[發明專利]低溫可膨脹石墨的制備方法

無效

• 申請號: 200810040661.1
• 申請日: 2008-07-17
• 公開（公告）號: CN101327926A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發明（設計）人: 馬玉錄;謝林生;湯先文;盧亞云;景軍濤;劉德禮
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司
• 代理人: 陳淑章

技術領域

本發明涉及一種可膨脹石墨(可膨脹石墨插層化合物)的制備方法。

背景技術

可膨脹石墨(可膨脹石墨插層化合物)是一種性能優良的無機材料。由于插層客體的插入，使石墨主體擁有了諸如耐熱、耐腐蝕、柔軟、導電等許多優異性能。

迄今，制備可膨脹石墨的方法主要分為兩大類：化學氧化法和電化學法。其中化學氧化法是目前被應用較多且較為成熟的方法。

化學氧化法是指：將鱗片石墨浸泡在主要由氧化劑和插層劑組成的溶液中，在氧化劑的作用下，石墨被氧化而使石墨層的中性網狀平面大分子變成帶有正電荷的平面大分子，由于帶有正電荷的平面大分子層間同性正電荷的排斥作用，石墨層間距離加大，插層劑插入石墨層間，得可膨脹石墨(可膨脹石墨插層化合物)。

目前，無論是含硫、低硫，還是無硫可膨脹石墨，其膨脹溫度均較高(一般在900℃以上石墨插層化合物才開始膨脹)，限制了可膨脹石墨應用范圍(特別是多波段發煙劑、膨脹性阻燃劑和消防滅火劑等一些希望膨脹溫度愈低愈好的領域)。

因此，制備低溫可膨脹石墨(可膨脹石墨插層化合物)就成本發明所要解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種低溫可膨脹石墨(即在160℃開始膨脹，在200℃時，膨脹容積能達到200ml/g)的制備方法，以此拓寬可膨脹石墨應用領域。

石墨屬于六方晶系，具有特殊的層狀結構。層面內碳原子之間是強的σ鍵，具有極強的鍵合能，而層間的碳原子之間僅以微弱的范德華力相結合，氧化處理后，許多分子或原子及原子團能輕易地突破層間結合力而插入石墨層間，形成石墨層間化合物即可膨脹石墨。

本發明的發明人經廣泛且深入的研究發現：先采用現有化學氧化法制得可膨脹石墨插層化合物(可膨脹石墨)，然后再通過水交換法，用去離子水置換出石墨層間插入物。如此所得的可膨脹石墨插層化合物(可膨脹石墨)的膨脹溫度將大大降低。

以濃硫酸作為插層劑為例，其插入及被水置換過程的示意反應式如下所示：

式中：graphite代表石墨，[○]代表氧化劑。

水置換反應終點以交換時間為判斷，在氧化劑與插層劑固定配比的條件下，隨著交換時間的提高，可插入的水分子含量也不斷增加，在10-30小時后達到極限，最終氧化石墨層間結合水含量為10wt％～20wt％(以可膨脹石墨插層化合物的總重量為計算基準)。隨著水插層量的提高，氧化石墨的膨脹體積隨交換時間的提高而增大，達到一定交換時間后膨脹體積保持不變。同時，層間結合水的最低汽化溫度為160℃，即該石墨最低膨脹溫度為160℃，可膨脹溫度不隨層間水含量的提高而降低。

本發明所說的一種低溫可膨脹石墨的制備方法，其特征在于，所說制備方法的主要步驟是：將鱗片石墨浸泡在主要由氧化劑和插層劑組成的溶液中進行插層反應，過濾，所得固相物通過水交換法置換出石墨層間的插入物[即用水(優選去離子水)置換出石墨層間插入物]，干燥所得固相物即為目標物。

在本發明中，所用的氧化劑和插層劑均為現有化學氧化法制可膨脹石墨中所用的氧化劑和插層劑，如氧化劑可選用KMnO₄、KClO₄、NaClO₃、(NH₄)₂S₂O₇、H₂SO₄、HNO₃、HCIO₄或H₂O₂等中一種、二種或二種以上；插層劑可選用乙酸酐、草酸、三氯化鐵或磷酸等中一種、二種或二種以上。

本發明具有如下特點：

(1)該材料膨脹時不污染環境，安全性高。低溫可膨脹石墨是通過離子與分子交換方法制備得到，膨脹時只有氣化的水分子釋放，基本上無有害小分子(如SO_X和NO_X等)的存在。

(2)該材料用于制備聚合物/膨脹石墨納米復合材料時，無需將其進行預膨脹。該可膨脹石墨在與聚合物熔融插層過程中發生瞬間膨脹，制得納米復合材料，可操作性強，且對設備要求低，從而簡化了生產工藝。

(3)膨脹溫度低，降低能耗。由于以水分子作為主要插層劑，水分子氣化所需的溫度較低，該可膨脹石墨200℃時的膨脹體積能夠達到普通可膨脹石墨1000℃時的膨脹體積，大大降低了能耗。

附圖說明

圖1180℃膨脹石墨膨脹后的SEM圖；

圖2由實施例2制備產品的EDS能譜測試譜圖；