CN1508066A

CN1508066A - 爆轰法制备纳米石墨粉的方法

Info

Publication number: CN1508066A
Application number: CNA021395209A
Authority: CN
Inventors: 刚周; 周刚; 文潮; 李迅; 刘晓新; 孙德玉; 关锦清; 林英睿; 唐仕英
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-06-30
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: CN1247450C

Abstract

一种爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其生产工艺首先是炸药成型：将炸药粉末置于熔化锅内，加热、熔化、倒入模具、养护、冷却，得炸药药柱。然后是爆轰：将炸药药柱置于容器内，抽真空、充入保护介质气体，使压力为1大气压左右；引爆，待产物沉降完毕，排出废气；收集容器内黑色粉末，过筛、去杂质；进行酸处理，除去含铁、铝的金属杂质，倾去酸液；洗涤、分离，至呈中性。最后烘干、提纯，得纳米石墨粉。本发明制备成本低，产率高，制备周期短，设备简单，后处理简便；得到的纳米石墨粉末纯度高，热稳定性优良，对有害气体的吸附系数高，可回收再生利用。

Description

爆轰法制备纳米石墨粉的方法

本发明涉及一种爆轰法制备纳米石墨粉的方法。

纳米材料是指粒径或晶粒在1～100nm间的材料，由于其颗粒细小、比表面积大，表面结构与性能受到尺寸效应的作用而表现出与通常同质体块材料明显的差异。对纳米材料的制备方法、性质和应用的研究在近几年中得到了广泛的重视。碳材料具有良好的物理、化学性能，在科学研究和工业生产中都有重要的应用。制备纳米级颗粒的碳材料可以改善碳颗粒的分散特性，增加碳表面的化学活性。目前已知的碳纳米材料包括纳米金刚石粉、纳米金刚石薄膜、纳米碳纤维、无定型碳、富勒碳和纳米碳管等，制备的方法有超高气流粉碎法、蒸发冷凝法、等离子体合成法、溶胶-凝胶法、气相反应法，电极放电法、化学气相沉积法等。

普通石墨粉的制备工艺过程包括：1].原料的预处理，即预碎、煅烧或烘干等；2].原料的粉碎和筛分分级；3].颗粒状与粉状原料的配料；4].加入粘结剂并进行混捏；5].混捏后的糊料成型；6].成型后生制品的焙烧；7].焙烧后半成品的石墨化；8].粉碎成不同粒度的石墨粉。

现有的制备纳米石墨粉的方法有纳米金刚石粉加热相变法和普通石墨粉高能球磨法。纳米金刚石粉相变法是先用混合炸药爆轰，再化学提纯制备出纳米金刚石粉，然后再将纳米金刚石粉隔绝氧气加热，使其转变成纳米石墨粉。普通石墨粉高能球磨法是将普通石墨粉放入高能球磨机中，进行几小时或几十小时的机械球磨，使其颗粒减小到纳米级。

采用现有技术制备的纳米石墨粉不同程度的存在下述缺点：

1.粒子的粒径、粒度分布不易控制，粒子易团聚，不易于收集，热稳定性不佳，产率低；

2.得到的纳米石墨粉末纯度不高，表面化学活性和吸附性能不佳；

3.制备成本高，单次产量低，制备周期长，设备复杂，后续处理不便；

4.制备出的纳米石墨粉对有害气体的吸附系数低，易污染环境，不可回收再生利用。

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，而提供一种爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其制备成本低，产率高，制备周期短，设备简单，后处理简便；得到的纳米石墨粉末纯度高，热稳定性优良，对有害气体的吸附系数高，可回收再生利用。

本发明的设计方案如下：

一种爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特殊之处在于：它的生产工艺包括

1].炸药成型

[1].将负氧平衡炸药粉末放置在熔化锅内，加热，使其熔化；

[2].待负氧平衡炸药粉末全部熔化后，倒入模具内，进行养护，直到完全冷却至室温，制得炸药药柱，备用；

2].爆轰

[1].爆炸前，先将炸药药柱置于密封的爆炸容器内中央，连接好起爆线路；用真空泵将爆炸容器内抽成约100Pa的真空；充入保护介质，使爆炸容器内压力为1个大气压左右；

[2].用雷管引爆；爆炸后，待产物沉降完毕，排出废气；

[3].收集爆炸容器内壁及底部的黑色粉末，过筛，除去含雷管、金属导线的残渣、杂物；

[4].黑色粉末用化学试剂进行酸处理，除去含铁、铝的金属杂质及爆炸容器中在冲击振动过程中混入的四氧化三铁；倾去酸液，用去离子水洗涤，离心机离心分离，洗涤、分离至黑色粉末呈中性；

[5].烘干黑色粉末，得到纳米石墨粗粉；

3].提纯纳米石墨粗粉，得到纳米石墨粉。

上述提纯纳米石墨粗粉后，可进行精加工，该精加工工艺是通过表面氧化处理去除纳米石墨表面官能团，通过合适温度下的表面氧化处理，可去除大部分官能团。

上述对黑色粉末用化学试剂进行酸处理可采用盐酸、硫酸或硝酸对其进行浸泡处理。

上述负氧平衡炸药可采用梯恩梯或黑索金或两者的组合。单采用梯恩梯可得到不含金刚石相的纳米石墨粉；采用梯恩梯和黑索金混合构成的炸药，可得到含金刚石相的纳米石墨粉。

为尽可能减少杂质，上述引爆雷管以采用纸壳雷管为佳。具体可选用8号工业纸壳雷管。

上述爆炸前充入的保护介质以既能使爆炸后产物快速冷却，又不与石墨发生化学反应的介质为宜。其可为气态、液态或固态；气态保护介质可选用CO₂、N₂或惰性气体等；液态保护介质可选用水；固态保护介质可选用冰。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.采用本发明制备的纳米石墨粉：1]比表面积大；2]粒子的粒径、粒度分布可控，粒子不易团聚；3]易于收集；4]热稳定性优良；5]产率高；

2.得到的纳米石墨粉末纯度很高，表面化学活性和吸附性能优良；

3.制备成本低廉；单次产量大；制备时间短；设备简单；后续处理方便；

4.采用本发明制备的纳米石墨粉对有害气体的吸附系数高，对环境无污染，可回收再生利用，可取代高级吸附剂等。

附图图面说明如下：

图1为本发明纳米石墨的X射线衍射图谱；

图2为本发明纳米石墨的透射电镜图片；

图3为本发明纳米石墨的电子衍射图。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详述：

本发明制备原理：本发明利用负氧平衡炸药，在充有保护性气体的密闭爆炸容器中爆炸，炸药成分中多余的碳组分在爆炸形成的冲击波高温高压作用下汽化，在降温降压过程中形成纳米级的碳原子集团。绝大多数的有机分子在爆炸时形成了简单气态化合物，故纳米石墨粉中不存在大分子的有机物，表面吸附的无机和有机官能团也容易通过氧化或化学处理去除。通过控制炸药的组分、密度和爆炸的环境，调节纳米粉体形成过程中的温度、压力和化学气氛，可分别得到不同颗粒的纳米金刚石粉和纳米石墨粉。通常得到原始的纳米石墨粉体，可分别用强酸和有机溶剂处理，去除金属杂质、少量的无定性碳和有机吸附物，得到高纯度的纳米石墨粉。

本发明的生产工艺：

1].炸药成型：负氧平衡炸药可选用梯恩梯、黑索金等。将梯恩梯粉末炸药放置在熔化锅内，加热，使其熔化；待全部熔化后，倒入模具内，进行养护，直到完全冷却至室温，制得炸药药柱，备用；

2].爆轰：[1].爆炸前，先将炸药药柱置于密封的爆炸容器内中央，连接好起爆线路；用真空泵将爆炸容器内抽成约100Pa的真空；充入CO₂气体作保护介质气体，使罐压力为1大气压左右。[2].用8号工业纸壳雷管引爆，爆炸后，待产物沉降完毕再排出废气。[3].收集容器内壁及底部的黑色粉末，通过100目的筛子，除去其中的雷管等残渣及金属导线等杂物。[4].先用化学试剂盐酸浸泡，以除去铁、铝等金属杂质及爆炸容器中在冲击振动过程中混入的四氧化三铁；倾去酸液，用去离子水洗涤，离心机离心分离，多次洗涤、分离直至中性。[5].烘干，得到黑色粉的纳米石墨粉末。

3].提纯得到纳米石墨粉。

[1].本发明制备的纳米石墨粉的结构特性：纳米石墨粉的X射线衍射图谱如图1所示。其图谱显示，最强的衍射峰对应于石墨的(002)面，其衍射峰的宽化缘于石墨晶粒的纳米尺寸效应。在一些样品中还存在金刚石相的衍射峰，其他小峰是四氧化三铁。通过调节炸药的成分，可得到不含金刚石相的纳米石墨粉。四氧化三铁是爆炸容器中的铁锈在冲击振动过程中混入的，可经酸处理后完全去除。

[2].本发明制备的纳米石墨粉的成分：元素分析表明，纳米石墨粉中以碳元素为主，占90％以上，由于颗粒为纳米级，表面活性很高，容易与气氛中的O、H、N等原子形成一些官能团，所以含有少量杂质。通过合适温度下表面氧化处理，可以去除大部分官能团杂质。

[3].本发明制备的纳米石墨粉的形貌：从透射电镜照片可以看到，石墨颗粒为纳米级，分布在2～20nm，形貌以条形和圆形为主，还有少量椭球形。在未进行酸处理的样品中，通常还有大颗粒的四氧化三铁。如图2所示。

[4].本发明制备的纳米石墨粉的粒径：通过对样品X射线衍射图谱宽化峰的分析，可计算出纳米石墨粉中晶粒的平均粒径约为6nm，而透射电镜下观察的纳米颗粒，最小粒度为6nm，最大的颗粒约为59nm，平均粒度为8.7nm。其中粒度在2～15nm分布最多。

[5].本发明制备的纳米石墨粉的特性：纳米石墨粉的比表面积约为600m²/g。纳米石墨粉体的氧化温度均比普通石墨低很多，大约在490～590℃之间。这是由于石墨粉的晶粒尺寸细小、表面活性高引起的，是纳米材料的固有性质。不同的爆轰条件，制备的纳米石墨粉的热氧化温度有明显的差异，这是由于纳米石墨的晶粒和颗粒尺寸、表面吸附不同官能团等因素造成的。

Claims

1.一种爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：它的生产工艺包括

1].炸药成型

[1].将负氧平衡炸药粉末放置在熔化锅内，加热，使其熔化；

2].爆轰

[2].用雷管引爆；爆炸后，待产物沉降完毕，排出废气；

[5].烘干黑色粉末，得到纳米石墨粗粉；

3].提纯纳米石墨粗粉，得到纳米石墨粉。

2.如权利要求1所述的爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：所述提纯纳米石墨粗粉之后为精加工工艺，该精加工工艺是通过表面氧化处理去除纳米石墨表面官能团。

3.如权利要求1或2所述的爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：所述对黑色粉末用化学试剂进行酸处理是用盐酸、硫酸或硝酸对其进行浸泡处理。

4.如权利要求3所述的爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：所述的负氧平衡炸药为梯恩梯或黑索金或两者的混合物。

5.如权利要求4所述的爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：所述的引爆雷管为纸壳雷管。

6.如权利要求5所述的爆轰法制备纳米石墨粉的方法，其特征在于：所述爆炸前充入的保护介质为气态、液态或固态；所述的气态保护介质为CO₂、N₂或惰性气体；所述的液态保护介质为水；所述的固态保护介质为冰。