可膨胀石墨是碳原子层与插层物质的原子相互作用，形成的一种新型碳素材料。膨胀石墨则是可膨胀石墨经过高温分解膨化，沿石墨层间c轴方向延展成的蠕虫状石墨，其在环境保护、军事、高能电池材料、载体材料及生物医学等领域有广阔的应用前景。
目前，制备可膨胀石墨工艺仍存在膨胀体积小、氧化剂用量多、不易洗涤、蠕虫效果不好等问题。本试验以莫桑比克安夸贝（Ancuabe）矿区大鳞片石墨浮选精矿制得的高碳石墨为原料，考察氧化剂、插层剂、反应温度和时间等工艺条件对石墨膨胀效果的影响。
1、可膨胀石墨的制备
高纯石墨：以莫桑比克安夸贝（Ancuabe）矿区大鳞片石墨矿浮选精矿为原料，筛分后得到+180μm粒级产物，采用HF-HNO3混酸法提纯，制得固定碳含量为99.58%的高纯石墨。
可膨胀石墨：称取3g高碳大鳞片石墨，加入一定量的K2Cr2O7/HClO4/H3PO4氧化插层剂，搅拌均匀后，放在一定温度下的水浴锅中，反应一段时间，洗涤至中性，烘干制得可膨胀石墨。
2、氧化插层剂种类对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，重铬酸钾0.3g，高氯酸15mL，磷酸5mL，烘干温度60℃，反应温度40℃，时间1h。
表1 氧化插层剂种类对膨胀体积的影响
当氧化插层剂为K2Cr2O7/HClO4/H3PO4时，石墨膨胀效果更好。K2Cr2O7作为氧化剂与天然鳞片石墨发生反应，破坏石墨层间的范德华力，为插层剂的插入提供了空间条件。HClO4提供酸性环境的同时，又作为氧化剂和插层剂，能够促进石墨层间的打开。H3PO4作为大基团插层剂，电离生成的H2PO4-、HPO42-和PO43-填充在氧化石墨层间，协助进一步扩大层间距离。
3、重铬酸钾用量对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，高氯酸15mL，磷酸5mL，烘干温度60℃，反应温度40℃，时间1h。改变重铬酸钾与石墨的质量比为0.07:1、0.1:1、0.13:1、0.17:1和0.2:1。
图1 重铬酸钾用量对石墨膨胀体积的影响
由上图可知，当重铬酸钾与石墨的质量比为0.1时，膨胀体积最大320mL/g。重铬酸钾与石墨的质量比小于0.1，氧化剂用量不足，石墨分子层打开不充分，使插层剂基团在石墨层间填充较少；重铬酸钾与石墨的质量比大于0.1，氧化剂用量过多，造成石墨的过氧化，使其碳原子层钝化，亦不利于插层剂进入。
4、高氯酸用量对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，重铬酸钾0.3g，磷酸5mL，烘干温度60℃，反应温度40℃，时间1h。改变高氯酸与石墨的体积质量比（mL/g）为3:1、3.67:1、4.33:1、5:1和5.67:1。
图2 高氯酸用量对石墨膨胀体积的影响
由上图可知，当高氯酸与石墨的体积质量比为3.67mL/g时，膨胀体积最大330mL/g；高氯酸与石墨的体积质量比小于3.67mL/g，高氯酸用量少，H+提供不足，无法为氧化剂提供充足的酸性环境，氧化插层作用不充分；高氯酸与石墨的体积质量比大于3.67mL/g，溶液体积变大，氧化剂浓度降低，不利于石墨与氧化剂的充分反应。
5、磷酸用量对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，重铬酸钾0.3g，高氯酸11mL，烘干温度60℃，反应温度40℃，时间1h。改变磷酸与石墨的体积质量比为1:1、1.33:1、1.67:1、2:1和2.33:1。
图3 磷酸用量对石墨膨胀体积的影响
由上图可知，当磷酸与石墨的体积质量比为1.33mL/g时，膨胀体积最大330mL/g；磷酸与石墨的体积质量比小于1.33mL/g，插层剂用量不足，石墨层间基团的填充较少；磷酸与石墨的体积质量比大于1.33mL/g，插层剂用量过多，剩余的磷酸基团无法进入填充饱和的石墨层间，而过量的磷酸会增大溶液体积，降低反应浓度，不利于插层反应的进行。
6、反应温度对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，重铬酸钾0.3g，高氯酸11mL，磷酸4mL，烘干温度60℃，时间1h。改变反应温度为20℃、30℃、40℃、50℃和60℃。
图4 反应温度对石墨膨胀体积的影响
由上图可知，反应温度为30℃时，膨胀体积达到340mL/g。升高温度会将热能转换成化学能传递给反应体系，促进氧化插层反应的进行。温度继续升高，膨胀体积增加不明显，还会增加更多能耗。
7、反应时间对石墨膨胀体积的影响
固定试验条件：天然鳞片石墨3g，重铬酸钾0.3g，高氯酸11mL，磷酸4mL，烘干温度60℃，反应温度30℃。改变反应时间为30min、40min、50min、60min和70min。
图5 反应时间对石墨膨胀体积的影响
由上图可知，反应时间为40min时，膨胀体积最大340mL/g。随着时间的增加，反应逐渐完成，膨胀体积增加缓慢。反应达到40min时已接近完成，说明氧化插层反应较快，持续时间较短。
综上所述，采用K2Cr2O7/HClO4/H3PO4作为氧化插层剂，确定工艺条件为：m（石墨）/m（K2Cr2O7）/V（HClO4）/V（H3PO4）=1:0.1:3.67:1.33，反应温度30℃，反应时间40min。
8、膨胀石墨扫描电镜分析
采用扫描电子显微镜对可膨胀石墨和膨胀石墨进行形貌分析。
图6 膨胀石墨扫描电镜SEM照片
从可膨胀石墨的边缘看出，在氧化插层剂的填充下，碳原子层被打开，石墨层间扩张距离变大，且石墨鳞片大，则膨胀生成的蠕虫石墨体积也会较大。
经过膨化分解，生成的膨胀石墨体积大，蠕虫形态好，层状结构明显，链状结构清晰，表面干净，无其他杂质附着。
9、膨胀石墨的发展方向
（1）军用膨胀石墨（吸收电磁波、耐腐蚀）
（2）颗粒膨胀石墨（阻燃涂料）
（3）高起始膨胀温度的膨胀石墨（工程塑料和橡胶的阻燃）
（4）白色可膨胀石墨（表面改性石墨）
（5）低起始膨胀温度、低温膨胀石墨
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