專(zhuān)利名稱(chēng)：一種由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體及其合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)碳納米管新的存在形式及其合成方法，具體 是一種由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體及其合成方法。
背景技術(shù)：
作為一種新型的納米材料，碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)與電 子能帶結(jié)構(gòu)帶來(lái)了優(yōu)異的機(jī)械性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能以及電磁性能等，這些優(yōu)異的性能 使碳納米管存在著極大的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從而引起了科研人員的極大關(guān)注，早期的理論和 實(shí)驗(yàn)研究大多集中于微觀(guān)尺度的單根碳納米管或碳納米管束。近年來(lái)，隨著應(yīng)用研究的不 斷深入和現(xiàn)有的較多高技術(shù)領(lǐng)域，如航空航天、精密機(jī)械與功能紡織、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、場(chǎng) 發(fā)射、電磁屏蔽、吸波及化學(xué)吸附等對(duì)不同宏觀(guān)形態(tài)碳納米管的需求，各種不同宏觀(guān)形態(tài)的 碳納米管產(chǎn)物相繼被發(fā)現(xiàn)并被應(yīng)用，如最先制備出來(lái)的碳納米管產(chǎn)物主要呈現(xiàn)粉末狀或團(tuán) 絮狀，之后將粉末狀或團(tuán)絮狀的碳納米管進(jìn)行壓制后又獲得了碳納米管膜或碳納米管塊 體。此后不久，直接呈現(xiàn)纖維狀的碳納米管又被發(fā)現(xiàn)?；?qū)⑻技{米管均勻分散于溶劑中后， 再將其進(jìn)行過(guò)濾、蒸發(fā)等沉積形式后，又可得到不同厚度的碳納米管薄膜。隨著碳納米管制 備與應(yīng)用研究的不斷推進(jìn)，對(duì)在宏觀(guān)形態(tài)上呈現(xiàn)透明、管狀并由碳納米管組成的宏觀(guān)管連 續(xù)體的需求越來(lái)越迫切。如該宏觀(guān)管連續(xù)體可以進(jìn)行收縮而成為連續(xù)的碳納米管纖維，對(duì) 其進(jìn)行基底吸附又可獲得碳納米管薄膜，長(zhǎng)時(shí)間的吸附又可得不同厚度的碳納米管塊體。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，由碳納米管組成的宏觀(guān)管連續(xù)體目前還處于研究 的探索階段。英國(guó)劍橋大學(xué)的Alan H. Windle等在《Science》(科學(xué))2004年第304期 276 頁(yè)和 2007 年第 318 期 1892 頁(yè)發(fā)表了《Direct spinning of carbon nanotube fibers from chemical vapordeposition synthesis))(化學(xué)氣相沉積法直接纏繞碳納米管纖維) 和《High-performance carobnnanotube fiber》(高強(qiáng)度碳納米管纖維)兩文，在這兩篇 文獻(xiàn)中，碳納米管氣凝膠首先被提出并被利用，他們通過(guò)反應(yīng)爐內(nèi)的纏繞機(jī)構(gòu)可將反應(yīng)管 內(nèi)生成的碳納米管氣凝膠凝縮成連續(xù)的碳納米管纖維。但它們卻沒(méi)有將氣凝膠直接變成連 續(xù)、透明的宏觀(guān)管狀物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明發(fā)展了碳納米管氣凝膠，將該氣凝膠制備成了連續(xù)、透明并在宏觀(guān)上呈現(xiàn) 管狀的碳納米管宏觀(guān)管連續(xù)體(實(shí)物照片見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖1，微觀(guān)結(jié)構(gòu)見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖2)。從 而為制備連續(xù)的碳納米管纖維、大面積的碳納米管薄膜和大體積的碳納米管塊體提供了極 大的方便。本發(fā)明的原料簡(jiǎn)單易得，成本低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，無(wú)明顯易燃 危險(xiǎn)原料；產(chǎn)物易于處理，收率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以連續(xù)化操作，適于大量生產(chǎn)。本發(fā)明涉及一種由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體，該宏觀(guān)管連續(xù)體是透明 的，連續(xù)的，直徑在5-35mm間，密度為0. lgcm_3，由碳納米管組成。表面能低于73X 10_3Nm 2 的物質(zhì)或它們之間的混合物，如甲醇、乙醇、丙酮或它們間的混合物，與該宏觀(guān)管連續(xù)體接
3觸都會(huì)被吸附。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明涉及的一種由碳納米管組成的透明宏 觀(guān)管連續(xù)體的合成方法，包括如下步驟步驟一，在純度99.8%，直徑10_40mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛 細(xì)管，毛細(xì)管均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為4-16根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 5-lmm,并在各毛細(xì) 管內(nèi)通入氮?dú)猓獨(dú)饬髁喀摩│?Γ1 ；步驟二，將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1600-1750°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮 氣，氮?dú)饬髁縧O-lOOLh—1 ；步驟三，本發(fā)明生成碳納米管的反應(yīng)溶液配方參照專(zhuān)利CN 10151444A(由正己 烷、二茂鐵、噻酚等組成)，氮?dú)庠诜磻?yīng)器中通入10分鐘后，將反應(yīng)溶液以0. δ-δπι πι η-1的 速率，并在氮?dú)獾膸胂峦ㄈ敕磻?yīng)器中；反應(yīng)器中通入反應(yīng)溶液1分鐘后，反應(yīng)管的入口 處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉管內(nèi)的碳納米管氣凝膠被帶 離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率在 δ-δΟππιι η-1之間。將該連續(xù)體進(jìn)行各種簡(jiǎn)單處理后即可得連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜和塊 體等。本發(fā)明具有如下的有益效果由于采用了 1600-1750°c的極高反應(yīng)溫度，當(dāng)反應(yīng) 溶液進(jìn)入反應(yīng)管的入口后，在該溫度條件下生成的碳納米管保持氣凝膠狀態(tài)。且剛玉管內(nèi) 通入的液體反應(yīng)溶液及載氣的輸入使剛玉管內(nèi)的壓力高于反應(yīng)管外部的常壓，從而可使剛 玉管內(nèi)的氣凝膠不斷的被推至剛玉管的出口。另外由于反應(yīng)管的傳熱作用，反應(yīng)管壁部的 溫度總是低于反應(yīng)管的中心，所以，生成的碳納米管氣凝膠在能量最低原理的作用下總是 趨于靠近反應(yīng)管的壁部向出口方向運(yùn)動(dòng)，出口處的溫度低于入口處，所以運(yùn)動(dòng)的碳納米管 氣凝膠在出口處即固化凝結(jié)。從而生成由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體，被推至反應(yīng) 管外的宏觀(guān)管連續(xù)體又在反應(yīng)管出口處安裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流作用下，不斷的向前運(yùn)動(dòng)， 從而使該連續(xù)體不斷的被合成。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單易行，得到的碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體可以連續(xù)的制備。并且 可以通過(guò)剛玉反應(yīng)管出口處安裝的毛細(xì)管、反應(yīng)溫度、反應(yīng)溶液的通入速率和載氣的流量 方便的控制該透明宏觀(guān)管連續(xù)體的制備速率。由于該宏觀(guān)管連續(xù)具有粘性，故將其經(jīng)過(guò)簡(jiǎn) 單的后續(xù)處理后，即可得到連續(xù)的碳納米管纖維、薄膜或塊體等。所得透明宏觀(guān)管連續(xù)體 的密度為0. lgcm—3，使用其制備得到的纖維、薄膜和塊體等產(chǎn)物也就具有較輕的重量，從而 為其應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。本發(fā)明的原料簡(jiǎn)單易得，成本低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；采用氮?dú)?保護(hù)，無(wú)明顯易燃危險(xiǎn)原料；產(chǎn)物易于處理，收率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，適于 大量生產(chǎn)。


圖1是連續(xù)、透明并在宏觀(guān)上呈現(xiàn)管狀的碳納米管宏觀(guān)管連續(xù)體的實(shí)物2是連續(xù)、透明并在宏觀(guān)上呈現(xiàn)管狀的碳納米管宏觀(guān)管連續(xù)體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1在純度99.8%，直徑IOmm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管，毛細(xì)管 均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為4根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 5mm，并在各毛細(xì)管內(nèi)通入氮?dú)?，?氣流量SLtT1 ；將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1600°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)?，氮?dú)?流量IOLtT1 ；將由正己烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液以0. SmlmirT1的速率并在氮?dú)獾膸?入下通入剛玉反應(yīng)器中，反應(yīng)溶液的具體配方參照專(zhuān)利CN 10151444A ；反應(yīng)器中通入反應(yīng) 溶液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉 管內(nèi)的碳納米管氣凝膠在1600°C的高溫、液體反應(yīng)溶液的氣化、載氣的輸入和反應(yīng)出口處 安裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流的協(xié)同作用下被帶離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處 噴出碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率為S-SmmirT1之間，宏觀(guān)管的直徑在 5-8mm之間。實(shí)施例2在純度99.8%，直徑IOmm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管，毛細(xì)管 均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為8根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 5mm，并在各毛細(xì)管內(nèi)通入氮?dú)猓?氣流量IOLtT1 ；將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1650°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)?，氮?dú)?流量SOLtT1 ；將由正己烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液以ImlmirT1的速率并在氮?dú)獾膸?下通入剛玉反應(yīng)器中，反應(yīng)溶液的具體配方參照專(zhuān)利CN 10151444A ；反應(yīng)器中通入反應(yīng)溶 液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉管 內(nèi)的碳納米管氣凝膠在1650°C的高溫、液體反應(yīng)溶液的氣化、載氣的輸入和反應(yīng)出口處安 裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流的協(xié)同作用下被帶離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴 出碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率為S-ISmmirT1之間，宏觀(guān)管的直徑在 5-8mm之間。實(shí)施例3在純度99. 8%，直徑20mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管，毛細(xì)管 均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為8根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 5mm，并在各毛細(xì)管內(nèi)通入氮?dú)?，氮?dú)?流量ISLtT1 ；將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1650°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)?，氮?dú)?流量SOLtT1 ；將由正己烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液以aiilmirT1的速率并在氮?dú)獾膸?下通入剛玉反應(yīng)器中，反應(yīng)溶液的具體配方參照專(zhuān)利CN 10151444A ；反應(yīng)器中通入反應(yīng)溶 液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉管 內(nèi)的碳納米管氣凝膠在1650°C的高溫、液體反應(yīng)溶液的氣化、載氣的輸入和反應(yīng)出口處安 裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流的協(xié)同作用下被帶離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴 出碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率為lO^OmmirT1之間，宏觀(guān)管的直徑在 10-15mm 之間。實(shí)施例4在純度99. 8%，直徑30mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管，毛細(xì)管 均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為12根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 8mm，并在各毛細(xì)管內(nèi)通入氮?dú)?，?br> 5氣流量ZOIir1 ；將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1700°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)?，氮?dú)?流量SOLtT1 ；將由正己烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液以3. SmlmirT1的速率并在氮?dú)獾膸?入下通入剛玉反應(yīng)器中，反應(yīng)溶液的具體配方參照專(zhuān)利CN 10151444A ；反應(yīng)器中通入反應(yīng) 溶液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉 管內(nèi)的碳納米管氣凝膠在1700°C的高溫、液體反應(yīng)溶液的氣化、載氣的輸入和反應(yīng)出口處 安裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流的協(xié)同作用下被帶離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處 噴出碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率為20-35-^1之間，宏觀(guān)管的直徑 在18-25mm之間。實(shí)施例5在純度99. 8%，直徑40mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管，毛細(xì)管 均勻分布于剛玉管出口處，根數(shù)為16根，毛細(xì)管內(nèi)徑1mm，并在各毛細(xì)管內(nèi)通入氮?dú)?，氮?dú)?流量SOLtT1 ；將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1750°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)?，氮?dú)饬?量lOOIiT1 ；將由正己烷、二茂鐵、噻酚組成的反應(yīng)溶液以SmlmirT1的速率并在氮?dú)獾膸?下通入剛玉反應(yīng)器中，反應(yīng)溶液的具體配方參照專(zhuān)利CN 10151444A ；反應(yīng)器中通入反應(yīng)溶 液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉管 內(nèi)的碳納米管氣凝膠在1750°C的高溫、液體反應(yīng)溶液的氣化、載氣的輸入和反應(yīng)出口處安 裝的毛細(xì)管內(nèi)的氣流的協(xié)同作用下被帶離反應(yīng)管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴 出碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該連續(xù)體的速率為35-50-^1之間，宏觀(guān)管的直徑在 25-35mm^f0]o
權(quán)利要求
1.一種由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體，其特征在于該宏觀(guān)管連續(xù)體是透明，連續(xù)的，直徑在5-35mm間，密度為0. lgcm_3，由碳納米管組成。 表面能低于73X 10_3Nm 2的物質(zhì)或它們之間的混合物，如甲醇、乙醇、丙酮或它們間的混合 物，與該宏觀(guān)管連續(xù)體接觸都會(huì)被其吸附。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體的合成方法，其特征在于包 括以下具體步驟步驟一，在純度99. 8%，直徑10-40mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口處安裝石英毛細(xì)管， 毛細(xì)管均勻分布于剛玉管出口，毛細(xì)管根數(shù)為4-16根，毛細(xì)管內(nèi)徑0. 5-lmm,并在各毛細(xì)管 內(nèi)通入氮?dú)猓獨(dú)饬髁喀摩│?Γ1 ；步驟二，將剛玉管反應(yīng)器的溫度升高至1600-1750°C后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通入氮?dú)猓?氮?dú)饬髁縧O-lOOLh—1 ；步驟三，本發(fā)明生成碳納米管的反應(yīng)溶液配方參照專(zhuān)利CN 10151444A(由正己烷、二 茂鐵、噻酚等組成)，氮?dú)庠诜磻?yīng)器中通入10分鐘后，將反應(yīng)溶液以0. δ-δπι πι η-1的速率， 并在氮?dú)獾膸胂峦ㄈ敕磻?yīng)器中；反應(yīng)器中通入反應(yīng)溶液1分鐘后，反應(yīng)管的入口處可得 到氣態(tài)的碳納米管氣凝膠，繼續(xù)通入反應(yīng)溶液，則剛玉管內(nèi)的碳納米管氣凝膠被帶離反應(yīng) 管的入口處而連續(xù)的在反應(yīng)管的出口處噴出由碳納米管組成的透明宏觀(guān)管連續(xù)體，生成該 連續(xù)體的速率在δ-δΟπιπ ιΓ1之間。
全文摘要
一種涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的碳納米管透明宏觀(guān)管連續(xù)體及其合成方法，該宏觀(guān)管透明連續(xù)，直徑為5-35mm，密度為0.1gcm-3，由碳納米管組成。表面能低于73×10-3Nm-2的物質(zhì)與其接觸會(huì)被吸附。合成方法如下步驟在純度99.8％，直徑10-40mm的臥式剛玉管反應(yīng)器的出口安裝毛細(xì)管并通氮?dú)猓划?dāng)反應(yīng)器溫度升至1600-1750℃后，連續(xù)的在反應(yīng)器中通氮?dú)?；再將反?yīng)溶液以0.5-5mlmin-1的速率通入反應(yīng)器，1分鐘后，反應(yīng)管入口可得氣凝膠，繼續(xù)通反應(yīng)溶液，氣凝膠被帶離反應(yīng)管的入口并在出口噴出宏觀(guān)管連續(xù)體，噴出速率5-50mmin-1；本發(fā)明的原料簡(jiǎn)單易得，成本低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，無(wú)明顯易燃危險(xiǎn)原料；產(chǎn)物易于處理，收率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，適于大量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/00GK102070134SQ201010230938
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者吳子平, 李明茂, 王智祥, 胡英燕, 黎業(yè)生 申請(qǐng)人:江西理工大學(xué)