中國粉體網訊 可膨脹石墨是利用物理或化學方法將性質異于石墨的外來物質插入石墨片層的層間化合物，高溫受熱可迅速膨脹制得膨脹石墨。它作為一種新型炭功能材料，具有很多特殊性能，可廣泛應用于電極材料、石油化工、防火阻燃、吸油材料、環(huán)境保護、醫(yī)用敷料、軍用發(fā)煙劑及防靜電涂料等領域。因此，對其制備的研究尤為重要。
化學氧化法
化學氧化法是一種制備可膨脹石墨的傳統(tǒng)方法，此法將天然鱗片石墨與適量的氧化劑和插層劑均勻混合，控制一定的溫度，不斷攪拌，經水洗、過濾、烘干即得到可膨脹石墨。化學氧化法以設備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點成為工業(yè)上應用相對較多和較成熟的方法。
化學氧化法工藝步驟簡單來說包括氧化、插層。石墨的氧化是可膨脹石墨形成的基礎條件，這是因為插層反應能否順利進行，關鍵取決于石墨層間的打開程度。而天然石墨在常溫下具有極好的穩(wěn)定性和耐酸堿性，故不與酸堿反應，因此，氧化劑的加入成為化學氧化法中必不缺少的關鍵組分。
氧化劑種類很多，一般采用的氧化劑是固體氧化劑（如高錳酸鉀、重鉻酸鉀、三氧化鉻、氯酸鉀等），也可以是一些具有氧化性的液體氧化劑（如過氧化氫、硝酸等）。通過近年來研究發(fā)現(xiàn)，制備可膨脹石墨常用的主要氧化劑以高錳酸鉀為主。
在氧化劑的作用下，石墨被氧化而使石墨層的中性網狀大分子變成帶有正電荷的平面大分子，由于同性正電荷的相斥作用，石墨層間距離增大，這就為插層劑順利進入到石墨層間提供了通道和空間。可膨脹石墨的制備工藝中插層劑多以酸為主，近幾年的研究人員主要以硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、混酸和冰乙酸等為主。
可膨脹石墨的制備工藝流程
電化學法
電化學法是在恒定電流下，以插入物的水溶液為電解液，將石墨與金屬材料（不銹鋼材料、鉑板、鉛板、鈦板等）構成復合陽極，在電解液中插入金屬材料做陰極，構成閉合回路；或是將石墨懸浮在電解液中，在電解液中同時插入陰、陽極板，通過對兩個電極通電的方法，進行陽極氧化。石墨的表面被氧化成碳正離子，同時在靜電引力和濃度差擴散的共同作用下，酸根離子或其他極性插入劑離子嵌入石墨層間形成可膨脹石墨。
相對于化學氧化法，電化學法制備可膨脹石墨的整個過程無需使用氧化劑，處理量大，腐蝕性物質殘留量小，反應后電解液可以循環(huán)使用，降低了酸液用量，節(jié)約了成本，減少了對環(huán)境的污染，對設備傷害較低，延長使用壽命。近年來，電化學法憑借眾多優(yōu)越性逐步成眾多企業(yè)為制備可膨脹石墨的首選方法。
氣相擴散法（雙室法）
氣相擴散法是將插層劑以氣態(tài)形式與石墨發(fā)生接觸發(fā)生插層反應，制備可膨脹石墨。一般將石墨和插入物分別置于耐熱玻璃反應器兩端，將其抽真空熔封，所以又名雙室法。工業(yè)上經常利用這種方法合成鹵化物-EG、堿金屬-EG。
優(yōu)點：的結構和階數(shù)均可進行控制，且其反應物和產物容易被分開。
缺點：反應裝置比較復雜，操作比較難，因而限制了產量，而且反應要在高溫條件下進行，所需時間較長，而且反應條件要求很高，其制備環(huán)境必須是真空，因此使得其生產成本比較高，不適合大規(guī)模生產應用。
混合液相法
混合液相法是將插入物質與石墨直接混合，在流動性惰性氣體保護下或密封系統(tǒng)中進行加熱反應制備可膨脹石墨。一般用于合成堿金屬—石墨層間化合物（GICs）。
優(yōu)點：反應工藝簡單，反應速度較快，通過改變石墨原料與插入物的配比可達到一定結構與組成的可膨脹石墨，較為適合大量生產。
缺點：形成的產物不穩(wěn)定，處理GICs表面附著的游離插入物質時較為困難，且大量合成時難以保證石墨層間化合物的一致性。
熔融法
熔融法是將石墨與插層物質混合并加熱制備可膨脹石墨。是基于各組分共晶可使體系熔點降低(低于各組分的熔點)的性質而提出來的，是一種可同時將兩種或兩種以上物質(必須能形成熔融鹽體系)插入石墨層間的制備三元或多元GICs的方法。一般用于制備金屬氯化物—GICs，
優(yōu)點：合成產物穩(wěn)定性較好，易于水洗，反應裝置較為簡單，反應溫度較低，時間較短，適于大規(guī)模生產。
缺點：在反應過程中難以控制產物的階結構與組成，在大批量合成時難以保證產物階結構和組成的一致性。
加壓法
加壓法是將石墨基體與堿土金屬和稀土金屬粉末混合，在加壓條件下，反應生成M-GICs。
缺點：只有當金屬的蒸汽壓超過某一閾值時，插入反應才能進行；然而，溫度過高，易引起金屬與石墨生成碳化物，發(fā)生負反應，所以反應溫度必須調控在一定范圍內。稀土金屬要發(fā)生插入反應溫度要很高，所以必須加壓來降低反應溫度。本方法適應于制備低熔點的金屬-GICs，但裝置較復雜，操作要求嚴格，現(xiàn)在已很少采用。
稀土金屬在不同蒸汽壓下需達到的溫度(℃)
爆炸法
爆炸法中一般利用石墨與膨脹劑如KClO4、Mg(ClO4)2•nH2O、Zn(NO3)2•nH2O等制得的煙火藥或混合物，當其被加熱時石墨會同時發(fā)生氧化和插層反應形成層間化合物，其再以“爆炸”式的方式進行膨化，從而得到膨脹石墨。當用金屬鹽做膨脹劑時產物比較復雜，其中不僅有膨脹石墨，還有金屬氧化物，這就可使膨脹石墨表面被改性；但膨脹劑為HClO4時產物比較單一，其中只有膨脹石墨。該法操作簡單、反應時間短、可進行設計，但是產物的純度較低，且實驗過程危險性較高，故實際中一般不用此法制備可膨脹石墨。
除了以上文中提及的制備方法，合成 GICs 方法還有催化劑法、光化學法等，這些合成方法，各有其優(yōu)點和不足之處，合成對象亦不盡相同，很少采用。目前化學氧化法和電化學法是應用最普遍的制備方法。尤其是電化學法，憑借環(huán)境污染小、成本低、處理量大、酸液可回收使用等優(yōu)點，近年來備受關注。
參考資料：
馮曉彤.電化學法制備可膨脹石墨的研究
周丹鳳.低溫可膨脹石墨的制備研究
張艷.石墨插層化合物的可控合成及表征
吳會蘭,張興華.低溫可膨脹石墨的制備
周國江等.電化學法制備無硫可膨脹石墨的實驗研究
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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