CN110127664B

CN110127664B - 利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备及方法

Info

Publication number: CN110127664B
Application number: CN201910567773.0A
Authority: CN
Inventors: 曲源; 李彤宇; 李蕾蕾; 李镇文
Original assignee: Shenzhen Zhongke Nanotechnology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Zhongke Nanotechnology Co ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: CN110127664A

Abstract

本申请公开了一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备及方法，属于碳纳米管生产领域，用于碳纳米管的生产，其包括驱动机构，所述驱动机构的输出轴与无轴螺旋连接，在无轴螺旋的延伸方向上依次为高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓，其中所述的高温反应仓包括在无轴螺旋外围分布的电加热管，在电加热管的外部覆盖有保温套；所述物料冷却仓至少包括冷却水套，冷却水套位于无轴螺旋的外围；在高温反应仓的起始端设置有催化剂进料斗、进气口，所述进气口至少包括氮气进气口、氢气进气口、碳源气体进气口；在物料冷却仓的末端安装有电动排料器、排气管。本申请能够实现化学气相沉淀法制备碳纳米管的连续生产，提高碳纳米管的制备效率。

Description

利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备及方法

技术领域

本申请属于碳纳米管领域，具体地说，尤其涉及一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备及方法。

背景技术

碳纳米管以其独特的结构、优良的力学性能和独特的物理化学特性在诸多领域受到研发人员的广泛关注，比如材料、化学、医学、微电子、能源等，其主要可采用电弧放电法、化学气相沉积法、基板法、火焰法、激光蒸发法等进行制备，其中化学气相沉淀法主要利用乙炔、甲烷、乙烯、丙烯和正己烷等为碳源气体、以铁、钴、镍、钼、铂等过渡金属作为催化剂，在高温条件下将碳源气体在催化剂表面裂解出碳原子并且重组生成碳纳米管。上述方法制备的碳纳米管杂质少、形态和结构良好、设备投入资金较少且能够进行大规模的生产。

发明内容

本申请的目的在于提供一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备及方法，其能够实现化学气相沉淀法制备碳纳米管的连续生产，提高碳纳米管的制备效率。

为达到上述目的，本申请是通过以下技术方案实现的：

本申请中所述的利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，包括驱动机构，所述驱动机构的输出轴与无轴螺旋连接，在无轴螺旋的延伸方向上依次为高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓，其中所述的高温反应仓包括在无轴螺旋外围分布的电加热管，在电加热管的外部覆盖有保温套；所述物料冷却仓至少包括冷却水套，冷却水套位于无轴螺旋的外围；在高温反应仓的起始端设置有催化剂进料斗、进气口，所述进气口至少包括氮气进气口、氢气进气口、碳源气体进气口；在物料冷却仓的末端安装有电动排料器、排气管。

进一步地讲，本申请中所述的驱动机构为伺服减速电机。

进一步地讲，本申请中所述的催化剂进料斗的出口处设置有电动给料器。

进一步地讲，本申请中所述的过渡仓包括观察窗。

一种利用上述设备进行碳纳米管制备的方法，该方法包括以下步骤：

一、将催化剂前驱体从催化剂进料斗经电动给料器投入设备的高温反应仓内，通过电加热管和保温套将高温反应仓的温度升至600~1200℃；

二、从氮气进气口向设备内通入氮气，氮气通入的流量为3~6m³/h，至设备内排气管处所测定的氧气含量小于0.5%后停止；

三、从氢气进气口向设备内通入氢气，氢气通入的流量为3~6m³/h，至催化剂前驱体还原为金属催化剂后停止；

四、从碳源气体进气口处向设备内通入碳源气体，碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应时间为2~4小时，此时驱动机构带动无轴螺旋以10~30转/分钟的转速正向、反向交替旋转；

五、待碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应完成后，驱动机构带动无轴螺旋以10~30转/分种的转速将生成的碳纳米管从高温反应仓经过过渡区送入到物料冷却仓；

六、待生成的碳纳米管在物料冷却仓冷却至室温100℃以下后，经过电动排料器卸出设备。

进一步地讲，本申请中所述的催化剂前驱体包括铁、钴、镍、铜的氧化物。

进一步地讲，本申请中所述的碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、天然气。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

1、本申请通过伺服减速电机带动无轴螺旋对设备内的金属催化剂、碳管进行位移和打散，有助于金属催化剂和碳源金属进行充分的接触，并且避免生成的碳管团聚。

2、本申请在碳管生长完成后，能够在无轴螺旋的推动下从高温区经过过渡区达到冷却区，并且通过自动下料器将物料卸出设备，冷却区能够快速将高温的碳管降温至室温，节省物料的冷却时间。

3、本申请在过渡区设置有观察窗，可观察生成的碳管的状态。

附图说明

图1是本申请的结构示意图。

图2是本申请中高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓的分布示意图。

图中：1、驱动机构；2、氮气进气口；3、氢气进气口；4、碳源气体进气口；5、催化剂进料斗；6、电动给料器；7、无轴螺旋；8、电加热管；9、保温套；10、过渡仓；11、观察窗；12、冷却水套；13、电动排料器；14、排气管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请所述的技术方案作进一步地描述说明。需要说明的是，在下述段落可能涉及的方位名词，包括但不限位“上、下、左、右、前、后”等，其所依据的方位均为对应说明书附图中所展示的视觉方位，其不应当也不该被视为是对本申请保护范围或技术方案的限定，其目的仅为方便本领域的技术人员更好地理解本申请所述的技术方案。

实施例1：一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，包括依次连接的高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓，在高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓内贯穿有无轴螺旋7，在无轴螺旋7的起始位置处的高温反应仓上设置有进气口和催化剂进料斗5，在催化剂进料斗5的出口处设置有电动给料器6；所述的过渡仓10上设置有观察窗11，在物料冷却仓的尾端设置有电动排料器13和排气管14。所述的无轴螺旋7与驱动机构1的输出轴连接，驱动机构1采用伺服减速电机。

实施例2：一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，其中所述的高温反应仓包括电加热管8和保温套9，电加热管8位于无轴螺旋7的外部，保温套9覆盖于电机热管8的外部；所述的进气口至少包括氮气进气口2、氢气进气口3和碳源气体进气口4。其余部分的结构及连接关系与任一前述实施例中所述的结构及连接关系相同。

实施例3：一种利用碳纳米管制备的方法，该方法包括以下步骤：

一、将催化剂前驱体从催化剂进料斗5经电动给料器6投入设备的高温反应仓内，通过电加热管8和保温套9将高温反应仓的温度升至600~1200℃；

二、从氮气进气口2向设备内通入氮气，氮气通入的流量为3~6m³/h，至设备内排气管14处所测定的氧气含量小于0.5%后停止；

三、从氢气进气口3向设备内通入氢气，氢气通入的流量为3~6m³/h，至催化剂前驱体还原为金属催化剂后停止；

四、从碳源气体进气口4处向设备内通入碳源气体，碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应时间为2~4小时，此时驱动机构1带动无轴螺旋7以10~30转/分钟的转速正向、反向交替旋转，交替旋转的间隔时间为3~5秒；

五、待碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应完成后，驱动机构1带动无轴螺旋7以10~30转/分种的转速将生成的碳纳米管从高温反应仓经过过渡区送入到物料冷却仓；

六、待生成的碳纳米管在物料冷却仓冷却至100℃以下后，经过电动排料器13卸出设备，避免高温碳卸料时和空气中氧气反应，同时方便在卸料时直接包装。所述催化剂前驱体包括铁、钴、镍、铜的氧化物；所述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、天然气。

在上述实施例的基础上，本申请继续对其中涉及到的技术特征及该技术特征在本申请中所起到的功能、作用进行详细的描述，以帮助本领域的技术人员充分理解本申请的技术方案并且予以重现。

将催化剂前驱体（如铁、钴、镍、铜等金属的氧化物），从催化剂进料斗5经由电动给料器6送入到起始端，并且通过电动给料器6实现定量给料。本申请通过驱动机构1，也就是伺服减速电机来实现对贯穿高温反应仓、过渡仓、物料冷却仓的无轴螺旋7的驱动，无轴螺旋7能够将上述的催化剂送入到高温反应仓并且沿着高温反应仓运动。本申请中所述的高温反应仓包括电加热管8和覆盖于电加热管8外部的保温套9，电加热管8能够对高温反应仓部位进行加热，并且通过保温套9将温度保持在600~1200℃。实验过程中，200g的催化剂前驱体能够产出3~5Kg左右的碳纳米管，这是由于不同的催化剂产率不一样，其所能够产生的碳纳米管的产量也不同。

在生产过程中，需要先通过氮气进气口2向设备内通入氮气，氮气的通入量可控制在3~6m³/h，经过一段时间（如15~20min）至设备内的氧气经过排气管14排出含量低于0.5%时，从氢气进气口3向设备内通入氢气，氢气的通入量可控制在3~6m³/h，以便利用氢气在高温反应仓内还原先前加入的催化剂前驱体，将催化剂前驱体还原成金属催化剂。催化剂前驱体根据选择类型的不同，其反应时间一般在15~30min左右。

通过碳源气体进气口4向设备内通入碳源气体（如甲烷、乙烷、丙烷、天然气等含有碳元素的气体），这些含有碳元素的气体能够在催化剂和高温的作用下裂解并且生成碳纳米管。在碳纳米管的生长过程中，通过控制驱动机构1的正转与翻转来实现对生长过程中的碳管进行位移打散并防止结块，但是同时应当保证催化剂和生成的碳纳米管仍处于高温反应仓内。这样的过程有助于金属催化剂和碳源气体充分的接触，并且避免生成的碳纳米管团聚，提高生成的碳纳米管的形态和质量。

经过催化剂在高温反应仓2~4小时的反应后，碳纳米管生长完成，经过驱动机构1驱动无轴螺旋7单方向旋转，转速为10~30转/分钟，推动经由高温反应仓和过渡仓进入到物料冷却仓。过渡仓采用陶瓷或石英管作为整体材质，其能够用于分隔高温反应仓和物料冷却仓，物料冷却仓的长度为高温反应仓的1/2~1/3，带有冷却水套13，能够快速将高温的碳纳米管降温至100℃以下，节省碳纳米管的冷却时间，冷却完成后的碳纳米管经过电动排料器13卸出设备。

本申请在高温反应仓和物料冷却仓之间设置有过渡仓10，过渡仓10上带有观察窗11，观察窗11的作用在于方便操作人员观察观察所生成的碳纳米管的状态，以便根据生成的碳纳米管的状态及时调整对应的参数。

Claims

1.一种利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，包括驱动机构（1），其特征在于：所述驱动机构（1）的输出轴与无轴螺旋（7）连接，在无轴螺旋（7）的延伸方向上依次为高温反应仓、过渡仓（10）、物料冷却仓，其中所述的高温反应仓包括在无轴螺旋（7）外围分布的电加热管（8），在电加热管（8）的外部覆盖有保温套（9）；所述物料冷却仓至少包括冷却水套（12），冷却水套（12）位于无轴螺旋（7）的外围；在高温反应仓的起始端设置有催化剂进料斗（5）、进气口，所述进气口至少包括氮气进气口（2）、氢气进气口（3）、碳源气体进气口（4）；在物料冷却仓的末端安装有电动排料器（13）、排气管（14）。

2.根据权利要求1所述的利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，其特征在于：所述驱动机构（1）为伺服减速电机。

3.根据权利要求1所述的利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，其特征在于：所述催化剂进料斗（5）的出口处设置有电动给料器（6）。

4.根据权利要求1所述的利用固定床自动连续生产碳纳米管的设备，其特征在于：所述过渡仓（10）包括观察窗（11）。

5.一种利用权利要求1至权利要求4中任意一项权利要求所述的设备进行碳纳米管制备的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

一、将催化剂前驱体从催化剂进料斗（5）经电动给料器（6）投入设备的高温反应仓内，通过电加热管（8）和保温套（9）将高温反应仓的温度升至600~1200℃；

二、从氮气进气口（2）向设备内通入氮气，氮气通入的流量为3~6m³/h，至排气管（14）处所测定的氧气含量小于0.5%后停止；

三、从氢气进气口（3）向设备内通入氢气，氢气通入的流量为3~6m³/h，至催化剂前驱体还原为金属催化剂后停止；

四、从碳源气体进气口（4）处向设备内通入碳源气体，碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应时间为2~4小时，此时驱动机构（1）带动无轴螺旋（7）以10~30转/分钟的转速正向、反向交替旋转；

五、待碳源气体与金属催化剂在高温反应仓反应完成后，驱动机构（1）带动无轴螺旋（7）以10~30转/分种的转速将生成的碳纳米管从高温反应仓经过过渡区送入到物料冷却仓；

六、待生成的碳纳米管在物料冷却仓冷却至100℃以下后，经过电动排料器（13）卸出设备。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂前驱体包括铁、钴、镍、铜的氧化物。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、天然气。