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浅述高温抗氧化柔性石墨的制备及应用


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  浅述高温抗氧化柔性石墨的制备及应用。

中国粉体网讯  在深入理解天然石墨的结构、物性的基础上,开发出了一系列基于石墨结构的新材料和新产品,柔性石墨正是其中之一。


柔性石墨的性能特点


柔性石墨(Flexible Graphite,简称FG)通常由天然鳞片石墨制备成的石墨层间化合物经高温膨化而成,与金刚石、碳60、多孔碳、碳纳米管石墨烯等互为同素异形体。柔性石墨不仅保持了天然石墨优异的物理化学特性,同时又具有其特有的高压缩变形和回弹能力、低应力松弛性能和较好的柔软性及密封性。


柔性石墨的物理性质



柔性石墨的应用


由于柔性石墨具有以上的各种特性,它不仅在一般工业中用于制作导电、导热材料,而且在化工、冶金、航空、航天等部门用于制作耐腐蚀设备、隔热材料等。


密封材料


得益于耐化学腐蚀性优良、、温度适用范围广、抗辐射性优良、使用寿命长、密封比压小、摩擦系数低、自润滑性好等系列优势,经过深加工的柔性石墨是一种很好的密封材料,被称为"当代密封之王",被广泛用作垫片、填料环、各种阀门填料等应用在石油化工、核电等密封领域。


环保领域


柔性石墨是种多孔结构的材料,其孔容积占98%左右,具有良好的吸附性能,可被用于治理大气、水体污染。


医学领域


柔性石墨吸附性特别强,尤其是在吸附有机高分子、生物大分子等方面。在医疗方面它能替代传统纱布,作为医疗敷料,有利于创面分泌物的引流并且由于其抗氧化、无毒、弱致敏性等特性,可以长期应用,综合成本也比纱布低。


电池、导电材料


将柔性石墨进行一系列的加工制成石墨微粉,其具有良好的导电性能,被用作电池材料。


阻燃材料


与传统阻燃材料相比具有以下特点:在防火时,产烟量少;无滴落,不造成二次着火;并且瞬间膨胀力强,阻燃效果好。


综上,柔性石墨应用广泛,尤其是石油、化工、汽车、核电等领域高温、极低温、强辐射等极端工况下的首选密封材料,发展前景广阔。但是柔性石墨和其他碳材料一样都存在着高温富氧条件下易氧化腐蚀的缺点,而且由于其比表面积大、孔隙率高等特点,其高温抗氧化性能比一般碳材料更差。这大大限制了柔性石墨的使用范围和应用寿命。因此,解决柔性石墨高温抗氧化性能差的问题就显得尤为重要。


高温抗氧化柔性石墨的制备


针对石墨材料高温易氧化的问题,目前国内外学者主要采用溶液浸渍法、基体改性法和表面涂覆抗氧化涂层法。


溶液浸渍法是采用适当的浸渍剂配制溶液对石墨制品进行浸渍,然后经过热处理,使渗入到石墨材料内部的浸渍剂转变成高温抗氧化物质,填充石墨材料内部孔隙并覆盖石墨表面,从而隔绝氧化性气体并阻挡气体从孔隙进入到石墨材料内部,延缓氧化反应的发生,提高石墨材料的高温抗氧化性能。基体改性法是一种内部改性法,是在石墨基体内部添加氧化抑制剂,达到改善材料的抗氧化性能。高温抗氧化涂层可以大大提高石墨材料在氧化环境中的使用温度。它的基本功能是把基体材料和氧化环境隔离开来。


相较而言,浸渍法实际操作简单方便、成本低廉、不易脱落、不易产生微裂纹,且基本保持了石墨材料的性能,得到了广泛应用。常用的浸渍剂主要有硼酸、磷酸、铝酸及其盐等无机浸渍剂以及有机硅、合成树脂、聚四氟乙烯等有机浸渍剂,其中无机浸渍剂对于保证产品较高的使用温度更有效。磷酸作为浸渍剂或复合插层剂,不但可以降低高温氧化性,而且由于具有高温粘结作用,可以提高产品强度,同时还具有提高膨胀体积的作用。硼酸类化合物作为浸渍剂或复合插层剂,在提高产品抗拉能力的同时,可以使抗氧化能力大幅度提高。


柔性石墨密封材料的抗氧化研究相对较少。谢苏江,朱宗亮等采用四硼酸钠、磷酸和磷酸二氢钾为主要原料置成柔性石墨抗氧化浸渍剂,通过整体浸渍和表面浸渍工艺制备出高温抗氧化柔性石墨密封材料。


高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备工艺


研究表明制备的抗氧化柔性石墨密封材料具有较好的高温抗氧化能力,其抗氧化能力及机械力学性能与浸渍剂浓度及浸渍时间相关。研究表明浸渍法制备的抗氧化柔性石墨具有更好的机械强度,较低的密度,适宜的浸渍剂浓度在30%~40%,浸渍时间约3h;浸渍法制备的抗氧化柔性石墨压缩回弹性能较纯柔性石墨有所下降,但其密封性能优于传统柔性石墨密封材料,所制备的抗氧化柔性石墨密封性能达到了国内外先进水平。


小结


我国未来的石化,核电等工业将继续保持着不断发展,且由于环境,能源等要素的限制,对大型工业设备的安全性也会提出更高的要求。柔性石墨作为密封领域的重要组成部分,会得到广泛的应用。与此同时,柔性石墨的纯度对其密封性能有着重要影响,石墨中硫元素随着时间的延长,会析出造成金属表面的腐蚀,使密封效果受到减弱,甚至可能造成完全失效,而且对于核电等工业,硫等元素也需要严格控制,否则会对反应介质造成污染,导致整个反应装置的失效。所以高温抗氧化、低硫或无硫柔性石墨的制备是未来发展趋势。


参考资料:

谢苏江,朱宗亮.高温抗氧化柔性石墨密封材料的制备和性能研究

朱宗亮,谢苏江,李红振.浸渍法提高柔性石墨抗氧化性能的研究

朱宗亮.髙温抗氧化柔性石墨的制备及性能研究

吴如品.柔性石墨复合材料的制备研究

苏晖.柔性石墨导热性的研究

王乐勤等.柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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