膨脹石墨應(yīng)用現(xiàn)狀

由于膨脹石墨不僅保留了天然石墨的耐高溫、耐腐蝕、耐輻射、導(dǎo)電性等優(yōu)良性質(zhì)，而且還具有許多特有的優(yōu)良性能，例如柔軟性、回彈性、自粘性、不滲透性、吸附性和低密度等特性，所以在石油、化工、原子能、電力，制藥等方面的應(yīng)用尤為廣泛。隨著科技進(jìn)步和高科技的開發(fā)，膨脹石墨這種新的工程材料，在高速、耐腐蝕、耐磨和節(jié)能等高新領(lǐng)域中，逐步取代了某些金屬材料和有機(jī)合成材料。

膨脹石墨環(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(shí)能形成一定的纏繞空間,可儲(chǔ)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(wú)毒和具有化學(xué)惰性,所以在水中不會(huì)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(duì)許多其他有機(jī)或無(wú)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(duì)工業(yè)廢氣及汽車尾氣所產(chǎn)生的大氣污染主要成分如SO_x和NO_x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%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，廢水中COD的平均去除率達(dá)到20%，色度平均降低20%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，膨脹石墨在毛紡印染廢水的處理中有其獨(dú)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(shí),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。

膨脹石墨密封材料

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)。

膨脹石墨生物醫(yī)學(xué)

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

沈萬(wàn)慈等對(duì)膨脹石墨作為醫(yī)用敷料對(duì)模擬體液的吸附吸收性能、對(duì)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(duì)模擬體液的吸附吸收量明顯高于對(duì)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(duì)人體血漿的接觸角數(shù)值接近90°,說(shuō)明膨脹石墨作敷料時(shí)對(duì)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(shí)的痛苦；對(duì)六種細(xì)菌在固相接觸狀態(tài)時(shí)有吸附效果,有抑菌環(huán)出現(xiàn),且對(duì)細(xì)菌種類無(wú)針對(duì)性,說(shuō)明抑菌效果主要來(lái)自于物理吸附作用?；趦?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(duì)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。

膨脹石墨高能電池材料

在可充鋅錳電池的鋅陽(yáng)極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽(yáng)極充電時(shí)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(yáng)極溶解和變形,延長(zhǎng)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(yáng)極,Na₂SO₄溶液為電解質(zhì),在棉布隔膜電解體系中對(duì)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(shí),膨脹石墨改性復(fù)合物電極作為陰極對(duì)陰極室內(nèi)4-氯酚的降解效果最好,電解120mmin時(shí)4-氯酚的降解率高達(dá)98.7%。

膨脹石墨相變儲(chǔ)熱材料

相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱性能不好,換熱性能差,影響其儲(chǔ)能和釋能效率。同時(shí)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(chǔ)能量低,這些缺點(diǎn)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(guó)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(chǔ)熱材料,并對(duì)石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)、放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)石蠟質(zhì)量含量為85.6%時(shí),復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)、放熱時(shí)間分別比石蠟縮短了27.4%和56.4%,且復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料具有很好的循環(huán)性能熱穩(wěn)定性。

趙建國(guó)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(chǔ)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(duì)聚乙二醇有很好的吸附性能,聚乙二醇在固-液相變時(shí),未見有液態(tài)聚乙二醇的滲出。

膨脹石墨防火安全材料

國(guó)外已于機(jī)艙座椅的夾層中添加部分可膨脹石墨,或?qū)⑵渲瞥煞阑鹈芊鈼l、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(duì)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(duì)EVA具有良好的協(xié)同阻燃效果。

膨脹石墨其他

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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度下測(cè)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(duì)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。

與其它吸附劑相比，膨脹石墨有許多優(yōu)點(diǎn)。如采用活性炭進(jìn)行水上除油，它吸附油后會(huì)下沉，吸附量也小，且不易再生利用；還有一些吸附劑，如棉花、草灰、聚丙烯纖維、珍珠巖、蛭石等，它們?cè)谖偷耐瑫r(shí)也吸水，這給后處理帶來(lái)困難；膨脹石墨對(duì)油類的吸附量大，吸油后浮于水面，易捕撈回收，再生利用處理簡(jiǎn)便，可采用擠壓、離心分離、振動(dòng)、溶劑清洗、燃燒、加熱萃取等法，且不會(huì)形成二次污染。

柔性石墨密封材料按其用途，主要分為兩大類：一類用于各種泵、閥門、反應(yīng)釜上的密封填料；另一類是用于各種管道法蘭上的石墨墊片。

① 密封填料

密封填料是將切成適當(dāng)寬度和長(zhǎng)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?？煞譃閮煞N，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(lái)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)。

但是從現(xiàn)有的文獻(xiàn)中可以查知，膨脹石墨是一種性能優(yōu)良的吸附劑，尤其是它具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)有機(jī)化合物具有強(qiáng)大的吸附能力，1 g膨脹石墨可吸附80 g石油，于是膨脹石墨就被設(shè)計(jì)成各種工業(yè)油脂和工業(yè)油料的吸附劑。

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(shí)，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(shí)間可在15rain至數(shù)h不等。

①極強(qiáng)的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤(rùn)滑性;

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(wú)毒、不含任何致癌物，對(duì)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(shí)，由于吸留在層間點(diǎn)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(shí)膨脹完全，達(dá)到最大體積。膨脹體積可以達(dá)到初始時(shí)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(gè)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(diǎn)。

膨脹石墨的幾個(gè)發(fā)展方向如下：

1、特殊用途的膨脹石墨

實(shí)驗(yàn)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(jià)值。美國(guó)軍隊(duì)和我軍都已進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)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(chǔ)存5年，膨脹倍率基本不衰減；（3）膨脹石墨表面呈中性，對(duì)彈殼無(wú)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(qǐng)了國(guó)家專利。

4、表面改性石墨

膨脹石墨作阻燃材料時(shí)，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(duì)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(jiān)固的白色薄膜，這是一個(gè)很難解決的問題，涉及膜化學(xué)或表面化學(xué)的問題，實(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)膨脹容積達(dá)250ml/g。制備滿足這一條件的可膨脹石墨難點(diǎn)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(cè)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(shí)驗(yàn)階段。

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(jià)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(gè)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(jià)鍵，即1個(gè)2s電子和2個(gè)2p電子雜化等價(jià)的雜化軌道，位于同一平面上，互相形成σ鍵，而二個(gè)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(gè)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?？膳蛎浭且环N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(shí)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(shí)，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(gè)推力遠(yuǎn)大于石墨粒子的層間結(jié)合力，在這個(gè)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。