剥離黒鉛 - 完全ガイド

材料科学の急速な発展に伴い、剥離黒鉛は新しい炭素材料として研究のホットスポットとなっている。その優れた性能と幅広い用途のためである。そのユニークな構造は多くの特徴を与え、多くの分野で大きな可能性を秘めている。

剥離黒鉛とは？

剥離黒鉛（EG）は、天然片状黒鉛を化学的または電気化学的にインターカレーション処理し、高温で急膨張させることによって作られる黒鉛材料の一種である。天然片状黒鉛は、層間に弱いファンデルワールス力を持つ典型的な層状結晶構造をしている。インターカレート剤の作用により、いくつかの低分子やイオンが黒鉛層間に挿入され、黒鉛インターカレート化合物を形成することができる。インターカレート化合物を高温で処理すると、インターカレート物質は急速に分解・気化する。その結果、膨張力によってグラファイト層は、層に垂直な方向に沿って激しく膨張する。こうして、ゆるく、多孔質で、ワームのような剥離黒鉛が形成される。

剥離黒鉛の主な特徴

高い比表面積：

独特のワームのような多孔質構造により、一般に100～1000m2/gという大きな比表面積を持つ。この特性は、吸着、触媒、その他の分野での応用に広い空間を提供する。多数の表面活性部位は、化学反応や物質の吸着を促進することができる。

吸着性能が良い：

高い比表面積と豊富な細孔構造により、様々な物質に対して優れた吸着能力を発揮します。(吸着は主に物理吸着に基づいており、吸着物質は細孔表面に固定される。同時に、表面にある官能基が化学的に物質を吸着し、吸着効果をさらに高めることもある。

優れた柔軟性と圧縮性：

外力によって圧縮されると、構造はある程度変形し、外力を取り除くと部分的に復元することができる。この特性により、シール材などの分野で重要な応用価値を持つ。

熱安定性と化学的安定性が良い：

黒鉛を特殊処理して得られるもので、黒鉛の優れた特性を受け継いでいる。高温でも化学的性質が安定し、ほとんどの化学試薬と反応しない。同時に、熱伝導率が高く、一定の温度範囲内で素早く熱を伝えることができる。熱交換、放熱などの分野で利用できます。

良好な導電性：

内部のグラファイト層は依然として良好な電気伝導性を保持しており、電子は層間をよりスムーズに移動できる。この特性により、電池電極材料や電磁波シールド材料など、エレクトロニクス分野での応用が期待されている。

剥離黒鉛の調製プロセス

原材料の選択

天然フレーク状グラファイト：

天然フレーク状黒鉛 通常、剥離黒鉛の調製には、結晶化度が高く、スケールの大きいものが原料として選択される。インターカレーションと膨張処理の後に得られるワーム状構造は、より完全であり、スケ ールサイズが大きいほど特性は相対的に向上する。同時に、黒鉛の純度も剥離黒鉛の性能に重要な影響を与える。高純度黒鉛は、不純物が剥離黒鉛の性能に及ぼす悪影響を低減することができる。

インターカレーション剤：

インターカレーション剤の選択は、調製プロセスにおける重要なリンクのひとつである。一般的に使用されるインターカレーターには、濃硫酸、濃硝酸、過塩素酸などの強酸化性酸がある。また、硝酸鉄、硫酸第一鉄などの金属塩もある。これらのインターカレーターは、特定の条件下でグラファイトと反応し、グラファイト層間に小さな分子やイオンを挿入することができる。インターカレーション剤が異なれば、黒鉛のインターカレーション効果や最終的な特性に対する影響も異なる。

準備段階と主要技術

インターカレーション処理：

天然片状黒鉛とインターカレーション剤を一定の割合で混合し、適当な温度で攪拌反応させる。インターカレーション剤として濃硫酸を用い、低温（0～20℃）で濃硫酸に黒鉛をゆっくり加える。そして、硫酸分子が完全にインターカレートするのを促進するために、一定時間撹拌する。温度と反応時間を厳密に制御することが重要で、そうしないと黒鉛が過度に酸化しやすくなり、その後の膨張に影響する。この工程は、グラファイトの剥離を達成し、高温膨張の基礎を築く鍵となる。

洗濯と乾燥：

インターカレーション反応後、生成物を洗浄し、残留するインターカレーション剤と副生成物を除去する。中性になるまで洗浄した後、乾燥し、グラファイト層間化合物を得る。インターカレーション化合物の早期分解を防ぐため、乾燥時の温度と時間の管理が必要である。

高温での膨張：

乾燥させた黒鉛層間化合物を800～1000℃の高温炉に素早く入れる。インターカレーターは高温で急速に分解・気化し、強い膨張力を発生させる。黒鉛層の垂直層を押して激しく膨張させ、膨張黒鉛を形成する。急速加熱が鍵で、インターカレーションが短時間で完全に分解する。特殊なプロセスにより、ユニークな構造と特性を持つ剥離膨張黒鉛を得ることもできる。

剥離黒鉛の応用

環境保護

廃水処理

油やフェノールなどの有機汚染物質や重金属イオンの吸着に優れています。この吸着剤を使用することで、効果的に水を浄化することができます。

廃ガス処理

吸着材にして装置内に充填。産業排ガス中の二酸化硫黄や窒素酸化物などの有害ガスを吸着し、環境汚染を低減することができる。

エネルギーの分野

電池電極材料

良好な導電性、大きな比表面積を持ち、リチウムイオン電池の負極材料として使用できる。電池の充放電性能とサイクル安定性を向上させる。そして、その多孔質構造は、以下のことを助長する。 リチウムイオン 保存と送信。

水素貯蔵材料

多孔質構造のため、適切な処理を施せば、特定の条件下で高い水素貯蔵能力を発揮する。また、水素エネルギー貯蔵の問題を解決する新しいタイプの水素貯蔵材料として期待されている。

産業分野

シール材

柔軟性と圧縮性に優れ、剥離黒鉛ガスケットとして理想的なシール材となっています。パイプ、バルブ、圧力容器などのシール材として様々な形状に加工することができ、過酷な条件下でも効果的に漏れを防ぐことができます。

熱交換材料

その良好な熱安定性と熱伝導率のために、あなたは熱伝導をスピードアップするために熱交換器を製造するためにそれを使用することができます。そして化学、エネルギーおよび他の企業の熱交換の効率を改善しなさい。

電子分野

電磁波シールド材

導電性が良いので、機器のシェルや回路基板などの電磁波シールド材にすることができます。電磁波を反射・吸収し、電磁波を低減することができます。

センサー材料

高い比表面積と表面活性を持ち、特定のガスに対して吸着・反応する特性を持ちます。有害ガス濃度を検知するガスセンサーとして利用できます。また、圧力センサー、湿度センサーなどの分野にも応用が可能です。センサー感応材料を調製する場合、剥離黒鉛酸化物のユニークな構造と化学的性質がセンサーの性能を高める可能性がある。

結論

剥離黒鉛はユニークな構造、優れた性能、高い比表面積、優れた吸着性、柔軟性、安定性、導電性を持つ。環境保護やエネルギーなど多くの分野で大きな可能性を秘めている。調製プロセスの改善により、その性能は向上し、コストは削減される。また、将来的な研究により、応用範囲が広がるだろう。