本发明涉及一种可膨胀石墨的制备方法，特别涉及一种低硫含量的可膨胀石墨的制备方法。
背景技术：
可膨胀石墨是一种功能性碳素材料，由天然鳞片石墨经“插层剂”插层后获得。由于可膨胀石墨在高温下可迅速膨胀形成疏松多孔的蠕虫状物质，因此，其在聚合物阻燃、密封材料、吸附剂和催化剂载体等领域备受关注。
在现有制备可膨胀石墨技术中，通常以浓硫酸作为“插层剂”。如此，会导致可膨胀石墨中硫含量较高(高硫含量可膨胀石墨在高温膨化时会释放大量SOx等有害气体，危害环境和人体健康)。因此，如何制备对环境友好(低硫含量)的可膨胀石墨成为本领域研究热点。
专利文献CN 104591157A，CN 104401978A，CN 105502360A，CN 102491310A和CN 101786618A等报道了采用不含硫的化合物(如高氯酸或硝酸等)作为“插层剂”，制备可膨胀石墨。虽然硫的危害得以消除，但新的污染源(如由硝酸分解导致的NOx有害气体)或腐蚀性危害(如高氯酸、高锰酸钾或重铬酸钾等高污染强氧化剂的使用)随之而至。
鉴于此，研发一种低硫含量、高膨胀率且对环境友好的可膨胀石墨制备方法尤为重要。
技术实现要素：
本发明的发明人经研究发现：①采用特定的环境友好型温和氧化剂替代高污染强氧化剂，不仅能够实现对天然鳞片石墨的氧化插层，而且对天然鳞片石墨片的层结构的破坏较少，有利于提高可膨胀石墨的使用性能，且减少制备过程中对环境的污染。②采用特定的酸性含磷化合物进行二次氧化插层，不仅提高了可膨胀石墨的膨胀率，而且大幅度降低了可膨胀石墨的含硫量。
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种制备低硫含量、高膨胀率且对环境友好的可膨胀石墨的方法。
所述的方法，其包括如下步骤：
(1)在10℃～50℃条件下，将水溶性过氧化物的水溶液和天然鳞片石墨置于带有搅拌及控温装置的反应器中，搅拌混合，并在此状态保持30分钟～120分钟，将浓硫酸加入该反应器中，再在10℃～50℃条件下搅拌40分钟～200分钟，过滤，滤饼经水洗及干燥后即为“一次插层”可膨胀石墨(或称“初级可膨胀石墨”)；
(2)在10℃～50℃条件下，将水溶性过氧化物的水溶液和由步骤(1)制得的初级可膨胀石墨置于带有搅拌及控温装置的另一个反应器中，搅拌混合，在此状态保持30分钟～120分钟，将酸性含磷化合物加入该反应器中，再在10℃～50℃条件下浸渍30分钟～150分钟，过滤，滤饼经水洗及干燥后，得到目标物，所得目标物的硫含量低于2wt％，膨胀体积等于或高于240ml/g；
其中，在步骤(1)和步骤(2)中所述的水溶性过氧化物为过氧甲酸、过氧乙酸或/和过氧化氢，所述的浓硫酸的浓度为90wt％～98wt％，所述酸性含磷化合物为磷酸或磷酸与磷酸氢铵的混合物。
具体实施方式
在本发明一个优选的技术方案中，在步骤(1)中，水溶性过氧化物的用量为天然鳞片石墨质量的10wt％～40wt％；浓硫酸的用量为天然鳞片石墨质量的4-10倍。
在本发明另一个优选的技术方案中，在步骤(2)中，水溶性过氧化物的用量为初级可膨胀石墨质量的10wt％～40wt％；所述酸性含磷化合物的用量为天然鳞片石墨质量2-7倍。
在本发明又一个优选的技术方案中，所用磷酸的浓度为85wt％～99wt％。
在本发明又一个优选的技术方案中，所用磷酸氢铵和磷酸混合物中，磷酸氢铵与磷酸的重量比为(0.2～0.5)：1。
综上，本发明提供一种制备低硫含量、高膨胀率且对环境友好的可膨胀石墨的方法，具体包括如下步骤：
(1)在10℃～50℃条件下，将水溶性过氧化物(过氧甲酸、过氧乙酸或/和过氧化氢)的水溶液和天然鳞片石墨(优选粒径为30目～100目的天然鳞片石墨)置于带有搅拌及控温装置的反应器中(水溶性过氧化物的用量为所用天然鳞片石墨质量的10wt％～40wt％)，搅拌混合，并在此状态保持30分钟～120分钟，将浓度为90wt％～98wt％的硫酸加入该反应器中(所述硫酸的用量为所用天然鳞片石墨质量的4倍～10倍)，再在10℃～50℃条件下搅拌40分钟～200分钟，加入去离子水稀释，过滤，滤饼经水洗涤至pH＝6±0.5，再经干燥后即为“一次插层”可膨胀石墨(或称“初级可膨胀石墨”)；
(2)在10℃～50℃条件下，将水溶性过氧化物(过氧甲酸、过氧乙酸或/和过氧化氢)的水溶液和由步骤(1)制得的初级可膨胀石墨置于带有搅拌及控温装置的另一个反应器中(水溶性过氧化物的用量为所用初级可膨胀石墨质量的10wt％～40wt％)，搅拌混合，在此状态保持30分钟～120分钟，将酸性含磷化合物(浓度为85wt％～99wt％的磷酸或其与磷酸氢铵的混合物，所述混合物中，磷酸氢铵与所述磷酸的重量比为(0.2～0.5)：1)加入该反应器中(酸性含磷化合物用量为天然鳞片石墨质量2倍～7倍)，再在10℃～50℃条件下浸渍30分钟～150分钟，加入去离子水稀释，过滤，滤饼经水洗涤至pH＝6±0.5，再经干燥后即目标物。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用环境友好型温和氧化剂(过氧化物)替代高污染强氧化剂，不仅能够实现对天然鳞片石墨的插层，对石墨片层结构的破坏较少，有利于提高可膨胀石墨的使用性能；而且减少制备过程中对环境的污染。
(2)本发明公开了二次弱氧化插层方法，采用该方法，使酸性含磷物质通过层间浓差与含硫化物发生物质交换，并扩散至更多石墨片层间，在提高膨胀率的同时，大幅降低可膨胀石墨的硫含量，引入一定的含磷物质，不仅赋予可膨胀石墨优异的阻燃性能，同时实现阻燃聚合物及其制品的绿色化。
下面结合实施例及对比例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例不限制本发明的保护范围。
实施例一
(1)将1.5克过氧乙酸加入到10克天然鳞片石墨(粒径为30目～100目)中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化60分钟，然后在搅拌下缓慢加入到40毫升浓硫酸(95wt％)中，并在30℃温度下持续搅拌反应60分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将1.5克过氧乙酸加入到10克一次插层可膨胀石墨中，搅拌混合60分钟，再缓慢加入30毫升磷酸氢铵的磷酸溶液(磷酸氢铵与磷酸的重量比为0.3∶1)，混合物在40℃下浸渍100分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨ⅠA”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
实施例二
(1)将4克过氧甲酸加入到10克天然鳞片石墨中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化30分钟，然后在搅拌下缓慢加入到40毫升浓硫酸(98wt％)中，并在10℃温度下持续搅拌反应200分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将2克过氧乙酸加入到10克一次插层可膨胀石墨中，搅拌混合30分钟，再缓慢加入20ml磷酸溶液(85wt％)，混合物在50℃下浸渍60分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨ⅠB”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
实施例三
(1)将1.5克过氧甲酸加入到10克天然鳞片石墨中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化120分钟，然后在搅拌下缓慢加入到21.7毫升浓硫酸(90wt％)中，并在50℃温度下持续搅拌反应160分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将4克30wt％过氧化氢溶液加入到10克一次插层可膨胀石墨中，搅拌混合60分钟，再缓慢加入20ml磷酸氢铵的磷酸溶液(磷酸氢铵与磷酸的重量比为0.5∶1)，混合物在10℃下浸渍150分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨ⅠC”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
实施例四
(1)将1克过氧乙酸加入到10克天然鳞片石墨中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化120分钟，然后在搅拌下缓慢加入到54.3毫升浓硫酸(98wt％)中，并在20℃温度下持续搅拌反应80分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将4克过氧甲酸加入到10克一次插层可膨胀石墨中，搅拌混合30分钟，再缓慢加入12ml磷酸氢铵的磷酸溶液(磷酸氢铵与磷酸的重量比为0.2∶1)，混合物在30℃下浸渍30分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨ⅠD”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
实施例五
(1)将6克30wt％过氧化氢溶液加入到10克天然鳞片石墨中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化60分钟，然后在搅拌下缓慢加入到40毫升浓硫酸(90wt％)中，并在30℃温度下持续搅拌反应60分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将1克过氧乙酸加入到10克一次插层可膨胀石墨中，搅拌混合120分钟，再缓慢加入40ml磷酸溶液(99wt％)，混合物在40℃下浸渍80分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨ⅠE”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
对比例一
将10毫升硝浓酸与30毫升浓硫酸(95wt％)搅拌混合均匀，将10克天然鳞片石墨缓慢添加到上述混酸中，并在30℃温度下持续搅拌反应60分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨Ⅰa”)。膨胀体积(GB/T10698-89)和元素分析测试结果如表1。
对比例二
(1)将1.5毫升过氧乙酸加入到10克天然鳞片石墨中，慢速搅拌使石墨充分润湿并预氧化60分钟，然后在搅拌下缓慢加入到40毫升浓硫酸(95wt％)中，并在30℃温度下持续搅拌反应60分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤至pH＝6±0.5后干燥，得到一次插层可膨胀石墨。
(2)将40毫升磷酸氢铵的磷酸溶液(磷酸氢铵与磷酸的重量比为0.3:1)缓慢加入到10克一次插层可膨胀石墨中，混合物在40℃下浸渍100分钟，最后用去离子水稀释、过滤，反复洗涤及干燥，得到目标物(简记为“可膨胀石墨Ⅰb”)。膨胀体积(GB/T 10698-89)和元素分析测试结果如表1。
表1.
由表1可知，相较与采用本发明提供的制备可膨胀石墨的方法而言，采用传统可膨胀石墨制备方法(对比例一)所制备的可膨胀石墨(可膨胀石墨Ⅰa)的硫含量高；二次插层但不添加水溶性过氧化物氧化剂(对比例二)所制备的可膨胀石墨(可膨胀石墨Ⅰb)的硫含量也偏高(可能是由于含磷化合物与硫元素进行层间置换的理想效果不理想，造成所制备的可膨胀石墨的硫含量偏高)。
实施例六
分别将实施例一～五和比较例一、二制备的可膨胀石墨ⅠA～ⅠE和可膨胀石墨Ia、Ib与乙烯-乙酸乙烯酯共聚物通过Haake转矩流变仪在100℃下混炼15分钟分别得到阻燃弹性体复合材料A～E(简记为“复合材料A～E”)和阻燃弹性体复合材料a、b(简记为“复合材料a、b”)，然后在平板硫化机上热压成150×6×3mm3的氧指数样条，结果如表2。
表2.
*为对比物
由表2可知，由本发明所制备可膨胀石墨所制得的复合材料(复合材料A～E)相对于使用传统可膨胀石墨(复合材料a)和非二次预氧化可膨胀石墨(复合材料b)制备的复合材料具有更优异的阻燃性能。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。