[发明专利]一种安全气氛规模化制备碳纳米管纤维的系统和方法

说明书

本发明揭示了一种安全气氛规模化制备碳纳米管纤维的系统和方法，包括碳纳米管纤维生长单元和碳纳米管纤维收集单元，碳纳米管纤维生长单元还与碳源注入单元及气流控制单元配合，碳纳米管纤维生长单元包括彼此分隔的多个生长腔室，生长腔室的出口处设置有冷却机构和气封机构，气封机构至少用于向与生长腔室出口对应区域喷射气流以形成气封层，气封层能够阻止环境空气从生长腔室出口进入生长腔室，冷却机构至少用于对生长腔室出口对应区域进行冷却。本发明采用多管生长腔室，提高纤维产能，降低纤维成本；生长腔室处于敞开大气环境，提高操作方便性；每个生长腔室出口位置设置有水冷与气封装置，提高规模化制备过程中的工艺安全性。

技术领域

本发明属于碳纳米管制备技术领域，具体涉及一种安全气氛规模化制备碳纳米管纤维的系统和方法。

背景技术

碳纳米管具有优异的力学、电学和热学特性。由无数纳米尺度碳纳米管组装而成的碳纳米管纤维具有高强、高韧、高导电的特性，被誉为新一代高性能纤维材料，在复合材料、能源器件、智能织物、人工肌肉等领域具有重要的应用价值。浮动催化化学气相沉积法是非常具有发展前景的一种碳纳米管纤维制备技术。该方法在一定比例载气气体辅助下向高温反应管式炉中连续注入液态碳源，液态碳源高温气化裂解形成碳纳米管，无数碳纳米管聚集组装成丝袜状碳纳米管纤维前驱体，通过特定的收集与纤维化方法制备出连续的碳纳米管纤维。通常情况下，浮动催化化学气相沉积法合成碳纳米管纤维工艺中以氢气作为载气，增加了工艺过程的危险性和装置的复杂性，如何在安全气氛下大规模合成碳纳米管纤维成为本领域的研究重点。

专利CN101696519A公布了一种安全气氛制备碳纳米管纤维的方法，涉及一种碳纳米管纤维制备装置与制备方法。该工艺虽然只以惰性气体作为载气，但其制备装置采用水封结构，增加了纤维制备过程中的操作难度。并且该方法采用单炉管生长方式，不利于碳纳米管纤维的规模化制备。2012年天津大学冯建民博士论文《安全气相法制备碳纳米管纤维》中涉及一种在氩气气氛中制备碳纳米管纤维的装置，其在石英管下方通过法兰连接密封水箱，在水箱侧壁安装电机带动纺轴旋转，进行碳纳米管纤维的收集。该方法同样采用了水封单炉管制备模式，无法满足碳纳米管纤维规模化制备需求。华东理工大学王建农教授文章《High-Strength Carbon Nanotube Film from Improving Alignment andDensification》和《High-strength carbon nanotube fibre-like ribbon with highductility and high electrical conductivity》中涉及一种无氢气碳纳米管薄膜及纤维的制备装置，该方法特点在于采用惰性气体为载气，生长腔室的末端处于敞开的大气环境中。该工艺方法虽然具有操作方便的优点，但是工艺过程中液态碳源及其裂解产物具有可燃性，且炉管口位置温度较高，存在易燃风险，不利于工艺放大以及规模化制备。

综上所述，现有技术主要存在以下缺点：

(1)现有碳纳米管纤维制备装置均采用单管生长方式，纤维产能低，能耗及纤维制备成本高，非常不利于碳纳米管纤维的规模化制备。

(2)现有安全气氛生长碳纳米管纤维装置，为提高制备过程的安全性，生长腔室多采用水封密闭结构，存在操作不便的缺点，不利于碳纳米纤维的规模化制备。

(3)现有安全气氛生长碳纳米管纤维装置，为增加制备过程操作方便性，生长腔室末端处于敞开的大气环境中，但纤维制备工艺裂解产物仍然具有一定的可燃性，规模化放大过程中存在安全隐患。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种安全气氛规模化制备碳纳米管纤维的系统和方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：