可膨胀石墨的研究技术及应用领域的可行性研究报告

第一节 可膨胀石墨的简介

石墨晶体具有由碳元素组成的六角网平面层状结构。层平面上的碳原子以强有力的共价键结合，而层与层间以范德华力结合，结合非常弱，而且层间距离较大。因此，在适当的条件下，酸、碱金属、盐类等多种化学物质可插入石墨层间，并与碳原子结合形成新的化学相——石墨层间化合物(Graphite Intercalation on Compounds,简称 GIC)。这种层间化合物在加热到适当温度时，可瞬间迅速分解，产生大量气体，使石墨沿轴方向膨胀成蠕虫状的新物质，即膨胀石墨。这种未膨胀的石墨层间化合物就是可膨胀石墨。可膨胀石墨的研究技术及应用领域的（可行性研究报告）。
 

第二节 可膨胀石墨的研究技术

由于石墨是一种非极性材料，单独采用极性小的有机或无机酸难以插层，一般必须使用氧化剂。化学氧化法一般是将天然鳞片石墨浸泡在氧化剂和插层剂的溶液中，在强氧化剂的作用下，石墨被氧化而使石墨层的中性网状平面大分子变成带有正电荷的平面大分子，由于带有正电荷的平面大分子层间同性正电荷的排斥作用，石墨层间距离加大，插层剂插入石墨层间，成为可膨胀石墨。

可膨胀石墨酌化学氧化法制备工艺中需采用氧化剂。化学氧化法使用的氧化剂一般有固体氧化剂和液体氧化剂两类。固体氧化剂有KMn04、KCI04、NaCl03、 (NH4) 2S207等，液体氧化剂有H2S04、HNO3、HCIO4、H202等。固体氧化剂一般反应剧烈，有危险性，价格高，产品灰分大，且污染环境。液体氧化剂H2S04、HNO3等恶化操作环境、污染水质，H202反应温和，污染小。

对于可膨胀石墨来说，膨胀容积和含硫量是两个重要的产品指标，一般希望膨胀容积高，含硫量低。可膨胀石墨的含硫在应用中会对设备产生腐蚀作用，传统的可膨胀石墨多采用H2S04作为氧化剂和插层剂，含硫量常常过高（如3%～4%），不能适应柔性石墨等重要领域的应用要求。因此近年来，低硫可膨胀石墨和无硫可膨胀石墨，特别是无硫可膨胀石墨成为可膨胀石墨研究开发的重要方向，研究者做了大量的工作并取得了突破性的成果。此外，传统的可膨胀石墨一般要在900—1000℃的高温下才能膨胀达到200倍以上，在一些应用领域希望其膨胀倍数达到200倍以上的膨化温度愈低愈好，因此低温可膨胀石墨最近已成为可膨胀石墨研究开发的新方向。

第三节 可膨胀石墨的应用

一、密封材料

将原料高碳石墨与浓硫酸、 浓硝酸混合进行酸化处理、 行热处理后再压制成型， 制备的柔性石墨是一种新型高性能密封材料，是一种原位生长的纳米材料。与石棉橡胶等传统密封材料相比，具有良好的可压缩性、 回弹性、 自粘结性、低密度等优异性能， 且能在高温、 高腐等苛刻工况条件下长期使用。用它制作的石墨板材、密封元件被广泛应用于宇航、机械、电子、核能、石化、电力、船舶、冶炼等行业。因为它具有质轻、导电、导热、 耐高温、耐酸碱腐蚀、回弹性好、润滑性、可塑性和化学稳定性等优良特性 ,被誉为世界 “密封之王” 。

二、环保领域

高温膨化得到的可膨胀石墨,具有丰富的孔结构 ,因而有优良的吸附性能 ,所以在环保和生物医学上有广泛的用途。可膨胀石墨的孔结构有开放孔和封闭孔两种 ,孔容积占 98 %左右 ,而且以大孔为主 ,孔径分布范围 1～10. 3 nm。由于它是以大孔、 中孔为主 ,所以与活性炭等微孔材料在吸附特性上也有所不同。它适于液相吸附 ,而不适于气相吸附。在液相吸附中它亲油疏水。1 g 可膨胀石墨可吸附 80 g 以上重油 ,因而它是一种很有前途的清除水面油污染的环保材料。在化工企业的废水治理中 ,常采用微生物(细菌)处理 ,可膨胀石墨是一种很好的微生物载体 ,特别是对油脂类有机大分子污染的水处理中 ,由于化学稳定性好 ,又可再生复用,因此有良好的应用前景。

三、医学

由于可膨胀石墨有对有机、 生物大分子的吸附特性 ,在生物医学材料上有广泛的应用前景。

四、高能电池材料

可膨胀石墨作为电池材料,是利用可膨胀石墨层间反应的自由能变化转变成电能。通常以可膨胀石墨作为阴极 ,以锂为阳极 ,或以可膨胀石墨复合氧化银作为阴极 ,锌为阳极。氟化石墨、石墨酸及 AuCl3 和 TiF4 等金属卤化物的可膨胀石墨已应用到电池中。

五、阻燃防火

防火密封条 由于可膨胀石墨的可膨胀性及其耐高温性 ,使得可膨胀石墨成为优良的密封材料 ,在防火密封条上广泛使用。主要有两种形式:第一种是将可膨胀石墨材料与橡胶材料、无机阻燃剂、促进剂、硫化剂、补强剂、填料等混炼、硫化、成型 ,制成各种规格的膨胀密封胶条 ,主要用于防火门、防火玻璃窗等场合。这种膨胀密封条能够在常温和火灾中由始至终起到阻隔烟气流动的作用。另一种是以玻纤带为载体 ,将可膨胀石墨用某种粘合剂粘合在载体上 ,这种粘合剂在高温时形成的炭化物所提供的抗剪切力能够有效阻止石墨的滑动。它主要用于防火门 ,但其不能在常温或低温时 ,有效阻隔冷烟气的流动 ,所以其必须与常温密封剂配合使用。

塑料材料的阻燃 可膨胀石墨是塑料材料良好的阻燃剂 ,其具有无毒、无污染等特点 ,单独使用或与其他阻燃剂混合使用都可达到理想的阻燃效果。可膨胀石墨在达到同样阻燃效果时 ,用量远小于普通阻燃剂。其作用原理是:在高温时 ,可膨胀石墨急剧膨胀 ,窒息了火焰 ,同时其生成的石墨膨体材料覆盖在基材表面 ,隔绝了热能辐射和氧的接触;其夹层内部的酸根在膨胀时释放出来 ,也促进了基材的炭化 ,从而通过多种阻燃方式达到良好的效果。

防火包、可塑型防火堵料、阻火圈 因为可膨胀石墨在高温中具有抗破坏能力及其具有较高的膨胀率 ,可作为防火包、可塑型防火堵料、阻火圈成分中有效的膨胀阻燃材料 ,用于建筑中的防火封堵(例如:密封建筑管道、电缆、电线、煤气、瓦斯管、风管穿过的孔洞等场合)。

涂料上的应用 可膨胀石墨的细颗粒加入到普通涂料中 ,可制得效果较好的阻燃防静电涂料 ,提高其耐高温及防火性能。其在火灾中形成的大量轻质不燃碳层 ,能有效阻隔热量向基材的辐射 ,有效保护基材。另外由于石墨是良好的电导体 ,制得的涂料可防止静电荷的聚集 ,用于石油储罐 ,达到防火防静电的双重效果。

防火板、 防火纸 抗腐蚀耐高温板：在金属基层上衬有可膨胀石墨层 ,可膨胀石墨层与金属基层之间有炭化胶接层 ,可膨胀石墨层外覆有炭化保护层。具有抗腐蚀 ,耐高温和高压的性能。同时耐热冲击 ,在低温下也可正常使用 ,不怕速冷速热，并具有优良的热传导系数 ,使用温度为 - 100～2 000 ℃。适用范围广，制造容易，成本较低。另外，将可膨胀石墨高温膨胀后，压制成的石墨纸，也被应用于防火保温的场所。

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