[發明專利]碳納米管材料的反應爐管及生長裝置和方法

有效

• 申請號: 202210308697.3
• 申請日: 2022-03-25
• 公開（公告）號: CN114477143B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 勇振中;周濤;張永毅;張亦弛;吳昆杰;萬子堯;詹祥和;李清文
• 申請（專利權）人: 江西省納米技術研究院
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;D01F9/12
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明公開了一種碳納米管材料的反應爐管及生長裝置和方法。所述反應爐管包括沿物料行進方向的注入段、生長段和輸出段；所述注入段的管腔內還設置有整流裝置，所述整流裝置能夠使所述物料相比于未設置所述整流裝置時，流動方向更加趨近于所述反應爐管的軸向，且流動速率在所述反應爐管的徑向方向上更加均勻分布；所述生長段的材質為第一材質，所述輸出段的至少內表面為與碳納米管氣凝膠之間的粘性低于所述第一材質的第二材質。本發明提供的碳納米管材料的生長裝置以及方法有利于氣體的均勻化以及提升生長平穩性，顯著降低了碳納米管的掛壁和粘連現象，極大地提高了碳納米管材料制備的連續性和均勻性。

技術領域

本發明涉及無機碳材料制備技術領域，尤其涉及一種碳納米管材料的反應爐管及生長裝置和方法。

背景技術

碳納米管纖維是由眾多納米級碳納米管沿其軸向排布形成的宏觀材料，碳納米管纖維因單根碳納米管獨特的一維管狀結構而具有優異力學、電學、熱學、化學穩定性性能，在航空航天、國防軍事、能源等領域具有重要的應用前景。目前制備碳納米管纖維常用三種方法：濕法紡絲法、陣列紡絲法、浮動催化氣相沉積紡絲法，其中浮動催化氣相沉積紡絲法主要包括碳源/催化劑供給系統、高溫反應腔室、碳納米管氣凝膠纖維化裝置以及纖維連續收集系統。該方法能夠連續宏量制備碳納米管纖維，操作簡單，制備成本低，量大，是未來實現產業化的一種重要制備方法。但是在制備過程中，碳納米管纖維會存在粗細不均勻、單根纖維不同位置性能差異較大、纖維收集長度較短等問題，極大影響后期應用。

在提升碳納米管纖維的均勻、連續制備方面，近年來已有部分學者做了相關方面的研究工作，如中國專利(CN110592726A)公開了一種CVD法制備連續碳納米管纖維的方法及其裝置，該裝置主要是通過多針頭將液態碳源注入到反應爐管內，多針頭分流能增大反應液與載氣的接觸面積，從而提高反應物的活性。中國專利(CN111020747A)涉及到一種基于浮動催化CVD法連續制備碳納米管纖維的系統及方法，通過提前將液態碳源/催化劑氣化成氣態，再精確可控且均勻、穩定、連續的氣態碳源進行供給，進而實現均勻碳納米管纖維的連續制備。

在浮動催化氣相沉積法制備碳納米管纖維的過程中，還存在著許多問題，以上方案均對反應原料的注入做了優化，而未對碳納米管的生長階段進行優化，未考慮碳納米管生長階段的復雜化學反應和物理相互作用而導致纖維的不連續以及均勻性較差的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種碳納米管材料的反應爐管及生長裝置和方法。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

第一方面，本發明提供一種碳納米管材料的反應爐管，包括沿物料行進方向依次分布的注入段、生長段以及輸出段；所述物料包括碳納米管生長所需的工藝氣體及被所述工藝氣體攜帶的反應原料；

所述注入段的管腔內還設置有整流裝置，所述整流裝置能夠使所述物料相比于未設置所述整流裝置時，流動方向更加趨近于所述反應爐管的軸向，且流動速率在所述反應爐管的徑向方向上更加均勻分布；

所述生長段的材質為第一材質，所述輸出段的至少內表面為與碳納米管氣凝膠之間的粘性低于所述第一材質的第二材質。

第二方面，本發明還提供一種一種碳納米管材料的生長裝置，所述生長裝置包括上述的反應爐管以及與所述反應爐管的注入段密閉連接的注入組件，用于向所述注入段內注入碳納米管生長所需的工藝氣體及反應原料；

所述注入組件包括反應原料注入通道、工藝氣體注入通道以及連接法蘭，所述連接法蘭密封固設于所述注入段的端口，所述反應原料注入通道和工藝氣體注入通道貫穿所述連接法蘭并與所述所述反應爐管的管腔相連通。

第三方面，本發明還提供一種碳納米管材料的生長設備，所述生長設備包括上述生長裝置以及與所述生長裝置中的反應爐管的輸出段相連接的收集裝置，用于收集所述反應爐管中生長出的碳納米管氣凝膠；以及，設置于所述反應爐管周圍，用于至少控制所述反應爐管的生長段溫度的加熱裝置。