СБОРНОЕ УСТРОЙСТВО И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2021 года по МПК B82B1/00 B82B3/00 

Область техники настоящего изобретения

Настоящее изобретение относится к области техники получения материала углеродных нанотрубок, в частности, к сборному устройству и производственной системе.

Уровень техники настоящего изобретения

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой одномерный трубчатый наноматериал, получаемый посредством гофрирования однослойного или многослойного графена. Эта уникальная структура придает превосходные механические, термические и электрические свойства. Теоретически УНТ должны проявлять хорошие механические, электропроводные и теплопроводные свойства и, следовательно, имеют весьма значительные перспективы применения. Пленки углеродных нанотрубок и волокна углеродных нанотрубок, получаемые из углеродных нанотрубок, переплетенных друг с другом, представляют собой обычные макроскопические изделия на основе углеродных нанотрубок, могут проявлять превосходные эксплуатационные характеристики углеродных нанотрубок и имеют перспективы широкого применения в областях электромагнитного экранирования, композиционных материалов, электрического нагревания и т.д. Однако ориентация и однородность получаемых макроскопических изделий на основе углеродных нанотрубок фактически являются неудовлетворительными, что влияет на разнообразные свойства конечных макроскопических изделий.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

На основании вышеизложенного оказывается необходимым предложение сборного устройства и производственной системы для решения по меньшей мере одной из представленных выше технических проблем.

В настоящем изобретении предложено сборное устройство для сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок, причем это сборное устройство содержит:

предварительный регулировочный механизм для регулирования ориентации по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок, причем этот предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм и второй предварительный регулировочный субмеханизм, при этом первый предварительный регулировочный субмеханизм содержит по меньшей мере первый колесный элемент и второй колесный элемент, выполненные с возможностью вращения и расположенные в первом направлении для предварительного прессования обеих сторон агрегатов углеродных нанотрубок, и второй предварительный регулировочный субмеханизм содержит по меньшей мере третий колесный элемент для вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок;

намоточный механизм для намотки и сбора агрегатов углеродных нанотрубок, вытягиваемых из предварительного регулировочного механизма.

посредством введения первого предварительного регулировочного субмеханизма и второго предварительного регулировочного субмеханизма, оба из которых регулируют ориентацию по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок, вышеупомянутое сборное устройство улучшает не только внутреннюю структуру углеродных нанотрубок, но также их ориентацию и однородность, обеспечивая регулирование механических, электрических и термических свойств собираемых материалов углеродных нанотрубок и способствуя крупномасштабному производству пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок из материалов углеродных нанотрубок, имеющих различные свойства.

Согласно одному варианту осуществления третий колесный элемент выполнен с возможностью вращения и окружен множеством первых кольцевых выступов, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления первый кольцевой выступ имеет ширину, составляющую не более чем 10 мкм, и соседние первые кольцевые выступы отделены друг от друга промежутками, составляющими не более чем 100 мкм.

Согласно одному варианту осуществления сборное устройство дополнительно содержит первый нагревательный механизм для регулирования температуры контактной поверхности первого предварительного регулировочного механизма и/или второго предварительного регулировочного механизма для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления ограничивающие кольцевое положение пазы, способные содержать агрегаты углеродных нанотрубок, присутствуют на контактной поверхности первого колесного элемента и/или второго колесного элемента для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления второй предварительный регулировочный субмеханизм дополнительно содержит четвертый колесный элемент, причем четвертый колесный элемент и третий колесный элемент разделены промежутком и расположены в шахматном порядке во втором направлении, и при этом оба из них способны вытягивать агрегаты углеродных нанотрубок вдоль направления сбора.

Согласно одному варианту осуществления четвертый колесный элемент выполнен с возможностью вращения и окружен множеством вторых кольцевых выступов, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления второй кольцевой выступ имеет ширину, составляющую не более чем 10 мкм, и соседние вторые кольцевые выступы отделены друг от друга промежутками, составляющими не более чем 100 мкм.

Согласно одному варианту осуществления первый колесный элемент и второй колесный элемент вращаются по направлению друг к другу или друг от друга, и скорости вращения третьего колесного элемента и четвертого колесного элемента не являются одинаковыми.

Согласно одному варианту осуществления первое направление и второе направление являются перпендикулярными по отношению друг к другу.

Согласно одному варианту осуществления намоточный механизм содержит вращающийся барабан, выполненный с возможностью раздвижения в аксиальном направлении и способностью возвратно-поступательного движения в направлении, которое не является перпендикулярным по отношению к аксиальному направлению вращающегося барабана.

Согласно одному варианту осуществления намоточный механизм содержит первое вращающееся колесо, второе вращающееся колесо и сборный конвейер, натянутый между ними; или

намоточный механизм содержит первое вращающееся колесо, второе вращающееся колесо и сборную плиту, расположенную между ними и способную поворачиваться по направлению к предварительному регулировочному механизму.

Согласно одному варианту осуществления можно регулировать промежуток между первым колесным элементом и вторым колесным элементом.

Кроме того, в настоящем изобретении предложена производственная система для получения материала пленки углеродных нанотрубок или материала волокна углеродных нанотрубок, причем эта производственная система содержит:

синтезирующее устройство для флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок, содержащее реактор, имеющий по меньшей мере одну выращивающую трубу; и

сборное устройство, которое представляет собой любое из сборных устройств описанных выше и расположенных на стороне выпускного конца синтезирующего устройства для сбора агрегатов углеродных нанотрубок, произведенных синтезирующим устройством.

Согласно одному варианту осуществления конец выращивающей трубы вблизи сборного устройства является воронкообразным или цилиндрическим.

Согласно одному из вариантов осуществления выращивающая труба имеет квадратную форму.

Согласно одному из вариантов осуществления производственная система дополнительно содержит:

питающее устройство, предназначенное для введения реакционных исходных материалов и находящееся в сообщении с впускным концом синтезирующего устройства, причем это питающее устройство содержит по меньшей мере один инжекционный механизм и по меньшей мере одну питающую трубу, у которой один конец находится в сообщении с инжекционным механизмом, а другой конец находится в сообщении с выращивающей трубой.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующее устройство содержит реактор, имеющий множество выращивающих труб, которые расположены в круговом распределении или матричном распределении.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующее устройство дополнительно содержит второй нагревательный механизм для регулирования распределения температуры соответствующих областей впускных концов множества выращивающих труб.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 представлена схематическая диаграмма конструкции сборного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 представлена схематическая диаграмма конструкции сборного устройства согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 представлено изображение в разрезе третьего колесного элемента, проиллюстрированного на фиг. 2;

на фиг. 4 представлено изображение в разрезе четвертого колесного элемента, проиллюстрированного на фиг. 2;

на фиг. 5 представлен вид сбоку первого предварительного регулировочного субмеханизма, проиллюстрированного на фиг. 2;

на фиг. 6 представлена схематическая диаграмма конструкции намоточного механизма согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 7 представлена схематическая диаграмма конструкции сборного устройства согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 8 представлена схематическая диаграмма конструкции сборного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 9 представлен вид сбоку частичной конструкции синтезирующего устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 10 представлено полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) изображение образца 1 материала пленки углеродных нанотрубок, полученного с применением производственной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 11 представлено полученное методом СЭМ изображение образца 2 материала пленки углеродных нанотрубок, полученного с применением сравнительной производственной системы;

на фиг. 12 представлен график, демонстрирующий кривые зависимости растягивающего напряжения от удлинения при разрыве двух материалов пленок углеродных нанотрубок;

на фиг. 13 представлена схематическая диаграмма конструкции производственной системы согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Условные обозначения

100: сборное устройство, 110: первый предварительный регулировочный субмеханизм, 111: первый колесный элемент, 112: второй колесный элемент, 120: второй предварительный регулировочный субмеханизм, 121: третий колесный элемент, 122: четвертый колесный элемент, 130: намоточный механизм, 131: первое вращающееся колесо, 132: второе вращающееся колесо, 133: сборная плита, 140: первый кольцевой выступ, 150: второй кольцевой выступ, 160: ограничивающий кольцевое положение паз;

200: синтезирующее устройство, 210: реактор, 211: выращивающая труба, 212: второй нагревательный механизм;

300: питающее устройство, 310: инжекционный механизм, 320: питающая труба, 400: агрегаты углеродных нанотрубок.

Подробное раскрытие вариантов осуществления

Далее рассмотрим фигуры, которые подробно описывают варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, что могут становиться более очевидными и понятными представленные выше задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения. В следующем описании представлены многочисленные конкретные подробности, чтобы обеспечить всестороннее понимание настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено с применением других разнообразных средств, которые отличаются от средств, описанных в настоящем документе, и специалисты в данной области техники могут производить аналогичные улучшения без отклонения от сущности настоящего изобретения. Таким образом, не предусмотрено ограничение настоящего изобретения конкретными вариантами осуществления, которые описаны ниже.

Если не определено иное условие, все термины (в том числе технические и научные термины), используемые в настоящем документе, имеют такие значения, которые обычно понимает специалист в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. Термины, используемые в настоящем документе, представлены исключительно для цели описания варианты осуществления, но не предназначены для ограничения настоящего изобретения. При использовании в настоящем документе термин «и/или» означает любой из соответствующих перечисленных предметов, а также и все сочетания одного или нескольких из них.

На фиг. 1 проиллюстрировано сборное устройство 100 согласно настоящему изобретению. Сборное устройство 100 используется для сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок. Сборное устройство 100 содержит корпус, который находится в сообщении с выпускным концом синтезирующего устройства 200, а также с предварительным регулировочным механизмом и намоточным механизмом 130, которые находятся внутри корпуса.

Предварительный регулировочный механизм находится внутри корпуса и служит для регулирования ориентации по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок 400. В частности, предварительный регулировочный механизм используется для регулирования ориентации пучка агрегатов углеродных нанотрубок, а также может быть использован для регулирования ориентаций двух или более пучков агрегатов углеродных нанотрубок.

Предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 и второй предварительный регулировочный субмеханизм 120.

Первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 содержит по меньшей мере первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112, которые выполнены с возможностью вращения и ориентированы в первом направлении для предварительного прессования обеих сторон агрегатов углеродных нанотрубок. Второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 содержит по меньшей мере третий колесный элемент 121 для вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок. Каждый из первого колесного элемента 111, второго колесного элемента 112 и третьего колесного элемента 121 может представлять собой конструкцию вращающегося ролика или роликового колеса и имеет размер, соответствующий агрегатам углеродных нанотрубок. Согласно этому варианту осуществления агрегаты углеродных нанотрубок сначала подвергают первому регулированию ориентации посредством первого предварительного регулировочного механизма 110, а затем подвергают второму регулированию ориентации посредством второго предварительного регулировочного субмеханизма 120.

Намоточный механизм 130 используется для намотки и сбора агрегатов углеродных нанотрубок, вытягиваемых из предварительного регулировочного механизма.

Посредством введения первого предварительного регулировочного субмеханизма 110 и второго предварительного регулировочного субмеханизма 120, оба из которых регулируют ориентацию по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок соответственно, вышеупомянутое сборное устройство 100 улучшает не только внутреннюю структуру углеродных нанотрубок, но также их ориентацию и однородность, обеспечивая регулирование механических, электрических и термических свойств собранного материала углеродных нанотрубок и способствуя крупномасштабному производству пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок, имеющих различные свойства.

Как представлено на фиг. 1, направление соединительной линии от выпускного конца до сборного механизма определено как направление М, конец в направлении М вблизи стороны выпускного конца определен как задний конец, и конец, удаленный от стороны выпускного конца определен как передний конец. Кроме того, правый и левый концы и верхний и нижний концы относительно направления М определены, соответственно, как левая и правая, верхняя и нижняя стороны, соответственно.

Пример 1

На фиг. 2 представляет сборное устройство 100 для горизонтальной печи. Сборное устройство 100 выполнено с возможностью сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок. Сборное устройство 100 содержит корпус, предварительный регулировочный механизм и намоточный механизм 130, причем предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 и второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 и выполненный с возможностью регулирования множества пучков агрегатов углеродных нанотрубок.

Первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 расположен вблизи выпускного конца, и второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 расположен между первым предварительным регулировочным субмеханизмом 110 и намоточным механизмом 130. Первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112 предпочтительно расположены на левой и правой сторонах относительно направления М, соответственно, то есть первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112 расположены на левой и правой сторонах агрегатов углеродных нанотрубок, соответственно.

Поскольку в большинстве случаев агрегаты углеродных нанотрубок находятся, главным образом, во множестве пучков, и направление вытягивания каждого пучка агрегатов углеродных нанотрубок не соответствует аксиальному направлению углеродных нанотрубок, оказывается затруднительным достижение однородного сбора множества пучков агрегатов углеродных нанотрубок. Однако внутренняя структура материала углеродных нанотрубок производит значительное воздействие на разнообразные свойства, и, таким образом, это будет влиять в целом на эксплуатационные характеристики материала углеродных нанотрубок. Посредством конфигурации первого колесного элемента 111 и второго колесного элемента 112, расположенных на левой и правой сторонах, соответственно, множество пучков агрегатов углеродных нанотрубок можно интегрировать в один пучок таким образом, что интегрированные агрегаты углеродных нанотрубок могут быть собраны в полную форму, и в результате этого оптимизируется однородность собранного материала агрегатов углеродных нанотрубок. Аналогичным образом, посредством регулирования скоростей вращения первого колесного элемента 111 и второго колесного элемента 112 положительное давление, производимое первым колесным элементом 111 и вторым колесным элементом 112 на агрегаты углеродных нанотрубок, может быть изменено для достижения различных эффектов образования пучков и вытягивания, таким образом, чтобы регулировать ориентацию агрегатов углеродных нанотрубок, и чтобы в результате этого можно было регулировать разнообразные свойства материала углеродных нанотрубок. В то же время, расстояние между первым колесным элементом 111 и вторым колесным элементом 112, а также соответствующие скорости вращения и положения можно регулировать согласно производительности и скорости выпуска агрегатов углеродных нанотрубок, таким образом, чтобы был достигнут наилучший эффект предварительного регулирования. Следует отметить, что в этом случае число колесных элементов, расположенных в первом направлении, может всегда составлять 2, то есть присутствуют только первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112. Разумеется, число колесных элементов, расположенных в первом направлении может представлять собой число, которое не равняется двум, и предпочтительно может представлять собой число, соответствующее числу пучков агрегатов углеродных нанотрубок.

Второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 содержит третий колесный элемент 121, расположенный на нижней стороне относительно направления М, то есть третий колесный элемент 121 расположен на нижней стороне агрегатов углеродных нанотрубок. Третий колесный элемент 121 выполнен с возможностью вращения и окружен множеством первых кольцевых выступов 140, присутствующих на нем, для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок.

Как представлено на фиг. 3, множество первых кольцевых выступов 140 расположены на контактной поверхности третьего колесного элемента 121 для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок, и множество первых кольцевых выступов 140 расположены как окружающие аксиальное направление третьего колесного элемента 121. Ширина первого кольцевого выступа 140 составляет не более чем 10 мкм, и промежуток между соседними первыми кольцевыми выступами 140 составляет не более чем 100 мкм. Первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112 выполнены с возможностью вращения, и направления их вращения могут быть одинаковыми или различными. Предпочтительно первый колесный элемент 111 и второй колесный элемент 112 имеют противоположные направления вращения, и предпочтительнее они выполнены с возможностью вращения и направлены друг к другу или друг от друга.

Ширина первого кольцевого выступа 140 составляет не более чем 10 мкм, и промежуток между соседними первыми кольцевыми выступами 140 составляет не более чем 100 мкм. Предпочтительно ширина первого кольцевого выступа 140 составляет от 0,2 до 5 мкм, и промежуток между соседними первыми кольцевыми выступами 140 составляет от 50 до 90 мкм. Высота первого кольцевого выступа 140 составляет от 1 до 10 мм. Кроме того, первый кольцевой выступ 140 может быть изготовлен как единое целое с третьим колесным элементом 121, или он может быть изготовлен отдельно и установлен с возможностью отсоединения на третий колесный элемент 121. Первый кольцевой выступ 140 может быть получен посредством лазерного травления или химического травления, или печати и т.д.

Когда третий колесный элемент 121 вращается, третий колесный элемент 121 приводит во вращение соответствующий первый кольцевой выступ 140. Множество разделенных промежутками первых кольцевых выступов 140 могут производить давление вдоль тангенциального направления на агрегаты углеродных нанотрубок, чтобы способствовать регулированию внутренней структуры агрегатов углеродных нанотрубок вдоль тангенциального направления. Кроме того, каждый из первых кольцевых выступов 140 также может производить определенное положительное давление на агрегаты углеродных нанотрубок, и посредством регулирования скорости вращения третьего колесного элемента 121 третий колесный элемент 121 может производить различные положительные давления на агрегаты углеродных нанотрубок, чтобы обеспечивать вытягивание агрегатов углеродных нанотрубок для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок таким образом, что становится возможным регулирование разнообразных свойств материала углеродных нанотрубок.

Как представлено на фиг. 2, согласно этому варианту осуществления второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 дополнительно содержит по меньшей мере четвертый колесный элемент 122, выполненный с возможностью вращения. Четвертый колесный элемент 122 и третий колесный элемент 121 разделены промежутком и расположены в шахматном порядке во втором направлении, и при этом каждый из них выполнен с возможностью вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок вдоль направления сбора. Второе направление отличается от первого направления. Предпочтительно второе направление и первое направление являются перпендикулярными по отношению друг к другу. Разумеется, второе направление и первое направление также могут быть ориентированы иным образом.

Кроме того, четвертый колесный элемент 122 и третий колесный элемент 121 расположены на верхней и нижней сторонах или на левой и правой сторонах относительно направления М, и определение положений двух колесных элементов можно регулировать соответствующим образом согласно расположению первого колесного элемента 111 и второго колесного элемента 112. Поскольку введен четвертый колесный элемент 122, посредством такого регулирования скоростей вращения четвертого колесного элемента 122 и третьего колесного элемента 121, что они являются различными, положительное давление вдоль второго направления, производимое третьим колесным элементом 121 и четвертым колесным элементом 122 на агрегаты углеродных нанотрубок может быть изменено для достижения дополнительного вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок и дополнительного регулирования ориентация агрегатов углеродных нанотрубок таким образом, чтобы обеспечить регулируемое изменение разнообразных свойств материала углеродных нанотрубок. Согласно этому варианту осуществления число третьих колесных элементов 121 и число четвертых колесных элементов 122 являются одинаковыми, и оба эти числа составляют 1. Согласно другим вариантам осуществления число третьих колесных элементов 121 и четвертых колесных элементов 122 может составлять два или более. Таким образом, различные степени вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок могут быть осуществлены посредством введения множества колесных элементов в целях дополнительного регулирования микроструктуры агрегатов углеродных нанотрубок и улучшения ориентации агрегатов углеродных нанотрубок.

Кроме того, как представлено на фиг. 4, четвертый колесный элемент окружен множеством вторых кольцевых выступов 150, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок. В частности, множество вторых кольцевых выступов 150 может быть расположено на контактной поверхности четвертого колесного элемента 122 для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок, и при этом данные выступы 150 могут присутствовать таким образом, что они окружают аксиальное направление четвертого колесного элемента 122.

Ширина второго кольцевого выступа 150 составляет не более чем 10 мкм, и промежуток между соседними вторыми кольцевыми выступами 150 составляет не более чем 100 мкм. Аналогично первому кольцевому выступу 140, предпочтительно ширина второго кольцевого выступа 150 составляет от 0,2 до 5 мкм, и промежуток между соседними вторыми кольцевыми выступами 150 составляет от 1 до 80 мкм. Высота второго кольцевого выступа 150 составляет от 1 до 10 мм. Кроме того, второй кольцевой выступ 150 может быть изготовлен как единое целое с четвертым колесным элементом 122, или он может быть изготовлен отдельно и установлен с возможностью отсоединения на четвертый колесный элемент 122. Второй кольцевой выступ 150 может быть получен посредством лазерного травления или химического травления, или печати и т.д.

Согласно одному варианту осуществления первые кольцевые выступы 140 и вторые кольцевые выступы 150 могут быть расположены симметрично, или они могут быть расположены в шахматном порядке.

Когда третий колесный элемент 121 и четвертый колесный элемент 122 вращаются, третий колесный элемент 121 и четвертый колесный элемент 122 приводят во вращение соответствующий первый кольцевой выступ 140 и вторые кольцевые выступы 150. Множество разделенных промежутками кольцевых выступов может производить давление вдоль тангенциального направления на агрегаты углеродных нанотрубок, чтобы способствовать регулированию внутренней структуры агрегатов углеродных нанотрубок вдоль тангенциального направления, оптимизируя эффект регулирования ориентации. Кроме того, каждый из первых кольцевых выступов 140 и вторых кольцевых выступов 150 каждый также может производить определенное положительное давление на агрегаты углеродных нанотрубок; и посредством такого регулирования скоростей вращения третьего колесного элемента 121 и четвертого колесного элемента 122, чтобы они были различными, различные положительные давления вдоль первого направления будут производиться третьим колесным элементом 121 и четвертым колесным элементом 122 на агрегаты углеродных нанотрубок, таким образом, чтобы обеспечивать вытягивание агрегатов углеродных нанотрубок для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок, и, таким образом, становится возможным регулирование разнообразных свойств материала углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления соответствующие значения ширины и промежутки первых кольцевых выступов 140 и вторых кольцевых выступов 150 могут быть одинаковыми или различными. Когда соответствующие значения ширины и промежутки первых кольцевых выступов 140 и вторых кольцевых выступов 150 являются различными, плотность распределения соответствующих выступов можно регулировать таким образом, чтобы обеспечивать различные эффекты регулирования ориентации.

Согласно одному варианту осуществления как представлено на фиг. 5, ограничивающий кольцевое положение паз 160, способный содержать агрегаты углеродных нанотрубок, присутствует на контактной поверхности первого колесного элемента 111 и/или второго колесного элемента 112 для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

Ограничивающий кольцевое положение паз 160 имеет ширину паза, которая соответствует размеру подлежащих размещению в нем агрегатов углеродных нанотрубок. Согласно этому варианту осуществления форма поперечного сечения ограничивающего кольцевое положение паза 160 в аксиальном направлении может представлять собой симметричный треугольник. Согласно другому варианту осуществления форма поперечного сечения ограничивающего кольцевое положение паза 160 в аксиальном направлении может представлять собой симметричную дугу. Согласно другим вариантам осуществления ограничивающий кольцевое положение паз 160 может принимать другие формы.

Присутствие ограничивающего кольцевое положение паза 160 может не только фиксировать и ограничивать положение агрегатов углеродных нанотрубок для предотвращения движения агрегатов углеродных нанотрубок вверх и вниз, когда осуществляется предварительное прессование с применением первого предварительного регулировочного субмеханизма 110, но также эффективно собирает агрегаты углеродных нанотрубок в пределах ограничивающего кольцевое положение паза 160, чтобы дополнительного обеспечения однородного сбора и улучшать ориентацию собранных агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления сборное устройство 100 дополнительно содержит первый нагревательный механизм (не представленный на фигурах), который расположен в корпусе и выполнен с возможностью регулирования температуры контактной поверхности первого предварительного регулировочного механизма 110 и/или второго предварительного регулировочного механизма для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления первый нагревательный механизм содержит нагревательный провод сопротивления и регулятор. Нагревательный провод сопротивления расположенный на конце или внутри первого предварительного регулировочного субмеханизма 110 и/или второго предварительного регулировочного субмеханизма 120. Регулятор расположен внутри корпуса и выполнен с возможностью регулирования тепла, производимого нагревательным проводом сопротивления. Первый нагревательный механизм также может содержать термопару или термодетектор для измерения температуры соответствующей контактной поверхности предварительного регулировочного механизма.

Согласно одному варианту осуществления температура первого нагревательного механизма может быть установлена в диапазоне от 100 до 500°С. Кроме того, температура первого нагревательного механизма может быть установлена в диапазоне от 200 до 400°С. Следует отметить, что внутри корпуса сборного устройства 100 предпочтительно присутствует инертная среда.

Поскольку присутствует первый нагревательный механизм, газ внутри агрегатов углеродных нанотрубок может вытесняться посредством соответствующего нагревания, и плотность собранного материала углеродных нанотрубок может повышаться. Кроме того, также можно регулировать температуру контактной поверхности, которая вступает в контакт с агрегатами углеродных нанотрубок, и в результате этого способствовать улучшению регулировочного действия предварительного регулировочного механизма на внутреннюю структуру агрегатов углеродных нанотрубок, а также улучшать ориентацию и однородность углеродных нанотрубок и затем обеспечивать регулирование разнообразных свойств материала углеродных нанотрубок.

Согласно этому варианту осуществления намоточный механизм 130 может представлять собой ролик, который может вращаться и собирать агрегаты углеродных нанотрубок. Поскольку агрегаты углеродных нанотрубок обычно содержат следовое количество железа, ролик может быть изготовлен из микромагнитного материала, что может упрощать адсорбцию и сбор агрегатов углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления намоточный механизм 130 может представлять собой вращающийся барабан (не представленный на фигурах), который выполнен с возможностью раздвижения в аксиальном направлении. Когда собранный агрегаты углеродных нанотрубок представляют собой волокна углеродных нанотрубок, может отсутствовать необходимость движения вращающегося барабана; и когда собранные агрегаты углеродных нанотрубок представляют собой пленки углеродных нанотрубок, вращающийся барабан может осуществлять однонаправленное движение или возвратно-поступательное движение таким образом, что может быть собрана определенная площадь пленки углеродных нанотрубок. Направления возвратно-поступательного движения не являются перпендикулярными по отношению к аксиальному направлению вращающегося барабана. Предпочтительно направления возвратно-поступательного движения являются параллельными по отношению к аксиальному направлению вращающегося барабана. Разумеется, направления возвратно-поступательного движения могут проходить под углом по отношению к аксиальному направлению вращающегося барабана, чтобы обеспечивать сбор пленки углеродных нанотрубок. Присутствующий вращающийся барабан может быть выполнен с возможностью раздвижения вдоль аксиального направления, таким образом, что можно дополнительно изменять площадь собранной пленки углеродных нанотрубок, можно регулировать толщину полученной пленки углеродных нанотрубок и в результате этого получать материалы пленки углеродных нанотрубок с различными эксплуатационными характер истиками.

Согласно другому варианту осуществления намоточный механизм 130 может содержать первое вращающееся колесо, второе вращающееся колесо и сборный конвейер (не представленный на фигурах), натянутый между первым вращающимся колесом и вторым вращающимся колесом. Аксиальное направление первого вращающегося колеса и второго вращающегося колеса является перпендикулярным по отношению к направлению линии продолжения выпускного конца. Согласно одному варианту осуществления можно регулировать промежуток между первым вращающимся колесом и вторым вращающимся колесом. Таким образом, посредством регулирования промежутка между первым вращающимся колесом и вторым вращающимся колесом размер в поперечном направлении собранной пленки агрегатов углеродных нанотрубок можно регулировать таким образом, чтобы регулировать площадь пленки углеродных нанотрубок.

Согласно следующему варианту осуществления, как представлено на фиг. 6, намоточный механизм 130 может содержать первое вращающееся колесо 131, второе вращающееся колесо 132 и сборную плиту 133, расположенную между ними и способную поворачиваться по направлению к предварительному регулировочному механизму. Сборная плита 133 может представлять собой плиту, которая является слабомагнитной и имеет определенную толщину. Согласно одному варианту осуществления можно регулировать промежуток между первым вращающимся колесом 131 и вторым вращающимся колесом 132. Соответственно, поскольку сборная плита 133 может присутствовать как плита, выполненная с возможностью раздвижения, то посредством регулирования промежутка между первым вращающимся колесом 131 и вторым вращающимся колесом 132 размер в продольном направлении собранной пленки агрегатов углеродных нанотрубок можно регулировать таким образом, чтобы регулировать площадь пленки углеродных нанотрубок.

Пример 2

На фиг. 7 представлено сборное устройство 100 для вертикальной печи. Сборное устройство 100 выполнено с возможностью сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок. Сборное устройство 100 содержит корпус, который находится в сообщении с выпускным концом синтезирующего устройства 200, и предварительный регулировочный механизм и намоточный механизм 130 одновременно расположены в корпусе. Предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 и второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 и выполненный с возможностью регулирования ориентации пучка агрегатов углеродных нанотрубок.

Помимо возможности сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок, выращенных посредством вертикальной печи, этот пример дополнительно отличается от примера 1 тем, что второй предварительный регулировочный субмеханизм 120 расположен вблизи выпускного конца синтезирующего устройства 200, и тем, что первый предварительный регулировочный субмеханизм 110 расположен между вторым предварительным регулировочным субмеханизмом 120 и намоточным механизмом 130.

Что касается другого содержания данного примера, можно рассмотреть пример 1, и здесь подробности не будут описаны повторно.

В настоящем изобретении также предложена производственная система для получения материала пленки углеродных нанотрубок или материала волокна углеродных нанотрубок. Производственная система описана подробно со ссылкой на фигуры.

Пример 3

На фиг. 8 представлена производственная система, содержащая горизонтальную печь согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Производственная система содержит синтезирующее устройство 200 и сборное устройство 100. Синтезирующее устройство выполнено с возможностью флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок. Синтезирующее устройство 200 содержит реактор 210, имеющий по меньшей мере одну выращивающую трубу 211. Сборное устройство 100 расположено на стороне выпускного конца синтезирующего устройства 200 и выполнено с возможностью сбора агрегатов углеродных нанотрубок, произведенных синтезирующим устройством 200. Сборное устройство 100 находится в сообщении со стороной выпускного конца синтезирующего устройства 200, например, сборное устройство 100 может быть герметично присоединено к синтезирующему устройству 200 посредством фланца (не представленный на фигурах).

Согласно этому варианту осуществления реактор 210 может иметь многотрубную горизонтальную конструкцию, и число выращивающих труб 211 равно двум. Множество выращивающих труб 211 расположено внутри реактора 210 и оборудовано одной общей реакционной печью. Таким образом, когда присутствует множество труб, может быть значительно увеличено производство углеродных нанотрубок, а также может быть обеспечено качество углеродных нанотрубок в каждой выращивающей трубе 211, таким образом, что могут быть улучшены эксплуатационные характеристики всего материал углеродных нанотрубок. Разумеется, согласно другим вариантам осуществления число выращивающих труб 211 может быть равно 1 или составлять более чем 2.

Реактор 210 может быть расположен горизонтально, но он также может иметь многотрубную конструкцию, наклоненную под некоторым другим определенным углом. Выращивающая труба 211 может быть изготовлена из кварца, корунда или других материалов, обычно используемых в технике. Согласно одному варианту осуществления форма выращивающей трубы 211 представляет собой квадрат, таким образом, что может быть изменена структура агрегатов углеродных нанотрубок, производимых в выращивающей трубе 211, и в результате этого можно регулировать однородность собранных агрегатов углеродных нанотрубок. Разумеется, согласно другим вариантам осуществления выращивающая труба 211 может иметь обычно используемую конструкцию полой круглой трубы.

Согласно этому варианту осуществления конец выращивающей трубы 211 вблизи сборного устройства 100 имеет воронкообразную форму. Таким образом, поскольку оказывается необходимым введение газа-носителя в процесс флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок, внутри выращивающей трубы 211 будет возникать турбулентный поток, и агрегаты углеродных нанотрубок будут всплывать вверх и легко прикрепляться к внутренней стенке выращивающей трубы 211, приводя к прекращению сбора. Когда дальний конец выращивающей трубы 211 имеет воронкообразную форму, вероятность прикрепления агрегатов углеродных нанотрубок к внутренней стенке выращивающей трубы 211 может уменьшаться таким образом, что улучшается непрерывность сбора агрегатов углеродных нанотрубок. Разумеется, согласно другим вариантам осуществления конец выращивающей трубы 211 вблизи сборного устройства 100 может иметь цилиндрическую или другую традиционную форму.

Производственная система также содержит питающее устройство 300, которое находится в сообщении с впускным концом синтезирующего устройства 200 для введения реакционных исходных материалов.

Кроме того, питающее устройство 300 может содержать по меньшей мере один инжекционный механизм 310 и по меньшей мере одну питающую трубу 320. Один конец питающей трубы 320 находится в сообщении с инжекционным механизмом 310, а другой конец находится в сообщении с выращивающей трубой 211. Инжекционный механизм 310 может представлять собой одно устройство из шприцевого насоса, жидкостного инжектора и ультразвукового атомизирующего инжекционного механизма, который может регулировать скорость инжекции.

Согласно этому варианту осуществления число питающих труб 320 и число инжекционных механизмов 310 соответствуют числу выращивающих труб 211. В этом случае питающие трубы 320 могут быть соединены последовательно или параллельно. Таким образом, можно раздельно регулировать материалы углеродных нанотрубок с различными внутренними структурами посредством регулирования инжекционного механизма 310 таким образом, чтобы регулировать эксплуатационные характеристики материала углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления каждое из числа питающих труб 320 и числа инжекционных механизмов 310 может быть равно одному, что представляет собой простую конструкцию, которой легко управлять. Согласно другому варианту осуществления могут присутствовать множество питающих труб 320 и один инжекционный механизм 310. Такое множество питающих труб 320 может иметь один общий инжекционный механизм 310. Разумеется, число питающих труб 320 и число инжекционных механизмов 310 также могут принимать и другие обоснованные значения.

Следует отметить, что может быть использовано множество выращивающих труб 211 для выращивания агрегатов углеродных нанотрубок и получения чистых материалы углеродных нанотрубок. Кроме того, также могут присутствовать одна или несколько выращивающих труб 211 для получения других материалов в целях получения композиционного материала, содержащего углеродные нанотрубки, таким образом, что композиционный материал будет иметь разнообразные свойства, и будет расширена область применения материалов.

Согласно одному варианту осуществления, как представлено на фиг. 9, синтезирующее устройство 200 содержит реактор 210, имеющий множество выращивающих труб 211, которые могут быть расположены в кольцевой конфигурации. Согласно другим вариантам осуществления множество выращивающих труб 211 может быть расположено в параллельной или матричной конфигурации.

Кроме того, как представлено на фиг. 8, синтезирующее устройство 200 дополнительно содержит второй нагревательный механизм 212 для регулирования распределения температуры в каждой области впускных концов множества выращивающих труб 211. Согласно этому варианту осуществления второй нагревательный механизм 212 может представлять собой три разделенных промежутками нагревателя, расположенных на внутренней стенке реактора 210, чтобы регулировать температуру каждой зоны впускных концов выращивающих труб 211 и в результате этого регулировать рост агрегатов углеродных нанотрубок.

Подробное описание сборного устройства 100 можно найти в примере 1, и здесь эти подробности не будут представлены повторно.

Материал пленки углеродных нанотрубок может быть получен с применением производственной системы согласно этому варианту осуществления. Стадия получения включает: сначала растворение катализатора и промотора роста в источнике углерода с получением реакционного раствора; введение реакционного раствора и газа-носителя в выращивающие трубы 211 в реакторе 210 через питающее устройство 300 для проведения реакции каталитического крекинга с получением непрерывных агрегатов углеродных нанотрубок; и сбор непрерывных агрегатов углеродных нанотрубок с получением пленок углеродных нанотрубок. Поскольку процесс получения пленки углеродных нанотрубок является относительно обычным, то исходный материал, соотношение реагентов и технологические условия в вышеупомянутом процессе получения могут представлять собой такие условия, которые обычно используются в данной области и не будут здесь описаны.

Материал пленки углеродных нанотрубок, полученный с применением производственной системы согласно настоящему варианту осуществления (включая предварительный регулировочный механизм), обозначен как образец 1. Чтобы выяснить роль, которую играет предварительный регулировочный механизм, согласно этому варианту осуществления предварительный регулировочный механизм был исключен из производственной системы, в то время как другие находящиеся в ней механизмы оставались неизменными, а затем полученная производственная система была использована в качестве сравнительной производственной системы (без предварительного регулировочного механизма), и продукт, представляющий собой материал пленки углеродных нанотрубок, был получен согласно технологическим условиям получения образца 1. Полученный в результате этого продукт обозначен как образец 2.

На фиг. 10 и 11 представлены полученные методом СЭМ изображения образца 1 и образца 2, соответственно. Сравнение показывает, что материал пленки углеродных нанотрубок с регулированием посредством предварительного регулировочного механизма (образец 1) имеет лучшую ориентацию, чем материал пленки углеродных нанотрубок без регулирования посредством предварительного регулировочного механизма (образец 2).

На фиг. 12 представлен график зависимости растягивающего напряжения от удлинения при разрыве для образцов 1 и 2. Сравнение показывает, что материал пленки углеродных нанотрубок с регулированием посредством предварительного регулировочного механизма (образец 1) имеет лучшие механические свойства, чем материал пленки углеродных нанотрубок без регулирования посредством предварительного регулировочного механизма (образец 2).

Пример 4

На фиг. 13 представлена производственная система, содержащая вертикальную печь согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Производственная система содержит синтезирующее устройство 200 и сборное устройство 100. Синтезирующее устройство 200 использовано для флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок. Синтезирующее устройство 200 содержит реактор 210, имеющий по меньшей мере одну выращивающую трубу 211. Сборное устройство 100 находится в сообщении с выпускным концом синтезирующего устройства 200 для сбора агрегатов углеродных нанотрубок, произведенных синтезирующим устройством 200. В частности, сборное устройство 100 может быть герметично присоединено к синтезирующему устройству 200 посредством фланца (не представленного на фигурах).

Согласно этому варианту осуществления реактор 210 может иметь однотрубную вертикальную конструкцию. Согласно другому варианту осуществления реактор 210 может иметь многотрубную вертикальную конструкцию. Реактор 210 может быть вертикально расположенным, но он также может иметь конструкцию, наклоненную под некоторым другим определенным углом.

Подробное описание сборного устройства 100 можно найти в примере 2, и здесь эти подробности не будут представлены повторно.

Другое содержание согласно этому варианту осуществления можно найти в примере 3, и здесь эти подробности не будут представлены повторно.

Технические признаки описанных выше вариантов осуществления могут быть объединены произвольным образом. Для упрощения описания в нем не содержатся все возможные сочетания технических признаков согласно описанным выше вариантам осуществления. Однако все сочетания указанных технических признаков следует считать находящимися в пределах объема настоящего изобретения, при том условии, что такие ой сочетания не противоречат друг другу.

Приведенные выше варианты осуществления просто представляют собой несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, и соответствующее описание является более конкретным и подробным, но его не следует истолковывать как ограничивающее объем настоящего изобретения. Следует отметить, что без отклонения от идеи настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут производить некоторые вариации и улучшения, все из которых находятся в пределах объема патентной защиты настоящего изобретения. Таким образом, объем патентной защиты должен быть определен прилагаемой формулой изобретения.

Группа изобретений относится к сборному устройству и производственной системе для получения материала углеродных нанотрубок. Сборное устройство для сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок содержит предварительный регулировочный механизм для регулирования ориентации по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок, намоточный механизм для намотки и сбора агрегатов углеродных нанотрубок, вытягиваемых из предварительного регулировочного механизма. При этом предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм и второй предварительный регулировочный субмеханизм, содержащий по меньшей мере третий колесный элемент для вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок. Третий колесный элемент выполнен с возможностью вращения и окружен множеством первых кольцевых выступов, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок. Первый кольцевой выступ имеет ширину, составляющую не более чем 10 мкм, причем соседние первые кольцевые выступы отделены друг от друга промежутками, составляющими не более чем 100 мкм. Производственная система для получения материала пленки углеродных нанотрубок или материала волокна углеродных нанотрубок содержит синтезирующее устройство для флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок, содержащее реактор, имеющий по меньшей мере одну выращивающую трубу, и вышеуказанное сборное устройство, расположенное на стороне выпускного конца синтезирующего устройства для сбора агрегатов углеродных нанотрубок, произведенных синтезирующим устройством. Группа изобретений обеспечивает возможность регулирования механических, электрических и термических свойств собранных материалов углеродных нанотрубок. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Сборное устройство для сбора пленок углеродных нанотрубок или волокон углеродных нанотрубок, содержащее:

предварительный регулировочный механизм для регулирования ориентации по меньшей мере одного пучка агрегатов углеродных нанотрубок, причем предварительный регулировочный механизм содержит первый предварительный регулировочный субмеханизм, содержащий по меньшей мере первый колесный элемент и второй колесный элемент, которые выполнены с возможностью вращения и ориентированы в первом направлении для предварительного прессования обеих сторон агрегатов углеродных нанотрубок, и второй предварительный регулировочный субмеханизм, содержащий по меньшей мере третий колесный элемент для вытягивания агрегатов углеродных нанотрубок;

намоточный механизм для намотки и сбора агрегатов углеродных нанотрубок, вытягиваемых из предварительного регулировочного механизма,

причем третий колесный элемент выполнен с возможностью вращения и окружен множеством первых кольцевых выступов, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок,

и первый кольцевой выступ имеет ширину, составляющую не более чем 10 мкм, и соседние первые кольцевые выступы отделены друг от друга промежутками, составляющими не более чем 100 мкм.

2. Сборное устройство по п. 1, дополнительно содержащее первый нагревательный механизм для регулирования температуры контактной поверхности первого предварительного регулировочного механизма и/или второго предварительного регулировочного механизма для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

3. Сборное устройство по п. 1, в котором ограничивающий кольцевое положение паз, способный содержать агрегаты углеродных нанотрубок, присутствует на контактной поверхности первого колесного элемента и/или второго колесного элемента для введения в контакт агрегатов углеродных нанотрубок.

4. Сборное устройство по п. 1, в котором второй предварительный регулировочный субмеханизм дополнительно содержит четвертый колесный элемент, причем четвертый колесный элемент и третий колесный элемент разделены промежутком и расположены в шахматном порядке во втором направлении и оба способны вытягивать агрегаты углеродных нанотрубок вдоль направления сбора.

5. Сборное устройство по п. 4, в котором четвертый колесный элемент выполнен с возможностью вращения и окружен множеством вторых кольцевых выступов, присутствующих на нем для регулирования ориентации агрегатов углеродных нанотрубок.

6. Сборное устройство по п. 4, в котором первый колесный элемент и второй колесный элемент выполнены с возможностью вращения и обращения друг к другу или друг от друга и скорости вращения третьего колесного элемента и четвертого колесного элемента не являются одинаковыми.

7. Сборное устройство по любому из пп. 1-6, в котором намоточный механизм содержит вращающийся барабан, который выполнен с возможностью раздвижения в аксиальном направлении и способностью возвратно-поступательного движения в направлении, которое не является перпендикулярным по отношению к аксиальному направлению вращающегося барабана.

8. Сборное устройство по любому из пп. 1-6, в котором намоточный механизм содержит первое вращающееся колесо, второе вращающееся колесо и сборный конвейер, натянутый между ними; или

намоточный механизм содержит первое вращающееся колесо, второе вращающееся колесо и сборную плиту, расположенную между ними и способную поворачиваться по направлению к предварительному регулировочному механизму.

9. Производственная система для получения материала пленки углеродных нанотрубок или материала волокна углеродных нанотрубок, содержащая:

синтезирующее устройство для флотационного каталитического синтеза агрегатов углеродных нанотрубок, содержащее реактор, имеющий по меньшей мере одну выращивающую трубу; и

сборное устройство по любому из пп. 1-8, расположенное на стороне выпускного конца синтезирующего устройства для сбора агрегатов углеродных нанотрубок, произведенных синтезирующим устройством.

10. Производственная система по п. 9, в которой конец выращивающей трубы вблизи сборного устройства является воронкообразным или цилиндрическим.

11. Производственная система по п. 9 или 10, дополнительно содержащая:

питающее устройство, предназначенное для введения реакционных исходных материалов и находящееся в сообщении с впускным концом синтезирующего устройства, причем питающее устройство содержит по меньшей мере один инжекционный механизм и по меньшей мере одну питающую трубу, имеющую один конец, находящийся в сообщении с инжекционным механизмом, и другой конец, находящийся в сообщении с выращивающей трубой.

12. Производственная система по п. 11, в которой синтезирующее устройство содержит реактор, имеющий множество выращивающих труб, причем некоторые из них расположены в круговом распределении или матричном распределении.

13. Производственная система по п. 12, в которой синтезирующее устройство дополнительно содержит второй нагревательный механизм для регулирования распределения температуры соответствующих областей впускных концов некоторых из множества выращивающих труб.