El método de oxidación química es un método tradicional para la preparación de grafito expandible. En este método, el grafito natural en escamas se mezcla con el oxidante y el agente intercalante adecuados, se controla a una temperatura determinada, se agita constantemente, se lava, se filtra y se seca para obtener grafito expandible. El método de oxidación química se ha consolidado en la industria gracias a sus ventajas: equipos sencillos, fácil manejo y bajo coste.
Los pasos del proceso de oxidación química incluyen la oxidación y la intercalación. La oxidación del grafito es la condición básica para la formación de grafito expansible, porque si la reacción de intercalación puede proceder sin problemas depende del grado de apertura entre las capas de grafito. Y el grafito natural a temperatura ambiente tiene una excelente estabilidad y resistencia a los ácidos y álcalis, por lo que no reacciona con ácidos ni álcalis, por lo tanto, la adición de oxidante se ha convertido en un componente clave necesario en la oxidación química.
Existen diversos tipos de oxidantes. Los más utilizados son los sólidos (como el permanganato de potasio, el dicromato de potasio, el trióxido de cromo, el clorato de potasio, etc.), y también pueden ser líquidos (como el peróxido de hidrógeno y el ácido nítrico). En los últimos años, se ha comprobado que el permanganato de potasio es el principal oxidante en la preparación de grafito expandible.
Bajo la acción del oxidante, el grafito se oxida y las macromoléculas de la red neutra en la capa de grafito se convierten en macromoléculas planas con carga positiva. Debido al efecto repulsivo de la misma carga positiva, la distancia entre las capas de grafito aumenta, lo que proporciona un canal y espacio para que el intercalador penetre suavemente en la capa de grafito. En el proceso de preparación del grafito expandible, el agente intercalante es principalmente ácido. En los últimos años, los investigadores utilizan principalmente ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido perclórico, ácido mixto y ácido acético glacial.
El método electroquímico se basa en una corriente constante, con la solución acuosa del inserto como electrolito, el grafito y los materiales metálicos (acero inoxidable, platino, plomo, titanio, etc.) constituyen un ánodo compuesto, y los materiales metálicos se insertan en el electrolito como cátodo, formando un bucle cerrado. O bien, el grafito suspendido en el electrolito se inserta simultáneamente en las placas negativa y positiva, a través de los dos electrodos, lo que se conoce como oxidación anódica. La superficie del grafito se oxida a carbocatión. Al mismo tiempo, bajo la acción combinada de la atracción electrostática y la difusión por diferencia de concentración, los iones ácidos u otros iones polares intercalantes se incrustan entre las capas de grafito para formar grafito expansible.
En comparación con el método de oxidación química, el método electroquímico para la preparación de grafito expansible en todo el proceso sin el uso de oxidante, la cantidad de tratamiento es grande, la cantidad residual de sustancias corrosivas es pequeña, el electrolito se puede reciclar después de la reacción, la cantidad de ácido se reduce, se ahorran costos, se reduce la contaminación ambiental, el daño al equipo es bajo y se extiende la vida útil. En los últimos años, el método electroquímico se ha convertido gradualmente en el método preferido para preparar grafito expansible por muchas empresas con muchas ventajas.
El método de difusión en fase gaseosa consiste en producir grafito expansible poniendo en contacto el intercalador con grafito en forma gaseosa y provocando una reacción de intercalación. Generalmente, el grafito y el inserto se colocan en ambos extremos del reactor de vidrio resistente al calor, y se bombea y sella el vacío, por lo que también se conoce como el método de dos cámaras. Este método se utiliza a menudo para sintetizar haluro -EG y metal alcalino -EG en la industria.
Ventajas: se puede controlar la estructura y el orden del reactor y los reactivos y productos se pueden separar fácilmente.
Desventajas: el dispositivo de reacción es más complejo, la operación es más difícil, por lo que la producción es limitada y la reacción debe llevarse a cabo en condiciones de alta temperatura, el tiempo es más largo y las condiciones de reacción son muy altas, el entorno de preparación debe ser vacío, por lo que el costo de producción es relativamente alto, no es adecuado para aplicaciones de producción a gran escala.
El método de fase líquida mixta consiste en mezclar directamente el material insertado con grafito, protegiendo la movilidad de un gas inerte o un sistema de sellado para la reacción de calentamiento y así preparar grafito expandible. Se utiliza comúnmente para la síntesis de compuestos interlaminares de metal alcalino y grafito (CIV).
Ventajas: El proceso de reacción es simple, la velocidad de reacción es rápida, al cambiar la proporción de materias primas de grafito e insertos se puede alcanzar una determinada estructura y composición de grafito expandible, más adecuado para la producción en masa.
Desventajas: El producto formado es inestable, es difícil manejar la sustancia insertada libre adherida a la superficie de los GIC y es difícil asegurar la consistencia de los compuestos interlamelares de grafito cuando se produce una gran cantidad de síntesis.
El método de fusión consiste en mezclar grafito con material intercalante y calentar para preparar grafito expansible. Basado en el hecho de que los componentes eutécticos pueden reducir el punto de fusión del sistema (por debajo del punto de fusión de cada componente), es un método para la preparación de GIC ternarios o multicomponentes insertando dos o más sustancias (que deben ser capaces de formar un sistema de sal fundida) entre capas de grafito simultáneamente. Generalmente se utiliza en la preparación de cloruros metálicos - GIC.
Ventajas: El producto de síntesis tiene buena estabilidad, fácil de lavar, dispositivo de reacción simple, baja temperatura de reacción, tiempo corto, adecuado para producción a gran escala.
Desventajas: es difícil controlar la estructura del orden y la composición del producto en el proceso de reacción, y es difícil asegurar la consistencia de la estructura del orden y la composición del producto en la síntesis en masa.
El método presurizado consiste en mezclar una matriz de grafito con polvo de metal alcalinotérreo y metal de tierras raras y reaccionar para producir M-GICS en condiciones presurizadas.
Desventajas: Solo cuando la presión de vapor del metal excede un cierto umbral, se puede llevar a cabo la reacción de inserción; sin embargo, la temperatura es demasiado alta, es fácil hacer que el metal y el grafito formen carburos, reacción negativa, por lo que la temperatura de reacción debe regularse en un rango cierto. La temperatura de inserción de los metales de tierras raras es muy alta, por lo que se debe aplicar presión para reducir la temperatura de reacción. Este método es adecuado para la preparación de GICS metálicos con bajo punto de fusión, pero el dispositivo es complicado y los requisitos de operación son estrictos, por lo que rara vez se usa ahora.
El método explosivo generalmente utiliza grafito y un agente de expansión como KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O piropiros o mezclas preparadas, cuando se calienta, el grafito se oxidará simultáneamente y reaccionará con el compuesto de cambium, que luego se expande de manera "explosiva", obteniendo así grafito expandido. Cuando se utiliza una sal metálica como agente de expansión, el producto es más complejo, que no solo tiene grafito expandido, sino también metal.
