膨脹石墨材料的研究進展及其應(yīng)用綜述

陳文亮 滕東曉 馬元 那平

摘 ? 要：本文從膨脹石墨的插層與膨脹制備工藝出發(fā)闡述了其制備原理方法及特點，根據(jù)膨脹石墨所具有的耐高低溫、導電導熱，強吸附性、粘結(jié)性、壓縮回彈性、密封性等特點，綜述了其在環(huán)保、醫(yī)學、密封阻燃材料等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點介紹了其作為油類物質(zhì)吸附材料的原理及研究應(yīng)用現(xiàn)狀，剖析了目前膨脹石墨在吸附材料領(lǐng)域開發(fā)及應(yīng)用過程中的一些不足，提出了今后膨脹石墨在該領(lǐng)域研究的主要發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：膨脹石墨 ?吸附 ?應(yīng)用 ?研究進展 ?油類物質(zhì)

中圖分類號：TQ127.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0111-04

Abstract： In this paper， the preparation methods and application of the expanded graphite were introduced. First， the usual intercalation and expansion technologies were summarized， and then based on the high and low temperature resistance， electrical and thermal conductivity， high adsorption property， cohesiveness， resilience and resilient property， sealing charateristics， the applications of expanded graphite in environmental protection， medicine， sealing material and fire retardant areas were reviewed， and its application and mechanism for the oil adsorption were introduced detailed especially. In the last， the application problem of expanded graphite were introduced and analyzed， and its future development trend was proposed.

Key Words： Expanded graphite; Adsorption; Preparation technology; Application;Oil

1 ?背景

膨脹石墨是鱗片石墨經(jīng)過深加工，形成的具有多孔、高比表面的蠕蟲狀碳材料[1-2]（圖1），是碳材料中公認的最具有使用價值及應(yīng)用前景的產(chǎn)品之一。膨脹石墨保持了石墨材料的微觀分子結(jié)構(gòu)，因此膨脹石墨材料具有耐高低溫、耐腐蝕和自潤滑等多種優(yōu)良性能，同時由于膨脹石墨質(zhì)量輕、孔隙多、質(zhì)地柔軟，因此還具有吸附性、壓縮回彈性和密封性等新的性能。目前膨脹石墨已經(jīng)在環(huán)境保護、電力、化工催化、機械、軍工等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[3-8]。

膨脹石墨的制備及應(yīng)用技術(shù)一直是國內(nèi)外研究熱點。本文通過文獻調(diào)研，綜述了近幾年膨脹石墨制備技術(shù)的研究進展，并介紹了該材料在油類吸附領(lǐng)域的諸多應(yīng)用。

2 ?制備方法

膨脹石墨來源于天然鱗片石墨，制作工藝主要包括插層、水洗、干燥、高溫膨脹處理等。其中插層和高溫膨脹工藝最為關(guān)鍵，插層的目的是制備石墨層間化合物（GICs），然后將其進一步膨脹處理即可制得膨脹石墨。本文主要對膨脹石墨制備工藝中常用到的插層及膨脹方法簡單介紹。

2.1 插層方法

2.1.1 化學氧化法

在鱗片石墨體系中通入Cl2，然后高溫處理，鱗片石墨在此環(huán)境下將迅速氧化，并直接膨脹為膨脹石墨。但由于該方法反應(yīng)條件苛刻，而且會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢氣，難以處理，因此實際已很少采用。

目前多采用H2SO4、KMnO4、K2Cr2O7等作氧化劑，替代Cl2的作用。H2SO4氧化法使用濃HNO3+H2SO4工藝體系，雖然工藝簡單但酸用量大，而且制備過程中工藝參數(shù)難以控制，導致插入物在層間分布不均，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差[4]，該方法產(chǎn)生氮氧化物同樣對環(huán)境產(chǎn)生污染;KMnO4或K2Cr2O7氧化法可在常溫下操作，但該工藝中產(chǎn)物灰分產(chǎn)生量大，作為固廢難以處理，或處理成本較高[9-12]。

2.1.2 電化學氧化法

電化學氧化法是在電解槽中加入濃H2SO4和鱗片石墨，攪拌、混勻，并接通直流電，通過電流產(chǎn)生的電場力作用達到生成層間化合物的目的。因此該法優(yōu)點為可常溫狀態(tài)下，間斷式單槽生產(chǎn)或者連續(xù)生產(chǎn)，但該方法使用完后的廢酸難以處置，環(huán)境污染嚴重[13-15]。

2.1.3 超聲氧化法

該方法的原理為：在電化學氧化工藝中，對電解液進行超聲波振動，利用超聲波快速振動產(chǎn)生的極化作用，加快陽極氧化速率，縮短反應(yīng)時間，可以達到提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源的效果[16，17]。

2.1.4 氣相擴散法

氣相擴散法首先將插層物和鱗片石墨分別置于真空密封管的兩端，通過加熱插層物端，利用密封管兩端的溫差形成壓差，使插層物以小分子狀態(tài)進入鱗片石墨層間制得石墨層間化合物。氣相擴散法生產(chǎn)膨脹石墨的優(yōu)點為階層數(shù)目可精確控制，缺點為生產(chǎn)批量小，導致時間成本較高[18-20]。