专利名称：一种由碳纳米管组成的透明宏观管连续体及其合成方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域内碳纳米管新的存在形式及其合成方法，具体 是一种由碳纳米管组成的透明宏观管连续体及其合成方法。
背景技术：
作为一种新型的纳米材料，碳纳米管自被发现以来，由于其独特的几何结构与电 子能带结构带来了优异的机械性能、电学性能、热学性能以及电磁性能等，这些优异的性能 使碳纳米管存在着极大的潜在应用优势，从而引起了科研人员的极大关注，早期的理论和 实验研究大多集中于微观尺度的单根碳纳米管或碳纳米管束。近年来，随着应用研究的不 断深入和现有的较多高技术领域，如航空航天、精密机械与功能纺织、太阳能光伏发电、场 发射、电磁屏蔽、吸波及化学吸附等对不同宏观形态碳纳米管的需求，各种不同宏观形态的 碳纳米管产物相继被发现并被应用，如最先制备出来的碳纳米管产物主要呈现粉末状或团 絮状，之后将粉末状或团絮状的碳纳米管进行压制后又获得了碳纳米管膜或碳纳米管块 体。此后不久，直接呈现纤维状的碳纳米管又被发现。或将碳纳米管均勻分散于溶剂中后， 再将其进行过滤、蒸发等沉积形式后，又可得到不同厚度的碳纳米管薄膜。随着碳纳米管制 备与应用研究的不断推进，对在宏观形态上呈现透明、管状并由碳纳米管组成的宏观管连 续体的需求越来越迫切。如该宏观管连续体可以进行收缩而成为连续的碳纳米管纤维，对 其进行基底吸附又可获得碳纳米管薄膜，长时间的吸附又可得不同厚度的碳纳米管块体。经对现有技术的文献检索发现，由碳纳米管组成的宏观管连续体目前还处于研究 的探索阶段。英国剑桥大学的Alan H. Windle等在《Science》(科学)2004年第304期 276 页和 2007 年第 318 期 1892 页发表了《Direct spinning of carbon nanotube fibers from chemical vapordeposition synthesis))(化学气相沉积法直接缠绕碳纳米管纤维) 和《High-performance carobnnanotube fiber》(高强度碳纳米管纤维)两文，在这两篇 文献中，碳纳米管气凝胶首先被提出并被利用，他们通过反应炉内的缠绕机构可将反应管 内生成的碳纳米管气凝胶凝缩成连续的碳纳米管纤维。但它们却没有将气凝胶直接变成连 续、透明的宏观管状物。
发明内容
本发明发展了碳纳米管气凝胶，将该气凝胶制备成了连续、透明并在宏观上呈现 管状的碳纳米管宏观管连续体(实物照片见说明书附图1，微观结构见说明书附图2)。从 而为制备连续的碳纳米管纤维、大面积的碳纳米管薄膜和大体积的碳纳米管块体提供了极 大的方便。本发明的原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用氮气保护，无明显易燃 危险原料；产物易于处理，收率高，设备简单，可以连续化操作，适于大量生产。本发明涉及一种由碳纳米管组成的透明宏观管连续体，该宏观管连续体是透明 的，连续的，直径在5-35mm间，密度为0. lgcm_3，由碳纳米管组成。表面能低于73X 10_3Nm 2 的物质或它们之间的混合物，如甲醇、乙醇、丙酮或它们间的混合物，与该宏观管连续体接
3触都会被吸附。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及的一种由碳纳米管组成的透明宏 观管连续体的合成方法，包括如下步骤步骤一，在纯度99.8%，直径10_40mm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛 细管，毛细管均勻分布于刚玉管出口处，根数为4-16根，毛细管内径0. 5-lmm,并在各毛细 管内通入氮气，氮气流量δΙΟ Γ1 ；步骤二，将刚玉管反应器的温度升高至1600-1750°C后，连续的在反应器中通入氮 气，氮气流量lO-lOOLh—1 ；步骤三，本发明生成碳纳米管的反应溶液配方参照专利CN 10151444A(由正己 烷、二茂铁、噻酚等组成)，氮气在反应器中通入10分钟后，将反应溶液以0. δ-δπι πι η-1的 速率，并在氮气的带入下通入反应器中；反应器中通入反应溶液1分钟后，反应管的入口 处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉管内的碳纳米管气凝胶被带 离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处喷出宏观管连续体，生成该连续体的速率在 δ-δΟππιι η-1之间。将该连续体进行各种简单处理后即可得连续的碳纳米管纤维、薄膜和块 体等。本发明具有如下的有益效果由于采用了 1600-1750°c的极高反应温度，当反应 溶液进入反应管的入口后，在该温度条件下生成的碳纳米管保持气凝胶状态。且刚玉管内 通入的液体反应溶液及载气的输入使刚玉管内的压力高于反应管外部的常压，从而可使刚 玉管内的气凝胶不断的被推至刚玉管的出口。另外由于反应管的传热作用，反应管壁部的 温度总是低于反应管的中心，所以，生成的碳纳米管气凝胶在能量最低原理的作用下总是 趋于靠近反应管的壁部向出口方向运动，出口处的温度低于入口处，所以运动的碳纳米管 气凝胶在出口处即固化凝结。从而生成由碳纳米管组成的透明宏观管连续体，被推至反应 管外的宏观管连续体又在反应管出口处安装的毛细管内的气流作用下，不断的向前运动， 从而使该连续体不断的被合成。本发明工艺简单易行，得到的碳纳米管透明宏观管连续体可以连续的制备。并且 可以通过刚玉反应管出口处安装的毛细管、反应温度、反应溶液的通入速率和载气的流量 方便的控制该透明宏观管连续体的制备速率。由于该宏观管连续具有粘性，故将其经过简 单的后续处理后，即可得到连续的碳纳米管纤维、薄膜或块体等。所得透明宏观管连续体 的密度为0. lgcm—3，使用其制备得到的纤维、薄膜和块体等产物也就具有较轻的重量，从而 为其应用带来了极大的方便。本发明的原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用氮气 保护，无明显易燃危险原料；产物易于处理，收率高，设备简单，可以实现连续化操作，适于 大量生产。
图1是连续、透明并在宏观上呈现管状的碳纳米管宏观管连续体的实物2是连续、透明并在宏观上呈现管状的碳纳米管宏观管连续体的微观结构图
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1在纯度99.8%，直径IOmm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管，毛细管 均勻分布于刚玉管出口处，根数为4根，毛细管内径0. 5mm，并在各毛细管内通入氮气，氮 气流量SLtT1 ；将刚玉管反应器的温度升高至1600°C后，连续的在反应器中通入氮气，氮气 流量IOLtT1 ；将由正己烷、二茂铁、噻酚组成的反应溶液以0. SmlmirT1的速率并在氮气的带 入下通入刚玉反应器中，反应溶液的具体配方参照专利CN 10151444A ；反应器中通入反应 溶液1分钟后，反应管的入口处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉 管内的碳纳米管气凝胶在1600°C的高温、液体反应溶液的气化、载气的输入和反应出口处 安装的毛细管内的气流的协同作用下被带离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处 喷出碳纳米管透明宏观管连续体，生成该连续体的速率为S-SmmirT1之间，宏观管的直径在 5-8mm之间。实施例2在纯度99.8%，直径IOmm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管，毛细管 均勻分布于刚玉管出口处，根数为8根，毛细管内径0. 5mm，并在各毛细管内通入氮气，氮 气流量IOLtT1 ；将刚玉管反应器的温度升高至1650°C后，连续的在反应器中通入氮气，氮气 流量SOLtT1 ；将由正己烷、二茂铁、噻酚组成的反应溶液以ImlmirT1的速率并在氮气的带入 下通入刚玉反应器中，反应溶液的具体配方参照专利CN 10151444A ；反应器中通入反应溶 液1分钟后，反应管的入口处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉管 内的碳纳米管气凝胶在1650°C的高温、液体反应溶液的气化、载气的输入和反应出口处安 装的毛细管内的气流的协同作用下被带离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处喷 出碳纳米管透明宏观管连续体，生成该连续体的速率为S-ISmmirT1之间，宏观管的直径在 5-8mm之间。实施例3在纯度99. 8%，直径20mm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管，毛细管 均勻分布于刚玉管出口处，根数为8根，毛细管内径0. 5mm，并在各毛细管内通入氮气，氮气 流量ISLtT1 ；将刚玉管反应器的温度升高至1650°C后，连续的在反应器中通入氮气，氮气 流量SOLtT1 ；将由正己烷、二茂铁、噻酚组成的反应溶液以aiilmirT1的速率并在氮气的带入 下通入刚玉反应器中，反应溶液的具体配方参照专利CN 10151444A ；反应器中通入反应溶 液1分钟后，反应管的入口处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉管 内的碳纳米管气凝胶在1650°C的高温、液体反应溶液的气化、载气的输入和反应出口处安 装的毛细管内的气流的协同作用下被带离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处喷 出碳纳米管透明宏观管连续体，生成该连续体的速率为lO^OmmirT1之间，宏观管的直径在 10-15mm 之间。实施例4在纯度99. 8%，直径30mm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管，毛细管 均勻分布于刚玉管出口处，根数为12根，毛细管内径0. 8mm，并在各毛细管内通入氮气，氮
5气流量ZOIir1 ；将刚玉管反应器的温度升高至1700°C后，连续的在反应器中通入氮气，氮气 流量SOLtT1 ；将由正己烷、二茂铁、噻酚组成的反应溶液以3. SmlmirT1的速率并在氮气的带 入下通入刚玉反应器中，反应溶液的具体配方参照专利CN 10151444A ；反应器中通入反应 溶液1分钟后，反应管的入口处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉 管内的碳纳米管气凝胶在1700°C的高温、液体反应溶液的气化、载气的输入和反应出口处 安装的毛细管内的气流的协同作用下被带离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处 喷出碳纳米管透明宏观管连续体，生成该连续体的速率为20-35-^1之间，宏观管的直径 在18-25mm之间。实施例5在纯度99. 8%，直径40mm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管，毛细管 均勻分布于刚玉管出口处，根数为16根，毛细管内径1mm，并在各毛细管内通入氮气，氮气 流量SOLtT1 ；将刚玉管反应器的温度升高至1750°C后，连续的在反应器中通入氮气，氮气流 量lOOIiT1 ；将由正己烷、二茂铁、噻酚组成的反应溶液以SmlmirT1的速率并在氮气的带入 下通入刚玉反应器中，反应溶液的具体配方参照专利CN 10151444A ；反应器中通入反应溶 液1分钟后，反应管的入口处可得到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉管 内的碳纳米管气凝胶在1750°C的高温、液体反应溶液的气化、载气的输入和反应出口处安 装的毛细管内的气流的协同作用下被带离反应管的入口处而连续的在反应管的出口处喷 出碳纳米管透明宏观管连续体，生成该连续体的速率为35-50-^1之间，宏观管的直径在 25-35mm^f0]o
权利要求
1.一种由碳纳米管组成的透明宏观管连续体，其特征在于该宏观管连续体是透明，连续的，直径在5-35mm间，密度为0. lgcm_3，由碳纳米管组成。 表面能低于73X 10_3Nm 2的物质或它们之间的混合物，如甲醇、乙醇、丙酮或它们间的混合 物，与该宏观管连续体接触都会被其吸附。
2.一种根据权利要求1所述的碳纳米管透明宏观管连续体的合成方法，其特征在于包 括以下具体步骤步骤一，在纯度99. 8%，直径10-40mm的卧式刚玉管反应器的出口处安装石英毛细管， 毛细管均勻分布于刚玉管出口，毛细管根数为4-16根，毛细管内径0. 5-lmm,并在各毛细管 内通入氮气，氮气流量δΙΟ Γ1 ；步骤二，将刚玉管反应器的温度升高至1600-1750°C后，连续的在反应器中通入氮气， 氮气流量lO-lOOLh—1 ；步骤三，本发明生成碳纳米管的反应溶液配方参照专利CN 10151444A(由正己烷、二 茂铁、噻酚等组成)，氮气在反应器中通入10分钟后，将反应溶液以0. δ-δπι πι η-1的速率， 并在氮气的带入下通入反应器中；反应器中通入反应溶液1分钟后，反应管的入口处可得 到气态的碳纳米管气凝胶，继续通入反应溶液，则刚玉管内的碳纳米管气凝胶被带离反应 管的入口处而连续的在反应管的出口处喷出由碳纳米管组成的透明宏观管连续体，生成该 连续体的速率在δ-δΟπιπ ιΓ1之间。
全文摘要
一种涉及纳米材料技术领域内的碳纳米管透明宏观管连续体及其合成方法，该宏观管透明连续，直径为5-35mm，密度为0.1gcm-3，由碳纳米管组成。表面能低于73×10-3Nm-2的物质与其接触会被吸附。合成方法如下步骤在纯度99.8％，直径10-40mm的卧式刚玉管反应器的出口安装毛细管并通氮气；当反应器温度升至1600-1750℃后，连续的在反应器中通氮气；再将反应溶液以0.5-5mlmin-1的速率通入反应器，1分钟后，反应管入口可得气凝胶，继续通反应溶液，气凝胶被带离反应管的入口并在出口喷出宏观管连续体，喷出速率5-50mmin-1；本发明的原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用氮气保护，无明显易燃危险原料；产物易于处理，收率高，设备简单，可以实现连续化操作，适于大量生产。
文档编号C01B31/00GK102070134SQ201010230938
公开日2011年5月25日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者吴子平, 李明茂, 王智祥, 胡英燕, 黎业生 申请人:江西理工大学