膨胀石墨的制备与发展

膨胀石墨的制备与发展

膨胀石墨是一种新型的功能性碳材料，类蠕虫物质，又称蠕虫状石墨，20世纪60年代初，布罗迪利用硫酸、硝酸等化学试剂加热天然石墨，发现了膨胀石墨。

从外观上看，膨胀石墨是一种多孔柔性材料，其比重很小，比表面积大，一般可达50-200 m2/g，孔径基本上是中大孔；从宏观结构上看，石墨蠕虫是由几个连接在一起的微细胞组成；从微观上看结构上，微孔内有许多小孔，形成膨胀石墨，孔结构丰富。

膨胀石墨的特殊结构和特性使其具有天然石墨的性能，但也具有其它优良的性能：1）耐压性强、柔韧性强、可塑性强、自润滑性强；2）耐高温、低温、耐腐蚀、耐辐射；3）抗震性能强。特点：4）导电性强；5）抗老化、抗扭性能强。

石墨晶体是由碳元素组成的六角形网状平面层状结构，但层间结合范德华力较弱，层间距离较大，因此在适当的条件下，可以将酸、碱金属、盐等化学物质插入石墨层并与碳键合。n个原子形成可膨胀石墨。

化学氧化法是将氧化剂、插层剂和鳞片石墨混合，在一定温度下充分反应，然后洗涤干燥，在制备过程中，氧化剂和插层剂的种类、浓度、反应温度和时间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广泛、最成熟的方法，目前化学氧化法制备可膨胀石墨的主要方法是浓硫酸法。具体流程如下：

膨胀石墨的膨胀是利用瞬间高温使插层气化，产生膨胀力，使石墨片分离，体积膨胀，根据加热方式的不同，可分为高温加热膨胀和微波膨胀。

采用爆炸法制备膨胀石墨。KClO4、Zn（NO3）2.2h_2o、HClO_4等常用作膨胀剂，石墨作混合料或烟火粉。在加热或点火后，利用烟火低速爆炸产生的热量同时产生氧化相和插层，使石墨爆炸膨胀，产生膨胀石墨。

实验表明，石墨蠕虫能吸收电磁波，使膨胀石墨具有很高的军事应用价值，美国陆军和我军对此都进行了实验研究，膨胀石墨必须满足以下要求：（1）初始膨胀温度低，膨胀量大；（2））化学性能稳定，贮存5年，膨胀率基本不衰减；（3）膨胀石墨表面呈中性，对壳体无腐蚀。

小膨胀石墨主要是指300目可膨胀石墨，其膨胀体积为100毫升/克，该产品主要用于阻燃涂料，需求量很大。

高初始膨胀温度的膨胀石墨的初始膨胀温度为290-300摄氏度，膨胀体积大于230毫升/克，这种膨胀石墨主要用于工程塑料和橡胶的阻燃。该产品由河北农业大学研制，申请国家专利。

膨胀石墨用作阻燃材料时，涉及到石墨与其它组分的相容性。由于石墨表面含盐量高，既不是油性物质，也不是亲水性物质，因此有必要对石墨表面进行改性，以解决石墨与其它组分的相容性问题，提出石墨表面应增白，即固体石墨表面应覆盖白色薄膜。这是一个很难解决的问题。它涉及膜化学或表面化学。实验室可以做到这一点，但工业化很困难，这种白色可膨胀石墨主要用于阻燃涂料。

这种膨胀石墨在80～150（）的温度下膨胀量可达250毫升/克。C和600（）c.制备满足该条件的可膨胀石墨的难点在于：（1）选择合适的插层剂；（2）控制和掌握干燥条件；（3）测定含水量；（4）解决环境问题。

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