一种碳纳米管生产设备及其制备碳纳米管的方法与流程

1.本发明涉及碳纳米管生产技术领域，尤其是指一种碳纳米管生产设备及其制备碳纳米管的方法。


背景技术：

2.碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2-20nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
3.现有技术使用浮动催化剂法制备碳纳米管时一般是使用蠕动泵或者针筒通过管道将原料通入加热炉内，使原料在加热炉内反应生长出碳纳米管，由于加热炉体积很大，其内部温度很高，原料进入罐内后马上进行反应，反应后的产物经常分布于加热炉内的各个位置，后期难以收集产物，一般需要采用吸尘器协助收集碳纳米管。另一方面，由于加热炉内存在加热区和非加热区，加热区为反应温区，非加热区温度较低，反应原料通入加热炉内时，部分反应原料会附着于非加热区的炉壁上无法生成碳纳米管，而部分反应原料会附着于非加热区和加热区界限之间的炉壁上，这部分反应原料反应生成的碳纳米管与位于加热区反应生成的碳纳米管质量差异较大，因此，采用现有技术制备碳纳米管的方法存在碳纳米管品质不可控的问题。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于提供一种碳纳米管生产设备，以解决现有浮动催化剂法制备碳纳米管难以收集碳纳米管产品的技术问题。
5.本发明的第二目的在于提供一种制备碳纳米管的方法，以解决现有技术制备碳纳米管的方法存在碳纳米管品质不可控的问题。
6.本发明的第一目的采用如下技术方案：
7.一种碳纳米管生产设备，其特征在于，包括：
8.立式加热炉，所述立式加热炉包括加热区和非加热区；
9.炉管，所述炉管设于立式加热炉内，所述炉管顶部设置开口；
10.反应罐，所述反应罐活动设于炉管内，所述反应罐开设有进料口，所述反应罐设置有与进料口相适配的密封盖，所述反应罐还设置有第二进气口和第二出气口，所述第二进气口和第二出气口均设置有阀门；
11.驱动组件，所述驱动组件连接反应罐用于驱动反应罐升降，所述驱动组件设于立式加热炉外。
12.本发明的第二目的采用如下技术方案：
13.一种采用上述的碳纳米管生产设备制备碳纳米管的方法，其包括如下步骤：
14.步骤一、向反应罐内通入反应原料，然后盖上密封盖；
15.步骤二、通过第二进气口向反应罐内通入惰性气体，使反应罐内的空气从第二出气口排出，然后关闭第二进气口和第二出气口的阀门；
16.步骤三、立式加热炉的加热区对炉管进行加热使炉管内的温度达到反应温度；
17.步骤四、驱动组件驱动反应罐下降至加热区，反应罐内的反应原料受热反应，在反应罐内生长出碳纳米管。
18.其中，步骤二中，将反应罐内的空气排出后，关闭炉管顶部的开口，然后通过炉管底部的第一进气口持续向炉管内通入惰性气体，使炉管内的空气从法兰上的第一出气口排出。
19.其中，向炉管内通入惰性气体前，先通过立式加热炉对连接所述第一进气口的进气管及进气管中的惰性气体进行预热。
20.其中，还包括步骤五、反应结束后，通过驱动组件驱动反应罐上升至立式罐的非加热区，降温后取出反应罐，然后对碳纳米管进行收集。
21.其中，所述反应原料为二茂化合物，所述二茂化合物包括二茂铁、二茂钴、二茂镍中的至少一种。
22.其中，所述反应原料包括二茂化合物和苯的同系物组成的混合溶液。
23.其中，所述苯的同系物包括苯、甲苯、二甲苯中的至少一种。
24.其中，所述反应原料还包括噻吩、硫粉中的至少一种。
25.其中，步骤三中，所述反应温度为800-1200℃，所述反应温度可以为800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃等。
26.其中，步骤四中，所述反应原料受热反应的反应时间为5-20min，所述反应时间可以为5min、10min、15min、20min等。
27.其中，步骤四中，反应过程中的压力为1-5mpa，所述压力可以为1mpa、2mpa、3mpa、4mpa、5mpa等。
28.本发明的有益效果：
29.本发明的生产设备通过在炉管内活动设置体积较小的反应罐，并通过驱动组件驱动反应罐升降，方便工作人员向反应罐内添加反应原料以及收集反应后的碳纳米管产品，不需要采用吸尘器辅助收集碳纳米管产品，有利于提高收集效率。
30.本发明制备碳纳米管的方法，由于反应原料是先通入反应罐内再进入加热区进行加热，不会出现部分反应原料通入加热炉后粘附于加热炉的非加热区域无法生成碳纳米管的现象，本发明的反应原料可完全进行反应生成碳纳米管，产率更高，且均匀受热，生成的碳纳米管质量稳定且均一可控。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例的整体结构示意图；
1200℃，然后通过驱动组件5驱动反应罐3下降至加热区11的位置，反应罐3位于加热区11内时，反应罐3内的原料受热发生反应在反应罐3内生长出碳纳米管。反应结束后，通过驱动组件5驱动反应罐3上升至立式加热罐的非加热区12，降温后取出反应罐3，工作人员对反应罐3内的碳纳米管进行收集，本发明通过在炉管2内活动设置体积较小的反应罐3，并通过驱动组件5驱动反应罐3升降，方便工作人员向反应罐3内添加反应原料以及收集反应后的碳纳米管产品，不需要采用吸尘器辅助收集碳纳米管产品，有利于提高收集效率。
47.进一步地，所述进料口开设于反应罐3的顶部，所述密封盖4的下部与进料口卡接配合，所述密封盖4侧壁上部的外周设置连接环41，所述连接环41朝向进料口的下端面与反应罐3进料口处的上端面抵接。一方面，使密封盖4与反应罐3的进料口卡接更牢固，密封盖4不会掉入反应罐3内，另一方面，有利于提高密封盖4的密封效果，避免外部空气从密封盖4侧壁和进料口之间的缝隙进入反应罐3内。
48.为了进一步提高密封盖4和反应罐3之间配合的稳固性以及提高反应罐3进料口和密封盖4之间的密封性，所述反应罐3的进料口处设置有与密封盖4底部抵接的抵接环42。
49.为了更好的提高密封盖4的密封效果，所述密封盖4的侧壁及底部均设置有石墨密封层43。
50.进一步地，所述驱动组件5包括设于立式加热炉1外的支架51、转动设于支架51上的盘线轮52、一端连接盘线轮52且盘绕于盘线轮52上的升降绳53以及设于支架51上用于驱动盘线轮52转动的电机，所述升降绳53的另一端连接反应罐3。使用时，通过电机驱动盘线轮52转动，使盘线轮52上的升降绳53收放，进而达到升降反应罐3的目的，操作简单，有利于提高工作效率。
51.进一步地，所述炉管2的顶部设置有用于关闭开口的法兰6，所述法兰6上开设有供升降绳53穿过的穿孔(图中未标示)，所述法兰6上设置第一出气口61，所述炉管2的底部设置第一进气口21。
52.通过设置上述结构，使用时，第一进气口21连接进气管22，向炉管2内通入惰性气体，使炉管2内的空气从第一出气口61排出，避免反应罐3反应时炉管2内的空气进入反应罐3内影响反应的进行，确保反应罐3内的原料反应时，不会有空气进入反应罐3内部，保证反应的正常进行，也能确保生成的碳纳米管的质量保持均一。
53.进一步地，所述第一进气口21连接进气管22，所述进气管22的一端由立式加热炉1的顶部穿过立式加热炉1内壁和炉管2外壁之间的间隙且连接第一进气口21。由于惰性气体进入炉管2内部之前先通过立式加热炉1的加热区11进行预热，进而使惰性气体通入炉管2内后不会影响炉管2内的反应温度，更有利于控制反应温度，避免由于温度的变化而影响生成的碳纳米管的质量的均一性。
54.进一步地，所述立式加热炉1的加热区11通过硅碳棒(图中未示出)进行加热。
55.进一步地，反应罐3的密封盖4为不锈钢盖，所述反应罐3为不锈钢罐。
56.实施例2
57.一种采用实施例1的碳纳米管生产设备制备碳纳米管的方法，其包括如下步骤：
58.步骤一、通过驱动组件驱动反应罐运动至炉管顶部的开口处，然后通过反应罐的进料口向反应罐内通入反应原料，并盖上密封盖，接着通过螺栓和螺钉对密封盖进行固定。
59.步骤二、第二进气口连接用于通惰性气体的气管，然后通过第二进气口向反应罐
内通入惰性气体，使反应罐内的空气从第二出气口排出，待反应罐内的空气完全排出后，关闭第二进气口和第二出气口的阀门；
60.接着通过驱动组件驱动反应罐下降至立式加热炉的非加热区，然后固定好炉管顶部开口处的法兰，使炉管顶部的开口关闭，惰性气体通过进气管和第一进气口持续通入炉管内，使炉管内的空气通过法兰的第一出气口排出炉管。具体的，向炉管内通入惰性气体前，先通过立式加热炉对连接所述第一进气口的进气管及进气管中的惰性气体进行预热，使后续通入炉管内的惰性气体温度与炉管内的反应温度保持一致。
61.具体的，所述惰性气体为氮气或氩气。
62.步骤三、立式加热炉的加热区对炉管相应的部位进行加热使炉管内位于加热区部分的温度达到反应温度；
63.步骤四、驱动组件驱动反应罐下降至加热区，反应罐内的反应原料受热反应，在反应罐内生长出碳纳米管。
64.步骤五、反应结束后，通过驱动组件驱动反应罐上升至立式罐的非加热区，打开法兰，降温后将反应罐从炉管内取出，然后对反应罐内的碳纳米管进行收集。
65.本发明的方法制备碳纳米管时，通过先将碳纳米管通入反应罐内，然后再通过驱动组件驱动反应罐下降至位于加热区的位置，使反应原料只能在体积较小的反应罐内进行反应并生长碳纳米管，反应结束后，通过驱动组件驱动反应罐上升至非加热区，降温后即可取出反应罐对碳纳米管进行收集，收集方便，效率高。另一方面，由于反应原料是先通入反应罐内再进入加热区进行加热，反应原料可完全进行反应生成碳纳米管，产率更高，且均匀受热，生成的碳纳米管质量稳定且均一可控。
66.本发明的方法在制备碳纳米管时，对向炉管内持续通入惰性气体，使炉管内的空气被排至炉管外，避免炉管内的空气进入反应罐内影响反应罐内反应的正常进行，有利于提高碳纳米管生产过程中的安全性。
67.本发明的方法在向炉管内通入惰性气体前，先对惰性气体进行预热，提高惰性气体的温度，避免由于通入炉管内的温度过低导致惰性气体进入炉管内时使炉管内的温度下降，预热后的惰性气体通入炉管内可以保持炉管内的反应温度不受影响，确保炉管内的温度保持在反应温度的范围内，保证生成的碳纳米管质量稳定且均一。
68.其中，所述反应原料为二茂铁和二甲苯组成的混合溶液。
69.其中，步骤三中，所述反应温度为1000℃，在其它实施例中，所述反应温度可以为800℃、900℃、1100℃或1200℃。
70.其中，步骤四中，所述反应原料受热反应的反应时间为10min，在其它实施例中，所述反应时间可以为5min、15min或20min。由于本发明的方法是在密闭环境下制备碳纳米管，反应原料在受热时气化形成的反应气体不会外逸至反应罐外部，使反应原料充分反应，反应效率更高，所需反应时间更短，产率更高。
71.其中，步骤四中，反应过程中的压力为3mpa，在其它实施例中，压力可以为1mpa、2mpa、4mpa或5mpa。
72.上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。