一种宏量制备碳纳米材料的方法及装置与流程

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种宏量制备碳纳米材料的方法及装置。

背景技术：

碳纳米线管、碳纳米粉颗粒是一种高性能的纳米材料，具有优异的光学性能、电学性能及力学性能，成为近年来纳米材料研究的热点。特别是碳纳米线管，当用于导电浆料中时，导电率性能提升数倍，导电性能更优于碳纳米粉。由于其具有的优异机械性能和电化学性能，在锂离子电池，光电功能材料，电磁屏蔽，吸波材料，高性能复合材料等领域已得到广泛应用。但由于目前量产方面受到压制，价格尚高，成了碳纳米材料大规模应用的主要障碍。

中国发明专利cn102602912a公开了一种连续生产晶须状碳纳米管的合成装置，由喷雾加料器、竖直合成炉、加热装置、液压驱动的环形活塞、阀门组成；竖直合成炉的上部为合成仓，中间为真空仓，下部为收集仓，雾化加料器安装在合成炉顶端盖板上，盖板固体在合成炉顶端，加热装置沿竖直合成炉的合成仓部位的外部安装，第一阀门安装在合成仓与真空仓之间，第二阀门安装在真空仓与收集仓之间，真空仓设有一排气孔，排气孔连接到真空泵。该专利通过雾化和加热的方式生产碳纳米管，制备效率不高，无法实现宏量制备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种宏量制备碳纳米材料的方法及装置，实现了碳纳米材料尤其是碳纳米线管的工业化制备，大幅度降低了材料制造成本。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种宏量制备碳纳米材料的方法，包括如下步骤：

(1)将烃类气体和惰性气体输入到等离子体枪中，在等离子体枪内电离及热分解出碳离子和氢离子；

(2)使经过电离及热分解打开的碳离子和氢离子进入生长控制器中，重新生成碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒；

(3)重新生成的碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒进入冷却容器中，经冷却气体环释放出的冷却气体快速冷却稳定成型。

(4)重新生成的碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒、冷却气体和重新组合生成的氢气进入气固分离器进行气固分离，碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒留存在气固分离器底部，气体进入管道经热交换器快速冷却后进入循环。

上述冷却气体可以是循环气体，也可以是使用后排空的一次性气体。

上述等离子体枪为高频感应等离子体枪或直流电源非转移弧等离子体枪。

上述步骤1之前还包括置换气体，先将系统中的氧气采用惰性气体置换，至氧含量达到5000ppm以下，再采用惰性气体输入装置内使系统内的压力于50kpa-200kpa之间，优选106kpa-150kpa，开启等离子体电源。

上述直流电源非转移弧等离子体电源，根据烃类气体进气量来调节工作中所需产生的电流于400a-1350a，工作电压于80-250v。

上述烃类气体选自甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯中的一种或多种，优选为甲烷，所述惰性气体选自氩气、氖气、氙气、氦气中的一种或多种，优选为氩气。

上述烃类气体与惰性气体进入等离子体腔内的比例为1:5-0。

上述生长控制器中的温度控制为2500℃以下，生产碳纳米粉颗粒时将温度控制为1500℃以下，生产碳纳米线管时将温度控制为1500℃-2500℃。

上述烃类气体的输送速度为3-35标方/小时，碳纳米线管的线径为35-280nm，长度为300-3000nm，碳纳米粉颗粒的直径d50为50-500nm。

本发明还提供了一种宏量制备碳纳米材料的装置，包括等离子电源控制的等离子体枪，等离子体枪的内腔连接有惰性气体储罐、烃类气体储罐，等离子体枪的下端设置有生长控制器，生长控制器的下端设置有冷却容器，冷却容器中设置有气体冷却环，所述冷却容器连接气固分离器并设置有吸气装置，所述气固分离器的气体出口依次连接热交换器和混合气体储罐，混合气体储罐与气体冷却环相连以输出冷却后的混合气体。

上述混合气体储罐通过管道与生长控制器相连，并在管道上设置气体流量控制器。

上述等离子体枪为直流电源非转移弧等离子体枪时，腔套采用圆型状进气腔套是由金属导电材料，如铜质合金，碳钢材料，不锈钢材质制成。上述等离子体枪为高频感应等离子体枪时，腔套采用石英或三氧化二铝材料。

上述生长控制器包括圆柱形耐高温管，耐高温管外设置有高温加热器，加热器外设置有隔热保温层如隔热碳毡保温层或石棉保温层，保温层外设置有不锈钢水冷保护外壳，水冷保护外壳设置有两层，中间设置冷却介质。

上述生长控制器中的高温加热器，采用常规的电加热方式加热产生热量。

上述耐高温管内圆柱形高温通道的直径和长度之比为1:5-200。

上述吸气装置为鼓风机或真空泵，鼓风机或真空泵用于气体置换和吸出分离后的混合气体，所述气固分离器下端设置有固体收集处，固体收集处连接真空吸料储存桶，真空吸料储存桶连接真空泵。

上述鼓风机或真空泵的功率为10kw/h-100kw/h，每小时最大约产出32000g的碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒。

上述等离子体枪为直流电源非转移弧等离子体枪，腔体内设置有惰性气体、烃类气体的输入管道，及与等离子电源电连接的电极，电极下方设置有内喷嘴和外喷嘴。

上述气固分离器结构是带有冷却水套的气固分离器，气固分离器内设置有横向的隔板，将气固分离器分成上腔和下腔。下腔内间隔排列有金属过滤管或/和布袋过滤管，过滤管下端封闭，上端通过螺纹连接，穿过横隔板后开口于上腔。上腔内的每个连接管上均设置有反吹气用的电磁阀，电磁阀与隔板之间的连接管上通过三叉管连接有与储气罐连通的供气管，冷却容器的连接管道连接气固分离器的下腔，气固分离器的出气口设置在气固分离器的上腔，气固分离器下腔下部设置有材料收集处。

本发明相对于现有技术的有益效果如下：

1、本发明采用烃类气体电离及热分解后经高温生长控制器重新粘接，在气流的带动下生成碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒，实现了碳纳米形态的控制。并通过控制生长控制器的温度、混合气体进入生长控制器的流量、烃类气体的进料速度和生长控制器的内通道的长度，控制产品的最终形态，以实现各种规格的碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒的制备。

2、本发明将烃类气体和惰性气体输入到等离子体枪中，在等离子腔内首先电离出碳离子和氢离子，同时具有尚未电离化学键的烃类气体继续进入高频感应等离子体枪或直流电源非转移弧等离子体枪产生的特高温(6000-18000℃)等离子弧区域，烃类气体高温热分解生成碳离子和氢离子，从而使得烃类气体更彻底的解离，大幅提高烃类气体的有效进气量，达到宏量制备之目的。

3、大量的冷却气体经热交换器冷却后，形成连续循环冷却系统，大大节约了经电离后产生的高温混合气体及材料需大量冷却气体冷却所需的气体成本，从而大幅度降低了材料制造成本。

4、本发明采用的等离子体枪、气固分离器、热交换器、加热器、鼓风机、真空泵等均为常规设备，采购和组装方便，成本低廉。

5、本发明提供的方法和装置可以实现碳纳米材料尤其是碳纳米线管的宏量制备，其制备速度最高可达32000g/h。

附图说明

图1是本发明的装置连接图；

图2是本发明生长控制器的结构图；

图3是本发明等离子装置的结构图；

附图说明：1、等离子电源；2、等离子体枪；3、惰性气体储罐；4、烃类气体储罐；5、生长控制器；6、冷却容器；7、气体冷却环；8、气固分离器；9、吸气装置；10、热交换器；11、混合气体储罐；12、耐高温管；13、加热器；14、保温层；15、水冷保护外壳；16、真空吸料储存桶；17、真空泵；18、输入管道；19、电极；20、内喷嘴；21、外喷嘴；22、隔板；23、上腔；24、下腔。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1-3。

一种连续循环冷却宏量制备碳纳米材料的装置，包括等离子电源1控制的等离子体枪2，等离子体枪2的内腔连接有惰性气体储罐3、烃类气体储罐4，等离子体枪2的下端设置有生长控制器5，生长控制器5的下端设置有冷却容器6，冷却容器6中设置有气体冷却环7，所述冷却容器6连接气固分离器8并设置有吸气装置9，所述气固分离器8的气体出口依次连接热交换器10和混合气体储罐11，混合气体储罐11与气体冷却环7相连以输出冷却后的混合气体。

上述混合气体储罐11通过管道与生长控制器5相连，并在管道上设置气体流量控制器，用于将混合气体输入到生长控制器5中。

对照附图2，上述生长控制器5包括圆柱形耐高温管12，耐高温管12外设置有高温加热器13，加热器13外设置有隔热碳毡保温层14，保温层14外设置有不锈钢水冷保护外壳15。耐高温管12内圆柱形高温通道的直径和长度之比为1:5-200。

上述吸气装置9为鼓风机或真空泵，所述气固分离器8下端设置有固体收集处，固体收集处连接真空吸料储存桶16，真空吸料储存桶16连接真空泵17。

对照附图3，上述等离子体枪2为直流电源非转移弧等离子体枪，腔体内分别设置有惰性气体、烃类气体的输入管道18，及与等离子电源电连接的电极19，电极19下方设置有内喷嘴20和外喷嘴21。上述直流电源非转移弧等离子体枪也可以替换成高频感应等离子体枪。

上述气固分离器8是带有冷却水套的气固分离器8，气固分离器8内设置有横向的隔板22，将气固分离器8分成上腔23和下腔24。下腔24内间隔排列有金属过滤管或/和布袋过滤管，过滤管下端封闭，上端通过螺纹连接，穿过横隔板22后开口于上腔23。上腔23内的每个连接管上均设置有反吹气用的电磁阀，电磁阀与隔板22之间的连接管上通过三叉管连接有与储气罐连通的供气管，冷却容器7的连接管道连接气固分离器9的下腔24，气固分离器8的出气口设置在气固分离器8的上腔23，气固分离器8下腔24下部设置有材料收集处。

上述装置在相应部位设有各种控制气阀，水阀，各种仪器，仪表，气体流量计和安全防曝阀以控制装置的顺利运行。

本发明通过上述装置制备碳纳米材料的方法是：

开启吸气装置9将系统内的氧含量采用惰性气体置换到含氧量5000ppm以下，再输入情性气体使系统内的压力达到50kpa-200kpa，最好是106kpa-150kpa。

开启等离子电源1将烃类气体储罐4中的烃类气体如甲烷和惰性气体储罐3中的惰性气体如氩气经气体流量控制器输入到等离子体枪2的內腔之中。

输入的烃类气体在等离子体枪2腔内以毫秒级的速度电离及热分解打开碳离子和氢离子结合的化学键，经电离及热分解打开后的碳离子和氢离子进入高温生长控制器5进而重新高温生成碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒，生成的具体形态通过生长控制器5的温度、进入生长控制器5的气体流量、烃类气体的进料速度和生长控制器5的内通道的长度进行调节，也可以生成两者的混合物。

碳纳米材料进入冷却容器6内，再经冷却气体环7大量释放出的混合冷却气体对高温纳米线或/和高温碳纳米粉颗粒高效快速冷却稳定成形，再将冷却容器6内的碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒和电离氢离子重新组合的氢气及大量经冷却环释放出的混合气体，通过吸气装置9的抽吸经连接管道进入气固分离器8，对碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒和混合气体进行气固分离。

通过分离，将碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒材料存留于气固分离器8内腔底部，分离后的混合气体经过吸气装置9后进入热交换器10中换热，将热混合气体进行快速冷却至90摄氏度以下，经管道送入混合气体储罐11内，再由连接管道经气体流量控制器将冷却后的混合气体形成循环往复送入气体冷却环7内。

由高温生长控制器喷射出的高温碳纳米线管或/和碳纳米粉颗粒快速冷却稳定成形后，聚集在气固分离器8下端的固体收集处，启动真空泵17对真空吸料储存桶16抽真空，至50kpa-80kpa，打开气固分离器8底部阀门将气固分离器8内的物料真空抽吸至真空吸料储存桶16内，形成不停机的连续生产。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。