CN102745680A

CN102745680A - 一种制备膨胀石墨的方法及其装置

Info

Publication number: CN102745680A
Application number: CN2012102503415A
Authority: CN
Inventors: 曹宏; 鲍世聪; 薛俊; 李先福
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Liaoning Dianshi Technology Development Co Ltd
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: CN102745680B

Abstract

本发明涉及一种制备膨胀石墨的方法及其装置。一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于它包括如下步骤：1）制备膨胀石墨的装置的准备；2）隔绝空气；3）产生高温等离子体焰流：向等离子体喷枪的工作气进气口加载工作气体，等离子体喷枪点火，工作气体被电离击穿导通，从等离子体喷枪中喷射出高温等离子体焰流；4）利用高温等离子体焰流制备膨胀石墨：启动螺旋输送机往炉体内输送可膨胀石墨，可膨胀石墨在喷气管喷出的保护气体的作用下吹向高温等离子体焰流，形成了蠕虫状的膨胀石墨，膨胀石墨制备好后堆集在炉体的底部，待炉体冷却后打开取料口取出。该方法能耗低，制备的膨胀石墨的膨胀倍率高，其装置简单。

Description

一种制备膨胀石墨的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种制备膨胀石墨的方法及其装置。

背景技术

膨胀石墨作为制造柔性石墨的中间产品，是由天然鳞片石墨经氧化、酸化插层、水洗、干燥、高温膨化而得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质，又名石墨蠕虫。膨胀石墨不仅具有天然石墨本身的耐热、耐蚀、导电、导热、自润滑等优良特性，而且还具有天然石墨不具备的轻质、柔软、可压缩、回弹等性能，因此，膨胀石墨材料具有比石棉、橡胶等材料更优异的性能和广泛的用途。用膨胀石墨压制成的各种带、板、片材已广泛用作石油、化工、电力、冶金、机械、宇航、核工业等行业的各种动、静密封件，例如，用膨胀石墨制成的柔性石墨制品被誉为世界“密封之王”在机械密封领域具有极其重要的地位；膨胀石墨在环保领域可作为吸油材料用于废油回收以及废水治理中的微生物载体；由膨胀石墨制备的石墨散热板成为取代铜、铝等传统金属材料的新一代散热基材。此外，膨胀石墨还可用作医疗敷料、催化剂、固定化载体及固体电解液等。

过去用于制备膨胀石墨的原料一般是大鳞片天然石墨，粒度在15~80目之间，是因为粒度的大小对膨胀石墨的质量有影响。业已证明，膨胀石墨的形成机制是残余石墨层间化合物中的插层剂在高温下气化，爆发式地从层间喷出，将石墨层撑开成为蠕虫状。石墨粒度越大，石墨片的面积就越大，残余插层剂在高温下从内部沿石墨层间向外爆发式喷出的动力越大。这就类似于火药爆炸，如果在敞开的环境下火药点火后只会燃烧，只有在密闭空间火药燃烧才会产生强有力的爆炸。随着石墨粒度减小，如果没有很高的温度和高的温度梯度使残余插层剂瞬间汽化，那么这种爆发式的喷出力将减小，致使所形成膨胀石墨的膨胀倍数减小。当原料石墨粒度在100目及以下时，采用现行膨化炉生产时由于温度梯度不够高，残余插层剂只是溢出，不能爆发式喷出，因此不再能撑开石墨层间，也既是不再形成膨胀石墨。尽管有采用化学方法提高残余插层剂爆发力的报道，但效果并不理想，膨胀倍数较低，且成本较高。而对于石墨矿产资源来说，大鳞片石墨储量少，很多矿山的大鳞片石墨资源已枯竭或近于枯竭，因而也产量低、价格高。而小鳞片石墨矿产储量丰富，产量大、成本低，因此研究用细鳞片石墨制备膨胀石墨的具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备膨胀石墨的方法及其装置，该方法能耗低，制备的膨胀石墨的膨胀倍率高，其装置简单。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）制备膨胀石墨的装置的准备；

2）隔绝空气：关闭尾气排放口，往料斗中装入可膨胀石墨，将真空泵连接到抽真空连接口处，启动真空泵将炉体内抽成真空状态（真空度为0.01～0.05MPa），抽真空完毕后，向喷气管通保护气体，使炉体内压力恢复到大气压力；

3）产生高温等离子体焰流：向等离子体喷枪的工作气进气口加载工作气体，等离子体喷枪点火，工作气体被电离击穿导通，从等离子体喷枪中喷射出高温等离子体焰流，温度高达3500～8000℃；

4）利用高温等离子体焰流制备膨胀石墨：启动螺旋输送机往炉体内输送可膨胀石墨，可膨胀石墨在喷气管喷出的保护气体的作用下吹向高温等离子体焰流，形成了蠕虫状的膨胀石墨，落入炉体的底部，待炉体冷却后打开取料口取出。

所选用的可膨胀石墨是采用粒度在100度及以下的细鳞片石墨原料经氧化、酸化插层、水洗、干燥后制得。所有能够制备可膨胀石墨的方法获得的可膨胀石墨均可使用。

所述保护气体选自氩气、氮气中的一种，优选为氮气。

所述工作气体为氩气或者氮气，优选为氮气。

一种实现上述方法的制备膨胀石墨的装置，其特征在于它包括炉体、料斗、螺旋输送机和等离子体喷枪；炉体的上部设有物料输送口以及尾气排放口，炉体的下部设有与真空泵连接的抽真空连接口，炉体的底部设有可密闭的取料口；螺旋输送机的输出端与炉体固定连接，螺旋输送机的输出口与炉体的物料输送口相连通，螺旋输送机的输入口处固定连接有料斗，在炉体与螺旋输送机的连接处设有喷气管，喷气管的输出口与炉体的物料输送口相连通；等离子体喷枪设置在炉体的顶部，等离子体喷枪的喷口位于炉体的空腔内，等离子体喷枪的上端部设置有工作气进气口。

所述炉体是由内衬和外壳组成的双层立式中空圆柱体结构，外壳采用不锈钢制作而成，内衬为一层附着在外壳内壁上的石墨砖。

所述等离子体喷枪通过电缆依次连接控制柜及电源柜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：工艺新颖、装置简单、能耗低、升温迅速，是利用等离子体炬加热技术（高温等离子体焰流），使可膨胀石墨遇高温瞬间膨胀形成蠕虫状的膨胀石墨。本发明的原理与现行的高温膨化炉一致，但由于是将可膨胀石墨直接送入具有极高温度的等离子体焰流中直接加热，温度梯度极大，可以将细鳞片石墨原料制备膨胀倍率≥300的膨胀石墨。这也是本发明的最主要优点。此外，等离子体炬是直接加热物料，热利用率极高，而且温度可根据工作气体流量、压力、电流、电压等参数进行调节。而用现行高温膨化炉进行膨化处理，热能除了加热物料外更多的是在加热炉体，并被散发到环境中，因此本发明能耗远低于现行高温膨化炉。本发明适合于用细鳞片石墨（粒度在100度及以下的细鳞片石墨）原料制备膨胀石墨。

附图说明

图1为本发明制备膨胀石墨的装置的结构示意图。

图中：1－炉体；11－内衬；12－外壳；13－尾气排放口；14－抽真空连接口；15-取料口；2－料斗；3－螺旋输送机；4－喷气管；5－等离子体喷枪；51－工作气进气口；6－控制柜；7－电源柜。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

参阅图1所示，一种制备膨胀石墨的方法，它包括如下步骤：

1）制备膨胀石墨的装置的准备；

2）隔绝空气：关闭尾气排放口13，往料斗2中装入可膨胀石墨，可膨胀石墨是采用粒度在100度及以下的细鳞片石墨原料制得，现已有许多公开的制备可膨胀石墨的方法，所有这些能够制备可膨胀石墨的方法获得的可膨胀石墨均可使用；将真空泵连接到抽真空连接口14处，启动真空泵将炉体1内抽成真空状态（真空度为0.01～0.05MPa），抽真空完毕后，向喷气管4通保护气体，所通的保护气体选自氩气、氮气中的一种，优选为氮气，使炉体1内压力恢复到大气压力，为了确保炉内的非氧化气氛，可多次抽真空——充保护气体；

3）产生高温等离子体焰流：向等离子体喷枪5的工作气进气口51加载工作气体，工作气体为氩气或者氮气，优选为氮气，开启电源柜7使等离子体喷枪5点火，工作气体被电离击穿导通，从等离子体喷枪5中喷射出高温等离子体焰流，温度高达3500～8000℃；

4）利用高温等离子体焰流制备膨胀石墨：启动螺旋输送机3往炉体1内输送可膨胀石墨，可膨胀石墨在喷气管4喷出的保护气体的作用下吹向高温等离子体焰流，在通过高温等离子体焰流的过程中，插入的层间化合物遇高温瞬间分解，产生一种沿石墨层间C轴方向的推力，这个推力远大于石墨层间的范德华结合力，在这个推力的作用下石墨层间被推开，使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀，便形成了蠕虫状的膨胀石墨，落入炉体1的底部，待炉体1冷却后打开取料口15取出。而那些层间化合物分解气化后转化为挥发物质，该挥发物质在高温反应气压的作用下，通过尾气排放口13排入尾气净化系统进行处理。

一种实现上述方法的制备膨胀石墨的装置，它包括炉体1、料斗2、螺旋输送机3和等离子体喷枪5；炉体1的上部设有物料输送口以及尾气排放口13，炉体1的下部设有与真空泵连接的抽真空连接口14，炉体1的底部设有可密闭的取料口15；螺旋输送机3的输出端与炉体1固定连接，螺旋输送机3的输出口与炉体1的物料输送口相连通，螺旋输送机3的输入口处固定连接有料斗2，通过螺旋输送机3将料斗2中的物料送往炉体1，在炉体1与螺旋输送机3的连接处设有喷气管4，有助于进一步将物料吹入炉体1内，喷气管4的输出口与炉体1的物料输送口相连通；等离子体喷枪5设置在炉体1的顶部，等离子体喷枪5的喷口位于炉体1的空腔内，等离子体喷枪5的上端部设置有工作气进气口51。

所述炉体1是由内衬11和外壳12组成的双层立式中空圆柱体结构，外壳12采用不锈钢制作而成，内衬11为一层附着在外壳12内壁上的石墨砖。

所述等离子体喷枪5通过电缆依次连接控制柜6及电源柜7，由电源柜7向等离子体喷枪5供给动力，通过控制柜6控制工作气体流量、压力、电流、电压等参数进而调节等离子体喷枪5喷出的焰流的温度。

Claims

1.一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）制备膨胀石墨的装置的准备；

2）隔绝空气：关闭尾气排放口(13)，往料斗(2)中装入可膨胀石墨，将真空泵连接到抽真空连接口(14)处，启动真空泵将炉体(1)内抽成真空状态，抽真空完毕后，向喷气管(4)通保护气体，使炉体(1)内压力恢复到大气压力；

3）产生高温等离子体焰流：向等离子体喷枪(5)的工作气进气口(51)加载工作气体，等离子体喷枪(5)点火，工作气体被电离击穿导通，从等离子体喷枪(5)中喷射出高温等离子体焰流；

4）利用高温等离子体焰流制备膨胀石墨：启动螺旋输送机(3)往炉体(1)内输送可膨胀石墨，可膨胀石墨在喷气管(4)喷出的保护气体的作用下吹向高温等离子体焰流，形成了蠕虫状的膨胀石墨，落入炉体(1)的底部，待炉体(1)冷却后打开取料口(15)取出。

2.根据权利要求1所述的一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于，所选用的可膨胀石墨是采用粒度在100度及以下的细鳞片石墨原料经氧化、酸化插层、水洗、干燥后制得。

3.根据权利要求1所述的一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于，所述保护气体选自氩气、氮气中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种制备膨胀石墨的方法，其特征在于，所述工作气体为氩气或者氮气。

5.一种实现上述方法的制备膨胀石墨的装置，其特征在于它包括炉体（1）、料斗（2）、螺旋输送机（3）和等离子体喷枪（5）；炉体（1）的上部设有物料输送口以及尾气排放口（13），炉体（1）的下部设有与真空泵连接的抽真空连接口（14），炉体（1）的底部设有可密闭的取料口（15）；螺旋输送机（3）的输出端与炉体（1）固定连接，螺旋输送机（3）的输出口与炉体（1）的物料输送口相连通，螺旋输送机（3）的输入口处固定连接有料斗（2），在炉体（1）与螺旋输送机（3）的连接处设有喷气管（4），喷气管（4）的输出口与炉体（1）的物料输送口相连通；等离子体喷枪（5）设置在炉体（1）的顶部，等离子体喷枪（5）的喷口位于炉体（1）的空腔内，等离子体喷枪（5）的上端部设置有工作气进气口（51）。

6.根据权利要求5所述的制备膨胀石墨的装置，其特征在于，所述炉体（1）是由内衬（11）和外壳（12）组成的双层立式中空圆柱体结构，外壳（12）采用不锈钢制作而成，内衬（11）为一层附着在外壳（12）内壁上的石墨砖。

7.根据权利要求5所述的制备膨胀石墨的装置，其特征在于，所述等离子体喷枪（5）通过电缆依次连接控制柜（6）及电源柜（7）。