CN108349739B

CN108349739B - 用于干燥和回收碳纳米管产品的装置以及使用该装置制造碳纳米管的方法

Info

Publication number: CN108349739B
Application number: CN201780003880.XA
Authority: CN
Inventors: 金沃信; 尹光宇; 李丞镛; 曹东铉; 金石元; 禹知希
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: US20180304218A1; EP3339247A1; WO2018012876A1; KR20180007782A; EP3339247A4; CN108349739A; KR102047370B1; US10758882B2

Abstract

本发明涉及一种用于干燥和回收诸如碳纳米管颗粒或聚集体的产品的装置，其中不仅干燥柱内部和外部的热源，而且高温气体被引入/分散到该柱中，使得可以加速溶剂蒸发，并且该蒸发的溶剂可被快速除去。此外，通过调节气体流速来控制该柱内产品的流动使得可以在使产品损坏最小化的同时进行干燥和回收过程。因此，可将本发明有效地应用到碳纳米管颗粒产品的批量生产中。

Description

用于干燥和回收碳纳米管产品的装置以及使用该装置制造碳纳米管的方法

技术领域

本申请要求享有于2016年7月14日提交的韩国专利申请第10-2016-0089098号的优先权的权益，该申请通过引用整体并入本文。

本发明涉及一种用于干燥和收集碳纳米管产品的装置以及使用该装置制造碳纳米管产品的方法，该装置能够在干燥和收集诸如碳纳米管的颗粒(pellet)或聚集体(aggregate)的碳纳米管产品中防止产品损坏并提高干燥效率。

背景技术

近来，纳米尺寸材料由于其独特的光学和电学性质以及它们在电子或光电子工程中的潜在用途而成为主要的研究来源。纳米结构材料或纳米结构领域既包括多维纳米结构(例如纳米管和自组装)也包括其应用的技术开发。所述纳米结构可根据材料分为无机纳米结构、有机纳米结构、聚合物无机纳米结构、多孔高表面积纳米结构和生物相关的纳米结构。所述无机纳米结构是主要与半导体有关而获得关注的结构，其中包括量子结构、单电子器件、新一代存储器件和自记录介质研究。所述有机纳米结构领域包括富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、金刚石薄膜、有机EL等。所述聚合物无机纳米结构具有两个主要领域：纳米结构的聚合物和纳米粒的陶瓷微粒。所述多孔高表面积纳米结构包括活性碳纤维、沸石和光催化微粒。所述生物相关的纳米结构包括药物递送系统、仿生装置、高灵敏度纳米传感器材料等。

具体而言，由于碳纳米管独特的物理和电学性质，多年来人们对其进行了多项研究。碳纳米管根据管本身的手性展现出亚导体、导体或半导体性质，碳原子通过强共价键连接，这使得拉伸强度比钢大约100倍，碳纳米管具有优异的柔韧性和弹性以及化学稳定性。工业上，碳纳米管由于其尺寸和特定的物理性质而在制造复合材料中非常重要，并且在电子材料、能源材料和其他领域中具有高的利用率。例如，碳纳米管可以应用于电化学存储装置(诸如二次电池、燃料电池或超级电容器)的电极、电磁波屏蔽材料、场发射显示器或气体传感器。

由于纳米结构材料在实际工艺中以数十微米的粉末形式提供，因此在工艺过程中可能由于粉尘而会对人体造成危害，并可能导致电器产品发生故障。特别是在基于碳的有机纳米结构的情况下，由于其与希望混合的聚合物在表观密度方面有很大的差异，所以难以分散。

为了解决这些问题，可以将纳米结构材料压缩，并且由于密度增加以及易于处理和运输，通常提供造粒(pelletization)的方法作为压缩碳纳米管的方法。

碳纳米管产品，例如颗粒型碳纳米管产品便于用于各种处理装置。为了将碳纳米管粒化或将其造粒，使用了两种不同的常规方法，即湿式造粒碳纳米管然后使其干燥的方法以及干式造粒的方法。

通常，所述干式造粒采用包含水平放置的旋转管的造粒鼓，并且所述管的内部被称为造粒室。碳纳米管粉末的粒化通过预压缩工业用粉末并使其从在用于粒化的造粒鼓中的旋转管壁上滚下来进行。粉末由于范德华力和静电力结块，使得干式造粒成为可能，而对于所述干式造粒，通常施加几吨的压力。因此，存在颗粒在制造过程中可能重新开裂的问题。

所述湿式造粒工艺主要通过碳纳米管之间的液体桥和毛细作用力来进行。过去，当通过所述湿式造粒混合碳纳米管时，由于水分和粘合剂分布差，因此加入过量的溶剂，如水或乙醇，并且通常通过使用旋转滚筒干燥器或搅拌盘或运送装置使所添加的溶剂热风干燥或加热干燥。但是，在使用旋转滚筒或搅拌盘的方法的情况下，担心产品可能被转子损坏，而在使用运送装置的方法的情况下，空间效率劣化。在普通热风干燥的情况下，干燥效率大大劣化。

发明内容

技术问题

因此，为了解决存在的问题，本发明的目的在于提供一种装置，该装置在干燥或收集碳纳米管颗粒或聚集体时减少产品的损坏或破损，并且还具有优异的干燥效率。

技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，包括：

干燥部，其接收待干燥的碳纳米管产品并干燥所述产品；

产品收集部，其安装在所述干燥部的底部；

气体入口部，其安装在所述干燥部的顶部或在所述干燥部与所述产品收集部之间，用于使气体流入所述干燥部；以及

阀，其安装在所述干燥部与所述产品收集部之间并具有允许流体流通的多个开口部。

根据一个实施方式，所述气体入口部可以安装在所述干燥部与所述产品收集部之间，并且

所述阀可以包括：

第一阀，其安装在所述干燥部与所述气体入口部之间，以及

第二阀，其安装在所述气体入口部与所述产品收集部之间。

所述第一阀的开口部可以允许来自所述气体入口部的气体流入所述干燥部，同时防止所述产品在所述干燥部中的产品干燥过程期间流出到所述收集部。

所述碳纳米管产品可以是碳纳米管颗粒或碳纳米管聚集体。

此外，所述干燥部可以是垂直柱型。

所述第一阀或所述第二阀可以各自独立地为蝶形阀或阻尼阀。

所述第一阀可以在所述蝶形阀或所述阻尼阀的翼部表面上具有多个开口部。

此外，可以在一部分或全部的所述开口部上放置所述碳纳米管产品不能流通而只有流体可以流通的网状片。

此外，可以在一部分或全部的所述开口部上覆盖泡罩。

此外，所述装置可以进一步包括预热器，其用于预热待流入所述气体入口部的气体。

此外，所述装置可以进一步包括流速控制器，其用于控制待流入所述气体入口部的气体的流速。

此外，可以在所述干燥部的顶部安装气体出口以控制所述干燥部中的压力。

此外，可以在所述产品收集部的底部安装第三阀以排出产品。

此外，可以在所述产品收集部处安装第二气体入口部以引入帮助产品排出的气体。

此外，本发明提供了一种通过使用上述装置制造碳纳米管产品的方法。

具体而言，所述方法可以包括以下步骤：

在干燥部中接收待干燥的碳纳米管产品；

干燥所述碳纳米管产品，同时通过安装在所述干燥部的顶部或所述干燥部与在所述干燥部底部的产品收集部之间的气体入口部使气体流入所述干燥部；

通过安装在所述干燥部顶部的气体出口排出气体来控制所述干燥部中的压力；以及

通过安装在所述干燥部底部的所述产品收集部收集所干燥的碳纳米管产品，

其中具有允许流体流通的多个开口部的阀可以安装在所述干燥部与所述产品收集部之间，从而在所述干燥部中的产品干燥过程中防止所述产品排出的同时允许气体流动。

此外，所述气体入口部可以安装在所述干燥部与所述产品收集部之间，并且

所述具有多个开口部的阀可以包括：安装在所述干燥部与所述气体入口部之间的第一阀和安装在所述气体入口部与所述产品收集部之间的第二阀，

其中当进行干燥过程时，气体在第一阀关闭的情况下流入以进行所述干燥过程，并且

当收集干燥的产品时，打开第一阀以将所述产品引入所述气体入口部，然后关闭所述第一阀并打开所述第二阀以将所述产品引入所述收集部。

根据一个实施方式，用于制造碳纳米管产品的方法可以进一步包括以下步骤：

在热解炉中用过渡金属或其化合物作为催化剂热解有机化合物以获得待引入所述干燥部中的碳纳米管产品；

将在热解过程中产生的反应性废气与所述碳纳米管产品分离；以及

焚烧与所述碳纳米管产品中分离的所述反应性废气。

根据一个实施方式，可以焚烧从所述气体出口排出的废气。此外，也可以在焚烧所述废气时焚烧在用于制造碳纳米管产品的热解过程中产生的反应性废气。

在下面的详细说明中描述本发明实施方式的其他细节。

有益效果

根据本发明的用于干燥和收集碳纳米管颗粒或聚集体的装置可以通过将高温气体引入并分散到干燥柱中以及通过该柱内部和外部的热源来加速溶剂蒸发，并且可以快速除去蒸发的溶剂。此外，所述装置可以进行干燥和收集过程，同时通过调节气体流速并控制柱中产品的流动而使产品破损最小化。结果，可以获得最终水含量百分比为1％以下且损坏率小于5％的产品。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置的示意图。

图2是部分放大图1的装置的示意图。

图3是示意性地示出图2中所示的喷嘴形状的图。

图4和图5是示意性地示出第一阀的实施方式的平面图。

图6和图7是显示根据本发明的测试结果的图。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，本发明可进行各种修改和改变，并具有若干示例性实施方式。下面描述的并在附图中示出的实施例不意图将本发明限制于特定的示例性实施方式。另外，可以在以下权利要求的范围内进行各种改变、变更和修改，并且可以理解，这些改变、变更和修改落入本发明的范围内。当确定与本发明相关的已知技术的详细描述可能不必要地使本发明的要旨模糊时，则省略该详细描述。

应该理解的是，当一个元件被称为“连接到”或“耦合到”另一个元件时，其可以直接连接到或者直接耦合到另一个元件，或者它们之间可以有其他元件。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式包括复数形式。

将进一步理解的是，在本说明书中使用的术语“包括”、“具有”等用于指定本说明书中提到的特征、数字、步骤、操作、组件、部件或其组合的存在，但是不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、组件、部件或其组合的存在或添加。

在本说明书中使用的术语“碳纳米管”可以指单个或多个碳纳米管，并且该术语可以包括由多个碳纳米管形成的纤维形式。

在下文中，参照附图，以本领域普通技术人员可以毫无困难地执行实施例的方式详细描述本发明的实施方式。本发明可以以各种形式实施，并且本发明的范围不限于在此提供的实施例。

实施本发明的最佳方式

根据本发明的装置包括：

干燥部，其接收待干燥的碳纳米管产品并干燥所述产品；

产品收集部，其安装在所述干燥部的底部；

在本发明中，所述碳纳米管产品可以指碳纳米管颗粒或碳纳米管聚集体。

图1示意性示出了根据本发明的一个实施方式的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中气体入口部安装在所述干燥部与所述产品收集部之间。即，图1示出了设计成使气体从所述干燥部的底部流向顶部的结构。然而，本发明不限于此，并且还包括气体从所述干燥部的顶部流向底部的结构。当气体从所述干燥部的顶部流向底部时，从包裹所述加热部的炉子传递的热量可以直接传递给气体，因此可以用更高温度的气体进行干燥。

图1示出了用于干燥和收集碳纳米管产品的装置100，其包括：

干燥部10，其接收待干燥的碳纳米管产品并干燥所述产品；

产品收集部20，其安装在所述干燥部的底部；

气体入口部30，其安装在所述干燥部10与所述产品收集部20之间，用于使气体流入所述干燥部；

第一阀50，其安装在所述干燥部10与所述气体入口部30之间并具有允许流体流通的多个开口部，以及

第二阀60，其安装在所述气体入口部与所述产品收集部之间。

干燥部10可以是垂直柱式的，并且配备有用于加热所述干燥部的加热装置12。如图1所示，加热装置12可以是包裹干燥部10的炉子，但不限于此。

图1所示的装置优选还包括用于预热待流入到气体入口部30的气体的预热器32，以及用于控制待流入到气体入口部30的气体的流速的流速控制器33。引入到气体入口部30中的气体用于防止在干燥部10中的产品结块并且通过增加额外的热量促进在干燥部10中的产品干燥。因此，所述气体可以优选为不与所述产品反应的惰性气体。氮气是最优选的，但不限于此。

此外，气体出口13可以安装在干燥部10的顶部以通过控制排出气体14的量来控制干燥部10中的压力。

另一方面，可以通过以下方法来检查干燥部10中的产品是否达到预定干燥状态：测量干燥部10中的温度变化的方法(即，检查是否有小的温度变化)或测量从出口13排出的废气中的水分(例如使用湿度计)以检查水分含量是否在一定水平内的方法，但不限于此。从气体出口13排出的废气可能主要含有氮气或水，但在制备CNT颗粒时，如果使用有机溶剂代替水，则在产品干燥过程中，该气体可能含有大量蒸发的溶剂。可以蒸发或焚烧该气体。但是，如果所述气体为非反应性或为阻燃性的，则焚烧效率会降低。也可以将这种非反应性及阻燃性废气与从碳纳米管合成过程中排出的废气(即含有氢气、碳氢化合物等的可燃反应性废气)一起焚烧。也就是说，当碳纳米管合成过程的反应结束时，可通过用从根据本发明的工艺中排出的非反应性和阻燃性气体净化(purging)气体来焚烧留在反应系统或反应性废气供给管线中的反应性废气，由此，可以防止在反应性废气供给管线中回火，并且还可以提高燃烧效率。

图2是更详细地说明气体入口部30和产品收集部20的构造的示意图。

优选地，气体入口部30配备有喷嘴34，用于将引入的气体向上喷向干燥部10，从而通过第一阀50的开口部进料气体。喷嘴34的形状可以参见图3。

此外，如图2所示，第一阀50安装在干燥部10的底部，在其下面安装有气体入口部30和第二阀60。

产品收集部20可以位于第二阀60的下方，且为了更容易收集产品，可以将第二气体入口25和第三阀27安装在产品收集部20的底部。通过第二气体入口25引入的气体通过喷嘴24喷射以防止产品在产品排出过程中结块。喷嘴24的形状可以与图3中所示的相同，但不限于此。待引入的气体可以优选为惰性气体，并且不需要预热该气体。

图4至图5示出了第一阀50的实例。该阀可以是蝶形阀或阻尼阀。所述第一阀具有中心轴51。因此，该阀可在该轴上旋转和折叠，因此，该阀可打开。

为了防止产品在产品干燥过程中流出，使用了蝶形阀或阻尼阀。然而，当阀关闭时，阀阻塞气流，因此，该阀上部(干燥部)的热气流减少。因此，导致干燥效率降低。根据本发明，第一阀50的开口部53可以通过将来自气体入口部20的气体引入到干燥部10中而允许热空气流动，同时防止产品在干燥部10中的产品干燥过程期间排到收集部20中，从而提高干燥效率。

对于第二阀60或第三阀27，可以使用没有开口部的蝶形阀或阻尼阀。即，如图4至图6所示，所述第一阀可以在蝶形阀或阻尼阀的翼部52的表面上具有多个开口部53。

另外，虽然没有示出，但可以在一部分或全部的开口部53上放置碳纳米管产品不能流通而仅流体可以流通的网状片。

根据另一个实施方式，如图5所示，泡罩55可以覆盖一部分或全部的开口部53。

根据本发明，通过将第一阀50和第二阀60放置在干燥部10的底部，可以在第一阀50关闭的同时通过使用高温气体将热空气供给到干燥部中。因此，干燥过程可以有效地进行。此外，在干燥产品的收集过程期间，可打开第一阀50以将产品引入气体入口30，然后关闭第一阀50并打开第二阀60以将产品引入到收集部20中。因此，无需停止干燥过程或降低温度，即可以连续进行干燥过程和产品收集过程。

图1所示的装置是通过使用实验室规模的圆筒式高温干燥器(内径50mm石英管)组装的，并且图6和图7显示了使用该装置进行的测试结果。测试条件如下表1中所列。

[表1]

	测试1	测试2
			CNT颗粒的输入	300g	300g
干燥时间	90min	180min
			氮气流速	2.7cm/s	2.7cm/s
炉温	300℃	300℃

也就是说，除了改变干燥时间以外，在相同的条件下进行测试，并且观察干燥速率、水含量百分比和床温变化。

图6显示了随干燥时间变化的干燥速率和床温，而图7显示了随干燥时间变化的水含量百分比。

根据以上结果，尽管在90分钟的短暂的干燥时间，但最终水含量百分比是可接受的1％以下，并且损坏率仅为小于5％。因此，可以发现难于干燥的压缩颗粒的干燥效率也可以得到提高，并且可以容易地控制干燥速率和水含量。

尽管已经参照具体特征详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，该描述仅用于优选实施方式并且不限制本发明的范围。因此，本发明的实质范围将由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，包括：

干燥部，其接收待干燥的碳纳米管产品并干燥所述产品；

产品收集部，其安装在所述干燥部的底部；

气体入口部，其安装在所述干燥部与所述产品收集部之间，用于使气体流入所述干燥部；以及

阀，其安装在所述干燥部与所述产品收集部之间并具有允许流体流通的多个开口部，

并且所述阀包括：

第一阀，其安装在所述干燥部与所述气体入口部之间，以及

第二阀，其安装在所述气体入口部与所述产品收集部之间。

2.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，所述第一阀的所述开口部允许来自所述气体入口部的气体流入所述干燥部，同时防止所述产品在所述干燥部中的产品干燥过程期间流出到所述收集部。

3.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，所述碳纳米管产品是碳纳米管颗粒或碳纳米管聚集体。

4.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，所述干燥部是垂直柱型。

5.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，所述第一阀或所述第二阀各自独立地为蝶形阀或阻尼阀。

6.根据权利要求5所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，所述第一阀在所述蝶形阀或所述阻尼阀的翼部表面上具有多个开口部。

7.根据权利要求6所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，在一部分或全部的所述开口部上放置所述碳纳米管产品不能流通而只有流体可以流通的网状片。

8.根据权利要求6所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，在一部分或全部的所述开口部上覆盖泡罩。

9.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其进一步包括用于预热待流入所述气体入口部的气体的预热器。

10.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其进一步包括用于控制待流入所述气体入口部的气体的流速的流速控制器。

11.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，在所述干燥部的顶部安装气体出口以控制所述干燥部中的压力。

12.根据权利要求1所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，在所述产品收集部的底部安装第三阀以排出产品。

13.根据权利要求12所述的用于干燥和收集碳纳米管产品的装置，其中，在所述产品收集部处安装第二气体入口部以引入帮助产品排出的气体。

14.一种用于制造碳纳米管产品的方法，其包括以下步骤：

在干燥部中接收待干燥的碳纳米管产品；

干燥所述碳纳米管产品，同时通过安装在所述干燥部与在所述干燥部底部的产品收集部之间的气体入口部使气体流入所述干燥部；

其中，具有允许流体流通的多个开口部的阀安装在所述干燥部与所述产品收集部之间，从而在所述干燥部中的产品干燥过程期间防止所述产品排出的同时允许气体流动，

具有多个开口部的所述阀包括安装在所述干燥部与所述气体入口部之间的第一阀和安装在所述气体入口部与所述产品收集部之间的第二阀，

其中，当进行干燥过程时，气体在第一阀关闭的情况下流入以进行所述干燥过程，并且当收集所干燥的产品时，打开第一阀以将所述产品引入所述气体入口部，然后关闭所述第一阀并打开所述第二阀以将所述产品引入所述收集部。

15.根据权利要求14所述的用于制造碳纳米管产品的方法，其中，在所述产品收集部处安装第二气体入口部以引入帮助产品排出的气体。

16.根据权利要求14所述的用于制造碳纳米管产品的方法，其进一步包括以下步骤：

在热解炉中用过渡金属或其化合物作为催化剂热解有机化合物以获得待引入所述干燥部中的碳纳米管；

将在热解过程中产生的反应性废气与所述碳纳米管分离；以及

焚烧与所述碳纳米管分离的所述反应性废气。

17.根据权利要求14所述的用于制造碳纳米管产品的方法，其中，焚烧从所述气体出口排出的废气。

18.根据权利要求17所述的用于制造碳纳米管产品的方法，其中，在焚烧所述废气时还焚烧在用于制造碳纳米管产品的热解过程中产生的反应性废气。