[发明专利]用于产生长碳纳米管的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及纳米技术和产生纳米结构领域，具体地，涉及一种用于产生碳纳米管的方法和设备并且可以用来高强度复合碳纤维以及汽车和/或飞机工业中使用的复合材料部件。

背景技术

众所周知的是，碳纳米管是单壁或多壁圆柱形结构，其中圆柱形壁的每一层是石墨状碳原子片材(石墨烯)。

碳纳米管由于其包括小尺寸的直径、圆柱形结构和高形状因子(碳纳米管的长度与其直径的比值)的化学和结构特性的原因而具有复杂的独特性质。碳纳米管的特征在于非凡的高强度(大约150GPa)、杨氏模量(大约600GPa)、低密度(大约2g/cm³)、高化学稳定性、热导率和电导率。

碳纳米管的重要几何特性是若干碳单分子层/壁、外直径、内孔的直径、长度、形状因子。

用于产生碳纳米管的主要方法是电弧、激光、电解和催化方法。工业中常用的是催化方法，其允许使用相对简单的装备，提供连续合成模式，产生高产率碳纳米管(Ando Y.,Zhao X.,Sugai T.,Kumar M.Growing carbon nanotubes//Materials Today,2004,рр.22-29)。该方法的实质在于，含碳气体(碳前驱体)在500℃-1500℃的温度下在金属催化剂上分解。该过程通过两种方法之一执行：通过在衬底上或者在气流中生长纳米管(Mordkovich V.Z.Ultrahigh-strength carbon nanofibers//Chemical industry today,2003,No.2,pp.12-21)。

碳纳米材料，尤其是碳纳米管基础上的纤维是用于各种不同的应用的最有前途的材料之一，所述应用即用于制造传感器、显示器，用于计算机和蜂窝电话的锂碳电池，用于电子工业的起动电容器，生物材料，吸附材料和储氢系统。然而，碳纳米管在开发用于不同目的的结构和功能复合材料以及高强度和高模量碳复合细丝中具有最实际的应用。在宏观水平上使用碳纳米管的主要问题在于其有限的长度。因此，开发一种用于生长长碳纳米管(不小于若干毫米)的方法是出现相应等级的结构和功能材料的必要条件。

本领域中已知一种用于产生长取向纳米纤维管束(bundle)的方法(2010年6月27日公布的俄罗斯专利No.2393276)在于，在其高温预处理之后将碳纳米纤维生长催化剂引入到反应器中，将反应区加热到馈送到反应器中且包括含硫和含氧化合物基础上的促进剂的含碳蒸汽-气体混合物的热解温度，将反应区保持在热解温度下，直到所述管束形成，然后冷却反应器。含碳蒸汽-气体混合物的线性馈送速度处于从20mm/s到300mm/s的范围内。催化剂的高温预处理在1200-1300℃的温度下在空气或惰性气体流中执行，热解温度处于从1000℃到1150℃的范围内，并且含碳气体混合物为由氢、芳香族化合物和链烷烃和/或烯烃组成的混合物，其中链烷烃和/或烯烃的体积小于气体总体积的30％。该方法的主要缺点在于，这个过程不是连续的。而且，不是所有组成管束的纳米纤维为纳米管，因为它们并非都具有圆柱形结构。

技术上最接近要求保护的方法的是一种用于通过在竖流式反应器中将包含0.45wt％的噻吩的正己烷催化分解为促进剂而产生长单壁碳纳米管股线(strand)的方法，其中催化剂(二茂铁)以悬浮物的形式引入液体碳氢化合物中(WO/2003/072859,IPC C01B31/02,2003)。该最接近的方法的缺点是：从反应器中连续移除获得的纳米管的有限可能性，因为纳米管在反应器的底部以“柔性烟”的形式被固定化，并且只能通过拉伸加捻而移除；以及还有获得的材料的单壁结构，这使得使用获得的材料产生高强度复合碳纤维和复合材料所需的进一步的化学和热处理是困难的。而且，该已知的方法不提供获得的产品的足够的质量，因为长度高于5cm的纳米管在得到的股线中几乎没有取向，即纳米管在股线中不充分平行并且甚至是缠结的。

最接近要求保护的设备的是一种用于产生碳纳米管的设备，该设备包括：用于将含碳成分、促进剂以及碳纳米管生长催化剂前驱体引入到载气流中以形成这些成分的混合物的装置；竖式反应器，其具有工作腔室；用于将工作腔室加热到操作温度的装置；用于将所述混合物输送至反应器的工作腔室的装置；以及用于从工作腔室中移除产品的装置(WO/2003/072859,IPC C01B31/02,2003)。该已知的设备具有与最接近的方法相同的缺点。

发明内容