화학적 산화법은 팽창성 흑연을 제조하는 전통적인 방법입니다. 이 방법은 천연 인편상 흑연을 적절한 산화제 및 삽입제와 혼합하고, 일정 온도로 조절하며, 지속적으로 교반하고, 세척, 여과 및 건조하여 팽창성 흑연을 얻는 것입니다. 화학적 산화법은 간단한 장비, 편리한 조작, 그리고 저렴한 비용이라는 장점을 가지고 있어 산업계에서 비교적 성숙한 방법으로 자리 잡았습니다.
화학적 산화의 공정 단계에는 산화와 삽입이 포함됩니다. 흑연의 산화는 팽창성 흑연을 형성하기 위한 기본 조건이며, 삽입 반응이 원활하게 진행될 수 있는지 여부는 흑연 층 사이의 개방 정도에 따라 달라지기 때문입니다. 그리고 천연흑연은 실온에서 안정성과 산, 알칼리 저항성이 뛰어나 산과 알칼리와 반응하지 않으므로 산화제의 첨가는 화학적 산화에 필수적인 핵심 성분이 되었습니다.
산화제에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 사용되는 산화제는 고체 산화제(예: 과망간산칼륨, 중크롬산칼륨, 삼산화크롬, 염소산칼륨 등)이며, 산화성 액체 산화제(예: 과산화수소, 질산 등)도 있습니다. 최근 과망간산칼륨이 팽창성 흑연 제조에 사용되는 주요 산화제임이 밝혀졌습니다.
산화제의 작용으로 흑연은 산화되고, 흑연층 내의 중성 네트워크 거대분자들은 양전하를 띤 평면 거대분자가 됩니다. 동일한 양전하의 반발 효과로 인해 흑연층 사이의 거리가 증가하여, 삽입제가 흑연층 안으로 원활하게 침투할 수 있는 통로와 공간이 형성됩니다. 팽창성 흑연 제조 과정에서 삽입제는 주로 산입니다. 최근 연구자들은 황산, 질산, 인산, 과염소산, 혼합산, 빙초산을 주로 사용합니다.
전기화학적 방법은 일정한 전류를 흐르게 하고, 삽입된 수용액을 전해질로 흑연과 금속 재료(스테인리스강, 백금판, 납판, 티타늄판 등)를 복합 양극으로 사용하고, 금속 재료를 전해질에 삽입하여 폐쇄 루프를 형성합니다. 또는 흑연을 전해질에 현탁시키고, 동시에 전해질의 음극판과 양극판에 삽입하여 두 전극을 통해 전류를 흐르게 하는 양극 산화법을 사용합니다. 흑연 표면은 카보양이온으로 산화됩니다. 동시에 정전기적 인력과 농도차 확산 작용이 결합되어 산성 이온이나 기타 극성 이온이 흑연 층 사이에 삽입되어 팽창성 흑연을 형성합니다.
화학적 산화법과 비교했을 때, 전기화학적 방법은 산화제를 사용하지 않고 전체 공정에서 팽창성 흑연을 제조하며, 처리량이 많고, 부식성 물질의 잔류량이 적고, 반응 후 전해질을 재활용할 수 있으며, 산의 양이 줄어들어 비용이 절감되고, 환경 오염이 줄어들며, 장비 손상이 적고, 수명이 연장됩니다. 최근 몇 년 동안 전기화학적 방법은 많은 장점으로 인해 점차 많은 기업에서 팽창성 흑연을 제조하는 선호하는 방법이 되고 있습니다.
기체상 확산법은 삽입제와 기체 상태의 흑연을 접촉시켜 삽입 반응을 통해 팽창성 흑연을 생성하는 방법입니다. 일반적으로 흑연과 삽입제를 내열 유리 반응기의 양쪽 끝에 놓고 진공 펌프로 밀봉하기 때문에 2챔버법이라고도 합니다. 이 방법은 산업계에서 할로겐화물 -EG와 알칼리 금속 -EG를 합성하는 데 많이 사용됩니다.
장점: 반응기의 구조와 순서를 조절할 수 있으며, 반응물과 생성물을 쉽게 분리할 수 있다.
단점: 반응장치가 복잡하고 조작이 어려워 생산량이 제한적이며, 고온조건에서 반응을 진행해야 하므로 시간이 오래 걸리고 반응조건이 매우 높고, 제조환경이 진공이어야 하므로 생산비용이 비교적 높아 대량생산에 적합하지 않다.
혼합 액상법은 불활성 기체의 이동성 보호 또는 가열 반응을 위한 밀봉 시스템 하에서, 투입된 재료를 흑연과 직접 혼합하여 팽창성 흑연을 제조하는 방법입니다. 이 방법은 알칼리 금속-흑연 층간 화합물(GIC)의 합성에 일반적으로 사용됩니다.
장점: 반응 공정이 간단하고 반응 속도가 빠르며, 흑연 원료와 인서트의 비율을 변경하여 특정 구조와 팽창흑연 조성에 도달할 수 있어 대량 생산에 더욱 적합합니다.
단점: 형성된 생성물이 불안정하고, GIC 표면에 부착된 자유 삽입 물질을 처리하기 어렵고, 대량 합성 시 흑연 층간 화합물의 일관성을 확보하기 어렵습니다.
용융법은 흑연을 삽입 물질과 혼합하고 가열하여 팽창성 흑연을 제조하는 것입니다. 공융 성분이 시스템의 녹는점을 (각 성분의 녹는점보다) 낮출 수 있다는 사실에 근거하여, 두 개 이상의 물질(용융 염 시스템을 형성할 수 있어야 함)을 흑연 층 사이에 동시에 삽입하여 3성분 또는 다성분 GIC를 제조하는 방법입니다. 일반적으로 금속 염화물(GIC)을 제조하는 데 사용됩니다.
장점: 합성산물의 안정성이 좋고, 세척이 용이하며, 반응장치가 간단하고, 반응온도가 낮고, 반응시간이 짧아 대량생산에 적합합니다.
단점: 반응 과정에서 생성물의 순서 구조와 조성을 제어하기 어렵고, 대량 합성 시 생성물의 순서 구조와 조성의 일관성을 확보하기 어렵다.
가압법은 흑연 기지와 알칼리 토금속 및 희토류 금속 분말을 혼합하고 가압 조건 하에서 반응시켜 M-GICS를 생산하는 것입니다.
단점: 금속의 증기압이 일정한 임계값을 초과해야만 삽입 반응이 진행될 수 있다. 그러나 온도가 너무 높아 금속과 흑연이 탄화물을 형성하여 부정적인 반응을 일으키기 쉽기 때문에 반응 온도를 일정한 범위로 조절해야 한다. 희토류 금속의 삽입 온도는 매우 높기 때문에 반응 온도를 낮추기 위해 압력을 가해야 한다. 이 방법은 낮은 녹는점을 가진 금속-GICS를 제조하는 데 적합하지만, 장치가 복잡하고 조작 요구 사항이 엄격하기 때문에 현재는 거의 사용되지 않는다.
폭발법은 일반적으로 흑연과 팽창제인 KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O 피로피로스 또는 혼합물을 사용하여 제조한 다음, 가열하면 흑연이 동시에 산화되고 층간 삽입 반응을 일으켜 형성층 화합물이 생성되고, 이 화합물은 "폭발" 방식으로 팽창하여 팽창된 흑연을 얻습니다. 금속염을 팽창제로 사용하면 제품이 더욱 복잡해지며 팽창된 흑연뿐만 아니라 금속도 생성됩니다.
