L'oxydation chimique est une méthode traditionnelle de préparation du graphite expansible. Dans ce procédé, le graphite lamellaire naturel est mélangé à un oxydant et un agent intercalant appropriés, maintenu à une température donnée, constamment agité, puis lavé, filtré et séché pour obtenir du graphite expansible. L'oxydation chimique est devenue une méthode relativement mature dans l'industrie, offrant les avantages d'un équipement simple, d'une utilisation pratique et d'un faible coût.
Les étapes du processus d'oxydation chimique comprennent l'oxydation et l'intercalation. L'oxydation du graphite est la condition de base pour la formation de graphite expansible, car le bon déroulement de la réaction d'intercalation dépend du degré d'ouverture entre les couches de graphite. Et le graphite naturel à température ambiante a une excellente stabilité et une résistance aux acides et aux alcalis, il ne réagit donc pas avec les acides et les alcalis, par conséquent, l'ajout d'oxydant est devenu un élément clé nécessaire dans l'oxydation chimique.
Il existe de nombreux types d'oxydants. Les oxydants généralement utilisés sont solides (tels que le permanganate de potassium, le dichromate de potassium, le trioxyde de chrome, le chlorate de potassium, etc.), et peuvent également être liquides (tels que le peroxyde d'hydrogène, l'acide nitrique, etc.). Ces dernières années, le permanganate de potassium est devenu le principal oxydant utilisé dans la préparation du graphite expansible.
Sous l'action de l'oxydant, le graphite s'oxyde et les macromolécules du réseau neutre de la couche de graphite se transforment en macromolécules planes chargées positivement. Grâce à l'effet répulsif de cette même charge positive, la distance entre les couches de graphite augmente, créant ainsi un canal et un espace permettant à l'intercalant de pénétrer en douceur dans la couche de graphite. Dans la préparation du graphite expansible, l'agent intercalant est principalement acide. Ces dernières années, les chercheurs ont principalement utilisé l'acide sulfurique, l'acide nitrique, l'acide phosphorique, l'acide perchlorique, l'acide mixte et l'acide acétique glacial.
La méthode électrochimique utilise un courant constant, utilisant une solution aqueuse d'un insert comme électrolyte. Le graphite et des matériaux métalliques (acier inoxydable, plaque de platine, plaque de plomb, plaque de titane, etc.) constituent une anode composite. Les matériaux métalliques sont insérés dans l'électrolyte comme cathode, formant ainsi une boucle fermée. Le graphite est également suspendu dans l'électrolyte, inséré simultanément dans les plaques négative et positive. Les deux électrodes sont alimentées par la méthode d'oxydation anodique. La surface du graphite est oxydée en carbocation. Parallèlement, sous l'action combinée de l'attraction électrostatique et de la diffusion différentielle de concentration, des ions acides ou d'autres ions intercalaires polaires s'incrustent entre les couches de graphite pour former du graphite expansible.
Par rapport à la méthode d'oxydation chimique, la méthode électrochimique pour la préparation du graphite expansible dans l'ensemble du processus sans utilisation d'oxydant, la quantité de traitement est importante, la quantité résiduelle de substances corrosives est faible, l'électrolyte peut être recyclé après la réaction, la quantité d'acide est réduite, le coût est économisé, la pollution de l'environnement est réduite, les dommages à l'équipement sont faibles et la durée de vie est prolongée. Ces dernières années, la méthode électrochimique est progressivement devenue la méthode préférée pour la préparation du graphite expansible par de nombreuses entreprises avec de nombreux avantages.
La méthode de diffusion en phase gazeuse consiste à produire du graphite expansible en mettant en contact l'intercalateur avec du graphite sous forme gazeuse et en intercalant la réaction. Généralement, le graphite et l'insert sont placés aux deux extrémités du réacteur en verre résistant à la chaleur, et le vide est pompé et scellé, c'est pourquoi il est également connu sous le nom de méthode à deux chambres. Cette méthode est souvent utilisée pour synthétiser l'halogénure -EG et le métal alcalin -EG dans l'industrie.
Avantages : la structure et l’ordre du réacteur peuvent être contrôlés, et les réactifs et les produits peuvent être facilement séparés.
Inconvénients : le dispositif de réaction est plus complexe, l'opération est plus difficile, donc le rendement est limité, et la réaction doit être effectuée dans des conditions de température élevée, le temps est plus long et les conditions de réaction sont très élevées, l'environnement de préparation doit être sous vide, donc le coût de production est relativement élevé, ne convient pas aux applications de production à grande échelle.
La méthode en phase liquide mixte consiste à mélanger directement le matériau inséré avec du graphite, sous la protection d'un gaz inerte ou d'un système d'étanchéité, pour une réaction de chauffage et la préparation de graphite expansible. Elle est couramment utilisée pour la synthèse de composés interlaminaires métal alcalin-graphite (CGI).
Avantages : Le processus de réaction est simple, la vitesse de réaction est rapide, en modifiant le rapport des matières premières en graphite et des inserts, on peut atteindre une certaine structure et composition de graphite expansible, plus adaptée à la production de masse.
Inconvénients : Le produit formé est instable, il est difficile de traiter la substance insérée libre attachée à la surface des GIC et il est difficile d'assurer la cohérence des composés interlamellaires de graphite lorsqu'un grand nombre de synthèses.
La méthode de fusion consiste à mélanger du graphite avec un matériau intercalaire et à chauffer pour préparer du graphite expansible. Basé sur le fait que les composants eutectiques peuvent abaisser le point de fusion du système (en dessous du point de fusion de chaque composant), il s'agit d'une méthode de préparation de GIC ternaires ou multicomposants en insérant deux ou plusieurs substances (qui doivent pouvoir former un système de sel fondu) entre les couches de graphite simultanément. Généralement utilisé dans la préparation de chlorures métalliques - GIC.
Avantages : Le produit de synthèse a une bonne stabilité, est facile à laver, dispose d'un dispositif de réaction simple, d'une basse température de réaction, d'un temps court, adapté à la production à grande échelle.
Inconvénients : il est difficile de contrôler la structure de l'ordre et la composition du produit dans le processus de réaction, et il est difficile d'assurer la cohérence de la structure de l'ordre et de la composition du produit dans la synthèse de masse.
La méthode sous pression consiste à mélanger une matrice de graphite avec de la poudre de métal alcalino-terreux et de métal des terres rares et à réagir pour produire du M-GICS dans des conditions de pression.
Inconvénients : Ce n'est que lorsque la pression de vapeur du métal dépasse un certain seuil que la réaction d'insertion peut être effectuée ; Cependant, la température est trop élevée, ce qui peut facilement provoquer la formation de carbures entre le métal et le graphite, une réaction négative, de sorte que la température de réaction doit être régulée dans une certaine plage. La température d'insertion des métaux des terres rares est très élevée, il faut donc appliquer une pression pour réduire la température de réaction. Cette méthode convient à la préparation de GICS métalliques à bas point de fusion, mais le dispositif est compliqué et les exigences de fonctionnement sont strictes, de sorte qu'il est rarement utilisé actuellement.
La méthode explosive utilise généralement du graphite et un agent d'expansion tel que KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O pyropyros ou des mélanges préparés, lorsqu'il est chauffé, le graphite s'oxydera et intercalera simultanément le composé de cambium, qui est ensuite expansé de manière « explosive », obtenant ainsi du graphite expansé. Lorsque le sel métallique est utilisé comme agent d'expansion, le produit est plus complexe, qui contient non seulement du graphite expansé, mais également du métal.
