微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其包括：一容器，用于盛放微納米單元分散液，該微納米單元分散液包括溶劑以及微納米單元；一施壓裝置；以及一漸縮管道，所述漸縮管道內(nèi)徑沿著該漸縮管道的延伸方向逐漸變小，且所述漸縮管道的管壁上具有多個(gè)開(kāi)孔；該微納米單元分散液在壓力下從所述漸縮管道的入口向出口方向流動(dòng)；所述漸縮管道對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的微納米單元分散液形成一剪切流場(chǎng)，從而使該流動(dòng)的微納米單元分散液中的微納米單元在該剪切流場(chǎng)作用下沿著流動(dòng)方向有序排布；且所述漸縮管道還可以在該微納米單元沿著流動(dòng)方向有序排布后，在該該微納米單元分散液剪切流動(dòng)的同時(shí)逐漸去除該該微納米單元分散液的溶劑。
【專利說(shuō)明】
微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于微納米技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微納米材料的宏觀聚集體的制備 方法和制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯、碳納米管等微納米材料的宏觀聚集體中基本的結(jié)構(gòu)單元通常是微米尺度 的sp2碳結(jié)構(gòu)。這一微觀織構(gòu)特征決定了組裝材料在受力時(shí)需通過(guò)微納米結(jié)構(gòu)間相互作用 傳遞載荷。研究表明，微納米結(jié)構(gòu)的有序排布可以幫助層間的載荷的傳遞。但是，目前的抽 濾、紡絲等加工技術(shù)無(wú)法獲得微納米材料的高度有序、致密的宏觀聚集體，其組裝體微觀結(jié) 構(gòu)松散，結(jié)構(gòu)決定性能，所以獲得的材料性能與理想情況差距較大。
[0003] 大自然中，蜘蛛吐出的絲具有極強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度，是已知的性能最優(yōu)異的材料之 一，其組成的微觀單元高度有序排布。蜘蛛在吐絲瞬間，液態(tài)流動(dòng)產(chǎn)生剪切速度場(chǎng)使微觀組 成單元高度有序排布，因此具有優(yōu)異的性能?；诖?，本實(shí)用新型提出一種生物啟發(fā)的流 動(dòng)、蒸發(fā)組裝技術(shù)。通過(guò)控制蒸發(fā)、壓差和管道尺寸產(chǎn)生可控剪切流動(dòng)速度場(chǎng)使石墨烯、碳 納米管等基本微納米單元組裝成微觀結(jié)構(gòu)滿足上述要求的的宏觀聚集體。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型提供一種微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置。
[0005] -種微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其包括:一容器，所述容器用于盛放微 納米單元分散液，所述微納米單元分散液包括溶劑以及均勻分散于該溶劑中的微納米單 元;一施壓裝置，所述施壓裝置用于向該容器內(nèi)的微納米單元分散液施加壓力；以及一漸縮 管道，所述漸縮管道內(nèi)徑沿著該漸縮管道的延伸方向逐漸變小，且所述漸縮管道的管壁上 具有多個(gè)開(kāi)孔;該漸縮管道的內(nèi)徑較大的一端定義為入口，內(nèi)徑較小的一端定義為出口；所 述漸縮管道的入口與該容器連通，從而使該微納米單元分散液在所述施壓裝置的壓力下從 所述漸縮管道的入口向出口方向流動(dòng);所述漸縮管道對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的微納米單元分散液形 成一剪切流場(chǎng)，從而使該流動(dòng)的微納米單元分散液中的微納米單元在該剪切流場(chǎng)作用下沿 著流動(dòng)方向有序排布;且所述漸縮管道還可以在該微納米單元沿著流動(dòng)方向有序排布后， 保持該微納米單元分散液繼續(xù)流動(dòng)，并在該微納米單元分散液剪切流動(dòng)的同時(shí)逐漸去除該 微納米單元分散液的溶劑。
[0006] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述漸縮管道的材料為金屬、 陶瓷、玻璃、石英或聚合物;所述漸縮管道的橫截面形狀為圓形、橢圓形、三角形、正方形、長(zhǎng) 方形、或其他N邊形，N3 5。
[0007]如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述漸縮管道沿著長(zhǎng)度方向 分為的多段結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起。
[0008]如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，每一段管道為兩瓣或多瓣結(jié) 構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起。
[0009] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述入口通過(guò)一閥門與該容 器連通。
[0010] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述多個(gè)開(kāi)孔僅設(shè)置于所述 漸縮管道沿著長(zhǎng)度方向靠近出口的后段部分。
[0011] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述多個(gè)開(kāi)孔僅設(shè)置于所述 漸縮管道的一個(gè)或多個(gè)管壁上。
[0012] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述多個(gè)開(kāi)孔沿著徑向環(huán)繞 所述漸縮管道設(shè)置。
[0013] 如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述微納米材料的宏觀聚集 體的制備裝置進(jìn)一步包括一加熱裝置，用于加熱該漸縮管道內(nèi)的微納米單元分散液。
[0014]如上述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其中，所述微納米材料的宏觀聚集 體的制備裝置進(jìn)一步包括一冷凍裝置，用于冷凍該漸縮管道內(nèi)的微納米單元分散液。
[0015] 采用本實(shí)用新型提供的宏觀聚集體的制備裝置制備微納米材料的宏觀聚集體，具 有以下優(yōu)點(diǎn)：其一、通過(guò)控制漸縮流體管道的壓差可以控制管道中的剪切速率大小，從而控 制微納米單元排布有序性，因此，可以通過(guò)壓差和管道尺寸等外部條件控制流體管道中的 流場(chǎng)，進(jìn)而操縱微納米材料宏觀組裝體的微觀結(jié)構(gòu)有序性和密度。其二、微納米單元經(jīng)過(guò)剪 切流動(dòng)有序后，在剪切流動(dòng)的同時(shí)去除溶劑并保持剪切力不變，流動(dòng)和去除溶劑的協(xié)同效 應(yīng)使微納米單元的有序性不被破壞，從而確保了微納米材料的宏觀聚集體中的微納米單元 的有序性。其三、流體介質(zhì)容易獲得，管道加工技術(shù)成熟，適合批量生產(chǎn)，與其他自下而上的 技術(shù)相比，是一種高通量，低成本的技術(shù)，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0017] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0018] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0019] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的漸縮管道內(nèi)的流場(chǎng)分布示意圖。
[0020] 圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的漸縮管道內(nèi)的微納米單元的有序性與皮克列數(shù) (Peclet number)、剪切速率的關(guān)系圖。
[0021] 圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例無(wú)序分散于溶液中的微納米纖維單元經(jīng)過(guò)管道流場(chǎng)剪 切、蒸發(fā)后變?yōu)橛行?、致密結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果。
[0022] 圖7為不考慮溶劑的蒸發(fā)時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例的漸縮管道中的微納米單元分散 液所受到的壓強(qiáng)差沿著管道長(zhǎng)度x的分布以及與所述漸縮管道的管道梯度0的關(guān)系。
[0023] 圖8為不考慮溶劑的蒸發(fā)時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例的漸縮管道中的微納米單元分散 液所受到的剪切速率沿著管道長(zhǎng)度x的分布以及與所述漸縮管道的形狀、尺寸、梯度0以及 入口出口壓差A(yù)p的關(guān)系。
[0024] 圖9為考慮溶劑的蒸發(fā)時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例的漸縮管道中的微納米單元分散液 所受到的剪切速率沿著管道長(zhǎng)度X的分布以及與所述漸縮管道的梯度0的關(guān)系。
[0025] 主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0026] 如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下將結(jié)合上述附圖和不同實(shí)施例說(shuō)明本實(shí)用新型提供的微納米材料的宏觀聚 集體的制備方法和制備裝置。
[0028] 參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10包括： 一容器12、一施壓裝置14以及一漸縮管道16。
[0029]所述容器12用于盛放微納米單元分散液20。所述微納米單元分散液20包括溶劑22 以及均勻分散于該溶劑22中的微納米單元24。所述施壓裝置14與該容器12連接，用于向該 容器12內(nèi)的微納米單元分散液20施加壓力，從而使該微納米單元分散液20可以沿著所述漸 縮管道16流動(dòng)。所述漸縮管道16與該容器12連接，用于對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的微納米單元分散液 20形成一剪切流場(chǎng)，從而使該流動(dòng)的微納米單元分散液20中的微納米單元24在該剪切流場(chǎng) 作用下沿著流動(dòng)方向有序排布。而且，所述漸縮管道16還可以在該微納米單元24沿著流動(dòng) 方向有序排布后，保持該微納米單元分散液20繼續(xù)流動(dòng)，并在該微納米單元分散液20剪切 流動(dòng)的同時(shí)逐漸去除該微納米單元分散液20的溶劑22,從而在所述漸縮管道16內(nèi)得到一微 納米材料的宏觀聚集體26。
[0030] 所述容器12的形狀、大小和結(jié)構(gòu)不限，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)。所述容器12的材料可以 為金屬、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和強(qiáng)度的材料。
[0031] 所述施壓裝置14可以為任何可以向該容器12內(nèi)的微納米單元分散液20施加壓力 的裝置。所述施壓裝置14設(shè)置的位置不限，可以根據(jù)需要選擇。
[0032] 所述漸縮管道16的內(nèi)徑沿著該漸縮管道16的延伸方向逐漸變小。本實(shí)用新型將該 漸縮管道16的內(nèi)徑較大的一端定義為入口 160,內(nèi)徑較小的一端定義為出口 162。優(yōu)選地，所 述漸縮管道16的內(nèi)徑從入口 160至出口 162逐漸變小。所述漸縮管道16的入口 160通過(guò)一閥 門18與該容器12連通。所述漸縮管道16的入口 160和出口 162尺寸不限，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)。 所述漸縮管道16的材料可以為金屬、陶瓷、玻璃、石英或聚合物等具有一定硬度和強(qiáng)度的材 料。所述漸縮管道16的橫截面形狀不限，可以為圓形、橢圓形、三角形、正方形、長(zhǎng)方形、以及 其他N邊形，N35。所述漸縮管道16的長(zhǎng)度不限，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)。可以理解，所述漸縮管 道16的長(zhǎng)度需確保所述微納米單元分散液20在剪切流場(chǎng)作用下沿著流動(dòng)方向有序排布后， 保持該微納米單元分散液20繼續(xù)流動(dòng)，并在該微納米單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)逐漸去 除該微納米單元分散液20的溶劑22。優(yōu)選地，所述漸縮管道16為相對(duì)于所述溶劑22的無(wú)滑 移流體管道。所述漸縮管道16沿著長(zhǎng)度方向的截面可以為兩條間隔設(shè)置的直線或弧線。所 述漸縮管道16的梯度影響流動(dòng)蒸發(fā)的時(shí)間，這也影響最終的形貌。梯度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致剪切不 充分，可能不會(huì)高度有序。所述漸縮管道16的梯度與長(zhǎng)度以及出入口 160直徑是相關(guān)的。所 述漸縮管道16可以為一體結(jié)構(gòu)也可以為分體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述漸縮管道16采用分體結(jié)構(gòu)， 以便于后續(xù)將沉積于其內(nèi)壁的微納米材料的宏觀聚集體26取出來(lái)，以及對(duì)其內(nèi)壁進(jìn)行清 洗。優(yōu)選地，所述漸縮管道16可以沿著長(zhǎng)度方向分為的多段結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起。進(jìn)一 步，每一段管道還可以為兩瓣或多瓣結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起?？梢岳斫?，所述漸縮管道16 也可以為其他非漸縮管道的一部分，只要在該漸縮管道16的部分可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目 的即可。
[0033]所述漸縮管道16的管壁上具有多個(gè)開(kāi)孔164,用于去除該微納米單元分散液20的 溶劑22。所述開(kāi)孔164形狀不限，可以為圓形、橢圓形、三角形、正方形、長(zhǎng)方形等。所述開(kāi)孔 164的尺寸和密度可以根據(jù)所述微納米單元24的尺寸選擇。通過(guò)所述開(kāi)孔164的尺寸和密度 可以控制去除該微納米單元分散液20的溶劑22的速率。優(yōu)選地，所述開(kāi)孔164沿著該漸縮管 道16的延伸方向的尺寸應(yīng)該大于所述微納米單元24的最大尺寸，例如一維微納米材料的長(zhǎng) 度，以防止所述微納米單元24隨著溶劑22從該開(kāi)孔164流出去?？梢岳斫?，一定范圍內(nèi)的少 許微納米單元流出也可以接受。所述多個(gè)開(kāi)孔164可以沿著徑向環(huán)繞所述漸縮管道16設(shè)置， 也可以僅設(shè)置于所述漸縮管道16的一個(gè)或多個(gè)管壁上?？梢岳斫?，當(dāng)所述微納米單元分散 液20進(jìn)入所述漸縮管道16后，需要流動(dòng)一段時(shí)間才能夠使所述微納米單元分散液20在剪切 流場(chǎng)作用下沿著流動(dòng)方向有序排布。因此，在所述漸縮管道16靠近入口 160的前段部分，不 需要設(shè)置開(kāi)孔164。也就是說(shuō)，所述多個(gè)開(kāi)孔164可以沿著軸向/長(zhǎng)度方向僅設(shè)置于所述漸縮 管道16靠近出口 162的后段部分。
[0034] 參見(jiàn)圖2,所述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10還可以包括一加熱裝置17， 用于加熱該漸縮管道16內(nèi)的微納米單元分散液20。所述加熱裝置17的結(jié)構(gòu)和設(shè)置位置不 限，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)。
[0035] 參見(jiàn)圖3,所述微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10還可以包括一冷凍裝置19， 用于冷凍該漸縮管道16內(nèi)的微納米單元分散液20。所述冷凍裝置19的結(jié)構(gòu)和設(shè)置位置不 限，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)。
[0036] 所述溶劑22可以為水和有機(jī)溶劑中的一種或多種。所述溶劑22也可以為熔化的聚 合物或金屬。所述有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者多種。所述微納 米單元24可以為一維微納米材料和二維微納米材料中的一種或多種。所述一維微納米材料 可以為微納米管、微納米線、微納米棒以及微納米帶中的一種或多種。所述二維微納米材料 為微納米片、微納米片膜和微納米層中的一種或多種。所述微納米單元分散液20中還可以 進(jìn)一步包括分散劑或表面活性劑，從而使所述微納米單元24均勻分散，不發(fā)生團(tuán)聚。所述微 納米單元24可以通過(guò)超聲均勻分散在溶劑22里。
[0037]以下介紹采用本實(shí)用新型提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10或10A制 備微納米材料的宏觀聚集體26的方法，該方法包括:使該微納米單元分散液20從所述漸縮 管道16的入口 160向出口 162方向流動(dòng)；以及使該微納米單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)去除 溶劑22。優(yōu)選地，該微納米單元24經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)并沿著流動(dòng)方向有序排布后，再使該微納米 單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)去除溶劑22。
[0038]上述方法中，所述微納米單元分散液20在所述漸縮管道16內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中在徑向 充滿整個(gè)漸縮管道16。優(yōu)選地，所述漸縮管道16為相對(duì)于所述溶劑22的無(wú)滑移流體管道。由 于靠近所述漸縮管道16管壁的流體容易受到管壁的剪切力，而位于所述漸縮管道16中心的 流體不容易受到管壁的剪切力，本實(shí)用新型更優(yōu)選地，所述溶劑22具有一定的黏度，從而使 得所述漸縮管道16內(nèi)每一處的流體都能受到剪切力。所述去除溶劑22的方法為使溶劑22通 過(guò)所述多個(gè)開(kāi)孔164滲透出去，或通過(guò)加熱使溶劑22從所述多個(gè)開(kāi)孔164蒸發(fā)出去。所述漸 縮管道16的入口 160和出口 162之間形成壓強(qiáng)差。可以理解，通過(guò)該壓強(qiáng)差可以控制該微納 米單元分散液20的流量以及獲得的微納米材料的宏觀聚集體26的密度。所述獲得的微納米 材料的宏觀聚集體26可以從所述漸縮管道16的出口 162處取出，或通過(guò)將所述漸縮管道16 打開(kāi)取出。
[0039]以下介紹本實(shí)用新型提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備方法的原理。
[0040] 當(dāng)所述微納米單元分散液20從所述漸縮管道16的入口 160通入之后，所述漸縮管 道16內(nèi)的微納米單元分散液20的速度分布如圖4所示。此時(shí)，速度的梯度為剪切速率，所述 漸縮管道16平均剪切速率Y可以用以下公式(1)描述：
[0041] y=Q/dw2 (1)
[0042]其中Q是所述微納米單元分散液20的流量，d和w分別為所述漸縮管道16的深度和 寬度。由此可見(jiàn)，在同等流量的情況下，所述漸縮管道16徑向尺寸越小，可以獲得更高的剪 切速率。其中，所述微納米單元分散液20的流量由所述漸縮管道16的尺寸和兩端的壓差控 制。而所述漸縮管道16兩端的壓差通過(guò)所述施壓裝置14控制。因此，所述漸縮管道16的流場(chǎng) 分布可以通過(guò)調(diào)控所述漸縮管道16的尺寸和所述施壓裝置14來(lái)進(jìn)行調(diào)控。
[0043]所述漸縮管道16內(nèi)的流體中的微納米單元24受到剪切流場(chǎng)的剪切力和熱擾動(dòng)。二 者的強(qiáng)度比可以用皮克列數(shù)Pe進(jìn)行衡量，表示為公式(2):
[0044] Pe = y/D (2)
[0045] 其中D是衡量熱擾動(dòng)效應(yīng)大小的微納米單元24的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)。皮克列數(shù)與剪切 速率為線性關(guān)系。所述漸縮管道16內(nèi)的流體中的微納米單元24的有序性與皮克列數(shù)緊密相 關(guān)，在二維情況下，有序性0用如下公式(3)表示：
[0046] 〇 = <2cos20
[0047] 其中0是所述微納米單元24軸向與流速方向的夾角。當(dāng)無(wú)序分布時(shí)，0的取值為0; 當(dāng)極限有序時(shí)9 = 〇,〇的取值為1。如圖5所示，在不考慮微納米單元24慣性效應(yīng)的情況下， 剪切速率越大，皮克列數(shù)越大，有序性越高。因此，可以通過(guò)控制流場(chǎng)剪切速率來(lái)控制皮克 列數(shù)，進(jìn)而調(diào)所述微納米單元24宏觀組裝體的有序性。
[0048] 當(dāng)所述微納米單元24在所述漸縮管道16中經(jīng)剪切有序后，保持流體流動(dòng)并開(kāi)始去 除溶劑22，即，所述溶劑22通過(guò)開(kāi)孔164排出所述漸縮管道16。由于所述漸縮管道16中溶劑 22的減少，導(dǎo)致流量的減少，采用漸縮管道可以保持流動(dòng)剪切速率，從而保持流體中的微納 米單元24的有序性。同時(shí)，由于溶劑22的減少，流體中的微納米單元24的濃度增大，從而獲 得致密的微納米材料的宏觀聚集體26。參見(jiàn)圖6,為本實(shí)用新型實(shí)施例無(wú)序分散于溶液中的 微納米纖維單元經(jīng)過(guò)管道流場(chǎng)剪切、蒸發(fā)后變?yōu)橛行?、致密結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果。
[0049] 所述漸縮管道16的形狀、尺寸、壓強(qiáng)、剪切速率的關(guān)系分析如下。假設(shè)入口 160處的 壓強(qiáng)為Pi，出口 162處的壓強(qiáng)為p2，入口 160的高度為匕，出口 162的的高度為h2。那么所述漸 縮管道16的壓差為Ap =pi - p2。
[0050] 不考慮溶劑22的蒸發(fā)時(shí)，所述漸縮管道16中的剪切速率分布為：
[0052]其中，上式(4)中y是所述微納米單元分散液20的粘性。圖7為所述漸縮管道16中的 微納米單元分散液20所受到的壓強(qiáng)差沿著管道長(zhǎng)度x的分布以及與所述漸縮管道16的管道 梯度0的關(guān)系，其中。圖8為所述漸縮管道16中的微納米單元分散液20所受 到的剪切速率沿著管道長(zhǎng)度x的分布以及與所述漸縮管道16的形狀、尺寸、梯度0以及入口 出口壓差A(yù)p的關(guān)系，其中，圖8中舉了5個(gè)實(shí)例說(shuō)明它們的關(guān)系。
[0053]考慮溶劑22的蒸發(fā)時(shí)，所述漸縮管道16中的剪切速率分布如圖9所示。如圖9邊界 虛線所示，當(dāng)沒(méi)有溶劑22沿著漸縮管道16蒸發(fā)時(shí)，由于是漸縮管道，剪切速率從入口 160到 出口 162不斷增加。如圖9邊界實(shí)線所示，當(dāng)溶劑22到達(dá)出口 162全部蒸發(fā)完畢時(shí)，剪切速率 從入口 160到出口 162不斷減小，且出口 162處的剪切速率為0。其他情形都落在虛線和實(shí)線 包絡(luò)的區(qū)域。圖9分別給出了三種不同梯度0下，所述漸縮管道16中的剪切速率分布的對(duì)比。 可以看到，管道梯度0越大，剪切速率分布變化也越劇烈。
[0054]可以理解，采用本實(shí)用新型的方法可以將所述漸縮管道16中有序分布的微納米單 元24處的溶劑22全部去除，得到一微納米材料的宏觀聚集體26。可以理解，溶劑22全部去除 后得到的微納米材料的宏觀聚集體26容易吸附于所述漸縮管道16內(nèi)壁上，而不易與所述漸 縮管道16分離。采用本實(shí)用新型的方法也可以等所述漸縮管道16中有序分布的微納米單元 24達(dá)到一定濃度值之后取出來(lái)得到一預(yù)制體，再加熱該預(yù)制體。該預(yù)制體容易與所述漸縮 管道16分離。所述微納米單元24排列的有序性可以通過(guò)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方式來(lái)確定。該有 序分布的微納米單元24的濃度可以通過(guò)測(cè)定入口 160處的微納米單元分散液20濃度和溶劑 22的總蒸發(fā)量確定。
[0055]本實(shí)用新型提供的微納米材料的宏觀聚集體的制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一、通 過(guò)控制漸縮流體管道的壓差可以控制管道中的剪切速率大小，從而控制微納米單元排布有 序性，因此，可以通過(guò)壓差和管道尺寸等外部條件控制流體管道中的流場(chǎng)，進(jìn)而操縱微納米 材料宏觀組裝體的微觀結(jié)構(gòu)有序性和密度。其二、微納米單元經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)有序后，在剪切 流動(dòng)的同時(shí)去除溶劑并保持剪切力不變，流動(dòng)和去除溶劑的協(xié)同效應(yīng)使微納米單元的有序 性不被破壞，從而確保了微納米材料的宏觀聚集體中的微納米單元的有序性。其三、流體介 質(zhì)容易獲得，管道加工技術(shù)成熟，適合批量生產(chǎn)，與其他自下而上的技術(shù)相比，是一種高通 量，低成本的技術(shù)，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0056]以下為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例 [0057] 實(shí)施例1
[0058] 參見(jiàn)圖1，為本實(shí)用新型實(shí)施例1采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10。 本實(shí)施例中，所述容器12為矩形鋼制容器。所述施壓裝置14為一活塞，通過(guò)活塞向該容器12 底部運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)該容器12內(nèi)的微納米單元分散液20施加壓力。本實(shí)施例中，所述漸縮管道 16的為橫截面為圓形的石英管。所述多個(gè)開(kāi)孔164為圓形，且沿著徑向環(huán)繞所述漸縮管道16 設(shè)置。所述多個(gè)開(kāi)孔164為微米級(jí)尺寸。所述微納米單元分散液20通過(guò)將石墨烯分散于水中 形成。
[0059] 本實(shí)施例中，制備微納米材料的宏觀聚集體26的方法為:首先，將石墨烯的微納米 單元分散液20置于所述容器12內(nèi)；其次，打開(kāi)閥門18，并通過(guò)所述施壓裝置14使所述微納米 單元分散液20從所述漸縮管道16的入口 160向出口 162方向流動(dòng);然后，所述微納米單元24 經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)后沿著流動(dòng)方向有序排布后，在該微納米單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)通過(guò) 開(kāi)孔164滲透去除溶劑22,從而得到一石墨烯有序且致密排列的微納米材料的宏觀聚集體 26，且該微納米材料的宏觀聚集體26沉積在所述漸縮管道16的內(nèi)壁上;最后，打開(kāi)所述漸縮 管道16將該微納米材料的宏觀聚集體26取出來(lái)。
[0060] 實(shí)施例2
[0061]參見(jiàn)圖2,為本實(shí)用新型實(shí)施例2采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10A。 本實(shí)用新型實(shí)施例2采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10A與本實(shí)用新型實(shí)施例1 采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別為，所述漸縮管道 16的為橫截面為方形，且所述多個(gè)開(kāi)孔164僅設(shè)置與所述漸縮管道16的頂面上;進(jìn)一步，一 加熱裝置17設(shè)置于所述漸縮管道16的外表面。本實(shí)施例中，所述加熱裝置17為加熱電阻絲， 其纏繞在所述漸縮管道16的外表面。該電阻絲的相鄰兩匝之間間隔設(shè)置，且所述多個(gè)開(kāi)孔 164設(shè)置于相鄰的兩匝之間。
[0062]本實(shí)施例中，所述微納米單元分散液20通過(guò)將碳納米管分散于乙醇中形成。所述 制備微納米材料的宏觀聚集體26的方法為:首先，將碳納米管的微納米單元分散液20置于 所述容器12內(nèi)；其次，打開(kāi)閥門18，并通過(guò)所述施壓裝置14使所述微納米單元分散液20從所 述漸縮管道16的入口 160向出口 162方向流動(dòng);然后，所述微納米單元24經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)后沿 著流動(dòng)方向有序排布后，在該微納米單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)加熱蒸發(fā)去除溶劑22， 從而得到一碳納米管有序且致密排列的微納米材料的宏觀聚集體26。進(jìn)一步，本實(shí)施例中， 通過(guò)一夾子將所述微納米材料的宏觀聚集體26從出口 162抽出來(lái)形成一微納米材料纖維。 可以理解，只要一邊將出口 162-側(cè)的微納米材料的宏觀聚集體26抽出，一邊從入口 160- 側(cè)注入新的微納米單元分散液20，就可以連續(xù)不斷的制備微納米材料纖維。
[0063] 實(shí)施例3
[0064] 參見(jiàn)圖3,為本實(shí)用新型實(shí)施例3采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10B。 本實(shí)用新型實(shí)施例3采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10B與本實(shí)用新型實(shí)施例1 采用的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置10的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別為，所述多個(gè)開(kāi)孔 164僅設(shè)置與所述漸縮管道16的中間一段;進(jìn)一步，一冷凍裝置19設(shè)置于所述漸縮管道16靠 近出口 162的一段。所述漸縮管道16對(duì)應(yīng)該冷凍裝置19的一段沒(méi)有開(kāi)孔164。
[0065] 本實(shí)施例中，所述微納米單元分散液20通過(guò)將碳納米管分散于水中形成。所述制 備微納米材料的宏觀聚集體26的方法為:首先，將碳納米管的微納米單元分散液20置于所 述容器12內(nèi)；其次，打開(kāi)閥門18，并通過(guò)所述施壓裝置14使所述微納米單元分散液20從所述 漸縮管道16的入口 160向出口 162方向流動(dòng);然后，所述微納米單元24經(jīng)過(guò)剪切流動(dòng)后沿著 流動(dòng)方向有序排布后，在該微納米單元分散液20剪切流動(dòng)的同時(shí)通過(guò)開(kāi)孔164滲透去除溶 劑22,從而得到一碳納米管有序排列的微納米單元分散液20;當(dāng)該微納米單元分散液20中 的碳納米管濃度達(dá)到一定值之后，通過(guò)冷凍裝置19將該微納米單元分散液20冷凍形成一預(yù) 制體28,然后將該預(yù)制體28取出后，通過(guò)升華去除殘留的溶劑22,得到微納米材料的宏觀聚 集體26。
[0066]另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本實(shí)用新型精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本實(shí)用 新型精神所做的變化，都應(yīng)包含在本實(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其包括： 一容器，所述容器用于盛放微納米單元分散液； 一施壓裝置，所述施壓裝置用于向該容器內(nèi)的微納米單元分散液施加壓力；以及 一漸縮管道，所述漸縮管道內(nèi)徑沿著該漸縮管道的延伸方向逐漸變小，且所述漸縮管 道的管壁上具有多個(gè)開(kāi)孔;該漸縮管道的內(nèi)徑較大的一端定義為入口，內(nèi)徑較小的一端定 義為出口；所述漸縮管道的入口與該容器連通，從而使該微納米單元分散液在所述施壓裝 置的壓力下從所述漸縮管道的入口向出口方向流動(dòng);所述漸縮管道對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)的微納米 單元分散液形成一剪切流場(chǎng)，從而使該流動(dòng)的微納米單元分散液中的微納米單元在該剪切 流場(chǎng)作用下沿著流動(dòng)方向有序排布;且所述漸縮管道還可以在該微納米單元沿著流動(dòng)方向 有序排布后，保持該微納米單元分散液繼續(xù)流動(dòng)，并在該微納米單元分散液剪切流動(dòng)的同 時(shí)逐漸去除該微納米單元分散液的溶劑。2. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述漸縮管 道的材料為金屬、陶瓷、玻璃、石英或聚合物;所述漸縮管道的橫截面形狀為圓形、橢圓形、 三角形、正方形、長(zhǎng)方形、或其他N邊形，N35。3. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述漸縮管 道沿著長(zhǎng)度方向分為的多段結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起。4. 如權(quán)利要求3所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，每一段管道 為兩瓣或多瓣結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組裝在一起。5. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述入口通 過(guò)一閥門與該容器連通。6. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述多個(gè)開(kāi) 孔僅設(shè)置于所述漸縮管道沿著長(zhǎng)度方向靠近出口的后段部分。7. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述多個(gè)開(kāi) 孔僅設(shè)置于所述漸縮管道的一個(gè)或多個(gè)管壁上。8. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述多個(gè) 開(kāi)孔沿著徑向環(huán)繞所述漸縮管道設(shè)置。9. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述微納米 材料的宏觀聚集體的制備裝置進(jìn)一步包括一加熱裝置，用于加熱該漸縮管道內(nèi)的微納米單 兀分散液。10. 如權(quán)利要求1所述的微納米材料的宏觀聚集體的制備裝置，其特征在于，所述微納 米材料的宏觀聚集體的制備裝置進(jìn)一步包括一冷凍裝置，用于冷凍該漸縮管道內(nèi)的微納米 單兀分散液。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK205653167SQ201620376237
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日 公開(kāi)號(hào)201620376237.4, CN 201620376237, CN 205653167 U, CN 205653167U, CN-U-205653167, CN201620376237, CN201620376237.4, CN205653167 U, CN205653167U
【發(fā)明人】徐志平, 高恩來(lái)
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)