第一節(jié) 可膨脹石墨的簡(jiǎn)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(gòu)。層平面上的碳原子以強(qiáng)有力的共價(jià)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(dāng)?shù)臈l件下，酸、堿金屬、鹽類(lèi)等多種化學(xué)物質(zhì)可插入石墨層間，并與碳原子結(jié)合形成新的化學(xué)相——石墨層間化合物(Graphite Intercalation on Compounds,簡(jiǎn)稱(chēng) GIC)。這種層間化合物在加熱到適當(dāng)溫度時(shí)，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(chóng)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(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的（可行性 研究 報(bào)告）。
 

第二節(jié) 可膨脹石墨的 研究 技術(shù)

由于石墨是一種非極性材料，單獨(dú)采用極性小的有機(jī)或無(wú)機(jī)酸難以插層，一般必須使用氧化劑。化學(xué)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(qiáng)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(xué)氧化法制備工藝中需采用氧化劑。化學(xué)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(lèi)。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(yīng)劇烈，有危險(xiǎn)性，價(jià)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(yīng)溫和，污染小。

對(duì)于可膨脹石墨來(lái)說(shuō)，膨脹容積和含硫量是兩個(gè)重要的產(chǎn)品指標(biāo)，一般希望膨脹容積高，含硫量低。可膨脹石墨的含硫在應(yīng)用中會(huì)對(duì)設(shè)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(guò)高（如3%～4%），不能適應(yīng)柔性石墨等重要領(lǐng)域的應(yīng)用要求。因此近年來(lái)，低硫可膨脹石墨和無(wú)硫可膨脹石墨，特別是無(wú)硫可膨脹石墨成為可膨脹石墨 研究 開(kāi)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(dá)到200倍以上，在一些應(yīng)用領(lǐng)域希望其膨脹倍數(shù)達(dá)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(kāi)發(fā)的新方向。

第三節(jié) 可膨脹石墨的應(yīng)用

一、密封材料

將原料高碳石墨與濃硫酸、 濃硝酸混合進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)期使用。用它制作的石墨板材、密封元件被廣泛應(yīng)用于宇航、機(jī)械、電子、核能、石化、電力、船舶、冶煉等 行業(yè) 。因?yàn)樗哂匈|(zhì)輕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、 耐高溫、耐酸堿腐蝕、回彈性好、潤(rùn)滑性、可塑性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性 ,被譽(yù)為世界 “密封之王” 。

二、環(huán)保領(lǐng)域

高溫膨化得到的可膨脹石墨,具有豐富的孔結(jié)構(gòu) ,因而有優(yōu)良的吸附性能 ,所以在環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)上有廣泛的用途?？膳蛎浭目捉Y(jié)構(gòu)有開(kāi)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(xì)菌)處理 ,可膨脹石墨是一種很好的微生物載體 ,特別是對(duì)油脂類(lèi)有機(jī)大分子污染的水處理中 ,由于化學(xué)穩(wěn)定性好 ,又可再生復(fù)用,因此有良好的應(yīng)用前景。

三、醫(yī)學(xué)

由于可膨脹石墨有對(duì)有機(jī)、 生物大分子的吸附特性 ,在生物醫(yī)學(xué)材料上有廣泛的應(yīng)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(yīng)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(yáng)極 ,或以可膨脹石墨復(fù)合氧化銀作為陰極 ,鋅為陽(yáng)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(yīng)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(wú)機(jī)阻燃劑、促進(jìn)劑、硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)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(mén)、防火玻璃窗等場(chǎng)合。這種膨脹密封條能夠在常溫和火災(zāi)中由始至終起到阻隔煙氣流動(dòng)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(shí)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(dòng)。它主要用于防火門(mén) ,但其不能在常溫或低溫時(shí) ,有效阻隔冷煙氣的流動(dòng) ,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(wú)毒、無(wú)污染等特點(diǎn) ,單獨(dú)使用或與其他阻燃劑混合使用都可達(dá)到理想的阻燃效果?？膳蛎浭谶_(dá)到同樣阻燃效果時(shí) ,用量遠(yuǎn)小于普通阻燃劑。其作用原理是:在高溫時(shí) ,可膨脹石墨急劇膨脹 ,窒息了火焰 ,同時(shí)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(shí)釋放出來(lái) ,也促進(jìn)了基材的炭化 ,從而通過(guò)多種阻燃方式達(dá)到良好的效果。

防火包、可塑型防火堵料、阻火圈 因?yàn)榭膳蛎浭诟邷刂芯哂锌蛊茐哪芰捌渚哂休^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(fēng)管穿過(guò)的孔洞等場(chǎng)合)。

涂料上的應(yīng)用 可膨脹石墨的細(xì)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(zāi)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(hù)基材。另外由于石墨是良好的電導(dǎo)體 ,制得的涂料可防止靜電荷的聚集 ,用于石油儲(chǔ)罐 ,達(dá)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(hù)層。具有抗腐蝕 ,耐高溫和高壓的性能。同時(shí)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(dǎo)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(yīng)用于防火保溫的場(chǎng)所。

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