本發(fā)明涉及膨脹石墨材料，更具體地，涉及一種膨脹石墨及其制備方法。
背景技術(shù)：
膨脹石墨是在石墨層間插入外來物質(zhì)后形成的一類新型原子、分子尺度上的復(fù)合材料，已成為石墨行業(yè)內(nèi)新的發(fā)展方向。它既保留了石墨的優(yōu)異理化特性，同時(shí)由于碳原子平面與插入物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生了一系列新的理化特性，如高導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、觸媒特性、儲(chǔ)氫特性等。經(jīng)高溫膨脹制得的膨脹石墨外觀類似蠕蟲，熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有非常大的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，可用作油等有機(jī)污染物的吸附材料。由膨脹石墨制成的石墨紙、板、帶材和各種密封部件具有優(yōu)良的可壓縮性、回彈性和柔軟性，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、宇航及核反應(yīng)堆等科技領(lǐng)域。
石墨是具有層狀結(jié)構(gòu)的晶體，具有層間結(jié)合力弱，層間距大的特點(diǎn)。在這類晶體中，每一層是δ鍵和π鍵結(jié)合而成的大分子，而層與層則以很弱的范德華力結(jié)合，層間距約為
高溫膨脹法是通過高溫快速加熱制備膨脹石墨的傳統(tǒng)方法，往往采用石墨膨脹爐。中國專利cn2015209538147公開了一種用于制備高純度膨脹石墨的裝置，包括加料單元、加熱單元、給氣單元、冷卻單元和出料單元，所述加料單元與加熱單元相通，所述加熱單元設(shè)有用于膨化石墨的膨化通道，所述給氣單元與膨化通道底部相通；所述冷卻單元與膨化通道的頂部相通，所述出料單元包括膨化石墨倉儲(chǔ)單元和雜料倉儲(chǔ)單元；所述膨化石墨倉儲(chǔ)單元與冷卻單元出料口相通，所述雜料單元與加熱單元的落料口相通。本實(shí)用新型通過控制加料速度和氣流速度來控制石墨煅燒時(shí)間，減少了未膨脹和膨脹不完全石墨的產(chǎn)生，有效的提高產(chǎn)品的純度；采用立式管式爐加熱膨化石墨，使石墨充分膨脹，從而降低對(duì)原材料的純度要求，降低了成本。上述方案有以下問題：1.由于膨脹過程中受原料、進(jìn)料速度、膨脹溫度、時(shí)間、風(fēng)速等多方面影響，因此制備得到的膨脹石墨膨脹倍數(shù)無法可控，不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備膨脹倍數(shù)穩(wěn)定的膨脹石墨。2.由于膨脹溫度過高會(huì)使石墨高溫氧化，從而降低石墨的膨脹體積，因此一方面需要控制好反應(yīng)時(shí)間和溫度，同時(shí)還要通入惰性氣體保護(hù)，造成工藝復(fù)雜，成本偏高。3.爐體內(nèi)的溫度不均勻，爐膛內(nèi)壁的溫度明顯高于爐膛內(nèi)，從而導(dǎo)致膨化時(shí)插層石墨受熱不均勻，反應(yīng)效率較低。4.反應(yīng)完以后膨化石墨由于目數(shù)比較少，在運(yùn)輸過程中容易卡料在設(shè)備里面，影響產(chǎn)品收率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種膨脹石墨的制備方法，通過優(yōu)化工藝，來大批量制備得高膨脹倍數(shù)的膨脹石墨。
本發(fā)明還提供一種采用上述方法制備得到膨脹石墨。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
提供一種膨脹石墨的制備方法，包括石墨膨脹爐，采用高溫膨脹法，包括以下步驟：
s1.進(jìn)料：將可膨脹石墨作為原料，可膨脹石墨含水量為1～8％，目數(shù)為30～100目，通過進(jìn)料口投入到爐膛中，其中進(jìn)料口的溫度為30～40℃，投放速度為2～4kg/h；
s2.膨脹：爐膛的膨脹溫度為800～950℃，通過控制風(fēng)速來控制膨脹時(shí)間為2～5s；
s3.出料：完成步驟s2后，此時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速來分離已膨脹石墨和未完全膨脹的石墨，出料口溫度為50～80℃，然后在出料口處收集得到膨脹石墨。
其中，步驟s2中控制風(fēng)速主要是根據(jù)進(jìn)料口的添加量，然后將進(jìn)料口的原料經(jīng)高溫膨脹至出料口處為反應(yīng)時(shí)間，具體的風(fēng)速可以根據(jù)實(shí)際情況，由于原料添加量可以確定，有限次數(shù)的測試下可以得出范圍值，即反應(yīng)時(shí)間2～5s下的風(fēng)速范圍值。
其中，步驟s3中調(diào)節(jié)風(fēng)速需要根據(jù)膨化的情況計(jì)算(本發(fā)明制備的膨脹石墨的膨脹倍數(shù)主要在200～300)，來分離已膨脹石墨和未完全膨脹的石墨，風(fēng)選的主要原理是石墨到未膨脹石墨到膨脹石墨，密度是逐漸減少；也可以根據(jù)實(shí)際情況測出范圍值，具體地測出一個(gè)膨脹石墨臨界風(fēng)速a(平衡狀態(tài))，未完全膨脹的石墨的臨界風(fēng)速b(平衡狀態(tài))，當(dāng)風(fēng)速在a和b之間即可達(dá)到分離的目的。
優(yōu)選地，步驟s1中所述可膨脹石墨含水量為4％，目數(shù)為40目。
優(yōu)選地，步驟s1中所述進(jìn)料口的溫度為30℃，步驟s3中所述出料口溫度為50℃。
優(yōu)選地，步驟s1中所述進(jìn)料口的投放速度為2kg/h。
優(yōu)選地，步驟s2中所述加熱溫度為850℃，膨脹時(shí)間為5s。
優(yōu)選地，步驟s1中所述可膨脹石墨采用化學(xué)插層法，以鱗片石墨為原料制備得到。
優(yōu)選地，所述石墨膨脹爐包括爐體、加料裝置、出料裝置和控制裝置，可膨脹石墨通過加料裝置至爐體，然后通過出料裝置收集；出料裝置設(shè)在爐體上方，加料裝置設(shè)在爐體下方；爐體內(nèi)設(shè)有加熱裝置,具體采用電阻絲加熱，爐體內(nèi)底部還設(shè)有氣流噴頭，氣流噴頭還包括氣源、氣流管道和氣流控制閥，氣源連接氣流管道，氣流管道連接氣流噴頭，氣流控制閥設(shè)在氣流管道內(nèi)，氣流噴頭上方設(shè)有加料裝置，具體采用螺旋進(jìn)料機(jī)，控制裝置包括處理器和控制器，處理器設(shè)有控制面板并與控制器連接，控制器包括第一控制器、第二控制器和第三控制器，第一控制器與氣流噴頭的氣流控制閥連接，第二控制器與加料裝置連接，第三控制器與加熱裝置連接；
其中，處理器采用微處理器，第一控制器采用進(jìn)氣閥驅(qū)動(dòng)電路，第二控制器采用加料閥驅(qū)動(dòng)電路，第三控制器采用加熱驅(qū)動(dòng)電路；
出料裝置與爐體之間還設(shè)有冷卻裝置，冷卻裝置包括換熱管和水冷管，換熱管的一端連接爐體，另一端連接出料裝置，換熱管與水平線的夾角為45℃～90℃，水冷管呈螺旋狀布置在換熱管上；
出料裝置包括多個(gè)儲(chǔ)量倉和連接管道，連接管道一端與換熱管連接，并設(shè)有旋風(fēng)分離器，另一端與排氣口連接，連接管道上還設(shè)有多個(gè)分管道分別與儲(chǔ)量倉連接；連接管道與水平線的夾角為45℃～90℃；
爐體內(nèi)還設(shè)有攪拌器，攪拌器為螺旋式攪拌器，通過電機(jī)和滾珠絲杠配合，使得攪拌器在爐體內(nèi)做上下的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)爐體內(nèi)的氣流回流；
所述加料裝置處設(shè)有加熱裝置。
優(yōu)選地，所述氣源為空氣。
提供一種采用上述方法制備得到膨脹石墨，所述膨脹石墨膨脹倍數(shù)為200～300，孔隙為30～100，膨脹倍數(shù)可控，并且穩(wěn)定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明將傳統(tǒng)的高溫膨脹法和石墨膨脹爐結(jié)合，采用最佳的膨脹溫度，并圍繞膨脹溫度通過對(duì)原料以及工藝參數(shù)的控制可有效提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備膨脹倍數(shù)可控、并且穩(wěn)定的膨脹石墨，膨脹倍數(shù)為200～300，孔徑為30～100nm，碳含量穩(wěn)定的膨脹石墨。
本發(fā)明對(duì)進(jìn)料口、出料口的溫度的限定，形成了溫度區(qū)間，原因在于石墨本身屬于熱冷性的物質(zhì)；并且通過設(shè)置投料速度、風(fēng)速來控制膨化時(shí)間，再通過風(fēng)選原理來實(shí)現(xiàn)分離收集，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，并且無需惰性氣體保護(hù)，即可解決膨脹溫度過高會(huì)使石墨高溫氧化，從而降低石墨的膨脹體積的問題。
本發(fā)明優(yōu)選的石墨膨脹爐在爐體內(nèi)加入攪拌器，使得爐體內(nèi)的氣流形成對(duì)流，保證了插層石墨的受熱均勻，避免了爐體內(nèi)壁和中間部分溫度不同從而導(dǎo)致受熱不均勻的問題，大幅度提高了反應(yīng)效率。
本發(fā)明優(yōu)選的石墨膨脹爐采用兩層樓放置，按照原料的加工順序均是從下往上，換熱管和連接管道與水平線有一定的夾角，通過重力與風(fēng)速的配合，即解決了膨化石墨卡料問題，提高反應(yīng)收率，同時(shí)相比垂直放置也解決了占地空間。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。以下實(shí)施例僅為示意性實(shí)施例，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，本發(fā)明可以由發(fā)明內(nèi)容限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、化合物和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、化合物和設(shè)備。
附圖說明
圖1石墨膨化爐示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。以下實(shí)施例僅為示意性實(shí)施例，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，本發(fā)明可以由發(fā)明內(nèi)容限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、化合物和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、化合物和設(shè)備。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種膨脹石墨的制備方法，包括石墨膨脹爐，采用高溫膨脹法，包括以下步驟：
s1.進(jìn)料：將可膨脹石墨作為原料，可膨脹石墨含水量為4％，目數(shù)為40目，通過進(jìn)料口投入到爐膛中，進(jìn)料口的溫度為30℃，進(jìn)料口的投放速度為2kg/h；
其中，可膨脹石墨采用化學(xué)插層法，以鱗片石墨為原料制備得到；
s2.膨脹：爐膛的膨脹溫度為850℃，通過控制風(fēng)速來控制膨脹時(shí)間為5s；
s3.出料：完成步驟s2后，此時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速來分離已膨脹石墨和未完全膨脹的石墨，出料口溫度為50℃，然后在出料口處收集得到膨脹石墨，風(fēng)選的主要原理在于石墨、未完全膨脹的石墨和膨脹石墨的密度是逐漸減少的，在同樣的風(fēng)力，受到的浮力會(huì)依次增大，考慮到膨脹石墨和其它石墨的浮力差別，結(jié)合進(jìn)料的量，來計(jì)算一個(gè)中間風(fēng)速a，可將膨脹石墨和未完全膨脹的石墨分離開來。
其中，石墨膨脹爐包括爐體1、加料裝置2、出料裝置3和控制裝置，原料通過加料裝置2至爐體1，然后通過出料裝置3收集；出料裝置3設(shè)在爐體上方，加料裝置2設(shè)在爐體下方；爐體1內(nèi)設(shè)有加熱裝置11,本實(shí)施例采用電阻絲加熱，爐體1內(nèi)底部還設(shè)有氣流噴頭4，氣流噴頭4還包括氣源41、氣流管道42和氣流控制閥43，氣源41為空氣，并連接氣流管道42，氣流管道42連接氣流噴頭4，氣流控制閥43設(shè)在氣流管道42內(nèi)，氣流噴頭4上方設(shè)有加料裝置2，具體采用螺旋進(jìn)料機(jī)，控制裝置包括處理器5和控制器，處理器5設(shè)有控制面板并與控制器連接，控制器包括第一控制器53、第二控制器52和第三控制器51，第一控制器53與氣流噴頭4的氣流控制閥43連接，第二控制器52與加料裝置2連接，第三控制器51與加熱裝置11連接；
其中，處理器5采用微處理器，第一控制器采用進(jìn)氣閥驅(qū)動(dòng)電路，第二控制器采用加料閥驅(qū)動(dòng)電路，第三控制器采用加熱驅(qū)動(dòng)電路。
出料裝置3與爐體1之間還設(shè)有冷卻裝置7，冷卻裝置7包括換熱管71和水冷管72，換熱管71的一端連接爐體1，另一端連接出料裝置3，換熱管71與水平線的夾角為45℃～90℃，水冷管72呈螺旋狀布置在換熱管71上；
出料裝置3包括多個(gè)儲(chǔ)量倉31和連接管道32，連接管道32一端與換熱管71連接，并設(shè)有旋風(fēng)分離器33，另一端與排氣口34連接，連接管道32上還設(shè)有多個(gè)分管道35分別與儲(chǔ)量倉31連接；連接管道與32水平線的夾角為45℃～90℃；
爐體1內(nèi)還設(shè)有攪拌器8，攪拌器8為螺旋式攪拌器，通過電機(jī)和滾珠絲杠配合，使得攪拌器8在爐體1內(nèi)做上下的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)爐體1內(nèi)的氣流回流。
本實(shí)施例通過冷卻裝置來控制出料口的溫度，并且在進(jìn)料口內(nèi)也設(shè)有加熱裝置6來控制進(jìn)料口的溫度，具體本實(shí)施例可以采用電阻絲61對(duì)加料裝置中的出料管道進(jìn)行加熱。
本實(shí)施例通過控制面板可以控制膨脹的時(shí)間和溫度，具體是處理器通過控制第一控制器和第二控制器來控制氣流速度和加料速度，從而控制插層石墨膨脹的反應(yīng)時(shí)間，第三控制器可以控制加熱裝置的溫度，實(shí)現(xiàn)石墨膨脹的智能化，達(dá)到精準(zhǔn)控制。
本實(shí)施例石墨膨脹爐采用兩層樓放置，按照原料的加工順序均是從下往上，換熱管和連接管道與水平線有一定的夾角，通過重力與風(fēng)速的配合，即解決了膨脹石墨卡料問題，提高反應(yīng)收率，同時(shí)相比垂直放置也解決了占地空間。
本實(shí)施例石墨膨脹爐在爐體1內(nèi)加入攪拌器8，使得爐體1內(nèi)的氣流形成對(duì)流，保證了插層石墨的受熱均勻，從而大幅度地提高了插層石墨的膨化反應(yīng)效率。
實(shí)施例2各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s1中可膨脹石墨含水量為1％，目數(shù)為30目。
實(shí)施例3各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s1中可膨脹石墨含水量為8％，目數(shù)為100目。
實(shí)施例4各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s1中進(jìn)料口的溫度為40℃，步驟s3中出料口的溫度為80℃。
實(shí)施例5各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟1中投放速度為4kg/h，步驟s2中膨脹時(shí)間為2s。
實(shí)施例6各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s2中爐膛的膨脹溫度為800℃。
實(shí)施例7各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s2中爐膛的膨脹溫度為950℃。
實(shí)施例8各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s3中出料口的溫度為200℃。
對(duì)比例1
采用傳統(tǒng)的馬弗爐作為設(shè)備，配合高溫膨脹法，具體步驟如下：
s1.將可膨脹石墨作為原料，可膨脹石墨含水量為4％，目數(shù)為40目，攤鋪到承料盤中；
s2.將承料盤迅速放入溫度為850℃的馬弗爐中，膨脹時(shí)間5s后迅速取出，得到膨脹石墨。
對(duì)比例2
本對(duì)比例各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于石墨膨脹爐中的氣源為惰性氣體。
對(duì)比例3
本對(duì)比例各步驟與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于步驟s2中進(jìn)料口溫度為常溫，步驟s3中出料口的溫度為常溫。
對(duì)以上實(shí)施例和對(duì)比例中制備得到的膨脹石墨測量膨脹倍數(shù)，檢測標(biāo)準(zhǔn)按照gb10698-89，其結(jié)果如表1所示：
表1
以上結(jié)果表明：實(shí)施例1為石墨最佳膨脹溫度(850℃)，且膨脹體積隨溫度變化不明顯，因?yàn)榕蛎洔囟冗^低，一方面膨脹不完全，石墨的層間距無法達(dá)到最佳值；另一方面層間化合物的分解速度過低，分解不完全，所產(chǎn)生的推動(dòng)力較小，石墨層間距打開得不夠，導(dǎo)致石墨膨脹體積很小。當(dāng)膨脹溫度高于850℃后，石墨層間化合物的分解速度隨著膨脹溫度的升高而大幅加快，石墨的膨脹體積也逐漸增加；當(dāng)膨脹溫度高于950℃時(shí)，石墨的膨脹體積隨著溫度的升高而下降。因?yàn)榕蛎洔囟冗^高會(huì)使石墨高溫氧化，從而降低石墨的膨脹體積。
本發(fā)明圍繞膨脹溫度通過對(duì)原料以及工藝參數(shù)的控制可有效提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，當(dāng)采用含水量為4％，目數(shù)為40的可膨脹石墨作為原料的時(shí)候，產(chǎn)品的膨脹倍數(shù)最高,孔徑小，碳含量高。
通過對(duì)進(jìn)料口和出料口的溫度來實(shí)現(xiàn)石墨的一個(gè)升溫和降溫的過程，當(dāng)進(jìn)料口的溫度為30℃，出料口的溫度為50℃，產(chǎn)品的脹倍數(shù)最高；為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，通過對(duì)投放速度和風(fēng)速調(diào)整，來控制膨脹時(shí)間，減少了未膨脹或膨脹不完全的石墨產(chǎn)生，當(dāng)進(jìn)料口的投放速度為2kg/h，膨脹時(shí)間為5s，膨脹倍數(shù)高，碳含量較多，說明此時(shí)膨化的反應(yīng)效果最好；對(duì)比例2中爐膛內(nèi)還通入惰性氣體后，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能無明顯變化，說明通過控制各工藝參數(shù)，在膨脹過程中無需保護(hù)氣體即可防止膨脹石墨被氧化。
根據(jù)膨脹和未膨脹石墨的重量通過計(jì)算風(fēng)速，能實(shí)現(xiàn)膨脹石墨和未完全膨脹石墨完全分離以及膨脹倍數(shù)在200～300和其它膨脹倍數(shù)的膨脹石墨分離，從而在出料口處直接收集得到膨脹倍數(shù)在200～300的膨脹石墨。
采用本工藝制備得到的膨脹石墨的膨脹倍數(shù)在200～300，孔隙為30～100nm，性能穩(wěn)定,顯著優(yōu)于對(duì)比例。