本發(fā)明涉及新材料領(lǐng)域,具體涉及一種膨脹石墨的制備方法。
背景技術(shù):
膨脹石墨作為制造柔性石墨的中間產(chǎn)品,是由天然鱗片石墨經(jīng)氧化、酸化插層、水洗、干燥、高溫處理而得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì),又名石墨蠕蟲。
膨脹石墨不僅具有天然石墨本身的耐熱、耐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、自潤滑性等優(yōu)良特性,還具有天然石墨不具備的輕質(zhì)、柔軟、可壓縮、可回彈等性能,因此,在密封領(lǐng)域,膨脹石墨材料具有比石棉、橡膠等材料更優(yōu)異的性能和用途。
用膨脹石墨制成的各種帶、板、片材已廣泛用作石油、化工、電力、冶金、機(jī)械、宇航、核工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域。例如,用膨脹石墨制成的柔性石墨制品被譽(yù)為世界“密封之王”,在機(jī)械密封領(lǐng)域具有極其重要的地位;膨脹石墨在環(huán)保領(lǐng)域可作為吸油材料,用于廢油回收以及廢水治理中的微生物載體;由膨脹石墨制備的石墨散熱板成為取代銅、鋁等傳統(tǒng)金屬材料的新一代散熱基材。此外,膨脹石墨還可用作醫(yī)療敷料、催化劑、固定化載體及固體電解液等。
現(xiàn)有技術(shù)中,膨脹石墨的制備方法主要有電化學(xué)法和化學(xué)氧化插層法兩種,其中,化學(xué)氧化插層法是工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛和比較成熟的方法。傳統(tǒng)的化學(xué)氧化插層法制備膨脹石墨的方法,一般以濃硫酸為插層劑,Cl2、重鉻酸鹽、H2O2、HNO3等為氧化劑的反應(yīng)體系。然而,很難連續(xù)反應(yīng)、生產(chǎn)周期較長,難以實(shí)現(xiàn)石墨的連續(xù)性生產(chǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為此,本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有膨脹石墨生產(chǎn)周期長、難以實(shí)現(xiàn)石墨的連續(xù)性生產(chǎn)的問題。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明所述的一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
在鱗片石墨中加入第一混合溶液,20℃~45℃攪拌反應(yīng)15min~35min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;
在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,20℃~45℃攪拌反應(yīng)5min~15min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;
將所述初產(chǎn)物置于850℃~1100℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨。
可選地,所述第一混合體系制備步驟中,所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為(2~4)g:(0~2)g:(1~6)mL。
可選地,所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為(0~2)g:(1~6)mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為(1~8)mL:(2~4)g。
可選地,所述膨脹石墨的制備方法還包括:將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩5min~10min的步驟,超聲功率為500w~800w。
可選地,所述膨脹石墨的制備方法還包括:將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩5min~10min的步驟,超聲功率為1500w~2000w。
可選地,所述第一混合體系制備步驟中,所述攪拌步驟為:80r/min~120r/min攪拌0~5min,280r/min~350r/min攪拌10min~30min;所述第二混合體系制備步驟中,攪拌速度為:280r/min~350r/min。
可選地,所述第二次超聲步驟之后還包括對第二混合系統(tǒng)進(jìn)行脫色的步驟。
可選地,所述脫色步驟為:在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為10%~40%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
可選地,所述灼燒步驟之前還包括對初產(chǎn)物進(jìn)行干燥的步驟,干燥溫度為40℃~65℃,干燥時間為2h~4h。
可選地,所述洗液為水;所述鱗片石墨目數(shù)不大于35目。
本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:在鱗片石墨中加入第一混合溶液,20℃~45℃攪拌反應(yīng)15min~35min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,20℃~45℃攪拌反應(yīng)5min~15min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;將所述初產(chǎn)物置于850℃~1100℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨。所述的膨脹石墨的制備方法,通過分步氧化插層的方法制備,在第一氧化插層步驟中,氯酸鈉在酸性條件下,釋放強(qiáng)氧化性氣體二氧化氯、協(xié)同ClO4-對石墨進(jìn)行第一次氧化,ClO4-、HClO4、ClO3-、HClO3等基團(tuán)形成多級插層結(jié)構(gòu);在第二氧化插層步驟中,以高錳酸鉀為主氧化劑,協(xié)同ClO4-對石墨進(jìn)行第二次氧化,再次插層。不但使得石墨氧化更徹底、插層效率更高,制備的膨脹石墨的膨脹倍率可達(dá)500ml/g~800ml/g;而且步驟簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)反應(yīng)、生產(chǎn)周期短,適合工業(yè)化生產(chǎn)。
2、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,還包括將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩的步驟,使得體系中的溶液發(fā)生弱空化現(xiàn)象,產(chǎn)生微小空化氣泡,爆破后產(chǎn)生沖擊力和負(fù)壓吸力,促進(jìn)二氧化氯的生成,使氧化劑充分地打開石墨層,有效縮短了反應(yīng)時間。
3、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,還包括將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩的步驟,使得體系中的溶液發(fā)生強(qiáng)烈的空化現(xiàn)象,不斷產(chǎn)生微小空化氣泡,這些氣泡在聲壓作用下急速地大量產(chǎn)生,并不斷地猛烈爆破,產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力和負(fù)壓吸力,再次促進(jìn)石墨的氧化的同時,使插層劑能夠較順利地進(jìn)入石墨層與層之間,有效縮短了反應(yīng)時間。
4、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,所述第一混合體系制備步驟中,先慢速攪拌均勻,使得反應(yīng)物充分接觸,再快速攪拌,讓反應(yīng)充分進(jìn)行。不但有效縮短了反應(yīng)時間,而且避免了因勻速攪拌造成的反應(yīng)物反應(yīng)時間長、反應(yīng)不充分的問題。
5、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,還包括脫色的步驟,脫色劑為雙氧水,雙氧水和過量的高錳酸鉀反應(yīng),生成沉淀MnO2,有效避免了因直接排放造成的環(huán)境危害。
6、本發(fā)明實(shí)施例所述的一種膨脹石墨的制備方法,原料不含硫酸,不但增強(qiáng)了產(chǎn)品的抗氧化性和韌性,擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍;而且,生成廢液處理成本低,有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。
附圖說明
為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解,下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖,對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明,其中
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的膨脹石墨的掃描電鏡圖片(25倍率);
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的膨脹石墨的掃描電鏡圖片(1000倍率);
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所制備的膨脹石墨的拉曼測試圖譜。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)施,而不應(yīng)該被理解為限于在此闡述的實(shí)施例。相反,提供這些實(shí)施例,使得本公開將是徹底和完整的,并且將把本發(fā)明的構(gòu)思充分傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員,本發(fā)明將僅由權(quán)利要求來限定。
下述實(shí)施例中的化合物均為市售產(chǎn)品,所述的高氯酸的濃度為72wt%,分析純;氯酸鈉、高錳酸鉀、雙氧水均為分析純;水為自來水;鱗片石墨,含碳量>98%。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為30目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩7min的步驟,超聲功率為600w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩8min的步驟,超聲功率為1700w。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為50℃,干燥時間為3h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為780ml/g。
所述膨脹石墨的掃描電鏡圖片如圖1、圖2所示,拉曼測試圖譜如圖3所示。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,45℃、80r/min攪拌反應(yīng)3min,再350r/min攪拌反應(yīng)12min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為35目
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為2g:2g:6mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩5min的步驟,超聲功率為800w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,20℃、350r/min攪拌反應(yīng)15min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為0.1g:6mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為1mL:2g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩10min的步驟,超聲功率為1500w。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為10%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為65℃,干燥時間為2h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于850℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為690ml/g。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,20℃、120r/min攪拌反應(yīng)1min,再280r/min攪拌反應(yīng)34min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為20目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為4g:0.1g:1mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩10min的步驟,超聲功率為500w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,45℃、280r/min攪拌反應(yīng)5min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為2g:1mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為8mL:4g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩5min的步驟,超聲功率為2000w。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為40%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為40℃,干燥時間為4h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于1100℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為750ml/g。
實(shí)施例4
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為30目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩7min的步驟,超聲功率為600w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩8min的步驟,超聲功率為1700w。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為50℃,干燥時間為3h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為580ml/g。
實(shí)施例5
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為20目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩8min的步驟,超聲功率為1700w。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為50℃,干燥時間為3h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為530ml/g。
實(shí)施例6
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為30目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩7min的步驟,超聲功率為600w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物;對所述初產(chǎn)物進(jìn)行干燥,干燥溫度為50℃,干燥時間為3h。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為620ml/g。
實(shí)施例7
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為30目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
將所述第一混合體系進(jìn)行第一次超聲震蕩7min的步驟,超聲功率為600w。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
將所述第二混合體系進(jìn)行第二次超聲震蕩8min的步驟,超聲功率為1700w。
在所述第二混合體系中加入體積分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水,至所述第二混合體系無色。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為610ml/g。
實(shí)施例8
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)3min,再300r/min攪拌反應(yīng)17min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括氯酸鈉、高氯酸;所述鱗片石墨為30目。
所述鱗片石墨、所述氯酸鈉、所述高氯酸混合液的比例為3g:3g:4mL。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為500ml/g。
對比例
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法,包括如下步驟:
S1、在鱗片石墨中加入第一混合溶液,30℃、100r/min攪拌反應(yīng)20min,得到第一混合體系;所述第一混合溶液包括高氯酸;所述鱗片石墨為50目。
所述鱗片石墨、所述高氯酸混合液的比例為1g:7mL。
S2、在所述第一混合體系中加入第二混合溶液,30℃、300r/min攪拌反應(yīng)10min,得到第二混合體系;所述第二混合溶液包括高錳酸鉀、高氯酸;
所述第二混合溶液中所述高錳酸鉀、所述高氯酸的比例為1g:4mL;所述第二混合溶液與所述鱗片石墨的比例為4mL:3g。
S3、將所述第二混合體系過濾取固體,并洗滌至洗液為中性,得到初產(chǎn)物。
S4、將所述初產(chǎn)物置于900℃環(huán)境中灼燒至體積不再變化,得到所述膨脹石墨,經(jīng)測試,其膨脹倍率為200ml/g。
顯然,上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例,而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。