1 簡介
可膨脹石墨（Expandable Graphite, EG）是通過在鱗片石墨的層狀晶體結(jié)構(gòu)中插入酸（通常用硫酸、硝酸或有機酸）進行反應(yīng)制得。此過程中，我們必須要使用一些氧化劑，如H2O2、HNO3或者KMnO4 等；或者可以通過電化學(xué)的方法制備石墨插層化合物。完成反應(yīng)后，再進行中和、水洗和干燥而制作成最終的產(chǎn)品。
可膨脹石墨的膨脹特性不同于其他膨脹劑。在受到高溫時，由于吸留在層間點陣中化合物分解，可膨脹石墨膨脹，變成密度很低的蠕蟲狀。膨脹后的石墨可在阻燃材料表面形成一個非常好的絕熱層，能有效隔熱。其自身在火災(zāi)中的熱釋放率低，質(zhì)量損失小，產(chǎn)生的煙氣少。所以近年來，可膨脹石墨作為一種膨脹型阻燃劑應(yīng)用于合成材料中，并且在科研及工業(yè)領(lǐng)域引起了越來越多的關(guān)注。
可膨脹石墨在防火阻燃材料方面的應(yīng)用已取得很大的進展，除了傳統(tǒng)的阻火圈、防煙條、防火門、防火堵料、阻燃涂料等常規(guī)產(chǎn)品外，其他一些應(yīng)用也日趨廣泛。在泡沫產(chǎn)品中，可膨脹石墨的阻燃已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用。加入可膨脹石墨的PU 泡沫已經(jīng)被應(yīng)用到飛機、火車及其他交通工具的座椅中。由PP、PE 及其他聚烯烴合成的電線電纜中也已經(jīng)應(yīng)用可膨脹石墨來增強阻燃性能。除此以外，在屋頂使用的瀝青卷材等領(lǐng)域中，可膨脹石墨也占有一席之地。
2 可膨脹石墨發(fā)展的新方向
隨著可膨脹石墨在阻燃方向發(fā)展的日益廣泛，各個行業(yè)針對可膨脹石墨的性能也提出了不同的要求，使其在發(fā)展過程中同時面臨著機遇和挑戰(zhàn)。
1） PU 聚氨酯行業(yè)
如前所述，可膨脹石墨是聚氨酯PU 泡沫材料的有效阻燃劑?？膳蛎浭赑U 泡沫中不但有阻燃作用，還有抑煙效果，是一種越來越受到業(yè)界關(guān)注的無鹵阻燃劑。但是將可膨脹石墨應(yīng)用到PU 泡沫中也存在著困難。
大多數(shù)PU 發(fā)泡設(shè)備適用的反應(yīng)體系均為液態(tài)，為了將可膨脹石墨有效地加入，必須對設(shè)備進行改進。同時為了在防止加工過程中，加入的可膨脹石墨對設(shè)備產(chǎn)生摩擦破壞，可膨脹石墨的灰分也成為了影響其應(yīng)用的重要指標。這就要求可膨脹石墨中的灰分必須為軟灰分，使得可膨脹石墨原料的選取條件更加嚴格。
對于一些特殊制品，PU 泡沫后續(xù)的熱壓過程也對可膨脹石墨提出了更高的要求。如可膨脹石墨的起始膨脹溫度（Start Expansion Temperature, SET）不能低于某一溫度，否則可膨脹石墨會在熱壓的過程中開始膨脹，影響制品的性能。
此外，為了使可膨脹石墨很好的分散在聚氨酯的重要組成多元醇中，并不容易沉降，需要對可膨脹石墨進行表面處理，改變其表面性能，或者使其成為多元醇/石墨的觸變體系，從而解決分散問題。
2） 涂料工業(yè)
可膨脹石墨的細顆粒加入到普通涂料中，可以得到性能較好的阻燃防靜電涂料，其在火災(zāi)中形成的大量輕質(zhì)不燃碳層，能有效阻隔熱量向基材的輻射，有效保護基材。此應(yīng)用要求可膨脹石墨在保證其阻燃效果的同時，必須保證其具有較細的粒度。同時，針對不同的涂料配方，可膨脹石墨表面的酸堿度也要適當?shù)倪M行調(diào)整。
3） 工程塑料領(lǐng)域
目前，已有大量關(guān)于可膨脹石墨用于阻燃聚烯烴、阻燃橡膠、阻燃苯乙烯塑料等的報道。可膨脹石墨也可添加于阻燃工程塑料中，可有效的增強塑料防火性能，膨脹性能，同時不影響塑料本身的柔韌性和其它物理性能，且在火焰中不揮發(fā)出有毒氣體、酸霧、煙等，不增加材料的危險性。但是這也對膨脹石墨的起始膨脹溫度提出了嚴格的要求，如用于 PBT， PA 等工程塑料的可膨脹石墨，為了使其在加工時不膨脹，可膨脹石墨起始膨脹溫度要求達到280 -300℃。以上所有這些，都是相關(guān)行業(yè)近年來對可膨脹石墨提出的新要求。
3 近期開發(fā)的新型可膨脹石墨的特征
針對以上行業(yè)對可膨脹石墨產(chǎn)品性能的新要求，石家莊愛迪特科鵬阻燃材料廠自主開發(fā)出了多種新產(chǎn)品。下面對這些新產(chǎn)品的性能進行簡要的介紹。
1） 不同的起始膨脹溫度的可膨脹石墨產(chǎn)品
2） 相同起始膨脹溫度的可膨脹石墨產(chǎn)品
圖2 中的三種可膨脹石墨產(chǎn)品ADT 249、ADT 351 和ADT 400 具有相同的起始膨脹溫度，為165℃。三種產(chǎn)品的最大膨脹體積分別為250、350 和400 倍。 高膨脹倍率產(chǎn)品的出現(xiàn)，使超薄防火密封條成為可能。在一般使用時，可減少可膨脹石墨用量。高膨脹倍率產(chǎn)品主要用于一些需要強力膨脹的防火封堵材料。
3） 能夠提前對火做出反應(yīng)的可膨脹石墨產(chǎn)品
圖3 比較了ADT 600T 和ADT 249 兩種產(chǎn)品的熱膨脹性能。兩種可膨脹石墨產(chǎn)品的起始膨脹溫度均為165℃，ADT 249 有著早期的可膨脹石墨產(chǎn)品的共同特征，溫度和膨脹體積呈線性關(guān)系，在900℃達到最大膨脹體積。然而在實際應(yīng)用中，部分產(chǎn)品希望作為阻燃劑加入的可膨脹石墨能夠?qū)鹧嫣崆白龀鲇行Х磻?yīng)，在火災(zāi)發(fā)生時減少對財物的損失，降低對人們生命的威脅。ADT600T 就是基于此要求開發(fā)的一種新型可膨脹石墨產(chǎn)品。在相同的起始膨脹溫度下，ADT 600T 在550℃時就可以達到250 倍的最大膨脹體積，形成對火的提前有效反應(yīng)。
4） 高膨脹倍率的超細化可膨脹石墨產(chǎn)品
可膨脹石墨在涂料等領(lǐng)域中應(yīng)用時，為了保持涂料成品均一穩(wěn)定的基本特性，要求可膨脹石墨在保持高效阻燃性的同時，還要具有較細的粒度。然而可膨脹石墨產(chǎn)品隨著粒度的減小，最大膨脹體積會大幅度降低。如下圖4 所示，粒徑為 -100 目的ADT 35 的最大膨脹體積只有45 倍。開發(fā)超細化的高效阻燃可膨脹石墨產(chǎn)品成為了涂料行業(yè)的新要求。石家莊愛迪特科鵬阻燃材料廠新開發(fā)的可膨脹石墨產(chǎn)品ADT 100 同ADT 35 同為-100 目產(chǎn)品，但是其阻燃性能有了很大幅度的提高，最大膨脹倍率能夠可達到100 倍，從而解決了超細化可膨脹石墨產(chǎn)品的低膨脹倍率問題。
4 結(jié)論和展望
通過生產(chǎn)商和終端用戶的一致努力，可膨脹石墨在阻燃領(lǐng)域取得了很大的進展。生產(chǎn)商的任何新產(chǎn)品的開發(fā)，都是源于客戶在使用中發(fā)現(xiàn)的問題，提出的新的要求。相信隨著研究的深入和科技的發(fā)展，可以解決現(xiàn)在存在和將來出現(xiàn)的各種問題，如改變固有的黑色，得到更高的膨脹倍率，取得更低的起始膨脹溫度，實現(xiàn)在多元醇、乳液等載體中的均一分散及其他一系列目標。希望在上下游客戶的共同推動下，可膨脹石墨能夠最大程度的發(fā)揮作用，為防火阻燃行業(yè)做出更多的貢獻。
作者：王江黎1 劉利亞2 沈康11 北京艾迪泰克技術(shù)咨詢有限公司；北京中關(guān)村南大街2 號數(shù)碼銀座;2 石家莊愛迪特科鵬阻燃材料廠；河北省晉州市中興街西段 052260；
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