CN107325326B - 一种碳纤维复合材料微反应器及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料微反应器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料微反应器及其制备方法，由2‑5层碳纤维布叠层而成，每相邻的两层碳布之间有一层微反应器，微反应器的管道直径为10μm‑1000μm，相邻两根输入管道之间的距离为1mm‑10mm。该微结构将流体切割成微米级的薄层相互接触，混合瞬间完成，反应体积为几纳升到几微升，流动特性以层流扩散为主，使用纵向Y型混合方式，从而形成微反应器。本发明结构简单，制造方便，提高加工效率和加工质量。

Description

一种碳纤维复合材料微反应器及其制备方法
技术领域
本发明属于微反应系统中的微反应器技术领域，具体指代一种在化工反应中可实现严格温度控制的碳纤维复合材料微反应器及其制备方法。
背景技术
在微化工实验中，使用金属材料制作的毛细管微反应器是良好的聚合装备，这类微反应器材质相对惰性，成本低、易于搭建，是目前聚合物合成微反应器的主要形式。使用金属微反应器的优势在于微小的混合空间能够快速混合单体和引发剂，控制反应局部环境的均匀性，相对惰性的反应器壁面具有良好的导热性能，能够快速移除反应热或者瞬间提高反应温度。但是金属在长期使用后容易与反应物发生次生反应产生腐蚀，影响生成物的纯度与性能。同时，硅、玻璃、陶瓷是微反应中的常用材料。硅具备优良的机械和物理性能，具有机电合一特性和优异的传感特性，但是硅的脆性对加工是不利的，它的各向异性也会增加力学分析的困难。玻璃因为化学性能稳定，且具有良好的生物兼容性，它制作的微反应器还有利于观察内部反应，所以玻璃在微反应器中常被广泛用做基片材料；陶瓷因化学性能稳定，抗腐蚀能力强，熔点高，在高温下仍能保持尺寸的稳定，因而在微反应器中常用于高温和强腐蚀的场合，其缺点是耗费时间长，价格昂贵。 于是本发明采用碳纤维增强复合材料，它具有高的比强度和比模量、疲劳强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀、结构尺寸稳定、兼容性良好、材料性能可设计等优异的性能。
中国实用新型专利申请号为CN201520051136.5，名称为“微反应器”，包括静态混合器，还包括与静态混合器连通的若干弯道管及直通管，相邻两个弯道管之间通过直通管连通。通过设置弯道管，增加了流体在道管流动过程中的速度变化，提高混合效率；特别对多相反应时更加有利，提高多相反应的收率；这种结构在增加流体流量同时不影响换热性能；降低混合保温时间，对于快速引发的反应能够有效的控制混合，减少局部反应过快生成副产物。但弯道管的加工难度大且较易发生固相沉积。
中国实用新型专利申请号为CN201520051668.9，名称为“微反应器”，包括第一物料入口管道、第二物料入口管道、物料出口管道和至少一组反应通道，每组反应通道包括中空的第一微通道球和第二微通道球，第一微通道球与第二微通道球之间设有若干中空的第三微通道球，相邻的两个第三微通道球之间分别连接有第一微管道，相邻的四个第三微通道球及第一微管道构成菱形，第一微通道球与相邻的两个第三微通道球通过第一微管道连接并构成菱形，第二微通道球与相邻的两个第三微通道球通过第一为管道连接并构成菱形；第一物料入口管道、第二物料入口管道分别与第一微通道球相通连接，物料出口管道与第二微通道球相通连接。采用微反应器缩短制备时间，提高安全性能。但该微反应器所适用的反应具有局限性且管道与通道球的类型较多，增加加工难度；同时存在多种连接，对加工精度要求高，工艺繁琐。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料微反应器及其制备方法，以解决现有技术中微反应器材料存在抗腐蚀性能较差、加工难度大、价格昂贵等问题。
为达到上述目的，本发明的一种碳纤维复合材料微反应器，该微反应器的基体选用树脂材料，基体内设有碳纤维布，每2-5层碳纤维布之间设有一层微管道，该微管道包括输入管道、反应管道和输出管道，三者依次连接；微反应器的上述各管道直径为10μm-1000μm，相邻两根输入管道之间的距离为1mm-10mm；微反应器由微管道层次堆叠而成；采用纵向Y型混合方式，每个Y型结构为一组，其中，微反应器的长为500-600mm，宽为300-400mm，高为90-100mm；输入管道包含第一输入管道和第二输入管道。
优选地，所述的微反应器包含有1-3层微管道，每层有10-50组。
优选地，所述的第一输入管道和第二输入管道的长分别为150-180mm。
本发明的一种碳纤维复合材料微反应器的制备方法，包括步骤如下：
1）将微管道系统预制板铺在表面光洁的玻璃板上；
2）依次在微管道系统预制板上面铺设剥离层和半干的碳纤维布；
3）真空处理后注入树脂进行第一步复合成型；
4）固化后脱模，上述步骤3）中成型的复合材料板和微管道系统预制板分离，在复
合材料板上留下微管道；
5）将蜡融化后注入所得的微管道中，然后铺设半干的碳纤维布；
6）真空处理后注入树脂进行第二步复合成型；
7）固化后脱模，将蜡融化后获得微管道嵌入在碳纤维复合材料中的板材。
优选地，上述步骤3）中在树脂中加入一定量的石墨烯。
本发明的有益效果：
采用石墨烯和碳纤维增强复合材料，提高了散热性能、比强度、比模量和疲劳强度，且热膨胀系数小，管道结构耐腐蚀、结构尺寸稳定、兼容性良好，材料性能可设计，性价比高；碳纤维复合材料微反应器相对于常规规模的反应器在能源效率、反应速率和产率、安全性、可靠性、可扩展性和过程控制的精细程度等方面有较大的优势；与金属微反应器相比，可以避免难加工和金属“中毒”的问题；
本发明的微结构将流体切割成微米级的薄层相互接触，混合瞬间完成，反应体积为几纳升到几微升，流动特性以层流扩散为主，使用纵向Y型混合方式，从而形成微反应器。结构简单，制造方便，提高加工效率和加工质量。
附图说明
图1为微反应器管道设计图。
图2为微反应器的断面示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1、图2所示，本发明的一种碳纤维复合材料微反应器，该微反应器的基体选用树脂材料，基体内设有碳纤维布，每2-5层碳纤维布之间设有一层微管道，该微管道包括输入管道、反应管道40和输出管道30，三者依次连接；微反应器的上述各管道直径为10μm-1000μm，相邻两根输入管道之间的距离为1mm-10mm；微反应器由微管道层次堆叠而成，微反应器包含有1-3层微管道，每层有10-50组；采用纵向Y型混合方式，每个Y型结构为一组，其中，微反应器的长为500-600mm，宽为300-400mm，高为90-100mm；输入管道包含第一输入管道10和第二输入管道20，二者长分别为150-180mm。图2中，50为管道截面形状。
实施例1：一种碳纤维复合材料微反应器，每3层碳纤维布之间设有一层微管道，该微管道包含输入管道、反应管道、输出管道；微反应器的各管道直径为10μm，相邻两根输入管道之间的距离为1mm；微反应器由微管道层次堆叠而成，先以亚单元形成单元，再以单元来形成更大的单元，以此类推；采用纵向Y型混合方式，每个Y型结构为一组，每个微反应器有2层微管道，每层有30组；微反应器的长为500mm，宽为300mm，高为90mm；输入管道包含第一输入管道和第二输入管道，二者的长分别为150mm，二者的间距为1mm。
实施例2：一种碳纤维复合材料微反应器，每3层碳纤维布之间设有一层微管道，该微管道包含输入管道、反应管道、输出管道；该微反应器的各管道直径为1000μm，相邻两根输入管道之间的距离为10mm；微反应器由微管道层次堆叠而成，先以亚单元形成单元，再以单元来形成更大的单元，以此类推；使用纵向Y型混合方式，每个Y型结构为一组，每个微反应器有3层微管道，每层有50组；微反应器的长为600mm，宽为400mm，高为100mm；输入管道包含第一输入管道和第二输入管道，二者的长为180mm，二者的间距为10mm。
一种碳纤维复合材料微反应器的制备方法，包括步骤如下：
1）将微管道系统预制板铺在表面光洁度非常高的玻璃板（10毫米厚）上；
2）依次在微管道系统预制板上面铺设剥离层和半干的碳纤维布；
3）真空处理后注入树脂进行第一步复合成型；
4）固化后脱模，上述步骤3）中成型的复合材料板和微管道预制板分离，在复合材料板上留下微管道；
5）将蜡融化后注入所得的微管道中，然后铺设半干碳纤维布层；
6）真空处理后注入树脂进行第二步复合成型；
7）固化后脱模，将蜡融化后获得微管道嵌入在碳纤维复合材料中的板材。
所述的微管道直径增大会导致碳纤维复合材料的层间剪切强度和弯曲强度下降；所述的微管道间距影响了微管道的分布密度和数量，进而影响碳纤维复合材料的层间剪切强度和弯曲强度。
实例3：铜丝机械性能好，且能满足制作微米级管道的工艺需求，采用铜丝制作微管道系统预制板，将铜丝制成的微管道系统预制板放置在光滑的玻璃板上，随后在其上铺设碳纤维布和剥离层，真空处理之后注入制备好的树脂固化后脱模，由于复合材料的导热系数普遍偏低，所以我们选用日立公司生产的一种高导热环氧树脂，该环氧树脂的导热系数可达到陶瓷水平，为了进一步提高导热率，在树脂中加入一定量的石墨烯，石墨烯是目前为止导热系数最高的材料，石墨烯的加入可以提高复合材料的导热性能。24h固化后脱模便得到了一半的有微管道的碳纤维复合材料板，将融化的蜡注入微管道中，待蜡凝固后再在其上铺设碳纤维布，再一次真空处理之后将制备好的树脂注入其中，24h固化后脱模，将整块的碳纤维复合材料板放入热水中，微管道中的蜡受热融化，流出微管道，这样就得到了整块有微管道镶嵌在其中的碳纤维复合材料板。也就是一个微反应器的一个单元，将多个单元层叠起来，便成为一个微反应器。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种碳纤维复合材料微反应器的制备方法，该微反应器的基体选用树脂材料，基体内设有碳纤维布，每2-5层碳纤维布之间设有一层微管道，该微管道包括输入管道、反应管道和输出管道，三者依次连接；微反应器的上述各管道直径为10μm-1000μm，相邻两根输入管道之间的距离为1mm-10mm；微反应器由微管道层次堆叠而成；采用纵向Y型混合方式，每个Y型结构为一组，其中，微反应器的长为500-600mm，宽为300-400mm，高为90-100mm；输入管道包含第一输入管道和第二输入管道；
所述的微反应器包含有1-3层微管道，每层有10-50组；
所述的第一输入管道和第二输入管道的长分别为150-180mm；
其特征在于，包括步骤如下：
1)将微管道系统预制板铺在表面光洁的玻璃板上；
2)依次在微管道系统预制板上面铺设剥离层和半干的碳纤维布；
3)真空处理后注入树脂进行第一步复合成型；
4)固化后脱模，上述步骤3)中成型的复合材料板和微管道系统预制板分离，在复合材料板上留下微管道；
5)将蜡融化后注入所得的微管道中，然后铺设半干的碳纤维布；
6)真空处理后注入树脂进行第二步复合成型；
7)固化后脱模，将蜡融化后获得微管道嵌入在碳纤维复合材料中的板材。
2.根据上述权利要求1所述的碳纤维复合材料微反应器的制备方法，其特征在于，上述步骤3)中在树脂中加入一定量的石墨烯。
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