膨脹石墨的制備與發展

膨脹石墨的制備與發展

膨脹石墨是一種新型的功能性碳材料，類蠕蟲物質，又稱蠕蟲狀石墨，20世紀60年代初，布羅迪利用硫酸、硝酸等化學試劑加熱天然石墨，發現了膨脹石墨。

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50-200 m2/g，孔徑基本上是中大孔；從宏觀結構上看，石墨蠕蟲是由幾個連接在一起的微細胞組成；從微觀上看結構上，微孔內有許多小孔，形成膨脹石墨，孔結構豐富。

膨脹石墨的特殊結構和特性使其具有天然石墨的性能，但也具有其它優良的性能：1）耐壓性強、柔韌性強、可塑性強、自潤滑性強；2）耐高溫、低溫、耐腐蝕、耐輻射；3）抗震性能強。特點：4）導電性強；5）抗老化、抗扭性能強。

石墨晶體是由碳元素組成的六角形網狀平面層狀結構，但層間結合范德華力較弱，層間距離較大，因此在適當的條件下，可以將酸、堿金屬、鹽等化學物質插入石墨層并與碳鍵合。n個原子形成可膨脹石墨。

化學氧化法是將氧化劑、插層劑和鱗片石墨混合，在一定溫度下充分反應，然后洗滌干燥，在制備過程中，氧化劑和插層劑的種類、濃度、反應溫度和時間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廣泛、最成熟的方法，目前化學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，產生膨脹力，使石墨片分離，體積膨脹，根據加熱方式的不同，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。在加熱或點火后，利用煙火低速爆炸產生的熱量同時產生氧化相和插層，使石墨爆炸膨脹，產生膨脹石墨。

實驗表明，石墨蠕蟲能吸收電磁波，使膨脹石墨具有很高的軍事應用價值，美國陸軍和我軍對此都進行了實驗研究，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））化學性能穩定，貯存5年，膨脹率基本不衰減；（3）膨脹石墨表面呈中性，對殼體無腐蝕。

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。該產品由河北農業大學研制，申請國家專利。

膨脹石墨用作阻燃材料時，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，也不是親水性物質，因此有必要對石墨表面進行改性，以解決石墨與其它組分的相容性問題，提出石墨表面應增白，即固體石墨表面應覆蓋白色薄膜。這是一個很難解決的問題。它涉及膜化學或表面化學。實驗室可以做到這一點，但工業化很困難，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250毫升/克。C和600（）c.制備滿足該條件的可膨脹石墨的難點在于：（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）解決環境問題。

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