第29卷第6期 2006年11月 非金属矿 NOil—Metallic Mines VOl29 NO.6 在HC10 HAc溶液中制备无硫可膨胀石墨研究 黎梅 李记太 孙汉文 050016) (1河北大学化学 环境科学学院,保定071002 2.河北师范大学化学 _材料科学学院,彳 ( 摘要 在高氯酸和冰醋酸混酸溶液中。使用高锰酸钾为氧化剂制备出了无硫可膨胀石墨。利用正交实验方法筛选出制备的最佳条件: 在30℃时,石墨、高氨酸、冰乙酸、高锰酸钾的质量比为1,0:1.6:1.0:O.1。反应时间60min。在最佳条件下,制备的可膨胀石墨的膨胀容积是 280mL/g。用X射线衍射仪对产品进行了物相分析。 关键词 无硫可膨胀石墨制备高氯酸冰乙酸 Study on Preparation of Sulfur・・free F,xpandable Graphite in HCIO ̄-・HAe Solution LiMei Li Jitai SunHanwen‘ (1 College ofChemistry and Environmental Science,Hebei University,Baoding 071002;2 College ofChemistry nd aMaterial Science,Hebei Normal University,Shi Jiazhuang 050016) Abstract The sulfur-free expandable graphite has been prepared rom fnatural flake graphite in HC104・HAc solution by using potassium penman- ganate as the oxidant.The best conditions for preparing the expandable graphite were optimized by n ortahogonal test method.The optimum conditions are as follows:mass ratio ofnatural lafke graphite:perchloric acid:glacial acetic acid:potassim upermanganate一1.0:1.6:1.0:O.1:reaction tempera- ture,30"C;and reaction time,60 min.Expandable graphite with 280mlTg expanded volume Was obtained.Phase analysis of the graphite intercalation compound was performed on a D/MAX-RB X-ray diffractometer Key words sulfur-free expandable graphite preparation perchloric acid glacial acetic acid 可膨胀 氍经高温热处理后可制成膨胀行墨. 它是生产柔性 柔性 的中间产品 由膨胀石 制造的 .作为一种性能优良的密封材料.已被广泛 I-I2SO4一CH3COOCOCH3一KMnO4、II2SO4一HAc—K:Cr:O7、 H2SO4-KMnO4一FeCI3、H2SO4-H202、HC104-H2SO4-HAc -KMnO 体系中制备出丫低硫可膨胀石墨,使产品 应川1: 汕、机械、电力、冶金、原f能 Ii>lP.等领域, 它可满足・些 苛科技领域对密封材料应具备的耐高 含硫量大为降低 但由丁t述体系都使用浓硫酸作 插人剂.使产品仍含有害硫。目前,无硫可膨胀石墨 的制备,文献116-201报道了以tlNO3一HAc—KMnO4、 HNO3一CH3COOCOCH3一KMnO4、IINO3一P2O KMnO4、 温、耐腐蚀、耐辐射、良好的柔软性、同弹性和寿命长 等要求【121。另外,研究表明 7】.膨胀行 还具有较强 的吸附性、导电性等特性,在环境吸附材料、医用敷 料、纳米复合导电材料等方而有广阔的应用前景 可 膨胀石墨传统的化学制备方法.主要是使用浓硫酸. 这是由f硫酸分子插人石聚层间的能力最强 ・般 在浓硫酸介质中.在氧化剂浓作用下使天然鳞 片石攫发生插层反应(石墨、浓硫酸、浓的质量 HClO4一HNO3一HAc、HNO3一CH3CH2COOH—KMnO4 体系.制备了石墨产品。作者首次研究了在高氯酸和 冰醋酸混合液中.以高锰酸钾为氧化剂制备无硫可 膨胀石墨 该法反应,陕、易操作,产品不含硫、不吸 湿、膨胀容积稳定等。 1 实验 比为1.0:2.7:1.3)[s1.经水洗、脱水、烘1二而成。由于 红氧化插层过程中.硫酸分子和硫酸氢根负离子插 人到石墨层问,形成了石墨层问化合物,因此,此法 制备的可膨胀石器产品含有一定量的硫 用这种可 膨胀石 制成的柔性石墨作密封材料时.残硫对所 接触的金属密封面的腐蚀f主要是电偶腐蚀和缝隙 腐蚀)有明娃的促进作用【91.降低丫密封部件的质 1.1原料与试剂天然鳞片石墨(297p.m,99%);高 氯酸、冰乙酸、高锰酸钾,分析纯。 1.2实验方法在搅拌下.将一定比例的高氯酸、 冰乙酸、天然鳞片石墨、高锰酸钾混合,在30"C反应 段时问.真空抽滤脱酸性化合物,水洗至中性,脱 水.于60~70 ̄C烘干后得无硫可膨胀石墨产品。 l_3测试采用GB10698—89测定产品的膨胀容积 一量。因此,降低叮膨胀石墨产品含硫量的研究有较重 要的意义 文献 l5l报道丫红H2SO4-IIAc-KMnO4、 一及各项技术指标,用x射线衍射仪(日本理学 D/MAX-RB)在室温、40kV、100mA、Cu靶、扫描速 20— 维普资讯 http://www.cqvip.com
第29卷第6期 度6 ̄/min条什下,对产¨nt-I进行物卡}1分析 2结果与讨论 非金属矿 攫 粥锰酸钳J的质 }比为1.0:0.1时,产品的膨 胀窬积已达蚊人值。超过此比值,由十铽化反应已完 2.1 最佳制备条件选择的单因素试验膨胀容积 全,膨胀窬积也不会冉土}穹人 实验6和实验17~18说明.最佳反应时问为 60min,如再延长反应时问,则膨胀容积不再变化。 和含硫量是影响可膨胀石墨质量的 要参数 山:j= 本法产品不含硫,因此膨胀 积就成为质量控制因 素。依次改变高氯酸、冰乙酸、高锰酸钾用量及反应 形成石墨层问化合物的反应是可逆反应.在60min 时达到平衡,再延长反应时问.石墨层问化合物的含 量不弭增加.因此可膨胀石墨的膨胀 积不再增大 2.2正交实验结果为进一步考察影响可膨胀 时问,测定不同条件下的膨胀容积,结果见表l。 表1 反应条件对膨胀容积的影响(3o℃) 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 质量比・ A:B:C:D l 0:0 6:1.0:0.1 l 0:0 8:1.0:0.1 1.0:1.0:1.0:0.1 1.0:1.2:l 0:0.1 1.0:l 4:l O:0.1 1.0:1.6:1.0:0.1 l 0:1 8:l 0:0 l l 0:1.6:0 6:0.1 l 0:1.6:0 8:0 l 1.O:1.6:1.2:0 l l 0:l 6:1.4:0 l 反应时间 膨胀容积 /(mI/g) 墨膨胀窬积的丰婴因素.枉进行单因素试验的基础 上,选用I (3 )正交表进行试验 因素和水平的确定 60 60 60 60 60 60 6O 6O 6O 60 60 20 l00 l75 225 250 280 280 230 240 260 200 见表2.正交实验结果见表3 表2因素和水平 b d 因素 质量比 人:C 质量比 人:B 质量比 人:D 反应时问 水平l 水平2 水平3 1.0:1.0 1.0:1.2 1.0:0.6 1.0:1.6 1.0:1.2 1.0:2.0 1.0:0.14 1.0:0.O6 l 0:0 l 30 60 45 12 13 1.0:1.6:1.0:0.06 1.0:l 6:1.0:0.08 60 60 30 l50 表3正交实验结果【3o℃) 次数 b d 膨胀容积 l l 2 1 0:1.0 1.0:1.2 l 0:1.6 l 0:1.6 1.0:0.1 1.0:0.14 60 30 l4 15 l 0:1.6:l 0:0.12 l 0:l 6:l 0:0.14 60 60 280 280 i舀 280 220 l6 l7 18 1 0:l 6:l 0:0.16 1.0:1.6:1.0:0.1 1.0:1.6:1.0:0.1 60 30 90 280 250 280 3 4 5 6 7 8 l O:O.6 1.0:1.0 1.0:1.2 1.0:0.6 1.0:1.0 l O:1.2 l O:1.6 1.0:1.2 1.0:1.2 1.0:1.2 1.0:2.0 1 O:2.O 1.O:O.O6 1.0:0 O6 1.0:0l 1.0:0.14 1.0:0.14 1.O:OO6 45 30 45 60 45 6o 2oo l75 l90 20o 250 175 A,天然鳞片石墨;B,高氯酸;C,冰乙酸:D,高锰酸钾。 由表l的实验l~7可看出.行墨与高氯酸的质 量比为1.0:1.6,可膨胀石攫的膨胀容积达最大。高 氯酸是氧化性的强酸.在可膨胀 攫形成过程中它 既提供较强的酸性环境又起到氧化剂的作用.它与 9 1.0:0.6 1.0:2.0 1.0:0.1 30 l90 表3表明.第1号实验结果最佳.产品膨胀容积 280mL/g。因此,在30 ̄C时,石墨、高氯酸、冰乙酸、高 锰酸钾的质量比为1.0:1.6:1.0:0.1,反应时间60 离锰酸钾一起氧化石躞层面j二的碳原子,使层面卜 的碳原j 带jE电荷.由于静电斥力.使石墨层问距增 大而发生插层反应,形成层问化合物。高氯酸若用量 太少.则石墨氧化反应不完全,产品膨胀体积小:若 用量太多,因反应已完全,膨胀容积也不再增大。 实验6和实验8~11说明,石器与冰乙酸的最 佳质量比为1.0:1.0 据文献I1o,1 报道,HCIO 、 CIO 一、HAc可插入到石餐层问形成石墨层问化合 物 如冰乙酸用量小于最佳质量比,HAc插入到石 min.是制备无硫可膨胀石墨的最佳条件。 2.3 X射线衍射分析对最佳条件下制备的石墨 层间化合物进行x射线衍射分析,其001 X射线衍 射谱图见图1 按文献I2 】方法计算,该石墨层问化合 物的层间距 =2.2025nm,阶为5。 2.4产品主要技术指标测定按GB10698.89对最 佳条件下制备的可膨胀石墨的主要技术指标进行测 定:其水分为2.64%,灰分为0.45%,pH为4.5。 鼹层问的反应不完全.使产品的膨胀容积较小;但如 它的用量过大.高于此比例,由于稀释了氧化剂的浓 度.降低了氧化剂的氧化能力,也使膨胀容积减小。 高锰酸钾在可膨胀石攫制备过程巾作为氧化 2.5 工艺设备联系 本法用于工业化批量生产,建 议其工艺设备联系.如图2所示。 在操作时.选用问歇操作的搅拌釜式反应器。这 是因为:①在搅拌条件下,反应器内物料混合均匀, 各处浓度、温度相等。②物料在反应器中的停留时间 剂.其作用是使鳞片石墨氧化。强酸 介质有利 卜氧 化反应的发生。从实验6和实验12~16可看出,当 一21— 维普资讯 http://www.cqvip.com
第29卷第6期 非金属矿 2006年1 1月 40k 窒温易控制,可降低反应釜成本),反应时间短.工艺 简单,污染较小等特点。 参考文献 l樊邦棠.一种新颖工程材料:膨胀石墨【J】.化学通报,1987(10) 2康飞宇.石墨层间化合物和膨胀石墨【J1.新型炭材料,2000,15(4) 3 Shen Wanci,et a1.ExpandEd Graphite—A New Kind of Biomedical MatErial l J 1.Carbon,1999(37):356~358 0() 4 M Toyoda,et a1.IIeavy oil sorption using EXfoliatEd graphite:New 2 application of exfoliated graphffE to protect heavy oil pollution【J 1. 图】 石墨层间化合物的Ⅺ D谱图 Carbon,2000(38):l99~210 5 Kang Feiyu,et a1.Sorption of heavy oil and biomedical liquids into exfoliated rgaphite:REsearch in China f J】.新型炭材料,2003,18(3) 6潘玉殉,等.尼龙6/石墨纳米导电复合材料的制备与性能(J J.高 分子学报,2001(1):42~47 7陈国华,等.石墨与聚苯乙烯的纳米复合过程研究l J】.高分子学报, 2001(6):8O3~806 图2工艺设备联系图 8唐健春.具有压缩和回弹性的石墨制品及其制造方法f J】.碳素译 相等,可准确控制反应时问、反应程度,提高产品质 丛,1984(3):24~3l jI!。③问歇搅拌比连续搅拌:{i了约能源。 9刘洪波,等.柔性石墨一金属问的腐蚀机理及防护措施【J】.碳素, 1994(1):21~25 物料按混酸、石 、高锰酸钾的顺序投放。反应 lO陈希陵,等.以冰醋酸为介质制备低硫可膨胀石墨【J】.无机材料 完成后.从脱酸离心机分离的大部分混酸,可打入反 学报,1996,l1(2):38l~383 应釜循环使用,这样可节约原料,减少废液排放。 ll 宋克敏,等.制备低硫可膨胀石墨的新方法【J】.合成化学,1996.4 水洗过程的废液,丰要是含高锰酸钾还原产物 (3):282~284 Mnv的酸陛溶液 可川高岭_十吸附法 】将其中和 l2李冀辉,等.制备低硫可膨胀石墨的新方法f J j.新型炭材料,1999, 14(1):65~67 (pH:7.5~8.51后,加入粒度0.177mm的高岭士吸附 l3甄捷,等.低硫可膨胀石墨制备工艺研究【J】.哈尔滨理工大学学 剂,f常温下搅拌,即可除去Mn斗,达标后排放。 报2005,100):54~55 3反应机理 l4杨东兴,等.用1-120r SO 合成低硫GIC的研究【J】.炭素技术, 根据目前文献114,1q报道.化学氧化法制备可膨胀 2000(2):6~10 墨的机理:①石墨原料在强酸性介质中的氧化。在 l5林雪梅.等.HOOd s()4体系制备的低硫可膨胀石墨的结构 与性能【J】.非金属 ̄2oo5,28(5):8~10 本法中,天然鳞片石墨在高氯酸的强酸性介质中,被 l6宋克敏,等.混酸法制备无硫可膨胀石墨的研究【J】.无机材抖学 强氧化剂高锰酸钾、高氯酸氧化,使石墨的网状平面 报,1997,12(4):632~636 大分子转变成带有正电荷的平而大分子。②极性分 17 Song KEmin,et a1.On lower-nitrogEn expandable graphite【J】. 子或 特有负电荷的阴离子插入石墨层问。据文献 Materi ̄s Research Bulletin,2000,(35):425~430 [231.高氯酸可插入石墨层问形成C+2 ̄IC10-4・ l8金为群,等.用磷酸酐制备无硫可膨胀石墨的研究【J】.非金属矿, 2000.23(1):17~19 2.OHCIO 。另据文献[1o,17】,HAc或Ac一也可能插入石 l9林雪梅,等.HC1OJ HNO,混酸法制备无硫可膨胀石墨研究【J】 避层问。在本实验巾,冰乙酸的加入可影响膨胀容 非金属矿,2005,28(6):24~26 积.证明了这一点。③经阶结构转变,形成石墨层问 2O宋克敏,等.制备无硫低氮膨胀石墨新工艺的研究【J】.功能材料, 化合物。本法制备了阶为5的石攫层问化合物。 2000,3l(4):433~435 2l张瑞军,等.石墨层问化合物阶结构的标定方法【J】.炭素,1998(2) 4结论 22詹旭,等.高岭土吸附剂去除舍锰废水中锰离子的实验研究【J】. 本法制得的可膨胀石墨产品,膨胀容积为 地质科技情报,2005,24(1):95~98 280mL/g 尽管本法的生产原料成本,高于用浓硫酸 23刘平桂,等.石墨嵌入化合物的研究和发展【J】.化学世界,1999 制备低硫可膨胀石墨及硝化法制备无硫可膨胀石墨 (5):227~232 产品的.但由于制备过程中没有使用浓硫酸及浓硝 24赵正平.硝化法制取无硫膨胀石墨存在的问题及新方法研究 酸,因此,产品不含硫,也不易吸水,膨胀容积稳定, 【J】j唯金属 ̄e2ooo,23(2):11~12 同时也弥补了硝化法 的不足,这使得产品的质量 收稿日期:2006.09-05 有所提高。此外,本法还具有反应温度低(30'c,接近 —22—
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