CN107963622A - 一种碳纳米管分散设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种碳纳米管分散设备，包括预混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置，混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置依序连接设置；所述预混合搅拌装置包括混合罐、搅拌桨及搅拌电机；所述碳纳米管定向装置包括活塞壳体、设置于活塞壳体内的活塞、单向阀、推进器；所述分散装置包括进料斗、偏心轮、旋叶刀及分散器，分散器上部还设置有用于添加分散剂的进料孔。其结构简单合理，够使得碳纳米管在分散前在预先定向排列，解除碳管团聚体内的相互作用，不破坏碳纳米管结构，保留了碳管的高长径比，分散效果彻底并且适合大量生产。

Description

一种碳纳米管分散设备

技术领域

本发明涉及化工设备领域，特别涉及一种碳纳米管分散设置。

背景技术

碳纳米管是一种一维纳米材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管径向尺寸一般为2~100nm为纳米量级，长径比可达千万以上。碳纳米管具有良好的力学性能，其抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能，当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。碳纳米管作为高的导电性的纤维状的导电性材料，即使添加量非常少也可以使复合材料的导电性、机械特性极大地提高；与乙炔黑相比，使用较少的碳纳米管及石墨烯作导电添加剂即能显著提高电极材料的导电性，同时能显著提高电池综合性能。在以上使用场景中，为了使得复合材料或者导电浆料具有良好的导电、机械性能，需要使碳纳米管均匀的分散于相应的材料的基质中。碳纳米管根据其制备的工艺不同可以呈现多种聚集状态，如管束、阵列或者聚团状等。因此，碳纳米管的有效分散已成为实际应用中必不可少的步骤。

碳纳米管的分散方法主要有机械分散法、表面化学共价修饰分散发和表面活性剂分散等。机械分散法主要通过使用研磨机、高速球磨、砂磨机、行星搅拌机、高剪切力分散机、超声分散等方法将碳纳米管分散于特定的介质中。CN201620606975.3中提供了一种分散装置，分散装置采用底部分散杆与上部分散杆的双重分散杆设计，提高设备分散效率，改善最终分散效果，并在分散设备上增设过滤结构，减少工序。CN201620627005.1中提出了一种包括搅拌装置和高压均质装置的分散设备，碳管通过搅拌浆在分散腔内混合均匀后经高压泵通过对流道与对撞腔连接，对流道位于对撞腔内的一端设置有喷嘴，喷嘴相对设置于对撞腔的两侧，通过高压对流作用使得碳纳米管分散均匀。CN201720238762.4公开了一种碳纳米管分散装置，装置包括搅拌罐，主动带轮，从动带轮等部分组成。转轴的外壁连接有螺旋板，搅拌罐的外壁均匀开有离心孔并套接有回料管，该碳纳米管分散装置，通过搅拌罐内的转轴和超声波震荡器的协同作用，提高碳纳米管的分散效果，提高碳纳米管的使用性能。201580026336.8提供了一种在抑制CNT的损伤的同时高效地制造CNT高度分散的碳纳米管分散液的方法。分散工序实施至少1次将包含碳纳米管和分散介质的粗分散液加压、压送而对粗分散液赋予剪切力从而使碳纳米管分散的分散处理，加压粗分散液的压力相差10MPa以上，所述分散工序可反复进行数次，以达到较好的分散效果。

在上述方法中，碳管通过设备的剪切力将碳纳米管剪切成较短长度的碳纳米管或将碳纳米管团聚体分散解离，达到分散的目的。而在复合材料或者导电浆料中，分散体系中的碳纳米管需要保持较长的长度，才能达到较好的机械或者导电性能。一般碳纳米管团聚体中碳纳米管无固定取向，在分散过程中受到剪切力较大时，碳管会被剪切成较短的长度，当受到的剪切力较小时，碳管的团聚体不能有效解团聚，造成分散效果的下降。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种碳纳米管分散设备，其结构简单合理，够使得碳纳米管在分散前在预先定向排列，解除碳管团聚体内的相互作用，不破坏碳纳米管结构，保留了碳管的高长径比，分散效果彻底并且适合大量生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种碳纳米管分散设备，包括预混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置，混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置依序连接设置；

所述预混合搅拌装置包括混合罐、搅拌桨及搅拌电机，混合罐上端设置有固定架，搅拌电机设置于固定架上，搅拌电机上连接设置有主动轴，主动轴穿过固定架与搅拌桨一体设置并设置于混合罐内；

所述碳纳米管定向装置包括活塞壳体、设置于活塞壳体内的活塞、单向阀、推进器，单向阀与推进器分别设置于活塞壳体的两端，单向阀出流口与活塞壳体前段连通，单向阀进流口通过第一导管与混合罐连通，推进器与活塞固定连接并控制活塞横向运动，活塞壳体后端呈常开设置，活塞一端设置于活塞壳体内部，活塞另一端伸出于壳体，活塞底部设置有若干毛细孔；

所述分散装置包括进料斗、偏心轮、旋叶刀及分散器，分散器上端口呈常开设置，进料斗连接于分散器的上端口并与毛细孔相配合，偏心轮设置于分散器内顶部，旋叶刀设置于分散器内底部，分散器外部设置有控制偏心轮和旋叶刀的电机，分散器底部设置有出料口，出料口通过第二导管与收集装置连通，分散器上部还设置有用于添加分散剂的进料孔。

进一步地，搅拌电机通过固定架还控制有从动轴，从动轴上一体设置有搅拌桨，且搅拌桨设置于混合罐内。

进一步地，第一导管上设置有泵。

进一步地，所述分散装置还包括有活塞导轨。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：在预混合搅拌装置中，碳管与表面活性剂和分散剂按比例加入混合罐内，混合成粘度较高的浆料；浆料通过泵压送至碳纳米管定向装置，通过定向装置内的毛细管壁与浆料之间的层间摩擦力使得碳管定向排列，解除碳管团聚体内的相互作用；定向排列的碳纳米管落入分散装置上端口，碳纳米管定向方向与分散装置偏心轮轴向平行，在分散装置偏心轮带动下浆料进入分散装置与分散剂再次混合；分散后的碳纳米管在旋叶轮压力下送入收集装置。本发明在分散过程中不会破坏碳纳米管结构，保留了碳管的高长径比，分散效果彻底并且适合大量生产。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图1中，1混合罐、2搅拌桨、3搅拌电机、4固定架、5主动轴、6从动轴、7活塞壳体、8活塞、9单向阀、10推进器、11毛细孔、12进料斗、13偏心轮、14旋叶刀、15分散器、16第一导管、17第二导管、18进料孔、19泵、20活塞导轨、21收集装置。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步阐释。

如图1所示的一种碳纳米管分散设备，包括预混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置21，混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置21依序连接设置；

所述预混合搅拌装置包括混合罐1、搅拌桨2及搅拌电机3，混合罐1上端设置有固定架4，搅拌电机3设置于固定架4上，搅拌电机3上连接设置有主动轴5，主动轴5穿过固定架4与搅拌桨2一体设置并设置于混合罐1内；

所述碳纳米管定向装置包括活塞壳体7、设置于活塞壳体7内的活塞8、单向阀9、推进器10，单向阀9与推进器10分别设置于活塞壳体7的两端，单向阀9出流口与活塞壳体7前段连通，单向阀9进流口通过第一导管16与混合罐1连通，推进器10与活塞8固定连接并控制活塞8横向运动，活塞壳体7后端呈常开设置，活塞8一端设置于活塞壳体7内部，活塞8另一端伸出于壳体，活塞8底部设置有若干毛细孔11；

所述分散装置包括进料斗12、偏心轮13、旋叶刀14及分散器15，分散器15上端口呈常开设置，进料斗12连接于分散器15的上端口并与毛细孔11相配合，偏心轮13设置于分散器15内顶部，旋叶刀14设置于分散器15内底部，分散器15外部设置有控制偏心轮13和旋叶刀14的电机，分散器15底部设置有出料口，出料口通过第二导管17与收集装置21连通，分散器15上部还设置有用于添加分散剂的进料孔18。

搅拌电机3通过固定架4还控制有从动轴6，从动轴6上一体设置有搅拌桨2，且搅拌桨2设置于混合罐1内。第一导管16上设置有泵19。所述分散装置还包括有活塞导轨20。

碳纳米管与分散剂和表面活性剂混合后加入混合罐1，开启搅拌电机3，搅拌电机3驱动主动轴5及从动轴6，带动轴上搅拌桨2旋转，使得混合罐1内碳纳米管与分散剂和表面活性剂初步混合，形成粘度较高的浆料；浆料在泵19的作用下输送至活塞壳体7内，输送管道上设置有防止浆料回流的单向阀9；推进器10推动活塞8沿滑轨移动挤压浆料，使得浆料通过活塞8中毛细孔11挤出，浆料经挤出后呈圆柱状，其轴向与分散装置偏心轮13轴向平行；挤出后的浆料落入浆料上端口，电机带动偏心轮13旋转，偏心轮13和固定在其上旋叶刀14共同运动将浆料挤压至分散器15壳体，在壳体内与经分散剂进料口进入的分散剂再次混合得到分散液，分散液通过分散器15壳体中的排料口排入收集器。

以上结合具体实施方式对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种碳纳米管分散设备，其特征在于：包括预混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置（21），混合搅拌装置、碳纳米管定向装置、分散装置及收集装置（21）依序连接设置；

所述预混合搅拌装置包括混合罐（1）、搅拌桨（2）及搅拌电机（3），混合罐（1）上端设置有固定架（4），搅拌电机（3）设置于固定架（4）上，搅拌电机（3）上连接设置有主动轴（5），主动轴（5）穿过固定架（4）与搅拌桨（2）一体设置并设置于混合罐（1）内；

所述碳纳米管定向装置包括活塞壳体（7）、设置于活塞壳体（7）内的活塞（8）、单向阀（9）、推进器（10），单向阀（9）与推进器（10）分别设置于活塞壳体（7）的两端，单向阀（9）出流口与活塞壳体（7）前段连通，单向阀（9）进流口通过第一导管（16）与混合罐（1）连通，推进器（10）与活塞（8）固定连接并控制活塞（8）横向运动，活塞壳体（7）后端呈常开设置，活塞（8）一端设置于活塞壳体（7）内部，活塞（8）另一端伸出于壳体，活塞（8）底部设置有若干毛细孔（11）；

所述分散装置包括进料斗（12）、偏心轮（13）、旋叶刀（14）及分散器（15），分散器（15）上端口呈常开设置，进料斗（12）连接于分散器（15）的上端口并与毛细孔（11）相配合，偏心轮（13）设置于分散器（15）内顶部，旋叶刀（14）设置于分散器（15）内底部，分散器（15）外部设置有控制偏心轮（13）和旋叶刀（14）的电机，分散器（15）底部设置有出料口，出料口通过第二导管（17）与收集装置（21）连通，分散器（15）上部还设置有用于添加分散剂的进料孔（18）。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管分散设置，其特征在于：搅拌电机（3）通过固定架（4）还控制有从动轴（6），从动轴（6）上一体设置有搅拌桨（2），且搅拌桨（2）设置于混合罐（1）内。

3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管分散装置，其特征在于：第一导管（16）上设置有泵（19）。

4.根据权利要求1所述的一种一种碳纳米管分散装置，其特征在于：所述分散装置还包括有活塞导轨（20）。