一種製備膨脹石墨的方法及其裝置的製作方法
2023-10-09 19:47:14
專利名稱：一種製備膨脹石墨的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製備膨脹石墨的方法及其裝置。
背景技術：
膨脹石墨作為製造柔性石墨的中間產品，是由天然鱗片石墨經氧化、酸化插層、水洗、乾燥、高溫膨化而得到的一種疏鬆多孔的蠕蟲狀物質，又名石墨蠕蟲。膨脹石墨不僅具有天然石墨本身的耐熱、耐蝕、導電、導熱、自潤滑等優良特性，而且還具有天然石墨不具備的輕質、柔軟、可壓縮、回彈等性能，因此，膨脹石墨材料具有比石棉、橡膠等材料更優異的性能和廣泛的用途。用膨脹石墨壓製成的各種帶、板、片材已廣泛用作石油、化工、電力、冶金、機械、宇航、核工業等行業的各種動、靜密封件，例如，用膨脹石墨製成的柔性石墨製品被譽為世界「密封之王」在機械密封領域具有極其重要的地位；膨脹石墨在環保領域可作為吸油材料用於廢油回收以及廢水治理中的微生物載體；由膨脹石墨製備的石墨散熱板成為 取代銅、鋁等傳統金屬材料的新一代散熱基材。此外，膨脹石墨還可用作醫療敷料、催化劑、固定化載體及固體電解液等。過去用於製備膨脹石墨的原料一般是大鱗片天然石墨，粒度在15 80目之間，是因為粒度的大小對膨脹石墨的質量有影響。業已證明，膨脹石墨的形成機制是殘餘石墨層間化合物中的插層劑在高溫下氣化，爆發式地從層間噴出，將石墨層撐開成為蠕蟲狀。石墨粒度越大，石墨片的面積就越大，殘餘插層劑在高溫下從內部沿石墨層間向外爆發式噴出的動力越大。這就類似於火藥爆炸，如果在敞開的環境下火藥點火後只會燃燒，只有在密閉空間火藥燃燒才會產生強有力的爆炸。隨著石墨粒度減小，如果沒有很高的溫度和高的溫度梯度使殘餘插層劑瞬間汽化，那麼這種爆發式的噴出力將減小，致使所形成膨脹石墨的膨脹倍數減小。當原料石墨粒度在100目及以下時，採用現行膨化爐生產時由於溫度梯度不夠高，殘餘插層劑只是溢出，不能爆發式噴出，因此不再能撐開石墨層間，也既是不再形成膨脹石墨。儘管有採用化學方法提高殘餘插層劑爆發力的報導，但效果並不理想，膨脹倍數較低，且成本較高。而對於石墨礦產資源來說，大鱗片石墨儲量少，很多礦山的大鱗片石墨資源已枯竭或近於枯竭，因而也產量低、價格高。而小鱗片石墨礦產儲量豐富，產量大、成本低，因此研究用細鱗片石墨製備膨脹石墨的具有重大意義。
發明內容
本發明的目的在於提供一種製備膨脹石墨的方法及其裝置，該方法能耗低，製備的膨脹石墨的膨脹倍率高，其裝置簡單。為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於它包括如下步驟
1)製備膨脹石墨的裝置的準備；
2)隔絕空氣關閉尾氣排放口，往料鬥中裝入可膨脹石墨，將真空泵連接到抽真空連接口處，啟動真空泵將爐體內抽成真空狀態(真空度為0. 01 0. 05MPa)，抽真空完畢後，向噴氣管通保護氣體，使爐體內壓力恢復到大氣壓力；
3)產生高溫等離子體焰流向等離子體噴槍的工作氣進氣口加載工作氣體，等離子體噴槍點火，工作氣體被電離擊穿導通，從等離子體噴槍中噴射出高溫等離子體焰流，溫度高達 3500 8000°C ；
4)利用高溫等離子體焰流製備膨脹石墨 啟動螺旋輸送機往爐體內輸送可膨脹石墨，可膨脹石墨在噴氣管噴出的保護氣體的作用下吹向高溫等離子體焰流，形成了蠕蟲狀的膨脹石墨，落入爐體的底部，待爐體冷卻後打開取料口取出。所選用的可膨脹石墨是採用粒度在100度及以下的細鱗片石墨原料經氧化、酸化插層、水洗、乾燥後製得。所有能夠製備可膨脹石墨的方法獲得的可膨脹石墨均可使用。所述保護氣體選自氬氣、氮氣中的一種，優選為氮氣。所述工作氣體為氬氣或者氮氣,優選為氮氣。一種實現上述方法的製備膨脹石墨的裝置，其特徵在於它包括爐體、料鬥、螺旋輸送機和等離子體噴槍；爐體的上部設有物料輸送口以及尾氣排放口，爐體的下部設有與真空泵連接的抽真空連接口，爐體的底部設有可密閉的取料口 ；螺旋輸送機的輸出端與爐體固定連接，螺旋輸送機的輸出口與爐體的物料輸送口相連通，螺旋輸送機的輸入口處固定連接有料鬥，在爐體與螺旋輸送機的連接處設有噴氣管，噴氣管的輸出口與爐體的物料輸送口相連通；等離子體噴槍設置在爐體的頂部，等離子體噴槍的噴口位於爐體的空腔內，等離子體噴槍的上端部設置有工作氣進氣口。所述爐體是由內襯和外殼組成的雙層立式中空圓柱體結構，外殼採用不鏽鋼製作而成，內襯為一層附著在外殼內壁上的石墨磚。所述等離子體噴槍通過電纜依次連接控制櫃及電源櫃。與現有技術相比，本發明的有益效果是工藝新穎、裝置簡單、能耗低、升溫迅速，是利用等離子體炬加熱技術(高溫等離子體焰流)，使可膨脹石墨遇高溫瞬間膨脹形成蠕蟲狀的膨脹石墨。本發明的原理與現行的高溫膨化爐一致，但由於是將可膨脹石墨直接送入具有極高溫度的等離子體焰流中直接加熱，溫度梯度極大，可以將細鱗片石墨原料製備膨脹倍率> 300的膨脹石墨。這也是本發明的最主要優點。此外，等離子體炬是直接加熱物料，熱利用率極高，而且溫度可根據工作氣體流量、壓力、電流、電壓等參數進行調節。而用現行高溫膨化爐進行膨化處理，熱能除了加熱物料外更多的是在加熱爐體，並被散發到環境中，因此本發明能耗遠低於現行高溫膨化爐。本發明適合於用細鱗片石墨(粒度在100度及以下的細鱗片石墨)原料製備膨脹石墨。
圖I為本發明製備膨脹石墨的裝置的結構示意圖。圖中1 —爐體；11 —內襯；12 —外殼；13 —尾氣排放口 ；14 —抽真空連接口 ；15-取料口 ；2 —料鬥；3 —螺旋輸送機；4 一噴氣管；5 —等離子體噴槍；51 —工作氣進氣口 ；6 —控制櫃；7 —電源櫃。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。參閱圖I所示，一種製備膨脹石墨的方法，它包括如下步驟
1)製備膨脹石墨的裝置的準備；
2)隔絕空氣關閉尾氣排放口13，往料鬥2中裝入可膨脹石墨，可膨脹石墨是採用粒度在100度及以下的細鱗片石墨原料製得，現已有許多公開的製備可膨脹石墨的方法，所有這些能夠製備可膨脹石墨的方法獲得的可膨脹石墨均可使用；將真空泵連接到抽真空連接口 14處，啟動真空泵將爐體I內抽成真空狀態(真空度為0.01 0. 05MPa)，抽真空完畢後，向噴氣管4通保護氣體，所通的保護氣體選自氬氣、氮氣中的一種，優選為氮氣，使爐體I內壓力恢復到大氣壓力，為了確保爐內的非氧化氣氛，可多次抽真空——充保護氣體；
3)產生高溫等離子體焰流向等離子體噴槍5的工作氣進氣口51加載工作氣體，工作氣體為氬氣或者氮氣，優選為氮氣，開啟電源櫃7使等離子體噴槍5點火，工作氣體被電離擊穿導通，從等離子體噴槍5中噴射出高溫等離子體焰流，溫度高達3500 8000°C ；·
4)利用高溫等離子體焰流製備膨脹石墨啟動螺旋輸送機3往爐體I內輸送可膨脹石墨，可膨脹石墨在噴氣管4噴出的保護氣體的作用下吹向高溫等離子體焰流，在通過高溫等離子體焰流的過程中，插入的層間化合物遇高溫瞬間分解，產生一種沿石墨層間C軸方向的推力，這個推力遠大於石墨層間的範德華結合力，在這個推力的作用下石墨層間被推開，使石墨粒子沿C軸方向高倍地膨脹，便形成了蠕蟲狀的膨脹石墨，落入爐體I的底部，待爐體I冷卻後打開取料口 15取出。而那些層間化合物分解氣化後轉化為揮發物質，該揮發物質在高溫反應氣壓的作用下，通過尾氣排放口 13排入尾氣淨化系統進行處理。一種實現上述方法的製備膨脹石墨的裝置，它包括爐體I、料鬥2、螺旋輸送機3和等離子體噴槍5 ;爐體I的上部設有物料輸送口以及尾氣排放口 13，爐體I的下部設有與真空泵連接的抽真空連接口 14，爐體I的底部設有可密閉的取料口 15 ;螺旋輸送機3的輸出端與爐體I固定連接，螺旋輸送機3的輸出口與爐體I的物料輸送口相連通，螺旋輸送機3的輸入口處固定連接有料鬥2，通過螺旋輸送機3將料鬥2中的物料送往爐體1，在爐體I與螺旋輸送機3的連接處設有噴氣管4，有助於進一步將物料吹入爐體I內，噴氣管4的輸出口與爐體I的物料輸送口相連通；等離子體噴槍5設置在爐體I的頂部，等離子體噴槍5的噴口位於爐體I的空腔內，等離子體噴槍5的上端部設置有工作氣進氣口 51。所述爐體I是由內襯11和外殼12組成的雙層立式中空圓柱體結構，外殼12採用不鏽鋼製作而成，內襯11為一層附著在外殼12內壁上的石墨磚。所述等離子體噴槍5通過電纜依次連接控制櫃6及電源櫃7，由電源櫃7向等離子體噴槍5供給動力，通過控制櫃6控制工作氣體流量、壓力、電流、電壓等參數進而調節等離子體噴槍5噴出的焰流的溫度。
權利要求
1.一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於它包括如下步驟 1)製備膨脹石墨的裝置的準備； 2)隔絕空氣關閉尾氣排放口(13)，往料鬥(2)中裝入可膨脹石墨，將真空泵連接到抽真空連接口(14)處，啟動真空泵將爐體(I)內抽成真空狀態，抽真空完畢後，向噴氣管(4)通保護氣體，使爐體(I)內壓力恢復到大氣壓力； 3)產生高溫等離子體焰流向等離子體噴槍(5)的工作氣進氣口(51)加載工作氣體，等離子體噴槍(5)點火，工作氣體被電離擊穿導通，從等離子體噴槍(5)中噴射出高溫等離子體焰流； 4)利用高溫等離子體焰流製備膨脹石墨啟動螺旋輸送機(3)往爐體(I)內輸送可膨脹石墨，可膨脹石墨在噴氣管(4)噴出的保護氣體的作用下吹向高溫等離子體焰流，形成了蠕蟲狀的膨脹石墨，落入爐體⑴的底部，待爐體⑴冷卻後打開取料口(15)取出。
2.根據權利要求I所述的一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於，所選用的可膨脹石墨是採用粒度在100度及以下的細鱗片石墨原料經氧化、酸化插層、水洗、乾燥後製得。
3.根據權利要求I所述的一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於，所述保護氣體選自IS氣、氮氣中的一種。
4.根據權利要求I所述的一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於，所述工作氣體為氬氣或者氮氣。
5.一種實現上述方法的製備膨脹石墨的裝置，其特徵在於它包括爐體(I)、料鬥(2)、螺旋輸送機(3)和等離子體噴槍(5);爐體(I)的上部設有物料輸送口以及尾氣排放口(13)，爐體(I)的下部設有與真空泵連接的抽真空連接口( 14)，爐體(I)的底部設有可密閉的取料口(15);螺旋輸送機(3)的輸出端與爐體(I)固定連接，螺旋輸送機(3)的輸出口與爐體(I)的物料輸送口相連通，螺旋輸送機(3)的輸入口處固定連接有料鬥(2)，在爐體(I)與螺旋輸送機(3)的連接處設有噴氣管(4)，噴氣管(4)的輸出口與爐體(I)的物料輸送口相連通；等離子體噴槍(5)設置在爐體(I)的頂部，等離子體噴槍(5)的噴口位於爐體(I)的空腔內，等離子體噴槍(5)的上端部設置有工作氣進氣口(51)。
6.根據權利要求5所述的製備膨脹石墨的裝置，其特徵在於，所述爐體(I)是由內襯(11)和外殼(12)組成的雙層立式中空圓柱體結構，外殼(12)採用不鏽鋼製作而成，內襯(11)為一層附著在外殼(12)內壁上的石墨磚。
7.根據權利要求5所述的製備膨脹石墨的裝置，其特徵在於，所述等離子體噴槍(5)通過電纜依次連接控制櫃(6)及電源櫃(7)。
全文摘要
本發明涉及一種製備膨脹石墨的方法及其裝置。一種製備膨脹石墨的方法，其特徵在於它包括如下步驟1)製備膨脹石墨的裝置的準備；2)隔絕空氣；3)產生高溫等離子體焰流向等離子體噴槍的工作氣進氣口加載工作氣體，等離子體噴槍點火，工作氣體被電離擊穿導通，從等離子體噴槍中噴射出高溫等離子體焰流；4)利用高溫等離子體焰流製備膨脹石墨啟動螺旋輸送機往爐體內輸送可膨脹石墨，可膨脹石墨在噴氣管噴出的保護氣體的作用下吹向高溫等離子體焰流，形成了蠕蟲狀的膨脹石墨，膨脹石墨製備好後堆集在爐體的底部，待爐體冷卻後打開取料口取出。該方法能耗低，製備的膨脹石墨的膨脹倍率高，其裝置簡單。
文檔編號C01B31/04GK102745680SQ20121025034
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月19日 優先權日2012年7月19日
發明者曹宏, 李先福, 薛俊, 鮑世聰 申請人:武漢工程大學