CN114887552A - 用于制备碳纳米管材料的注入结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备碳纳米管材料的注入结构及其应用。所述注入结构包括：第一导管，至少用于导入催化剂，其选定管段设置于反应腔内，并设有出口端；第二导管，至少用于导入生长促进剂，并包括依次连接的第一管段和第二管段，设置于反应腔内，第一管段沿反应物料的行进方向延伸，第二管段的延伸方向与第二管段的延伸方向相反。本发明提供的注入结构及碳纳米管材料制备装置、系统和方法，使金属有机催化剂和生长促进剂分开注入，两者相遇时间以及相互作用的过程变得可以调节，并在此基础上通过特定注入导管结构设计，实现碳纳米管生长过程中硫原子与铁催化剂颗粒相互作用过程的精准调控，最终达到了调控碳纳米管纤维中碳管结构的目的。

Description

用于制备碳纳米管材料的注入结构及其应用

技术领域

本发明涉及无机碳材料制备技术领域，特别是碳纳米管材料制备领域，尤其涉及一种用于 制备碳纳米管材料的注入结构及其应用。

背景技术

碳纳米管材料，例如烯碳纤维是指由烯碳材料构成或由烯碳材料复合改性而成的高性能纤 维，以其超高的理论力学强度有望成为下一代高性能纤维。由大量纳米尺度的碳纳米管或碳纳 米管管束可控组装而成的宏观碳纳米管纤维，是最具代表性的一类烯碳纤维材料，在高性能复 合材料、能源器件、轻量化导线、人工肌肉等领域具有广泛的应用前景。目前，碳纳米管纤维 的制备方法主要包括湿法纺丝法、阵列纺丝法和浮动催化直接纺丝法三种。近年来，浮动催化 法制备得到的碳纳米管纤维在性能和规模化连续制备方面取得了突破性的进展，被认为是非常 具有应用前景的高性能纤维制备技术。

碳纳米管根据其壁数的不同，分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管(或少壁，例如壁数2-4 之间)和多壁碳纳米管，在不同的应用领域，研究者们希望获得不同的壁数，例如，一些双壁 碳纳米管在强度方面表现出显著优势，而在导电复合材料制备领域，例如锂离子电池的导电浆 料，研究者们更加青睐单壁碳纳米管，另外，在一些宏量应用领域，例如电加热材料的制备， 更加期望使用成本更低、产能更大的多壁碳纳米管。因此，如何利用浮动催化法并通过精准地 调控获得不同壁数的碳纳米管材料具有重要的意义。

然而，目前的现有技术对于碳纳米管壁数的调控研究仍有非常大的不足。例如，专利 CN103628183A和专利CN100552105C公布了一种浮动催化法制备连续碳纳米管纤维的方法。 该方法典型反应过程是在载气辅助作用下向高温反应炉管中注入乙醇、二茂铁、噻吩混合液态 碳源，在高温环境下液态碳源发生气化，二茂铁分子首先高温分解得到铁纳米颗粒作为催化 剂，噻吩分子高温分解得到硫原子作为生长促进剂，乙醇分子高温裂解并在铁催化剂颗粒位置 产生碳原子，进一步生长出碳纳米管并形成碳纳米管纤维前驱体，通过后续加工得到最终碳纳 米管纤维。

研究发现，上述反应过程中生长促进剂硫对碳纳米管的生长和结构调控起到非常关键的作 用，目前反应过程的缺点是噻吩和二茂铁采用“一锅法”同时注入高温反应炉管，因此无法实现 对硫原子和铁催化剂颗粒间相互作用过程的精准调控，从而制约了碳纳米管结构的调控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于制备碳纳米管材料的注入结构及其 应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种用于制备碳纳米管材料的注入结构，包括：

第一导管，至少用于向反应腔内导入碳纳米管生长所需的催化剂，且所述第一导管的选定 管段设置于所述反应腔内，所述选定管段上设有第一导管的出口端；

第二导管，至少用于向反应腔内导入碳纳米管生长所需的生长促进剂，并包括依次连接的 第一管段和第二管段，所述第一管段及第二管段设置于所述反应腔内，所述第二管段上设有第 二导管的出口端，所述第一管段沿反应物料在反应腔内的行进方向延伸，所述第二管段的延伸 方向与第二管段的延伸方向相反。

第二方面，本发明还提供一种碳纳米管材料的制备装置，包括反应炉管、温控模块以及上 述注入结构；

所述反应炉管包括依次相接的注入口、生长段以及输出口，所述温控模块设置于所述反应 炉管的外围，用于至少控制所述生长段的温度；

所述注入结构的固定法兰密封固设于所述反应炉管的注入口，并使所述注入结构的反应物 料行进方向指向所述反应炉管的生长段。

第三方面，本发明还提供一种碳纳米管材料的制备系统，包括上述制备装置以及收集装 置；

所述收集装置与制备装置的反应炉管的输出口相接，至少用于收集经所述输出口输出的碳 纳米管材料。

第四方面，本发明还提供一种碳纳米管材料的制备方法，应用于上述制备系统，包括：

使金属有机催化剂通过第一导管注入至反应炉管的第一预设位置，使生长促进剂通过第二 导管注入至反应炉管的第二预设位置，且至少从所述第一导管和/或第二导管中注入碳源和载 气；

使所述碳源、金属有机催化剂以及生长促进剂在所述载气的驱动下进入反应炉管的生长 段，反应生成多个碳纳米管构成的气凝胶状的碳纳米管材料；

使气凝胶状的所述碳纳米管材料经所述反应炉管的输出口输出，并由收集装置收集。

进一步地，通过调节所述第一预设位置与第二预设位置的相对位置，调控所述碳纳米管材 料的壁数。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明提供的一种用于制备碳纳米管材料的注入结构及碳纳米管材料制备装置、系统和方 法，使金属有机催化剂和生长促进剂分开注入，两者相遇时间以及相互作用的过程变得可以调 节，并在此基础上通过特定注入导管结构设计，实现碳纳米管生长过程中硫原子与铁催化剂颗 粒相互作用过程的精准调控，最终达到了调控碳纳米管纤维中碳管结构的目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申 请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图 说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例提供的碳纳米管材料的制备系统的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例提供的碳纳米管纤维示意图；

图3是本发明一典型实施案例提供的碳纳米管纤维透射电镜照片；

图4是本发明另一典型实施案例提供的碳纳米管纤维透射电镜照片；

图5是本发明一对比例收集的碳纳米管纤维的特征透射电镜照片。

附图标记说明：1、第一注入泵；2、第二注入泵；3、第一气体流量控制器；4、第二气体 流量控制器；5、固定法兰；6、第一导管；7、第二导管；8、反应炉管；9、温控模块；10、气 凝胶状的碳纳米管材料；11、液封腔室；12、尾气出口；13、水箱；14、密封液体；15、纤维 收集卷轴；16、碳纳米管纤维。

具体实施方式

本发明的发明人经过长期实践发现，浮动催化法制备碳纳米管材料反应过程中生长促进剂 硫对碳纳米管的生长和结构调控起到非常关键的作用，目前制备装置的缺点是碳纳米管材料生 长过程中噻吩和二茂铁采用“一锅法”同时注入高温反应炉管8，因此无法实现对硫原子和铁催 化剂颗粒间相互作用过程的精准调控，从而制约了碳纳米管结构的调控。

鉴于现有技术中的不足，并为了解决以上缺点，本案发明人继续经长期研究和大量实践， 本发明开发出一种二茂铁、噻吩分开注入装置，并通过特定注入导管结构设计，实现碳纳米管 生长过程中硫原子与铁催化剂颗粒相互作用过程的精准调控，最终达到调控碳纳米管材料中碳 管结构的目的。并且，本发明人得以总结提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实 施过程及原理等作进一步的解释说明。

需说明的是，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明 还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具 体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部 件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的 关系或者顺序。

参见图1，本发明实施例提供一种用于制备碳纳米管材料的注入结构，包括：

固定法兰5、第一导管6以及第二导管7；所述第一导管6用于至少注入碳纳米管生长所需 的金属有机催化剂，所述第二导管7用于至少注入碳纳米管生长所需的生长促进剂；所述第一 导管6贯穿所述固定法兰5，并沿反应物料行进方向延伸；所述第二导管7包括相连通的第一 管段和第二管段，所述第一管段贯穿所述固定法兰5，并沿所述反应物料行进方向延伸，所述 第二管段自所述第一管段的末端向所述反应物料行进方向的相反方向延伸。

其中，第一管段和第二管段可以是一体的，也可以是分体的，两者的相接部位可以是U型 的弯管，也可以是直角的转接头等等，能够实现沿所述的反应物料行进方向来回折返即可。上 述注入结构可以是一体化的金属材质，例如不锈钢或模具钢，也可以是分体的金属陶瓷组合， 例如注入本土5可以为金属的，第一导管6以及第二导管7均可以为陶瓷材质的。

在一些实施方式中，所述第一导管6的选定管段的长度可调；和/或，所述第二导管7的第 一管段及第二管段的长度可调；上述可调可以通过波纹管或者弹性管的方式实现，也可以设置 为：所述第一导管6和/或第二导管7包括不同长度的多组，所述第一导管6以及第二导管7可 拆卸更换地固设于所述固定法兰5上。

上述设置使得第一导管6和/或第二导管7的尺寸规格可以方便进行更换或调节，进而方便 了下述的通过调控第一导管6和/或第二导管7的尺寸规格来调控碳纳米管材料的壁数。

在一些实施方式中，所述第一导管6的出口端优选可以距离所述固定法兰5为10-200mm， 上述距离亦即所述选定管段的长度。

在一些实施方式中，所述第一管段的末端优选可以距离所述固定法兰5为150-200mm，亦 即所述第一管段的长度，下同。

在一些实施方式中，所述第二管段的出口端优选可以距离所述第一管段的末端50- 150mm。

在一些实施方式中，所述第一导管6的内径优选可以为5-20mm。

在一些实施方式中，所述第二导管7的内径优选可以为5-20mm。

在一些实施方式中，所述第一导管6和/或第二导管7的材质优选可以包括石英或刚玉。

在一些实施方式中，所述的注入结构还优选可以包括与所述第一导管6的进口端向连通的 第一泵送组件，用于向所述第一导管6内泵送包含所述金属有机催化剂的第一溶液；以及，与 所述第二导管7的进口端向连通的第二泵送组件，用于向所述第二导管7内泵送包含所述生长 促进剂的第二溶液。

在一些实施方式中，所述第一溶液和/或第二溶液中的溶剂可以包括碳源。

在一些实施方式中，所述第一溶液和/或第二溶液可以经过雾化或气化后泵送。

在一些实施方式中，所述注入结构还可以包括与所述第一导管6相连通的第一气体流量控 制器3以及与所述第二导管7相连通的第二气体流量控制器4。

继续参见图1，本发明实施例还提供一种碳纳米管材料的制备装置，包括反应炉管8、温控 模块9以及上述实施例及其各实施方式所提供的注入结构；所述反应炉管8包括依次相接的注 入口、生长段以及输出口，所述温控模块9设置于所述反应炉管8的外围，用于至少控制所述 生长段的温度；所述注入结构的固定法兰5密封固设于所述反应炉管8的注入口，并使所述注 入结构的反应物料行进方向指向所述反应炉管8的生长段。

在一些实施方式中，所述反应炉管8的轴向方向优选可以垂直于水平面设置。

反应炉管垂直摆放的意义在于，使得气态的金属有机催化剂和生长促进剂的扩散和输运过 程不受垂直于上述反应物料行进方向的重力的影响，保证了其反应过程中气流场的稳定性，从 而有利于精准的直径和壁数调控。

在一些实施方式中，所述反应炉管8的材质可以包括刚玉或石英。

在一些实施方式中，所述反应炉管8的内径可以为25-120mm，长度可以为1000-2000mm。

继续参见图1，本发明实施例还提供一种碳纳米管材料的制备系统，包括上述实施例及其 各实施方式提供的制备装置以及收集装置；所述收集装置与制备装置的反应炉管8的输出口相 接，至少用于收集经所述输出口输出的碳纳米管材料。

在一些实施方式中，所述收集装置还将收集的所述碳纳米管材料转化为薄膜或纤维的形 态。

基于上述较为概述的示例性技术方案，作为一些更为具体的应用实例，一种上述碳纳米管 材料的制备系统可以由注入结构、纤维生长结构、纤维收集装置三部分组成

注入结构包括：第一注入泵1，用于二茂铁溶液的注入；第二注入泵2，用于噻吩溶液的注 入；第一气体流量控制器3；第二气体流量控制器4；法兰；第一导管，用于二茂铁溶液的气 化、分解与导入；第二导管，用于噻吩溶液的气化、分解与导入。

纤维生长结构包括：生长炉管；电加热炉；气凝胶状的碳纳米管材料10。

纤维收集装置包括：液封腔室11；尾气出口12；水箱13；密封液体14；纤维收集卷轴15；碳纳米管纤维16。

该示例性应用实例中各个组成的具体结构、功能及作用如下所示：

(1)该示例性技术方案采用浮动催化法制备碳纳米管纤维16，二茂铁/乙醇，或二茂铁/丙 酮，或二茂铁/乙醇/丙酮溶液通过第一注入泵1注入反应腔室，噻吩/乙醇，或噻吩/丙酮，或噻 吩/乙醇/丙酮溶液通过第二注入泵2注入反应腔室。上述溶液注入采用微量注入泵注射，并通过 导管输送至超声雾化装置进行雾化，在载气的作用下进入生长腔室。上述溶液注入也可以采用 微量注入泵注射，并通过导管输送至加热蒸发装置进行气化，加热蒸发装置温度设置范围为 200-300℃之间，并在载气的作用下通过加热管道进入生长腔室。其中噻吩溶液的注射速率范围 为5-50ml/h，二茂铁溶液的注射速率范围为5-50ml/h。相关的溶液超声雾化或溶液加热气化的 结构多见于许多现有技术，例如化工或半导体领域的超声雾化进料以及化学气相沉积时使用的 升华罐等，本专利的实施例部分不再赘述。

(2)气体流量控制器采用质量流量计精确控制进入生长腔室载气流量，所述载气为氢气和 惰性气体的混合气体，其中惰性气体包括氩气、氮气、氦气中的一种或其混合气体。上述噻吩 溶液和二茂铁溶液载气气流为单独控制，载气流量范围均为1-10L/min。

(3)第一导管用于二茂铁溶液汽化与导入，采用石英或刚玉直管，管径5-20mm，长度为 10-200mm，通过调整第一导管的长度可以调控铁催化剂颗粒在生长炉管中的成核位置。第二 导管用于噻吩溶液汽化与导入，采用石英或刚玉左右不等高U形管，管径5-20mm，进口端长 度为150-200mm，出口端长度为50-150mm，通过调整第二导管进气端以及出气端导管的长 度，可以调控噻吩分解产生的硫原子在生长炉管中与铁催化剂颗粒的开始相互作用位置，进而 调控碳纳米管的成核与生长过程。

(4)生长腔室主要包括生长炉管、电加热炉。其中炉管材质为刚玉或石英，炉管直径为 25-120mm，长度为100-200cm，生长炉管以贯穿的方式穿越电加热炉，电加热炉炉温设置为 1100-1400℃，所述生长炉管及电加热炉为垂直摆放。

(5)碳纳米管纤维16收集装置包括液封腔室11、尾气出口12、水箱13、密封液体14、纤维收集卷轴15、碳纳米管纤维16。生长炉管内产出的气凝胶状的碳纳米管材料10(气凝胶态)在载气作用下离开生长炉管的腔室后，在水箱13内液体的作用下收缩与纤维化，进一步使 用纤维收集辊简进行卷绕收集，完成碳纳米管纤维16的收集。其中纤维的收集速率范围优选可 以为3-30m/min。

上述图2、图3为本专利方法所制备的碳纳米管纤维16样品及其透射电解结构表征照片， 可以实现碳纳米管壁数从少壁到多壁的调控。

上述示例性技术方案展示了一种碳纳米管纤维16的壁数可调控的实施方案，然而，本发明 实施例所提供的重点技术构思主要体现在注入方式的精准调控上，而反应炉管8中输出的气凝 胶状的碳纳米管材料10所转化为的最终产品的何种形貌，并非限制本发明保护范围的技术特 征，本领域技术人员可以选择参照上述示例方案将碳纳米管材料收集为纤维，也可以将反应炉 管8与碳纳米管薄膜收集装置相结合，进行碳纳米管薄膜的收集，甚至可以直接与手套箱等手 动收集装置相结合，收集含有碳纳米管的复合材料或未经任何形貌变化收集成为蓬松的气凝胶 聚集态，各种收集装置及收集形式的替换对于本领域技术人员而言，可以根据需要进行适应性 调整，相关的收集装置以及收集方法已公开见于多个现有技术中，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种碳纳米管材料的制备方法，应用于上述实施例及其各实施方式提 供的制备系统，包括如下的步骤：

使金属有机催化剂通过第一导管6注入至反应炉管8的第一预设位置，使生长促进剂通过 第二导管7注入至反应炉管8的第二预设位置，且至少从所述第一导管6和/或第二导管7中注 入碳源和载气。

使所述碳源、金属有机催化剂以及生长促进剂在所述载气的驱动下进入反应炉管8的生长 段，反应生成多个碳纳米管构成的气凝胶状的碳纳米管材料10。

使气凝胶状的所述碳纳米管材料经所述反应炉管8的输出口输出，并由收集装置收集。

在一些实施方式中，可以通过调节所述第一预设位置与第二预设位置，调控所述碳纳米管 材料的壁数和直径。

在一些实施方式中，当期望获得少壁小直径碳纳米管时，所述第一管段和第二管段的相接 处设置于温度800-900℃的区域，所述第二导管的出口端设置于温度小于400℃的区域。

使金属有机催化剂和生长促进剂分开注入，使得两者相遇时间以及相互作用的过程变得可 以调节，并在此基础上，设置上述U型的第二导管7，该导管可以使气态的生长促进剂先于温 度较高的位置受热，然后以与反应物料行进方向相反的方向运动至反应炉管8的顶端(固定法 兰5处)后分散下行，这种多次折返的流动路径大大延长了生长促进剂的注入耗时，使其分解 产生游离的硫原子的位置变得精准可控，再结合以特定的第一预设位置出现的金属有机催化 剂，使得两者在相遇时的状态均可以发生较大变化。通常来说，硫原子与铁催化剂颗粒相互作 用时间越早，即所述的第一预设位置越接近于第二预设位置，催化剂颗粒的成核直径更小、更 均匀，催化剂活性更高因而，其相互作用进程的不同导致了最终产生的碳纳米管壁数的不同。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例 仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。

实施例1

本实施例示例一种小直径、少壁碳纳米管纤维16的制备过程，具体如下所示：

首先是设备部分：

该实施例所采用的制备系统的结构如图1所示，第一注入泵1与第一导管6相通，且两者 之间设置超声雾化喷头，喷头的喷口朝向第一导管6内，第二注入泵2与第二导管7相通，且 两者之间设置超声雾化喷头，喷头的喷口朝向第二导管7内；第一导管6和第二导管7均为内 径10mm的石英管，且均贯穿固定法兰5向反应炉管8内延伸，其中，第一导管6伸入的距离 为20mm，第二导管7的第一管段伸入180mm，第二管段呈U型折返延伸160mm。

第一气体流量控制器3向第一导管6内传递载气，第二气体流量控制器4向第二导管7内 传递载气，上述的载气为氢气/氩气体积比1∶1的混合气。

反应炉管8为立式的，且保持垂直，其注入口与固定法兰5密闭，且其内径为100mm，长 度为1300mm，材质为刚玉的，该反应炉管8外套设一电加热炉并配套有控制箱，作为温控模 块9。

收集装置设置于反应炉管8的输出口处，包括与输出口密闭连接的液封腔室11、设置于液 封腔室11一侧的尾气出口12、含有密封液体14的水箱13，该密封液体14封口上述液封腔室 11、用于收集碳纳米管纤维16纤维的收集卷轴，该收集卷轴放置在水箱13外侧。

具体的，第一注入泵1中容置浓度为1wt％的二茂铁/乙醇溶液，第二注入泵2中容置浓度 为1wt％的噻吩/乙醇溶液。

其次是方法部分：

开始制备时，首先控制温控模块9将反应炉管8中间的生长段温度调控为1300℃，调节第 一气体流量控制器3的流量为2.5L/min，第二气体流量控制器4的流量为2.5L/min。

二茂铁/乙醇溶液的注入速度为15mL/h，噻吩/乙醇溶液的注入速度为15mL/h。

反应开始后，由反应炉管8内生成碳纳米管气凝胶，经过输出口后，进入液封腔室11内， 并进一步经过上述的密封液体14产生致密化作用，收缩为碳纳米管纤维16，然后经过卷速为 10m/min的收集卷轴的卷绕收集，形成如图2所示的碳纳米管纤维16的产品。

将上述碳纳米管纤维16在透射电镜下观察其微观形貌，碳纳米管特征形貌如图3所示，可 以发现，本实施例所制备的碳纳米管纤维16中的碳纳米管为2-4壁数的少壁碳纳米管为主，纤 维直径5-8nm为主。

实施例2

本实施例示例一种大直径多壁碳纳米管纤维16的制备过程，具体如下所示：

该实施例中，相比于实施例1，其余条件不变，仅改变上述第一导管6以及第二导管7的 尺寸，将第一导管6替换为长度100mm的，将第二导管7替换为第一管段长度200mm，第二管段长度50mm的，继续进行碳纳米管纤维16的制备。

所收集的碳纳米管纤维16的特征透射电镜照片如图4所示，从中可以明显看出，本实施例 仅通过改变注入导管的尺寸配置，所制备的碳纳米管纤维16中的碳纳米管即可由少壁转化为5- 7壁数的多壁的，碳管直径8-10nm为主。

对比例1

该对比例中，相比于实施例1，其余条件不变，仅改变上述第二导管7的形状，将U型的 第二导管7换成等效的较短的直管(出口位置不变)，所收集的碳纳米管纤维16的特征透射电 镜照片如图5所示，从中可以明显看出，本对比例仅通过改变注入导管的形状配置，所制备的 碳纳米管纤维16中的碳纳米管即可由少壁转化为8-10壁数的多壁的，碳管直径10nm左右， 失去了壁数和管径调控能力。

基于上述各实施例和对比例，可以明确，本发明实施例提供的一种用于制备碳纳米管材料 的注入结构及碳纳米管材料制备装置、系统和方法，使金属有机催化剂和生长促进剂分开注 入，使得两者相遇时间以及相互作用的过程变得可以调节，并在此基础上通过特定注入导管结 构设计，实现碳纳米管生长过程中硫原子与铁催化剂颗粒相互作用过程的精准调控，最终达到 了调控碳纳米管纤维16中碳管结构的目的。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的 人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于制备碳纳米管材料的注入结构，其特征在于，包括：

第一导管，至少用于向反应腔内导入碳纳米管生长所需的催化剂，且所述第一导管的选定管段设置于所述反应腔内，所述选定管段上设有第一导管的出口端；

第二导管，至少用于向反应腔内导入碳纳米管生长所需的生长促进剂，并包括依次连接的第一管段和第二管段，所述第一管段及第二管段设置于所述反应腔内，所述第二管段上设有第二导管的出口端，所述第一管段沿反应物料在反应腔内的行进方向延伸，所述第二管段的延伸方向与第二管段的延伸方向相反。

2.根据权利要求1所述的注入结构，其特征在于，所述第一导管的选定管段沿所述行进方向延伸，且所述第一导管的选定管段的尾端为第一导管的出口端。

3.根据权利要求1所述的注入结构，其特征在于，所述第一导管的选定管段的长度可调；

和/或，所述第一管段及第二管段的长度可调；

和/或，所述第一管段与第二管段连接形成U型管结构。

4.根据权利要求1所述的注入结构，其特征在于，所述选定管段的长度为10-200mm；

和/或，所述第一管段的长度为150-200mm；

和/或，所述第二管段的长度为50-150mm；

优选的，所述第一导管的内径为5-20mm；

和/或，所述第二导管的内径为5-20mm；

优选的，所述第一导管和/或第二导管的材质包括石英或刚玉。

5.根据权利要求1所述的注入结构，其特征在于，还包括与所述第一导管的进口端向连通的第一泵送组件，用于向所述第一导管内泵送包含所述催化剂的第一溶液；

以及，与所述第二导管的进口端向连通的第二泵送组件，用于向所述第二导管内泵送包含所述生长促进剂的第二溶液；

优选的，所述第一溶液和/或第二溶液中的溶剂包括碳源；

优选的，所述第一溶液和/或第二溶液经过雾化或气化后泵送；

优选的，所述注入结构还包括与所述第一导管相连通的第一气体流量控制器以及与所述第二导管相连通的第二气体流量控制器。

6.一种碳纳米管材料的制备装置，包括反应炉管、温控模块，所述反应炉管包括依次相接的注入口、生长段以及输出口，所述温控模块设置于所述反应炉管的外围，用于至少控制所述生长段的温度；

其特征在于，所述制备装置还包括权利要求1-5中任意一项所述的注入结构；

所述注入结构密封固设于所述反应炉管的注入口，并使所述注入结构的反应物料行进方向指向所述反应炉管的生长段。

7.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述反应炉管的轴向方向垂直于水平面设置；

优选的，所述反应炉管的材质包括刚玉或石英；

优选的，所述反应炉管的内径为25-120mm，长度为1000-2000mm。

8.一种碳纳米管材料的制备系统，其特征在于，包括权利要求6-7中任意一项所述的制备装置以及收集装置；

所述收集装置与制备装置的反应炉管的输出口相接，至少用于收集经所述输出口输出的碳纳米管材料；

优选的，所述收集装置还将收集的所述碳纳米管材料转化为薄膜或纤维的形态。

9.一种碳纳米管材料的制备方法，应用于权利要求8所述的制备系统，其特征在于，包括：

使金属有机催化剂通过第一导管注入至反应炉管的第一预设位置，使生长促进剂通过第二导管注入至反应炉管的第二预设位置，且至少从所述第一导管和/或第二导管中注入碳源和载气；

使所述碳源、金属有机催化剂以及生长促进剂在所述载气的驱动下进入反应炉管的生长段，反应生成多个碳纳米管构成的气凝胶状的碳纳米管材料；

使气凝胶状的所述碳纳米管材料经所述反应炉管的输出口输出，并由收集装置收集。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，通过调节所述第一预设位置与第二预设位置，调控所述碳纳米管材料的壁数；

优选的，当期望获得少壁小直径碳纳米管时，所述第一管段和第二管段的相接处设置于温度800-900℃的区域，所述第二导管的出口端设置于温度小于400℃的区域。

Images