GICs改性天然石墨的性能研究

費曉飛 叢海波

摘要：利用石墨層間化合物（GICs）技術對天然石墨進行結構改性。通過粒度、膨脹容積、比表面積、SEM等性能測試，探討GICs不同改性條件對天然石墨材料結構性能的影響規律。

關鍵詞：石墨層間化合物（GICs）；改性；天然石墨

1前言

GICs近十年來的進展應歸功于化學、物理及材料科學三個學科的彼此交叉，相互滲透，同時GICs研究的深化也對其它學科的進展作出了積極的貢獻[1]。

本文分別以H2SO4-H2O2為原料對石墨進行GICs改性，探討GICs改性條件不同對石墨材料結構性能的影響，包括對石墨低倍率膨脹倍數，對石墨粒度，比表面積，表面形貌等的影響。

2 實驗部分

2.1 樣品的制備

H2SO4-H2O2-GIC的制備[2，3]。取一定量的原料石墨放入燒杯中，加入一定量的濃度為98%的硫酸和濃度為30%的雙氧水，在水浴鍋中加熱，攪拌，待反應結束后，用蒸餾水將石墨洗至中性，烘干制得樣品。整個反應在通風廚中進行。

2.2 樣品的分析與表征

2.2.1 粒度和膨脹容積測試

石墨式樣粒徑的測定：用無水乙醇做分散劑，使用英國產的激光粒徑分析儀對石墨粒度進行測試，粒徑分析的范圍為0.040-2000μm。

石墨式樣的膨脹容積的測試：將制得的石墨試樣裝入量筒中，振動200下，測出其質量和體積，計算出單位質量的體積既是其膨脹容積。

2.2.2 比表面積與表面形貌測試

石墨材料的比表面積用BET法（全自動氮吸附比表面儀）測試。表面形貌用日本島津制作所的SSX-550型掃描電子顯微鏡測試表征。

3 結果與討論

3.1 GICS改性對對石墨膨脹容積的影響

樣品標號說明：球化天然石墨記為SNG，H2SO4-H2O2嵌入改性的樣品記為S。

合成H2SO4-H2O2-GIC時，在反應溫度為55℃，反應時間為60min， 石墨與雙氧水的量固定為1：1時，即取石墨1克，雙氧水1ml，改變硫酸的含量得到膨脹容積隨H2SO4含量的增加而增大；

當石墨與硫酸含量固定為1：2時，即取石墨1克，硫酸2ml，膨脹容積呈隨H2O2量的增加而減小的關系。

3.2對比表面積的影響

不同改性條件下，探討GICs改性對石墨比表面積的影響，并對樣品的膨脹容積與比表面積的關系進行分析。

隨著膨脹容積的增大，樣品的比表面積呈先增大后減小的趨。當膨脹容積小于2.0ml/g時，隨著樣品的膨脹容積的增大，樣品的表面孔隙及缺陷增多，比表面積增大；當膨脹容積大于2.0ml/g時，樣品膨脹容積的增大，使得樣品的表面積增大，在質量不變的條件下，樣品單位質量的表面積減小，即比表面積降低。

3.3對粒度的影響

取不同膨脹倍數的GICs改性后的樣品，進行粒度測試，對樣品的膨脹容積與粒度（中位徑）進行分析。

改性后樣品的粒度增大，并且隨著樣品膨脹容積的增大，粒度也呈增大的趨勢，其中有兩個樣品例外， 如膨脹容積為1.3ml/g的樣品，粒度比膨脹容積為1.2ml/g的樣品粒度小 ， 膨脹容積為2.4 ml/g的樣品， 粒度比膨脹容積為2.1 ml/g 的樣品粒度小，這可能是由于合成石墨嵌入化合物時，石墨的整體膨脹容積發生了變化，這種變化主要發生在顆粒與顆粒之間，所以單個石墨粒徑沒有增大，但是總體趨勢，石墨樣品的粒度隨膨脹容積的增大而增大。

3.4對表面形貌的影響

經GICs技術改性后選擇不同膨脹倍率的樣品進行表面形貌測試，樣品的實驗條件見表3-1。

取樣品S10、S11膨脹容積分別為 2.4ml/g、3.3ml/g，與SNG（原料石墨）做形貌對比分析，放大倍數為 2000倍，樣品的SEM圖如圖3-1所示。

SNG（×2000） S10（×2000） S11（×2000）

圖3-1 石墨嵌入改性前后樣品的形貌分析

Fig.3-1 Morphological analysis of graphite before and after Modification

由圖3-1可以看出，嵌入改性后樣品表面缺陷部位增多，石墨顆粒表面片層遭到破壞，石墨孔隙增多，石墨顆粒呈現蓬松狀，隨著膨脹倍數的增大，石墨片層破壞越嚴重，2.2倍膨脹時石墨表面有較多裂痕，石墨片層有要脫落的趨勢；3.0倍膨脹時有些石墨顆粒爆開，結構完全被破壞。

4 結論

GICs改性伴隨石墨微膨脹反應，嵌入體系為H2SO4-H2O2時，膨脹容積隨H2SO4含量的增加而增大，隨H2O2含量的增加而減小；GICs改性后石墨顆粒表面膨松，孔隙缺陷增多，石墨的比表面積略有下降，石墨粒度呈增大趨勢。

參考文獻

[1] B. Tryba， A.W. Morawski， K. Ka?ucki. Trace analyses of gaseous products formed during heat treatment of high stage H2SO4-GICs and expanded graphite[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids 2004 ，65：165–169.

[2]劉光輝.石墨嵌入化合物的合成及其性能[J]. 吉首大學學報（自然科學版），1998， 19（1）：77-80.

[3]黃穎霞等.石墨層間化合物的合成及其結構研究[J]. 南京師大學報（自然科學版），2005，28（4）：57-59.