Il metodo di ossidazione chimica è un metodo tradizionale per la preparazione della grafite espandibile. In questo metodo, la grafite naturale in scaglie viene miscelata con un ossidante e un agente intercalante appropriati, mantenuta a una certa temperatura, costantemente agitata, lavata, filtrata ed essiccata per ottenere la grafite espandibile. Il metodo di ossidazione chimica è diventato un metodo relativamente maturo nell'industria, grazie ai vantaggi di apparecchiature semplici, funzionamento pratico e costi contenuti.
Le fasi del processo di ossidazione chimica includono l'ossidazione e l'intercalazione. L'ossidazione della grafite è la condizione fondamentale per la formazione di grafite espandibile, poiché il regolare svolgimento della reazione di intercalazione dipende dal grado di apertura tra gli strati di grafite. La grafite naturale a temperatura ambiente ha un'eccellente stabilità e resistenza agli acidi e agli alcali, quindi non reagisce con acidi e alcali; pertanto, l'aggiunta di ossidante è diventata un componente chiave necessario nell'ossidazione chimica.
Esistono molti tipi di ossidanti. Generalmente, quelli utilizzati sono ossidanti solidi (come permanganato di potassio, bicromato di potassio, triossido di cromo, clorato di potassio, ecc.), ma possono anche essere ossidanti liquidi ossidanti (come perossido di idrogeno, acido nitrico, ecc.). Negli ultimi anni, si è scoperto che il permanganato di potassio è il principale ossidante utilizzato nella preparazione della grafite espandibile.
Sotto l'azione dell'ossidante, la grafite viene ossidata e le macromolecole a rete neutra presenti nello strato di grafite si trasformano in macromolecole planari con carica positiva. A causa dell'effetto repulsivo della stessa carica positiva, la distanza tra gli strati di grafite aumenta, creando un canale e uno spazio che consentono all'intercalante di penetrare agevolmente nello strato di grafite. Nel processo di preparazione della grafite espandibile, l'agente intercalante è principalmente acido. Negli ultimi anni, i ricercatori utilizzano principalmente acido solforico, acido nitrico, acido fosforico, acido perclorico, acidi misti e acido acetico glaciale.
Il metodo elettrochimico, in corrente costante, utilizza la soluzione acquosa dell'inserto come elettrolita; grafite e materiali metallici (acciaio inossidabile, piastra di platino, piastra di piombo, piastra di titanio, ecc.) costituiscono un anodo composito, mentre i materiali metallici inseriti nell'elettrolita fungono da catodo, formando un circuito chiuso. In alternativa, la grafite sospesa nell'elettrolita, inserita contemporaneamente nella piastra negativa e positiva, viene energizzata attraverso i due elettrodi, tramite il metodo dell'ossidazione anodica. La superficie della grafite viene ossidata a carbocatione. Contemporaneamente, sotto l'azione combinata dell'attrazione elettrostatica e della diffusione per differenza di concentrazione, ioni acidi o altri ioni intercalanti polari si inseriscono tra gli strati di grafite, formando grafite espandibile.
Rispetto al metodo di ossidazione chimica, il metodo elettrochimico per la preparazione di grafite espandibile nell'intero processo senza l'uso di ossidante, la quantità di trattamento è grande, la quantità residua di sostanze corrosive è piccola, l'elettrolita può essere riciclato dopo la reazione, la quantità di acido è ridotta, i costi sono risparmiati, l'inquinamento ambientale è ridotto, i danni alle apparecchiature sono bassi e la durata è prolungata. Negli ultimi anni, il metodo elettrochimico è gradualmente diventato il metodo preferito per la preparazione di grafite espandibile da parte di molte aziende con molti vantaggi.
Il metodo di diffusione in fase gassosa consiste nel produrre grafite espandibile mettendo a contatto l'intercalante con la grafite in forma gassosa e innescando la reazione di intercalazione. Generalmente, la grafite e l'inserto vengono posizionati a entrambe le estremità del reattore in vetro resistente al calore e il vuoto viene pompato e sigillato, per questo è noto anche come metodo a due camere. Questo metodo è spesso utilizzato per sintetizzare alogenuri -EG e metalli alcalini -EG nell'industria.
Vantaggi: è possibile controllare la struttura e l'ordine del reattore e separare facilmente i reagenti dai prodotti.
Svantaggi: il dispositivo di reazione è più complesso, il funzionamento è più difficile, quindi la produzione è limitata e la reazione deve essere eseguita in condizioni di alta temperatura, il tempo è più lungo e le condizioni di reazione sono molto elevate, l'ambiente di preparazione deve essere sotto vuoto, quindi il costo di produzione è relativamente alto, non adatto per applicazioni di produzione su larga scala.
Il metodo in fase liquida mista consiste nel miscelare direttamente il materiale inserito con la grafite, sotto la protezione della mobilità di un gas inerte o di un sistema di tenuta per la reazione di riscaldamento, al fine di preparare grafite espandibile. È comunemente utilizzato per la sintesi di composti interlaminari di grafite e metallo alcalino (GIC).
Vantaggi: il processo di reazione è semplice, la velocità di reazione è elevata, modificando il rapporto tra materie prime e inserti in grafite è possibile raggiungere una determinata struttura e composizione di grafite espandibile, più adatta alla produzione di massa.
Svantaggi: il prodotto formato è instabile, è difficile gestire la sostanza libera inserita attaccata alla superficie dei GIC ed è difficile garantire la consistenza dei composti interlamellari di grafite quando si effettua un gran numero di sintesi.
Il metodo di fusione consiste nel mescolare la grafite con materiale intercalante e riscaldare per preparare grafite espandibile. Basato sul fatto che i componenti eutettici possono abbassare il punto di fusione del sistema (al di sotto del punto di fusione di ciascun componente), si tratta di un metodo per la preparazione di GIC ternari o multicomponenti inserendo simultaneamente due o più sostanze (che devono essere in grado di formare un sistema di sali fusi) tra strati di grafite. Generalmente utilizzato nella preparazione di cloruri metallici - GIC.
Vantaggi: il prodotto di sintesi ha un'ottima stabilità, è facile da lavare, ha un dispositivo di reazione semplice, una bassa temperatura di reazione, tempi brevi, è adatto alla produzione su larga scala.
Svantaggi: è difficile controllare la struttura dell'ordine e la composizione del prodotto nel processo di reazione, ed è difficile garantire la coerenza della struttura dell'ordine e della composizione del prodotto nella sintesi di massa.
Il metodo pressurizzato consiste nel mescolare una matrice di grafite con polvere di metallo alcalino-terroso e di terre rare e far reagire per produrre M-GICS in condizioni di pressione.
Svantaggi: solo quando la pressione di vapore del metallo supera una certa soglia, è possibile eseguire la reazione di inserimento; tuttavia, la temperatura è troppo elevata, è facile che metallo e grafite formino carburi, reazione negativa, quindi la temperatura di reazione deve essere regolata in un certo intervallo. La temperatura di inserimento dei metalli delle terre rare è molto elevata, quindi è necessario applicare una pressione per ridurre la temperatura di reazione. Questo metodo è adatto per la preparazione di metalli-GICS con basso punto di fusione, ma il dispositivo è complicato e i requisiti operativi sono rigorosi, quindi ora è raramente utilizzato.
Il metodo esplosivo generalmente utilizza grafite e agenti di espansione come KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O piropiro o miscele preparate; quando viene riscaldata, la grafite subisce contemporaneamente una reazione di ossidazione e intercalazione del composto cambiale, che viene quindi espanso in modo "esplosivo", ottenendo così grafite espansa. Quando viene utilizzato un sale metallico come agente di espansione, il prodotto è più complesso, in quanto contiene non solo grafite espansa, ma anche metallo.
