膨脹石墨的研究和應用進展

李小坤

摘 要：目前，石墨在化工、能源、煉金、環保、醫療和煉金領域發揮著越來越重要的地位。石墨根據其性質和目前科學家們的研究，可以分為三大類：普通石墨、復合石墨和膨脹石墨。基于膨脹石墨的優越性，已經大量替代了傳統意義上的銅和普通石墨，但是從膨脹石墨的制作方法和工藝上講，可以說是多種多樣，也是科學家們重點研究的方向。本文主要講述當前膨脹石墨在各科學領域的地位和制備工藝，以及在未來的發展空間。

關鍵詞：膨脹石墨;石墨烯;高溫;應用

1 膨脹石墨的研究

1.1 膨脹石墨

膨脹石墨又稱柔性石墨或蠕蟲石墨，是一種分散多孔的蠕蟲狀新型全碳素材料，經過天然鱗石石墨多次加工而成，也是碳元素的同素異形體，相鄰的3個碳原子間以sp2雜化軌道形成120°夾角的共價鍵。因此膨脹石墨是非常穩定且不易被破壞的結構，由這種石墨制成的電極耐熱，耐撞擊并且表面光滑不會受到摩擦的影響，是許多國家工業發展中的一大助力，也是新型能源可反復使用的典范。

1.2 可膨脹石墨

可膨脹石墨與膨脹石墨有許多相似點，同樣是由碳元素組成的六角網狀結構，以較為穩定的共價鍵形成，但在更小的層次，層與層之間存在范德華力，相對共價鍵就非常弱，且間隙也不小，所以在適當的情況下，酸、堿金屬等多種化學物質可進入其中，并且這些化學物質在進入層與層之間時，會與碳原子形成新的化合物，這種化合物在加熱到一定程度就會快速的分解，產生大量的氣體和能量，沿石墨軸線方向形成蠕蟲狀的新物質，即膨脹石墨。

2 膨脹石墨制備方法

膨脹石墨的制備可分為氧化插層和高溫膨脹兩個環節

2.1 氧化過程

制備膨脹石墨最多使用化學氧化法和電化學氧化法，其中最大的區別是氧化方法不同，而其他后續處理大體相同。化學氧化法是迄今為止使用最廣、研究最為成熟的方法，使用氧化劑讓石墨失去電子，使其邊緣張開，把插層劑注入石墨夾層之間形成可膨脹石墨，之后再次使用高溫制得膨脹石墨，但此法存在酸液浪費現象，且產物硫含量過高。電化學法根據石墨存在的導電性，使其通過電解液中陽極帶電一方在石墨層與層之間發生氧化，其中酸根離子進入其中，制得可膨脹石墨，之后方法如同化學氧化法。電化學法不使用氧化劑所以生產溶液可回收利用，成本、污染小，但產量較低，且只限于小量實驗獲得，無法推廣。

2.2 高溫膨脹

通過可膨脹石墨轉化為膨脹石墨，在高溫條件下層間物質快速氣化，大量的氣泡和能量的溢出使得石墨層間快速擴張至原來的十幾倍甚至百倍，最后形成膨脹石墨。而高溫膨脹法目前有四種：高溫、微波、低溫膨脹法和爆炸法。高溫膨脹法是將可膨脹石墨放入高溫環境中，使用工業熔爐產生高溫快速使可膨脹石墨氣化，但加熱時間過長，電能消耗大。微波膨脹法和高溫膨脹法本質相同，區別在于加熱方法的不同，高溫膨脹法由石墨表面向內部加熱，為傳統意義上的熱傳導，而微波膨脹法基于石墨的導電性，利用磁控管產生的微波，利用渦電流讓石墨從內而外的迅速升溫，且易于操作，升溫時間快。低溫膨脹法指在保證膨脹效果的前提下，盡可能降低能耗，節約成本，相對于高溫和低溫膨脹法，低溫膨脹法更適用于工業生產，也是膨脹石墨未來的研究方向。爆炸法利用混合爆炸化合物，在爆炸的過程中受到高溫影響，制得膨脹石墨，操作簡單，時間最短，并且可能使產生的膨脹石墨得到表面改性，但純度較低，難以控制。

3 膨脹石墨的應用

3.1 電池材料

膨脹石墨經過高溫處理后，其結構性、導電性仍然完整、優良，且具備耐高溫、親油性強等優點，因此可以將膨脹石墨應用到電池電極領域，例如鋅錳電池的鋅陽極添加膨脹石墨，可以減少其充電時的極化，并且增強導電性。

3.2 環保領域

膨脹石墨具有兩大特性疏水性和親油性，在水中會吸附周圍油漬并儲存遠大于其體積的油類物質。通過膨脹石墨的疏水性使其不會溶于水，而親油性會吸附周圍油漬，且因為石墨本身輕的特性會漂浮在水面，以此消滅水污染，并循環使用。膨脹石墨是無毒且具有化學惰性的材料，在與其他元素共同存在時不會發生任何反應，所以膨脹石墨也可以用作化學溶劑，或者除去混合化合物中的油性物質。

3.3 防火安全材料

在飛機座椅中添加部分可膨脹石墨，或者是把可膨脹石墨制做成防火密封條、防火涂料等，如果起火受到高溫加熱，快速形成膨脹石墨阻止火災蔓延，達到滅火目的。另外，將可膨脹石墨的細小粒子加入到普通涂料中，而這種涂料可形成有效的阻燃防靜電工業防具。根據其特性目前在消防領域，發揮著重要作用，使用膨脹石墨添加到消防員衣服中，可以很大的提高救援時間。

4 結束語

根據調查，目前在國際上對于膨脹石墨的應用越來越廣泛，并且各國也在制定相應的法律和政策來促進石墨產業的發展，因為其能耗少，可循環利用等特性，在各大輕工業和重工業中適用范圍相當廣泛。在其導電性能上可制作優秀導體，在溫度變化上，可適應較低溫和高溫環境。在未來的發展中也可以看出膨脹石墨的發展，主要是通過制造工藝上的進步，降低生產成本和能源消耗特別是稀有金屬的浪費，膨脹石墨的發展前景具有很大的潛在價值。

參考文獻：

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