DE112021002368T5

DE112021002368T5 - Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen

Info

Publication number: DE112021002368T5
Application number: DE112021002368.3T
Authority: DE
Inventors: Han Sung Kim
Original assignee: Yunsung F&c Co Ltd
Current assignee: Yunsung F&c Co Ltd
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2021210949A1; KR20210129289A; US20230146721A1; KR102367562B1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen weist auf: ein Lösungsaufnahmeteil, das einen lösungsaufnehmenden Körperabschnitt, einen Strömungsrohrabschnitt, der durch ein Inneres des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts hindurch ausgebildet ist und durch den eine CNT-Lösung strömt, und einen spiralförmigen Führungsabschnitt, der auf einer Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildet und dafür konfiguriert ist, die CNT-Lösung derart zu führen, dass sie spiralförmig strömt, und ein Ultraschallschwingerteil, das auf einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts montiert und dafür konfiguriert ist, der CNT-Lösung Ultraschallwellen zuzuführen, wobei der spiralförmige Führungsabschnitt einen rechtsläufigen Spiraltyp und einen linksläufigen Spiraltyp aufweist, die alternierend auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildet sind, so dass eine Drehrichtung zweimal oder öfter geändert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen und insbesondere eine Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen, die ein Kohlenstoffnanoröhrchenbündel schnell dispergieren kann, ohne ein Kohlenstoffnanoröhrchen zu beschädigen.
Hintergrundtechnik
Lithium-Ionen-Batterien werden durch ein Verfahren hergestellt, bei dem eine Aufschlämmung hergestellt wird, in der ein aktives Materialpulver für jede positive und negative Elektrode in einer Lösung dispergiert wird, die Aufschlämmung auf eine Elektrodenplatte aufgetragen und getrocknet wird, positive und negative Elektrodenplatten mit einem dazwischen angeordneten Separator überlappend angeordnet werden, die positiven und negativen Elektrodenplatten in einen Behälter eingebracht werden und eine Elektrolytlösung in diesen eingespritzt wird. Beim Herstellen der Aufschlämmung ist es möglich, die Leistungsfähigkeit der Batterie zu verbessern, indem ein leitfähiges Mittel beigemischt wird, das dazu dient, einen reibungslosen Stromfluss zwischen den aktiven Materialpulvern zum Herstellen der Aufschlämmung zu ermöglichen.
Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) haben die Form einer Linie mit einer Länge, die mehrere tausend Mal so groß ist wie der Durchmesser, eine elektrische Leitfähigkeit ähnlich der von Kupfer, und eine hervorragende Funktion als ein leitfähiges Mittel. Wenn Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden, kann mehr Platz in der Batterie gesichert werden als bei der Verwendung herkömmlicher leitfähiger Mittel, wodurch die Batteriekapazität erhöht werden kann, indem mehr aktive Materialien in den verbleibenden Raum eingebracht werden.
Die Kohlenstoffnanoröhrchen müssen jedoch gleichmäßig in der Lösung dispergiert werden, um die Kohlenstoffnanoröhrchen zu verwenden, da die Kohlenstoffnanoröhrchen eine Form haben, bei der mehrere Stränge in Bündeln verheddert sind. Ein im Stand der Technik verwendetes Verfahren zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen beinhaltet ein physikalisches Dispersionsverfahren unter Verwendung von Ultraschallwellen oder Kugelmühlen und ein chemisches Dispersionsverfahren unter Verwendung eines oberflächenaktiven Stoffs oder dergleichen.
Unter den physikalischen Verfahren ist ein Ultraschall-Dispersionsverfahren ein Verfahren zum Dispergieren der Kohlenstoffnanoröhrchen durch Anwendung von Ultraschallwellen, nachdem ein Kohlenstoffnanoröhrchenpulver in ein organisches Lösungsmittel wie n-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) oder Dimethylformamid (DMF) gegeben wurde, bei diesem Verfahren tritt aber das Problem auf, dass die Stabilität der Lösung beeinträchtigt wird.
Unter den physikalischen Verfahren besteht bei einem Verfahren unter Verwendung von Kugelmühlen, einer Dispergiereinrichtung mit hoher Scherkraft oder dergleichen ein Problem dahingehend, dass die Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen reduziert wird, weil die Stränge der Kohlenstoffnanoröhrchen abgeschnitten werden.
Das chemische Verfahren hat ein Problem dahingehend, dass es zusätzlich zu den für die Batterie erforderlichen Komponenten einen weiteren Prozess zum Zuführen und Entfernen von chemischen Substanzen erfordert. Daher besteht ein Bedarf dafür, die Probleme zu lösen.
Eine Hintergrundtechnik der Erfindung ist in der offengelegten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2019-0091833 (veröffentlicht am 7. August 2019, mit dem Titel METHOD OF MANUFACTURING CARBON NANOTUBE DISPERSION SOLUTION) offenbart.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung ist in dem Bemühen entwickelt worden, die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen bereitzustellen, die ein Kohlenstoffnanoröhrchenbündel schnell dispergieren kann, ohne die Kohlenstoffnanoröhrchen zu beschädigen.
Technische Lösung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen weist auf: ein Lösungsaufnahmeteil, das einen lösungsaufnehmenden Körperabschnitt, einen Strömungsrohrabschnitt, der durch das Innere des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts hindurch ausgebildet ist und durch den eine CNT-Lösung strömt, und einen spiralförmigen Führungsabschnitt aufweist, der auf einer Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildet und dafür konfiguriert ist, die CNT-Lösung so zu führen, dass sie spiralförmig strömt; und ein Ultraschallschwingerteil, das auf einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts montiert und dafür konfiguriert ist, der CNT-Lösung Ultraschallwellen zuzuführen, wobei der spiralförmige Führungsabschnitt einen rechtsläufigen Spiraltyp und einen linksläufigen Spiraltyp aufweist, die auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts alternierend ausgebildet sind, so dass sich eine Drehrichtung zweimal oder öfter ändert.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Reynolds-Zahl der CNT-Lösung durch die folgende Gleichung berechnet, und ein Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts wird so eingestellt, dass die Reynolds-Zahl 4000 oder weniger beträgt.
Die Gleichung lautet $R e = \frac{ρ V D}{μ}$
wobei µ einen Viskositätskoeffizienten der CNT-Lösung, V eine Geschwindigkeit der CNT-Lösung, D einen Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts und ρ eine Dichte der CNT-Lösung bezeichnen.
In der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen ferner ein konisches Dispergierteil aufweisen, das an der Innenseite eines Auslasses des Strömungsrohrabschnitts montiert und dafür konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass die CNT-Lösung kollidiert und entlang einer geneigten Fläche nach außen aus dem Auslass ausgetragen wird.
In der vorliegenden Erfindung kann der Strömungsrohrabschnitt einen geraden Rohrabschnitt aufweisen, der dafür konfiguriert ist, die CNT-Lösung linear in Richtung zum Auslass zu führen.
In der vorliegenden Erfindung kann der spiralförmige Führungsabschnitt Nuten aufweisen, die in der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildet sind, oder Vorsprünge, die von der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts hervorstehen.
In der vorliegenden Erfindung kann das Ultraschallschwingerteil einen Kontaktabschnitt aufweisen, der dafür konfiguriert ist, mit einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts in Kontakt zu kommen, und kann eine Breite, bei der der Kontaktabschnitt mit der Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts in Kontakt kommt, derart ausgebildet sein, dass sie kleiner ist als ein Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts oder kleiner als das Doppelte des Innendurchmessers des Strömungsrohrabschnitts.
Vorteilhafte Wirkungen
Erfindungsgemäß kann eine CNT-Lösung als eine laminare Strömung ausgebildet werden, während sie einen spiralförmigen Führungsabschnitt eines Lösungsaufnahmeteils spiralförmig durchströmt, und durch eine Ultraschallschwingung eines Ultraschallschwingerteils dispergiert werden.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, einen Klumpenabschnitt der CNT-Lösung durch ein konisches Dispergierteil, das an einem Auslass des Lösungsaufnahmeteils installiert ist, aufzulockern.
Darüber hinaus sind erfindungsgemäß eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen parallel angeordnet, um die CNT-Lösung zu einem Tankteil zu transportieren, so dass es möglich ist, Probleme wie eine Beschädigung von CNT-Strängen, die Schwierigkeit, den Klumpen in der CNT-Lösung zu lösen, die Schwierigkeit, die gesamte Lösung gleichmäßig zu dispergieren, hohe Herstellungskosten und eine Erhöhung der Dispergierzeit zu lösen und die CNT in einer Lösung gleichmäßig zu dispergieren.
Figurenliste

1 zeigt eine perspektivische Montageansicht zum schematischen Darstellen einer Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht zum schematischen Darstellen der Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Vorderansicht zum schematischen Darstellen der Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht zum schematischen Darstellen eines Abschnitts ‚A‘ in 1;
5 zeigt eine vergrößerte Teilansicht zum schematischen Darstellen eines Abschnitts ‚B‘ in 2;
6 zeigt ein Konzeptdiagramm zum schematischen Darstellen eines Verfahrens zum Lösen eines CNT-Klumpenabschnitts in einer CNT-Lösung durch ein konisches Dispergierteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Konzeptdiagramm zum schematischen Darstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispergier-Integriervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 zeigt eine perspektivische Ansicht zum schematischen Darstellen eines ersten Rührteils und eines zweiten Rührteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend wird eine Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesem Verfahren können Dicken von Linien oder Größen der in den Zeichnungen dargestellten Komponenten aus Gründen der Verdeutlichung und Einfachheit der Beschreibung übertrieben dargestellt sein.
Darüber hinaus sind die nachstehend zu beschreibenden Begriffe Begriffe, die hinsichtlich Funktionen der vorliegenden Erfindung definiert sind und je nach Absichten oder Gewohnheiten von Benutzern und Betreibern variieren können. Daher sollten diese Begriffe in der gesamten Patentschrift basierend auf den Inhalten definiert sein.
1 zeigt eine perspektivische Montageansicht zum schematischen Darstellen einer Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 zeigt eine perspektivische Ansicht zum schematischen Darstellen der Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 3 zeigt eine Vorderansicht zum schematischen Darstellen der Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht zum schematischen Darstellen eines Abschnitts ‚A‘ in 1, 5 zeigt eine vergrößerte Teilansicht zum schematischen Darstellen eines Abschnitts ‚B‘ in 2, 6 zeigt ein Konzeptdiagramm zum schematischen Darstellen eines Verfahrens zum Lösen eines CNT-Klumpenabschnitts einer CNT-Lösung durch ein konisches Dispergierteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 7 zeigt ein Konzeptdiagramm zum schematischen Darstellen einer Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispergier-Integriervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 8 zeigt eine perspektivische Ansicht zum schematischen Darstellen eines ersten Rührteils und eines zweiten Rührteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß den 1 bis 6 weist eine Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Lösungsaufnahmeteil 100 und ein Ultraschallschwingerteil 200 auf.
Das Lösungsaufnahmeteil 100 nimmt eine CNT-Lösung 10 auf. Die CNT-Lösung 10 ist eine Lösung, die Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) enthält. Das Lösungsaufnahmeteil 100 weist einen lösungsaufnehmenden Körperabschnitt 110, einen Strömungsrohrabschnitt 120 und einen spiralförmigen Führungsabschnitt 130 auf.
Der lösungsaufnehmende Körperabschnitt 110 hat eine halbzylindrische Form, bei der eine Oberfläche (rechts in 1) als eine ebene Fläche ausgebildet ist. Der Strömungsrohrabschnitt 120 ist durch das Innere des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 hindurch ausgebildet und stellt einen Pfad bereit, durch den die CNT-Lösung 10 strömt. Eine Seite (oben in 1) des Strömungsrohrabschnitts 120 ist ein Einlass 121, und die andere Seite (unten in 1) ist ein Auslass 123.
Um die CNT-Lösung 10, die in dem Strömungsrohrabschnitt 120 mit einem bestimmten Innendurchmesser D strömt, als eine laminare Strömung auszubilden, wenn die CNT-Lösung 10 mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt, werden einzelne CNTs in der CNT-Lösung 10 in einer Längsrichtung des Strömungsrohrabschnitts 120 angeordnet und fließen in den Strömungsrohrabschnitt 120.
Wenn ein kugelförmiger körniger Klumpenabschnitt 15 in der CNT-Lösung 10 gelöst wird, ist es vorteilhaft, wenn der CNT-Lösung 10 eine starke turbulente Strömung vermittelt wird, in der vorliegenden Erfindung werden aber die CNTs mit einer länglichen linearen Struktur als eine laminare Strömung ausgebildet, so dass sie parallel zur Strömung der CNT-Lösung 10 angeordnet sind. Wenn die CNT-Stränge durch Ausbilden der laminaren Strömung parallel zur Strömung der CNT-Lösung 10 angeordnet sind, ist es möglich zu verhindern, dass die CNT-Stränge durch eine durch die turbulente Strömung erzeugte Scherkraft beschädigt werden.
Um festzustellen, ob die CNT-Lösung 10, die durch den Strömungsrohrabschnitt 120 strömt, eine laminare oder eine turbulente Strömung ist, wird eine Reynolds-Zahl (Re) anhand der folgenden Gleichung berechnet. $R e = \frac{ρ V D}{μ}$
wobei µ einen Viskositätskoeffizienten der CNT-Lösung 10, V eine Geschwindigkeit der CNT-Lösung 10, D einen Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts 120 und ρ eine Dichte der CNT-Lösung 10 bezeichnen.
In der CNT-Lösung 10, die im Strömungsrohrabschnitt 120 strömt, bildet sich die laminare Strömung, wenn die durch die vorstehende Gleichung berechnete Reynolds-Zahl (Re) etwa 2100 oder weniger beträgt, und eine turbulente Strömung, wenn die Reynolds-Zahl (Re) 4000 oder mehr beträgt. Ein Bereich, in dem Re zwischen 2000 und 4000 liegt, wird als Übergangsbereich bezeichnet. Wenn der Viskositätskoeffizient und die Dichte der verwendeten CNT-Lösung 10 bekannt sind, kann die laminare Strömung durch Einstellen eines Durchmessers eines Rohrs und einer Geschwindigkeit eines Fluids erreicht werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Innendurchmesser D des Strömungsrohrabschnitts 120 so eingestellt, dass die Reynoldszahl (Re) 4000 oder weniger beträgt. Daher wird die durch den Strömungsrohrabschnitt 120 strömende CNT-Lösung 10 in der Übergangszone als laminare Strömung ausgebildet.
Der spiralförmige Führungsabschnitt 130 ist auf einer Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 ausgebildet, um die CNT-Lösung 10 spiralförmig zu führen. Der spiralförmige Führungsabschnitt 130 weist einen linksläufigen Spiraltyp und einen rechtsläufigen Spiraltyp auf, die auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 alternierend ausgebildet sind, so dass eine Drehrichtung mindestens zweimal oder öfter geändert wird.
Der spiralförmige Führungsabschnitt 130 weist in der Innenwand der Strömungsrohreinheit 120 ausgebildete Nuten oder von der Innenwand hervorstehende Vorsprünge auf. Die Nuten oder die Vorsprünge des spiralförmigen Führungsabschnitts 130 sind spiralförmig in bzw. auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 ausgebildet, so dass die CNT-Lösung 10 eine Rotationskraft erfährt, während sie durch die Innenwand des Durchflussrohrabschnitts 120 strömt, so als ob ein Geschoss, das sich in einem Lauf bewegt, durch einen im Inneren des Laufs vorgesehenen Stahldraht in Drehbewegung versetzt wird.
Der spiralförmige Führungsabschnitt 130, der auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 ausgebildet ist, ist alternierend als linksläufiger Spiraltyp und als rechtsläufiger Spiraltyp ausgebildet, um die Drehrichtung über eine jeweilige festgelegte Länge zu ändern. Der spiralförmige Führungsabschnitt 130 weist einen ersten spiralförmigen Führungsabschnitt 131, einen zweiten spiralförmigen Führungsabschnitt 133 und einen dritten spiralförmigen Führungsabschnitt 135 auf.
Der erste spiralförmige Führungsabschnitt 131 ist in einer Spiralform ausgebildet (der rechtsläufige Spiraltyp in 1), die vom Einlass 121 ausgeht und in eine Richtung gewunden ist. Der zweite spiralförmige Führungsabschnitt 133 ist derart ausgebildet, dass er sich von einer Seite (einem Boden in 1) des ersten spiralförmigen Führungsabschnitts 131 aus erstreckt und in einer Spiralform ausgebildet ist, die in die andere Richtung gewunden ist (der linksläufige Spiraltyp in 1). Der dritte spiralförmige Führungsabschnitt 135 ist derart ausgebildet, dass er sich von einer Seite (einem Boden in 1) des zweiten spiralförmigen Führungsabschnitts 133 aus erstreckt und in einer Spiralform ausgebildet ist, die in eine Richtung gewunden ist (der rechtsläufige Spiraltyp in 1).
In der vorliegenden Erfindung ist der spiralförmige Führungsabschnitt 130, der den ersten spiralförmigen Führungsabschnitt 131, den zweiten spiralförmigen Führungsabschnitt 133 und den dritten spiralförmigen Führungsabschnitt 135 aufweist, wie vorstehend beschrieben, auf dem Strömungsrohrabschnitt 120 derart ausgebildet, dass sich die Drehrichtung zweimal ändert. Die in den Einlass 121 eintretende CNT-Lösung 10 wird in Rotation versetzt und bewegt sich im Uhrzeigersinn (CW), während sie den ersten spiralförmigen Führungsabschnitt 131 durchläuft, und rotiert gegen den Uhrzeigersinn (CCW), während sie den zweiten spiralförmigen Führungsabschnitt 133 durchläuft, der einen ersten Drehrichtungswechselpunkt darstellt. Dann wird die Drehrichtung der CNT-Lösung 10 durch den dritten spiralförmigen Führungsabschnitt 135, der einen zweiten Drehrichtungswechselpunkt darstellt, erneut auf den Uhrzeigersinn (CW) geändert.
Der spiralförmige Führungsabschnitt 130 hat die vorstehend beschriebene Spiralform, in der der linksläufige Spiraltyp und der rechtsläufige Spiraltyp kontinuierlich alternierend ausgebildet sind, so dass die Änderung der Drehrichtung erhöht werden kann.
Die CNT-Lösung 10 wird entlang des spiralförmigen Führungsabschnitts 130 an der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 gestreckt und abwechselnd zwischen dem linksläufigen Spiraltyp und dem rechtsläufigen Spiraltyp gedreht. Dementsprechend wird das CNT-Bündel in der CNT-Lösung 10 wie durch Reiben unter Verwendung von Händen gelockert.
Die Querschnittsform der Nut oder des Vorsprungs des Strömungsrohrabschnitts 120 kann hinsichtlich der Vereinfachung der Verarbeitung und dergleichen aus halbkugelförmigen, kreisförmigen und polygonalen Formen ausgewählt werden. Die auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts 120 ausgebildeten Nuten oder Vorsprünge bewirken eine Drehbewegung der durch den Strömungsrohrabschnitt 120 fließenden CNT-Lösung 10.
Da die CNT-Lösung 10, die vom Strömungsrohrabschnitt 120 entlang des spiralförmigen Führungsabschnitts 130 strömt, bis kurz vor dem Auftreten der turbulenten Strömung mit hoher Geschwindigkeit strömt, wird durch die vorstehend beschriebene Änderung der Drehrichtung eine große kinetische Drallenergie auf das CNT-Bündel in der CNT-Lösung 10 ausgeübt.
Der Strömungsrohrabschnitt 120 weist einen geraden Rohrabschnitt 120a auf. Der gerade Rohrabschnitt 120a ist in einer geraden Linie in Richtung zum Auslass 123 an einer unteren Seite des Strömungsrohrabschnitts 120 ausgebildet. Der gerade Rohrabschnitt 120a führt die CNT-Lösung 10 so, dass sie geradlinig in Richtung zum Auslass 123 strömt. Eine Länge des geraden Rohrabschnitts 120a ist so ausgebildet, dass sie 1D bis 20D in Bezug auf den Innendurchmesser D des Strömungsrohrabschnitts 120 beträgt.
Das Ultraschallschwingerteil 200 ist an einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 montiert und führt der CNT-Lösung 10 Ultraschallwellen zu. Eine Vielzahl von Ultraschallschwingerteilen 200 sind in der Längsrichtung des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 angeordnet.
Das Ultraschallschwingerteil 200 dispergiert den Klumpenabschnitt 15 der CNT-Lösung, der durch eine Van-der-Waals-Kraft zwischen den CNT-Strängen selbst bei einer Verdrehung des Strömungsrohrabschnitts 120 und des spiralförmigen Führungsabschnitts 130, die durch die Änderung der Drehrichtung der CNT-Lösung 10 verursacht wird, nicht dispergiert wird.
Die CNT-Lösung 10, die entlang des spiralförmigen Führungsabschnitts 130 strömt, erfährt eine Verdrehungskraft, während sie sich alternierend im und gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Hierbei empfängt die CNT-Lösung 10 durch den Ultraschallschwinger 200 eine Ultraschallschwingung des Strömungsrohrabschnitts 120. Diese Ultraschallschwingung löst die durch eine Van-der-Waals-Anziehung verklumpten CNT-Stränge der CNT-Lösung 10.
Mit anderen Worten, das Ultraschallschwingerteil 200 empfängt die Ultraschallschwingung in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der die CNT-Bündel, die linear mit der laminaren Strömung innerhalb des Strömungsrohrabschnitts 120 und des spiralförmigen Führungsabschnitts 130 strömen, verklumpt sind, um eine Kraft zu empfangen, die die Van-der-Waals-Anziehung überwindet, wodurch die CNT-Stränge getrennt werden. Hierbei werden, da die CNT-Lösung 10, die die gelösten CNTs enthält, sich bewegt, während sie kontinuierlich die Verdrehkraft alternierend im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn empfängt, die einmal gelösten CNT-Stränge weiter voneinander entfernt.
Das Ultraschallschwingerteil 200 weist einen Ultraschallschwingerkörperabschnitt 210 und einen Kontaktabschnitt 230 auf. Der Ultraschallschwingerkörperabschnitt 210 nimmt eine Ultraschallschwingungserzeugungsvorrichtung (nicht dargestellt) auf. Der Kontaktabschnitt 230 hat eine Oberfläche (links in 1) des Ultraschallschwingerkörperabschnitts 210, die mit der Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 in Kontakt kommt.
Wenn das Ultraschallschwingerteil an der Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 in Richtung zum Strömungsrohrabschnitt 120, durch den die CNT-Lösung 10 strömt, montiert ist, ist der Kontaktabschnitt 230 derart ausgebildet, dass er in einer Richtung (vertikal in 1), in der die CNT-Lösung 10 strömt, schmal und lang ist, um die Ultraschallschwingung nur auf den Strömungsrohrabschnitt 120 intensiv anzuwenden.
Eine Breite W, bei der der Kontaktabschnitt 230 mit der Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts 110 in Kontakt kommt, ist so ausgebildet, dass sie kleiner als der Innendurchmesser D des Strömungsrohrabschnitts 120 oder doppelt so groß oder kleiner als der Innendurchmesser D des Strömungsrohrabschnitts 120 ist.
Da das Ultraschallschwingerteil 200 der CNT-Lösung 10, die durch den Strömungsrohrabschnitt 120 strömt, Ultraschallwellen zuführt und somit alle CNTs in der CNT-Lösung 10, die durch den Strömungsrohrabschnitt 120 strömt, gleichmäßig die Ultraschallkraft empfangen, können die Ultraschallwellen das gesamte Volumen des den Strömungsrohrabschnitt 120 durchströmenden Fluids gleichmäßig durchdringen, im Gegensatz zu einem Verfahren zum Dispergieren einer Lösung um eine Sonde herum durch Aussenden von Ultraschallwellen unter Verwendung einer Ultraschallsonde innerhalb eines Behälters, was ein herkömmliches Verfahren zum Dispergieren von Ultraschallwellen ist, so dass es möglich ist, eine bessere Ultraschalldispergierwirkung zu erzielen als bei einer herkömmlichen Ultraschalldispergiervorrichtung, die nur eine Ultraschallsonde verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen weist ferner ein konisches Dispergierteil 300 auf. Das konische Dispergierteil 300 ist innerhalb des Auslasses 123 des Strömungsrohrabschnitts 120 montiert. Die CNT-Lösung 10 wird vom Auslass 123 nach außen ausgetragen, wenn sie mit dem konischen Dispergierteil 300 kollidiert.
Das konische Dispergierteil 300 weist einen konischen Dispergierkörperabschnitt 310 und einen Spitzenabschnitt 320 auf. Der konische Dispergierkörperabschnitt 310 hat eine konische Form, ist am Auslass 123 montiert und hat eine geneigte Oberfläche, die nach unten zu einem Boden des Auslasses 123 geneigt ist (basierend auf 5). Der konische Dispergierkörperabschnitt 310 wird durch eine (nicht dargestellte) Halterung oder dergleichen fixiert, die derart ausgebildet ist, dass sie sich vom lösungsaufnehmenden Körperabschnitt 110 erstreckt.
Der Spitzenabschnitt 320 ist an einem Ende (einem oberen Ende in 1) des konischen Dispergierkörperabschnitts 310 scharf ausgebildet. Der Spitzenabschnitt 320 kollidiert mit der CNT-Lösung 10, bevor sie über den Auslass 123 ausgetragen wird, um den Klumpenabschnittt 15 der CNT-Lösung 10 zu lösen.
Die CNT-Stränge, die an dem Klumpenabschnitt 15 parallel in der CNT-Lösung 10 befestigt sind, die sich entlang des Strömungsrohrabschnitts 120 nach unten bewegt, werden durch die Ultraschallschwingung des Ultraschallschwingerteils 200 und die Verdrillungskraft, die sich durch den spiralförmigen Führungsabschnitt 130 alternierend ändert, gelöst, aber ein Teil des Klumpenabschnitts 15, der nicht gelöst ist, kollidiert mit dem Spitzenabschnitt 320, während er sich durch den geraden Rohrabschnitt 120a nach unten bewegt, und der Klumpenabschnitt 15 selbst wird gelöst, indem er durch eine starke Strömungsgeschwindigkeit gezogen wird, oder gelöst, wenn die CNT-Stränge durch die starke Strömungsgeschwindigkeit abgeschnitten werden.
Da außerdem ein scharfes Ende des Spitzenabschnitts 320 innerhalb des Pfads der CNT-Lösung 10 angeordnet ist, tritt die CNT-Lösung 10 aus dem Auslass 123 in einem Zustand aus, in dem sie einen hohen Druck und eine schnelle Strömungsgeschwindigkeit am Spitzenabschnitt 320 hat, bevor sie aus dem Auslass 123 austritt, und zu diesem Zeitpunkt nehmen der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids schnell ab, so dass der Klumpenabschnitt 15 der CNT-Lösung dispergiert werden kann, wodurch die Dispergierwirkung erzielt wird.
Die CNT-Lösung 10, in der der Klumpenabschnitt 15 gelöst ist, bewegt sich entlang der geneigten Oberfläche des konischen Dispergierkörperabschnitts 310 nach unten.
Gemäß den 7 und 8 weist die Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispergier-Integriervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Tankteil 20, ein erstes Rührteil 30, ein zweites Rührteil 40, ein erstes Verteilerteil 50 und die Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen auf.
Das Tankteil 20 nimmt die CNT-Lösung 10 auf. Das erste Rührteil 30 rührt die CNT-Lösung 10 durch Versetzen der im Tankteil 10 aufgenommenen CNT-Lösung 10 in Drehbewegung. Das zweite Rührteil 40 erstreckt sich durch das Innere des ersten Rührteils 30 und rührt die CNT-Lösung 10 durch Versetzen der im Tankteil 20 aufgenommenen CNT-Lösung 10 in Drehbewegung.
Das erste Rührteil 30 weist einen ersten Drehwellenabschnitt 31, einen Scheibenabschnitt 33, Rührstäbe 35 und einen ersten Motorabschnitt 37 auf. Der erste Drehwellenabschnitt 31 hat ein Ende (ein unteres Ende in 7), das in das Tankteil 20 eingetaucht ist, und wird durch Aufnehmen von Leistung vom ersten Motorabschnitt 37 gedreht. Der erste Drehwellenabschnitt 31 ist hohl geformt, und ein zweiter Drehwellenabschnitt 41 des zweiten Rührteils 40 ist drehbar in diesen eingesetzt.
Der Scheibenabschnitt 33 ist scheibenförmig ausgebildet und am Ende des ersten Drehwellenabschnitts 31, der in das Tankteil 20 eingetaucht ist, installiert. Der Scheibenabschnitt 33 wird entsprechend der Drehbewegung des ersten Drehwellenabschnitts 31 gedreht.
Eine Vielzahl von Rührstäben 35 sind auf dem Scheibenabschnitt 33 in einer Umfangsrichtung des Scheibenabschnitts 33 montiert. Mit anderen Worten, die Vielzahl von Rührstäben 35 sind in einer aufrechten Form angeordnet, so dass sie senkrecht zur Drehrichtung des rotierenden Scheibenabschnitts 33 angeordnet sind.
Der erste Motorabschnitt 37 überträgt Leistung auf den ersten Drehwellenabschnitt 31, um den ersten Drehwellenabschnitt 31 zu drehen.
Wenn der erste Drehwellenabschnitt 31 des ersten Rührteils 30, der wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, gedreht wird, zerkleinern die Rührstäbe 35 den Klumpen in der CNT-Lösung 10 in kleine Stücke.
Das zweite Rührteil 40 weist einen zweiten Drehwellenabschnitt 41, einen Rührventilatorabschnitt 43 und einen zweiten Motorabschnitt 45 auf. Der zweite Drehwellenabschnitt 41 ist in den ersten Drehwellenabschnitt 31 eingesetzt, taucht mit einem Ende (unteres Ende in 7) in den Tankteil 20 ein und wird durch Leistungszufuhr vom zweiten Motorabschnitt 45 gedreht.
Der Rührventilatorabschnitt 43 besteht aus einer Vielzahl von Schaufeln, die an dem Ende des zweiten Drehwellenabschnitts 41 installiert sind, das in das Tankteil 20 eingetaucht ist. Der Rührventilatorabschnitt 43 wird gemäß der Drehbewegung des zweiten Drehwellenabschnitts 41 gedreht.
Der zweite Motorabschnitt 45 überträgt Leistung auf den zweiten Drehwellenabschnitt 41, um den zweiten Drehwellenabschnitt 41 zu drehen.
Da der zweite Drehwellenabschnitt 41 des zweiten Rührteils 40, das wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, gedreht wird, wird der Rührventilatorabschnitt 43 gedreht und zerkleinert den Klumpen in der CNT-Lösung 10 zusammen mit den Rührstäben 35 des ersten Rührteils 30 in kleine Stücke.
Alternativ können das erste Rührteil 30 und das zweite Rührteil 40 gemeinsam betrieben werden, aber auch selektiv betrieben werden, so dass entweder das erste Rührteil 30 oder das zweite Rührteil 40 betrieben werden kann.
Das erste Verteilerteil 50 kommuniziert mit dem Tankteil 20 und empfängt die CNT-Lösung 10, die durch das erste Rührteil 30 oder das zweite Rührteil 40 gerührt wird.
Die Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen empfängt die CNT-Lösung 10 vom ersten Verteilerteil 50 und dispergiert die CNT-Lösung 10. Eine Struktur und eine Funktionsweise der Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen werden durch die vorstehende Beschreibung ersetzt.
Das zweite Verteilerteil 60 kommuniziert mit dem Strömungsrohrabschnitt 120, um die dispergierte CNT-Lösung 10 zu empfangen. Das erste Verteilerteil 50 ist an einer Oberseite der Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet (basierend auf 7), und das zweite Verteilerteil 60 ist an einer Unterseite der Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet (basierend auf 7).
In der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen zwischen dem ersten Verteilerteil 50 und dem zweiten Verteilerteil 60 angeordnet. Zwischen dem ersten Verteilerteil 50 und dem zweiten Verteilerteil 60 können eine Vielzahl von Vorrichtungen 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen angeordnet sein, so dass eine größere Menge an CNT-Lösung 10 dispergiert werden kann als wenn sie durch eine einzige Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen dispergiert wird, wenn die vom ersten Verteilerteil 50 zugeführte CNT-Lösung 10 die Vielzahl von Vorrichtungen 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen durchläuft.
Der Auslass 123 der Vorrichtung 1 zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen ist mit dem zweiten Verteilerteil 60 verbunden, und die dispergierte CNT-Lösung 10 wird im zweiten Verteilerteil 60 vereinigt und zum Tankteil 20 zurückgeführt.
Das zweite Verteilerteil 60 kommuniziert über ein Rohr mit dem Tankteil 20, und ein Pumpenteil 70 ist in der Mitte des entsprechenden Rohrs angeordnet, um die vom zweiten Verteilerteil 60 abgegebene CNT-Lösung 10 zum Tankteil zu befördern.
Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispergier-Integriervorrichtung weist ferner einen Wärmetauscher 80 auf. Der Wärmetauscher 80 ist zwischen dem Tankteil 20 und dem ersten Verteilerteil 50 angeordnet und kühlt die CNT-Lösung 10 auf eine eingestellte Temperatur. Da die CNT-Lösung 10 durch die Drehung des ersten Drehwellenabschnitts 31 des ersten Rührteils 30 oder des zweiten Drehwellenabschnitts 41 des zweiten Rührteils 40 Wärme erzeugen kann, kann die CNT-Lösung 10 durch den Wärmetauscher 80, in dem ein Kühlmittel strömt, gekühlt werden.
Alternativ ist der Wärmetauscher 80 zwischen dem Tankteil 20 und dem ersten Verteilerteil 50 angeordnet und erwärmt die CNT-Lösung 10 auf eine Solltemperatur. Der Wärmetauscher 80 kann so montiert sein, dass er neben dem Kühlmittel auch Heißwasser oder Dampf zuführt und die zirkulierende CNT-Lösung 10 auf die Solltemperatur erwärmt.
Die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispergier-Integriervorrichtung weist ferner das Pumpenteil 70 auf. Das Pumpenteil 70 bewirkt, dass die vom zweiten Verteilerteil 60 ausgegebene CNT-Lösung 10 zum Tankteil 20 strömt. Die durch einen Betrieb des Pumpenteils 70 dispergierte CNT-Lösung 10 strömt zum Tankteil 20. Die in das Tankteil 20 zurückgeführte CNT-Lösung 10 wird unter Wiederholung des vorstehend beschriebenen Vorgangs gemäß den eingestellten Bedingungen gerührt und dispergiert.
Erfindungsgemäß kann eine CNT-Lösung als eine laminare Strömung ausgebildet werden, während sie spiralförmig durch ein spiralförmiges Führungsteil eines Lösungsaufnahmeteils strömt und durch eine Ultraschallschwingung eines Ultraschallschwingerteils dispergiert wird.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, einen Klumpenabschnitt der CNT-Lösung durch ein konisches Dispergierteil, das an einem Auslass des Lösungsaufnahmeteils installiert ist, zu lösen.
Darüber hinaus sind erfindungsgemäß eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen parallel angeordnet, um die CNT-Lösung zu einem Tankteil zu transportieren, so dass es möglich ist, Probleme wie eine Beschädigung von CNT-Strängen, die Schwierigkeit, CNT-Klumpen zu lösen, die Schwierigkeit, die gesamte Lösung gleichmäßig zu dispergieren, hohe Herstellungskosten und eine Erhöhung der Dispergierzeit zu lösen und die CNT-Lösung gleichmäßig zu dispergieren.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform beschrieben worden ist, dient dies nur zur Erläuterung, für Fachleute auf dem Gebiet, dem die entsprechende Technik zugehörig ist, ist aber offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und andere äquivalente Ausführungsformen davon möglich sind. Daher soll der tatsächliche technische Umfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert sein.

Claims

Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen, mit: einem Lösungsaufnahmeteil, das aufweist: einen lösungsaufnehmenden Körperabschnitt; einen Strömungsrohrabschnitt, der durch ein Inneres des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts hindurch ausgebildet ist und durch den eine CNT-Lösung strömt; und einen spiralförmigen Führungsabschnitt, der auf einer Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildet und dafür konfiguriert ist, die CNT-Lösung so zu führen, dass sie spiralförmig strömt; und einem Ultraschallschwingerteil, das an einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts montiert und dafür konfiguriert ist, der CNT-Lösung Ultraschallwellen zuzuführen, wobei der spiralförmige Führungsabschnitt einen rechtsläufigen Spiraltyp und einen linksläufigen Spiraltyp aufweist, die auf der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts alternierend ausgebildet sind, so dass eine Drehrichtung zweimal oder öfter geändert wird.
Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen nach Anspruch 1, wobei eine Reynolds-Zahl der CNT-Lösung durch die nachstehende Gleichung berechnet wird, und ein Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts so eingestellt ist, dass die Reynoldszahl 4000 oder weniger beträgt, die Gleichung lautet $R e = \frac{ρ V D}{μ},$
wobei µ einen Viskositätskoeffizienten der CNT-Lösung bezeichnet, V die Geschwindigkeit der CNT-Lösung bezeichnet, D den Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts bezeichnet, und ρ die Dichte der CNT-Lösung bezeichnet.
Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen nach Anspruch 1, ferner mit einem konischen Dispergierteil, das innerhalb eines Auslasses des Strömungsrohrabschnitts montiert und dafür konfiguriert ist, es der CNT-Lösung zu ermöglichen, zu kollidieren und entlang einer geneigten Oberfläche über den Auslass nach außen ausgetragen zu werden.
Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen nach Anspruch 3, wobei der Strömungsrohrabschnitt einen geraden Rohrabschnitt aufweist, der dafür konfiguriert ist, die CNT-Lösung derart zu führen, dass sie geradlinig zum Auslass strömt.
Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen nach Anspruch 1, wobei der spiralförmige Führungsabschnitt in der Innenwand des Strömungsrohrabschnitts ausgebildete Nuten oder von der Innenwand hervorstehende Vorsprünge aufweist.
Vorrichtung zum Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen nach Anspruch 1, wobei das Ultraschallschwingerteil einen Kontaktabschnitt aufweist, der dafür konfiguriert ist, mit einer Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts in Kontakt zu kommen, und wobei eine Breite, bei der der Kontaktabschnitt mit der Außenwand des lösungsaufnehmenden Körperabschnitts in Kontakt kommt, so ausgebildet ist, dass sie kleiner ist als ein Innendurchmesser des Strömungsrohrabschnitts oder das Doppelte oder weniger des Innendurchmessers des Durchflussrohrabschnitts.