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讲述膨胀石墨的制备方法

2020-10-23    来源:石墨网

1、电化学氧化法

将定量鳞片石墨装置成阳极,用不锈钢或铂作阳极集流器,浸在一定浓度的H2SO4水溶液中,用铅板或铂板作阴极,用恒定电流进行电解,后续处理得膨胀石墨。此外,可以改用硝酸铵等可分解盐作插层剂代替H2SO4水溶液。通电使阳极氧化,电解液分解出硝酸根离子作插层物质。使整个生产过程没有强酸、强碱、强氧化剂的介入,不仅极大地降低了生产成本、延长设备的使用寿命,而且还减少污染,使产品不含硫而质量大为提高,其可操作性也明显增强。

于仁光等以有机-无机混酸溶液为介质用电化学法制备了膨胀石墨,并用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面形貌,膨胀后的石墨具有丰富的网络状结构,形成吸附油的储存空间。膨胀石墨对重油的吸附量随着膨胀容积的增大而增加,合适的电流密度、电解液浓度以及反应时间是制备高膨胀容积膨胀石墨的关键。

甘伟兵等以晶质鳞片石墨为原料,采用电化学阳极氧化法生产膨胀石墨。系统地探讨了酸液浓度、电流密度、氧化时间等因素对硫酸石墨盐生成量及膨胀率的影响,获得了最佳工艺参数,酸液浓度18mol/l,电流密度42mA/cm2,氧化时间20min,生产出膨胀率达300多倍的膨胀石墨。

2、化学氧化法

化学氧化法就是将氧化剂、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,配以各种氧化剂,与天然鳞片石墨反应而成。但该法制备的膨胀石墨,硫的质量分数高达 2.8%-4.5%,用作密封材料时,残存的硫会促进石墨-金属间的电化学反应,造成金属的腐蚀,并且抗氧化能力较差,在环境温度较高,且有氧化剂存在的条件下,极易被氧化,使密封效果下降,严重的会导致密封失效,发生工业事故。这一问题已成为可膨胀石墨制品推广应用的严重障碍。目前制备无硫膨胀石墨成为研究热点。

万为敏等采用化学方法制备了无硫可膨胀石墨,并对其最佳工艺条件进行了探讨。以高锰酸钾为氧化剂,以硝酸和磷酸为插入剂,以天然鳞片石墨为基质制备了无硫可膨胀石墨。制备的适宜条件为石墨(g)∶混酸(ml)∶高锰酸钾(g)=1.0∶10∶0.2,反应温度45℃,反应时间为80min。所得到的无硫可膨胀石墨经水洗至pH值为5-7,烘干后在900℃-1000℃的高温下膨胀,即得无硫膨胀石墨。与已有方法相比,用此法制备的膨胀石墨不含硫,膨胀倍率高,膨胀充分。盛晓颖等以硝酸和双氧水为氧化剂,乙酸为插层剂,采用化学氧化法制备了无硫可膨胀石墨,得出在石墨取5g,氧化时间为60min,反应温度为25℃条件下,硝酸、双氧水、乙酸的体积比为12∶1∶5时,得到最大膨胀体积为310mL/g。该膨胀石墨具有密封性、耐腐蚀、膨胀体积大的优点。

3、气相扩散法

气相扩散法是将石墨和插层物分别置于真空密封管的两端,在插层物端加热,利用两端的温差形成必要反应压差,使得插层物以小分子的状态进入鳞片石墨层间,从而制得石墨层间化合物。此种方法生产的产品阶层数可控制,但其生产成本高。

4、爆炸法

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。

5、微波法

采用传统高温膨化法制备的膨胀石墨,升至高温需要一定的时间,且膨胀过程中电能的消耗较大。通过采用微波对石墨进行膨化处理,操作方便过程易控,具有高效和节能的优点。

采用微波法,对石墨进行膨化处理,通过控制微波加热的功率、时间等参数,可容易地调整对石墨的处理。结果表明:达到最优膨胀过程时大鳞片石墨的微波膨胀时间比细鳞片石墨的长,同时在输出功率上大鳞片石墨也比细鳞片石墨的大;与传统的高温膨化法相比,微波法开停方便,具有高效和节能的优点,更适合细鳞片石墨的膨胀。