[導(dǎo)讀] 膨脹石墨是一種新型的功能性碳素材料。成蠕蟲狀物質(zhì)，因此也叫蠕蟲石墨。
膨脹石墨是一種新型的功能性碳素材料。成蠕蟲狀物質(zhì)，因此也叫蠕蟲石墨。19世紀(jì)60年代初期，Brodie將天然石墨與硫酸和硝酸等化學(xué)試劑作用后加熱，發(fā)現(xiàn)了膨脹石墨。
1.膨脹石墨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
從外觀看來，膨脹石墨是一種疏松多孔而富于柔軟性的物質(zhì)，其比重特別小，有較大的比表面積，一般可達(dá) 50-200m2/g，孔徑基本以中、大孔為主；從宏觀結(jié)構(gòu)上看，一個石墨蠕蟲由多個“微胞”連接在一起組成；從微觀結(jié)構(gòu)上看,微胞內(nèi)又有許多細(xì)小孔隙,形成了膨脹石墨豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。
膨脹石墨特殊的結(jié)構(gòu)和特性使其擁有天然石墨的性質(zhì)外，還具有其它優(yōu)良的性質(zhì)：①極強(qiáng)的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性；②極強(qiáng)的抗高溫、低溫、抗腐蝕、抗輻射特性；③極強(qiáng)的抗震特性；④極強(qiáng)的電導(dǎo)率；⑤極強(qiáng)的抗老化、抗扭曲的特性。
2.膨脹石墨的制備
目前膨脹石墨主要由天然鱗片石墨經(jīng)插層處理、水洗、干燥、高溫膨脹制得。
①制備石墨可膨脹石墨
石墨晶體是由碳元素組成的六角網(wǎng)平面層狀結(jié)構(gòu)。而層與層間以范德華力結(jié)合，結(jié)合力弱，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)合形成可膨脹石墨。
可膨脹石墨
天然石墨制備可膨脹石墨的方法有化學(xué)氧化法、電化學(xué)法、超聲氧化法、氣相擴(kuò)散法等。
化學(xué)氧化法是將氧化劑、插層劑與鱗片石墨混合后，在一定溫度下充分反應(yīng)再進(jìn)行水洗和干燥。制備過程中，氧化劑和插層劑的種類、濃度以及反應(yīng)的溫度、時間等都是影響膨脹石墨性能的重要因素?；瘜W(xué)氧化法是工業(yè)上應(yīng)用最多和最成熟的方法。目前化學(xué)氧化法制備可膨脹石墨主要是采用濃硫酸為主體來制備可膨脹石墨，具體工藝為：
②可膨脹石墨制備膨脹石墨
可膨脹石墨的膨脹是利用瞬間的高溫，將插層物氣化，產(chǎn)生膨脹力，使石墨片層分離，體積膨脹。根據(jù)加熱方式不同分為高溫加熱膨脹和微波膨脹。
爆炸法直接制備膨脹石墨
爆炸法制備膨脹石墨，通常采用KClO4、Zn(NO3)2·2H2O、HClO4等作為膨脹劑與石墨制成混合物或煙火藥，加熱或引燃后，利用煙火藥低速爆炸時產(chǎn)生的熱量，同時產(chǎn)生氧化相和插層物，從而使石墨發(fā)生“爆炸”式的膨化，制得膨脹石墨。
3.膨脹石墨的發(fā)展方向
1、特殊用途的膨脹石墨
實(shí)驗(yàn)表明，石墨蠕蟲具有吸收電磁波的功能，這一性質(zhì)使膨脹石墨具有很高的軍事應(yīng)用價值。美國軍隊(duì)和我軍都已進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)研究。這種膨脹石墨必須滿足以下要求：（1）起始膨脹溫度低，膨脹體積大；（2）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，儲存5年，膨脹倍率基本不衰減；（3）膨脹石墨表面呈中性，對彈殼無腐蝕。
2、顆粒膨脹石墨
小顆粒膨脹石墨主要指300目的可膨脹石墨，其膨脹容積為100ml/g，該產(chǎn)品主要用于阻燃涂料，其需求量很大。
3、高起始膨脹溫度的膨脹石墨
高起始膨脹溫度的膨脹石墨起始膨脹溫度為290-300℃，膨脹容積≥230ml/g。這類膨脹石墨主要用于工程塑料和橡膠的阻燃，該產(chǎn)品已由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功并申請了國家專利。
4、表面改性石墨
膨脹石墨作阻燃材料時，涉及到石墨與其他組分的相溶性問題，由于石墨表面的礦化度很高，它既不是親油性物質(zhì)，也不是親水性物質(zhì)。所以必須對石墨表面進(jìn)行改性才能解決石墨與其他組分的相溶性問題。有人曾提出將石墨表面變白，即在石墨表面覆蓋一層堅(jiān)固的白色薄膜，這是一個很難解決的問題，涉及膜化學(xué)或表面化學(xué)的問題，實(shí)驗(yàn)室可能做到，工業(yè)化存在難題。此類白色可膨脹石墨主要用來做阻燃涂料。
5、低起始膨脹溫度、低溫膨脹石墨
此類膨脹石墨開始膨脹的溫度為80-150℃，600℃時膨脹容積達(dá)250ml/g。制備滿足這一條件的可膨脹石墨難點(diǎn)在于：（1）選擇合適的插層劑；（2）烘干條件的控制和掌握；（3）水分的測定；（4）環(huán)保問題的解決。