​关于膨胀石墨（一文了解膨胀石墨的制备及发展方向）

关于膨胀石墨（一文了解膨胀石墨的制备及发展方向）

膨胀石墨是一种新型的功能性碳素材料。成蠕虫状物质，因此也叫蠕虫石墨。19世纪60年代初期，Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热，发现了膨胀石墨。

1.膨胀石墨的结构和性质

从外观看来，膨胀石墨是一种疏松多孔而富于柔软性的物质，其比重特别小，有较大的比表面积，一般可达 50-200m2/g，孔径基本以中、大孔为主；从宏观结构上看，一个石墨蠕虫由多个“微胞”连接在一起组成；从微观结构上看,微胞内又有许多细小孔隙,形成了膨胀石墨丰富的孔隙结构。

膨胀石墨特殊的结构和特性使其拥有天然石墨的性质外，还具有其它优良的性质：①极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性；②极强的抗高温、低温、抗腐蚀、抗辐射特性；③极强的抗震特性；④极强的电导率；⑤极强的抗老化、抗扭曲的特性。

2.膨胀石墨的制备

目前膨胀石墨主要由天然鳞片石墨经插层处理、水洗、干燥、高温膨胀制得。

①制备石墨可膨胀石墨

石墨晶体是由碳元素组成的六角网平面层状结构。而层与层间以范德华力结合，结合力弱，而且层间距离较大。因此，在适当的条件下，酸、碱金属、盐类等多种化学物质可插入石墨层间并与碳原子结合形成可膨胀石墨。

可膨胀石墨

天然石墨制备可膨胀石墨的方法有化学氧化法、电化学法、超声氧化法、气相扩散法等。

化学氧化法是将氧化剂、插层剂与鳞片石墨混合后，在一定温度下充分反应再进行水洗和干燥。制备过程中，氧化剂和插层剂的种类、浓度以及反应的温度、时间等都是影响膨胀石墨性能的重要因素。化学氧化法是工业上应用最多和最成熟的方法。目前化学氧化法制备可膨胀石墨主要是采用浓硫酸为主体来制备可膨胀石墨，具体工艺为：

②可膨胀石墨制备膨胀石墨

可膨胀石墨的膨胀是利用瞬间的高温，将插层物气化，产生膨胀力，使石墨片层分离，体积膨胀。根据加热方式不同分为高温加热膨胀和微波膨胀。

爆炸法直接制备膨胀石墨

爆炸法制备膨胀石墨，通常采用KClO4、Zn(NO3)2·2H2O、HClO4等作为膨胀剂与石墨制成混合物或烟火药，加热或引燃后，利用烟火药低速爆炸时产生的热量，同时产生氧化相和插层物，从而使石墨发生“爆炸”式的膨化，制得膨胀石墨。

3.膨胀石墨的发展方向

1、特殊用途的膨胀石墨

实验表明，石墨蠕虫具有吸收电磁波的功能，这一性质使膨胀石墨具有很高的军事应用价值。美国军队和我军都已进行了这方面的试验研究。这种膨胀石墨必须满足以下要求：（1）起始膨胀温度低，膨胀体积大；（2）化学性质稳定，储存5年，膨胀倍率基本不衰减；（3）膨胀石墨表面呈中性，对弹壳无腐蚀。

2、颗粒膨胀石墨

小颗粒膨胀石墨主要指300目的可膨胀石墨，其膨胀容积为100ml/g，该产品主要用于阻燃涂料，其需求量很大。

3、高起始膨胀温度的膨胀石墨

高起始膨胀温度的膨胀石墨起始膨胀温度为290-300℃，膨胀容积≥230ml/g。这类膨胀石墨主要用于工程塑料和橡胶的阻燃，该产品已由河北农业大学研制成功并申请了国家专利。

4、表面改性石墨

膨胀石墨作阻燃材料时，涉及到石墨与其他组分的相溶性问题，由于石墨表面的矿化度很高，它既不是亲油性物质，也不是亲水性物质。所以必须对石墨表面进行改性才能解决石墨与其他组分的相溶性问题。有人曾提出将石墨表面变白，即在石墨表面覆盖一层坚固的白色薄膜，这是一个很难解决的问题，涉及膜化学或表面化学的问题，实验室可能做到，工业化存在难题。此类白色可膨胀石墨主要用来做阻燃涂料。

5、低起始膨胀温度、低温膨胀石墨

此类膨胀石墨开始膨胀的温度为80-150℃，600℃时膨胀容积达250ml/g。制备满足这一条件的可膨胀石墨难点在于：（1）选择合适的插层剂；（2）烘干条件的控制和掌握；（3）水分的测定；（4）环保问题的解决。

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