膨胀石墨的制备和影响其膨胀体积的因素

以硝酸为氧化剂,冰醋酸、甲酸为插层剂,采用化学氧化的方法制备可膨胀石墨.通过正交试验确定最佳工艺参数:10g鱼鳞片石墨,V(冰醋酸):V(甲酸):V(硝酸)=2:3:4,反应温度为20℃,反应时间为45min,制得可膨胀石墨在600℃时的膨胀体积为260mL/g;通过XRD分析检测插层剂,SEM观察膨胀石墨的表面形貌,测试结果表明,插层剂已插入石墨层间,形成石墨层间化合物,且膨胀石墨的表面形貌为疏松多孔结构.     

石墨及其改性产物研究进展

天然石墨是具有片层结构的含碳无机材料,层间由范德华力连接,可用物理或化学方法将其它分子、原子、离子甚至原子团插入其层间,生成石墨层间化合物(GIC);GIC经高温膨胀可得到体积为其几百倍的膨胀石墨(EG);在超声粉碎时,膨胀石墨上的石墨微片剥离,得到纳米石墨微片(NanoG)。近年来,富勒烯(Fullerence)、碳纳米管(CNT)、石墨烯(Graphene)的先后开发,为石墨家族注入新的活力,并为其应用开辟了新的空间。系统论述了天然石墨及其改性产物如EG、NanoG、Graphene、CNT、Fullerence的结构、制备方法、性质及用途。     

HClO4-GIC的制备及其柔性石墨的性能

以天然鳞片石墨、高氯酸、硝酸为原料，采用化学法经插层、水洗、干燥、膨化等工艺过程制备膨胀石墨；以石墨蠕虫的膨胀体积为判据，采用正交实验方法确定工艺参数对石墨蠕虫膨胀体积的影响大小：探讨了反应温度、时间、膨化温度，GIC的挥发分对膨胀体积的影响；利用XRD表征了天然鳞片石墨、酸化石墨、柔性石墨的微观结构；利用EDS确定了插入物为HClO4；并对制备的柔性石墨的力学、电／热性能进行了测试。结果表明：工艺参数影响大小依次为反应温度、高氯酸／硝酸间的配比及反应时间、鳞片石墨／高氯酸间的配比。在较宽的温度范围内（室温～100℃），可容易地制备出GIC，且能在低温200℃下膨化。以最佳工艺条件：鳞片石墨：高氯酸：硝酸=1：4：0．15（质量比）制备的GIC，在200℃下膨化，可以制备出膨胀体积达360mL/g的膨胀石墨；在高温900℃下膨化，可以制备出膨胀体积达540mL/g的高倍膨胀石墨。石墨蠕虫经压制成型制备的柔性石墨的抗拉强度、电阻率同其表观体积密度存在密切的相关性，密度增加，抗拉强度增加，电阻率下降；其电阻率与导热率间也存在密切的相关性，电阻率下降，导热率提高，且其导热率高于同电阻率的人造炭／石墨材料的导热率。     

分步插层法制备硝酸盐-硫酸-GIC

通过硫酸、硝酸或硝酸盐分步插层的方法,成功制备了硝酸/硝酸盐-硫酸-GIC三元石墨层间化合物.采用XRD、SEM和EDS对GIC的结构进行了研究.结果表明:与直接插层法相比,分步插层法有利于插层物质的插层反应,充分扩大石墨层间距,形成低阶石墨层间化合物,使膨胀效果更优,膨胀体积高达450mL/g以上;膨胀后GIC的孔结构均匀,层壁较薄,片层结构清晰,膨胀充分.同时,分步插层法能够降低实验操作的危险性,污染小,反应易于控制.     

影响膨胀石墨膨胀容积因素的研究

以硫酸（98％）为插层剂、过氧化氢（30％）为氧化剂，用化学法制备膨胀石墨。通过正交实验确定最佳制备备件。结果表明：当石墨与硫酸重量比为1：3，硫酸与过氧化氢体积比为1：0．1，反应时间90min，反应温度50℃，膨化温度1000％，膨化时间20s时，膨胀石墨的膨胀容积可达250ml／g。     

石墨插层化合物的微波法制备工艺研究

以浓硫酸为插入剂,高锰酸钾为氧化剂用化学方法制备出石墨插层化合物,并用微波进行了膨化.通过正交实验优化了制备工艺影响因素,得出了各因素对膨化率由强到弱的影响次序:反应时间,微波功率,H2SO4(g)用量,KMnO,(g)用量.确定出最佳影响因素水平:反应时问1h,微波功率800W,H2SO4用量50g,KMnO4用量4g.膨胀体积可以达到约400mL/g.并用XRD和EDS等技术对样品进行了表征.     

超声剥离制备石墨烯纳米片及其结构表征

以鳞片石墨为原料,采用插层氧化法制得可膨胀氧化石墨,然后经高温热解获得膨胀石墨,再通过超声剥离得到石墨烯纳米片,采用FTIR、XRD、SEM、TEM和Raman对所得石墨烯纳米片的微观结构进行表征。结果表明,可膨胀氧化石墨在800℃高温热解30 s得到膨胀体积最大的膨胀石墨,由80目和100目鳞片石墨制得的膨胀石墨的最大体积分别为215 mL/g和85 mL/g,且在50℃条件下超声剥离5 h分别得到30~50层和6~20层的石墨烯纳米片。     

可膨胀石墨的制备及谱学特性研究

采用化学氧化法,以石墨粉(≤30μm)为原料,硫酸与高锰酸钾为氧化剂,以及磷酸为辅助插层剂制备出具有高膨胀体积的可膨胀石墨(EG)。通过XRD、Raman、SEM、EDS、FT-IR以及TG-DTA等测试手段对材料的微观结构、形貌、谱学特性及热稳定性进行表征分析。实验结果表明,当硫酸与磷酸体积比为2∶1时,EG氧化-插层效果最好,在400℃时膨胀体积达102ml/g。同时EG片层中含有P、S、Mn等元素,表明可能插入了磷酸、硫酸以及Mn的磷酸二氢盐、硫酸盐等物质。TG-DTA显示,EG的起始膨胀温度在160℃左右,且石墨在氧化-插层后,有序结构没有被完全破坏,部分石墨仍具有很好的耐热氧性。另外,探讨了EG可能的形成及膨胀机理。     

基于微波膨胀法制备石墨蠕虫的工艺

制备品质优良的石墨蠕虫是石墨烯工业化的研究热点。采用微波膨胀法对可膨胀石墨进行剥离,成功制备得到石墨蠕虫。比较了高温加热法、普通微波设备法、专用微波设备法这三种方法制备石墨蠕虫的效果,结果表明,专用微波设备法制备的石墨蠕虫品质最好,1g可膨胀石墨制备的石墨蠕虫体积可达333mL,比表面积可达280m~2/g。与高温加热法相比,微波膨胀法具有制备速度快、蠕虫品质好、过程节能等优点,是一种大批量生产石墨蠕虫切实可行的方案。     

石墨与膨胀石墨

石墨具有显著的各向异性,层间距较大,易插入其他原子或分子化合物而形成石墨层间化合物。某些层间化合物在高温下急骤分解气化,沿薄弱的C轴方向膨胀,形成膨膨石墨。本文将叙述石墨、石墨层间化合物、膨胀石墨的结构特征和膨胀石墨的性质及其应用。     

细鳞片石墨层间化合物插入量的研究

用不同粒度（60～180目）的石墨在相同条件下制备可膨胀石墨和同一粒度的石墨在不同酸化条件下制备可膨胀石墨，通过差量法和元素分析对石墨酸化前后总质量及主要元素的量的变化，对粒度和不同酸化条件对可膨胀石墨层间化合物插入量的影响进行了分析。结果表明：插入量随酸化、氧化条件的增强而增加、随粒度的变化不明显。     

原位聚合法制备PMMA/膨胀石墨纳米复合材料

通过原位聚合将甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体插入膨胀石墨层间,制备出以石墨层片为纳米分散相的导电复合材料.用红外光谱和X-射线衍射分析证实复合材料的合成,并讨论了石墨含量对复合材料的力学性能和导电性能的影响.     

低碳细鳞片石墨制备可膨胀石墨的研究

用酸浸泡提纯+H2SO4/H2O2/K2Cr2O7氧化插层体系分步氧化插层复合工艺,以88.22%碳含量、150目的低纯细鳞片石墨制备出可膨胀石墨。研究了浸泡酸、插层剂及分步氧化插层对膨胀体积EV的影响,结合膨胀石墨微观形貌对影响因素进行分析讨论。实验结果表明:用HF预处理2h,H2O2一次氧化1h的鳞片石墨以m(C)∶V(H2SO4)∶m(K2Cr2O7)=1∶4.0∶0.16在超声振荡条件下反应1h,可制备出膨胀体积EV为165mL/g的可膨胀石墨。     

低碳细鳞片石墨制备可膨胀石墨的研究

用酸浸泡提纯+H2SO4/H2O2/K2Cr2O7氧化插层体系分步氧化插层复合工艺,以88.22%碳含量、150目的低纯细鳞片石墨制备出可膨胀石墨。研究了浸泡酸、插层剂及分步氧化插层对膨胀体积EV的影响,结合膨胀石墨微观形貌对影响因素进行分析讨论。实验结果表明:用HF预处理2h,H2O2一次氧化1h的鳞片石墨以m(C)∶V(H2SO4)∶m(K2Cr2O7)=1∶4.0∶0.16在超声振荡条件下反应1h,可制备出膨胀体积EV为165mL/g的可膨胀石墨。     

水交换法制备低温可膨胀石墨的研究

采用一种新型的水交换法制备工艺,以天然石墨、高锰酸钾、浓硫酸为原料,制得了在160℃时即可发生膨胀的低温可膨胀石墨.采用热失重分析(TGA)、傅立叶转换红外光谱分析(FT-IR)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其结构进行了表征与分析.结果表明,通过水交换法使得插入石墨层间的主要物质为水,水在低温下瞬间汽化对石墨片层产生张力,导致石墨低温膨胀.因此,石墨发生膨胀时无有害小分子释放,对环境友好.     

HClO_4-CrO_3-石墨层间化合物的制备及其性能

以天然鳞片石墨、CrO3、HClO4为原料,采用化学氧化法制备石墨层间化合物(GIC);研究了反应物用量、反应时间、反应温度对石墨层间化合物膨胀容积的影响。结果表明:按石墨∶三氧化铬∶高氯酸(质量比)=1∶0.3∶5,反应温度30℃,反应时间60min的条件,可制得膨胀容积为555mL.g-1的石墨层间化合物。采用FTIR、XRD、TG等技术对石墨层间化合物的组成、结构进行表征和分析得知:石墨层间的插入物为ClO4-、Cr2O72-。GIC性能特点测试结果说明:所制GIC具有低能耗性能、良好的真空安定性、较好的8毫米波动态衰减效果。     

超声剥离二次膨胀石墨制备石墨烯纳米片

以天然鳞片石墨为原料,氧化插层制备可膨胀石墨,微波热解膨胀后,对膨胀石墨进行二次氧化插层并微波膨胀,采用超声剥离法制备出包含大量少层数碳原子的石墨烯纳米片。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱(Raman)对其结构和形貌进行分析。结果表明,氧化插层增大了石墨层间距,膨胀石墨更易于进一步氧化插层引入含氧基团;在微波作用下,石墨内部含氧基团热分解放出气体,进一步增大石墨层间距,甚至部分剥离;对二次膨胀处理的石墨薄片进行超声剥离可得到石墨烯纳米片,大部分石墨烯层数低于5层。     

膨胀石墨的尺寸效应

以不同产地、不同粒度的鳞片石墨为原料, 采用硫酸、硝酸、高锰酸钾的适当配比为氧化剂制备膨胀石墨, 发现石墨膨胀倍数从粒度>420μm的750mL/g减小至95～85μm的110mL/g. 电镜及压汞法观察膨胀石墨的形貌及微孔的特征, 表明膨胀石墨的孔隙大小随粒度减小而减小, 反映出膨胀石墨存在尺寸效应.不同粒度的膨胀石墨的灰分、硫分和对机油的吸附能力不同, 与不同粒度膨胀石墨制备的柔性石墨板的抗拉强度也不同. 这种效应源自石墨的结晶程度的不同.     

利用硝酸-27S制备高倍可膨胀石墨

以报废液体推进剂硝酸-27S、鳞片石墨、高锰酸钾、硫酸和冰醋酸为原料,采用化学氧化法制备高倍可膨胀石墨.考察了高锰酸钾、硝酸-27S(水吸收液)、冰醋酸用量等因素对可膨胀石墨膨胀容积的影响;通过正交实验确定最佳工艺;采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对可膨胀石墨进行表征.结果表明:最佳工艺为鳞片石墨(g):高锰酸钾(g):硝酸-27S(水吸收液)(mL):硫酸(mL):冰醋酸(mL)=1∶1∶1.25∶1.25∶2,于40℃下反应90 min,所获可膨胀石墨的最大膨胀容积为320 mL·g-1;对膨胀容积影响最大的因素为KMnO4用量;SEM和XRD证实了石墨层间化合物的存在.     

化学氧化法制备可膨胀石墨过程中的电位控制

以高锰酸钾、硫酸、天然鳞片石墨为原料,采用化学氧化法制备可膨胀石墨。通过调控体系初始氧化还原电位,并结合其膨胀容积值,探讨石墨氧化的最佳电位区间,采用扫描电镜及X射线衍射仪对样品进行表征。结果表明,当体系初始氧化还原电位为1340~1810mV时,能够获得平均膨胀容积大于230mL/g,最高300mL/g的可膨胀石墨,扫描电镜及X射线衍射结果证实了此区间的合理性。此法避免了传统化学氧化法通过复杂正交实验来确定最佳工艺的弊端,可为实现可膨胀石墨制备的自动化和工业化生产提供重要的理论依据。