一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法技術

一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，選擇以氣態(tài)或可氣化的含碳原料，將可被電離成等離子體的氣體作為載氣，使用旋轉進氣的方式，以載氣帶動碳源通過等離子體區(qū)域進行裂解反應，從而得到高性能的納米碳材料；介質阻擋放電發(fā)生器中采用高速氣流通過等離子體，短停留時間；電弧放電發(fā)生器采用低速氣流循環(huán)，長停留時間；制備的納米碳材料在其中的停留時間在0.01-360s間；采用旋風分離器、濾袋來收集反應物，載氣和部分未裂解原料氣可回收循環(huán)。

【技術實現步驟摘要】
一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法
本專利技術涉及一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，具體采用介質阻擋放電“引弧”來增強電弧放電的技術制備高性能的納米碳材料的方法。高性能的納米碳材料可用于涂料、橡膠增強、油墨、電子元件等方面。
技術介紹
碳納米材料是指具有成相或晶粒結構的長度≤100nm的材料。它包括具有顆粒尺寸為1-100nm的超微粒子材料和由納米超微粒子組成的納米固體材料。目前，經全球科學界的大量充分有效的研究，合成碳納米材料的方法已有各種開發(fā)應用，如具有宏觀量合成的石墨電弧法、化學氣相沉積法（催化裂解法）以及激光蒸發(fā)法等，其制備的材料特性也存在極大差異，有碳納米顆粒、無定形碳、碳納米球、碳納米管和碳納米管粒子及催化劑粒子等，其中尤以網狀具有螺旋、管狀結構的碳納米管性能特別突出，其質.輕、近六邊形完美一維結構，以及本身所具有的奇特力學、電磁學和化學性能，借助納米材料本身的自組裝效應、小尺寸和量子及表面效應，與其他材料復合，廣泛應用于場發(fā)射電子源用微型電子元件（如納米線、納米棒、納米電子開關、記憶元件等）、納米儲氫材料、超大容量雙電層電容材料、微型零件（如微型齒輪、分子線圈、活塞、泵）、隱形飛機的雷達吸波材料、光導材料、非線性光學材料、軟鐵磁性材料和分子載體及生物傳感材料等。碳納米材料是現代國民經濟中不可缺少的重要化工原料之一，在許多基礎工業(yè)部門發(fā)揮著重要的作用。例如，在橡膠工業(yè)中，炭黑、碳納米管是橡膠制品的補強劑和填充劑；在涂料工業(yè)和油墨中，炭黑是影響產品黑度最重要的添加劑；在塑料工業(yè)中，碳納米管不僅可以對產品進行著色和調色，還可以起到防止紫外線老化、抗靜電或導電的作用；在合成革工業(yè)中，作為涂覆聚氨酯溶液的黑色著色劑，碳納米材料是制備黑色合成革不可缺少的原料。除此之外，碳納米材料還廣泛地應用于干電池、電器及電子元件、高純人造石墨材料、印染、感光膠片、火藥、水泥、鑄造等方面。20世紀20年代出現了以天然氣為原料的氣爐法制備技術，由于天然氣價格的上漲，從20世紀70年代起,油爐法炭黑新工藝成功地替代了原有的生產工藝，在全世界范圍內獲得了廣泛的應用，制備出許多新的炭黑品種，并在新的領域獲得了應用。隨著材料技術的進步，特別是橡膠工業(yè)的發(fā)展，對炭黑的一些基本的性能指標，如粒徑、分散度、導電率等提出了更高的要求。同時，可持續(xù)發(fā)展的經濟模式和環(huán)境保護的迫切性也要求對現有的生產工藝和原料路線做出合理的革新。將新技術引入傳統工藝是重要的革新手段。從20世紀60年代起，研究人員就開始了積極的探索：俄羅斯的A.Mahcypob等研究了外加電場對產品炭黑粒徑的影響。他們以兩端設置外部電壓的石英管為反應器，以甲烷為原料，考察了在改變電壓方向及大小的情況下炭黑的粒徑及形態(tài)的變化情況。結果表明：在一定范圍內，隨著電壓的升高，炭黑粒徑相應的減小了，從而可以在粒度上滿足一些特種炭黑的要求。日本的V.Z.Mordkovich等探索了應用激光技術制備炭黑。他們以苯為原料，以羰基鐵為催化劑，使用CO2激光作用于氣化的原料，得到初級產品后在3000℃、氬氣保護條件下加熱1h，獲得了具有特殊形態(tài)的炭黑。對產品的考察表明：這種炭黑具有兩種典型的納米級結構，30nm~40nm的無定形碳結構和規(guī)則的C60、C70結構。然而研究最多，也被認為最有發(fā)展前景的則是將等離子體技術引入到炭黑制備中。等離子體化學是一門新興的多學科交叉的前沿分支學科。它建立在放電物理、放電化學、化學工程、真空技術等基礎學科智商，主要研究等離子體中化學反應原理、過程、產物結構及等離子體與材料表面的相互作用及其應用。近年來它在化學轉化、材料合成、表面處理、環(huán)境保護等方面促成了一系列工藝革新和技術進步，顯示出強大的生命力，越來越引起人們的重視。由于等離子體具有溫度高，能量集中等特點，很適合創(chuàng)造炭黑的生成環(huán)境。因此它一出現就引起了人們的廣泛關注。從上世紀60年代起，許多國家的研究人員在將等離子體技術引入炭黑制備的課題上進行了大量的研究，取得了豐碩的成果。等離子體法是用等離子體發(fā)生器加熱反應爐，使其達到極高溫度來裂解原料烴（氣態(tài)烴、液態(tài)烴或固態(tài)烴）以連續(xù)生產炭黑的方法。該法具有以下優(yōu)點：·不用原料和燃料加熱反應爐，原料烴的利用率高，且可以使用芳烴含量不高的油，能緩解燃料和原料短缺的問題；·裂解產生的氫氣可作化工原料或汽車清潔燃料；·不產生和排放一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等有害廢氣，有利于環(huán)境保護；·裂解反應生成的尾氣少，可以降低炭黑收集系統的投資和運轉費用；·反應爐可達到的溫度高且范圍寬，有利于產品的多樣化。從總體上看，我國炭黑工業(yè)正在從追趕型向追趕、創(chuàng)新型轉變。在國內外炭黑市場日趨激烈、世界石油和炭黑原料油價格不斷上漲和環(huán)保要求日益嚴格的形勢下，我國炭黑工業(yè)必須依靠科技進步，在強化技術創(chuàng)新基礎上，進一步實現裝置大型化、技術集約化和節(jié)能環(huán)保化為主要內容的技術改造。在此基礎上，優(yōu)化產品結構，研究開發(fā)高性能、專用化和節(jié)能環(huán)保型的新品種，才能提高在全球市場的競爭力，更好地滿足國內橡膠工業(yè)發(fā)展子午線輪胎、汽車用橡膠制品和其他用戶行業(yè)的需要。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種易于實現的，低成本的高導電性能的納米碳材料的制備方法，可以制備高性能的碳納米材料，所得到的納米碳材料的分散性良好。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案是：選擇以氣態(tài)或可氣化含碳原料，如天然氣、焦爐煤氣、煉廠氣、煤層氣、石油液化氣、工廠尾氣、多種碳氫化合物等為碳源，將可被電離成等離子體的氣體作為載氣，如氬氣、氮氣、氫氣、氨氣、氦氣等，使用旋轉進氣的方式，以載氣帶動碳源通過等離子體區(qū)域進行裂解反應，從而得到高性能的納米碳材料。采用介質阻擋放電與電弧放電結合的模式，放電電壓為360V-100kV，電流在0.1-10A等離子體的溫度在1000-6500℃之間。介質阻擋放電部分放電距離為0.3-3cm，電弧放電部分金屬管壁與電極距離為3-11cm，大幅度擴大放電區(qū)域，提高產率。介質阻擋放電部分為絕緣管壁外圍包上一層導電圓環(huán)，軸心處為電極，電極材料可以是鐵、銅、鎢、石墨等中的一種或幾種的合金材料；鐵電極可以起到催化作用，制備出的納米碳材料中有大量的碳納米管；銅電極可以制備出納米炭黑；石墨電極既可以作為放電電極，在放電刻蝕過程中也可以作為碳源分解出納米碳材料；電弧放電部分為一個包覆了導電圓環(huán)的金屬管。電弧放電與介質阻擋放電共用一根電極，同時接到電源低壓端。當放電開始后，絕緣管中首先以介質阻擋放電的模式產生電弧，在氣流的沖擊下，電弧往前移動，隨后電極與金屬管壁放電，產生一個更大的電弧。介質阻擋放電部分在本裝置中起到“引弧”作用，電弧從介質阻擋放電的微弱電弧擴大成電弧放電的強電弧，達到消耗較少的能量擊穿遠距離載氣的目的。在旋轉進氣的作用下，電弧在金屬管里呈螺旋狀不斷旋轉，使整個金屬管里都是等離子體放電的區(qū)域，極大的增大了碳源和等離子體的接觸面積；金屬管與絕緣管由一個擴口連接，金屬管直徑為絕緣管管直徑的2-5倍，擴口的存在使氣流高速吹過電極后立即減速，氣體的高速沖刷能夠避免電極積碳，而氣體的減速又能延長納米碳材料和反應氣體在裝置中的停留時間，使得反應氣體有更多的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，其特征在于：以氣態(tài)或可氣化含碳原料為碳源，將可被電離成等離子體的氣體作為載氣，使用旋轉進氣的方式，以載氣帶動碳源通過等離子體區(qū)域進行裂解反應，從而得到高性能的納米碳材料；納米碳材料和反應后的尾氣分開后，部分尾氣循環(huán)預熱未反應的混合氣體后可再次進入等離子發(fā)生裝置再次反應，以得到低成本、高導電性能的納米碳材料；所述制備納米材料的方法采用介質阻擋放電與電弧放電結合的模式，放電電壓為360?V?100?kV，電流在0.1?10?A；所述介質阻擋放電部分為絕緣管壁外圍包上一層導電圓環(huán)，軸心處為電極，所述電弧放電部分為一個包覆了導電圓環(huán)的金屬管；所述電弧放電與所述介質阻擋放電共用一根電極，同時接到電源低壓端，當放電開始后，絕緣管中首先以介質阻擋放電的模式產生電弧，在氣流的沖擊下，電弧往前移動，隨后電極與金屬管壁放電，產生一個更大的電弧，產生的電弧在旋轉進氣的作用下高速旋轉。

【技術特征摘要】
1.一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，其特征在于：以氣態(tài)或可氣化含碳原料為碳源，將可被電離成等離子體的氣體作為載氣，使用旋轉進氣的方式，以載氣帶動碳源通過等離子體區(qū)域進行裂解反應，從而得到高性能的納米碳材料；納米碳材料和反應后的尾氣分開后，部分尾氣循環(huán)預熱未反應的混合氣體后可再次進入等離子發(fā)生裝置再次反應，以得到低成本、高導電性能的納米碳材料；所述制備納米材料的方法采用介質阻擋放電與電弧放電結合的模式，放電電壓為360V-100kV，電流在0.1-10A；所述介質阻擋放電部分為絕緣管壁外圍包上一層導電圓環(huán)，軸心處為電極，所述電弧放電部分為一個包覆了導電圓環(huán)的金屬管；所述電弧放電與所述介質阻擋放電共用一根電極，同時接到電源低壓端，當放電開始后，絕緣管中首先以介質阻擋放電的模式產生電弧，在氣流的沖擊下，電弧往前移動，隨后電極與金屬管壁放電，產生一個更大的電弧，產生的電弧在旋轉進氣的作用下高速旋轉。2.根據權利要求1所述的一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，其特征在于：所述一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法采用介質阻擋放電和電弧放電組合放電等離子體法，所述組合放電等離子體法前部為介質阻擋放電，后部為電弧放電，所述介質阻擋放電部分起到“引弧”作用，電弧從介質阻擋放電的微弱電弧擴大成電弧放電的強電弧；制備納米碳材料過程中產生的等離子體的溫度在1000-6500℃之間。3.根據權利要求1所述的一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，其特征在于：所述介質阻擋放電部分氣體流速較高，反應停留時間在0.01-0.1s間，所述電弧放電部分氣體流速較低，反應停留時間在0.1-360s間，所述介質阻擋放電部分放電距離為0.3-3cm，所述電弧放電部分金屬管壁與電極距離為3-11cm。4.根據權利要求1所述的一種介質阻擋放電與電弧放電結合的放電模式制備納米碳材料的方法，其特征在于：所述電極材料為鐵、銅、鎢、石墨等中的一種或幾種...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：洪若瑜，王烽，謝春榮，蔣滿云，
申請(專利權)人：蘇州納康納米材料有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32