1引言
膨脹石墨是天然石墨經(jīng)氧化膨脹后形成的石墨蠕蟲，因其具有獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)，近年來一直受到材料、物理、化學(xué)的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的膨脹石墨所采用的石墨原料粒徑一般在50目以上，產(chǎn)量小價(jià)格高。本文使用市場(chǎng)上最常見的小粒徑石墨為原料，通過化學(xué)氧化法制備高倍率膨脹石墨，探討了不同氧化劑體系對(duì)膨脹容積的影響。以直徑＜2μm超細(xì)粉天然石墨為原料制備膨脹石墨的報(bào)道目前并未見到。
2實(shí)驗(yàn)部分
2.1 膨脹石墨的制備
稱取一定質(zhì)量的天然鱗片石墨，在不斷攪拌下加入一定量濃硫酸/濃硝酸為插入劑，1.2g高錳酸鉀為氧化劑，60℃下反應(yīng)30min，產(chǎn)物水洗至中性，脫水后在70℃干燥，即制得可膨脹石墨，再將制得可膨脹石墨于880℃下瞬時(shí)膨脹成膨脹石墨。
2.2 膨脹容積的測(cè)定
稱取1g膨脹石墨，將其放入10mL量筒內(nèi)并讀取體積（讀取頂面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度的平均值），以mL/g表示。
2.3 XRD測(cè)試
采用丹東射線儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的X射線衍射儀，在室溫、30KV、80mA、Cu靶掃描速度2°/min。
3結(jié)果與討論
3.1 不同插入劑對(duì)膨脹容積的影響
為了考查不同插入劑對(duì)膨脹容積的影響，進(jìn)行試探性實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)所有實(shí)驗(yàn)條件均為嘗試性條件，不一定為最優(yōu)條件。
在1g石墨中分別以H2SO4和HNO3為插入劑，1g高錳酸鉀為氧化劑，60℃下反應(yīng)30min，改變插入劑用量制備膨脹石墨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：
3.2 氧化劑用量與膨脹容積的關(guān)系
稱取1g石墨，10mL濃硫酸作為插入劑，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間50min。改變高錳酸鉀的用量，制備膨脹石墨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
由圖可知，隨著高錳酸鉀加入的量增大，制得膨脹石墨的膨脹容積先增大后降低。當(dāng)加入1.6g高錳酸鉀時(shí)，膨脹容積最大，達(dá)182mL/g。雖然加入1.6g高錳酸鉀時(shí)膨脹容積達(dá)到最大值，但由于這時(shí)反應(yīng)較劇烈不易控制，以下實(shí)驗(yàn)中均加入1.2g高錳酸鉀。
3.3 插入劑用量與膨脹容積的關(guān)系
稱取1g石墨，1.2g高錳酸鉀作為氧化劑，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間50min，改變濃硫酸的用量，制備膨脹石墨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示:
由圖可知，隨著硫酸加入量的增加膨脹容積增加，在加入量小于15mL時(shí)，膨脹容積增加較快，當(dāng)加入量大于15mL時(shí)，增加幅度變小。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，加入量為18mL時(shí)，膨脹容積最大，達(dá)180mL/g。
雖然加入18mL濃硫酸時(shí)膨脹容積達(dá)到最大值，但由于這時(shí)反應(yīng)較劇烈且不易控制，以下實(shí)驗(yàn)中均加入10mL濃硫酸。
3.4 反應(yīng)溫度與膨脹容積的關(guān)系
在1g石墨中加入10mL濃硫酸作為插入劑、1.2g高錳酸鉀作為氧化劑，反應(yīng)時(shí)間50min，改變反應(yīng)溫度，制備膨脹石墨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2－4所示：
由圖可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，膨脹容積先增加后降低，并且在60℃時(shí)達(dá)到最大值約為91mL/g。
3.5 反應(yīng)時(shí)間
在1g石墨中加入10mL濃硫酸為插入劑、1.2g高錳酸鉀作為氧化劑，反應(yīng)溫度60℃。改變反應(yīng)時(shí)間，制備膨脹石墨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
由圖可知，從30min開始，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，樣品膨脹容積先增加后降低，反應(yīng)時(shí)間為50min時(shí)膨脹容積最大，為91mL/g。
從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著超細(xì)粉膨脹石墨的膨脹容積隨著氧化劑（高錳酸鉀）用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的增加，先增大后減少并分別在相應(yīng)位置達(dá)到最大值；在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在硫酸加入量小時(shí)，膨脹容積增加較快，當(dāng)加入量大時(shí)，增加幅度變??；高錳酸鉀和濃硫酸的用量對(duì)膨脹容積影響顯著。氧化劑的作用是使鱗片石墨被氧化，這是生成層間化合物的第一步。氧化劑用量過少，碳原子被氧化得不夠，層間化合物較少，膨脹容積??；用量過大，氧化程度也不會(huì)隨之增加。插入劑的作用是嵌入已經(jīng)被打開的石墨片層中形成嵌入化合物，這是生成層間化合物的第二步。插入劑用量在一定程度上的增加也會(huì)使生成的石墨層間化合物的量增加，因此膨脹容積增加。
4 結(jié)論
1）以直徑＜2μm天然石墨為原料，高錳酸鉀為氧化劑制備膨脹石墨時(shí)，濃硫酸可以嵌入石墨片層形成層間化合物，膨脹后制得膨脹石墨。濃硝酸無(wú)法嵌入石墨片層形成層間化合物，石墨幾乎不膨脹。
2）用直徑＜2μm天然石墨制備高膨脹倍率膨脹石墨，采用原料配比為石墨：高錳酸鉀：硫酸＝1∶1.2∶6，反應(yīng)時(shí)間50min，反應(yīng)溫度60℃，所制得膨脹石墨膨脹倍數(shù)最大，達(dá)91mL/g。
作者：蔣娜，楊紹斌，孟麗娜，費(fèi)小飛，遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，遼寧阜新（123000）
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
