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一文了解膨脹石墨的制備及發展方向
來源:中國粉體網 橙子 2018-12-28 17:19  點擊:
  [導讀]  膨脹石墨是一種新型的功能性碳素材料。成蠕蟲狀物質,因此也叫蠕蟲石墨。
膨脹石墨是一種新型的功能性碳素材料。成蠕蟲狀物質,因此也叫蠕蟲石墨。19世紀60年代初期,Brodie將天然石墨與硫酸和硝酸等化學試劑作用后加熱,發現了膨脹石墨。
 
1.膨脹石墨的結構和性質
 
從外觀看來,膨脹石墨是一種疏松多孔而富于柔軟性的物質,其比重特別小,有較大的比表面積,一般可達 50-200m2/g,孔徑基本以中、大孔為主;從宏觀結構上看,一個石墨蠕蟲由多個“微胞”連接在一起組成;從微觀結構上看,微胞內又有許多細小孔隙,形成了膨脹石墨豐富的孔隙結構。
 
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膨脹石墨特殊的結構和特性使其擁有天然石墨的性質外,還具有其它優良的性質:①極強的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性;②極強的抗高溫、低溫、抗腐蝕、抗輻射特性;③極強的抗震特性;④極強的電導率;⑤極強的抗老化、抗扭曲的特性。
 
2.膨脹石墨的制備
 
目前膨脹石墨主要由天然鱗片石墨經插層處理、水洗、干燥、高溫膨脹制得。
 
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①制備石墨可膨脹石墨
 
石墨晶體是由碳元素組成的六角網平面層狀結構。而層與層間以范德華力結合,結合力弱,而且層間距離較大。因此,在適當的條件下,酸、堿金屬、鹽類等多種化學物質可插入石墨層間并與碳原子結合形成可膨脹石墨。 
 
 
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可膨脹石墨
 
天然石墨制備可膨脹石墨的方法有化學氧化法、電化學法、超聲氧化法、氣相擴散法等。
 
化學氧化法是將氧化劑、插層劑與鱗片石墨混合后,在一定溫度下充分反應再進行水洗和干燥。制備過程中,氧化劑和插層劑的種類、濃度以及反應的溫度、時間等都是影響膨脹石墨性能的重要因素。化學氧化法是工業上應用最多和最成熟的方法。目前化學氧化法制備可膨脹石墨主要是采用濃硫酸為主體來制備可膨脹石墨,具體工藝為:
 
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②可膨脹石墨制備膨脹石墨 
 
可膨脹石墨的膨脹是利用瞬間的高溫,將插層物氣化,產生膨脹力,使石墨片層分離,體積膨脹。根據加熱方式不同分為高溫加熱膨脹和微波膨脹。 
 
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爆炸法直接制備膨脹石墨
 
爆炸法制備膨脹石墨,通常采用KClO4、Zn(NO3)2·2H2O、HClO4等作為膨脹劑與石墨制成混合物或煙火藥,加熱或引燃后,利用煙火藥低速爆炸時產生的熱量,同時產生氧化相和插層物,從而使石墨發生“爆炸”式的膨化,制得膨脹石墨。
 
3.膨脹石墨的發展方向
 
1、特殊用途的膨脹石墨
 
實驗表明,石墨蠕蟲具有吸收電磁波的功能,這一性質使膨脹石墨具有很高的軍事應用價值。美國軍隊和我軍都已進行了這方面的試驗研究。這種膨脹石墨必須滿足以下要求:(1)起始膨脹溫度低,膨脹體積大;(2)化學性質穩定,儲存5年,膨脹倍率基本不衰減;(3)膨脹石墨表面呈中性,對彈殼無腐蝕。
 
2、顆粒膨脹石墨
 
小顆粒膨脹石墨主要指300目的可膨脹石墨,其膨脹容積為100ml/g,該產品主要用于阻燃涂料,其需求量很大。
 
3、高起始膨脹溫度的膨脹石墨
 
高起始膨脹溫度的膨脹石墨起始膨脹溫度為290-300℃,膨脹容積≥230ml/g。這類膨脹石墨主要用于工程塑料和橡膠的阻燃,該產品已由河北農業大學研制成功并申請了國家專利。
 
4、表面改性石墨
 
膨脹石墨作阻燃材料時,涉及到石墨與其他組分的相溶性問題,由于石墨表面的礦化度很高,它既不是親油性物質,也不是親水性物質。所以必須對石墨表面進行改性才能解決石墨與其他組分的相溶性問題。有人曾提出將石墨表面變白,即在石墨表面覆蓋一層堅固的白色薄膜,這是一個很難解決的問題,涉及膜化學或表面化學的問題,實驗室可能做到,工業化存在難題。此類白色可膨脹石墨主要用來做阻燃涂料。
 
5、低起始膨脹溫度、低溫膨脹石墨
 
此類膨脹石墨開始膨脹的溫度為80-150℃,600℃時膨脹容積達250ml/g。制備滿足這一條件的可膨脹石墨難點在于:(1)選擇合適的插層劑;(2)烘干條件的控制和掌握;(3)水分的測定;(4)環保問題的解決。

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