箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的装置和方法

摘要

本发明涉及箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的装置和方法，所述装置包括高温化学气相反应器以及用以密封高温化学气相反应器的箱体。所述箱体内设有用以往复运动至高温化学气相反应器后端的引丝杆以及位于高温化学气相反应器与引丝杆之间的纺轴。所述方法包括以下步骤：反应液体进入高温化学气相反应器中催化热解反应生长碳纳米管，气相流中生长的碳纳米管在气相中组装形成聚集体之后向高温化学气相反应器后端移动，形成连续碳纳米管聚集体后在引丝杆牵引作用下进入箱体，致密成纤维后被纺轴缠绕，继而制得连续碳纳米管纤维。如此设置可提高化学气相反应制备碳纳米管纤维纺丝稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的装 置和方法。

背景技术

碳纳米管具有独特一维纳米结构和优异的电学、热学和力学性能，由其组装构成的宏观 体连续的纤维在工程纤维、功能复合、生物传感和能量储存等领域有广泛潜在应用。将碳纳 米管组装成连续碳纳米管纤维是实现其众多潜在应用的关键步骤。

目前，制备碳纳米管纤维的方法主要有化学气相反应、阵列纺丝和溶液纺丝方法。化学 气相反应制备连续碳纳米管纤维是在碳纳米管合成过程中直接将碳纳米管组装成连续聚集 体，为一步法，有望发展为连续碳纳米管纤维规模化制备，实现碳纳米管纤维的产业化。化 学气相反应制备连续碳纳米管纤维是在高温反应器中先制备连续碳纳米管聚集体，在反应器 后端实现对碳纳米管聚集体缠绕和处理，使其收缩变成碳纳米管纤维。高温反应器后端可通 过法兰，气体或液体密封化学气相反应系统。

但是，法兰密封化学气相反应难实现制备连续碳纳米管纤维，纺丝空间和操作性都很差。 气体密封可提供大碳纳米管纤维纺丝空间，但气相反应制备的碳纳米管聚集体非常轻，在经 过用于密封的气流时会颤动，致使碳纳米管纺丝不稳定。液体密封与气体密封类似，可提供 大的碳纳米管纤维纺丝空间，但碳纳米管纤维从密封液体中经过时与液体摩擦，摩擦容易造 成碳纳米管纤维拉断，继而使得碳纳米管纤维纺丝不稳定。

因此，需要对现有技术进行改进来要提高化学气相反应制备碳纳米管纤维纺丝的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用以提高化学气相反应制备碳纳米管纤维纺丝稳定性的箱体 密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的装置和方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的 装置，包括用以供反应液体在载气流作用下催化热解反应生长碳纳米聚集体的高温化学气相 反应器以及位于高温化学气相反应器后端用以密封高温化学气相反应器的箱体。

进一步的，所述箱体内设有用以往复运动至高温化学气相反应器后端牵引碳纳米聚集体 的引丝杆以及位于高温化学气相反应器与引丝杆之间的用以缠绕碳纳米管纤维的纺轴。

进一步的，所述纺轴进行旋转或两维运动对所述碳纳米管纤维进行缠绕。

进一步的，所述箱体内设有用以向位于纺轴与高温化学气相反应器之间的碳纳米管聚集 体喷射有机液体的箱体超声雾化器，所述有机液体为乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇或苯的有机 液体或所述几种有机液体的混合液体。

进一步的，所述箱体内还设有液体槽，所述液体槽内设有用以与碳纳米管聚集体接触的 PVA水性溶液、聚碳硅烷的二甲苯溶液或乙醇液体。

进一步的，本发明还可采用如下技术方案实现本发明的目的：

本发明提供一种箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维的方法，所述方法包括以 下步骤：提供箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维装置，所述装置包括高温化学气 相反应器以及位于高温化学气相反应器后端用以密封高温化学气相反应器的箱体，所述箱体 内设有可往复运动至高温化学气相反应器后端的引丝杆以及位于高温化学气相反应器与引丝 杆之间的纺轴，反应液体进入高温化学气相反应器中催化热解反应生长碳纳米管，所述碳纳 米管在气相中组装形成聚集体之后随载气流向高温化学气相反应器后移动，形成连续碳纳米 管聚集体，所述碳纳米管聚集体在引丝杆牵引作用下进入箱体，致密成纤维后被纺轴缠绕， 继而制得连续碳纳米管纤维。

进一步的，高温化学气相反应器与纺轴之间设有用以将有机液体雾化并向碳纳米管聚集 体喷射的箱体超声雾化器，碳纳米管聚集体在到达纺轴前遇到所述雾化的有机液体致密成纤 维，所述的超声雾化液体流量为1-500ml/min，所述超声雾化用的载气流流量为0-10L/min。

进一步的，纺轴转动过程中所述碳纳米管聚集体经过高分子液体，碳纳米管聚集体收缩 成纤维，变成碳纳米管复合纤维。

进一步的，纺轴在电机带动下转动或进行两维运动，对碳纳米管纤维纺丝，所述的纺丝 速度为2-100m/min。

本发明提供箱体密封化学气相反应制备碳纳米管纤维的装置和方法，所述箱体与高温化 学气相反应器连接，提供足够大的空间提供碳纳米管聚集体各种处理，含自动引丝，致密、 复合和纺丝等处理。箱体除提供足够大的空间供碳纳米管聚集体处理外，且使得碳纳米管聚 集体在处理过程免受外界干扰，进而实现了稳定制备连续碳纳米管纤维。

附图说明

图1是本发明具体实施例1中的箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维装置的示 意图；

图2是本发明具体实施例1中的箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维装置制得 的碳纳米管纤维的扫描式电子显微照片；

图3是本发明具体实施例3箱体密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维装置制备的碳 纳米管/PVA复合纤维的扫描式电子显微镜照片。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施例对本发明进行详细描述。值得说明的是，下文所 记载的实施例并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施例所做出的结构、 方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明提供一种箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置和方法。 所述箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置特征在于高温化学气相反 应器1后端密封连接有与高温化学气相反应器1相连通的箱体2，箱体2提供足够大空 间实现对碳纳米管聚集体5的各种处理，进而获得稳定制备连续碳纳米管纤维6。

所述的箱体2可做成方形、圆形、椭圆等不同形状，制作箱子的材质可为金属材料、 玻璃钢、塑料等不同材料。所述箱体2提供足够大空间，供碳纳米管聚集体5引丝、致 密、复合和纺丝等操作。

所述在箱体2中对碳纳米管聚集体5引丝是在箱体2上或后端固定引丝杆21，引丝 杆21在传送带211或电机动力牵引作用下做前后的往复运动，可伸入高温化学气相反应 器1后端碳纳米管聚集体5沉积处，粘住聚集体5，往回运动，牵引聚集体5进入箱体2 中，到达转动的纺轴22处被纺丝，实现其引丝功能。所述纺轴22与电机221相连，并 由电机221提供动力进行旋转或两维运动。

所述在箱体2中对碳纳米管聚集体5致密目的是让碳纳米管聚集体5收缩为碳纳米 管纤维6。致密连续碳纳米管聚集体5有不同的方法，包括在高温化学气相反应器1后 端的出口处固定箱体超声雾化器23，所述箱体超声雾化器23包括用以与提供有机液体235 的输液装置相连接的超声发生器231和与箱体2连接的箱体超声雾化器23喷嘴232，所述 输液装置为与输液泵连接的注射器233或其他输液装置，在本实施方式中，所述输液装 置为注射器233以及位于注射器233和超声发生器231之间的用以输送有机液体235的 输液管路234。所述超声发生器231通有载气流，有机液体235经过箱体超声雾化器23雾 化形成雾气或小液滴后进入到箱体2中，雾气或小液滴遇到从高温化学气相反应器1中引 出的碳纳米管聚集体5使得碳纳米管聚集体5收缩致密成碳纳米管纤维6，其中，所述 箱体超声雾化器23的有机液体235流量为1-500ml/min，所述超声雾化用的载气流流 量为0-10L/min；另外，还可从高温化学气相反应器1中引出的碳纳米管聚集体5施以 捻处理，使碳纳米管聚集体5在自身转动下致密成碳纳米管纤维6；此外，还可让碳纳 米管聚集体5经过并接触有机液体235，液体毛细力诱使其致密成碳纳米管纤维6，继而 实现了对碳纳米管聚集体5致密。

所述的箱体2中对碳纳米管聚集体5复合是指让碳纳米管聚集体5经过并接触高分 子液体，实现在线制备碳纳米管纤维6复合材料。由于单纯靠高温化学气相反应器1制 备的碳纳米管聚集体5结构非常松散，所以高分子材料易进入碳纳米管间，如此设置， 便于实现高性能复合材料的制备，解决了碳纳米管分散的难题。

所述的箱体2中对碳纳米管聚集体5纺丝是指对引丝杆21拉出的碳纳米管聚集体5 进行纺丝缠绕，纺丝速度为2-100m/min。

所述的箱体2中对碳纳米管聚集体5的各种处理可以相互结合，例如，对碳纳米管 聚集体5引丝和纺丝；对碳纳米管聚集体5引丝、致密和纺丝；对碳纳米管聚集体5引 丝、复合和纺丝。

所述的箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的方法为，反应液体4通 过注射泵注射到辅助超声雾化器3中或直接注入到高温化学气相反应器1中，反应液体 4在载气流作用下进入高温化学气相反应器1的反应区13，催化热解反应生长碳纳米管， 气相流中生长的碳纳米管在气相中组装形成碳纳米管聚集体5，碳纳米管聚集体5随反 应气流向高温化学气相反应器1后端移动，形成连续碳纳米管聚集体5，碳纳米管聚集 体5在引丝杆21牵引作用下进入箱体2，遇到高温化学气相反应器1后端固定的箱体超 声雾化器23雾化的有机体液体致密成碳纳米管纤维6，碳纳米管纤维6被轴向转动的纺 轴22缠绕，继而制得连续碳纳米管纤维6。

具体实施例1

请参考图1所示，所述箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置含 两部分，一是高温反应制备碳纳米管聚集体5设备，另一部分是箱体2及位于箱体2内 对碳纳米管聚集体5进行处理的设备。在本实施例中，高温化学气相反应设备与超声雾 化辅助制备连续碳纳米管聚集体5的类似，即，所述高温化学气相反应器1连接有辅助 超声雾化器3，所述高温化学气相反应器1包括反应器11以及用以加热所述反应器11 的高温加热炉12，所述辅助超声雾化器3包括用以与提供反应液体4的输液装置相连接 的超声发生器31和与高温化学气相反应器1连接的辅助超声雾化器3喷嘴311，所述反 应器11于辅助超声雾化器3喷嘴311的一端还设有用以向反应器11输送载气112气流 的载气管路111。所述的超声发生器31有两管路，一路是用以向超声发生器31内输送 反应液体4的输液管路312，所述输液管路312与输液装置相连接，输液装置将反应液 体4通过所述输液管路312输入辅助超声雾化器3雾化成雾气。另一路是用以向超声发 生器31内通输送气32的输送气管路313，在输送气32的作用下所述辅助超声雾化器3 喷嘴311将雾化后的雾气吹散，形成锥形雾气后输入到高温化学气相反应器1中。所述 的输液装置是将反应液体4输入到辅助超声雾化器3中的装置，包括输液泵以及注射器 33，所述注射器33连接于输液泵与超声发生器31之间的用以向超声发生器31内输入反 应液体4，在其他实施方式中所述输液装置可以为注射泵等。反应液体4经过辅助超声 雾化器3雾化后进入到高温化学气相反应器1中形成碳纳米管聚集体5。高温化学气相 反应器1后端与箱体2通过法兰连接，制作箱体2的材料为金属铝。箱体2尺寸为长1600 m，高400mm，宽400mm。为了对碳纳米管聚集体5进行处理，箱体2中安装了对碳纳 米管聚集体5引丝、致密和纺丝部件。箱体2距高温化学气相反应器1后端出口600mm 处安装有引丝杆21及传送带，所述引丝杆21固定于传送带211上，所述传送带211运 动可带动引丝杆21做前后的往复运动，继而实现对碳纳米管聚集体5引丝功能。碳纳米 管聚集体5在引丝杆21作用下从高温化学气相反应器1后端出来，被固定于距高温化学 气相反应器1出口200mm处箱体超声雾化器23喷嘴232雾化的乙醇液体致密成碳纳米 管纤维6。碳纳米管纤维6在引丝杆21牵引作用下，到达距高温化学气相反应器1后端 500mm的纺轴22处，被转动的纺轴22以10m/min纺速缠绕。如图2所示，为SEM观 察所述碳纳米管纤维6的照片，即碳纳米管纤维6的扫描式电子显微照片。碳纳米管纤 维6直径均匀，为20um。放大SEM观察碳纳米管显微表面，碳纳米管间紧密堆积，碳 纳米管沿纤维长方向分布，还能看到少量的颗粒。透射电子显微镜观察碳纳米管纤维6， 由双壁碳纳米管组成，双壁碳纳米管直径主要在8-10nm，双壁碳纳米管以管束形式存 在。

具体实施例2

所述箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置与实施例1类似，不 同的是在距离高温化学气相反应器1出口200mm超声雾化的有机液体235为甲醇液体， 碳纳米管聚集体5遇到甲醇雾气致密成碳纳米管纤维6，碳纳米管纤维6以50m/min纺 速缠绕到纺轴22上，获得连续碳纳米管纤维6。在其他实施例中，所述超声雾化的有机 液体235还可以是乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇、苯或其他小分子中的一种或一种以上的 混合液体。

具体实施例3

箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置与实施例1类似，不同的 是在距离高温化学气相反应器1出口200mm处固定纺轴22，箱体2内还设有位于纺轴 22处的液体槽，液体槽中盛有高分子液体，在本实施例中，所述高分子液体为3wt.% 的PVA水性溶液，纺轴22转动过程中经过所述PVA水溶液。碳纳米管聚集体5在引丝杆 21牵引作用下进入箱体2中，经过沾有PVA水溶液的纺轴22，碳纳米管聚集体5收缩成 碳纳米管纤维6，变成碳纳米管/PVA复合纤维，复合纤维在纺轴22上以15m/min纺速 纺丝。如图3所示，为SEM观察碳纳米管/PVA复合纤维材料的照片，复合纤维直径均匀， 直径为30um。放大SEM观察显微断开，PVA高分子渗透到碳纳米管纤维6中，将碳纳米 管束分开。

具体实施例4

所述箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置与实施例1类似，不 同的是在距离高温化学气相反应器1出口200mm处固定纺轴22，箱体2内还设有位于 纺轴22处的液体槽，液体槽中盛有高分子液体，在本实施例中，所述高分子液体为50wt.% 的聚碳硅烷二甲苯溶液，纺轴22转动过程中经过聚碳硅烷的二甲苯溶液。碳纳米管聚集 体5在引丝杆21牵引作用下进入箱体2中，经过沾所述有聚碳硅烷的二甲苯溶液的纺轴 22，碳纳米管聚集体5收缩成纤维，变成碳纳米管/PCS复合纤维，复合纤维在纺轴22 上以5m/min纺速纺丝。SEM观察碳纳米管/PCS复合纤维材料，PCS高分子渗透到碳纳 米管纤维6中，将碳纳米管束分开。

具体实施例5

所述箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置与实施例3类似，不 同的不设有箱体超声雾化器23，而是在距离高温化学气相反应器1出口200mm液体槽 中盛有所述有机液体，在本实施方式中为乙醇液体。碳纳米管聚集体5在引丝杆21作用 下从高温化学气相反应器1后端出来后直接到达距高温化学气相反应器1后端500mm的 纺轴22。纺轴22转动过程中经过乙醇液体。碳纳米管聚集体5在引丝杆21牵引作用下 进入箱体2中，经过沾有乙醇的纺轴22，碳纳米管聚集体5收缩成纤维，变成碳纳米管 纤维6。SEM观察碳纳米管聚集体5表面碳纳米管分布，碳纳米管沿聚集体5长方向分布， 部分的碳纳米管大于取向碳纳米管间，将碳纳米管连接成三维网络结构。

具体实施例6

箱体2密封化学气相反应制备连续碳纳米管纤维6的装置与实施例1类似，不同的 是在距离高温化学气相反应器1出口200mm无箱体超声雾化器23，距高温化学气相反 应器1后端500mm处有纺轴22，纺轴22可同时进行两维运动。即，所述纺轴22可大 致以碳纳米管聚集体5为轴心进行旋转加捻。所述两维运动使碳纳米管聚集体5加捻， 同时，对加捻致密变成的纤维收丝，继而获得碳纳米管纤维6。

综上所述，在高温化学气相制备碳纳米管聚集体5设备的后端连接密封作用的箱体 2，在箱体2中对高温化学气相反应器1制备的碳纳米管聚集体5进行引丝、致密、复合 和纺丝的不同处理。所述箱体2纺丝过程都是在密封环境中完成，不受外界的环境的干 扰，同时，避免了空气中杂质颗粒影响碳纳米管纤维6，另外，以有机液体235致密碳 纳米管聚集体5过程中是在箱体2中进行，避免了与空气接触，提高了处理碳纳米管聚 集体5的稳定性，因此，所述方法适合发展规模化制备连续碳纳米管纤维6。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个 独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说 明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明， 它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或 变更均应包含在本发明的保护范围之内。