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膨胀石墨的性质以及应用

来源:   作者:    发布时间: 2018-03-08   浏览:

石墨是一种天然固体润滑剂,资源丰富,价格便宜,用途广泛。石墨具有层状结构,碱金属、卤素金属卤化物、强氧化性含氧酸都可嵌入层间,形成层间化合物。膨胀石墨是以天然鳞片石墨为原料,经化学或电化处理而得到的一种石墨层间化合物产品,被誉为世界“密封之王”。本文主要对石墨的优良特性及膨胀石墨的应用作了系统概述。

膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150~300 倍,由片状变为蠕虫状,从而结构松散,多孔而弯曲,表面积扩大、表面能提高、吸附鳞片石墨力增强,蠕虫状石墨之间可自行嵌合,这样增加了它的柔软性、回弹性和可塑性。膨胀石墨是生产柔性石墨板材、各种密封件的优质材料。其耐温范围宽,在-200~3600之间,在温、高压或辐射条件下工作,不发生分解、变形或老化,化学性质稳定,被广泛应用于机械、石油、化工、冶金、航海、航空航天、交通等工业领域。

1、膨胀石墨性质

膨胀石墨材料又称柔性石墨材料,是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨层间,与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。它不仅保持石墨耐高温、耐腐蚀、能承受中子流、x射线、γ射线的长期辐照,磨擦系数低,自润滑性好,导电导热、并呈各向异性等优异的理化性质,而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能,克服了天然石墨脆性及抗冲击很差的缺点。插有层间化合物的石墨在遇到高温时,层间化合物将分解,产生一种沿石墨层间C轴方向的推力,这个推力远大于石墨粒子的层间结合力,在这个推力的作用下石墨层间被推开,从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀,形成蠕虫状的膨胀石墨。石墨层与层之间可“嵌”入化学物质而具有可膨胀性。如可采用硫酸处理石墨,干燥后石墨在高温下膨胀,这是由于硫酸分子“嵌”入石墨层所致。膨胀石墨薄片的膨胀特性不同于其他膨胀剂,受热达到一定温度时,由于吸留在层间点阵中化合物分解,膨胀石墨便开始膨胀,称为起始膨胀温度,在1000℃时膨胀完全,达到最大体积。膨胀体积可以达到初始时的200倍以上。

2、 膨胀石墨的应用

2.1 密封材料

我国柔性石墨密封件的研制有着得天独厚的条件,其原料鳞片石墨的储量和品质均占世界第一。膨胀石墨又称柔性石墨,是以鳞片石墨为原料经过特殊加工而成,是当今工程行业密封的首选材料,用它制作的石墨板材、密封元件被广泛用于宇航机械电子核能石化电力船舶冶炼等行业。它具有质轻、导电、导热、耐高温、耐酸碱腐蚀、回弹性好、润滑性、可塑性和化学稳定性等优良特性,被誉为世界“密封之王”。

石墨密封件产品主要分两类:软密封件和硬密封件。软密封件也叫柔性石墨密封件,是用磷片石墨经化学处理、高温膨胀获得“石墨蠕虫”,然后进一步加工成密封件。其主要品种有膨胀石墨盘根、膨胀石墨填料环、膨胀石墨金属缠绕垫、膨胀石墨金属复合高强垫片、膨胀石墨金属复合高强板、浸渍碳纤维- 膨胀石墨复合盘根。硬密封件是用多孔石墨浸渍树脂或金属,再加工成旋转密封件或机械密封的动环和静环。此外,石墨与高分子有机化合物相结合,可制成特种密封件。例如,与聚氨酯弹性体结合,可用于油田抽油机密封圈;与聚四氟乙烯结合,可用于新型柱塞阀的上下密封圈。

2.2 环保领域

高温膨化得到的膨胀石墨,具有丰富的孔结构,因而有优良的吸附性能,所以在环保和生物医学上有广泛的用途。膨胀石墨的孔结构有开放孔和封闭孔两种,孔容积占98%左右,而且以大孔为主,孔径分布范围1~10.3nm,峰值10.3nm。由于它是以大孔、中孔为主,所以与活性炭、分子筛等微孔材料在吸附特性上也有所不同。它适于液相吸附,而不适于气相吸附。在液相吸附中它亲油疏水,1g膨胀石墨可吸附80g以上重油,因而它是一种很有前途的清除水面油污染的环保材料。采用压榨法或抽吸过滤法可分别从吸着有自身重量约80倍的A重油或原油的膨胀石墨中,回收80%或50%~70%.的重油。研究同时发现,其中若采用抽吸过滤法时,对粘性较高的B重油及C重油几乎不回收,同时对膨胀石墨所特有的膨松度不损坏而可以再吸附利用。然而,随着反复回收操作,其吸着量和回收量将逐步减少。

2. 3 医学

由于膨胀石墨有对有机、生物大分子的吸附特性,在生物医学材料上有广泛的应用前景。膨胀石墨是一种高碳新材料,理化特性有较强的吸附性能,透水透气,人体不吸收、无刺激,可做为烧伤创面的外用材料。 碳及碳素材料用于人体工程的研究,可追塑到二次世界大战期间:活性碳成功用于烧伤和冻伤创面;以后相继开始内服治疗腹泻;血液过滤;碳纤维及碳/碳复合材料制造颅骨、齿根、心脏瓣膜等;前苏联还将活性碳纤维用于晚期乳腺癌、宫颈癌术后糜烂的伤口上,其有良好的吸附抗炎效果。各种碳及碳素材料在人体应用实践表明:具有良好的生物相溶性,无排斥反应,无毒无害,无刺激、无致敏。

2.5.2 塑料材料的阻燃

可膨胀石墨是塑料材料良好的阻燃剂,其具有无卤、无毒、无污染等特点,单独使用或与其它阻燃剂混合使用都可达到理想的阻燃效果。可膨胀石墨在达到同样阻燃效果时,用量远小于普通阻燃剂。其作用原理是:在高温时,可膨胀石墨急剧膨胀,窒息了火焰,同时其生成的石墨膨体材料覆盖在基材表面,隔绝了热能辐射和氧的接触;其夹层内部的酸根在膨胀时释放出来,也促进了基材的炭化,从而通过多种阻燃方式达到良好的效果。目前,膨胀石墨已经大量用于阻燃聚氨酯、阻燃聚烯烃、阻燃橡胶、阻燃聚苯烯塑料、阻燃碳酸酯齐聚物、阻燃沥青及阻燃电缆等方面。

2.5.3 防火包、可塑型防火堵料、阻火圈

因为膨胀石墨在高温中具有抗破坏能力及较高的膨胀率,可作为防火包、可塑型防火堵料、阻火圈成分中有效的膨胀阻燃材料,用于建筑中的防火封堵(例如密封建筑管道、电缆、电线、煤气、瓦斯管、风管穿过的孔洞等场合)。

2.5.4 涂料上的应用

可膨胀石墨的细颗粒加入到普通涂料中,可制得效果较好的阻燃防静电涂料,提高其耐高温及防火性能。其在火灾中形成的大量轻质不燃炭层,能有效阻隔热量向基材的辐射,有效保护基材。另外由于石墨是良好的电导体,制得的涂料可防止静电荷的聚集,用于石油储罐,达到防火防静电的双重效果。