.根据权利要求1所述的装置，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。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，通过所述纺丝溶液进口进入的所述纺丝溶液通过喷雾嘴供应至所述反应区域。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述纺丝溶液供料单元包括: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所述混合单元供应到供给喷嘴。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，通过所述载气进口进入的所述载气以形成层流的线速度流入所述反应区域。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述载气供料单元具有流量控制器，借助该流量控制器，以形成层流的线速度供给通过所述载气进口进入的所述载气。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，如通过下述公式所计算的，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进入的所述载气:Re = P uD/ μ 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)。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述碳纳米管纤维排放单元具有卷绕器，以卷绕和收集从所述反应器顶部排出的所述碳纳米管纤维。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述碳纳米管纤维排放单元具有进口，通过该进口供入惰性气体，从而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。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述卷绕器为纺锤体、卷轴、滚筒，或者传送器。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括分配板，所述分配板设置在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，所述纺丝溶液进口和载气进口分别设置在所述分配板的上方和下方。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括分配板，所述分配板设置在所述反应器的反应区域的下方，从而将所述反应器分隔为相互流体连通的上部反应区域和下部非反应区域，所述纺丝溶液进口和载气进口均设置在所述分配板的下方。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，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，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。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，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，在所述分配板下是相互分离的。
15.根据权利要求11所述的装置，其中，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相互混合，并通过所述分配板供应至所述反应区域。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加热器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°C。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述纺丝溶液为催化剂在液态碳化合物中的分散体系。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述载气以0.5-50cm/min的速率流过所述载气进口。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述纺丝溶液以10-50ml/min的速率流过所述纺丝溶液进口。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述纺丝溶液进一步包含催化剂活化剂。
21.根据权利要求16所述的装置，其中，基于所述碳化合物的重量，所述纺丝溶液包含0.5-10重量％的催化剂。
22.根据权利要求16所述的装置，其中，所述催化剂包括选自铁、镍、钴、铂、钌、钼、钒及它们的氧化物中的至少一种金属或氧化物。
23.根据权利要求16所述的装置，其中，所述碳化合物选自乙醇、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、戊烷及它们的混合物。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，所述载气为烃类气体、惰性气体、还原性气体或它们的混合气体。
25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述惰性气体为氩气、氮气或它们的混合气体；所述还原性气体为氢气、氨气或它们的混合气体。
26.一种制备碳纳米管纤维的方法，该方法利用根据权利要求1至24任一项所述的装置。
27.一种碳纳米管纤维，其是利用根据权利要求1至24任一项所述的装置制备的。
【专利摘要】本发明涉及一种用于制备碳纳米管纤维的装置和使用所述装置制备碳纳米管纤维的方法，所述装置包括：竖直反应器，具有反应区域；纺丝溶液进口，用于将所述纺丝溶液注入到所述反应器的反应区域的底部；载气进口，用于将载气注入到所述反应器的反应区域的底部；加热器，用于加热所述反应区域；以及碳纳米管纤维排放部，其设置在所述反应区域的上端，其中，从所述纺丝溶液进口流入所述反应区域的纺丝溶液，在利用通过所述载气进口流入的载气而从反应区域下端上升时被碳化和石墨化，从而形成由连续的碳纳米管组构成的碳纳米管纤维。使用根据本发明的装置制备的碳纳米管纤维具有长的长度和优异的电导率、拉伸强度和弹性，并且能用于多种领域，例如电化学装置，如多功能复合材料，变形/损坏探测器，输电电缆，用于感应生物材料的微电极材料，超级电容器和传动装置。
【IPC分类】D01F9-12
【公开号】CN104641028
【申请号】CN201480002421
【发明人】吴有镇, 李东哲, 尹光宇
【申请人】Lg化学株式会社
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年5月29日
【公告号】US20150240391, WO2014204113A1