[发明专利]制备配备有接枝的碳纳米结构的细长材料的方法以及相关的设备和产品

说明书

本发明涉制备配备有接枝的碳纳米结构的细长材料的方法。

这种方法尤其旨在用于制造包含纤维性或固体形式的细长材料的产品，在其上接枝了碳纳米结构，例如碳纳米管或碳纳米纤维。

使用根据本发明的方法获得的产品由于存在接枝的碳纳米结构而被功能化，以改变和改进初始细长材料的性质。

如此制造的产品具有不同于细长基础材料的性质，尤其是提高的机械、电或化学性质。

有利地，细长基础材料是纤维，纤维的组件例如线，或纤维的网络，织造的、编织的、编结的、或非织造的。优选地，它能够在存放组件上缠绕和打开，该组件能够是鼓或卷线筒。

“纤维”是丝状物质，其可以被挤出和/或织造。纤维可以来自动物、植物、人造来源、矿物质或合成来源。

“线”一般地是材料的长而细绳，该材料尤其是纤维，或者是已经扭在一起和挤出的那些材料的线绳的汇合。

通过有规律地交织可将线组装形成织物、编织物或编结物。

非织造物通常是天然纤维和/或制造纤维或纤丝的片材或幅材，不包括纸，其不是织造的，并且其可以被以不同方式互相结合，例如通过机械组装(穿针引线)或化学组装。

可选地，该细长材料是非纤维的，例如膜。

一般地，将碳纳米结构接枝在纤维性细长材料上是在化学气相沉积(CVD)闭合容器中在控制的气氛下进行的。

纤维性细长材料被首先去油，然后金属催化剂被沉积在表面上。

接下来，如此处理的材料被引入化学气相沉积闭合容器。该闭合容器例如是烃气体吹扫的管状石英炉。

在超过数十分钟的时间之后，例如在15分钟和60分钟之间，在某些条件下，碳纳米管然后在纤维性材料的表面上生长。

因此，例如在Shaffer等Carbon,48,277-286,2010或EP2,254,830中描述的这种方法对于工业实施是非常不实际的。它的生产力有限并且需要大量的操作。

为了解决这种问题，EP2,290,139描述了一种接枝方法，其中在处理了细长材料的表面之后，将连续长度的细长材料顺序引入等离子体炉，以在等离子体中形成碳纳米管的接枝。

这种方法提高了接枝的生产率，但是执行仍复杂。实际上，一方面，等离子体炉的存在需要监控将细长材料插入炉中的界面，使得在炉中维持控制的气氛复杂化，另一方面，在进入等离子体之前，纤维必须保持在500℃和1000℃之间的温度，其使得过程的控制复杂化。

本发明的一个目标是获得一种方法，使得可制备配备有接枝的碳纳米结构的细长材料，其执行起来非常简单并且是成本有效的，同时产生了高质量产品。

为此，本发明涉及前述的方法，其特征在于包括下述步骤：

-提供接枝设备，其包括在环境空气体中产生火焰的火炬，以及放置在火焰对面的冷却介质；

-使细长材料连续行进通过在火炬和冷却载体之间的火焰；

-随着它行进通过火焰，在细长材料上连续接枝碳纳米结构。

根据本发明的方法可以包括一个或多个下述特征，单独考虑或者根据任何技术上可能的结合：

-细长材料的连续行进包括将原始细长材料从上游撤出组件中撤出，将撤出的原始细长材料通过火焰，然后在下游的存放组件上存放具有碳纳米结构的细长材料；

-它包括将细长材料通过冷却载体的基底部分和与冷却载体相对的在基底部分和火炬之间的部分之间，所述基底部分和相对部分每个被冷却；

-在其连续行进通过火焰时将细长材料压向火焰中的基底部分；

-冷却载体包括至少一个倾斜表面，用于使火炬产生的火焰的至少一个主要区段偏斜，火炬产生的火焰包括位于倾斜的偏斜表面下游的偏斜区段，细长材料经过该倾斜区段；

-细长材料经由的火焰区域的温度低于700℃，尤其是在400℃和700℃之间；

-火炬通过用氧气燃烧烃动力气体例如乙炔产生火焰，在火炬中提供的动力气体的流量与氧气的流量之比有利地大于1；

-它包括在细长材料的表面沉积催化剂的步骤，该催化剂能够引发碳纳米结构的生长，该催化剂有利地从稀释的金属溶液沉积；

-细长材料在火焰中行进的速度大于1mm/min，尤其大于5mm/min，有利地大于300mm/min，以及尤其在300mm/min和10,000mm/min之间；

-行进速度大于1m/min，有利地大于3m/min，尤其大于5m/min。

本发明也涉及用于制备配备有接枝的碳纳米结构的细长材料的装置，其特征在于其包括：