膨胀石墨的研究和应用进展

李小坤

摘 要：目前，石墨在化工、能源、炼金、环保、医疗和炼金领域发挥着越来越重要的地位。石墨根据其性质和目前科学家们的研究，可以分为三大类：普通石墨、复合石墨和膨胀石墨。基于膨胀石墨的优越性，已经大量替代了传统意义上的铜和普通石墨，但是从膨胀石墨的制作方法和工艺上讲，可以说是多种多样，也是科学家们重点研究的方向。本文主要讲述当前膨胀石墨在各科学领域的地位和制备工艺，以及在未来的发展空间。

关键词：膨胀石墨;石墨烯;高温;应用

1 膨脹石墨的研究

1.1 膨胀石墨

膨胀石墨又称柔性石墨或蠕虫石墨，是一种分散多孔的蠕虫状新型全碳素材料，经过天然鳞石石墨多次加工而成，也是碳元素的同素异形体，相邻的3个碳原子间以sp2杂化轨道形成120°夹角的共价键。因此膨胀石墨是非常稳定且不易被破坏的结构，由这种石墨制成的电极耐热，耐撞击并且表面光滑不会受到摩擦的影响，是许多国家工业发展中的一大助力，也是新型能源可反复使用的典范。

1.2 可膨胀石墨

可膨胀石墨与膨胀石墨有许多相似点，同样是由碳元素组成的六角网状结构，以较为稳定的共价键形成，但在更小的层次，层与层之间存在范德华力，相对共价键就非常弱，且间隙也不小，所以在适当的情况下，酸、碱金属等多种化学物质可进入其中，并且这些化学物质在进入层与层之间时，会与碳原子形成新的化合物，这种化合物在加热到一定程度就会快速的分解，产生大量的气体和能量，沿石墨轴线方向形成蠕虫状的新物质，即膨胀石墨。

2 膨胀石墨制备方法

膨胀石墨的制备可分为氧化插层和高温膨胀两个环节

2.1 氧化过程

制备膨胀石墨最多使用化学氧化法和电化学氧化法，其中最大的区别是氧化方法不同，而其他后续处理大体相同。化学氧化法是迄今为止使用最广、研究最为成熟的方法，使用氧化剂让石墨失去电子，使其边缘张开，把插层剂注入石墨夹层之间形成可膨胀石墨，之后再次使用高温制得膨胀石墨，但此法存在酸液浪费现象，且产物硫含量过高。电化学法根据石墨存在的导电性，使其通过电解液中阳极带电一方在石墨层与层之间发生氧化，其中酸根离子进入其中，制得可膨胀石墨，之后方法如同化学氧化法。电化学法不使用氧化剂所以生产溶液可回收利用，成本、污染小，但产量较低，且只限于小量实验获得，无法推广。

2.2 高温膨胀

通过可膨胀石墨转化为膨胀石墨，在高温条件下层间物质快速气化，大量的气泡和能量的溢出使得石墨层间快速扩张至原来的十几倍甚至百倍，最后形成膨胀石墨。而高温膨胀法目前有四种：高温、微波、低温膨胀法和爆炸法。高温膨胀法是将可膨胀石墨放入高温环境中，使用工业熔炉产生高温快速使可膨胀石墨气化，但加热时间过长，电能消耗大。微波膨胀法和高温膨胀法本质相同，区别在于加热方法的不同，高温膨胀法由石墨表面向内部加热，为传统意义上的热传导，而微波膨胀法基于石墨的导电性，利用磁控管产生的微波，利用涡电流让石墨从内而外的迅速升温，且易于操作，升温时间快。低温膨胀法指在保证膨胀效果的前提下，尽可能降低能耗，节约成本，相对于高温和低温膨胀法，低温膨胀法更适用于工业生产，也是膨胀石墨未来的研究方向。爆炸法利用混合爆炸化合物，在爆炸的过程中受到高温影响，制得膨胀石墨，操作简单，时间最短，并且可能使产生的膨胀石墨得到表面改性，但纯度较低，难以控制。

3 膨胀石墨的应用

3.1 电池材料

膨胀石墨经过高温处理后，其结构性、导电性仍然完整、优良，且具备耐高温、亲油性强等优点，因此可以将膨胀石墨应用到电池电极领域，例如锌锰电池的锌阳极添加膨胀石墨，可以减少其充电时的极化，并且增强导电性。

3.2 环保领域

膨胀石墨具有两大特性疏水性和亲油性，在水中会吸附周围油渍并储存远大于其体积的油类物质。通过膨胀石墨的疏水性使其不会溶于水，而亲油性会吸附周围油渍，且因为石墨本身轻的特性会漂浮在水面，以此消灭水污染，并循环使用。膨胀石墨是无毒且具有化学惰性的材料，在与其他元素共同存在时不会发生任何反应，所以膨胀石墨也可以用作化学溶剂，或者除去混合化合物中的油性物质。

3.3 防火安全材料

在飞机座椅中添加部分可膨胀石墨，或者是把可膨胀石墨制做成防火密封条、防火涂料等，如果起火受到高温加热，快速形成膨胀石墨阻止火灾蔓延，达到灭火目的。另外，将可膨胀石墨的细小粒子加入到普通涂料中，而这种涂料可形成有效的阻燃防静电工业防具。根据其特性目前在消防领域，发挥着重要作用，使用膨胀石墨添加到消防员衣服中，可以很大的提高救援时间。

4 结束语

根据调查，目前在国际上对于膨胀石墨的应用越来越广泛，并且各国也在制定相应的法律和政策来促进石墨产业的发展，因为其能耗少，可循环利用等特性，在各大轻工业和重工业中适用范围相当广泛。在其导电性能上可制作优秀导体，在温度变化上，可适应较低温和高温环境。在未来的发展中也可以看出膨胀石墨的发展，主要是通过制造工艺上的进步，降低生产成本和能源消耗特别是稀有金属的浪费，膨胀石墨的发展前景具有很大的潜在价值。

参考文献：

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