ПРОИЗВОДЯЩАЯ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ СИСТЕМА Российский патент 2021 года по МПК C01B32/16 B82Y30/00 B82Y40/00 

Область техники настоящего изобретения

Настоящее изобретение относится к устройству для получения углеродных нанотрубок, в частности к производящей углеродные нанотрубки системе.

Уровень техники настоящего изобретения

Представляя собой типичный одномерный наноматериал, материал углеродных нанотрубок, который имеет превосходные механические, термические и электрические свойства, находит широкое применение в разнообразных областях. Многие университеты, исследовательские институты и компании, в том числе отечественные и иностранные, исследуют способы синтеза материалов углеродных нанотрубок с улучшенными свойствами на макроскопическом уровне.

Обычный способ синтеза углеродных нанотрубок представляет собой получение макроскопического материала углеродных нанотрубок, такого как пленка углеродных нанотрубок и волокно углеродных нанотрубок, на основе процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD). Однако существует значительное различие между лабораторными исследованиями и крупномасштабным промышленным производством, в частности, для процесса CVD, в котором воздействия, вызываемые неустойчивыми факторами, увеличиваются при увеличении размеров устройств. Любые проблемы, которые не возникают на лабораторной стадии, будут производить значительное воздействие на синтез и качество материалов углеродных нанотрубок при переходе на промышленные масштабы. Таким образом, способ улучшения устойчивости процесса и непрерывности производства становится важной задачей при промышленном внедрении производства углеродных нанотрубок.

В документах предшествующего уровня техники предложен способ определения направления и вытягивания в процессе непрерывного выращивания углеродных нанотрубок посредством применения электрического поля или магнитного поля. Однако в процессе перехода на промышленные масштабы увеличивается сложность устройств, и становится более затруднительным регулирование, в результате чего существенно усложняется применение способа. Таким образом, по-прежнему требуется решение проблемы простого и существенного улучшения устойчивости и непрерывности процесса.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

На основании этого в отношении проблемы достижения устойчивости и непрерывности производства углеродных нанотрубок оказывается необходимым предложение производящей углеродные нанотрубки системы, которая может обеспечивать устойчивость воздушного потока в процессе, а также непрерывного и устойчивого синтеза углеродных нанотрубок таким образом, чтобы способствовать промышленному внедрению производства материалов углеродных нанотрубок.

В настоящем изобретении предложена производящая углеродные нанотрубки система, содержащая:

предварительную выращивающую трубу для начальной предварительной реакции исходных материалов перед получением углеродных нанотрубок;

атомизатор для атомизации исходных материалов углеродных нанотрубок и последующего распыления атомизированных исходных материалов в предварительную выращивающую трубу; при этом атомизатор присутствует на переднем конце предварительной выращивающей трубы и имеет распылительную выпускную трубу, которая проходит в предварительную выращивающую трубу;

выращивающую трубу для производства углеродных нанотрубок и непрерывного выращивания производимых углеродных нанотрубок; при этом передний конец выращивающей трубы герметично присоединяется к заднему концу предварительной выращивающей трубы; и

генератор воздушной завесы для образования воздушной завесы, окружающей атомизирующий воздушный поток вокруг выпуска распылительной выпускной трубы, причем воздушная завеса проходит параллельно по отношению к направлению продолжения предварительной выращивающей трубы; и при этом генератор воздушной завесы находится внутри предварительной выращивающей трубы.

В представленной выше производящей углеродные нанотрубки системе воздушная завеса образуется вокруг распылительной выпускной трубы. С одной стороны, образуется ламинарный поток в предварительной выращивающей трубе посредством воздушной завесы для стабилизации воздушного потока, и, с другой стороны, предотвращается прилипание углеродных нанотрубок или примесей, и в результате этого обеспечивается непрерывный рост углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления генератор воздушной завесы содержит по меньшей мере одну образующую воздушную завесу плиту, которая снабжена множеством воздушных отверстий.

Согласно одному варианту осуществления образующая воздушную завесу плита имеет кольцевую форму, причем распылительная выпускная труба расположена в полом центре образующей воздушную завесу плиты; и при этом воздушные отверстия радиально распределены на образующей воздушную завесу плите.

Согласно одному варианту осуществления краевой контур образующей воздушную завесу плиты соответствует внутренней стенке предварительной выращивающей трубы, причем по меньшей мере некоторые из воздушных отверстий расположены в краевой области образующей воздушную завесу плиты, таким образом, что образуется поток воздушной завесы, покрывающий внутреннюю стенку предварительной выращивающей трубы.

Согласно одному варианту осуществления генератор воздушной завесы дополнительно содержит по меньшей мере один воздушный впуск для введения газа-носителя в предварительную выращивающую трубу, и при этом воздушный впуск расположен на переднем конце предварительной выращивающей трубы.

Согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба соединяется с выращивающей трубой посредством трубчатого первого теплоизоляционного элемента.

Согласно одному варианту осуществления температура внутри предварительной выращивающей трубы находится в диапазоне от 200 до 950°С; и

температура внутри выращивающей трубы находится в диапазоне от 1100 до 1600°С.

Согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба содержит первый предварительный выращивающий сегмент и второй предварительный выращивающий сегмент;

первый предварительный выращивающий сегмент расположен вблизи переднего конца предварительной выращивающей трубы, и второй предварительный выращивающий сегмент расположен вблизи заднего конца предварительной выращивающей трубы; и

температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента отличается от температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента.

Согласно одному варианту осуществления первый температурный регулятор находится снаружи первого предварительного выращивающего сегмента, и второй температурный регулятор находится снаружи второго предварительного выращивающего сегмента; и

первый предварительный выращивающий сегмент соединяется со вторым предварительным выращивающим сегментом посредством второго теплоизоляционного элемента.

Согласно одному варианту осуществления первый температурный регулятор содержит первое нагревательное устройство и первое охлаждающее устройство; и

второй температурный регулятор содержит второе нагревательное устройство и второе охлаждающее устройство.

Согласно одному варианту осуществления температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента находится в диапазоне от 200 до 300°С; и

температура внутри второго предварительного выращивающего сегмента находится в диапазоне от 700 до 950°С.

Согласно одному варианту осуществления внутренняя стенка выращивающей трубы снабжена уменьшающим липкость покрытием для предотвращения прикрепления наноматериала на внутренней стенке выращивающей трубы.

Согласно одному варианту осуществления уменьшающее липкость покрытие представляет собой оксид циркония или оксид цинка.

Согласно одному варианту осуществления выращивающая труба снабжена вентиляционными отверстиями для пропускания газа-носителя и образования газового защитного слоя на внутренней поверхности стенки выращивающей трубы, и вентиляционные отверстия пронизывают стенку выращивающей трубы и распределены равномерно.

Согласно одному варианту осуществления угол, заключенный между аксиальным направлением вентиляционного отверстия и направлением прохождения выращивающей трубы, составляет менее чем 5 градусов.

Согласно одному варианту осуществления атомизатор содержит ультразвуковое атомизационное сопло для однородного смешивания, атомизации и последующего распыления исходных материалов, а также ультразвуковой регулятор для регулирования интенсивности ультразвука.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующая наноматериалы система является вертикальной или горизонтальной.

Согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба и выращивающая труба расположены вертикально, причем атомизатор расположен вертикально вдоль направления прохождения предварительной выращивающей трубы и выращивающей трубы.

Согласно одному варианту осуществления воздушная завеса распределена параллельно по отношению к направлению силы тяжести.

Краткое описание фигур

На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции применимой в промышленности системы непрерывного производства материала углеродных нанотрубок согласно одному варианту осуществления;

на фиг. 2 представлено схематическое изображение конструкции синтезирующей углеродные нанотрубки системы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 представлено схематическое изображение конструкции образующей воздушную завесу плиты согласно варианту осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 2; причем на фиг. 3а представлен вид спереди образующей воздушную завесу плиты, на фиг. 3b представлено изображение в разрезе образующей воздушную завесу плиты вдоль линии В-В, и на фиг. 3с представлено частичное увеличенное изображение области D, ограниченной штриховой линией на фиг. 3b.

на фиг. 4 представлено схематическое изображение конструкции образующей воздушную завесу плиты согласно другому варианту осуществления, проиллюстрированной на фиг. 2; причем на фиг. 4а представлен вид спереди образующей воздушную завесу плиты, на фиг. 4b представлено изображение в разрезе образующей воздушную завесу плиты вдоль линии В-В, и на фиг. 4с представлено частичное увеличенное изображение области Е, ограниченной штриховой линией на фиг. 4b.

Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления

Чтобы сделать более очевидными приведенные выше задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения, ниже подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие фигуры. В следующем описании представлены многочисленные конкретные подробности для обеспечения полного понимания настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено любыми другими средствами, 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, настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, которые описаны ниже.

Существующий в настоящее время способ получения углеродных нанотрубок включает, в основном, разложение источника углерода с образованием атомов или ионов под действием разнообразных форм приложенной энергии и последующее агрегирование с получением макроскопического материала углеродных нанотрубок. Как правило, существуют три основных способа получения углеродных нанотрубок: способ дугового разряда, способ лазерной абляции и способ химического осаждения из паровой фазы. В промышленном масштабе углеродные нанотрубки обычно получают, используя способ химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Способ получения углеродных нанотрубок в процессе CVD, основу которого представляют собой газообразные или жидкие углеводороды в качестве источника углерода, включает атомизацию источника углерода, добавление катализатора при соответствующей температуре для крекинга источника углерода с образованием углеродных кластеров на поверхности частиц катализатора, образование углеродных нанотрубок посредством рекомбинации атомов углерода и последующее получение материала углеродных нанотрубок в различных формах посредством сборного устройства, сконструированного специальным образом. При этом катализатор переносится вместе с источником углерода в корпус печи посредством газа-носителя. Этот способ получения называется технологией флотационного каталитического получения углеродных нанотрубок. Согласно настоящему изобретению способ флотационного каталитического получения углеродных нанотрубок предназначен, главным образом, для получения углеродных нанотрубок.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции применимой в промышленности системы непрерывного производства материала углеродных нанотрубок согласно одному варианту осуществления. Как представлено на фиг. 1, производящая углеродные нанотрубки система 100 содержит синтезирующую углеродные нанотрубки систему 200, собирающую углеродные нанотрубки систему 300 и выпускную систему 400. Синтезирующую углеродные нанотрубки систему 200 используют для синтеза непрерывных углеродных нанотрубок из исходных материалов. Собирающую углеродные нанотрубки систему 300 используют для уплотнения получаемых углеродных нанотрубок, обработки и формования получаемых углеродных нанотрубок в желательный материал, а также для сбора желательного материала. Собирающая углеродные нанотрубки система 300 может перерабатывать углеродные нанотрубки в провода или пленочные листы и собирать их в рулоны. Выпускную систему 400 используют для сбора и обработки прореагировавшего газа таким образом, чтобы предотвращать выпуск в атмосферу вредного газа из производственной системы 100 и предотвращать воздействие остаточного газа в производственной системе 100 на устойчивость внутреннего воздушного потока.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение конструкции синтезирующей углеродные нанотрубки системы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как представлено на фиг. 2, синтезирующая углеродные нанотрубки система 200 содержит предварительную выращивающую трубу 210, атомизатор 220, выращивающую трубу 230 и генератор 240 воздушной завесы. Предварительную выращивающую трубу 210 используют для начальной предварительной реакции исходных материалов перед получением углеродных нанотрубок. Атомизатор 220 используют для атомизации исходных материалов углеродных нанотрубок и последующего распыления атомизированных исходных материалов в предварительную выращивающую трубу 210. Атомизатор 220 присутствует на переднем конце предварительной выращивающей трубы 210 и имеет распылительную выпускную трубу 221, которая проходит в предварительную выращивающую трубу 210. Выращивающую трубу 230 используют для производства углеродных нанотрубок и непрерывного выращивания производимых углеродных нанотрубок. Передний конец выращивающей трубы 230 герметично присоединяется к заднему концу предварительной выращивающей трубы 210.

Как представлено на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления атомизатор 220 дополнительно содержит перистальтический насос 222, ультразвуковой регулятор 223 и ультразвуковое атомизациоиное сопло 224. Реакционные исходные материалы после однородного перемешивания в перистальтическом насосе 222 с регулированием интенсивности ультразвука посредством ультразвукового регулятора 223 поступают в предварительную выращивающую трубу 210 через ультразвуковое атомизациоиное сопло 224 и распылительную выпускную трубу 221.

Согласно одному варианту осуществления источник углерода представляет собой газообразный источник углерода или жидкий источник углерода, который может представлять собой содержащие углерод и водород соединения, такие как ацетилен, этанол, метан, этилен, пропилен, бутилен, н-гексан, моноксид углерода, бензол и т.д.

Согласно одному варианту осуществления катализатор может представлять собой один материал или любое сочетание материалов, представляющих собой переходные металлы, такие как железо, никель, и т.д., соответствующие оксиды или другие соединения, а также алмаз.

Согласно одному варианту осуществления может быть использован предшественник катализатора, который разлагается на атомы при определенной температуре. Поскольку диаметр углеродных нанотрубок определяется диаметром частиц катализатора, оказывается возможным получение углеродных нанотрубок, имеющих высокую чистоту и однородное распределение по размерам, посредством выбора и регулирования типа и размера частиц катализатор. Согласно одному варианту осуществления предшественник катализатора представляет собой ферроцен Fe(C₅H₅₎₂.

Согласно одному варианту осуществления исходный материал также может содержать ускоритель для увеличения активности катализатора. Ускоритель может представлять собой тиофен, другие соединения серы или их сочетания. Ускоритель может представлять собой тетрагидротиофен C₄H₈S.

Согласно одному варианту осуществления газ-носитель может быть введен в атомизатор 220. После того, как жидкий источник углерода и другие исходные материалы атомизируются с образованием равномерно распределенных капель, исходные материалы переносятся в предварительную выращивающую трубу 210 посредством газа-носителя. Газ-носитель может представлять собой водород, гелий или любой другой инертный газ. Согласно одному варианту осуществления газ-носитель может представлять собой смесь газообразных водорода и аргона. Введение газа-носителя не только является благоприятным для регулирования атомизированной формы после атомизации жидкого источника углерода и обеспечения быстрого достижения атомизированным жидким источником углерода высокотемпературной реакционной зоны внутри выращивающей трубы 230, но также способствует поддержанию непрерывности и устойчивости введения исходного материала.

Согласно одному варианту осуществления температура внутри распылительной выпускной трубы 221 находится в диапазоне от 100 до 250°С, чтобы предотвращать конденсацию смеси исходных материалов в распылительной выпускной трубе 221 на внутренней стенке распылительной выпускной трубы 221.

Согласно одному варианту осуществления полный поток газа-носителя в атомизаторе регулируют в диапазоне от 1 до 100 л/мин, скорость введения жидкого источника углерода регулируют в диапазоне от 10 до 1500 мл/час, и скорость введения газообразного источника углерода регулируют в диапазоне от 1 до 100 л/мин, чтобы обеспечивать практически одинаковые скорости введения исходного материала и синтеза углеродных нанотрубок, что способствует непрерывности производства углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба 210 имеет передний конец и задний конец, противоположный по отношению к переднему концу. Между передним концом и задним концом находится сквозной канал.

Согласно одному варианту осуществления распылительная выпускная труба 221 атомизатора 220 герметично присоединяется к переднему концу предварительной выращивающей трубы 210. Распылительная выпускная труба 221 может быть герметично прикреплена на переднем конце предварительной выращивающей трубы 210 с применением фланца.

Согласно одному варианту осуществления диаметр предварительной выращивающей трубы 210 равен диаметру выращивающей трубы 230.

Согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба 210 имеет диаметр в диапазоне от 50 до 500 мм и длину в диапазоне от 200 до 500 мм. Выращивающая труба 230 имеет длину в диапазоне от 500 до 2000 мм.

Как представлено на фиг. 2, синтезирующая углеродные нанотрубки система 200 дополнительно содержит генератор 240 воздушной завесы, который используют для образования воздушной завесы, окружающей атомизирующий воздушный поток вокруг выпуска распылительной выпускной трубы 221, и воздушная завеса проходит параллельно по отношению к направлению (А) продолжения предварительной выращивающей трубы 210. Генератор 240 воздушной завесы находится внутри предварительной выращивающей трубы 210.

Следует понимать, что в процессе CVD газ в корпусе печи легко образует турбулентный поток, который не способствует устойчивости последующих процессов. Поскольку, в частности, при проведении процесса в промышленном масштабе оказывается более затруднительным регулирование устойчивости воздушного потока вследствие увеличения размеров оборудования, в синтезирующей углеродные нанотрубки системе 200 следует предотвращать возникновение турбулентного потока, насколько это возможно. Наиболее идеальная ситуация заключается в том, чтобы позволить газу образовывать устойчивый ламинарный поток. В документах предшествующего уровня техники газ-носитель обычно вводят во впускающее исходный материал устройство для увеличения однородности испарения жидкого источника углерода. Кроме того, между впускающим исходный материал устройством и реакционной трубой присутствует втулка для определения направления роста углеродных нанотрубок. Однако на стыке втулки и реакционной трубы воздушный поток превращается в турбулентный поток вследствие изменения площади поперечного сечения. С другой стороны, поскольку увеличивается продолжительность реакции, образующиеся в реакции примеси будут аккумулироваться у края втулки, т.е. на стыке втулки и реакционной трубы, что позволяет углеродным нанотрубкам легко прилипать к стенке втулки у края втулки, что приводит к разрушению углеродных нанотрубок и непосредственно воздействует на непрерывный рост углеродных нанотрубок. Таким образом, современная технология все же отличается недостатками в отношении регулирования устойчивости воздушного потока и предотвращения разрушения углеродных нанотрубок, что не способствует проведению устойчивого и непрерывного флотационного процесса. Вышеупомянутые недостатки становятся более очевидными, в частности, во флотационной каталитической реакционной системе с трубчатой печью большого диаметра.

В представленном выше техническом решении согласно настоящему изобретению, по существу, исключена традиционная втулка, и воздушная завеса образуется вокруг распылительной выпускной трубы 221 атомизатора 220. С одной стороны, ламинарный поток образуется в предварительной выращивающей трубе посредством воздушной завесы для стабилизации воздушного потока, и, с другой стороны, предотвращается прилипание углеродных нанотрубок или примесей, в результате чего обеспечивается непрерывный рост углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления генератор 240 воздушной завесы содержит по меньшей мере одну образующую воздушную завесу плиту 241, которая снабжена множеством воздушных отверстий.

На фиг. 3 представлено схематическое изображение конструкции образующей воздушную завесу плиты согласно одному варианту осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 2; причем на фиг. 3а представлен вид спереди образующей воздушную завесу плиты, на фиг. 3b представлено изображение в разрезе образующей воздушную завесу плиты вдоль линии В-В, и на фиг. 3с представлено частичное увеличенное изображение области D, ограниченной штриховой линией на фиг. 3b. Как представлено на фиг. 2 и на фиг. 3, образующая воздушную завесу плита 241 имеет кольцевую форму, и распылительная выпускная труба 221 расположена в полом центре образующей воздушную завесу плиты 241. Воздушные отверстия радиально распределены на образующей воздушную завесу плите 241.

Согласно одному варианту осуществления краевой контур образующей воздушную завесу плиты 241 соответствует внутренней стенке предварительной выращивающей трубы 210, причем по меньшей мере некоторые из воздушных отверстий расположены в краевой области образующей воздушную завесу плиты 241, таким образом, что образуется поток воздушной завесы, покрывающий внутреннюю стенку предварительной выращивающей трубы 210.

Как представлено на фиг. 3с, воздушные отверстия на образующей воздушную завесу плите 241 представляют собой прямые отверстия, имеющие одинаковый диаметр отверстия.

Согласно одному варианту осуществления число образующих воздушную завесу плит 241 может быть множественным. Множество образующих воздушную завесу плит 241 уложены штабелем друг на друга вдоль направления прохождения предварительной выращивающей трубы 210. Множество образующей воздушную завесу плит 241 находятся в параллельной конфигурации по отношению друг к другу.

Согласно одному варианту осуществления генератор 240 воздушной завесы содержит от одной до четырех образующих воздушную завесу плит 241.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение конструкции образующей воздушную завесу плиты согласно другому варианту осуществления на фиг. 2; причем на фиг. 4а представлен вид спереди образующей воздушную завесу плиты, на фиг. 4b представлено изображение в разрезе образующей воздушную завесу плиты вдоль линии В-В, и на фиг. 4с представлено частичное увеличенное изображение области Е, ограниченной штриховой линией на фиг. 4b. Как представлено на фиг. 4с, воздушные отверстия на образующей воздушную завесу плите 241 могут представлять собой расширяющиеся отверстия, которые имеют больший диаметр в передней части и меньший диаметр в задней части.

Согласно одному варианту осуществления воздушные отверстия симметрично распределены вдоль полого центра на образующей воздушную завесу плите 241, и число воздушных отверстий на одной стороне составляет от 2 до 6. Диаметр воздушных отверстий может составлять 10 см.

Как представлено на фиг. 2, генератор 240 воздушной завесы дополнительно содержит по меньшей мере один воздушный впуск 242 для введения газа-носителя в предварительную выращивающую трубу 210, и воздушный впуск 242 расположен на переднем конце предварительной выращивающей трубы 210.

Согласно одному варианту осуществления генератор 240 воздушной завесы содержит два воздушных впуска 242, которые распределены по обеим сторонам распылительной выпускной трубы 221. Воздушные впуски 242 могут присутствовать на фланце. Газ-носитель поступает в предварительную выращивающую трубу 210 через воздушные впуски 242 и образует воздушный поток, равномерно распределенный в одинаковом направлении через образующие воздушную завесу плиты 241, которые содержат от 1 до 4 слоев.

Согласно одному варианту осуществления полный поток газа-носителя, впускаемого из генератора 240 воздушной завесы регулируют в диапазоне от 1 до 20 л/мин.

После того, как газообразный исходный материал поступает в предварительную выращивающую трубу 210, сначала необходимо разложение предшественника катализатора с образованием атомов каталитического железа. Затем требуется разложение ускорителя для высвобождения атомов серы, и эти атомы серы могут взаимодействовать с кластером частиц катализатора, чтобы регулировать распределение по размерам частиц катализатора и в результате этого регулировать диаметр структуры углеродных нанотрубок. Наконец, источник углерода разлагается, и углеродные нанотрубки растут на частицах катализатора. При этом все температурные диапазоны разложения предшественника катализатора, разложения ускорителя и разложения источника углерода являются различными. Чтобы обеспечить хорошее протекание реакции и качество углеродных нанотрубок, оказывается необходимым регулирование температуры реакции в различных областях внутри предварительной выращивающей трубы 210 и выращивающей трубы 230 с образованием температурного градиента.

Согласно одному варианту осуществления реакция, включающая разложение предшественника катализатора и разложение ускорителя, осуществляется в предварительной выращивающей трубе 210, а реакция, включающая разложение источника углерода и рост углеродных нанотрубок, осуществляется в выращивающей трубе 230. Таким образом, температура внутри предварительной выращивающей трубы 210 отличается от температуры внутри выращивающей трубы 230.

Согласно одному варианту осуществления температура внутри предварительной выращивающей трубы 210 находится в диапазоне от 200 до 950°С; температура внутри выращивающей трубы 230 находится в диапазоне от 1100 до 1600°С.

Как представлено на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба 210 соединяется с выращивающей трубой 230 посредством трубчатого первого теплоизоляционного элемента 250.

Первый теплоизоляционный элемент 250 используют для уменьшения взаимного влияния между температурой предварительной выращивающей трубы 210 и температурой выращивающей трубы 230. Чтобы обеспечить разложение источника углерода, температура в выращивающей трубе 230 должна достигать диапазона от 1100 до 1600°С. В заднем конце предварительной выращивающей трубы температура, требуемая для разложения ускорителя, как правило, находится в диапазоне от 700 до 950°С. Существует определенная разность температур между предварительной выращивающей трубой 210 и выращивающей трубой 230. Чтобы обеспечить относительную независимость температуры в каждой области и предотвратить соответствующее взаимное влияние, предварительная выращивающая труба 210 находится на определенном расстоянии от выращивающей трубы 230 и соединяется с выращивающей трубой 230 посредством первого теплоизоляционного элемента 250, который выполняет теплоизоляционную функцию, уменьшая взаимное влияние между различными областями.

Согласно одному варианту осуществления первый теплоизоляционный элемент 250 состоит из теплоизоляционного материала, и диаметр первого теплоизоляционного элемента 250 является таким же, как диаметр выращивающей трубы 230 и предварительной выращивающей трубы 210. Первый теплоизоляционный элемент 250 герметично соединяется с выращивающей трубой 230 и предварительной выращивающей трубой 210, соответственно.

Согласно одному варианту осуществления первый теплоизоляционный элемент 250 состоит из высокотемпературного теплоизоляционного материала, который может представлять собой один материал из кирпича с высоким содержанием оксида алюминия, корунда, магнийсодержащего кирпича и высокотемпературного огнеупорного волокна.

Согласно одному варианту осуществления первый теплоизоляционный элемент 250 имеет диаметр в диапазоне от 50 до 500 мм и длину в диапазоне от 50 до 200 мм.

Как представлено на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления предварительная выращивающая труба 210 разделена на сегменты и содержит по меньшей мере первый предварительный выращивающий сегмент 211 и второй предварительный выращивающий сегмент 212. Первый предварительный выращивающий сегмент 211 представляет собой сегмент вблизи переднего конца, и второй предварительный выращивающий сегмент 212 представляет собой сегмент вблизи заднего конца. Первый предварительный выращивающий сегмент 211 представляет собой реакционную зону, в которой разлагается предшественник катализатора, и второй предварительный выращивающий сегмент 212 представляет собой реакционную зону, в которой разлагается ускоритель. Температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента 211 отличается от температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента 212.

Согласно одному варианту осуществления температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента 211 находится в диапазоне от 200 до 300°С. температура внутри второго предварительного выращивающего сегмента 212 находится в диапазоне от 700 до 950°С.

Согласно одному варианту осуществления первый предварительный выращивающий сегмент 211 соединяется со вторым предварительным выращивающим сегментом 212 посредством второго теплоизоляционного элемента 260, чтобы уменьшать взаимное влияние температуры между первым предварительным выращивающим сегментом 211 и вторым предварительным выращивающим сегментом 212.

Согласно одному варианту осуществления второй теплоизоляционный элемент 260 состоит из теплоизоляционного материала. Диаметр второго теплоизоляционного элемента 260 является таким же, как диаметр первого предварительного выращивающего сегмента 211 и второго предварительного выращивающего сегмента 212. Две стороны второго теплоизоляционного элемента 260 герметично соединяются с первым предварительным выращивающим сегментом 211 и вторым предварительным выращивающим сегментом 212, соответственно.

Согласно одному варианту осуществления второй теплоизоляционный элемент 260 имеет диаметр в диапазоне от 50 до 500 мм и длину в диапазоне от 50 до 200 мм.

Как представлено на фиг. 2, первый температурный регулятор 271, второй температурный регулятор 272 и третий температурный регулятор 273 также находятся снаружи первого предварительного выращивающего сегмента 211, второго предварительного выращивающего сегмента 212 и выращивающей трубы 230, соответственно.

Первый температурный регулятор 271 используют для регулирования температуры внутри первого предварительного выращивающего сегмента 211, а именно, для регулирования температуры внутри первого предварительного выращивающего сегмента

211 в определенном диапазоне и обеспечения однородного температурного распределения в первом предварительном выращивающем сегменте 211.

Согласно одному варианту осуществления первый температурный регулятор 271 содержит первое нагревательное устройство и первое охлаждающее устройство. Первый температурный регулятор 271 дополнительно содержит ряд температурных датчиков, которые выполнены с возможностью измерения значения температуры внутри первого предварительного выращивающего сегмента 211.

Второй температурный регулятор 272 используют для регулирования температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента 212, а именно, для регулирования температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента 212 в определенном диапазоне и обеспечения однородного температурного распределения во втором предварительном выращивающем сегменте 212. Согласно одному варианту осуществления второй температурный регулятор 272 содержит второе нагревательное устройство и второе охлаждающее устройство. Второй температурный регулятор 272 дополнительно содержит ряд температурных датчиков, которые выполнены с возможностью измерения значения температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента 212.

Третий температурный регулятор 273 используют для регулирования температуры внутри выращивающей трубы 230, а именно, для регулирования температуры внутри выращивающей трубы 230 в определенном диапазоне и обеспечения однородного температурного распределения в выращивающей трубе 230. Согласно одному варианту осуществления третий температурный регулятор 273 содержит третье нагревательное устройство и третье охлаждающее устройство. Третий температурный регулятор 273 дополнительно содержит ряд температурных датчиков, которые выполнены с возможностью измерения значения температуры внутри выращивающей трубы 230.

Согласно одному варианту осуществления в первом нагревательном устройстве, втором нагревательном устройстве и третьем нагревательном устройстве могут быть использованы паровое нагревание, нагревание горячей водой, нагревание минеральным маслом, электромагнитное индукционное нагревание, резистивное нагревание и. т.д.

Согласно одному варианту осуществления в первом охлаждающем устройстве, втором охлаждающем устройстве и третьем охлаждающем устройстве могут быть использованы охлаждение хладагентом, охлаждение охлаждающей водой, охлаждение охлаждающим маслом и. т.д.

Согласно настоящему изобретению определена реакционная область, которая разделена на три части, представляющие собой первую предварительную выращивающую трубу, вторую предварительную выращивающую трубу и выращивающую трубу. Все сегменты разделены определенными промежутками, чтобы уменьшить взаимное влияние между ними. Посредством сегментированного регулирования улучшается точность установки температуры, что является благоприятным для точного регулирования процесса и улучшает качество углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления внутренняя стенка выращивающей трубы 230 снабжена уменьшающим липкость покрытием для предотвращения прикрепления наноматериала на внутренней стенке выращивающей трубы 230.

Согласно одному варианту осуществления уменьшающее липкость покрытие представляет собой оксид циркония или оксид цинка.

В ходе промышленного внедрения непрерывного производства углеродных нанотрубок это непрерывное производство оказывается невозможным вследствие разрушения углеродных нанотрубок, которое представляет собой наиболее важный фактор, препятствующий непрерывному производству углеродных нанотрубок. При этом адгезия и прилипание углеродных нанотрубок к стенке трубы представляют собой основные причины разрушения углеродных нанотрубок. Посредством получения устойчивого к высокой температуре уменьшающего липкость покрытия из оксида циркония или оксида цинка на внутренней стенке выращивающей трубы 230 достигается преимущество уменьшения адгезии и прилипания углеродных нанотрубок к стенке трубы.

Согласно одному варианту осуществления среднее арифметическое отклонение Ra профиля поверхностной шероховатости уменьшающего липкость покрытия находится в диапазоне от 0,1 мкм до 1 мкм.

Согласно одному варианту осуществления выращивающая труба 230 снабжена вентиляционными отверстиями для пропускания газа-носителя и образования газового защитного слоя на внутренней поверхности стенки выращивающей трубы, и вентиляционные отверстия пронизывают стенку выращивающей трубы 230 и распределены равномерно. Когда защитный газ присутствует вблизи внутренней стенки выращивающей трубы 230, может быть предотвращено прилипание углеродных нанотрубок, и это также представляет собой преимущество для определения направления движения углеродных нанотрубок и содействия сбору углеродных нанотрубок.

Согласно одному варианту осуществления угол, заключенный между аксиальным направлением вентиляционного отверстия и направлением прохождения выращивающей трубы, составляет менее чем 5 градусов, что позволяет газу-носителю образовывать газовый защитный слой на внутренней поверхности стенки.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующая углеродные нанотрубки система 200 может представлять собой конструкцию с горизонтальным распределением, то есть атомизатор 220, предварительная выращивающая труба 210 и выращивающая труба 230 последовательно расположены в горизонтальной ориентации.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующая углеродные нанотрубки система 200 может представлять собой конструкцию с вертикальным распределением, то есть атомизатор 220, предварительная выращивающая труба 210, и выращивающая труба 230 последовательно расположены в вертикальной ориентации. Таким образом, воздушная завеса, образованная генератором 240 воздушной завесы, распределяется параллельно по отношению к направлению силы тяжести.

Согласно одному варианту осуществления синтезирующая углеродные нанотрубки система 200 может представлять собой конструкцию с вертикальным распределением. Собирающая углеродные нанотрубки система 300 и выпускная система 400 могут находиться в конструкции с горизонтальным распределением для упрощения сбора углеродных нанотрубок.

Следует понимать, что в горизонтальной конструкции на газ воздействует сила тяжести, и, таким образом, оказывается затруднительным обеспечение того, что воздушная завеса может поддерживать абсолютный горизонтальный ламинарный поток в горизонтальном направлении. Однако при расположении синтезирующей углеродные нанотрубки системы 200 в вертикальной конструкции оказывается возможным преодоление воздействие силы тяжести и обеспечение абсолютного ламинарного потока воздушной завесы. Кроме того, воздействие силы тяжести может способствовать устойчивости направления воздушного потока в предварительной выращивающей трубе 210 и выращивающей трубе 230 и значительно улучшать устойчивость воздушного потока в системе. Это преимущество является недостижимым в случае горизонтальных систем.

При практическом применении вертикальная система может непрерывно работать вплоть до 15 часов и, таким образом, превосходит горизонтальную систему (обычно горизонтальная система может работать в течение приблизительно 5 часов непрерывного производства).

Материалы пленки нанотрубок, получаемые посредством производственной системы согласно настоящему изобретению, могут иметь удельную электропроводность в диапазоне от 5×10⁴ до 5×10⁵ См/м (при исследовании с помощью четырехточечного датчика удельного сопротивления) и прочность при растяжении в диапазоне от 80 до 200 МПа (при исследовании с помощью наноприбора для измерения при растяжении).

Технические признаки описанных выше вариантов осуществления могут быть объединены произвольным образом. Для краткости описания в нем не приведены все возможные сочетания технических признаков согласно представленным выше вариантам осуществления. Однако это следует считать находящимся в пределах объема настоящего описания при том условии, что в сочетании указанных технических признаков отсутствуют противоречия.

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.

Изобретение относится к производящей углеродные нанотрубки системе, содержащей предварительную выращивающую трубу для начальной предварительной реакции исходных материалов перед получением углеродных нанотрубок; атомизатор для атомизации исходных материалов углеродных нанотрубок и последующего распыления атомизированных исходных материалов в предварительную выращивающую трубу; при этом атомизатор присутствует на переднем конце предварительной выращивающей трубы и имеет распылительную выпускную трубу, которая проходит в предварительную выращивающую трубу; выращивающую трубу для производства углеродных нанотрубок и непрерывного выращивания производимых углеродных нанотрубок; при этом передний конец выращивающей трубы герметично присоединяется к заднему концу предварительной выращивающей трубы; и генератор воздушной завесы для образования воздушной завесы, окружающей атомизирующий воздушный поток вокруг выпуска распылительной выпускной трубы, причем воздушная завеса проходит параллельно по отношению к направлению продолжения предварительной выращивающей трубы; и при этом генератор воздушной завесы находится внутри предварительной выращивающей трубы. Предлагаемый способ позволяет осуществлять устойчивый синтез углеродных нанотрубок. 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Производящая углеродные нанотрубки система, содержащая:

предварительную выращивающую трубу для начальной предварительной реакции исходных материалов перед получением углеродных нанотрубок;

атомизатор для атомизации исходных материалов углеродных нанотрубок и последующего распыления атомизированных исходных материалов в предварительную выращивающую трубу; при этом атомизатор присутствует на переднем конце предварительной выращивающей трубы и имеет распылительную выпускную трубу, которая проходит в предварительную выращивающую трубу;

выращивающую трубу для производства углеродных нанотрубок и непрерывного выращивания производимых углеродных нанотрубок; при этом передний конец выращивающей трубы герметично присоединяется к заднему концу предварительной выращивающей трубы; и

генератор воздушной завесы для образования воздушной завесы, окружающей атомизирующий воздушный поток вокруг выпуска распылительной выпускной трубы, причем воздушная завеса проходит параллельно по отношению к направлению продолжения предварительной выращивающей трубы; и при этом генератор воздушной завесы находится внутри предварительной выращивающей трубы.

2. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 1, в которой генератор воздушной завесы содержит по меньшей мере одну образующую воздушную завесу плиту, которая снабжена множеством воздушных отверстий.

3. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 2, в которой образующая воздушную завесу плита имеет кольцевую форму, причем распылительная выпускная труба расположена в полом центре образующей воздушную завесу плиты; и при этом воздушные отверстия радиально распределены на образующей воздушную завесу плите.

4. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 2 или 3, в которой краевой контур образующей воздушную завесу плиты соответствует внутренней стенке предварительной выращивающей трубы, причем по меньшей мере некоторые из воздушных отверстий расположены в краевой области образующей воздушную завесу плиты таким образом, что образуется поток воздушной завесы, покрывающий внутреннюю стенку предварительной выращивающей трубы.

5. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 2 или 3, в которой генератор воздушной завесы дополнительно содержит по меньшей мере один воздушный впуск для введения газа-носителя в предварительную выращивающую трубу, и при этом воздушный впуск расположен на переднем конце предварительной выращивающей трубы.

6. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой предварительная выращивающая труба соединяется с выращивающей трубой посредством трубчатого первого теплоизоляционного элемента.

7. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 6, в которой:

температура внутри предварительной выращивающей трубы находится в диапазоне от 200 до 950°С; и

температура внутри выращивающей трубы находится в диапазоне от 1100 до 1600°С.

8. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой:

предварительная выращивающая труба содержит первый предварительный выращивающий сегмент и второй предварительный выращивающий сегмент;

первый предварительный выращивающий сегмент расположен вблизи переднего конца предварительной выращивающей трубы и второй предварительный выращивающий сегмент расположен вблизи заднего конца предварительной выращивающей трубы; и

температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента отличается от температуры внутри второго предварительного выращивающего сегмента.

9. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 8, в которой:

первый температурный регулятор находится снаружи первого предварительного выращивающего сегмента и второй температурный регулятор находится снаружи второго предварительного выращивающего сегмента; и

первый предварительный выращивающий сегмент соединяется со вторым предварительным выращивающим сегментом посредством второго теплоизоляционного элемента.

10. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 9, в которой:

первый температурный регулятор содержит первое нагревательное устройство и первое охлаждающее устройство; и

второй температурный регулятор содержит второе нагревательное устройство и второе охлаждающее устройство.

11. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 8, в которой:

температура внутри первого предварительного выращивающего сегмента находится в диапазоне от 200 до 300°С; и

температура внутри второго предварительного выращивающего сегмента находится в диапазоне от 700 до 950°С.

12. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой внутренняя стенка выращивающей трубы снабжена уменьшающим липкость покрытием для предотвращения прикрепления наноматериала на внутренней стенке выращивающей трубы.

13. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 12, в которой уменьшающее липкость покрытие представляет собой оксид циркония или оксид цинка.

14. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой выращивающая труба снабжена вентиляционными отверстиями для пропускания газа-носителя и образования газового защитного слоя на внутренней поверхности стенки выращивающей трубы, при этом вентиляционные отверстия пронизывают стенку выращивающей трубы и распределены равномерно.

15. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 14, в которой угол, заключенный между аксиальным направлением вентиляционного отверстия и направлением прохождения выращивающей трубы, составляет менее чем 5 градусов.

16. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой атомизатор содержит ультразвуковое атомизационное сопло для равномерного смешивания, атомизации и последующего распыления исходных материалов, а также ультразвуковой регулятор для регулирования интенсивности ультразвука.

17. Производящая углеродные нанотрубки система по любому из пп. 1-3, в которой синтезирующая наноматериалы система является вертикальной или горизонтальной.

18. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 17, в которой предварительная выращивающая труба и выращивающая труба расположены вертикально, причем атомизатор расположен вертикально вдоль направления прохождения предварительной выращивающей трубы и выращивающей трубы.

19. Производящая углеродные нанотрубки система по п. 18, в которой воздушная завеса распределена параллельно по отношению к направлению силы тяжести.