1、可膨脹石墨 我國是天然石墨資源第一大國(世界上2/3的儲量在我國)。石墨是一種無機物質(zhì)，化學(xué)成分為C，屬六方晶系，晶體呈六方板狀和片狀，集合體為鱗片狀，鐵黑色，密度為2.25g/cm3，有滑感，能導(dǎo)電，化學(xué)性質(zhì)不活潑，具有耐腐蝕性。可膨脹石墨是以天然鱗片石墨為原料，經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)處理而得到的一種石墨產(chǎn)品。由天然鱗片石墨制得的可膨脹石墨材料既保留了石墨的耐高溫，耐腐蝕，能承受中子流、β射線、γ射線的長期輻照，摩擦系數(shù)低，自潤滑性好，導(dǎo)電導(dǎo)熱并呈各向異性等性能，又具備天然石墨所沒有的可彎曲、可壓縮、有彈性、不滲透等特點，并且疏松多孔。在高溫、高壓或輻射條件下不發(fā)生分解、變形或老化，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。 石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，堿金屬、鹵素金屬鹵化物、強氧化性含氧酸等都可嵌入層間，形成層間化合物，在受到200℃以上高溫時，由于吸留在層形點陣中的化合物的分解，石墨層間的化合物急劇分解、氣化、膨脹(沿層間膨脹150-250倍)，使可膨脹石墨開始膨脹，并在1100℃時達到較大體積。最終體積可以達到初始時的280倍，從而制得密度極低(0.003-0.005g/cm3)的蠕蟲狀石墨，它是一種結(jié)構(gòu)疏松、柔軟、富有韌性的物質(zhì)，故通常稱它為柔性石墨。 2、可膨脹石墨的友應(yīng)特性 理論上，可膨脹石墨能承受-200-3650℃的溫度變化(非氧化性介質(zhì))，但是可膨脹石墨的比表面積要比天然石墨大得多，所以實際上可膨脹石墨的氧化溫度比天然石墨低，其實用溫度為-204-1650℃，它的膨脹溫度大約為300℃。目前國內(nèi)工業(yè)上應(yīng)用的溫度已達850℃，在壓力為2.8MPa，溫度為1500℃的純氧介質(zhì)中不燃燒、不爆炸，也無明顯的化學(xué)變化。另外，可膨脹石墨的氧化速率小于天然石墨，而且其氧化分解的起始溫度比天然石墨的低(見表1)。 表1 可膨脹石墨和天然石墨失重速率測試結(jié)果 樣品 550℃空氣中失重速率/g?(h?cm2)-1 天然石墨 0.151 可膨脹石墨 0.061 可膨脹石墨膨脹后，體積極度地增大，因此可膨脹石墨膨脹后的密度一般比天然石墨小幾百倍，比表面積則大大增加。隨著物質(zhì)的比表面積的增加，表面自由能就會迅速增加，使其表面活性增加，表面吸附力加大，于是潤滑性提高，氣液的可滲透性降低，自身的黏結(jié)性上升，但是其化學(xué)性質(zhì)還是和天然石墨一樣，幾乎不受任何化學(xué)物質(zhì)的腐蝕(見表2)。 3、可膨脹石墨在防火涂料中的應(yīng)用 3.1 防火涂料的分類 防火涂料按其防火機理的不同可分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料。非膨脹型防火涂料由難燃性樹脂、阻燃劑、防火填料等配制而成；也可用無機鹽類制成黏合劑，配合云母、硼化物之類的無機鹽等加工而成。這種涂料靠其本身的難燃性或不燃性來達到阻燃的目的，燃燒時形成的保護層比較薄，隔熱較差，只能抗瞬時的高溫和火焰，且涂層較厚。膨脹型防火涂料是以高分子聚合物為基料，添加發(fā)泡劑、脫水成碳催化劑、碳化劑等防火組分，涂層在火焰和高溫下可膨脹碳化形成均勻而致密的蜂窩狀或海綿狀碳質(zhì)泡沫層，該泡沫層厚度是原來涂膜厚度的幾十倍甚至上百倍，能很好地隔絕氧氣和熱的傳導(dǎo)；而且膨脹前的涂層一般較薄，有利于滿足裝飾要求。從阻燃效果、裝飾效果及成本角度考慮，膨脹型防火涂料的應(yīng)用更為廣泛。 表2 可膨脹石墨的化學(xué)惰性測試結(jié)果 試劑 濃度/% 壓力 溫度/℃ 失重率/% 鹽酸 18 常壓 25.0 0.15 硫酸 14 常壓 25.0 0.10 氨水 17 常壓 25.0 0.10 氫氧化鈉 14 常壓 25.0 0.11 海水 / 常壓 25.0 0.20 2006 18.31 7.48 13.41 2.84 3.2 可膨脹石墨防火涂料的研究 3.2.1 可膨脹石墨防火涂料的防火原理 可膨脹石墨防火涂料是近年來出現(xiàn)的一種新型膨脹型防火涂料，平常保持普通涂膜狀態(tài)，遇火時，涂層發(fā)生軟化熔融，膨脹形成海綿狀或蜂窩狀碳化層。可膨脹石墨在受高溫時體積瞬間膨脹，可以在火災(zāi)發(fā)生時將火焰窒息，且膨脹產(chǎn)物有極佳的抗氧化性和耐高溫性。由于這一特性，被用作防火涂料膨脹體系的協(xié)同增效劑及一種良好的無鹵物理膨脹阻燃劑。從燃燒的條件知道，要使燃燒不能進行，必須將燃燒的3個要素(可燃物、氧氣、熱源)中的任何一個要素隔絕開來?？膳蛎浭淖枞紝儆谀滔嘧枞紮C理，因為它是通過延緩或中斷固態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生可燃性物質(zhì)而達到阻燃的，受熱到一定程度，可膨脹石墨就會開始膨脹，從而形成一個很厚的多孔碳化層，該碳化層把阻燃主體和熱源隔開，從而延緩和終止聚合物的分解，而且本身無毒，受熱時不產(chǎn)生有毒和腐蝕性氣體，并能大大降低發(fā)煙量，有足夠的熱穩(wěn)定性。可膨脹石墨防火涂料涂層膨脹后形成的多孔泡沫碳化層的厚度τ要比膨脹前的厚度大幾十倍至一百多倍，有時甚至達200倍。一般涂層的導(dǎo)熱系數(shù)λ值為(1.163-8.140)×10-4W/(m2?K)，而膨脹碳化層的λ值卻小得多，接近氣體的λ值2.326×10-5W/(m2?K)。從熱傳導(dǎo)公式：Q=A×λ×△t/τ(A：傳熱面積，λ：傳熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，τ：傳熱距離，即涂層厚度，Q：傳熱的熱量)可知膨脹碳化層Q值要減小幾十倍至上百倍，從而有效地阻止了外部熱源向被保護基材的傳遞。另外涂層在膨脹發(fā)泡時，發(fā)生吸熱反應(yīng)，消耗大量熱量，降低了體系的溫度；生成的不燃性氣體使可燃性氣體的濃度降低，并有效地隔絕氧氣，從而較大限度地使被保護基材受到防火隔熱阻燃的保護。 （采編：信息10）