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 un oxidante y un agente intercalante adecuados, se mantiene a una temperatura controlada, se agita constantemente, se lava, se filtra y se seca para obtener grafito expandible. El método de oxidación química se ha consolidado como un método relativamente maduro en la industria, gracias a sus ventajas: equipos sencillos, fácil operación y bajo costo.
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 expandible, ya que el desarrollo adecuado de la reacción de intercalación depende del grado de apertura entre las capas de grafito. El grafito natural a temperatura ambiente posee una excelente estabilidad y resistencia a ácidos y álcalis, por lo que no reacciona con ellos; por lo tanto, la adición de un oxidante se ha convertido en un componente clave necesario en la oxidación química.
Existen diversos tipos de oxidantes; generalmente se utilizan oxidantes sólidos (como permanganato de potasio, dicromato de potasio, trióxido de cromo, clorato de potasio, etc.), aunque también pueden emplearse oxidantes líquidos (como peróxido de hidrógeno, ácido nítrico, etc.). En los últimos años, se ha constatado que el permanganato de potasio es el principal oxidante utilizado en la preparación de grafito expandible.
Bajo la acción de un 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 estas cargas positivas, la distancia entre las capas de grafito aumenta, lo que proporciona un canal y espacio para que el intercalante penetre sin problemas en la capa de grafito. En el proceso de preparación del grafito expandible, el agente intercalante es principalmente un ácido. En los últimos años, los investigadores han utilizado principalmente ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido perclórico, ácidos mixtos y ácido acético glacial.
El método electroquímico se basa en una corriente constante, donde la solución acuosa del inserto actúa como electrolito. El grafito y los materiales metálicos (acero inoxidable, platino, plomo, titanio, etc.) forman un ánodo compuesto, y los materiales metálicos se insertan en el electrolito como cátodo, formando un circuito cerrado. Otra opción es suspender el grafito en el electrolito, insertándolo simultáneamente en las placas positiva y negativa. Mediante la energización de ambos electrodos, se produce una 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 intercalantes polares se insertan entre las capas de grafito para formar grafito expandible.
En comparación con el método de oxidación química, el método electroquímico para la preparación de grafito expandible, en todo el proceso, no utiliza oxidantes. La cantidad de tratamiento es mayor, la cantidad residual de sustancias corrosivas es menor, el electrolito se puede reciclar después de la reacción, se reduce la cantidad de ácido, se ahorran costos, se reduce la contaminación ambiental, el daño a los equipos es mínimo y se prolonga la vida útil. En los últimos años, el método electroquímico se ha convertido gradualmente en el método preferido para la preparación de grafito expandible por muchas empresas, debido a sus numerosas ventajas.
El método de difusión en fase gaseosa consiste en producir grafito expandible poniendo en contacto el intercalador con el grafito en estado gaseoso y mediante una reacción de intercalación. Generalmente, el grafito y el inserto se colocan en ambos extremos del reactor de vidrio resistente al calor, se realiza un vacío y se sella, por lo que también se conoce como el método de dos cámaras. Este método se utiliza a menudo en la industria para sintetizar grafito expandible (EG) de haluro y de metales alcalinos.
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 prolongado y las condiciones de reacción son muy elevadas, el entorno de preparación debe ser al 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, bajo la protección de una atmósfera de gas inerte o un sistema de sellado para calentar la reacción y preparar grafito expandible. Se utiliza comúnmente para la síntesis de compuestos interlaminares de metal alcalino-grafito (GIC).
Ventajas: El proceso de reacción es sencillo, la velocidad de reacción es rápida y, al cambiar la proporción de materias primas de grafito e insertos, se puede lograr una determinada estructura y composición de grafito expandible, más adecuada para la producción en masa.
Desventajas: El producto formado es inestable, es difícil tratar la sustancia insertada libre adherida a la superficie de los compuestos de grafito interlaminares (GIC) y es difícil garantizar la consistencia de los compuestos interlaminares de grafito cuando se realiza una síntesis en gran cantidad.
El método de fusión consiste en mezclar grafito con material intercalante y calentarlo para preparar grafito expandible. 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 mediante la inserción simultánea de dos o más sustancias (que deben ser capaces de formar un sistema de sal fundida) entre capas de grafito. Generalmente se utiliza en la preparación de cloruros metálicos (GIC).
Ventajas: El producto de síntesis tiene buena estabilidad, es fácil de lavar, requiere un dispositivo de reacción sencillo, baja temperatura de reacción, tiempo corto y es adecuado para la producción a gran escala.
Desventajas: es difícil controlar la estructura y composición del producto durante el proceso de reacción, y es difícil garantizar la consistencia de la estructura y composición del producto en la síntesis a gran escala.
El método presurizado consiste en mezclar una matriz de grafito con polvo de metal alcalinotérreo y metal de tierras raras y hacerla reaccionar para producir M-GICS en condiciones de presión.
Desventajas: La reacción de inserción solo puede llevarse a cabo cuando la presión de vapor del metal supera un cierto umbral; sin embargo, la temperatura es demasiado alta, lo que puede provocar la formación de carburos entre el metal y el grafito, una reacción negativa, por lo que la temperatura de reacción debe regularse dentro de un rango determinado. La temperatura de inserción de los metales de tierras raras es muy alta, por lo que se debe aplicar presión para reducirla. Este método es adecuado para la preparación de GICS metálicos con bajo punto de fusión, pero el dispositivo es complejo y los requisitos de operación son estrictos, por lo que actualmente se utiliza con poca frecuencia.
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 y reaccionará simultáneamente 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.
