可膨胀石墨作为高性能碳材料，凭借独特的层间结构和优异的物理化学特性，在环保阻燃、能源存储、生物医药等领域展现出广泛应用前景。随着行业技术迭代升级，无硫制备工艺因其绿色环保、产品纯度高等优势成为研究热点。本文围绕以天然鳞片石墨为原料的化学氧化法工艺展开，系统探讨混酸配比、氧化剂用量、反应条件等关键因素对可膨胀石墨性能的影响，并通过多维度表征揭示其结构演变规律。

  一、可膨胀石墨无硫制备工艺的原料与原理

  实验选用内蒙古产固定碳质量分数达 98.86% 的高纯度天然鳞片石墨，其粒度为 + 0.30 mm，杂质以硅、铝、铁为主，钠、镁等金属元素含量低于 0.01%。采用高锰酸钾、硝酸与高氯酸的混酸体系作为氧化插层剂，其中高锰酸钾通过破坏石墨层间范德华力降低反应活化能，硝酸分解产生的 NO₂及 NO₃⁻促进电子传递，高氯酸则作为主插层剂嵌入石墨层间。化学反应过程通过高锰酸钾氧化石墨生成 MnO₂，后续利用过氧化氢去除残留氧化剂，最终形成无硫石墨层间化合物。

  二、混酸配比与氧化剂用量对可膨胀石墨性能的影响

  混酸用量和配比对可膨胀石墨膨胀容积起着关键作用。《2025-2030年全球及中国可膨胀石墨行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，当混酸与石墨质量比在 3.5∶1 至 6.5∶1 范围、硝酸质量分数为 4% 至 12% 时，实验数据表明：硝酸质量分数为 8% 时膨胀容积最高，可达 370-405 mL/g。质量比为 4.5∶1 时，膨胀容积达 405 mL/g，表明此配比下氧化插层反应最充分。

  高锰酸钾用量实验显示，当与石墨质量比小于 0.10 时，因氧化剂不足导致插层不充分;质量比为 0.10 时膨胀容积达 405 mL/g;超过该比例则因过氧化及水洗难度增加使性能下降，故最佳质量比确定为 0.10。

  三、反应条件对可膨胀石墨膨胀性能的优化

  在石墨∶高锰酸钾∶混酸质量比为 1∶0.10∶4.5、硝酸质量分数 8% 的条件下，反应温度 40℃时膨胀容积达峰值 410 mL/g。温度低于 20℃时活化能不足，高于 60℃则导致插层剂挥发流失。

  反应时间实验表明，45 分钟为最佳时长：短于该时间会使插层不充分，超过则因过氧化破坏层结构，导致膨胀容积从 410 mL/g 降至 405 mL/g。

  水洗与烘干温度同样影响性能：水洗温度 0-20℃时膨胀容积保持 410-415 mL/g，高于 20℃会因插层剂溶解流失导致性能下降;烘干温度 60℃时平衡脱水效率与插层剂稳定性，膨胀容积达 410 mL/g，高于该温度则因插层剂分解使性能降低。

  四、可膨胀石墨结构演变的多维度表征

  XRD 分析显示，天然石墨特征峰位于 2θ=26.57° 和 54.70°，插层后特征峰分裂为 2θ=25.76° 和 29.08°，表明层间距从 3.3524 Å 扩大至 3.4556 Å，证实插层剂成功嵌入。膨胀后石墨晶体结构破坏，衍射峰强度下降但纯度保持较高水平。

  FTIR 图谱显示，可膨胀石墨在 625 cm⁻¹(Cl-O 键)、1120 cm⁻¹(ClO₄⁻)、1385 cm⁻¹(NO₃⁻)处出现新峰，证明插层剂成功键合。膨胀石墨中水分吸收峰减弱，表明插层剂残留量低，纯度符合预期。

  SEM 观察揭示结构演变过程：天然石墨呈紧密层片状，可膨胀石墨层间边缘卷曲、剥离，膨胀后形成独特三级孔隙结构 —— 微胞蠕虫状(100 μm 级)、贯通柳叶状(数十 μm 级)和不规则多边形(0.1-μm 级)，显著提升材料比表面积与吸附性能。

  总结

  本研究通过优化无硫制备工艺，成功获得膨胀容积达 410 mL/g 的高性能可膨胀石墨，最佳工艺参数为：石墨∶高锰酸钾∶混酸质量比 1∶0.10∶4.5，硝酸质量分数 8%，反应温度 40℃、时间 45 分钟，水洗温度 0-20℃，烘干温度 60℃。多手段表征证实，插层过程导致石墨层间距扩大、边缘结构重构，膨胀后形成多级孔隙体系，为其在新能源、环保等领域的应用提供了理论与技术支撑。该工艺兼具高效、低耗、环保特点，对推动可膨胀石墨行业技术升级具有重要意义。