膨脹石墨的制備與發(fā)展
膨脹石墨的制備與發(fā)展
膨脹石墨是一種新型的功能性碳材料，類蠕蟲物質(zhì)，又稱蠕蟲狀石墨，20世紀(jì)60年代初，布羅迪利用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑加熱天然石墨，發(fā)現(xiàn)了膨脹石墨。
從外觀上看，膨脹石墨是一種多孔柔性材料，其比重很小，比表面積大，一般可達(dá)50-200 m2/g，孔徑基本上是中大孔；從宏觀結(jié)構(gòu)上看，石墨蠕蟲是由幾個(gè)連接在一起的微細(xì)胞組成；從微觀上看結(jié)構(gòu)上，微孔內(nèi)有許多小孔，形成膨脹石墨，孔結(jié)構(gòu)豐富。
膨脹石墨的特殊結(jié)構(gòu)和特性使其具有天然石墨的性能，但也具有其它優(yōu)良的性能：1）耐壓性強(qiáng)、柔韌性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、自潤滑性強(qiáng)；2）耐高溫、低溫、耐腐蝕、耐輻射；3）抗震性能強(qiáng)。特點(diǎn)：4）導(dǎo)電性強(qiáng)；5）抗老化、抗扭性能強(qiáng)。
石墨晶體是由碳元素組成的六角形網(wǎng)狀平面層狀結(jié)構(gòu)，但層間結(jié)合范德華力較弱，層間距離較大，因此在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以將酸、堿金屬、鹽等化學(xué)物質(zhì)插入石墨層并與碳鍵合。n個(gè)原子形成可膨脹石墨。
化學(xué)氧化法是將氧化劑、插層劑和鱗片石墨混合，在一定溫度下充分反應(yīng)，然后洗滌干燥，在制備過程中，氧化劑和插層劑的種類、濃度、反應(yīng)溫度和時(shí)間都是影響膨脹石墨性能的重要因素。化學(xué)氧化法是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛、最成熟的方法，目前化學(xué)氧化法制備可膨脹石墨的主要方法是濃硫酸法。具體流程如下：
膨脹石墨的膨脹是利用瞬間高溫使插層氣化，產(chǎn)生膨脹力，使石墨片分離，體積膨脹，根據(jù)加熱方式的不同，可分為高溫加熱膨脹和微波膨脹。
采用爆炸法制備膨脹石墨。KClO4、Zn（NO3）2.2h_2o、HClO_4等常用作膨脹劑，石墨作混合料或煙火粉。在加熱或點(diǎn)火后，利用煙火低速爆炸產(chǎn)生的熱量同時(shí)產(chǎn)生氧化相和插層，使石墨爆炸膨脹，產(chǎn)生膨脹石墨。
實(shí)驗(yàn)表明，石墨蠕蟲能吸收電磁波，使膨脹石墨具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值，美國陸軍和我軍對(duì)此都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，膨脹石墨必須滿足以下要求：（1）初始膨脹溫度低，膨脹量大；（2））化學(xué)性能穩(wěn)定，貯存5年，膨脹率基本不衰減；（3）膨脹石墨表面呈中性，對(duì)殼體無腐蝕。
小膨脹石墨主要是指300目可膨脹石墨，其膨脹體積為100毫升/克，該產(chǎn)品主要用于阻燃涂料，需求量很大。
高初始膨脹溫度的膨脹石墨的初始膨脹溫度為290-300攝氏度，膨脹體積大于230毫升/克，這種膨脹石墨主要用于工程塑料和橡膠的阻燃。該產(chǎn)品由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制，申請(qǐng)國家專利。
膨脹石墨用作阻燃材料時(shí)，涉及到石墨與其它組分的相容性。由于石墨表面含鹽量高，既不是油性物質(zhì)，也不是親水性物質(zhì)，因此有必要對(duì)石墨表面進(jìn)行改性，以解決石墨與其它組分的相容性問題，提出石墨表面應(yīng)增白，即固體石墨表面應(yīng)覆蓋白色薄膜。這是一個(gè)很難解決的問題。它涉及膜化學(xué)或表面化學(xué)。實(shí)驗(yàn)室可以做到這一點(diǎn)，但工業(yè)化很困難，這種白色可膨脹石墨主要用于阻燃涂料。
這種膨脹石墨在80～150（）的溫度下膨脹量可達(dá)250毫升/克。C和600（）c.制備滿足該條件的可膨脹石墨的難點(diǎn)在于：（1）選擇合適的插層劑；（2）控制和掌握干燥條件；（3）測定含水量；（4）解決環(huán)境問題。
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