膨脹石墨的研究和應(yīng)用進(jìn)展

李小坤

摘 要：目前，石墨在化工、能源、煉金、環(huán)保、醫(yī)療和煉金領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的地位。石墨根據(jù)其性質(zhì)和目前科學(xué)家們的研究，可以分為三大類：普通石墨、復(fù)合石墨和膨脹石墨?；谂蛎浭膬?yōu)越性，已經(jīng)大量替代了傳統(tǒng)意義上的銅和普通石墨，但是從膨脹石墨的制作方法和工藝上講，可以說是多種多樣，也是科學(xué)家們重點研究的方向。本文主要講述當(dāng)前膨脹石墨在各科學(xué)領(lǐng)域的地位和制備工藝，以及在未來的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：膨脹石墨;石墨烯;高溫;應(yīng)用

1 膨脹石墨的研究

1.1 膨脹石墨

膨脹石墨又稱柔性石墨或蠕蟲石墨，是一種分散多孔的蠕蟲狀新型全碳素材料，經(jīng)過天然鱗石石墨多次加工而成，也是碳元素的同素異形體，相鄰的3個碳原子間以sp2雜化軌道形成120°夾角的共價鍵。因此膨脹石墨是非常穩(wěn)定且不易被破壞的結(jié)構(gòu)，由這種石墨制成的電極耐熱，耐撞擊并且表面光滑不會受到摩擦的影響，是許多國家工業(yè)發(fā)展中的一大助力，也是新型能源可反復(fù)使用的典范。

1.2 可膨脹石墨

可膨脹石墨與膨脹石墨有許多相似點，同樣是由碳元素組成的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以較為穩(wěn)定的共價鍵形成，但在更小的層次，層與層之間存在范德華力，相對共價鍵就非常弱，且間隙也不小，所以在適當(dāng)?shù)那闆r下，酸、堿金屬等多種化學(xué)物質(zhì)可進(jìn)入其中，并且這些化學(xué)物質(zhì)在進(jìn)入層與層之間時，會與碳原子形成新的化合物，這種化合物在加熱到一定程度就會快速的分解，產(chǎn)生大量的氣體和能量，沿石墨軸線方向形成蠕蟲狀的新物質(zhì)，即膨脹石墨。

2 膨脹石墨制備方法

膨脹石墨的制備可分為氧化插層和高溫膨脹兩個環(huán)節(jié)

2.1 氧化過程

制備膨脹石墨最多使用化學(xué)氧化法和電化學(xué)氧化法，其中最大的區(qū)別是氧化方法不同，而其他后續(xù)處理大體相同?；瘜W(xué)氧化法是迄今為止使用最廣、研究最為成熟的方法，使用氧化劑讓石墨失去電子，使其邊緣張開，把插層劑注入石墨夾層之間形成可膨脹石墨，之后再次使用高溫制得膨脹石墨，但此法存在酸液浪費現(xiàn)象，且產(chǎn)物硫含量過高。電化學(xué)法根據(jù)石墨存在的導(dǎo)電性，使其通過電解液中陽極帶電一方在石墨層與層之間發(fā)生氧化，其中酸根離子進(jìn)入其中，制得可膨脹石墨，之后方法如同化學(xué)氧化法。電化學(xué)法不使用氧化劑所以生產(chǎn)溶液可回收利用，成本、污染小，但產(chǎn)量較低，且只限于小量實驗獲得，無法推廣。

2.2 高溫膨脹

通過可膨脹石墨轉(zhuǎn)化為膨脹石墨，在高溫條件下層間物質(zhì)快速氣化，大量的氣泡和能量的溢出使得石墨層間快速擴(kuò)張至原來的十幾倍甚至百倍，最后形成膨脹石墨。而高溫膨脹法目前有四種：高溫、微波、低溫膨脹法和爆炸法。高溫膨脹法是將可膨脹石墨放入高溫環(huán)境中，使用工業(yè)熔爐產(chǎn)生高溫快速使可膨脹石墨氣化，但加熱時間過長，電能消耗大。微波膨脹法和高溫膨脹法本質(zhì)相同，區(qū)別在于加熱方法的不同，高溫膨脹法由石墨表面向內(nèi)部加熱，為傳統(tǒng)意義上的熱傳導(dǎo)，而微波膨脹法基于石墨的導(dǎo)電性，利用磁控管產(chǎn)生的微波，利用渦電流讓石墨從內(nèi)而外的迅速升溫，且易于操作，升溫時間快。低溫膨脹法指在保證膨脹效果的前提下，盡可能降低能耗，節(jié)約成本，相對于高溫和低溫膨脹法，低溫膨脹法更適用于工業(yè)生產(chǎn)，也是膨脹石墨未來的研究方向。爆炸法利用混合爆炸化合物，在爆炸的過程中受到高溫影響，制得膨脹石墨，操作簡單，時間最短，并且可能使產(chǎn)生的膨脹石墨得到表面改性，但純度較低，難以控制。

3 膨脹石墨的應(yīng)用

3.1 電池材料

膨脹石墨經(jīng)過高溫處理后，其結(jié)構(gòu)性、導(dǎo)電性仍然完整、優(yōu)良，且具備耐高溫、親油性強(qiáng)等優(yōu)點，因此可以將膨脹石墨應(yīng)用到電池電極領(lǐng)域，例如鋅錳電池的鋅陽極添加膨脹石墨，可以減少其充電時的極化，并且增強(qiáng)導(dǎo)電性。

3.2 環(huán)保領(lǐng)域

膨脹石墨具有兩大特性疏水性和親油性，在水中會吸附周圍油漬并儲存遠(yuǎn)大于其體積的油類物質(zhì)。通過膨脹石墨的疏水性使其不會溶于水，而親油性會吸附周圍油漬，且因為石墨本身輕的特性會漂浮在水面，以此消滅水污染，并循環(huán)使用。膨脹石墨是無毒且具有化學(xué)惰性的材料，在與其他元素共同存在時不會發(fā)生任何反應(yīng)，所以膨脹石墨也可以用作化學(xué)溶劑，或者除去混合化合物中的油性物質(zhì)。

3.3 防火安全材料

在飛機(jī)座椅中添加部分可膨脹石墨，或者是把可膨脹石墨制做成防火密封條、防火涂料等，如果起火受到高溫加熱，快速形成膨脹石墨阻止火災(zāi)蔓延，達(dá)到滅火目的。另外，將可膨脹石墨的細(xì)小粒子加入到普通涂料中，而這種涂料可形成有效的阻燃防靜電工業(yè)防具。根據(jù)其特性目前在消防領(lǐng)域，發(fā)揮著重要作用，使用膨脹石墨添加到消防員衣服中，可以很大的提高救援時間。

4 結(jié)束語

根據(jù)調(diào)查，目前在國際上對于膨脹石墨的應(yīng)用越來越廣泛，并且各國也在制定相應(yīng)的法律和政策來促進(jìn)石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因為其能耗少，可循環(huán)利用等特性，在各大輕工業(yè)和重工業(yè)中適用范圍相當(dāng)廣泛。在其導(dǎo)電性能上可制作優(yōu)秀導(dǎo)體，在溫度變化上，可適應(yīng)較低溫和高溫環(huán)境。在未來的發(fā)展中也可以看出膨脹石墨的發(fā)展，主要是通過制造工藝上的進(jìn)步，降低生產(chǎn)成本和能源消耗特別是稀有金屬的浪費，膨脹石墨的發(fā)展前景具有很大的潛在價值。

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