可膨脹石墨是天然鱗片石墨經(jīng)氧化、插層反應(yīng)， 形成的石墨層間化合物。因可膨脹石墨及其膨化后的膨脹石墨具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的物理化學(xué)性能，使其在密封、環(huán)保、導(dǎo)電、防火阻燃、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
密封材料
膨脹石墨由于比表面積大、表面活性高，無需燒結(jié)或粘結(jié)劑即可壓縮石墨紙、卷材或板材等柔性石墨。柔性石墨是一種優(yōu)良的密封材料，可取代如橡膠、石棉等傳統(tǒng)密封材料，有效地解決了橡膠高溫軟化、低溫變脆和石棉對人體有害等問題。1968 年美國利用膨脹石墨制成第二代密封材料—柔性石墨。1971年美國洛克惠爾閥門工程設(shè)計中心曾對不同類型的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)膨脹石墨應(yīng)用于原子能閥效果最好。我國自 1978 年才開始研究膨脹石墨及其復(fù)合材料，湘潭鋼鐵廠采用柔性石墨作為泵類動密封的填料，發(fā)現(xiàn)其性能遠(yuǎn)優(yōu)于浸油面紗、橡膠盤根和石棉盤根等填料，使用壽命長，經(jīng)濟(jì)效益好，密封效果顯著提高。
環(huán)保吸附材料
膨脹石墨呈蠕蟲狀，微觀下可觀察到蠕蟲由多個“微胞”構(gòu)成，呈不規(guī)則橢球型，其內(nèi)部又存在很多細(xì)小孔隙，從而形成膨脹石墨獨(dú)特而豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。孔隙多以大、中孔為主，比表面積可達(dá) 50～200 m2/g。故膨脹石墨可作為良好的吸附劑，主要用于吸附水體中有機(jī)大分子物質(zhì)。膨脹石墨主要成分為碳，具有良好的疏水性，當(dāng)其吸附大量油污后會浮于水面并且集結(jié)成塊便于收集，其它吸附劑如蛭石、活性炭等在吸附油污后會下沉，增大捕撈難度，且吸附量小于膨脹石墨。因此，膨脹石墨可用于海洋油類污染以及石油化工、紡織、食品工業(yè)所產(chǎn)生的含油廢水，吸收后可采用有機(jī)溶劑法或加熱燃燒法回收油脂，回收率高，可循環(huán)利用，比傳統(tǒng)的活性炭、棉花、氧化鎂等有更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。除可吸附油類等大分子外，膨脹石墨還可用于氣體吸附，如煤及石油燃燒產(chǎn)生的有害氣體(SO2、NOx)或揮發(fā)性的有機(jī)化合物(甲醛、環(huán)己胺)。在低溫下對廢氣主要以物理吸附為主，當(dāng)溫度高于 500℃時，以化學(xué)吸附為主。吸附能力與膨脹容積成正比，與溫度呈反比。
導(dǎo)電材料
膨脹石墨由大量納米石墨微片構(gòu)成，這些微片具有很大的徑厚比(可達(dá) 100～300)，在導(dǎo)電基體中易形成三維連通的立體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，逾滲閥值很低。將石墨片層剝離成納米石墨微片并與聚合物混合，制得聚合物/石墨導(dǎo)電納米復(fù)合材料具有良好的壓阻效應(yīng)、溫度效應(yīng)和導(dǎo)電性能。膨脹石墨結(jié)構(gòu)蓬松，借助一定的物理或化學(xué)作用將其內(nèi)部的石墨微片剝離從而復(fù)合到聚合物基體中，且膨脹石墨膨化越完全，石墨微片越分散，導(dǎo)電通路越多，導(dǎo)電性越強(qiáng)。目前國內(nèi)外主要制備石墨導(dǎo)電材料的方法主要有三種：一種是原位聚合法，將膨脹石墨和聚合物單體充分混合，通過膨脹石墨的物理吸附、聚合物單體分子的運(yùn)動、極性基團(tuán)的作用等使聚合物進(jìn)入膨脹石墨片層，在一定條件下引發(fā)聚合即可得到納米石墨復(fù)合材料。陳國華等采用超聲波處理膨脹石墨與苯乙烯混合物制得納米石墨薄片，與甲基苯烯酸甲酯聚合得到納米石墨/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料，這種復(fù)合材料的逾滲閥值遠(yuǎn)低于普通石墨/甲基苯烯酸甲酯復(fù)合材料。第二種是熔融插層法，在聚合物的熔點(diǎn)(結(jié)晶聚合物)或玻璃轉(zhuǎn)化溫度(非結(jié)晶聚合物)以上，利用剪切力作用在靜態(tài)退火狀態(tài)下直接將聚合物插入到膨脹石墨的片層間。該方法不需要使用大量有機(jī)溶劑，對設(shè)備要求不高，但石墨微片在聚合物中的分散情況并不理想。第三種是溶液插層法，將聚合物單體和膨脹石墨分別分散在一定的介質(zhì)中，再將其混合均勻，最后除去溶劑即可得復(fù)合材料。這種制備工藝中需要使用大量的有機(jī)溶劑，成本高且流程復(fù)雜，因此應(yīng)用范圍不廣。
生物醫(yī)學(xué)材料
目前所使用的醫(yī)用敷料主要是紗布，但紗布孔隙太大，微生物容易穿過從而造成傷口感染，且紗布的吸附量相對較小，使用周期短，頻繁更換不僅不利于傷口愈合還會增加患者的痛楚。膨脹石墨比表面積大，對有機(jī)大分子有很強(qiáng)的吸附能力，可制成醫(yī)用紗布取代傳統(tǒng)紗布，其吸附量比普通紗布高 3～5 倍。由于膨脹石墨的成分基本為碳，安全無毒、不脫色、無刺激性，可起到抑菌、消炎的作用，促進(jìn)傷口愈合，而且可以減少患者疼痛以及降低疤痕的形成。
軍事領(lǐng)域
膨脹石墨微粉能同時衰減紅外和毫米波，是一種很有前景的紅外屏蔽材料。研究發(fā)現(xiàn)將可膨脹石墨制成煙火藥，瞬間爆炸形成膨脹石墨，分散在預(yù)定位置并形成氣溶膠，即為一種干擾云團(tuán)煙幕劑。從二十世紀(jì)九十年代開始，國外已開始研究抗紅外/毫米波雙模發(fā)煙劑并取得一些進(jìn)展，而我國則起步較晚，目前仍以單一性毫米波干擾材料和單一性抗紅外發(fā)煙劑的研究為主。龐敏暉等采用化學(xué)鍍銅和摻雜二茂鐵兩種方法對可膨脹石墨進(jìn)行改性，并于未改性之前進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)改性后可提高膨脹石墨對紅外/毫米波的衰減能力，引入導(dǎo)電材料和磁性材料可增強(qiáng)膨脹石墨的電損耗吸收和磁損耗吸收，提高其紅外/毫米波的衰減性能，且摻雜二茂鐵改性要優(yōu)于化學(xué)鍍銅改性。除此之外，可膨脹石墨也可作為催化劑載體。硫酸作為傳統(tǒng)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的均相催化劑，反應(yīng)速度快，催化活性高，但其強(qiáng)烈腐蝕設(shè)備且不易于產(chǎn)物分離，而采用硫酸制備的可膨脹石墨中含有硫酸分子，易于分離回收再利用，因此可用作質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的催化劑。劉金環(huán)以可膨脹石墨為催化劑合成了丙酸類酯和乙酸類酯。也有學(xué)者以膨脹石墨為載體，與納米材料(如 TiO2、ZnO等)復(fù)合制成納米復(fù)合材料，復(fù)合后性能得到顯著提升。
低溫可膨脹石墨在防火阻燃領(lǐng)域的應(yīng)用
目前國內(nèi)外主要使用的阻燃劑可分為溴系阻燃劑、鹵-磷阻燃劑和無鹵阻燃劑，這些傳統(tǒng)阻燃劑一般添加量大，影響材料性能，且受熱時會產(chǎn)生大量煙氣和腐蝕性氣體，不符合環(huán)保型社會的需求。可膨脹石墨作為一種新型材料，制備工藝流程簡單易操作，受熱時無毒、低煙、無滴落，可適應(yīng)各種環(huán)境，是一種新型環(huán)境友好型阻燃材料。采用可膨脹石墨作協(xié)同阻燃劑可提高涂料的熱氧化降解溫度，增強(qiáng)其熱穩(wěn)定性；其高膨脹性大幅度提高了炭層厚度，受熱形成的膨脹石墨蠕蟲在炭層內(nèi)部呈網(wǎng)絡(luò)狀交聯(lián)，提高炭層的強(qiáng)度、致密性和殘?zhí)柯剩韪魺崃颗c基材之間的熱傳遞，降低炭層的導(dǎo)熱系數(shù)。可膨脹石墨在受熱時可迅速膨脹形成“蠕蟲”狀蓬松的石墨碳層，吸收大量熱量，可有效降低基材表面溫度；且碳層體積急劇膨脹可窒息火焰，阻止或延緩火焰和內(nèi)部基材直接接觸，阻滯了高分子基材的燃燒與熔滴而引起的二次燃燒；同時燃燒產(chǎn)生大量的 CO2和插層劑分解產(chǎn)生的 H2O、NO2、SO2等氣體進(jìn)可稀釋可燃?xì)怏w的濃度，從而降低了基材燃燒的可能性，是一種很好的阻燃材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與塑料、泡沫等領(lǐng)域。但目前制備的可膨脹石墨起始膨脹溫度一般在 150～250℃，膨化溫度高，膨脹倍率低，通常在 600～900℃才能達(dá)到 300 mL/g 以上，而大部分聚合物的熱降解溫度往往低于 500℃，在可膨脹石墨形成有效膨脹層之前聚合物已經(jīng)大量熱降解了，與聚合物的熱降解行為不相符，影響了阻燃效率，如果能在400℃左右進(jìn)行膨脹且具有較大的膨脹容積，可在火災(zāi)初期形成絕熱層，就可有效保護(hù)基材，對于可膨脹石墨在防火阻燃領(lǐng)域的推廣具有重大意義。目前制備低溫可膨脹石墨的工藝較少，對插層過程特性考察不足。
阻燃涂料
阻燃涂料可提高材料的耐火性能和耐火極限，降低可燃性，并有效防止火災(zāi)蔓延，作為裝飾性和防火功能材料而應(yīng)用廣泛。根據(jù)阻燃機(jī)理、基料組成、分散介質(zhì)、保護(hù)對象可以將其分為多種類型，從經(jīng)濟(jì)成本、阻燃效果和裝飾效果等多方面綜合比較后發(fā)現(xiàn)膨脹型防火涂料效果最好，應(yīng)用最為廣泛。將可膨脹石墨作為協(xié)同作用組分加入到普通涂料中，在火災(zāi)中可膨脹石墨發(fā)生膨脹從而形成不燃碳層，可以有效阻隔熱量向基材的輻射，防止二次燃燒，提高材料耐高溫和防火性能。采用可膨脹石墨作為膨脹型阻燃涂料的協(xié)同作用組分，一方面是因為受熱后可膨脹石墨在涂層內(nèi)部發(fā)生高倍膨脹，主要成分基本為炭，增加了涂層的膨脹倍率以及殘?zhí)柯剩涣硪环矫媸桥蛎浭嗜湎x狀穿插于炭化層中，使炭化層的氣孔細(xì)小且更加均勻，結(jié)構(gòu)更加致密，從而防止涂層在高溫下開裂和脫落。此外，由于石墨具有良好的導(dǎo)電性，制得的阻燃涂料還可防
止靜電荷的聚集，還可以起到防靜電的作用，可用于石油儲罐的阻燃。但由于可膨脹石墨的水分散能力以及與基質(zhì)材料結(jié)合不夠緊密，分布不均勻，易產(chǎn)生凝聚，且在涂料燃燒過程中呈蠕蟲狀的膨脹石墨易灰化脫落，惡化炭化層表面狀態(tài)，給氧氣和熱向基體材料傳導(dǎo)留有通道，不利于其防火性能，因此也有學(xué)者采用有機(jī)物(如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇等)對可膨脹石墨進(jìn)行表面修飾，改善其分散性能，從而提高涂料的防火性能。
阻燃密封材料
由于高層建筑中防火門、防火窗、防火玻璃等建筑構(gòu)件的大量應(yīng)用，而上述構(gòu)件在使用過程中會產(chǎn)生 2～4 mm 的縫隙，在防火分隔中匯產(chǎn)生大量的漏煙和穿火現(xiàn)象，從而降低其防火功能。傳統(tǒng)方法采用酸纖維繩或石棉繩密封，在受熱時無膨脹性，仍然存有縫隙且裝飾性差，而采用可膨脹石墨則可以很好地解決上述問題。目前可膨脹石墨在阻燃密封材料領(lǐng)域主要有以下兩種應(yīng)用形
式：第一種是將可膨脹石墨與無機(jī)阻燃劑(水合氫氧化鎂、硼酸鋅等)、橡膠基體、促進(jìn)劑、硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、填料等混合，經(jīng)混煉、硫化、成型等工序制成不同規(guī)格的膨脹密封膠條，能在常溫和火災(zāi)中由始至終起到阻隔煙氣流動的作用，主要用于防火玻璃窗、防火門等場合；另一種是采用黏合劑將可膨脹石墨與玻纖帶載體相粘合，高溫條件下黏合劑提供的剪切力能有效組織石墨的滑動，從而起到密封作用，但須與常溫密封劑配合才能有效阻隔常溫或低溫下冷煙氣的流動，主要用于防火門的密封膠條。
阻燃塑料
可膨脹石墨的阻燃機(jī)理屬于典型的凝固相阻燃機(jī)理，靠自身體積膨脹形成的絕熱層來延緩或抑制聚合物的燃燒，但膨脹后形成的膨脹石墨彼此間的黏附力較弱，與被高分子聚合物之間作用力較小，在聚合物基體燃燒之后，膨脹石墨因質(zhì)輕無法形成堅固的炭層，易形成飛灰，無法起到阻燃作用，因此一般將可膨脹石墨和其他阻燃劑如磷酸酯、Mg(OH)2、堿式硫酸鎂晶須等配合使用，同時添加偶聯(lián)劑或其他相容劑改善可膨脹石墨和塑料基體之間的相容性，提高黏結(jié)力，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。在塑料中添加可膨脹石墨可在不影響其本身的柔韌性或其他物理性能的條件下增強(qiáng)其防火性能和膨脹性能，且膨脹或燃燒后中不揮發(fā)有毒氣體或酸霧等，目前已有大量報道將其應(yīng)用于聚氨酯泡沫、阻燃聚氨酯、阻燃聚烯烴、阻燃苯乙烯塑料、阻燃橡膠等。
防火板材
無機(jī)防火板材常采用蛭石、玻璃微珠、珍珠巖、云母等輕質(zhì)材料，但由于蛭石、珍珠巖等本身粒徑復(fù)雜、表面易粉碎，溫度較高時易發(fā)生碎裂從而防火效果不佳；玻璃微珠在高溫時會發(fā)出燥鳴聲而受到限制。膨脹石墨由于密度小，耐高低溫，添加于防火板材中可以增強(qiáng)其防火性能和隔熱性能，同時還可以減小板材密度。也可將膨脹石墨直接壓成薄片，用于制作墻面或其他可燃基材的阻燃面板，由于膨脹石墨具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐高溫高壓等性能，同時耐熱沖擊，在低溫下也可正常使用，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)系數(shù)，使用溫度為-100～2000℃，且?guī)缀蹩勾蟛糠值挠袡C(jī)和無機(jī)化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，使用范圍廣、制造成本較低。
