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膨胀石墨的制备工艺与应用董永利;周国江;丁慧贤;袁福龙【摘要】对膨胀石墨的制备工艺、结构、性能及其应用研究进行了综述,并对其发展趋势作了展望.主要介绍了以化学氧化法、电化学法、微波法、爆炸法和气相挥发法制备低温、无硫可膨胀石墨及复合膨胀石墨材料的工艺;总结分析了膨胀石墨材料在密封、阻燃、润滑、环境、催化、军事、医学等领域的研究现状和应用前景.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2010(037)003【总页数】5页(P59-63)【关键词】膨胀石墨;制备工艺;应用研究;综述【作者】董永利;周国江;丁慧贤;袁福龙【作者单位】黑龙江科技学院,现代分析测试研究中心,哈尔滨,150027;黑龙江科技学院,现代分析测试研究中心,哈尔滨,150027;黑龙江科技学院,现代分析测试研究中心,哈尔滨,150027;黑龙江大学,化学化工与材料学院功能无机材料化学省部共建教育部重点实验室,哈尔滨,150080【正文语种】中文【中图分类】TQ1651 概述石墨是一种重要的非金属矿物,属于六方晶系,具有特殊的层状结构。
早在19世纪60年代初[1], Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热,发现了膨胀石墨(Expanded Graphite,EG),它是一种新型的原子、分子尺度上的碳素材料,呈现出独特的物理、化学性能,然而其应用则在百年之后才开始。
近20年来,众多国家相继展开了膨胀石墨的研究和开发,取得了重大的科研突破。
作为一种重要的无机非金属材料,膨胀石墨材料广泛应用于环境、化工、冶金、动力机械、宇航及原子能工业,显示了强大的生命力和市场应用前景。
1.1 膨胀石墨的基本特性膨胀石墨晶体仍然属于六方晶系,其形状貌似蠕虫,大小在零点几毫米到几毫米之间,故又称为蠕虫石墨,如图1a[2]所示。
膨胀后石墨的表观容积达250～300 mL/g或更大,在内部具有大量独特的网络状微孔结构(见图1b[3])。
氧化法制备可膨胀石墨氧化法制备可膨胀石墨是一种制备石墨材料的方法，其独特性质使得可膨胀石墨广泛应用于建材、汽车、轻工、电子等众多领域。
在本文中，我们将介绍氧化法制备可膨胀石墨的原理、方法和应用。
一、氧化法制备可膨胀石墨的原理可膨胀石墨是一种具有高度可膨胀性的石墨材料，其制备通常使用氧化法。
该方法采用了碳材料的加氧制氧过程，将石墨氧化后形成具有高度层状结构的氧化石墨。
此后，经过一次高温处理即可获得可膨胀石墨。
由于氧化石墨层状结构的特性，热膨胀性得以大幅度增加，从而形成可膨胀性石墨材料。
二、氧化法制备可膨胀石墨的方法1.原材料的制备石墨材料作为氧化石墨材料的前驱体，是制备可膨胀石墨的基础。
原材料中的杂质、石墨片大小和形态都会影响可膨胀性。
因此，在选择原材料时，要选择具有较高纯度和小石墨片的石墨材料。
2.氧化石墨的制备氧化石墨材料是可膨胀石墨材料的前身，因此氧化石墨的制备过程非常重要。
该过程需要将石墨材料加入到硝酸中进行反应，过程中需要加热和搅拌。
反应完成后，产物应该进行充分的洗涤和过滤。
3.高温处理高温处理是可膨胀石墨制备的最后一步。
在该过程中，氧化石墨将被还原为石墨，同时通过气体或化学物质的影响，石墨表面形成了大量的孔隙和微裂缝。
这些孔隙和微裂缝赋予了可膨胀石墨良好的膨胀性。
三、氧化法制备可膨胀石墨的应用可膨胀石墨在众多领域都有广泛应用：1.建材：可膨胀石墨广泛应用于建筑材料、保温材料、屋面防水材料等方面。
其优良的隔热性能和轻盈的质量使得其在这些领域中可以替代一些传统的材料。
2.汽车：可膨胀石墨可以被用于汽车轻量化。
通过将可膨胀石墨纳入到聚合物中，制备出轻量化部件，可以显著降低汽车的重量，提高车辆性能和燃油效率。
3.电子：可膨胀石墨因其具有良好的导电性和热导性被广泛应用于电子领域。
例如，可膨胀石墨被用于作为电子导线、发泡胶等。
四、总结氧化法制备可膨胀石墨是一种制备石墨材料的有效方法。
该方法的原理简单，使得制备的可膨胀石墨具有良好的膨胀性，具有广泛的应用前景。
膨胀石墨分类
膨胀石墨是一种特殊形态的石墨材料，具有独特的热膨胀性能。
根据其制备方法和应用领域的不同，膨胀石墨可以分为以下几类：
1. 热膨胀膨胀石墨（Thermal Expandable Graphite，TEG）：热膨胀膨胀石墨是通过在石墨晶体中引入特殊的氧化剂或物质，使其在高温下发生氧化反应，产生气体并引起石墨晶体的膨胀。
这种膨胀石墨通常用于热膨胀密封、防火材料、隔热材料等领域。
2. 高膨胀石墨（High Expandable Graphite，HEG）：高膨胀石墨是一种具有较大膨胀率的膨胀石墨，通常用于防火、隔热和密封材料等领域。
其膨胀率较高，能够在受热时迅速膨胀，形成一种绝热层或隔热层，具有良好的防火和隔热效果。
3. 中等膨胀石墨（Medium Expandable Graphite）：中等膨胀石墨的膨胀率介于热膨胀石墨和高膨胀石墨之间。
它在热膨胀性能和力学性能之间取得了平衡，常用于防火材料、隔热材料、密封材料、橡胶和塑料增强剂等应用领域。
需要注意的是，膨胀石墨的膨胀性能可以根据具体的应用需求进行调整和控制。
不同类型的膨胀石墨可以通过调整制备方法、添加剂和处理工艺来实现不同的膨胀性能和应用特性。
因此，在实际应用中，根据具体的需求和要求选择适合的膨胀石墨类型是非常重要的。
1。
膨胀⽯墨简介（中国粉体技术⽹/三⽔）膨胀⽯墨是由天然鳞⽚⽯墨制得的⼀种疏松多孔的蠕⾍状物质（见图1）,因此⼜叫作⽯墨蠕⾍。
早在⼗九世纪六⼗年代初，B.C.Brodic 在研究⽯墨性质时发现，把天然⽯墨与硫酸和硝酸等化学试剂作⽤，在受热时⽯墨的体积会发⽣⼀定的膨胀。
天然鳞⽚⽯墨是具有层状结构的晶体,每⼀层的碳原⼦以强有⼒的共价健组合成⽹状平⾯⼤分⼦,⽽层与层之间以很弱的范德华⼒结合,在强氧化剂的作⽤下,⽹状平⾯⼤分⼦变成带有正电荷的平⾯⼤分⼦,致使具有极性的H2SO4分⼦和硫酸氢根等负离⼦插⼊⽯墨层中形成可膨胀⽯墨,⼜叫⽯墨层间化合物(graphite intercalation compounds, GICs)。
\图1 膨胀⽯墨的微观形貌1、膨胀⽯墨的结构从外观看来，膨胀⽯墨是⼀种疏松多孔⽽富于柔软性的物质。
其⽐重特别⼩，有较⼤的⽐表⾯积，⼀般可达 50-200m2/g，孔径基本以中、⼤孔为主。
从宏观结构上看,⼀个⽯墨蠕⾍由多个“微胞”连接在⼀起组成。
从微观结构上看,微胞内⼜有许多细⼩孔隙,形成了膨胀⽯墨丰富的孔隙结构。
天然鳞⽚⽯墨内原有许多⽚层有序区,⾼温⽓化过程中,⽚层间的连接处⾸先被层间化合物(主要为C n(HSO4)n和吸存⽔)的分解⽓流胀开,形成了膨胀⽯墨沿c轴的尺⼨在⼏⼗⾄⼏百微⽶的第⼀级孔隙,即微胞之间较⼤的裂缝(图2a)。
⽽⽚层有序区内部,若⼲亚⽚层之间受热不均匀变形形成⼏⼗微⽶的第⼆级孔(图2b),原来的⼀个⽚层有序区就对应着此时的⼀个微胞。
亚⽚层内部的孔隙结构,呈多边型,取向⽆规,⽹络状互相连通,构成了膨胀⽯墨的尺⼨在⼏⾄⼏⼗微⽶第三级孔结构(图2c)。
在三级孔的孔壁上⽤SEM进⾏⾼倍放⼤,观察不到明显孔隙结构,表明三级孔壁上没有发达孔隙结构。
但⽤N2法可以测得有少量的纳⽶级微孔,将其归纳为第四级孔。
\图2 膨胀⽯墨的微观孔结构2、膨胀⽯墨的性能（1）软、轻质、多孔、吸附性能好。
膨胀石墨主要用途
石墨的膨胀性是其独特的重要性质，它可以承受比钢铁更强的抗压力和抗拉力，主要应用于汽车、军工、制冷空调及集装箱等行业。
石墨膨胀是石墨面板和石墨各向异性的表现，石墨膨胀性可以缓冲钢材的变形及温差的影响，从而改善零部件的应力状态，避免承受温度改变时石墨分层的过大挠曲、弯曲，在有热应变中可以使零部件稳定、无异响，延长组件使用寿命并增强可靠性。
石墨膨胀还能用于降低金属材料表面噪音和磨损，将石墨折叠成不同厚度的石墨板用来表面蒙皮。
由于其弹性良好，在大拉伸变形时可以降低弹性变形所产生的静磨损；再加上石墨的耐高温特性、抗拉裂性和耐化学腐蚀性，是预防金属部件的化学腐蚀性损伤的常用防护功能之一。
石墨的膨胀性还可以用来减少轴承磕碰和润滑时噪音，当石墨接触轴承面时，可以由于膨胀性降低接触压力，从而减少噪音，而且可以承受一定的拉力和剪切力，延长轴承的使用寿命，它也可以把磨损物质带出来，保证轴承的正常使用。
石墨膨胀性还可以用于机床定位装置，将石墨作为调整元件，能实现轻质、高精度的定位，这是一种新型的精密定位机械装置，能够实现高速精密定位的完美结合，对机床的精度稳定、加工效率高有着良好的帮助作用。
石墨膨胀性还可用于抗冲膜，可用于船舶上抗冲膜的设计，使用石墨作为壳体材料，当覆盖钢板或其它复合材料时，石墨可以抵消压力差异，形成最小的泄漏比率，不受温度变化的影响。
可膨胀石墨在防火涂料中的应用1、可膨胀石墨我国是天然石墨资源第一大国(世界上2/3的储量在我国)。
石墨是一种无机物质，化学成分为C，属六方晶系，晶体呈六方板状和片状，集合体为鳞片状，铁黑色，密度为2.25g/cm3，有滑感，能导电，化学性质不活泼，具有耐腐蚀性。
可膨胀石墨是以天然鳞片石墨为原料，经化学或电化学处理而得到的一种石墨产品。
由天然鳞片石墨制得的可膨胀石墨材料既保留了石墨的耐高温，耐腐蚀，能承受中子流、β射线、γ射线的长期辐照，摩擦系数低，自润滑性好，导电导热并呈各向异性等性能，又具备天然石墨所没有的可弯曲、可压缩、有弹性、不渗透等特点，并且疏松多孔。
在高温、高压或辐射条件下不发生分解、变形或老化，化学性质稳定。
石墨具有层状结构，碱金属、卤素金属卤化物、强氧化性含氧酸等都可嵌入层间，形成层间化合物，在受到200℃以上高温时，由于吸留在层形点阵中的化合物的分解，石墨层间的化合物急剧分解、气化、膨胀(沿层间膨胀150-250倍)，使可膨胀石墨开始膨胀，并在1100℃时达到最大体积。
最终体积可以达到初始时的280倍，从而制得密度极低(0.003-0.005g/cm3)的蠕虫状石墨，它是一种结构疏松、柔软、富有韧性的物质，故通常称它为柔性石墨。
2、可膨胀石墨的友应特性理论上，可膨胀石墨能承受-200-3650℃的温度变化(非氧化性介质)，但是可膨胀石墨的比表面积要比天然石墨大得多，所以实际上可膨胀石墨的氧化温度比天然石墨低，其实用温度为-204-1650℃，它的膨胀温度大约为300℃。
目前国内工业上应用的温度已达850℃，在压力为2.8MPa，温度为1500℃的纯氧介质中不燃烧、不爆炸，也无明显的化学变化。
另外，可膨胀石墨的氧化速率小于天然石墨，而且其氧化分解的起始温度比天然石墨的低(见表1)。
表1 可膨胀石墨和天然石墨失重速率测试结果样品550℃空气中失重速率/g?(h?cm2)-1天然石墨0.151可膨胀石墨0.061可膨胀石墨膨胀后，体积极度地增大，因此可膨胀石墨膨胀后的密度一般比天然石墨小几百倍，比表面积则大大增加。
膨胀石墨的应用现状（中国粉体技术网/三水）由于膨胀石墨不仅保留了天然石墨的耐高温、耐腐蚀、耐辐射、导电性等优良性质，而且还具有许多特有的优良性能，例如柔软性、回弹性、自粘性、不渗透性、吸附性和低密度等特性，所以在石油、化工、原子能、电力，制药等方面的应用尤为广泛。
随着科技进步和高科技的开发，膨胀石墨这种新的工程材料，在高速、耐腐蚀、耐磨和节能等高新领域中，逐步取代了某些金属材料和有机合成材料。
1、环保领域膨胀石墨有疏水性和亲油性,可以在水中有选择性地除去非水性的溶液,如从海上、河流、湖泊中除去浮油。
膨胀石墨在吸油时能形成一定的缠绕空间,可储存远大于其总孔容的油类物质。
吸附大量油后可集结成块,浮在液面,便于收集,并可再生处理,循环使用。
由于膨胀石墨基本由纯碳组成,无毒和具有化学惰性,所以在水中不会造成二次污染。
此外,膨胀石墨还可用于工业废水乳状液除油以及除去可溶于油的物质,如农药等,并对许多其他有机或无机有害成分有良好的吸附效果。
除了可在液相中进行选择性吸附,膨胀石墨对工业废气及汽车尾气所产生的大气污染主要成分如SO x和NO x也有一定的脱除效果。
王鲁宁等将膨胀石墨用于处理毛纺厂印染废水，静态条件下，废水中化学需氧量（COD）的平均去除率达到了40%，色度平均降低40%。
现场应用时，废水中COD的平均去除率达到20%，色度平均降低20%。
现场实验表明，膨胀石墨在毛纺印染废水的处理中有其独特的应用前景。
刘成宝等以膨胀石墨为吸附剂自制吸附柱作为污水处理装置, 结果表明水流速度控制在70L/h,填充密度控制在9g/L,吸附流程控制在2m 时,既能达到油田污水的回注标准,又能满足经济性要求。
2、密封材料膨胀石墨可后处理成柔性石墨作为密封材料使用。
与传统密封材料(如石棉、橡胶、纤维素及其复合材料)相比,柔性石墨可用温度范围较宽,在空气中可用范围在-200℃-450℃,在真空或还原性气氛中可到3000℃,且热膨胀系数小,在低温下不发脆、不炸裂,在高温下不软化、不蠕变,因而被冠以“密封王”的美誉,目前已广泛应用于石油化工、机械、冶金、原子能等行业。
膨胀石墨分类(一)膨胀石墨1. 定义•膨胀石墨，是一种通过高温加热石墨而制得的具有特殊气孔结构和高度膨胀性能的材料。
2. 分类膨胀石墨可以根据其不同的用途和特性进行分类，常见的分类包括：膨胀石墨板•膨胀石墨板是一种制成板状的膨胀石墨材料。
•膨胀石墨板具有轻质、高强度、高温稳定性等特点，广泛应用于热处理行业、建材行业等领域。
膨胀石墨颗粒•膨胀石墨颗粒是将膨胀石墨粉末经过特殊处理制成颗粒状的材料。
•膨胀石墨颗粒具有低密度、高孔隙率、导电性等特点，被广泛应用于各种导热导电材料、防腐涂料等领域。
膨胀石墨制品•膨胀石墨制品是指通过膨胀石墨原料制作成的各种成型产品。
•膨胀石墨制品具有多样的形状和尺寸，如管道、垫片、密封件等，广泛应用于化工、机械等领域。
膨胀石墨复合材料•膨胀石墨复合材料是将膨胀石墨与其他材料进行混合制成的复合材料。
•膨胀石墨复合材料可以改善材料的某些性能，如增加强度、改善导热性能等，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
3. 应用领域膨胀石墨由于其特殊的性能和多样的形态，被广泛应用于以下领域：热处理行业•膨胀石墨板可用作高温炉内的绝缘材料，有效提高炉膛的热效率和工作温度。
•膨胀石墨颗粒可作为热处理工艺中的导热材料，用于均匀传热以提高产品质量。
建材行业•膨胀石墨板可以用作隔热材料，用于保温、隔热和防火。
•膨胀石墨制品可以作为建筑密封件，在建筑领域起到隔热、防水、防尘等作用。
导热导电材料•膨胀石墨颗粒可用作导热导电材料，应用于散热器、电池等电子器件，提高散热效果和导电性能。
化工行业•膨胀石墨制品可以作为管道密封件，用于高温高压的化工管道的密封，确保安全和可靠性。
•膨胀石墨复合材料可用于制作化工设备的衬里材料，提高耐腐蚀能力。
以上所列举的分类和应用领域只是膨胀石墨的一部分，随着科技的发展和应用的不断拓展，膨胀石墨将有更广阔的应用前景。
石墨膨胀和硅基膨胀石墨膨胀和硅基膨胀是两种重要的材料膨胀现象，它们在材料科学和工程领域中具有广泛的应用。
本文将分别介绍这两种膨胀现象，分析其产生原因和影响因素，并探讨其在相关领域中的应用。
一、石墨膨胀石墨是一种常见的碳材料，由于其独特的晶体结构和物理性质，石墨在某些条件下会发生膨胀现象。
石墨膨胀主要表现在以下几个方面：1.层间膨胀：由于石墨层间的范德华力较弱，当温度升高或压力增大时，层间距离会增加，导致石墨发生层间膨胀。
这种膨胀在常温常压下不易察觉，但在高温或高压条件下较为明显。
2.体积膨胀：当石墨受到外力作用时，其内部晶格结构会发生畸变，导致整体体积膨胀。
这种膨胀的大小与外力的大小和作用方式有关。
3.化学膨胀：在某些化学反应中，石墨会吸收反应物或生成物，导致其体积发生变化。
例如，石墨与酸或碱的反应可以导致石墨层间距增大，从而发生化学膨胀。
石墨膨胀的机制较为复杂，涉及到材料的微观结构和外部环境因素的综合作用。
在实际应用中，石墨膨胀有时是有利的，例如在制备石墨烯或碳纳米管时；有时是有害的，例如在使用石墨作密封材料时，需对其膨胀行为进行严格控制。
二、硅基膨胀硅基材料广泛应用于半导体、太阳能电池等领域。
硅基材料在某些条件下会发生膨胀现象，主要表现在以下几个方面：1.热膨胀：当硅基材料受热时，其内部的原子或分子的振动幅度会增加，导致整体材料发生膨胀。
热膨胀的程度与温度和材料种类有关，一般来说，温度越高，热膨胀的程度越大。
2.化学膨胀：当硅基材料与某些化学物质反应时，可能会吸收反应物或生成物，从而导致体积发生变化。
例如，硅与氟气反应可以生成四氟化硅气体，使硅基材料发生化学膨胀。
3.应力膨胀：当硅基材料受到外力作用时，其内部应力分布会发生变化，导致材料发生膨胀。
这种膨胀的大小与外力的大小和作用方式有关。
硅基膨胀的机制与石墨膨胀类似，也涉及到材料的微观结构和外部环境因素的综合作用。
在实际应用中，硅基膨胀有时是有利的，例如在制备微电子器件时；有时是有害的，例如在使用硅基材料作结构材料时，需对其膨胀行为进行控制。
