Phương pháp oxy hóa hóa học là một phương pháp truyền thống để điều chế than chì giãn nở. Trong phương pháp này, than chì dạng vảy tự nhiên được trộn với chất oxy hóa và chất xen kẽ thích hợp, được kiểm soát ở nhiệt độ nhất định, khuấy liên tục, sau đó rửa, lọc và sấy khô để thu được than chì giãn nở. Phương pháp oxy hóa hóa học đã trở thành một phương pháp tương đối hoàn thiện trong công nghiệp với những ưu điểm như thiết bị đơn giản, vận hành thuận tiện và chi phí thấp.
Các bước của quá trình oxy hóa hóa học bao gồm oxy hóa và xen kẽ. Quá trình oxy hóa than chì là điều kiện cơ bản để hình thành than chì giãn nở, bởi vì phản ứng xen kẽ có thể diễn ra suôn sẻ hay không phụ thuộc vào mức độ mở giữa các lớp than chì. Và than chì tự nhiên ở nhiệt độ phòng có độ ổn định tuyệt vời và khả năng chống axit và kiềm, do đó nó không phản ứng với axit và kiềm, vì vậy, việc thêm chất oxy hóa đã trở thành một thành phần quan trọng cần thiết trong quá trình oxy hóa hóa học.
Có nhiều loại chất oxy hóa, nhìn chung các chất oxy hóa được sử dụng là chất oxy hóa rắn (như kali permanganat, kali dicromat, crom trioxit, kali clorat, v.v.), cũng có thể là một số chất oxy hóa lỏng (như hydro peroxide, axit nitric, v.v.). Trong những năm gần đây, người ta phát hiện ra rằng kali permanganat là chất oxy hóa chính được sử dụng trong việc chế tạo than chì giãn nở.
Dưới tác dụng của chất oxy hóa, than chì bị oxy hóa và các đại phân tử mạng trung tính trong lớp than chì trở thành các đại phân tử phẳng mang điện tích dương. Do tác dụng đẩy của các điện tích dương cùng dấu, khoảng cách giữa các lớp than chì tăng lên, tạo ra kênh và không gian cho chất xen kẽ dễ dàng đi vào lớp than chì. Trong quá trình điều chế than chì giãn nở, chất xen kẽ chủ yếu là axit. Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng axit sulfuric, axit nitric, axit phosphoric, axit perchloric, hỗn hợp axit và axit axetic băng.
Phương pháp điện hóa sử dụng dòng điện không đổi, với dung dịch nước của vật liệu chèn làm chất điện phân, than chì và các vật liệu kim loại (thép không gỉ, tấm bạch kim, tấm chì, tấm titan, v.v.) tạo thành cực dương hỗn hợp, vật liệu kim loại được chèn vào chất điện phân làm cực âm, tạo thành một vòng kín; hoặc than chì được treo trong chất điện phân, đồng thời được chèn vào giữa cực âm và cực dương, thông qua phương pháp cấp điện cho hai điện cực, quá trình oxy hóa anot diễn ra. Bề mặt than chì bị oxy hóa thành carbocation. Đồng thời, dưới tác động kết hợp của lực hút tĩnh điện và khuếch tán chênh lệch nồng độ, các ion axit hoặc các ion phân cực khác được đưa vào giữa các lớp than chì để tạo thành than chì giãn nở.
So với phương pháp oxy hóa hóa học, phương pháp điện hóa để điều chế than chì giãn nở trong toàn bộ quá trình không sử dụng chất oxy hóa, lượng vật liệu cần xử lý lớn, lượng chất ăn mòn còn lại nhỏ, dung dịch điện phân có thể được tái chế sau phản ứng, lượng axit giảm, chi phí tiết kiệm, ô nhiễm môi trường giảm, hư hỏng thiết bị thấp và tuổi thọ được kéo dài. Trong những năm gần đây, phương pháp điện hóa dần trở thành phương pháp được nhiều doanh nghiệp ưu tiên lựa chọn để điều chế than chì giãn nở với nhiều ưu điểm.
Phương pháp khuếch tán pha khí là phương pháp sản xuất than chì giãn nở bằng cách cho chất xen kẽ tiếp xúc với than chì ở dạng khí và thực hiện phản ứng xen kẽ. Thông thường, than chì và chất xen kẽ được đặt ở hai đầu của lò phản ứng thủy tinh chịu nhiệt, sau đó hút chân không và bịt kín, vì vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp hai buồng. Phương pháp này thường được sử dụng để tổng hợp halogenua-EG và kim loại kiềm-EG trong công nghiệp.
Ưu điểm: cấu trúc và thứ tự hoạt động của lò phản ứng có thể được kiểm soát, và các chất phản ứng và sản phẩm có thể dễ dàng được tách ra.
Nhược điểm: thiết bị phản ứng phức tạp hơn, thao tác khó khăn hơn, do đó sản lượng bị hạn chế, phản ứng phải được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao, thời gian dài hơn, điều kiện phản ứng rất khắc nghiệt, môi trường chuẩn bị phải là chân không, vì vậy chi phí sản xuất tương đối cao, không phù hợp cho các ứng dụng sản xuất quy mô lớn.
Phương pháp pha lỏng hỗn hợp là phương pháp trộn trực tiếp vật liệu cần thêm vào với than chì, dưới sự bảo vệ của khí trơ hoặc hệ thống kín để phản ứng gia nhiệt nhằm điều chế than chì giãn nở. Phương pháp này thường được sử dụng để tổng hợp các hợp chất liên lớp kim loại kiềm-than chì (GICs).
Ưu điểm: Quá trình phản ứng đơn giản, tốc độ phản ứng nhanh, bằng cách thay đổi tỷ lệ nguyên liệu than chì và chất phụ gia có thể đạt được cấu trúc và thành phần nhất định của than chì giãn nở, phù hợp hơn cho sản xuất hàng loạt.
Nhược điểm: Sản phẩm tạo thành không ổn định, khó xử lý các chất được chèn tự do bám trên bề mặt của GIC, và khó đảm bảo tính nhất quán của các hợp chất giữa các lớp graphit khi tổng hợp với số lượng lớn.
Phương pháp nóng chảy là trộn than chì với vật liệu xen kẽ và nung nóng để điều chế than chì giãn nở. Dựa trên thực tế là các thành phần eutectic có thể làm giảm điểm nóng chảy của hệ thống (xuống dưới điểm nóng chảy của từng thành phần), đây là phương pháp điều chế GIC ba thành phần hoặc đa thành phần bằng cách chèn đồng thời hai hoặc nhiều chất (phải có khả năng tạo thành hệ muối nóng chảy) giữa các lớp than chì. Thường được sử dụng trong điều chế clorua kim loại - GIC.
Ưu điểm: Sản phẩm tổng hợp có độ ổn định tốt, dễ rửa, thiết bị phản ứng đơn giản, nhiệt độ phản ứng thấp, thời gian ngắn, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
Nhược điểm: Khó kiểm soát cấu trúc và thành phần sản phẩm trong quá trình phản ứng, và khó đảm bảo tính nhất quán của cấu trúc và thành phần sản phẩm trong sản xuất hàng loạt.
Phương pháp áp suất cao là trộn ma trận than chì với bột kim loại kiềm thổ và kim loại đất hiếm, sau đó cho phản ứng để tạo ra M-GICS trong điều kiện áp suất cao.
Nhược điểm: Phản ứng chèn chỉ có thể được thực hiện khi áp suất hơi của kim loại vượt quá một ngưỡng nhất định; Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao dễ gây ra hiện tượng kim loại và graphit tạo thành cacbua, phản ứng âm tính, do đó nhiệt độ phản ứng phải được điều chỉnh trong một phạm vi nhất định. Nhiệt độ chèn của kim loại đất hiếm rất cao, vì vậy cần phải tác dụng áp suất để giảm nhiệt độ phản ứng. Phương pháp này thích hợp cho việc điều chế GICS kim loại có điểm nóng chảy thấp, nhưng thiết bị phức tạp và yêu cầu vận hành nghiêm ngặt, vì vậy hiện nay nó ít được sử dụng.
Phương pháp nổ thường sử dụng than chì và chất giãn nở như KClO4, Mg(ClO4)2·nH2O, Zn(NO3)2·nH2O hoặc hỗn hợp được điều chế. Khi nung nóng, than chì sẽ đồng thời trải qua phản ứng oxy hóa và xen kẽ với hợp chất cacbonat, sau đó giãn nở theo kiểu "nổ", tạo ra than chì giãn nở. Khi sử dụng muối kim loại làm chất giãn nở, sản phẩm sẽ phức tạp hơn, không chỉ có than chì giãn nở mà còn có cả kim loại.
