摘 要

可膨胀石墨是石墨层间化合物的一种，高温受热时可迅速膨胀，膨胀容积可达数百乃至上千毫升每克。高温膨化后的产品为膨胀石墨。可膨胀石墨和膨胀石墨具有石墨所没有的性质，在工业上应用十分广泛。但传统的可膨胀石墨膨化温度较高，这在如军事和低温阻燃等领域局限了它的应用。因而，低温可膨胀石墨成为了该领域重要研究方向。

电化学法、化学氧化法是目前应用最广泛的两种制备方法。本文采用的是常见的化学氧化法，所用实验原料为内蒙古兴和选矿和提纯后的50目天然鳞片石墨，固定碳质量分数为98.86%。氧化剂选用高锰酸钾，插层剂为高氯酸，辅助插层剂是硝酸铵，恒温水浴对石墨鳞片进行氧化插层，蒸馏水洗至中性抽滤烘干，400℃测量单位质量石墨的膨胀容积。以膨胀容积作为衡量试验产品低温膨胀效果的指标，探究氧化插层方法、氧化剂、插层剂、辅助插层剂用量、氧化插层时间等对产物性能的影响，探究最佳工艺条件。实验表明：原料是内蒙古兴和50目天然鳞片石墨，氧化剂选用高锰酸钾，插层剂为高氯酸，辅助插层剂选用硝酸铵。确定最佳工艺条件为：石墨：高氯酸：硝酸铵：高锰酸钾质量比为1:8:0.12:0.3,水浴搅拌120 min，水洗至中性抽滤烘干后，400℃膨胀容积达到430 mL/g。

通过扫描电镜对实验各阶段石墨进行微观形貌分析，对比各阶段石墨产品扫描电镜图，发现天然鳞片石墨、可膨胀石墨和膨胀石墨在微观形貌上差距很大：天然鳞片石墨的表面光滑，层间距小，结构紧密；可膨胀石墨依然为层状结构，片层边缘发生破裂卷曲的现象，石墨层间距扩大，发生初步膨胀；膨化后膨胀石墨结构上产生了巨大的变化，膨胀石墨不再是鳞片状，而是呈蓬松多孔的蠕虫状，层与层之间相互粘连成网络状孔系。

关键词：低温；可膨胀石墨；氧化插层；膨胀容积

Abstract

Expandable graphite (EG) is a kind of graphite intercalation compounds (GICs).When EG is heated at a high temperature,its expansion volume is up to hundreds of or even one thousand milliliters per gram. EG turns to be expanded graphite when it is expanded at high temperature. EG and expanded graphite are widely used in industry as they have properties that are not available in graphite. But the expansion temperature of traditional EG is high, which greatly limits its use in low temperature cryogenic fire, environmental protection, military and other fields. Becuse of it, low temperature expandable graphite has become an important research direction in this field.

Both chemical oxidization method and electrochemical method are usually used to produce EG. In this experiment, chemical oxidization method is chosen. And the natural flake graphite comed from Inner Mongolia Xinghe is raw material after it has been mineralized and purified. the carbon content of the natural flake graphite is up to 98.86%. Potassium permanganate is used as oxidant. Perchloric acid and ammonium nitrate belong to intercalation agents. In the constant temperature condition, graphite is oxidized and intercalated. After the production is washed to neutral, filtered and dried, measure the expansion volume of EG at 400℃. The expansion volume is seen as an important data to low temperature expandable graphite. In this paper, we mainly disscuss about the effects of stirring method, quality of regents and reaction time on the product and try to find the optimal condition. According to the experiments, the best proportion of flake graphite:KMnO₄:HClO₄:NH₄NO₃(mass ratio) is 1:0.3:8:0.12, continuous stirring for 120mins. and its expansion volume is up to 430 mL/g at 400℃ after the EG is washed to neutral, filtered and dried.

Microscopic analysis of graphite at each stage of the experiment was carried out by scanning electron microscopy. Compered with EG and expanded graphite, the surface of natural flake graphite is smoother. The graphite layer spacing is smeller than others. And its structure more closely. EG is still layered, although the layer edge of graphite is destroyed and the graphite layer spacing increases. After EG is heated, the structure of graphite change greatly.Expanded graphite is fluffy and porous worm-like structure rather than layer. Layer and layer are intertwined into a network.

Key Words：low temperature; expandable graphite; oxidized intercalation;

目 录

摘 要 i

Abstract ii

目 录 i

第1章 绪论 1

1.1 石墨概述 1

1.1.1 石墨基本简介 1

1.1.2 石墨的结构特征 2

1.2 石墨层间化合物概述 2

1.2.1 石墨层间化合物制备方法 3

1.2.2 可膨胀石墨简介 4

1.3 可膨胀石墨制备方法 5

1.3.1 化学氧化法 5

1.3.2 电化学法 6

1.3.3 爆炸法 6

1.3.4 气相扩散法（双室法） 6

1.4 可膨胀石墨的应用 7

1.4.1 密封材料 7

1.4.2 环保领域 7

1.4.3 生物医药领域 7

1.4.4 电池材料 7

1.4.5 军事领域 8

1.5 低温可膨胀石墨防火领域的应用 8

1.5.1 阻燃密封材料 8

1.5.2 防火阻燃涂料 8

1.5.3 阻燃塑料 8

1.6 研究目的、意义及内容 8

1.6.1 研究目的和意义 8

1.6.2 研究内容 9

第2章 实验原料、试剂及设备 10

2.1 原料与试剂 10

2.2 主要仪器设备 10

2.3 试验方法与工艺路线 11

2.4 试样表征与测试 11

2.4.1 膨胀容积的测定 11

2.4.3 扫描电镜测样 12

第3章 可膨胀石墨的制备 13

3.1 高锰酸钾用量对膨胀容积的影响 13

3.2 高氯酸用量对膨胀容积的影响 14

3.3 硝酸铵用量对膨胀容积的影响 15

3.4 搅拌时间对膨胀容积的影响 17

3.5 搅拌方式对膨胀容积的影响 18

3.6 小结 19

第4章 不同阶段石墨微观形貌分析 20

4.1 天然鳞片石墨微观形貌分析 20

4.2可膨胀石墨微观形貌分析 20

4.3 膨胀石墨微观形貌分析 21

4.4 小结 22

第5章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 石墨概述

1.1.1 石墨基本简介

石墨属非金属矿，是碳元素的六种同素异形体之一，呈铁黑或钢灰色，有金属光泽，质软，密度约2.09～2.23 g/cm³,莫氏硬度为1～2，相对密度为2.1～2.3。石墨晶体是由单个碳原子和其周围另外三个碳原子通过共价键结合，通过多个正六边形排列组成六角网平面层状结构^[1-2]。正是因为石墨结构特殊，在抗热震、导热性和导电性等方面具有优异的性能。石墨及以石墨为原料的各种产品广泛应用于电气、核工程、新能源等领域，在国民经济发展、科技现代化和国防建设中有着重要的战略支撑作用，已被美国及其他许多国家列为国家的战略资源^[3]。