CN113563741A - 一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳纳米管材料技术领域，公开了一种炭黑‑碳纳米管复合材料的制造装置及生产方法，包括依次设置的第一混合器、燃烧器、第二混合器和形成有高压电场的生成器，催化剂、燃料和助燃空气在第一混合器内进行混合；然后通入燃烧器内进行燃烧，燃烧产生的火焰再通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入原料油，原料油和火焰进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子，由于第一混合器、燃烧器、第二混合器和生成器都是连通的，生成的炭黑核心及碳原子以及催化剂在燃烧器内产生的阳离子通入生成器，在生成器内高压电场的作用下生成炭黑‑碳纳米管复合材料。

Description

一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置及生产方法

技术领域

本发明属于碳纳米管材料技术领域，更具体涉及一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置及生产方法。

背景技术

炭黑作为传统的轮胎橡胶填充剂及增强剂，在橡胶增强体系中占据主导地位。碳纳米管具有优异的力学、电学及化学性能，在橡胶中增强效果极强，作为增强剂与橡胶复合后，能使橡胶材料的各项性能得到大幅度的提高。但是碳纳米管价格昂贵，并且碳纳米管为类似一维的结构，没有炭黑那样的多维结构，表面没有氧氮的官能团，在物理、化学方面难与橡胶形成强结合，在橡胶中分散性极差。

为了使碳纳米管均匀地分散在橡胶中，在轮胎橡胶混炼时改进挤压，改变传统混合工序等物理方法，也使用在碳纳米管一维结构外引入与橡胶之间相容性比较好的官能团或添加各种分散剂的化学方法，结果无论从分散效果还是经济效益，都不尽人意。

据上述，橡胶增强体系需要一种材料，既要有碳纳米管作为增强剂的力学、电学及化学性能，又要有炭黑这种在橡胶中分散性较好，价格合理的优点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置及生产方法，在密封管道内依次设置第一混合器、燃烧器、第二混合器和形成有高压电场的生成器，催化剂、燃料和助燃空气在第一混合器内进行混合；然后通入燃烧器内进行燃烧，燃烧产生的火焰再通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入原料油，原料油和火焰进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子，生成的炭黑核心及碳原子以及催化剂在燃烧器内产生的阳离子通入生成器，在生成器内高压电场的作用下生成炭黑-碳纳米管复合材料。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,包括依次设置的第一混合器、燃烧器、第二混合器和生成器，

所述第一混合器用于将物质充分混合；

所述燃烧器与所述第一混合器连通，用于燃烧燃料；

所述第二混合器与所述燃烧器连通，用于混合物质；

所述生成器与所述第二混合器连通，且内部形成有高压电场，用于生成炭黑-碳纳米管复合材料。

在本申请的一些实施例中，所述第一混合器上开设有用于通入物质的三个入口，分别为第一入口、第二入口和第三入口；

所述燃烧器与所述第一混合器连接端的内径大于与所述第二混合器连接端的内径；

所述第二混合器上开设有用于通入物质的第四入口；

所述生成器的外表面设置有金属外壳，金属外壳上通过金属导线串联有倍压整流装置，金属导线还串联有负载电阻。

在本申请的一些实施例中，所述生成器的进口端和出口端均设置有绝缘法兰，所述生成器出口端的绝缘法兰后面还设置有冷水喷射入口。

在本申请的一些实施例中，所述生成器的长度为3-9米。

在本申请的一些实施例中，使用上述实施例中的制造装置生产炭黑-碳纳米管复合材料，包括以下步骤：

1）将催化剂、燃料和助燃空气通入所述第一混合器内进行混合；

2）将混合后的催化剂、燃料和助燃空气通入燃烧器内进行燃烧；

3）将燃烧产生的火焰通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入原料油，原料油和火焰进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子；

4）将生成的炭黑核心及碳原子以及催化剂在燃烧器内产生的金属阳离子通入生成器，在生成器内高压电场的作用下生成炭黑-碳纳米管复合材料；

5）在生成器的末端通入冷水急速降温终止生成器内的物质反应。

在本申请的一些实施例中，所述步骤1）的催化剂为金属元素的化合物或络合物，所述燃料为煤焦油或天然气；

所述步骤3）的原料油为煤焦油、蒽油、乙烯油、炭黑油等；

所述步骤4）的高压电场是通过倍压整流装置将380V变压为更高的电压，通过金属导线与负载电阻使金属外壳带电形成的；

所述步骤5）冷水为去除阴阳离子的软化水。

在本申请的一些实施例中，所述步骤1）的催化剂为镍的化合物，所述步骤3）的原料油为70%煤焦油及30%蒽油的混合物。

本发明的显著优点是：

1、本发明提供的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置和方法，复合材料中碳纳米管在生成阶段与炭黑在微观尺度形成强结合，并且材料表面具有各种氧、氮官能团，易与橡胶结合，分散性好。

2、本发明提供的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置和方法，可根据需要控制前驱体催化剂的量和电场强度来调整碳纳米管于复合材料中的质量分数，可制造多个品种的炭黑-碳纳米管复合材料。

3、本发明制造的炭黑-碳纳米管复合材料，不但具有炭黑的填充及增强性能，更继承碳纳米管的优异的力学、电学及化学性能，在橡胶中增强效果极强，作为增强剂与橡胶复合后，能使橡胶材料的各项性能得到大幅度的提高。

4、本发明提供的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置和方法，炭黑-碳纳米管复合材料可全部在密封的管道内进行输送，并可进行湿法造粒，在制造和使用过程中不会影响环境。

附图说明

图1是本发明炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置的示意图；

图中，1、第一入口； 2、第二入口；3、第三入口；4、绝缘法兰；5、负载电阻；6、金属导线；7、倍压整流装置；8、金属外壳；9、冷水喷射入口；10、第四入口；11、第一混合器；12、燃烧器；13、第二混合器；14、生成器；。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，在本申请的一些实施例中，一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,主要分为第一混合器11、燃烧器12、第二混合器13和生成器14，第一混合器11的出口端与燃烧器12的进口端连通，燃烧器12的进口端连通，燃烧器12的出口端与第二混合器13的进口端连通，第二混合器13的出口端与生成器14的进口端连通。

需要说明的是，第一混合器11用于将物质充分混合，燃烧器12用于燃烧原料，第二混合器13也是用于混合物质，生成器14内部形成有高压电场，用于生成炭黑-碳纳米管复合材料；第一混合器11、燃烧器12、第二混合器13和生成器14之间密封连通，炭黑-碳纳米管复合材料可全部在密封的管道内进行输送，并可进行湿法造粒，在制造和使用过程中不会影响环境。

在本申请的一些实施例中，第一混合器11的前端开设有两个入口，分别为第一入口1和第二入口 2，第一混合器11的上方开设有用于通入物质的第三入口3。

需要说明的是，制造炭黑-碳纳米管复合材料过程中，需要进行燃烧的物质为前驱体催化剂、燃料以及助燃空气，分别从第一入口1、第二入口2和第三入口3通入第一混合器11内进行充分混合。

还需要说明的是，通过第一入口1进入空气混合器的前驱体催化剂为铁、镍等过渡金属元素的化合物及络合物，优选为镍的化合物，更优选为硝酸亚镍；通过第二入口2进入空气混合器的燃料为煤焦油、天然气等，优选为天然气。

在本申请的一些实施例中，第二混合器13上开设有第四入口10。

需要说明的是，制造炭黑-碳纳米管复合材料过程中，提供第四入口10通入第二混合器13的物质为原料油，用于与燃烧器12燃烧的火焰发生反应生成炭黑核心及碳原子，原料油为为煤焦油、蒽油、乙烯油、炭黑油等，优选为煤焦油及蒽油的混合物，更优选为70%煤焦油及30%蒽油的混合物。

在本申请的一些实施例中，燃烧器12的出口端的内径小于燃烧器12的进口端内径。

需要说明的是，通过将燃烧器12的进口端内径设置的比较大（与第一混合器11的内径设置的大小一致），可使得第一混合器11内充分混合的前驱体催化剂、燃料以及助燃剂能够大面积进入燃烧器12内，保证物质燃烧反应充分，将燃烧器12的出口内径设置的较小（与第二混合器13的内径设置的大小一致），使得燃烧产生的高温火焰进入到第二混合器13内的流量小，使得火焰能够与通过第四入口10进入第二混合器13内的原料油进行充分的剪切、混合，原料油在高温及剪切力的作用下，裂解生成炭黑核心及碳原子，然后进入到生成器14内。

在本申请的一些实施例中，生成器14的外表面设置有金属外壳8，金属外壳8上串联有倍压整流装置7，倍压整流装置7通过金属导线6与负载电阻5使金属外壳8带电，形成均匀的高压电场，用于炭黑-碳纳米管的生成提供环境。

需要说明的是，在本申请中催化剂使用的硝酸亚镍，镍离子在高压电场的作用下，沿轴向前进入生成器14内，与第二混合器13中裂解生成的炭黑核心及碳原子在生成器14内发生反应，一部分碳原子以镍离子为核心生长形成碳纳米管，另一部分碳原子围绕炭黑核心生长形成炭黑，碳纳米管又在过剩的碳源中与炭黑在微观尺度形成强结合，并在其表面形成各种氧、氮官能团，易与橡胶结合，分散性好。

还需要说明的是，倍压整流装置7用于将380V变压为更高的电压，优选为3040V电压。

还需要说明的是，在生产过程中，可根据需要控制前驱体催化剂的量和控制电场强度来调整碳纳米管于复合材料中的质量分数，可制造多个品种的炭黑-碳纳米管复合材料。

在本申请的一些实施例中，第二混合器13的出口端和生成器14的进口端之间通过绝缘法兰4连接，在生成器14的出口端也设置有与相同的绝缘法兰4，通过设置绝缘法兰4可防止其他的工作区域带电。

在本申请的一些实施例中，生成器14的长度应为3到9米，优选为4到7米，更优选为5.8米，合适的生成器14长度可保证炭黑-碳纳米管的生成环境空间足够，且不至于生成的炭黑-碳纳米管复合材料太过分散。

在本申请的一些实施例中，生成器14出口端的绝缘法兰4后面还设置有冷水喷射入口9，用于终止反应，避免生成的炭黑-碳纳米管复合材料再次发生反应，喷入的冷水优选为去除阴阳离子的软化水。

实施例1

前驱体催化剂为流量18kg/h，倍压整流电压3040V；

用上述实施例中的装置生产炭黑-碳纳米管复合材料，包括以下步骤：

1）将流量18kg/h的催化剂、602Nm3/h的燃料和11800Nm3/h的助燃空气通入第一混合器内进行充分混合；

2）将充分混合后的催化剂、燃料和助燃空气通入燃烧器内进行充分燃烧；

3）将燃烧产生的高温火焰通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入流量为3700kg/h的原料油，原料油和高温火焰在第二混合器内进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子；

4）将生成的炭黑核心及碳原子通入生成器内，生成器内的电压被设置为3040V，在高压电场的左右下催化剂在燃烧器内产生的金属阳离子也进入生成器内，一部分碳原子以金属阳离子为核心生长形成碳纳米管，另一部分碳原子围绕炭黑核心生长形成炭黑，碳纳米管又在过剩的碳源中与炭黑在微观尺度形成强结合，并在其表面形成各种氧、氮官能团；

5）在生成器的末端通入冷水急速降温终止生成器内的物质反应。

实施例2

前驱体催化剂为流量35kg/h，倍压整流电压3040V；

用上述实施例中的装置生产炭黑-碳纳米管复合材料，包括以下步骤：

1）将流量35kg/h的催化剂、601Nm3/h的燃料和11800Nm3/h的助燃空气通入第一混合器内进行充分混合；

2）将充分混合后的催化剂、燃料和助燃空气通入燃烧器内进行充分燃烧；

3）将燃烧产生的高温火焰通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入流量为3700kg/h的原料油，原料油和高温火焰在第二混合器内进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子；

4）将生成的炭黑核心及碳原子通入生成器内，生成器内的电压被设置为3040V，在高压电场的左右下催化剂在燃烧器内产生的金属阳离子也进入生成器内，一部分碳原子以金属阳离子为核心生长形成碳纳米管，另一部分碳原子围绕炭黑核心生长形成炭黑，碳纳米管又在过剩的碳源中与炭黑在微观尺度形成强结合，并在其表面形成各种氧、氮官能团；

5）在生成器的末端通入冷水急速降温终止生成器内的物质反应。

实施例1至例3的炭黑-碳纳米管复合材料的指标如下：

参照上表的比较例、实施例，使用炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置和方法，炭黑-碳纳米管复合材料的吸碘值、着色强度基本没有变化，表征其比表面积、粒径大小、粒径均匀程度相较比较例基本一致；吸油值、总表面积显著提高，表征其结构性较比较例显著提高，耐磨性提高；而以往与吸油值正相关的300%定伸应力显著下降，表征其在橡胶基质中结合力明显高于比较例。

通过本发明的装置和方法制造的炭黑-碳纳米管复合材料，不但具有炭黑的填充及增强性能，更继承碳纳米管的优异的力学、电学及化学性能，在橡胶中增强效果极强，作为增强剂与橡胶复合后，能使橡胶材料的各项性能得到大幅度的提高。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,包括依次设置的第一混合器、燃烧器、第二混合器和生成器，其特征在于，

所述第一混合器用于将物质充分混合；

所述燃烧器与所述第一混合器连通，用于燃烧燃料；

所述第二混合器与所述燃烧器连通，用于混合物质；

所述生成器与所述第二混合器连通，且内部形成有高压电场，用于生成炭黑-碳纳米管复合材料。

2.根据权利要求1所述的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,其特征在于，

所述第一混合器上开设有用于通入物质的三个入口，分别为第一入口、第二入口和第三入口；

所述燃烧器与所述第一混合器连接端的内径大于与所述第二混合器连接端的内径；

所述第二混合器上开设有用于通入物质的第四入口；

所述生成器的外表面设置有金属外壳，金属外壳上通过金属导线串联有倍压整流装置，金属导线还串联有负载电阻。

3.根据权利要求2所述的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,其特征在于，所述生成器的进口端和出口端均设置有绝缘法兰，所述生成器出口端的绝缘法兰后面还设置有冷水喷射入口。

4.根据权利要求2所述的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置,其特征在于，所述生成器的长度为3-9米。

5.一种炭黑-碳纳米管复合材料的生产方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一所述的炭黑-碳纳米管复合材料的制造装置，所述生产方法包括以下步骤：

1）将催化剂、燃料和助燃空气通入所述第一混合器内进行混合；

2）将混合后的催化剂、燃料和助燃空气通入燃烧器内进行燃烧；

3）将燃烧产生的火焰通入第二混合器内，同时在第二混合器内通入原料油，原料油和火焰进行剪切、混合，裂解生成炭黑核心及碳原子；

4）将生成的炭黑核心及碳原子以及催化剂在燃烧器内产生的金属阳离子通入生成器，在生成器内高压电场的作用下生成炭黑-碳纳米管复合材料；

5）在生成器的末端通入冷水急速降温终止生成器内的物质反应。

6.根据权利要求5所述的炭黑-碳纳米管复合材料的生产方法，其特征在于，

所述步骤1）的催化剂为金属元素的化合物或络合物，所述燃料为煤焦油或天然气；

所述步骤3）的原料油为煤焦油、蒽油、乙烯油、炭黑油等；

所述步骤4）的高压电场是通过倍压整流装置将380V变压为更高的电压，通过金属导线与负载电阻使金属外壳带电形成的；

所述步骤5）冷水为去除阴阳离子的软化水。

7.根据权利要求6所述的炭黑-碳纳米管复合材料的生产方法，其特征在于，所述步骤1）的催化剂为镍的化合物，所述步骤3）的原料油为70%煤焦油及30%蒽油的混合物。

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