一种膨胀石墨的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种膨胀石墨的制备方法，该方法适用于低成本膨胀石墨的宏量制备。
【背景技术】
[0002]随着全球不可再生能源资源的不断消耗，能源供需矛盾日益凸显，从而加剧了世界秩序的紧张格局。因此，有效地利用现有能源和开发新能源已受到各国的普遍重视。近年来，随着碳材料在能源领域的广泛应用，深加工类高附加值碳素产品在新能源等诸多领域方面的突出表现已经展现出宽广的应用前景。膨胀石墨特殊的形貌表现出极好的性能优势，除仍保持石墨的优异性能之外(耐高温、耐低温、耐腐蚀、导电导热等)，还具有高的表面活性，大的比表面积(50 m2/g—200 m2/g)，丰富的孔道结构，是一种优异的多孔碳质吸附材料。膨胀石墨及功能化的复合膨胀石墨材料应用领域非常广泛，除用作密封元件之外，随着环境污染的日益严重，膨胀石墨作为环保材料，用于吸附剂等的研究越发受到关注，膨胀石墨作为吸附剂原料要求其具有高的膨胀倍率，且成本低廉可以大量提供。然而，传统方法的膨胀石墨的制备都需要涉及到高温膨胀过程，高温过程能耗巨大造成设备以及资源的消耗，这都提高了膨胀石墨的生产成本以及降低了企业的竞争力。一些新方法已经开始尝试通过降低石墨的碳含量来降低膨胀石墨的成本[王晶，陈赓，李雯丽，耿刚强.低碳细鳞片石墨制备可膨胀石墨的研究[J].材料导报B.2014，28(12): 80-83.]。对于制备膨胀石墨的氧化剂的选择，文献也报道应用双氧水或者混合型来降低未来废液对于环境的污染以及提升膨胀率[刘玉海，邹琴，潘群，李妍妍，涂文懋.H202氧化制备萝北细鳞片可膨胀石墨研究[J].广东建材.2011，9: 103-105][蒋丽娜，李庆，王玲，宋克敏.HN03、H2S04共同插入法制备低温可膨胀石墨研究[J].2008，3(31): 35-36.]。此外，对于石墨的膨胀方式，传统的实验方法是将其置于马弗炉中在800°C?1000°C下进行膨化，但是这种膨化方式加热时间长，膨化过程中电能消耗大。为了克服传统高温膨化法的缺陷，一些新型的膨化方法:如激光、红外线、微波、电流[D.D.L，C hung.Review exfoliat1n ofgraphite [J].Journal of Materials Science.1987，22:4190-4198][张东，田胜力，德炎.微波法制备纳米多孔石墨[J].非金属矿，2004，27 (6):22-24]等先后在可膨胀石墨的膨化中得到应用。如果能够发明在常温下温和制备膨胀石墨的方法，则对于膨胀石墨的应用拓展以及廉价制备具有重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种膨胀石墨的制备方法，该方法具有成本低(所用试剂种类及用量少、廉价)、流程简单(无需加热和长时间搅拌)、安全可控(过程温和，无需特殊防护)等优点，因此可作为一种适于宏量制备膨胀石墨的理想方法。
[0004]本发明的技术方案是:采用不同目数的天然鳞片石墨为原料，以浓硫酸为插层剂、双氧水为氧化剂在室温条件下对石墨进行插层，待样品混合均匀之后，石墨在静置的过程中会自发的进行膨胀插层，该过程无需加热、无需搅拌；然后利用过滤回收的废酸液反复插层的方法对样品的膨胀率进行改善，最后热干燥得到高质量的膨胀石墨产品。
[0005]—种膨胀石墨的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤:
A石墨的插层膨胀:在室温条件下将天然鳞片石墨加入浓硫酸和双氧水的混合溶液中搅拌 10 min~30 min，然后静置 3 h~24 h ；
B插层溶液的回收利用:将步骤A所得混合物过滤得到第一阶膨胀石墨，收集废酸液；C石墨的反复插层:在步骤B所得的废酸液中加入浓硫酸和双氧水的混合溶液，然后将第一阶膨胀石墨投入其中，按照步骤A、步骤B和步骤C的顺序进行反复插层；
D膨胀石墨的清洗:在30°C ~70°C用蒸馏水对步骤C所得多阶膨胀石墨进行超声搅拌清洗直至水的pH=7，然后将膨胀石墨进行加热干燥。
[0006]所述天然鳞片石墨的尺寸为23 μ m~270 μ m，纯度为60 %~95 %。
[0007]所述浓硫酸的浓度为70 %~98 %，浓硫酸与双氧水的体积比为50:1?1:1。
[0008]所述浓硫酸与双氧水的体积比为20:1~5:1。
[0009]所述步骤A中天然鳞片石墨与浓硫酸和双氧水混合溶液的质量体积比为1:1?1:40。
[0010]所述步骤A中天然鳞片石墨与浓硫酸和双氧水混合溶液的质量体积比为1:2.9~1:20。
[0011]所述步骤A中的静置时间为3 h~8 h。
[0012]所述步骤C中加入的浓硫酸和双氧水混合溶液与废酸液的体积比为5:1~1:5。
[0013]所述步骤C中反复插层的次数为2 -15次。
[0014]所述步骤D中干燥时间为10 h?20 ho
[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明采用不同尺寸的天然鳞片石墨作为原料，在室温下自然温和地进行插层与膨胀的方法制备膨胀石墨。
[0016]2、本发明采用液态氧化剂和插层剂，后处理时只有浓硫酸产生的杂质，杂质种类单一，处理方式较为简单，并且通过废酸液的回收，极大的降低了杂质的含量。
[0017]3、本发明利用废酸液实现膨胀石墨的反复插层，从而有效的提升了膨胀率，并且后续通过简单的加热超声清洗，从而降低了含硫量，得到高品质的膨胀石墨产品。
[0018]4、本发明反应过程温和，无剧烈放热，无需特殊防护，工艺流程简单，过程安全可控，制备成本低且高质量的膨胀石墨。
【附图说明】
[0019]图1为本发明所述石墨自发膨胀前后的数码照片对比图。
[0020]图2为本发明反复插层后膨胀石墨的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
采用98%的浓硫酸、双氧水氧化插层的方法制备膨胀石墨:在本实施例中首先将0.3 g尺寸为180 μ m碳含量为90 %的天然鳞片石墨一次加入到10 mL H2S04、2 mL H202的混合液中，搅拌30 min后室温静置8 h，鳞片石墨进行自然温和插层膨胀，膨胀体积为30 mL。将第一阶膨胀石墨真空抽滤，收集废液，废液中再加入H2S0jP H202的混合溶液补充反应溶剂，其体积比为1: 1，投入到一阶膨胀石墨中继续插层，该过程反复进行2次后，溶液的膨胀体积为80 mL。反复插层的膨胀石墨抽滤去除多余的废酸液之后，加入到清水中30 °C超声搅拌30 min，反复清洗，直至洗液的pH值变为7后，在烘箱中干燥膨胀石墨10 h，得到膨胀石墨产品，膨胀容量计算为70 g/mlo
[0022]实施例2
采用70%的浓硫酸、双氧水氧化插层的方法制备膨胀石墨:在本实施例中首先将3 g尺寸为23 μ m碳含量为95 %的天然鳞片石