Die chemische Oxidation ist ein traditionelles Verfahren zur Herstellung von expandierbarem Graphit. Dabei wird natürlicher Flockengraphit mit einem geeigneten Oxidationsmittel und einem Interkalationsmittel vermischt, bei einer bestimmten Temperatur gehalten, ständig gerührt und gewaschen, gefiltert und getrocknet, um expandierbaren Graphit zu erhalten. Die chemische Oxidation hat sich in der Industrie zu einem relativ ausgereiften Verfahren entwickelt und bietet die Vorteile einer einfachen Ausrüstung, einer komfortablen Handhabung und geringer Kosten.
Zu den Prozessschritten der chemischen Oxidation gehören Oxidation und Interkalation. Die Oxidation von Graphit ist die Grundvoraussetzung für die Bildung von expandierbarem Graphit, da der reibungslose Ablauf der Interkalationsreaktion vom Öffnungsgrad zwischen den Graphitschichten abhängt. Natürlicher Graphit weist bei Raumtemperatur eine ausgezeichnete Stabilität sowie Säure- und Laugenbeständigkeit auf, sodass er nicht mit Säuren und Laugen reagiert. Daher ist die Zugabe eines Oxidationsmittels zu einer notwendigen Schlüsselkomponente bei der chemischen Oxidation geworden.
Es gibt viele Arten von Oxidationsmitteln. Üblicherweise werden feste Oxidationsmittel (wie Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Chromtrioxid, Kaliumchlorat usw.) verwendet. Es können auch oxidierende flüssige Oxidationsmittel (wie Wasserstoffperoxid, Salpetersäure usw.) zum Einsatz kommen. In den letzten Jahren hat sich Kaliumpermanganat als das wichtigste Oxidationsmittel bei der Herstellung von Blähgraphit erwiesen.
Unter Einwirkung eines Oxidationsmittels oxidiert Graphit, und die neutralen Netzwerkmakromoleküle in der Graphitschicht werden zu planaren Makromolekülen mit positiver Ladung. Durch die abstoßende Wirkung derselben positiven Ladung vergrößert sich der Abstand zwischen den Graphitschichten, wodurch ein Kanal und Raum für das reibungslose Eindringen des Interkalators in die Graphitschicht geschaffen wird. Bei der Herstellung von expandierbarem Graphit wird als Interkalationsmittel hauptsächlich Säure verwendet. In den letzten Jahren wurden hauptsächlich Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Perchlorsäure, Mischsäure und Eisessig verwendet.
Bei der elektrochemischen Methode wird bei konstantem Strom eine wässrige Lösung als Elektrolyt eingesetzt. Graphit und Metalle (Edelstahl, Platin, Blei, Titan usw.) bilden eine Verbundanode. Die in den Elektrolyten eingesetzten Metalle dienen als Kathode, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht. Alternativ kann Graphit im Elektrolyten suspendiert werden. Die negative und die positive Platte werden gleichzeitig in den Elektrolyten eingesetzt. Durch die beiden Elektroden wird die anodische Oxidation aktiviert. Die Graphitoberfläche wird zu Carbokationen oxidiert. Gleichzeitig werden durch die kombinierte Wirkung von elektrostatischer Anziehung und Konzentrationsdifferenzdiffusion Säureionen oder andere polare Interkalationsionen zwischen die Graphitschichten eingebettet, wodurch expandierbarer Graphit entsteht.
Verglichen mit der chemischen Oxidationsmethode wird bei der elektrochemischen Methode zur Herstellung von expandierbarem Graphit im gesamten Prozess kein Oxidationsmittel verwendet. Der Behandlungsaufwand ist groß, die Restmenge an korrosiven Substanzen gering, der Elektrolyt kann nach der Reaktion recycelt werden, die Säuremenge wird reduziert, es werden Kosten gespart, die Umweltverschmutzung verringert, die Schäden an der Ausrüstung sind gering und die Lebensdauer wird verlängert. In den letzten Jahren hat sich die elektrochemische Methode aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile allmählich bei vielen Unternehmen zur bevorzugten Methode zur Herstellung von expandierbarem Graphit entwickelt.
Bei der Gasphasendiffusionsmethode wird expandierbarer Graphit hergestellt, indem der Interkalator mit Graphit in gasförmiger Form in Kontakt gebracht wird und eine Interkalationsreaktion stattfindet. Im Allgemeinen werden der Graphit und der Einsatz an beiden Enden des hitzebeständigen Glasreaktors platziert, und das Vakuum wird gepumpt und abgedichtet. Daher wird dies auch als Zweikammermethode bezeichnet. Diese Methode wird in der Industrie häufig zur Synthese von Halogenid-EG und Alkalimetall-EG verwendet.
Vorteile: Aufbau und Reihenfolge des Reaktors sind kontrollierbar, Reaktanten und Produkte lassen sich leicht trennen.
Nachteile: Die Reaktionsvorrichtung ist komplexer, die Bedienung schwieriger, daher ist die Leistung begrenzt, und die Reaktion muss unter Hochtemperaturbedingungen durchgeführt werden, die Zeit ist länger, und die Reaktionsbedingungen sind sehr hoch, die Vorbereitungsumgebung muss Vakuum sein, daher sind die Produktionskosten relativ hoch, nicht geeignet für Großproduktionsanwendungen.
Bei der Mischflüssigphasenmethode wird das eingesetzte Material direkt mit Graphit vermischt. Dabei wird die Wärmereaktion durch Inertgas oder ein Dichtungssystem geschützt, um expandierbaren Graphit herzustellen. Diese Methode wird häufig für die Synthese von Alkalimetall-Graphit-Interlaminarverbindungen (GICs) verwendet.
Vorteile: Der Reaktionsprozess ist einfach, die Reaktionsgeschwindigkeit ist hoch, durch Änderung des Verhältnisses von Graphitrohstoffen und Einsätzen kann eine bestimmte Struktur und Zusammensetzung von expandierbarem Graphit erreicht werden, die besser für die Massenproduktion geeignet ist.
Nachteile: Das gebildete Produkt ist instabil, es ist schwierig, mit den an der Oberfläche der GICs haftenden, frei eingelagerten Substanzen umzugehen, und es ist schwierig, die Konsistenz der Graphit-Zwischenschichtverbindungen bei der Synthese einer großen Anzahl sicherzustellen.
Bei der Schmelzmethode wird Graphit mit Interkalationsmaterial vermischt und erhitzt, um expandierbaren Graphit herzustellen. Basierend auf der Tatsache, dass eutektische Komponenten den Schmelzpunkt des Systems senken können (unter den Schmelzpunkt jeder einzelnen Komponente), handelt es sich um eine Methode zur Herstellung von ternären oder mehrkomponentigen GICs durch gleichzeitiges Einfügen von zwei oder mehr Substanzen (die in der Lage sein müssen, ein geschmolzenes Salzsystem zu bilden) zwischen Graphitschichten. Wird im Allgemeinen bei der Herstellung von Metallchloriden (GICs) verwendet.
Vorteile: Das Syntheseprodukt weist eine gute Stabilität auf, ist leicht zu waschen, verfügt über ein einfaches Reaktionsgerät, eine niedrige Reaktionstemperatur und eine kurze Reaktionszeit und ist für die Produktion im großen Maßstab geeignet.
Nachteile: Es ist schwierig, die Ordnungsstruktur und Zusammensetzung des Produkts im Reaktionsprozess zu kontrollieren, und es ist schwierig, die Konsistenz der Ordnungsstruktur und Zusammensetzung des Produkts bei der Massensynthese sicherzustellen.
Bei der Druckmethode wird eine Graphitmatrix mit Erdalkalimetall- und Seltenerdmetallpulver gemischt und reagiert, um unter Druck M-GICS zu erzeugen.
Nachteile: Die Einfügungsreaktion kann nur durchgeführt werden, wenn der Dampfdruck des Metalls einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Bei zu hohen Temperaturen bilden Metall und Graphit jedoch leicht Carbide und es kommt zu einer negativen Reaktion. Daher muss die Reaktionstemperatur in einem bestimmten Bereich geregelt werden. Die Einfügungstemperatur von Seltenerdmetallen ist sehr hoch, daher muss Druck ausgeübt werden, um die Reaktionstemperatur zu senken. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Metall-GICS mit niedrigem Schmelzpunkt, aber das Gerät ist kompliziert und die Betriebsanforderungen sind streng, sodass es derzeit nur noch selten verwendet wird.
Bei der Sprengmethode werden im Allgemeinen Graphit und Expansionsmittel wie KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O-Pyropyros oder hergestellte Mischungen verwendet. Beim Erhitzen oxidiert und interkaliert Graphit gleichzeitig mit der Kambiumverbindung, die sich dann auf „explosive“ Weise ausdehnt, wodurch expandierter Graphit entsteht. Wenn als Expansionsmittel ein Metallsalz verwendet wird, ist das Produkt komplexer und enthält nicht nur expandierten Graphit, sondern auch Metall.
