CN103922313A - 海绵态碳纳米管气相收集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供海绵态碳纳米管的收集装置，其包括管式炉以及与所述管式炉相连通的收集箱，所述管式炉用于催化生成碳纳米管薄膜，所述收集箱内设有纺轴以及设置于所述纺轴上的收集装置，所述纺轴可被驱动地旋转以便将所述管式炉催化生成的碳纳米管薄膜卷绕在所述收集装置上，其中，所述收集箱内还设有与所述纺轴配合的层压装置，所述层压装置与所述纺轴的间距可调。与现有技术相比，本发明的海绵态碳纳米管的收集装置实现了大面积可调控海绵态碳纳米管的批量收集，其结构简单，稳定可靠，收集效率高，适用于大规模工业化生产。

Description

海绵态碳纳米管气相收集装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制造领域，尤其涉及一种海绵态碳纳米管的气相收集装置及方法。

背景技术

碳纳米管是一种结构为一维的纳米结构材料，由类似的单层石墨卷曲成环状形成，具有质轻、高比表面积、透明、高强度、高导电、高导热、电场发射、红外发射等优异的物理、力学、电学、光学等特性，在电磁屏蔽材料、显示材料、发光器件、储能、过滤、传感器、生物材料等领域有十分广阔的应用前景。而海绵态碳纳米管在保温材料、阻燃、电磁屏蔽、微波吸收、热辐射、结构复合材料等领域具有广泛的应用前景。目前，这种大面积可调控海绵态碳纳米管的收集还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设备简单，稳定可靠的海绵态碳纳米管的气相收集装置及方法。 

为实现上述发明目的，本发明提供一种海绵态碳纳米管的气相收集装置，其包括：管式炉以及与所述管式炉相连通的收集箱，所述管式炉用于催化生成碳纳米管薄膜，所述收集箱内设有纺轴以及设置于所述纺轴上的收集装置，所述纺轴可被驱动地旋转以便将所述管式炉催化生成的碳纳米管薄膜卷绕在所述收集装置上，其中，所述收集箱内还设有与所述纺轴配合的层压装置，所述层压装置与所述纺轴之间间距可调。

作为本发明的进一步改进，所述收集箱设有可供所述管式炉催化生成的碳纳米管薄膜通过的进口，所述收集箱内设置有与所述纺轴连接的机械臂，所述机械臂可伸缩设置以控制所述纺轴与所述碳纳米管进口之间间距。 

作为本发明的进一步改进，所述收集装置为缠绕在所述纺轴上的磁性辊筒或磁性履带。 

作为本发明的进一步改进，所述层压装置与所述箱体活动连接以调节所述层压装置与所述纺轴之间间距。 

作为本发明的进一步改进，所述箱体上还设有气封装置、出气口、以及观察窗。

作为本发明的进一步改进，所述收集装置可被控制地沿所述纺轴的轴向移动。

相应地，一种海绵态碳纳米管的收集装置收集海绵态碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将含有碳源原料、金属催化剂和反应促进剂的混合反应物使用注入装置注入到所述管式炉中以生成碳纳米管薄膜；

S2、驱动所述纺轴旋转以将步骤S1中生成的碳纳米管薄膜卷绕在所述收集装置上；

S3、调节所述层压装置与所述纺轴之间的间距对卷绕在所述收集装置上的碳纳米管薄膜进行碾压以生成预定密度的海绵态碳纳米管。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：控制所述收集装置沿所述纺轴的轴向移动，以收集预定宽度的海绵态碳纳米管。 

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述的注入装置选自注射泵、液体喷射器、超声雾化注入装置中的一种，步骤S1中还具体包括：通过单管或多管串联或并排的方式将所述反应物注入到所述管式炉中。

作为本发明的进一步改进，所述收集海绵态碳纳米管的方法还包括：

将步骤S3收集的海绵态碳纳米管再次放入所述管式炉中，实现海绵态碳纳米管的二次生长。

本发明的有益效果是：本发明的海绵态碳纳米管的收集装置实现了大面积可调控密度的海绵态碳纳米管的批量收集，其结构简单，稳定可靠，收集效率高，适用于大规模工业化生产。

附图说明

图1是本发明一实施方式中海绵态碳纳米管气相收集装置的结构示意图；

图2本发明一实施方式中海绵态碳纳米管收集方法的流程图；

图3是采用图1海绵态碳纳米管气相收集装置收集的海绵态碳纳米管的扫描电镜照片；

图4是采用图1海绵态碳纳米管气相收集装置收集的海绵态碳纳米管的透射电镜照片。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明一实施方式中海绵态碳纳米管气相收集装置包括管式炉10及与管式炉10连通的收集箱20。在本实施例中，管式炉 10的一端设有碳源注入口12和载气注入口13，另一端与收集箱20的箱体21连通。该管式炉10的炉管11可以是单管也可以是多管，该炉管11可以采用石英管、刚玉管、陶瓷管或其他耐高温合金管中的任意一种。

 海绵态碳纳米管收集箱20的箱体21上设有气封装置26、出气口27、以及观察窗28。在海绵态碳纳米管收集完成后，打开气封装置26，通入保护气体，将箱体21中的碳源气体及载气等进行一定的稀释，将海绵态的碳纳米管从箱体中取出。观察窗28用来观察海绵态碳纳米管的收集情况。箱体21的侧壁上设有与管式炉10的炉管11连通的碳纳米管薄膜进口29，机械臂24设于箱体21内，其一端与箱体21的内顶壁固定，另一端与纺轴22固定连接，纺轴22通过机械臂24悬挂在箱体20内，纺轴22是通过一电机（未图示）驱动的，该电机设于箱体21的外部。

作为优选的实施方式，机械臂24为可伸缩设计以调节纺轴22与碳纳米管进口29之间间距。纺轴22上还设置有收集装置221，该收集装置221为缠绕在纺轴22上的磁性辊筒或磁性履带，用来将碳纳米管薄膜吸附到收集装置221上。需要说明的是，这里的磁性辊筒或磁性履带仅需带有微磁性即可满足碳纳米管的收集需要，并且上述的磁性辊筒或磁性履带优选采用具有耐化学腐蚀和耐高温的辊筒或履带。

在本实施方式中，收集装置221被设置为可被控制地沿纺轴22的轴向移动，以实现对不同宽度的海绵态碳纳米管的收集。另外，箱体内还设有一辊筒状的层压装置23，该层压装置23与箱体21活动连接并位于纺轴22的上方，层压装置23可通过上下移动来调节与纺轴22间之间间距，以控制收集不同密度的海绵态碳纳米管。需要说明的是，在其它替换的实施方式中，层压装置23也可以是采用其它合适的形状，也可位于纺轴22外周的任意一处，只要能达到控制收集不同密度的海绵态碳纳米管即可。更优选地，可以根据需要在海绵态碳纳米管收集箱20内设置多个的层压装置23以满足实际的应用需求。

结合图1和图2，介绍本发明海绵态碳纳米管的收集方法的一具体实施方式。在本实施方式中，该方法具体包括： 

S1、将含有碳源原料、金属催化剂和反应促进剂的混合反应物和载气分别通过碳源注入口12和载气注入口13注入到管式炉10的炉管11中。

采用浮动催化化学气相沉积法在管式炉10中进行碳纳米管薄膜的制备，具体地，碳源原料可采用碳氢气体或含碳有机物或混合碳源。碳氢气体包括甲烷、乙烯或乙炔等；含碳有机物包括乙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、苯或正己烷及混合等；混合碳源包括甲烷与甲醇、乙烯与甲醇等。催化剂采用二茂铁、氯化铁、硫化铁、硫酸铁、草酸镍中的一种或多种的组合，并优选采用二茂铁或醋酸钴，催化剂占反应物的质量百分比为0.01-15%。反应促进剂采用水、噻吩、醋酸钼中的一种或多种的组合，反应促进剂占反应物质量百分比为0.01-10%。

碳源原料、催化剂和反应促进剂通过注入装置（未图示）被注入到炉管11中。具体地，该注入装置可采用注射泵、液体喷射器或超声雾化注入装置中的一种，注入方式可采用单管或多管串联或并排方式。载气的注入流量为2000-8000ml /min，炉管11中的反应温度为1000-1700℃，碳源原料的注入流量为10-100ml /h。通过催化裂解在气相中生成碳纳米管薄膜，其结构包括单壁、双壁、多壁的管状或叠层堆垛结构。

S2、驱动纺轴旋转，以便将步骤S1中生成的碳纳米管薄膜卷绕在收集装置上。

生成的碳纳米管薄膜通过海绵态碳纳米管收集箱20的碳纳米管薄膜进口29进入箱体21中，由于碳纳米管薄膜上还残留有金属催化剂，可被缠绕在纺轴22上磁性的辊筒或磁性履带吸附，纺轴22由电机（未图示）驱动进行旋转，随着纺轴22的旋转，将碳纳米管薄膜不断收集纺出，形成了具有蓬松特性的海绵态碳纳米管，其微观形貌参图3和图4所示。

S3、调节所述层压装置与所述纺轴的间距对卷绕在所述收集装置上的碳纳米管薄膜进行碾压以生成预定密度的海绵态碳纳米管。在纺轴22的旋转的同时，层压装置23通过上下移动来调节与纺轴22之间的间距，对卷绕在所述收集装置上的碳纳米管薄膜进行碾压以生成预定密度的海绵态碳纳米管。在碳纳米管薄膜进入收集箱20的过程中，炉管11中的碳源原料气体、载气等也会随之进入收集箱20，因此，在收集箱20的箱体21上设有出气口27以便这些气体的及时排除，不会给箱体21中造成太大的压力。在这里值得一提的是，辊筒或履带可以沿纺轴22的轴向移动，以收集预定宽度的海绵态碳纳米管。单次收集完成后，打开气封装置26，通入保护气体，优选氮气，将箱体21中的碳源原料气体及载气等进行一定的稀释，将海绵态的碳纳米管从箱体中取出。这时，还可将此海绵态的碳纳米管再次放入到管式炉10中，利用管式炉10中的气氛及残留在海绵态的碳纳米管上的催化剂，实现海绵态的碳纳米管的二次生长。

为了更好的阐述本发明，以下提供一些海绵态碳纳米管收集方法的具体实施例。

实施例1

以乙醇为碳源，二茂铁为催化剂，氢气和氩气混合气体为载气，加热温度为1500°C。在图1所示装置中收集海绵态碳纳米管，收集时间为2小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为3cm，获得密度为18.4mg/cm³，长度为750cm，最内圈直径为30cm。对其进行扫描电子显微及透射电子显微表征，参图2和图3，其结果表明本实施例中获得的海绵态碳纳米管直径为2-5nm，为单壁和多壁碳纳米管的混合物。

实施例2

碳纳米管制备过程同第一实施例。在如图1所示装置中收集海绵态碳纳米管，收集时间为4小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为3cm，获得密度为32.4mg/cm³，长度为750cm，最内圈直径为30cm。

实施例3

碳纳米管制备过程同第一实施例。在如图1所示装置中收集海绵态碳纳米管，收集时间为2小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为1cm，获得密度为42.3mg/cm³，长度为750cm，最内圈直径为30cm。

实施例4

碳纳米管制备过程同第一实施例。在如图1所示装置中收集海绵态碳纳米管，收集时间为2小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为3cm，获得密度为16.9mg/cm³，长度为300cm，最内圈直径为30cm。

实施例5

改变碳源为乙醇和甲醇混合溶液，其它制备过程同第一实施例。在如图1所示装置中收集海绵态碳纳米管，收集时间为2小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为3cm，获得密度为19.3mg/cm³，长度为750cm，最内圈直径为30cm。

实施例6

改变载气为氢气、氩气和氮气的混合气体，其它制备过程同第一实施例。在图1所示装置中收集碳纳米管，收集时间为2小时，通过控制层压装置23与纺轴22之间的距离，得到海绵态碳纳米管厚度为3cm，获得密度为18.7mg/cm³，长度为750cm，最内圈直径为30cm。

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。

Claims (10)

1.一种海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，该碳纳米管气相收集装置包括管式炉以及与所述管式炉相连通的收集箱，所述管式炉用于催化生成碳纳米管薄膜，所述收集箱内设有纺轴以及设置于所述纺轴上的收集装置，所述纺轴可被驱动地旋转以便将所述管式炉催化生成的碳纳米管薄膜卷绕在所述收集装置上，其中，所述收集箱内还设有与所述纺轴配合的层压装置，所述层压装置与所述纺轴的间距可调。

2.根据权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，所述收集箱设有可供所述管式炉催化生成的碳纳米管薄膜通过的进口，所述收集箱内设置有与所述纺轴连接的机械臂，所述机械臂可伸缩设置以控制所述纺轴与所述碳纳米管进口的间距。

3.根据权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，所述收集装置为缠绕在所述纺轴上的磁性辊筒或磁性履带。

4.根据权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，所述层压装置与所述箱体活动连接以调节所述层压装置与所述纺轴之间的间距。

5.根据权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，所述箱体上还设有气封装置、出气口、以及观察窗。

6.根据权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置，其特征在于，所述收集装置可被控制地沿所述纺轴的轴向移动。

7.一种利用权利要求1所述的海绵态碳纳米管气相收集装置收集海绵态碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、将含有碳源原料、金属催化剂和反应促进剂的混合反应物使用注入装置注入到所述管式炉中以生成碳纳米管薄膜；

S2、驱动所述纺轴旋转以将步骤S1中生成的碳纳米管薄膜卷绕在所述收集装置上；

S3、调节所述层压装置与所述纺轴之间间距，对卷绕在所述收集装置上的碳纳米管薄膜进行碾压以生成预定密度的海绵态碳纳米管。

8.根据权利要求7所述的收集海绵态碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法还包括：控制所述收集装置沿所述纺轴的轴向移动，以收集预定宽度的海绵态碳纳米管。

9.根据权利要求7所述的收集海绵态碳纳米管的方法，其特征在于，步骤S1中所述的注入装置选自注射泵、液体喷射器、超声雾化注入装置中的一种，步骤S1中还具体包括：通过单管或多管串联或并排的方式将所述反应物注入到所述管式炉中。

10.根据权利要求7所述的收集海绵态碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将步骤S3收集的海绵态碳纳米管再次放入所述管式炉中，实现海绵态碳纳米管的二次生长。