CN115245809A - 碳基材料后改性反应器、后改性反应装置、后改性处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

所提供的碳基材料后改性反应器包括：投料口，设于该碳基材料后改性反应器的上游处，供投入碳基材料原料；出料口，设于该碳基材料后改性反应器的下游处，供输出改性碳基材料；螺杆装置，位于反应器的内部以在投料口和出料口之间同时推送和翻置自投料口投入的碳基材料原料；以及进气装置，臭氧气体通过该进气装置输入至碳基材料后改性反应器的内部。螺杆装置包括直杆部、逆向的内螺旋叶片组和正向的外螺旋叶片组。通过螺杆装置的作用与设计，本发明的碳基材料后改性反应器可于内部同时推送、返送及翻置反应器内部的碳基材料原料，以提升后改性反应的效能。

Description

碳基材料后改性反应器、后改性反应装置、后改性处理系统及 其方法

技术领域

本发明与碳基材料的改性技术有关；特别是，本发明与碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维等碳基材料的后改性技术有关。

背景技术

碳黑的本质为亲油性的，对于极性溶剂(例如水)的分散性极低，因而限制其应用。为使碳黑能进一步应用于油墨、油漆、或电子封装等领域而提高其应用价值，可于制备过程中对碳黑进行表面氧化改性处理，提高碳黑的分散性能，以使得改性后的碳黑能够稳定良好地分散于极性溶剂中，增广碳黑的应用层面。

以现有技术而言，碳黑的改性程序大多于制备碳黑的过程中进行，于制备过程中导入过氧化氢进行反应，以增加制备的碳黑的含氧极性基团；或是在碳黑制备完成后进一步利用强酸(例如盐酸、硝酸等)溶液或臭氧等离子体对碳黑进行表面酸化或表面氧化等后改性处理。但利用强酸溶液进行碳黑后改性处理势必将产生高污染性废液处理及排放的问题，而利用臭氧等离子体进行碳黑后改性处理则因臭氧等离子体浓度太低而导致效率不佳。此外，在现有的碳黑后改性技术中，均是于反应槽内使用搅拌器进行搅拌、以批次方式进行碳黑的表面改性处理，不仅处理效率不佳、产率和经济价值难以提升，也容易因批处理各项条件差异而导致所制备的改性碳黑质量不一；即使开发以流化床进行连续式处理，仍存在有产生高污染性废液的严重问题。另就活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维等碳基材料而言，也急需可提高处理效率并且能制备质量良好的改性碳基材料的后改性技术。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种碳基材料后改性反应器、包括此后改性反应器以进行碳基材料后改性处理的系统、以及相应的方法。本发明以连续工艺方式对已经制备的原生碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维等碳基材料原料进行后改性处理，可有效提高改性碳基材料制品的质量及其制备效率。

根据本发明的第一构想，所提供的一种碳基材料后改性反应器包括：投料口，设于该碳基材料后改性反应器的上游处，供投入碳基材料原料；出料口，设于该碳基材料后改性反应器的下游处，供输出改性碳基材料；螺杆装置，位于该碳基材料后改性反应器的内部以于该投料口和该出料口之间同时推送和翻置自该投料口投入的该碳基材料原料；以及进气装置，臭氧气体通过该进气装置输入至该碳基材料后改性反应器的内部。该螺杆装置包括：直杆部，其耦合至马达且受该马达驱动；内螺旋叶片组，其包括均匀分隔设置于该直杆部靠近该投料口的第一部分上且自该直杆部径向延伸的复数个内螺旋叶片；及外螺旋叶片组，其包括复数个短杆及复数个外螺旋叶片。所述复数个短杆均匀分隔设置于该直杆部上且自该直杆部径向延伸，所述复数个外螺旋叶片以螺旋方式环绕于该直杆部外部，且于该直杆部上呈均匀分隔设置，其中所述复数个短杆的各短杆的一端连接于各所述复数个外螺旋叶片。

基于前述构想，该外螺旋叶片组进一步包括复数个连接叶片，所述复数个连接叶片各连接于该外螺旋叶片组中的一部分的至少两个外螺旋叶片之间。

基于前述构想，该内螺旋叶片组是右旋螺叶组，且其中该外螺旋叶片组是左旋螺叶组。

基于前述构想，该外螺旋叶片组具有第一叶片间距，该内螺旋叶片组具有第二叶片间距，其中该第一叶片间距小于该第二叶片间距。优选地，该第一叶片间距介于80mm至120mm之间，且该第二叶片间距介于100mm至150mm之间。

基于前述构想，该直杆部的长度介于1500mm至15000mm之间。优选地，该直杆部的该第一部分的长度介于1000mm至10000mm之间。

基于前述构想，该碳基材料后改性反应器的长宽比介于3至8之间。

基于前述构想，在该碳基材料后改性反应器中，该内螺旋叶片组的各所述复数个内螺旋叶片的叶片直径介于90mm至170mm之间。

基于前述构想，在该碳基材料后改性反应器中，所述复数个内螺旋叶片中的第一内螺旋叶片与该直杆部的前端系相距第一距离，该第一距离介于0至直杆部的长度的三分之二之间。

基于前述构想，该进气装置包括复数个注入口，自该进气装置输入的臭氧气体通过所述复数个注入口进入该碳基材料后改性反应器内部。

基于前述构想，该进气装置设于该碳基材料后改性反应器的一端、该碳基材料后改性反应器内部的该投料口下方、该碳基材料后改性反应器的下方、或直接由该直杆部所形成。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性反应器还包括温度控制装置，其耦合于该碳基材料后改性反应器以调整该碳基材料后改性反应器的内部的温度。

基于前述构想，所述碳基材料原料选自碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维中的一种。

根据本发明的第二构想，所提供的一种碳基材料后改性反应装置包括：总投料口，设于该碳基材料后改性反应装置的上游处，供投入碳基材料原料；总出料口，设于该碳基材料后改性反应装置的下游处，供输出改性碳基材料；以及复数个如前所述的碳基材料后改性反应器，所述复数个碳基材料后改性反应器中的上游反应器的出料口连接于下游反应器的投料口，所述复数个碳基材料后改性反应器于该总投料口和该总出料口之间彼此串联而流体连通，且各耦合至相应马达，并且受该相应马达驱动以同时推送和翻置在各该碳基材料后改性反应器内部的该碳基材料原料。

基于前述构想，其中所述复数个碳基材料后改性反应器的各自进气装置系流体耦合于共同臭氧产生单元。

基于前述构想，所述碳基材料原料选自碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维中的一种。

根据本发明的第三构想，所提供的一种碳基材料后改性处理系统包括：空气压缩单元，其接收及压缩空气以产生压缩空气；氧气产生单元，其接收该压缩空气并自该压缩空气产生浓缩氧气；臭氧产生单元，其接收该浓缩氧气并自该浓缩氧气产生臭氧气体；以及改性单元，其接收该臭氧产生单元所产生的臭氧气体，并使所述臭氧气体与碳基材料原料混合及反应以产生改性碳基材料。

基于前述构想，该改性单元包括如前述任一构想的碳基材料后改性反应器、或包括如前述任一构想的碳基材料后改性反应装置。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性处理系统还包括干燥单元，其设置于该空气压缩单元和该氧气产生单元之间以干燥该压缩空气。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性处理系统还包括空气储槽，其设置于该干燥单元与该氧气产生单元之间以储存经干燥的压缩空气。

基于前述构想，该氧气产生单元是分子筛装置，其分离该压缩空气中的氧气和氮气以产生该浓缩氧气。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性处理系统还包括氧气储槽，其设于该氧气产生单元与该臭氧产生单元之间以储存该浓缩氧气。

基于前述构想，该臭氧产生单元是高压放电装置。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性处理系统还包括投料装置，其对该改性单元投入该碳基材料原料。

基于前述构想，本发明的碳基材料后改性处理系统还包括研磨装置，其研磨自该改性单元输出的该改性碳基材料。

基于前述构想，所述碳基材料原料选自碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维中的一种。

根据本发明的第四构想，所提供的一种用于进行碳基材料后改性处理的方法包括下列步骤：(a)提供压缩空气；(b)自该压缩空气分离出浓缩氧气；(c)利用高压放电方式，自该浓缩氧气产生臭氧气体；以及(d)使该臭氧气体通过碳基材料原料并且与该碳基材料原料混合及反应预定时间以产生改性碳基材料。

基于前述构想，在步骤(a)后，本发明的方法还包括步骤(a1)干燥和/或储存该压缩空气。

基于前述构想，在步骤(b)后，本发明的方法还包括步骤(b1)储存该浓缩氧气。

基于前述构想，在步骤(c)后，本发明的方法还包括步骤(c1)控制将通过该碳基材料原料的该臭氧气体的流量和/或浓度。

基于前述构想，所述碳基材料原料选自碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维中的一种。

附图说明

为能更进一步了解本发明的特征与技术内容，请参阅下述有关本发明实施例的详细说明及附图。但所公开的详细说明及附图仅提供参考与说明之用，并非用以对本发明加以限制；其中：

图1说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器的剖面示意图；

图2A和图2B分别说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器的螺杆装置的第一区段和第二区段的示意结构；

图3说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器的进气装置的配置示意图；

图4A至图4D为根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器中进气装置的各种配置位置及进气方式的示意图；

图5A至图5C说明根据本发明另一实施例的碳基材料后改性反应器及其进气装置的配置示意图；

图6说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应装置的配置示意图；

图7说明根据本发明实施例的碳基材料后改性处理系统的配置示意图；以及

图8说明根据本发明实施例的用于进行碳基材料后改性处理的方法的流程图。

具体实施方式

下文参照附图并且以示例实施例说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的组件符号；另外，附图为利于理解而绘制，附图中各单元或装置的尺寸与形状并非装置的实际尺寸，亦非呈现特定的比例关系。

请参阅图1，其根据本发明实施例说明本发明的碳基材料后改性反应器10的配置的剖面示意图。本发明的碳基材料后改性反应器10包括投料口12，投料口12设于碳基材料后改性反应器10的上游处，待进行改性的碳基材料原料(图中未示出)即由投料口12注入碳基材料后改性反应器10的内部。本发明的碳基材料后改性反应器10也包括出料口14，出料口14设于碳基材料后改性反应器10的下游处，完成反应的改性碳基材料(图中未示出)即由出料口14输出，以进一步依实际应用需要进行后续的研磨和/或包装处理。在本发明中，所述碳基材料原料可为碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维中任一者。

本发明的碳基材料后改性反应器10的内部设有螺杆装置16，螺杆装置16用以于投料口12和出料口14之间同时推送和翻置自投料口12投入的碳基材料原料。如图所示，螺杆装置16包括在反应器上游的第一区段16A、以及在反应器下游的第二区段16B；换言之，螺杆装置16的第一区段16A较第二区段16B靠近于碳基材料后改性反应器10的投料口12。

如图1所示，本发明的碳基材料后改性反应器10中的螺杆装置16包括直杆部162、内螺旋叶片组164以及外螺旋叶片组166。

直杆部162耦合至马达15且受马达15驱动，使得螺杆装置16于碳基材料后改性反应器10内部同时推送和翻置自投料口12投入的碳基材料原料。直杆部162可分为第一部分162A和第二部分162B，其分别对应于螺杆装置16的第一区段16A和第一区段16B。换言之，直杆部162的第一部分162A指直杆部162的位于碳基材料后改性反应器10的上游处的部分，其较第二部分162B靠近于投料口12；直杆部162的第二部分162B指直杆部162的位于碳基材料后改性反应器10的下游处的部分，其较第一部分162A靠近于出料口。

并参阅图2A，其是本发明的碳基材料后改性反应器10的螺杆装置16的第一区段16A的结构示意图。如图所示，内螺旋叶片组164呈连续式螺旋叶片结构，其由复数个内螺旋叶片164a1～164a4所构成，所述内螺旋叶片164a1～164a4设置在直杆部162的第一部分162A上，且叶片间呈均匀分隔、自直杆部162径向延伸。在本实施例中，内螺旋叶片组164由四个(即形成四圈)内螺旋叶片164a1～164a4所构成；但在其他实施例中，可依实际应用条件和制备需求调整内螺旋叶片的个数(圈数)。在本发明实施例中，内螺旋叶片组164是右旋螺叶组(即呈现逆向螺旋)，且仅设置在直杆部162的第一部分162A；换言之，逆向的内螺旋叶片组164仅设置于螺杆装置16中的第一区段16A，在受直杆部162带动时于第一区段16A中反向推送(返送)碳基材料原料回上游处，进以增加碳基材料原料在本发明的碳基材料后处理反应器10中的停留时间。

在本实施例中，内螺旋叶片组164设置在直杆部162的第一部分162A，且其中第一内螺旋叶片164a1设置在碳基材料后改性反应器10中的螺杆装置16的直杆部162前端E处，如图1所示；但在其他实施例中，内螺旋叶片组也可设置于直杆部上不同位置处，例如位于直杆部前端和与直杆部前端相距为直杆部总长度的三分之二处之间的任何位置，视实际应用需求而定。

在本实施例中，内螺旋叶片组164的各个内螺旋叶片164a1～164a4的叶片大小(即叶片直径c，如图2A所示)经过设计，例如为130mm；但在其他实施例中，依实际反应器的设计而定，内螺旋叶片的叶片直径也可加以调整，例如介于90mm至170mm之间。

并参阅图1、图2A和图2B，其中图2B是本发明的碳基材料后改性反应器10的螺杆装置16的第二区段16B的结构示意图。如图所示，螺杆装置16的外螺旋叶片组166包括复数个短杆168及复数个外螺旋叶片166a、166b。所述复数个短杆168均匀分隔设置于直杆部162整体(包括第一部分162A和第二部分162B)上，且自直杆部162径向延伸；所述复数个外螺旋叶片166a、166b呈连续式螺旋叶片结构而环绕直杆部162，其分别均匀分隔设置于直杆部162的第一部分162A和第二部分162B上。在本发明实施例中，外螺旋叶片组166是左旋螺叶组，且各个外螺旋叶片166a、166b于各相应短杆168的一端168A连接(例如通过焊接方式)，从而于直杆部162上形成环绕于外部且呈正向螺旋的螺叶结构，以在碳基材料后改性反应器10中将碳基材料原料朝下游处推送。

如图1所示，本发明实施例的碳基材料后改性反应器10呈一水平式配置；在本实施例中，位于碳基材料后改性反应器10上游处的投料口12如图所示位于图面左侧，下游处的出料口14如图所示位于图面右侧。如前述说明，在本实施例中，外螺旋叶片组166包括分别设置于螺杆装置16的第一区段16A和第二区段16B中的外螺旋叶片166a和外螺旋叶片166b且为正向螺旋叶片，例如为左旋螺叶组，其在马达15驱动直杆部162轴向转动下受带动而将碳基材料后改性反应器10内的碳基材料原料朝向出料口14(即下游处)的方向(在图1中向右)推送。在本实施例中，螺杆装置16的第一区段16A中还设有包括复数个内螺旋叶片164a的内螺旋叶片组164，其为逆向螺旋叶片，且例如为右旋螺叶组，在马达15驱动直杆部162轴向转动下受带动而将碳基材料原料朝向投料口12(即上游处)的方向(在图1中向左)推送(亦即「返送」)，进以控制碳基材料原料在本发明的碳基材料后改性反应器10内的停留时间(反应时间)。

在本实施例中，螺杆装置16的外螺旋叶片组166还包括复数个连接叶片167，所述复数个连接叶片167各连接于外螺旋叶片组166a、166b中的一部分的至少两个叶片之间。举例而言，如图1和图2A、图2B所示，在螺杆装置16的第一区段16A的外螺旋叶片组166的叶片166a1～166a4之间连接有连接叶片167a1；在螺杆装置16的第二区段16B中，连接叶片167b1～167b3分别连接于外螺旋叶片组166中的相邻两叶片(例如叶片166b1和叶片166b2、叶片166b3和叶片166b4、以及叶片166b5和叶片166b6)之间。根据本发明，螺杆装置16的连接叶片167在直杆部162受马达15而轴向转动时受带动而翻置碳基材料后改性反应器10内的碳基材料原料，以使碳基材料原料与臭氧于反应器内部均匀混合，提高两者之间的反应效率。

在本实施例中，螺杆装置16的外螺旋叶片组166具有第一叶片间距D1，内螺旋叶片组164具有第二叶片间距D2，其中第一叶片间距D1小于第二叶片间距D2。换言之，根据本发明实施例，在碳基材料后改性反应器10的螺杆装置16中，用以正向推送碳基材料原料的外螺旋叶片组166的叶片间距D1小于用以返送碳基材料原料的内螺旋叶片组164的叶片间距D2。

根据本发明，碳基材料后改性反应器10的螺杆装置16的外螺旋叶片组166和内螺旋叶片组164的个别叶片间距(D1、D2)、第一区段16A和第二区段16B的个别配置长度、以及各连接叶片167的长度等可依工艺上的实际需求而加以设计及调整。举例而言，根据本发明实施例，碳基材料后改性反应器10中的第一叶片间距D1介于80mm至120mm之间，第二叶片间距介于100mm至150mm之间。根据本发明实施例，第一区段的长度介于1000mm至10000mm之间，且第一区段的长度和第二区段的长度的总和(亦即螺杆装置整体的长度)介于1500mm至15000mm之间。举例而言，在本实施例中，外螺旋叶片组166的叶片间距D1可为例如100mm，而内螺旋叶片组164的叶片间距D2可为例如125mm。此外，螺杆装置16的第一区段16A的总长度可为例如1000mm，且连接叶片167a1的长度可为例如605mm。

根据本发明，碳基材料后改性反应器10的长宽比介于3至8之间。举例而言，在本实施例中，碳基材料后改性反应器10的总长度L为1500mm，宽度W(反应器内径)为212.3mm，其长宽比(L/D)约为7.06。

根据本发明，碳基材料后改性反应器还包括进气装置，臭氧气体通过进气装置输入至碳基材料后改性反应器的内部以与碳基材料原料进行混合及反应。请参阅图3，其说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器的进气装置配置示意图。根据本发明实施例，碳基材料后改性反应器10的进气装置18设于碳基材料后改性反应器10的内部、投料口12的下方，并且进一步包括复数个(在本实施例中为例如五个)注入口182A，如图3所示；自进气装置18输入的臭氧气体通过各注入口182A进入碳基材料后改性反应器10的内部。通过此设计，可提高臭氧气体在碳基材料后改性反应器10内部的分散均匀性，进而提高臭氧气体与碳基材料原料的混合与反应效率。此外，本发明的碳基材料后改性反应器10进一步包括温度控制装置19，温度控制装置19耦合于碳基材料后改性反应器10以调整(例如加热)碳基材料后改性反应器10内部的温度，进而提高臭氧气体与碳基材料原料的反应效率。

进气装置除可位于碳基材料后改性反应器10的内部之外，在本发明中，也可依实际工艺所需改变进气装置的设置位置与方式。举例而言，请参阅图4A至图4D，其示意说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应器中进气装置的各种配置位置及进气方式。在一种实施方式中，进气装置可设置于碳基材料后改性反应器10的一端10a，使臭氧自该端10a进入碳基材料后改性反应器10的内部，如图4A中箭头18a所示，以与自投料口12注入的碳基材料原料(如箭头12a所示)在反应器内部混合及反应。可替代地，进气装置可设置于碳基材料后改性反应器10下部的一端10b(图4B)、或沿着碳基材料后改性反应器10的下部10c而设置(图4C)，使臭氧分别自碳基材料后改性反应器下部的一端10b、或自下部10c进入碳基材料后改性反应器10的内部，分别如图4B中箭头18b与图4C中箭头18c所示，以与自投料口12注入的碳基材料原料(如箭头12b、12c所示)在反应器内部混合及反应。在又一替代实施方式中，进气装置可直接通过于直杆部162上形成复数个注入孔而构成，使得从直杆部162轴向注入的臭氧可通过直杆部162上的注入孔均匀进入碳基材料后改性反应器10的内部，如图4D中箭头18d、18d1至18dn所示，以与自投料口12注入的碳基材料原料(如箭头12d所示)在反应器内部混合及反应。

如前述说明，图1所示的碳基材料后改性反应器10呈水平式配置，但本发明的碳基材料后改性反应器的配置方式并不限于此。举例而言，如图5A至图5C所示，本发明的碳基材料后改性反应器50A、50B、50C也可设计为呈垂直式配置，取决于碳基材料制备厂区的空间条件而设计。在图5A至图5C所示的垂直式碳基材料后改性反应器50A、50B、50C中，其投料口52和出料口54分别位于碳基材料后改性反应器的上方(上游处)和下方(下游处)(即分别为图5A至图5C的图面的上方和下方)，进气装置则可视实际需求而设置，使得臭氧可从垂直式碳基材料后改性反应器50A的上方(上游处)、垂直式碳基材料后改性反应器50B的下方(下游处)或由垂直式碳基材料后改性反应器50C的侧部注入，分别如图5A中箭头58a、图5B中箭头58b及图5C中箭头58c所示，以与自投料口52注入的碳基材料原料(如箭头52a、52b、52c所示)在反应器内部混合及反应。熟习本发明领域技艺的人员应理解，应当可根据碳基材料后改性反应器的配置方向和马达的驱动方向来调整图5A至图5C中所示的碳基材料后改性反应器的螺杆装置、叶片旋转方向、叶片间距等设计。

请参阅图6A和图6B，其示意说明根据本发明实施例的碳基材料后改性反应装置的配置。

如图6A所示，本实施例的碳基材料后改性反应装置60包括总投料口62和总出料口64，总投料口62设于碳基材料后改性反应装置60的上游处(例如为图6A所示左上方)，碳基材料原料通过总投料口62注入碳基材料后改性反应装置60的内部；总出料口64设于碳基材料后改性反应装置60的下游处(例如为图6A所示左下方)，反应完成而制备的改性碳基材料即通过总出料口64输出，以根据需要进行后续的研磨和/或包装处理。

本发明的碳基材料后改性反应装置60是由复数个(例如在本实施例中为6个)如前述说明的碳基材料后改性反应器10A至10F串联而构成。详言之，构成碳基材料后改性反应装置60的复数个碳基材料后改性反应器10A至10F中的上游反应器(例如图6A中所示的碳基材料后改性反应器10A)的出料口连接于下游反应器(例如图6A中所示的碳基材料后改性反应器10B)的投料口，从而构造成复数个碳基材料后改性反应器10A至10F于总投料口62和总出料口64之间彼此串联而流体连通，使得自总投料口62注入的碳基材料原料(如箭头62a所示)在碳基材料后改性反应装置60内部随着各反应器的螺杆装置的推送、返送和翻置而与通过进气装置注入(在本实施例中，通过各自反应器的直杆部穿孔注入，如箭头68a至68f所示)反应装置内部的臭氧均匀混合及反应。碳基材料后改性反应器10A至10F的螺杆装置的直杆部各耦合至相应马达(图中未示出)，直杆部受该相应马达驱动而带动螺杆装置的外螺旋叶片组和内螺旋叶片组同时推送、返送和翻置在各该碳基材料后改性反应器内部的碳基材料原料。在本实施例中，碳基材料后改性反应装置60所包含的碳基材料后改性反应器的数量可依实际厂区的面积及高度而调整，各个碳基材料后改性反应器10A至10F的内部构成与运作方式与前述碳基材料后改性反应器10相同，在此即不再赘述。利用复数个碳基材料后改性反应器串联的设计可有效增加碳基材料原料与臭氧的反应时间，进一步提升改性效果。

可替代地，进气装置也可设置于各碳基材料后改性反应器10A至10F下部的一端，以供注入臭氧，注入的臭氧即于各碳基材料后改性反应器10A至10F内部与碳基材料原料混合及反应，如图6B所示。

应理解，本发明的碳基材料后改性反应装置中所含反应器的数量、反应器的配置方向、进气装置的设计与进气方向等皆可依前述说明并根据实际需要而加以组合与变化。

请参阅图7，其是根据本发明实施例的碳基材料后改性处理系统的配置示意图。如图7所示，本发明的碳基材料后改性处理系统70包括：空气压缩单元72，其接收及压缩空气以产生压缩空气；氧气产生单元74，其接收该压缩空气并自该压缩空气产生浓缩氧气；臭氧产生单元76，其接收该浓缩氧气并自该浓缩氧气产生臭氧气体；以及改性单元78，其接收该臭氧产生单元所产生的臭氧气体，并使所述臭氧气体与碳基材料原料混合及反应以产生改性碳基材料而输出。详言之，空气压缩单元72中可包括，但不限于：空气压缩装置722、控制单元724、干燥单元726(例如，冷冻干燥装置)及空气储槽728。输入的空气经空气压缩装置722压缩并经干燥单元726进行干燥后，可注入空气储槽728中储存以备后续工艺使用。控制单元724实时控制压缩空气的流量与流率等，并可进行空气调理(即过滤、调压、给油润滑)以防止管路磨损导致杂质的产生，使得供给的压缩空气的质量符合实际工艺所需。经空气压缩单元72压缩及干燥的压缩空气输入至氧气产生单元74，氧气产生单元74可为，但不限于分子筛装置742，其分离压缩空气中的氧气与氮气而产生浓度高达90％的浓缩氧气。氧气产生单元74还可包括氧气储槽744，其可储存浓缩氧气以备后续工艺使用。氧气产生单元74所产生的浓缩氧气进一步输入至臭氧产生单元76，其包括高压放电装置762，释出能量使浓缩氧气分子断键而产生臭氧(O₃)气体，通过调整臭氧产生单元76的气体流量与处理效能，即可改变所产生的臭氧气体的流量和浓度，使其符合后续反应所需。所产生的臭氧气体即可注入改性单元78的碳基材料后改性反应器(装置)782中与碳基材料原料782A均匀混合及反应。

根据本发明实施例，改性单元78包括如图1所示的水平式碳基材料后改性反应器10。在另一实施例中，改性单元78也可包括如图5A至图5C所示的垂直式碳基材料后改性反应器50A-50C。在另一实施例中，改性单元78可包括如图6A或图6B所示的碳基材料后改性反应装置60；如前述说明，所述碳基材料后改性反应装置60由复数个碳基材料后改性反应器串联而构成。

根据本发明实施例，碳基材料后改性反应系统70还包括投料装置784，其与改性单元78的碳基材料后改性反应器(装置)782的投料口7822流体相通，以供对改性单元78的碳基材料后反应器(装置)782注入碳基材料原料。此外，本发明的碳基材料后改性反应系统70可进一步包括研磨单元80，自改性单元78的碳基材料后改性反应器(装置)782的出料口7824所输出的改性碳基材料输入至研磨单元80进行研磨，以符合碳基材料产品应用所需的规格后进一步包装输出。

请参阅图8，其说明根据本发明实施例的用于进行碳基材料后改性处理的方法的流程图。本发明的方法包括如下步骤：对输入空气进行压缩以提供压缩空气(步骤810)；视情况，对压缩空气进行干燥及储存(步骤815)，例如，但不限于，利用冷冻干燥装置来干燥压缩空气，并将其储存在空气储槽中。接着，通过例如分子筛装置分离压缩空气中的氮气和氧气，以产生浓缩氧气(步骤820)；视情况，储存所产生的浓缩氧气(步骤825)。接着，利用高压放电方式，自该浓缩氧气产生臭氧气体(步骤830)。使产生的臭氧气体通过碳基材料原料(例如，经由进气装置注入前述碳基材料后改性反应器的内部)并且与该碳基材料原料混合及反应达预定时间以产生改性碳基材料(步骤840)；视情况，在步骤840中，可进一步控制将通过碳基材料原料的臭氧气体的流量和/或浓度，以获得具所需性质的改性碳基材料产品。产出的改性碳基材料视情况进行研磨(步骤850)，并进一步加以包装后输出(步骤860)。

本发明提供一种新颖的碳基材料后改性反应器(装置)、包括这种后改性反应器(装置)以进行碳基材料后改性处理的系统、以及相应的方法，其是连续式工艺，且易于进行工艺控制以产生具有所需性质的改性碳基材料产品。

根据本发明，可依实际处理需求增加碳基材料后改性反应器的串联数量，以增加碳基材料原料在反应器中的反应时间；通过调整碳基材料原料(例如，原生碳黑)于投料口的投料频率，可相应调整改性碳基材料(例如，改性碳黑)的单位时间产量。此外，在本发明的碳基材料后改性反应器中，对反应器内部提供臭氧气体的进气装置的位置和形式(例如注入孔的数量和位置)也可依据实际应用所需而加以调整，使得注入的臭氧气体得以均匀分布于反应器内部与碳基材料原料混合及反应。通过调整本发明的碳基材料后改性反应系统中臭氧产生单元的气体流量和处理效能，即可调整臭氧气体注入反应器内部的流量和浓度。利用螺杆装置所耦合的马达的作动频率调整，可调整反应器内部的碳基材料翻搅效率，进以提升改性碳基材料制品的质量。由于本发明以连续工艺方式对已经制备的碳基材料原料(例如，原生碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维等)进行后改性处理，故可实时调整后改性反应的各种条件参数，能有效提高改性碳基材料制品的质量及其制备效率。

需注意的是，本发明所提供的前述实施例仅用于例示说明本发明，而非用于限制本发明的范围。熟习本发明所属领域技艺的人对本发明所进行的各种修饰和变化皆不脱离本发明的精神与范围。不同实施例中相同或相似的构件、或不同实施例中以相同组件符号表示的构件具有相同的物理或化学特性。此外，在适当的情况下，本发明的上述实施例可互相组合或替换，而非仅限于上文所描述的特定实施例。在实施例中所描述的特定构件与其他构件的连接关系也可应用于其他实施例中，其皆落于本发明权利要求的范围内。

符号说明

10 碳基材料后改性反应器

10a 碳基材料后改性反应器的一端

10b 碳基材料后改性反应器下部的一端

10c 碳基材料后改性反应器的下部

10A～10F 碳基材料后改性反应器

12 投料口

14 出料口

15 马达

16 螺杆装置

16A 第一区段

16B 第二区段

162 直杆部

162A 直杆部的第一部分

162B 直杆部的第二部分

164 内螺旋叶片组

164a 内螺旋叶片

166 外螺旋叶片组

166a、166a1～166a4 外螺旋叶片

166b、166b1～166b7 外螺旋叶片

167 连接叶片

167a1、167b1～167b3 连接叶片

168 短杆

168A 短杆的一端

18 进气装置

182A 注入口

19 温度控制装置

50A、50B、50C 碳基材料后改性反应器

60 碳基材料后改性反应装置

62 总投料口

64 总出料口

70 碳基材料后改性处理系统

72 空气压缩单元

722 空气压缩装置

724 控制单元

726 干燥单元

728 空气储槽

74 氧气产生单元

742 分子筛装置

744 氧气储槽

76 臭氧产生单元

762 高压放电装置

78 改性单元

782 碳基材料后改性器(装置)

782A 碳基材料原料

7822 投料口

7824 出料口

784 投料装置

80 研磨单元

810～860 步骤

D1 第一间距

D2 第二间距

L 长度

W 宽度

Claims (30)

1.一种碳基材料后改性反应器，包括：

投料口，设于该碳基材料后改性反应器的上游处，供投入碳基材料原料；

出料口，设于该碳基材料后改性反应器的下游处，供输出改性碳基材料；

螺杆装置，位于该碳基材料后改性反应器的内部以于该投料口和该出料口之间同时推送和翻置自该投料口投入的该碳基材料原料，该螺杆装置包括：

直杆部，其耦合至马达且受该马达驱动；

内螺旋叶片组，包括均匀分隔设置于该直杆部的靠近该投料口的第一部分上且自该直杆部径向延伸的复数个内螺旋叶片；及

外螺旋叶片组，包括：

复数个短杆，其均匀分隔设置于该直杆部上且自该直杆部径向延伸；及

复数个外螺旋叶片，所述复数个外螺旋叶片以螺旋方式环绕于该直杆部外部，且于该直杆部上呈均匀分隔设置，其中所述复数个短杆的各短杆的一端连接于各所述复数个外螺旋叶片；以及

进气装置，臭氧气体通过该进气装置输入至该碳基材料后改性反应器的内部。

2.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该外螺旋叶片组进一步包括复数个连接叶片，所述复数个连接叶片各连接于该外螺旋叶片组中的一部分的至少两个外螺旋叶片之间。

3.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该内螺旋叶片组是右旋螺叶组，且其中该外螺旋叶片组是左旋螺叶组。

4.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该外螺旋叶片组具有第一叶片间距，该内螺旋叶片组具有第二叶片间距，其中该第一叶片间距小于该第二叶片间距。

5.如权利要求4所述的碳基材料后改性反应器，其中该第一叶片间距介于80mm至120mm之间，且该第二叶片间距介于100mm至150mm之间。

6.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该直杆部的长度介于1500mm至15000mm之间。

7.如权利要求6所述的碳基材料后改性反应器，其中该直杆部的该第一部分的长度介于1000mm至10000mm之间。

8.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该碳基材料后改性反应器的长宽比介于3至8之间。

9.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该内螺旋叶片组的各所述复数个内螺旋叶片的叶片直径介于90mm至170mm之间。

10.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中所述复数个内螺旋叶片中的第一内螺旋叶片与该直杆部的前端系相距第一距离，该第一距离介于0至直杆部的长度的三分之二之间。

11.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该进气装置包括复数个注入口，自该进气装置输入的臭氧气体通过所述复数个注入口进入该碳基材料后改性反应器内部。

12.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该进气装置设于该碳基材料后改性反应器的一端、该碳基材料后改性反应器内部的该投料口下方、该碳基材料后改性反应器的下方、或直接由该直杆部所形成。

13.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，还包括温度控制装置，其耦合于该碳基材料后改性反应器以调整该碳基材料后改性反应器的内部的温度。

14.如权利要求1所述的碳基材料后改性反应器，其中该碳基材料原料选自下列之一：碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维。

15.一种碳基材料后改性反应装置，包括：

总投料口，设于该碳基材料后改性反应装置的上游处，供投入碳基材料原料；

总出料口，设于该碳基材料后改性反应装置的下游处，供输出改性碳基材料；以及

复数个如权利要求1至13中任一项所述的碳基材料后改性反应器，所述复数个碳基材料后改性反应器中的上游反应器的出料口连接于下游反应器的投料口，所述复数个碳基材料后改性反应器于该总投料口和该总出料口之间彼此串联而流体连通，且各耦合至各自的马达，并且受该各自马达驱动以同时推送和翻置在各该碳基材料后改性反应器内部的该碳基材料原料。

16.如权利要求15所述的碳基材料后改性反应装置，其中所述复数个碳基材料后改性反应器的各自进气装置流体耦合于共同臭氧产生单元。

17.如权利要求15所述的碳基材料后改性反应装置，其中该碳基材料原料选自下列之一：碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维。

18.一种碳基材料后改性处理系统，包括：

空气压缩单元，其接收及压缩空气以产生压缩空气；

氧气产生单元，其接收该压缩空气并自该压缩空气产生浓缩氧气；

臭氧产生单元，其接收该浓缩氧气并自该浓缩氧气产生臭氧气体；以及

改性单元，其接收该臭氧产生单元所产生的臭氧气体，并使所述臭氧气体与碳基材料原料混合及反应以产生改性碳基材料，其中该改性单元包括如权利要求1至13中任一项所述的碳基材料后改性反应器、或包括如权利要求15至16中任一项所述的碳基材料后改性反应装置。

19.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，还包括干燥单元，其设置于该空气压缩单元和该氧气产生单元之间以干燥该压缩空气。

20.如权利要求19所述的碳基材料后改性处理系统，还包括空气储槽，其设置于该干燥单元与该氧气产生单元之间以储存经干燥的压缩空气。

21.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，其中该氧气产生单元是分子筛装置，其分离该压缩空气中的氧气和氮气以产生该浓缩氧气。

22.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，还包括氧气储槽，其设于该氧气产生单元与该臭氧产生单元之间以储存该浓缩氧气。

23.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，其中该臭氧产生单元是高压放电装置。

24.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，还包括投料装置，其对该改性单元投入该碳基材料原料。

25.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，还包括研磨装置，其研磨自该改性单元输出的该改性碳基材料。

26.如权利要求18所述的碳基材料后改性处理系统，其中该碳基材料原料选自下列之一：碳黑、活性碳、纳米碳管、石墨烯和碳纤维。

27.一种用于进行碳基材料后改性处理的方法，包括下列步骤：

(a)提供压缩空气；

(b)自该压缩空气分离出浓缩氧气；

(c)利用高压放电方式，自该浓缩氧气产生臭氧气体；以及

(d)使该臭氧气体通过碳基材料原料并且与该碳基材料原料混合及反应达预定时间以产生改性碳基材料。

28.如权利要求27所述的方法，其中，在步骤(a)后，该方法还包括步骤(a1)干燥和/或储存该压缩空气。

29.如权利要求27所述的方法，其中，在步骤(b)后，该方法还包括步骤(b1)储存该浓缩氧气。

30.如权利要求27所述的方法，其中，在步骤(c)后，该方法还包括步骤(c1)控制将通过该碳基材料原料的该臭氧气体的流量和/或浓度。

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