[发明专利]用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用其制备碳纳米管纤维的方法

说明书

本发明涉及并提供了一种用于制备碳纳米管纤维的装置。所述装置包括：具有反应区的垂直反应器；由内管和外管构成的同心套管入口管，所述内管向所述反应区中注入包含纺丝溶液和第一气体的纺丝原料，所述外管形成了包围所述内管的同心环形部分并且通过所述同心环形部分向反应区中注入第二气体；用于加热所述反应区的加热器；以及布置在所述反应区的底部的碳纳米管纤维排出单元。其中，通过所述入口管的内管流入反应区的上部的纺丝原料从反应区的上部流向其下部并被碳化和石墨化，从而形成由碳纳米管的连续聚集体形成的碳纳米管纤维。通过所述入口管的外管流入反应区的上部的第二气体从反应区的上部流向其下部并形成包围碳纳米管的连续聚集体的外周的气帘。根据本发明的装置使由于反应器内壁积垢的污染最小化并且有利于制备的碳纳米管纤维的顺利排出。因此。其优选用于连续工艺。

技术领域

本申请要求于2014年10月28日提交的韩国专利申请第2014-0147158号的优选权的权益，通过引用将其全部内容并入本文。

本发明涉及一种用于制备碳纳米管纤维的装置以及使用该装置制备碳纳米管纤维的方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)是直径为几纳米至几十纳米以及长度为几百微米至几毫米的碳的同素异形体。自从Iijima博士于1991年在Nature上首次报道碳纳米管的合成以来，碳纳米管由于其优异的热、电以及物理性质以及高长径比，已在各个领域得到展开研究。碳纳米管的该固有特性归因于碳的sp²键合。碳纳米管比钢更强且比铝轻，并显示可与金属媲美的高导电性。取决于其具有多少壁，可将碳纳米管大体分为单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)以及多壁碳纳米管(MWNT)。取决于其对称性/手性，可将碳纳米管分为锯齿形、椅形和手性构象。

目前大多数研究已针对将以粉末形式的碳纳米管的分散液(dispersion)用作复合材料的增强剂以及使用碳纳米管的分散液制备透明导电膜。在一些应用中碳纳米管已实现商业化。碳纳米管的分散液对于碳纳米管在复合材料以及透明导电膜中的应用很重要。然而，碳纳米管由于其强的范德华力导致的高内聚强度使得难以在保持其分散性的同时以高浓度分散碳纳米管。另外，在使用碳纳米管作为增强剂的复合材料中，不能充分展现碳纳米管的优异的特性。

在这种情况下，近来已广泛开展将碳纳米管加工成纤维的研究以制备充分展现碳纳米管特性的碳纳米管结构。

使用含有碳纳米管以及分散剂的分散液来制备碳纳米管纤维的方法主要基于凝固纺丝(coagulation spinning)、液晶纺丝(liquid-crystalline spinning)和直接纺丝(direct spinning)。

根据凝固纺丝，当将含碳纳米管以及分散剂的分散液引入聚合物溶液中时，分散剂从分散液移动到聚合物溶液而聚合物进入分散液取代分散剂充当粘合剂。

液晶纺丝利用了碳纳米管的溶液在特定的条件下形成液晶的能力。这种方法的优点在于可以制备良好排列的碳纳米管纤维，但其缺点在于为形成碳纳米管的液晶需要非常低的纺丝速度以及苛刻的条件。

根据图1中说明的直接纺丝，碳源和催化剂与载气一起通过在熔炉的顶部形成的入口被引入垂直竖立的熔炉中，碳纳米管在熔炉中合成，碳纳米管的聚集体以及载气下降到熔炉的底部，并且碳纳米管的聚集体在熔炉的内部(参见图1中的A)或外部(参见图1中的B)卷绕得到纤维。该方法在以下方面优于其他方法：可以最大20米/分钟至30米/分钟的纺丝速度大量制备碳纳米管纤维。然而，由于纤维颗粒的特性，碳纳米管纤维颗粒可能再次缠绕或聚集在一起并易于附着到熔炉壁上。因为这些原因，很难轻易排出碳纳米管纤维颗粒。