GICs改性天然石墨的性能研究

費(fèi)曉飛 叢海波

摘要：利用石墨層間化合物（GICs）技術(shù)對(duì)天然石墨進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性。通過粒度、膨脹容積、比表面積、SEM等性能測(cè)試，探討GICs不同改性條件對(duì)天然石墨材料結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：石墨層間化合物（GICs）；改性；天然石墨

1前言

GICs近十年來的進(jìn)展應(yīng)歸功于化學(xué)、物理及材料科學(xué)三個(gè)學(xué)科的彼此交叉，相互滲透，同時(shí)GICs研究的深化也對(duì)其它學(xué)科的進(jìn)展作出了積極的貢獻(xiàn)[1]。

本文分別以H2SO4-H2O2為原料對(duì)石墨進(jìn)行GICs改性，探討GICs改性條件不同對(duì)石墨材料結(jié)構(gòu)性能的影響，包括對(duì)石墨低倍率膨脹倍數(shù)，對(duì)石墨粒度，比表面積，表面形貌等的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品的制備

H2SO4-H2O2-GIC的制備[2，3]。取一定量的原料石墨放入燒杯中，加入一定量的濃度為98%的硫酸和濃度為30%的雙氧水，在水浴鍋中加熱，攪拌，待反應(yīng)結(jié)束后，用蒸餾水將石墨洗至中性，烘干制得樣品。整個(gè)反應(yīng)在通風(fēng)廚中進(jìn)行。

2.2 樣品的分析與表征

2.2.1 粒度和膨脹容積測(cè)試

石墨式樣粒徑的測(cè)定：用無水乙醇做分散劑，使用英國(guó)產(chǎn)的激光粒徑分析儀對(duì)石墨粒度進(jìn)行測(cè)試，粒徑分析的范圍為0.040-2000μm。

石墨式樣的膨脹容積的測(cè)試：將制得的石墨試樣裝入量筒中，振動(dòng)200下，測(cè)出其質(zhì)量和體積，計(jì)算出單位質(zhì)量的體積既是其膨脹容積。

2.2.2 比表面積與表面形貌測(cè)試

石墨材料的比表面積用BET法（全自動(dòng)氮吸附比表面儀）測(cè)試。表面形貌用日本島津制作所的SSX-550型掃描電子顯微鏡測(cè)試表征。

3 結(jié)果與討論

3.1 GICS改性對(duì)對(duì)石墨膨脹容積的影響

樣品標(biāo)號(hào)說明：球化天然石墨記為SNG，H2SO4-H2O2嵌入改性的樣品記為S。

合成H2SO4-H2O2-GIC時(shí)，在反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為60min， 石墨與雙氧水的量固定為1：1時(shí)，即取石墨1克，雙氧水1ml，改變硫酸的含量得到膨脹容積隨H2SO4含量的增加而增大；

當(dāng)石墨與硫酸含量固定為1：2時(shí)，即取石墨1克，硫酸2ml，膨脹容積呈隨H2O2量的增加而減小的關(guān)系。

3.2對(duì)比表面積的影響

不同改性條件下，探討GICs改性對(duì)石墨比表面積的影響，并對(duì)樣品的膨脹容積與比表面積的關(guān)系進(jìn)行分析。

隨著膨脹容積的增大，樣品的比表面積呈先增大后減小的趨。當(dāng)膨脹容積小于2.0ml/g時(shí)，隨著樣品的膨脹容積的增大，樣品的表面孔隙及缺陷增多，比表面積增大；當(dāng)膨脹容積大于2.0ml/g時(shí)，樣品膨脹容積的增大，使得樣品的表面積增大，在質(zhì)量不變的條件下，樣品單位質(zhì)量的表面積減小，即比表面積降低。

3.3對(duì)粒度的影響

取不同膨脹倍數(shù)的GICs改性后的樣品，進(jìn)行粒度測(cè)試，對(duì)樣品的膨脹容積與粒度（中位徑）進(jìn)行分析。

改性后樣品的粒度增大，并且隨著樣品膨脹容積的增大，粒度也呈增大的趨勢(shì)，其中有兩個(gè)樣品例外， 如膨脹容積為1.3ml/g的樣品，粒度比膨脹容積為1.2ml/g的樣品粒度小 ， 膨脹容積為2.4 ml/g的樣品， 粒度比膨脹容積為2.1 ml/g 的樣品粒度小，這可能是由于合成石墨嵌入化合物時(shí)，石墨的整體膨脹容積發(fā)生了變化，這種變化主要發(fā)生在顆粒與顆粒之間，所以單個(gè)石墨粒徑?jīng)]有增大，但是總體趨勢(shì)，石墨樣品的粒度隨膨脹容積的增大而增大。

3.4對(duì)表面形貌的影響

經(jīng)GICs技術(shù)改性后選擇不同膨脹倍率的樣品進(jìn)行表面形貌測(cè)試，樣品的實(shí)驗(yàn)條件見表3-1。

取樣品S10、S11膨脹容積分別為 2.4ml/g、3.3ml/g，與SNG（原料石墨）做形貌對(duì)比分析，放大倍數(shù)為 2000倍，樣品的SEM圖如圖3-1所示。

SNG（×2000） S10（×2000） S11（×2000）

圖3-1 石墨嵌入改性前后樣品的形貌分析

Fig.3-1 Morphological analysis of graphite before and after Modification

由圖3-1可以看出，嵌入改性后樣品表面缺陷部位增多，石墨顆粒表面片層遭到破壞，石墨孔隙增多，石墨顆粒呈現(xiàn)蓬松狀，隨著膨脹倍數(shù)的增大，石墨片層破壞越嚴(yán)重，2.2倍膨脹時(shí)石墨表面有較多裂痕，石墨片層有要脫落的趨勢(shì)；3.0倍膨脹時(shí)有些石墨顆粒爆開，結(jié)構(gòu)完全被破壞。

4 結(jié)論

GICs改性伴隨石墨微膨脹反應(yīng)，嵌入體系為H2SO4-H2O2時(shí)，膨脹容積隨H2SO4含量的增加而增大，隨H2O2含量的增加而減小；GICs改性后石墨顆粒表面膨松，孔隙缺陷增多，石墨的比表面積略有下降，石墨粒度呈增大趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] B. Tryba， A.W. Morawski， K. Ka?ucki. Trace analyses of gaseous products formed during heat treatment of high stage H2SO4-GICs and expanded graphite[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids 2004 ，65：165–169.

[2]劉光輝.石墨嵌入化合物的合成及其性能[J]. 吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998， 19（1）：77-80.

[3]黃穎霞等.石墨層間化合物的合成及其結(jié)構(gòu)研究[J]. 南京師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，28（4）：57-59.