第一節(jié) 可膨脹石墨的簡介

石墨晶體具有由碳元素組成的六角網(wǎng)平面層狀結(jié)構。層平面上的碳原子以強有力的共價鍵結(jié)合，而層與層間以范德華力結(jié)合，結(jié)合非常弱，而且層間距離較大。因此，在適當?shù)臈l件下，酸、堿金屬、鹽類等多種化學物質(zhì)可插入石墨層間，并與碳原子結(jié)合形成新的化學相——石墨層間化合物(Graphite Intercalation on Compounds,簡稱 GIC)。這種層間化合物在加熱到適當溫度時，可瞬間迅速分解，產(chǎn)生大量氣體，使石墨沿軸方向膨脹成蠕蟲狀的新物質(zhì)，即膨脹石墨。這種未膨脹的石墨層間化合物就是可膨脹石墨?？膳蛎浭?研究 技術及應用領域的（可行性 研究 報告）。
 

第二節(jié) 可膨脹石墨的 研究 技術

由于石墨是一種非極性材料，單獨采用極性小的有機或無機酸難以插層，一般必須使用氧化劑?；瘜W氧化法一般是將天然鱗片石墨浸泡在氧化劑和插層劑的溶液中，在強氧化劑的作用下，石墨被氧化而使石墨層的中性網(wǎng)狀平面大分子變成帶有正電荷的平面大分子，由于帶有正電荷的平面大分子層間同性正電荷的排斥作用，石墨層間距離加大，插層劑插入石墨層間，成為可膨脹石墨。

可膨脹石墨酌化學氧化法制備工藝中需采用氧化劑。化學氧化法使用的氧化劑一般有固體氧化劑和液體氧化劑兩類。固體氧化劑有KMn04、KCI04、NaCl03、 (NH4) 2S207等，液體氧化劑有H2S04、HNO3、HCIO4、H202等。固體氧化劑一般反應劇烈，有危險性，價格高，產(chǎn)品灰分大，且污染環(huán)境。液體氧化劑H2S04、HNO3等惡化操作環(huán)境、污染水質(zhì)，H202反應溫和，污染小。

對于可膨脹石墨來說，膨脹容積和含硫量是兩個重要的產(chǎn)品指標，一般希望膨脹容積高，含硫量低。可膨脹石墨的含硫在應用中會對設備產(chǎn)生腐蝕作用，傳統(tǒng)的可膨脹石墨多采用H2S04作為氧化劑和插層劑，含硫量常常過高（如3%～4%），不能適應柔性石墨等重要領域的應用要求。因此近年來，低硫可膨脹石墨和無硫可膨脹石墨，特別是無硫可膨脹石墨成為可膨脹石墨 研究 開發(fā)的重要方向， 研究 者做了大量的工作并取得了突破性的成果。此外，傳統(tǒng)的可膨脹石墨一般要在900—1000℃的高溫下才能膨脹達到200倍以上，在一些應用領域希望其膨脹倍數(shù)達到200倍以上的膨化溫度愈低愈好，因此低溫可膨脹石墨最近已成為可膨脹石墨 研究 開發(fā)的新方向。

第三節(jié) 可膨脹石墨的應用

一、密封材料

將原料高碳石墨與濃硫酸、 濃硝酸混合進行酸化處理、 行熱處理后再壓制成型， 制備的柔性石墨是一種新型高性能密封材料，是一種原位生長的納米材料。與石棉橡膠等傳統(tǒng)密封材料相比，具有良好的可壓縮性、 回彈性、 自粘結(jié)性、低密度等優(yōu)異性能， 且能在高溫、 高腐等苛刻工況條件下長期使用。用它制作的石墨板材、密封元件被廣泛應用于宇航、機械、電子、核能、石化、電力、船舶、冶煉等 行業(yè) 。因為它具有質(zhì)輕、導電、導熱、 耐高溫、耐酸堿腐蝕、回彈性好、潤滑性、可塑性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)良特性 ,被譽為世界 “密封之王” 。

二、環(huán)保領域

高溫膨化得到的可膨脹石墨,具有豐富的孔結(jié)構 ,因而有優(yōu)良的吸附性能 ,所以在環(huán)保和生物醫(yī)學上有廣泛的用途?？膳蛎浭目捉Y(jié)構有開放孔和封閉孔兩種 ,孔容積占 98 %左右 ,而且以大孔為主 ,孔徑分布范圍 1～10. 3 nm。由于它是以大孔、 中孔為主 ,所以與活性炭等微孔材料在吸附特性上也有所不同。它適于液相吸附 ,而不適于氣相吸附。在液相吸附中它親油疏水。1 g 可膨脹石墨可吸附 80 g 以上重油 ,因而它是一種很有前途的清除水面油污染的環(huán)保材料。在化工企業(yè)的廢水治理中 ,常采用微生物(細菌)處理 ,可膨脹石墨是一種很好的微生物載體 ,特別是對油脂類有機大分子污染的水處理中 ,由于化學穩(wěn)定性好 ,又可再生復用,因此有良好的應用前景。

三、醫(yī)學

由于可膨脹石墨有對有機、 生物大分子的吸附特性 ,在生物醫(yī)學材料上有廣泛的應用前景。

四、高能電池材料

可膨脹石墨作為電池材料,是利用可膨脹石墨層間反應的自由能變化轉(zhuǎn)變成電能。通常以可膨脹石墨作為陰極 ,以鋰為陽極 ,或以可膨脹石墨復合氧化銀作為陰極 ,鋅為陽極。氟化石墨、石墨酸及 AuCl3 和 TiF4 等金屬鹵化物的可膨脹石墨已應用到電池中。

五、阻燃防火

防火密封條 由于可膨脹石墨的可膨脹性及其耐高溫性 ,使得可膨脹石墨成為優(yōu)良的密封材料 ,在防火密封條上廣泛使用。主要有兩種形式:第一種是將可膨脹石墨材料與橡膠材料、無機阻燃劑、促進劑、硫化劑、補強劑、填料等混煉、硫化、成型 ,制成各種規(guī)格的膨脹密封膠條 ,主要用于防火門、防火玻璃窗等場合。這種膨脹密封條能夠在常溫和火災中由始至終起到阻隔煙氣流動的作用。另一種是以玻纖帶為載體 ,將可膨脹石墨用某種粘合劑粘合在載體上 ,這種粘合劑在高溫時形成的炭化物所提供的抗剪切力能夠有效阻止石墨的滑動。它主要用于防火門 ,但其不能在常溫或低溫時 ,有效阻隔冷煙氣的流動 ,所以其必須與常溫密封劑配合使用。

塑料材料的阻燃 可膨脹石墨是塑料材料良好的阻燃劑 ,其具有無毒、無污染等特點 ,單獨使用或與其他阻燃劑混合使用都可達到理想的阻燃效果?？膳蛎浭谶_到同樣阻燃效果時 ,用量遠小于普通阻燃劑。其作用原理是:在高溫時 ,可膨脹石墨急劇膨脹 ,窒息了火焰 ,同時其生成的石墨膨體材料覆蓋在基材表面 ,隔絕了熱能輻射和氧的接觸;其夾層內(nèi)部的酸根在膨脹時釋放出來 ,也促進了基材的炭化 ,從而通過多種阻燃方式達到良好的效果。

防火包、可塑型防火堵料、阻火圈 因為可膨脹石墨在高溫中具有抗破壞能力及其具有較高的膨脹率 ,可作為防火包、可塑型防火堵料、阻火圈成分中有效的膨脹阻燃材料 ,用于建筑中的防火封堵(例如:密封建筑管道、電纜、電線、煤氣、瓦斯管、風管穿過的孔洞等場合)。

涂料上的應用 可膨脹石墨的細顆粒加入到普通涂料中 ,可制得效果較好的阻燃防靜電涂料 ,提高其耐高溫及防火性能。其在火災中形成的大量輕質(zhì)不燃碳層 ,能有效阻隔熱量向基材的輻射 ,有效保護基材。另外由于石墨是良好的電導體 ,制得的涂料可防止靜電荷的聚集 ,用于石油儲罐 ,達到防火防靜電的雙重效果。

防火板、 防火紙 抗腐蝕耐高溫板：在金屬基層上襯有可膨脹石墨層 ,可膨脹石墨層與金屬基層之間有炭化膠接層 ,可膨脹石墨層外覆有炭化保護層。具有抗腐蝕 ,耐高溫和高壓的性能。同時耐熱沖擊 ,在低溫下也可正常使用 ,不怕速冷速熱，并具有優(yōu)良的熱傳導系數(shù) ,使用溫度為 - 100～2 000 ℃。適用范圍廣，制造容易，成本較低。另外，將可膨脹石墨高溫膨脹后，壓制成的石墨紙，也被應用于防火保溫的場所。

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