[發明專利]一種工業化生產納米碳纖維的工藝方法及裝置

有效

• 申請號: 201010144245.3
• 申請日: 2010-04-12
• 公開（公告）號: CN102086537A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: 陳曉紅;范成偉;宋懷河;李躍豐;高利;李強;黃勇;陳志剛
• 申請（專利權）人: 北京化工大學;烏魯木齊石油化工總廠西峰工貿總公司
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;D01F9/127;D01F9/133;D01F9/15
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及生產制備納米碳纖維的工藝方法及裝置，特別涉及利用氣相法大規模批量制備生產納米碳纖維的工藝方法和裝置，在所述方法中，導入反應碳源及含碳氫載氣。更具體地說，本發明提供了一種制備納米碳纖維的方法及相關裝置，以及由該法得到的納米碳纖維，所述工藝包括將碳源及載氣連續性引入特定反應器。因次，本發明具有高度重現性并可實現工業化應用。

背景技術

隨著人們對納米碳材料的深入研究發現，納米碳材料具有非常廣泛的應用價值，特別是碳纖維更廣泛應用于軍事，航天及體育器材等領域。自1991年Iijima發現納米碳管后，人們才開始有目的地合成納米碳纖維(CNFs)(Iijima?S，Nature，1991，354：56)。納米碳纖維是碳纖維的一種形式，是由通過裂解氣相碳氫化合物或靜電紡絲制備的非連續石墨纖維。由于其具有高強度、高模量、高結晶取向度、高導電和導熱等獨特和優異的物理、化學性質，而受到了廣大研究者的關注。已有研究表面，納米碳纖維與普通碳纖維相比具有更大的表面積，用于鋰離子電池負極材料時，其充放電性能，循環及倍率性能均更高(Endo?M.，Kim?Y.A.，Hayashi?T.，et?al.，Carbon，2001，39：1287)。納米碳纖維作為催化劑載體，由于其高比表面積，可以使得催化劑均勻分散，形成特殊形貌，從而具有特殊的活性和選擇性。此外，在聚合物基體中，加入納米碳纖維后，復合材料的力學性能及導電性大大提高。

CNFs的制備方法有電弧法、激光法、火焰法、靜電紡絲法和催化化學氣相沉積法等。其中適合低成本和大批量制備CNFs的方法主要為化學氣相沉積法和靜電紡絲法，以適應商業化應用將成為未來研究的關鍵。國內已有納米碳纖維生產的相關專利：一種以煤焦油瀝青為原料制備納米碳纖維的方法(中國專利，申請號：CN?200610048113.4)；一種制備魚骨狀納米碳纖維的方法(中國專利，申請號CN?02136034.0)；一種連接生產納米碳材料的方法及裝置(中國專利，申請號CN?200510003611.2)；一種生產納米碳纖維的工藝及裝置(中國專利，申請號CN?200410066071.8)

以上專利主要以煤焦油瀝青為原料，二茂鐵為催化劑，氬氣或氫氣為保護氣體，利用電加熱，隔熱反應器制備納米碳纖維的方法，反應溫度通常在600～1200℃左右，能耗巨大，且熱能無法回收利用。另外反應器較大，導致設計困難，并且不能連續化生產。本發明目的是克服上述已有專利技術中的不足，通過選擇合適的碳源和催化劑，為簡化反應器和優化生產工藝，提供一種操作方便、裝置簡單能耗低、可大規模連續化生產納米碳纖維的工藝。

發明內容

本發明提供一種制備納米碳纖維的工藝方法和裝置，能夠實現工業連續化生產，并適于多種碳原料，成本低廉，從而滿足工業實際生產碳纖維的條件需求，并且充分回收利用各種副產能量，形成能源循環綜合利用的最優化工藝。

本發明涉及一種工業連續化生產納米碳纖維的制造設備。所述裝置包括包括控制系統、進料混合噴霧設備、裂解反應爐、產品收集系統。該裝置的優點是，反應易于控制，采用導流管將原料噴入裂解反應爐的方式可大規模連續生產形態均一的納米碳纖維，產率高，設備能耗低，成本低廉。反應產物經旋風分離器將反應氣固產物分離，收集產品同時實現裂解氣的循環使用，環保無污染。本發明方法具有工業化生產和應用的價值。此制取方法工藝流程短，制備方法簡單，材料來源豐富，制取成本低。

本裝置采用含碳原料由原料導流管高壓噴入裂解反應爐，在供熱爐段物料加熱成氣態，在反應爐中含碳的烴類原料在保護氣的隔離稀釋條件下在1000～1400℃溫度下裂解成的條件碳顆粒，與噴入爐內的催化劑結合后，迅速與催化氣粒子核晶，形成納米碳體，并在加入助劑的作用下經過換熱內膽進行換熱，降低產生的溫度。產物進入旋風分離器進行氣固分離，通過換熱器殼程的空氣經過換熱后形成熱風返回風送管再進入供熱爐循環利用，以降低能耗。經過分離器分離后的固體產物由過濾袋收集產物后，進行氣流分級，得到的氣態物質由分離風管輸送至原料罐和催化劑料罐用于物料的預熱以降低反應所需能耗。最終產物經過酸化罐處理后去除無定形炭得到凈化程度較高的納米碳纖維。

上述工藝方法中，含碳原料是芳烴重油、渣油、煤焦油、混苯、煤瀝青、焦爐氣、蒽油、萘油、酚油、甲苯中的一種或幾種物料的混合物。

本發明工藝方法中，原料導流管內物料流速為1000-3000m³h^-1，壓力0.5-3.0MPA。