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石墨晶體是兩向大分子層狀結(jié)構(gòu),每一平面內(nèi)的C原子都以C一C共價鍵相結(jié)合,層與層之間以較弱的范德華力相結(jié)合。石墨的層狀結(jié)構(gòu)十分典型,每一層片是一個碳原子層,層內(nèi)碳原子之間以sp2雜化軌道成很強(qiáng)的共價鍵,即1個2s電子和2個2p電子雜化等價的雜化軌道,位于同一平面上,互相形成σ鍵,而二個未參加雜化的2P電子則垂直于平面,形成二鍵π。石墨的這種層狀結(jié)構(gòu)使得層間存在一定的空隙。因此在一定條件下,某些反應(yīng)物(如酸、堿、鹵素)的原子(或單個分子)即可進(jìn)入層間空隙,并與碳網(wǎng)平面形成層間化合物。這種插有層間化合物的石墨即為可膨脹石墨。碳原子層間以很弱的范德華力相聯(lián)系,這種結(jié)構(gòu)允許插層物質(zhì)能夠順利地進(jìn)入碳原層間而不破壞碳原子層內(nèi)的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此天然石墨是制備石墨插層化合物最好的母體材料。

可膨脹石墨是一種利用物理或化學(xué)的方法使非碳質(zhì)反應(yīng)物插入石墨層間,與炭素的六角網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)合的同時又保持了石墨層狀結(jié)構(gòu)的晶體化合物。它不僅保持石墨優(yōu)異的理化性質(zhì),而且由于插入物質(zhì)與石墨層的相互作用而呈現(xiàn)出原有石墨及插層物質(zhì)不具備的新性能。插有層間化合物的石墨在遇到高溫時,層間化合物將分解,產(chǎn)生一種沿石墨層間C軸方向的推力,這個推力遠(yuǎn)大于石墨粒子的層間結(jié)合力,在這個推力的作用下石墨層間被推開,從而使石墨粒子沿C軸方向高倍地膨脹,形成蠕蟲狀的膨脹石墨l2]。石墨層與層之間可"嵌"入化學(xué)物質(zhì)而具有可膨脹性。如可采用硫酸處理石墨,干燥后石墨在高溫下膨脹,這是由于硫酸分子"嵌"入石墨層所致。

1、特殊用途的膨脹石墨

實驗表明,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。美國軍隊和我軍都已進(jìn)行了這方面的試驗研究。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,實驗室可能做到,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。當(dāng)前,低溫可膨脹石墨的制備還在實驗階段。

2、極強(qiáng)的抗高、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;

6、可以抵制各種金屬的熔化及滲透;

7、無毒、不含任何致癌物,對環(huán)境沒有危害;

可膨脹性石墨薄片的膨脹特性不同于其他膨脹劑,受熱達(dá)到一定溫度時,由于吸留在層間點陣中化合物分解,可膨脹石墨便開始膨脹,稱為起始膨脹溫度,在1000℃時膨脹完全,達(dá)到最大體積。膨脹體積可以達(dá)到初始時的200倍以上。膨脹后的石墨稱為膨脹石墨或石墨蠕蟲,由原鱗片狀變成密度很低的蠕蟲狀,形成了一個非常好的絕熱層。膨脹石墨既是膨脹體系中的碳源,又是絕熱層,能有效隔熱,在火災(zāi)中具有熱釋放率低,質(zhì)量損失小,產(chǎn)生的煙氣少的特點。

膨脹石墨極易吸附油類、有機(jī)分子及疏水性物質(zhì),用于水環(huán)保處理有著其它物質(zhì)不可替代的效果。當(dāng)它以粒狀形式用于水面除油時,根據(jù)水面上油面積的大小以及油種類的不同,其用量為1~lo% /rn ,吸附時間可在15rain至數(shù)h不等。

1、密封填料

密封填料是將切成適當(dāng)寬度和長度的膨脹石墨帶纏繞在不同規(guī)格的金屬模中,在壓力機(jī)上直接成型的預(yù)成填料,適用于各種截止閥、閘閥、調(diào)節(jié)閥、球閥、加閥等。

2、密封墊片

通常可分為兩種,一種是純石墨墊片,它是用膨脹石墨粒料直接在金屬模中壓制成型,也可用膨脹石墨板材直接沖裁或切割而成;另一種是石墨纏繞墊,是以金屬帶和膨脹石墨重疊卷成,可以在較高壓力下使用。

3、石墨盤根

石墨盤根是用棉纖維或石墨纖維同石墨卷箔編織而成的密封材料。以棉纖維為芯的石墨盤根(SPM型)適用于壓力12MPa、溫度200℃以下的管道、閥門、機(jī)泵等的密封,接觸介質(zhì)可為河水、自來水、地下水、海水、油類等。以石墨纖維為芯的石墨盤根(SPS型)適用于壓力12MPa、溫度350℃以下的管道、閥門、機(jī)泵等的密封,接觸介質(zhì)除了各種水、油類外,還可以接觸酸堿物質(zhì)。

環(huán)保領(lǐng)域

膨脹石墨有疏水性和親油性,可以在水中有選擇性地除去非水性的溶液,如從海上、河流、湖泊中除去浮油。膨脹石墨在吸油時能形成一定的纏繞空間,可儲存遠(yuǎn)大于其總孔容的油類物質(zhì)。吸附大量油后可集結(jié)成塊,浮在液面,便于收集,并可再生處理,循環(huán)使用。由于膨脹石墨基本由純碳組成,無毒和具有化學(xué)惰性,所以在水中不會造成二次污染。此外,膨脹石墨還可用于工業(yè)廢水乳狀液除油以及除去可溶于油的物質(zhì),如農(nóng)藥等,并對許多其他有機(jī)或無機(jī)有害成分有良好的吸附效果。除了可在液相中進(jìn)行選擇性吸附,膨脹石墨對工業(yè)廢氣及汽車尾氣所產(chǎn)生的大氣污染主要成分如SOx和NOx也有一定的脫除效果。

王魯寧等將膨脹石墨用于處理毛紡廠印染廢水,靜態(tài)條件下,廢水中化學(xué)需氧量(COD)的平均去除率達(dá)到了40%,色度平均降低40%�，F(xiàn)場應(yīng)用時,廢水中COD的平均去除率達(dá)到20%,色度平均降低20%。現(xiàn)場實驗表明,膨脹石墨在毛紡印染廢水的處理中有其獨特的應(yīng)用前景。

劉成寶等以膨脹石墨為吸附劑自制吸附柱作為污水處理裝置, 結(jié)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時,既能達(dá)到油田污水的回注標(biāo)準(zhǔn),又能滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

密封材料

膨脹石墨可后處理成柔性石墨作為密封材料使用。與傳統(tǒng)密封材料(如石棉、橡膠、纖維素及其復(fù)合材料)相比,柔性石墨可用溫度范圍較寬,在空氣中可用范圍在-200℃-450℃,在真空或還原性氣氛中可到3000℃,且熱膨脹系數(shù)小,在低溫下不發(fā)脆、不炸裂,在高溫下不軟化、不蠕變,因而被冠以"密封王"的美譽(yù),目前已廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械、冶金、原子能等行業(yè)。

生物醫(yī)學(xué)

膨脹石墨有良好的生物相容性、無毒、無味、無副作用等特點,是一類非常重要的生物醫(yī)學(xué)材料。

沈萬慈等對膨脹石墨作為醫(yī)用敷料對模擬體液的吸附吸收性能、對微生物(細(xì)菌)的吸附抑制性能等方面的進(jìn)行考察,結(jié)果表明,膨脹石墨對模擬體液的吸附吸收量明顯高于對水和NaCl溶液的數(shù)值,且明顯高于普通脫脂紗布和不粘紗布的數(shù)值;對人體血漿的接觸角數(shù)值接近90°,說明膨脹石墨作敷料時對創(chuàng)面的粘性較小,有利于敷料的更換和減小患者更換敷料時的痛苦;對六種細(xì)菌在固相接觸狀態(tài)時有吸附效果,有抑菌環(huán)出現(xiàn),且對細(xì)菌種類無針對性,說明抑菌效果主要來自于物理吸附作用�；�于優(yōu)良的吸附引流性能、透氣透水性能、與創(chuàng)面較小的粘連性能、不染黑創(chuàng)面的性能和對多種細(xì)菌的吸附抑制性能,膨脹石墨復(fù)合材料可作為性能優(yōu)良的創(chuàng)面外用敷料,可以替代常規(guī)的紗布敷料,用于燒傷等創(chuàng)面效果很好。

高能電池材料

在可充鋅錳電池的鋅陽極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽極充電時的極化,增強(qiáng)電極及電解液導(dǎo)電性,抑制枝晶形成,并能提供良好的成型特性,抑制陽極溶解和變形,延長電池壽命。另外鋰可以通過氣、液、固態(tài)及鋰鹽電解法與石墨形成GICs,這種GICs具有較低的電極電位和良好的嵌脫可逆性。

吳娟以自制的膨脹石墨改性活性炭/聚四氟乙烯復(fù)合物電極作為陰極,Ti/IrO2/RuO2作為陽極,Na2SO4溶液為電解質(zhì),在棉布隔膜電解體系中對4-氯酚的降解效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明:膨脹石墨的添加量為碳材料的20%,聚四氟乙烯與碳材料的比例為1:4的電極在電流密度為39mA/cm,電解質(zhì)濃度為0.05mol/L,4-氯酚初始濃度為100mg/L,初始pH為11,電極間距為4cm時,膨脹石墨改性復(fù)合物電極作為陰極對陰極室內(nèi)4-氯酚的降解效果最好,電解120mmin時4-氯酚的降解率高達(dá)98.7%。

相變儲熱材料

相變儲熱材料的導(dǎo)熱性能不好,換熱性能差,影響其儲能和釋能效率。同時復(fù)合相變材料中多孔介質(zhì)的孔隙率較小,內(nèi)含相變材料少,導(dǎo)致其儲能量低,這些缺點都限制了該材料的應(yīng)用和發(fā)展。膨脹石墨豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)熱性能,可以很好的彌補(bǔ)這些缺陷。

張正國等直接將膨脹石墨吸附石蠟,制備出了粉末狀的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲熱材料,并對石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲熱材料的儲、放熱性能進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果表明,當(dāng)石蠟質(zhì)量含量為85.6%時,復(fù)合相變儲熱材料的儲、放熱時間分別比石蠟縮短了27.4%和56.4%,且復(fù)合相變儲熱材料具有很好的循環(huán)性能熱穩(wěn)定性。

趙建國等利用膨脹石墨孔隙結(jié)構(gòu)的吸附性能,制備了聚乙二醇/膨脹石墨相變儲能復(fù)合材料,用差示掃描熱量法研究了材料的熱性能。結(jié)果表明復(fù)合材料的相變溫度不隨聚乙二醇含量的改變而變化,材料的相變潛熱隨著聚乙二醇含量的增加而增加。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能隨著聚乙二醇含量的增加而減小。膨脹石墨的多孔結(jié)構(gòu)對聚乙二醇有很好的吸附性能,聚乙二醇在固-液相變時,未見有液態(tài)聚乙二醇的滲出。

防火安全材料

國外已于機(jī)艙座椅的夾層中添加部分可膨脹石墨,或?qū)⑵渲瞥煞阑?a href="/baike/list_1069.html">密封條、防火堵料、阻火圈等,一旦起火迅速膨脹,堵塞火災(zāi)蔓延通道,達(dá)到滅火目的。此外,將可膨脹石墨的細(xì)顆粒加入到普通涂料中,可制得效果較好的阻燃防靜電涂料。

蔡曉霞等對聚磷酸銨(App)和膨脹石墨(EG)協(xié)同阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及其阻燃機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,APP和EG對EVA具有良好的協(xié)同阻燃效果。

其他

膨脹石墨板材具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,電熱轉(zhuǎn)換率97%以上,且能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線,是一種新型發(fā)熱材料。膨脹石墨粉碎成微粉,對紅外波有很強(qiáng)的散射吸收特性,是很好的紅外屏蔽(隱身)材料。將可膨脹石墨制成煙火藥,瞬間爆炸形成膨脹石墨并分散在預(yù)定空域形成氣溶膠干擾云團(tuán)煙幕劑。此外,膨脹石墨還可用作隔熱保溫、隔音材料、電磁屏蔽元件、催化材料。

任慧等制備了摻雜磁性粒子的膨脹石墨,鐵氧化物沉積在膨脹石墨表層,隨著二茂鐵投入量的增大,膨脹石墨磁性能提高越明顯,在0 A/m-7.958×10A/m磁場強(qiáng)度下測得其平均磁化強(qiáng)度≥8emu/g,在軍用毫米波雷達(dá)頻段的衰減率最高可達(dá)-10dB,質(zhì)量消光系數(shù)大于1.0g/m,遮蔽效果優(yōu)于現(xiàn)役毫米波干擾劑,是一種高效可靠的新型雷達(dá)遮蔽劑,在電子對抗領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

黃綿峰等制備了膨脹石墨負(fù)載TiO2光催化材料,TiO2以納米顆粒的形式附著在膨脹石墨薄片的表面,膨脹石墨疏松多孔的特殊蠕蟲狀結(jié)構(gòu),為TiO2提供高濃度的三維降解環(huán)境。該材料為漂浮型光催化劑,易于回收處理和再利用,在多次重復(fù)使用后,催化劑并沒有明顯的失活現(xiàn)象,仍表現(xiàn)出高的光催化效果。