№．１ Ｖｏ１．２９ 陕西科技大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＡＮＸＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ＆．ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｆｅｂ．２０１１ ・２９・ 文章编号：１０００—５８１１（２０１１）０１ ００２９ ０３ 膨胀石墨的制备及结构研究 祝 叶，夏新兴 （陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安 ７１００２１） 摘 要：膨胀石墨具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、压缩性好等优点，在众多领域有着广泛的应 用．作者研究了膨胀温度和膨胀时间对膨胀容积的影响，并用扫描电镜（ＳＥＭ）对膨胀石墨的 结构进行了分析．研究表明：温度在９００℃，膨胀时间为３０～５Ｏ Ｓ时，可膨胀石墨能发生良好 的膨胀效果；膨胀石墨具有发达的孔隙结构，孔径尺寸在微米级，大小不一． 关键词：膨胀石墨；温度；时间；结构 中图法分类号：ＴＱ１６５ 文献标识码：Ａ ０前 言 膨胀石墨是近年来迅速发展的一种新型碳材料，这种材料不仅具有天然石墨耐高温、耐腐蚀、自润滑 性好等优良特性，而且还具有天然石墨不具备的轻质、柔软以及可压缩等特殊性能，在石油、化工、电力、冶 金、汽车制造、热工、环保和医疗保健等领域可作为密封、隔热、防火、导电、发热和吸附材料，用途十分广 泛． 膨胀石墨也叫柔性石墨或“石墨蠕虫”Ｉ１ ，制备过程一般为：先用氧化剂对天然石墨进行改性，使氧化 剂分子进入石墨内部与碳网平面结合，生成石墨层间化合物，变成可膨胀石墨，然后在高温作用下，可膨胀 石墨在短时间内发生几十到数百倍的膨胀，形成膨胀石墨．膨胀过程发生后，石墨体积发生了巨大变化，前 后形态也有较大差别．本文研究了膨胀温度和膨胀时间对膨胀容积的影响，并用扫描电镜（ＳＥＭ）对膨胀 石墨的结构进行了分析，对其性能进行了探讨． １ 实验部分 １．１ 实验原料及设备 ． 可膨胀石墨：８０目，含碳量９９ ，青岛南墅泰星石墨制品有限公司；箱式电阻炉：ＳＸ一４—１０型，长沙市 华光电机厂；扫描电镜：ＪＳＭ一６４６０型，日本日立公司． １．２ 实验方法 １．２．１膨胀石墨的制备 先将箱型电阻炉加热到一定温度，然后把可膨胀石墨置于其中，一段时间后取出，得到膨胀石墨． １．２．２膨胀容积的测定 将一定质量（ ）的膨胀石墨放入５００ ｍＬ量筒中，测出膨胀石墨的体积（Ｖ），Ｖ与ｍ的比值即为膨胀 石墨的膨胀体积． ＊收稿日期：２０１０ １２ １０ 作者简介：祝叶（１９８３一），男，湖北省随州市人，在读硕士生，研究方向：造纸湿部化学及特种纸 ・ ３０ ・ 陕西科技大学学报 第２９卷 １．２．３分析检测 用扫描电镜（ＳＥＭ）对膨胀石墨进行结构分析． ２结果与讨论 ２．１ 膨胀温度对膨胀容积的影响 图１为膨胀温度对膨胀容积的影响．由图１可以看出，温度低于９００℃时，随着温度的升高，膨胀容积 不断增大，到９００℃时达到最大值，为１８７ ｍＩ ・ｇ～；温度高于９００℃后，膨胀容积变化不大．温度较低时， 石墨层间化合物未充分发挥作用，膨胀效果不够理想；温度较高时，石墨层问化合物分解得较为完全，具有 较大的推力，使石墨内部各碳平面层产生更大的距离，膨胀容积更大．同时，石墨层问化合物的量决定了膨 胀容积是有限度的，达Ｎ－一定值后变化不大． 曲 曲 ＼ 一 Ｊ 告 毒 ＼ ＼ｖ 稚 丧扛 谶 琏 图１ 膨胀温度对膨胀容积的影响 图２ 膨胀时间对膨胀容积的影响 ２．２膨胀时间对膨胀容积的影响 图２为膨胀时间对膨胀容积的影响．由图２可以看出，３０ ｓ内膨胀容积随膨胀时间的增加不断增大， ３０～５Ｏ ｓ内变化不大，５Ｏ秒后略有下降．这说明，膨化作用时间较短时，部分可膨胀石墨粒子来不及发生 膨胀或膨胀的不够充分，使得整体膨胀效果不好，而如果膨化作用时间过长，部分石墨蠕虫会被灼烧而断 裂，导致膨胀容积略有下降，从而影响膨胀石墨的性能，故膨胀时间为３０～５０ Ｓ较为合适． ２．３石墨粒子膨胀前后的形态变化 天然石墨是六方晶系层状结构 ，层面内的碳原子以杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价键，构成 稠密而坚固的网平面．这些网平面互相重叠成层问结构，层与层之间以范德华力结合，这种分子间作用力 结合力较弱．石墨晶体的层状结构使得层间存在一定的空隙，当氧化剂分子进入石墨层间时，与碳网平面 结合形成石墨层间化合物，生成可膨胀石墨（图３）．在高温作用下，可膨胀石墨碳层之间的范德华力被破 坏，层与层之间距离扩大，形成了蠕虫状柔性石墨（图４） ． 图３ 可膨胀石墨的ＳＥＭ图 图４ 蠕虫状膨胀石墨的ＳＥＭ图 图３中的可膨胀石墨粒子外形较为规则，呈片状，而图４为加热后生成的膨胀石墨，形态呈蠕虫状．对 比图３和图４可以发现，可膨胀石墨在加热膨胀后前后形态差异较大，膨胀过程发生后，石墨原有的晶体 结构遭到破坏，结构不规则。同时，从外观上看，膨胀石墨颜色深黑，质轻，呈疏松多子Ｌ状，与鳞片状富有光 第１期 祝 叶等：膨胀石墨的制备及结构研究 ・３１・ 泽性的可膨胀石墨有较大差别． ２．４膨胀石墨的结构分析 图５（ａ）～（ｃ）为不同放大倍数下膨胀石墨的扫描电镜照片．从图可见，膨胀石墨具有较为发达的孔隙结 构．天然石墨经氧化剂氧化后，形成的石墨层间化合物只是在石墨层内局部形成，加热分解时各处产生的作 用不均一，有些部分撑开并胀大，有些地方变化不明显．沿ｃ轴方向膨胀形成较大的空隙裂缝，这些裂缝呈开 放与半开放状，并相互连接．综合图５（ａ）～（ｃ）可以发现，膨胀石墨的孔隙尺寸多为微米级别，大小不一． （ａ） （ｂ） （ｃ） 图５ 膨胀石墨的不同倍数ＳＥＭ图 膨胀石墨的多孔特性使其具有较大的比表面积，有一定的吸附能力，故可用作吸附材料．同时，柔性石 墨的轻质、疏松多孔特性，使其具有良好的可压缩性，是一种良好的密封材料．除此之外，还可用作防火、生 物医学、环保材料等． ３ 结束语 随着人们对膨胀石墨的进一步认识与开发，这种新型材料在制备膨胀石墨的过程中，膨胀温度在９００ ℃，膨胀时间为３０￣５０ Ｓ时，可膨胀石墨能发生良好的膨胀效果，膨胀容积较大．膨胀石墨具有发达的孔 隙结构，孔径尺寸在微米级，３ｖ／ｌ＇￣－－．膨胀石墨的多孑Ｌ特性使其具有较大的比表面积和良好的可压缩性， 可广泛应用于密封、阻燃、电力、环保等领域． 参考文献 Ｅｌｉ Ｓａｎｄｉ Ｍｉｌｌｅｒ，１３ｅｍｅｔｒｉｏｓ Ｐａｐａｄｏｐｏｕｌｏｓ，Ｐａｕｌａ Ｈｅｉｍａｎｎ，Ｆｔ ａ１．Ｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｈｅｅｔ ｃｏａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃａｒ ｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ／ＰＭＲ一１５ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，６６：２ １８３． ［２］Ｋｌｕｇ，Ｊｅｒｅｍｙ Ｈ．Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｈａｐｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｈｅｅｔｓ［Ｐ］．ＵＳ Ｐｏ１６７１０９，２００２． ［３］田 敏，张银年，李洪潮．膨胀石墨的发展状况［Ｊ］．矿产保护与利用，１９９９，（５）：４２—４３． ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＴＨＥ ＰＲｏＤＩ ＣｎＯＮ ＡＮＤ ＳＴＲＩ Ｅ ０ｌＦ ＥＸＰ ＤｌＥＤ ＧＲＡＰＨＩＴＥ ＺＨＵ Ｙｅ，ＸＩＡ Ｘｉｎ—ｘｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒＯｐ— ｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ．ＳＥＭ ｐｈｏ— ｔｏｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｈａｄ ｎｕｍｅｒｏｕｓ ｈｏｌｅｓ ｉｎ ｓｉｚｅ ｍ—ｌｅｖｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｗｅｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｕｕｒｅ ｏｆ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈ— ｉｔｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｗａｓ ９００℃，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｉｍｅ ｗａｓ ３Ｏ～５０ Ｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｔｅｍｐｅｒａｕｕｒｅ；ｔｉｍｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
