低能耗型可膨胀石墨的制备研究.pdf

第1期
矿产综合利用
2013年2月
Multipurpose Utilization of Miineral Resources
Feb.2013
低能耗型可膨胀石墨的制备研究
周丹凤,田金星
(武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉430070)
摘要:以HCIO2/CH1COOH/KMn0为氧化插层体系制备低温可膨胀石墨,从HC04用量、CH3COOH用量、
髙锰酸钾用量、反应温度和反应时间等方面讨论了制备低温可膨胀石墨的较佳条件和物料配比。研究结果表
明,制备低温可膨胀石墨的较住反应条件为温度35℃,反应时间60min,石墨(g)、HClO,(mL)、CH1COO
mL)、高锰酸钾(g)的较佳配比为1:4:1.5:0.15,由此方法制得的可膨胀石墨在400℃膨胀容积可达到
423mL/g。该研究未使用任何含硫的试剂,因而制备的可膨胀石墨不含碗。
关键词:低能耗;可膨胀石爱;制备;膨胀容积
doi:10.3969/j.is8n.1000-6532.2013.01.014
中图分类号:T7165文献标识码:A文章编号:1000-6532(2013)01-0054-04
可膨胀石墨是经高温膨化而形成的一种蠕虫约为85%);KMnO4,含量9.5%,;氢氟酸,含量40%;
状物质,具有网状微孔结构,密度小,导电性高等特盐酸,含量36%~38%;硫酸,含量约为98%;高氯酸
性,作为一种新型的炭材料具有很多的特殊性70%~72%,;冰醋酸,含量99%,试剂均为分析纯
能,被广泛应用于防火阻燃、电极材料、医用敷料、石
试验仪器:电子天平,豪蒙斯仪器上海有限公
油化工、环境保护、吸油材料、军用发烟剂及防静电司;电热鼓风干燥箱,上海精密仪器仪表公司;水浴
涂料等领域。采用化学氧化法和电化学法可制锅,武汉金宝华科技有限公司;马弗炉,深圳市中达
备各种不同标准的可膨胀石墨,膨胀容积为100
电炉厂;pH计,南京宝威仪器仪表有限公司;SH-C
300mL/g的膨胀石墨具有较高的工业价值]。
循环水式多用真空泵
目前制备可膨胀石墨的插层剂主要有硫酸、硝1.2天然鳞片石提纯方法
酸、醋酸、甲酸磷酸、高氯酸等;氧化剂主要有KM
石曌插层氧化前,采用氢氟酸法2对中碳石
nO、KACr202、(NH)2S203、H2O2等1?。传统方法墨进行提纯,使含碳量达到99%以上。进行提纯
利用硫酸和硝酸氧化插层体系制备的可膨胀石墨不称取鳞片石墨50g放入烧杯中,加入混酸(氢氟酸
仅能耗高,而且膨胀倍率相对较低,在实际应用中受硫酸:盐酸=1:1:2)搅拌均匀,静至24h后充分
到了很大限制「7-8。本试验选用高氯酸和冰醋酸为水洗,使pH值达7,再过滤烘干后将样品装入试样
插层剂,高锰酸钾为氧化剂,制备在低温条件下具有袋中。提纯后石墨的碳含量可达到99%。
较大膨胀容积的低温可膨胀石墨,并对影响膨胀容1.3可膨胀石制备方法
积的因素进行了探讨。
将HC1O2/CH3COOH/KMnO按一定的配比混
1试验部分
合均匀,搅拌并加人天然鱗片石墨,常温下反应一定
时间。反应结束后,水洗至中性,抽滤,干燥即得低
1.1试验原料与仪器
温可膨胀石墨。取可膨胀石墨置入400℃的马弗炉
试验原料:天然鳞片石墨,粒径为50目(其碳含量中膨胀,取出后读取体积。工艺流程见图1。
收稿日期:2012-04-10;改回日期:2012-05-26
作者简介:周丹凤(1987-),女,硕士研究生,研究方向为优质性石墨材料的制备。
第1期
周丹风等:低能耗型可膨胀石墨的制备研究
CH,CO0H日KMan?,片石墨
有利于反应的顺利进行。由图3可知,随着CH3
HCIO
」?混合混合?
混合
COOH用量增加,膨胀容积逐渐增大,当 CH, COOH
用量为3mL时,膨胀容积最大,但CH3COOH用量超
反应门水洗?抽滤?干燥
过3mL时,膨胀容积反而出现下降的趋势。这是因
为CH3COOH用量过大,使得氧化剂和其他插层剂
可膨胀石
的浓度相对降低,不利于反应的进行。所以,CH2
图1可膨胀石的制备工艺流程
COOH较佳用量为3mL。
ig. I Preparation process of expansible graphite
eo400
300
2结果与讨论
200
2.1 ECIO用量对石瞾膨胀容积的影响
称取石墨2.0g,高锰酸钾0.2g,量取2mL的冰
CHCOOE用/mL
醋酸,设定反应温度为25℃,固定反应时间为
60min, HCIO用量对可膨胀石瞾的影响结果见图2。
图3CH3COOH用量对膨胀容积的影响
The effect of the dosage of CH, COOH on the
己300
Inflation volume of grap
3高锰酸钾用量对石疊膨胀容积的影响
送100
称取石墨2.0g,量取HCIO8mL,CH3COOH
HClO用量/mL
3mL,反应温度为25℃,反应时间为60min。高锰酸
钾用量对可膨胀石墨的影响结果见图4。
图2HClO4用量对膨胀容积的影响
Fig. 2 The effect of the dosage of HCIOS on the
400
inflation volume of grapite
由于HCIO4具有很大极性,沸点也较低,因而很
100
容易插入到石墨层间且在较低温度下易分解。由图
2可知, HCIO用量对可膨胀石墨的膨胀容积有明显
KMnO用量/mL
的影响。随着HCIO2用量的增加,可膨胀石墨的膨
胀容积逐渐增加,当HCIO,用量为8mL时,其膨胀
图4高锰酸钾用量对膨胀容积的影响
容积最大。 HCIO用量继续增加,其膨胀容积反而
Fig 4 The effect of the dosage of potassium
减小。HCl04用量较少时,石墨层间插层反应不完
ermanganate onthe inflation volume of grapite
全,影响可膨胀石墨的膨胀效果。HCIO04用量过大
在酸性环境下,高锰酸钾作为氧化剂可以有效
时,会使反应混合物总体积增加,氧化剂的浓度会相地氧化、打开石墨层,使得石墨层与层之间带正电,
对下降,导致膨胀容积减小。因此,HCIO4的较佳用而使得带有负电的离子或是极性很强的分子能够插
量为8mL
人到带正电的石墨层间形成石墨层间化合物,其用
2.2CH3COOH用量对石躄膨胀容积的影响
量与可膨胀石墨的膨胀性能有一定的相关性作用。
称取石墨2.0g,高锰酸钾0.2g,量取HCLO。由图4可知,高锰酸钾用量较少时,氧化程度较小,
8mL,反应温度为25℃,反应时间为60min。CH3石墨层间氧化不充分,膨胀容积较小。随着高锰酸
COOH用量对可膨胀石墨的影响结果见图3。
钾用量增加,膨胀容积逐渐增大;但髙锰酸钾用量超
CH:COOH为有机酸,为低温易分解液体,可以过0.3g时,石墨层间发生过氧化反应,使得膨胀容
提供反应所需要的溶液环境,能使鱗片石墨被有效积开始减小。且此时反应液不易洗涤,使得产品的<