[发明专利]碳纳米管材料的反应炉管及生长装置和方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管材料的反应炉管及生长装置和方法。所述反应炉管包括沿物料行进方向的注入段、生长段和输出段；所述注入段的管腔内还设置有整流装置，所述整流装置能够使所述物料相比于未设置所述整流装置时，流动方向更加趋近于所述反应炉管的轴向，且流动速率在所述反应炉管的径向方向上更加均匀分布；所述生长段的材质为第一材质，所述输出段的至少内表面为与碳纳米管气凝胶之间的粘性低于所述第一材质的第二材质。本发明提供的碳纳米管材料的生长装置以及方法有利于气体的均匀化以及提升生长平稳性，显著降低了碳纳米管的挂壁和粘连现象，极大地提高了碳纳米管材料制备的连续性和均匀性。

技术领域

本发明涉及无机碳材料制备技术领域，尤其涉及一种碳纳米管材料的反应炉管及生长装置和方法。

背景技术

碳纳米管纤维是由众多纳米级碳纳米管沿其轴向排布形成的宏观材料，碳纳米管纤维因单根碳纳米管独特的一维管状结构而具有优异力学、电学、热学、化学稳定性性能，在航空航天、国防军事、能源等领域具有重要的应用前景。目前制备碳纳米管纤维常用三种方法：湿法纺丝法、阵列纺丝法、浮动催化气相沉积纺丝法，其中浮动催化气相沉积纺丝法主要包括碳源/催化剂供给系统、高温反应腔室、碳纳米管气凝胶纤维化装置以及纤维连续收集系统。该方法能够连续宏量制备碳纳米管纤维，操作简单，制备成本低，量大，是未来实现产业化的一种重要制备方法。但是在制备过程中，碳纳米管纤维会存在粗细不均匀、单根纤维不同位置性能差异较大、纤维收集长度较短等问题，极大影响后期应用。

在提升碳纳米管纤维的均匀、连续制备方面，近年来已有部分学者做了相关方面的研究工作，如中国专利(CN110592726A)公开了一种CVD法制备连续碳纳米管纤维的方法及其装置，该装置主要是通过多针头将液态碳源注入到反应炉管内，多针头分流能增大反应液与载气的接触面积，从而提高反应物的活性。中国专利(CN111020747A)涉及到一种基于浮动催化CVD法连续制备碳纳米管纤维的系统及方法，通过提前将液态碳源/催化剂气化成气态，再精确可控且均匀、稳定、连续的气态碳源进行供给，进而实现均匀碳纳米管纤维的连续制备。

在浮动催化气相沉积法制备碳纳米管纤维的过程中，还存在着许多问题，以上方案均对反应原料的注入做了优化，而未对碳纳米管的生长阶段进行优化，未考虑碳纳米管生长阶段的复杂化学反应和物理相互作用而导致纤维的不连续以及均匀性较差的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管材料的反应炉管及生长装置和方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种碳纳米管材料的反应炉管，包括沿物料行进方向依次分布的注入段、生长段以及输出段；所述物料包括碳纳米管生长所需的工艺气体及被所述工艺气体携带的反应原料；

所述注入段的管腔内还设置有整流装置，所述整流装置能够使所述物料相比于未设置所述整流装置时，流动方向更加趋近于所述反应炉管的轴向，且流动速率在所述反应炉管的径向方向上更加均匀分布；

所述生长段的材质为第一材质，所述输出段的至少内表面为与碳纳米管气凝胶之间的粘性低于所述第一材质的第二材质。

第二方面，本发明还提供一种一种碳纳米管材料的生长装置，所述生长装置包括上述的反应炉管以及与所述反应炉管的注入段密闭连接的注入组件，用于向所述注入段内注入碳纳米管生长所需的工艺气体及反应原料；

所述注入组件包括反应原料注入通道、工艺气体注入通道以及连接法兰，所述连接法兰密封固设于所述注入段的端口，所述反应原料注入通道和工艺气体注入通道贯穿所述连接法兰并与所述所述反应炉管的管腔相连通。

第三方面，本发明还提供一种碳纳米管材料的生长设备，所述生长设备包括上述生长装置以及与所述生长装置中的反应炉管的输出段相连接的收集装置，用于收集所述反应炉管中生长出的碳纳米管气凝胶；以及，设置于所述反应炉管周围，用于至少控制所述反应炉管的生长段温度的加热装置。