石墨晶體具有由碳元素組成的六角網平面層狀結構。層平面上的碳原子以強有力的共價鍵結合，而層與層間以范德華力結合，結合非常弱，而且層間距離較大。因此，在適當的條件下，酸、鹼金屬、鹽類等多種化學物質可插入石墨層間，並與碳原子結合形成新的化學相——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，產生大量氣體，使石墨沿軸方向膨脹成蠕蟲狀的新物質，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。
基本介紹
- 中文名：可膨脹石墨
- 外文名：Expandable graphite
- 發現人：Schaufautl
- 工業化生產：1968年
- 套用：密封材料等
- 別稱：碳石
發現與發展,常見製備方法,套用,
發現與發展
可膨脹石墨最先由德國人Schaufautl發現，1841年，Schaufautl將天然石墨浸泡在濃 HNO3和濃H2SO4的混合液中，數小時後取出烘乾，發現石墨發生了膨脹現象。
美國聯合碳化物公司在 1963年首先申請可膨脹石墨製造技術專利並於1968年進行工業化生產。
常見製備方法
1、化學插層法 製備用的初始原料系高碳鱗片狀石墨 ,其餘化學試劑如濃硫酸(98 %以上) ,過氧化氫(28 %以上) ,高錳酸鉀等均使用工業級試劑。製備的一般步驟為:在適當溫度下 ,將不同配比的過氧化氫溶液、天然鱗片石墨和濃硫酸以不同的加入程式 ,在不斷攪拌下反應一定時間 ,然後水洗至中性，離心分離，脫水後於 60 ℃真空乾燥。
2、電化學法 在一種強酸電解液中處理石墨粉末以製成可膨脹石墨，水解、清洗和乾燥。作為強酸主要使用硫酸或硝酸。此種方法製得的可膨脹石墨有著低硫含量。
3、超聲氧化法 製備可膨脹石墨的過程中,對陽極氧化的電解液進行超音波振動 ，超音波振動的時間與陽極氧化的時間相同。由於超音波對電解液的振動有利於陰、 陽極的極化作用 ,從而加快了陽極氧化的速度 ,縮短了氧化時間。
4、氣相擴散法 將石墨和插層物分别致於一真空密封管的兩端 ,在插層物端加熱 ,利用兩端的溫差形成必要反應壓差 ,使得插層物以小分子的狀態進入鱗片石墨層間 ,從而製得可膨脹石墨。此種方法生產的可膨脹石墨的階層數可控制 ,但其生產成本高。
5、熔鹽法 將幾種插入物與石墨混合加熱複合,形成可膨脹石墨。
套用
1、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、 行熱處理後再壓製成型， 製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。與石棉橡膠等傳統密封材料相比，具有良好的可壓縮性、 回彈性、 自粘結性、低密度等優異性能， 且能在高溫、 高腐等苛刻工況條件下長期使用。用它製作的石墨板材、密封元件被廣泛套用於宇航、機械、電子、核能、石化、電力、船舶、冶煉等行業。因為它具有質輕、導電、導熱、 耐高溫、耐酸鹼腐蝕、回彈性好、潤滑性、可塑性和化學穩定性等優良特性 ,被譽為世界 “密封之王” 。
2、環保領域 高溫膨化得到的可膨脹石墨,具有豐富的孔結構 ,因而有優良的吸附性能 ,所以在環保和生物醫學上有廣泛的用途。可膨脹石墨的孔結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 ,孔徑分布範圍 1～10. 3 nm。由於它是以大孔、 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。它適於液相吸附 ,而不適於氣相吸附。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保材料。在化工企業的廢水治理中 ,常採用微生物(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 ,由於化學穩定性好 ,又可再生復用,因此有良好的套用前景。
3、醫學 由於可膨脹石墨有對有機、 生物大分子的吸附特性 ,在生物醫學材料上有廣泛的套用前景。
4、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 ,或以可膨脹石墨複合氧化銀作為陰極 ,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套用到電池中。
5、阻燃防火
防火密封條 由於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 ,製成各種規格的膨脹密封膠條 ,主要用於防火門、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下力能夠有效阻止石墨的滑動。它主要用於防火門 ,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。
塑膠材料的阻燃 可膨脹石墨是塑膠材料良好的阻燃劑 ,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。可膨脹石墨在達到同樣阻燃效果時 ,用量遠小於普通阻燃劑。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 ,用於建築中的防火封堵(例如:密封建築管道、電纜、電線、煤氣、瓦斯管、風管穿過的孔洞等場合)。
塗料上的套用 可膨脹石墨的細顆粒加入到普通塗料中 ,可製得效果較好的阻燃防靜電塗料 ,提高其耐高溫及防火性能。其在火災中形成的大量輕質不燃碳層 ,能有效阻隔熱量向基材的輻射 ,有效保護基材。另外由於石墨是良好的電導體 ,製得的塗料可防止靜電荷的聚集 ,用於石油儲罐 ,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。同時耐熱衝擊 ,在低溫下也可正常使用 ,不怕速冷速熱，並具有優良的熱傳導係數 ,使用溫度為 - 100～2 000 ℃。適用範圍廣，製造容易，成本較低。另外，將可膨脹石墨高溫膨脹後，壓製成的石墨紙，也被套用於防火保溫的場所。
