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氟化石墨

化学物质

氟化石墨是现今国际上高科技、高性能、高效益的新型炭/石墨材料研究热点之一，其品质独特，是功能材料家族中的一朵奇葩。由于活泼性极高的剧毒单质气体氟是“气相法”合成氟化石墨的原料，加之，合成氟化石墨的技术细节国外文献披露极少，故“气相法”合成氟化石墨不但有一定的危险性，而且难度较高，迄今为止，国内有关这方面的实际研究论文报道极少。

物质信息
中文名称：氟化石墨
中文别名：聚氟化碳;氟化碳
英文名称：Fluorographite polymer
英文别名：Graphite Fluoride;
CAS号：51311-17-2
EINECS号：257-131-3
分子式：-(CFx)-n
分子量：(12+19x)n
InChI：InChI=1/CH4.F2/c;1-2/h1H4;
主要用途
1，氟化石墨是重要的无机非金属材料，具有优良的润滑性，美国和日本研究表明，氟化石墨润滑性能优于通用的石墨和二硫化钼，在干燥或潮湿高温时（400-500度）摩擦系数更小，使用寿命更长。
由于氟化石墨的表面能低，它经常与润滑油、润滑脂或树脂混合使用，还可把氟化石墨粉末悬浮在润滑油中或加到汽油中去。在飞机、轿车的发动机上有用氟化石墨做润滑剂的趋势。日本的中央玻璃公司已开始生产悬浮有氟化石墨粉末的润滑油。
2，用作电池、电极的活性材料。氟化石墨与非水系电解质组合可制成高能量密度、高能输出功率、长储存周期、高安全性能的新型电池，该电池能量为锌、碱性电池的6-9倍。
日本松下电池公司已有批量生产，用于无线电发射机、测量设备、观测气球、捕鱼浮标和照明、电子手表、计算器等方面。 另外，氟化石墨纤维可制造电子测试器的散热材料；涂于有机物的表面制取吸音材料；加入碳纤维复合材料，可增强负载能力，降低材料表面温度；加进涂料可改善涂刷性能，具有防水防油功能；憎水性好，用于图象记录、复制，色谱分析等。
编号系统
CAS号：11113-63-6
MDL号：
EINECS号：234-345-5
RTECS号：
BRN号：
PubChem号：
物性数据
1.性状：白色粉末。从结构上看是氟进入到石墨六碳环平面层之间，与石墨相似，故称氟化石墨。其化学组成和晶体结构随反应温度及原料的晶型结构不同而不同。
计算化学数据
1.疏水参数计算参考值（XlogP）:无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:2
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:3
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:2
性质与稳定性
除浓碱、热浓硫酸外，不易被其他酸碱腐蚀。耐溶剂性、耐候性较好。表面有疏水性。由于氟的引入，碳氟键能很大，高温、高压以及不同气体介质中很难被切断，使它在高温、高速、高负荷条件下的性能优于石墨或二硫化钼，改善了石墨在没有水汽条件下的润滑性能。无毒、不可燃、无腐蚀性、化学性质稳定，是一种很好的高能电极材料、绝缘材料、防水材料、润滑材料。
合成材料
1.用碳或石墨和元素氟在300～600℃直接进行氟化反应而得。或者采用以石墨为阳极，氟氢酸为阴极的电解方法。
2.用碳或石墨和元素氟在300～600℃直接进行氟化反应而得。
用途
1.氟化石墨具有疏水疏油性，其独特之处是高润滑性，是一种新型的功能材料。用作高温固体润滑剂、高能锂电池的阴极材料及新型电导材料等。氟化石墨与石墨或二硫化钼相比耐磨性好。在干燥、潮湿的气氛中以及在高温（400～500℃）时，摩擦系数小，摩擦寿命长，而且具有良好的热稳定性和化学稳定性，几乎在所有的气氛中都能保持良好的润滑特性，特别适合在高温、高压、高速、高负荷和腐蚀性介质等苛刻条件下使用。用氟化石墨与橡胶、塑料制成的复合材料可制备自润滑轴承与密封件，适于高温与高速下应用。
2.用作高温固体润滑剂、高能锂电池的阴极材料及新型电导材料等。
合成方法
对氟化石墨合成方法的研究工作，正在广泛深入地进行之中。已有的合成方法，可分为以下几种：
直接合成法
将固体碳和气体氟在的范围内加热合成。这一工艺其原料只涉及固体碳和气体氟两种，外界条件只有温度。反应效果的好坏，只和反应物本身和反应条件有关，是最早的合成方法。
催化合成法
在石墨和氟的反应系统中，如果有微量的金属氟化物如、、和存在时，则在低于的条件下也能合成氟化石墨。金属氟化物在这里起到了“催化”作用。制得的氟化石墨中，含有微量的金属氟化物。虽然量微，却改变了氟化石墨的性质，特别是导电率提高了一个数量级。所用设备和直接合成法相同。不过对所用的原料纯度要求比较高。天然石墨含碳量要求大于//01；氟气体纯度要求为//02//31，其中4含量小于251，6小于71；纯度要求大于/81，纯度要求大于/81。
固体与固体合成法
前面两种方法都是固体石墨和气体氟合成，气体氟是极毒物质，高腐蚀性，在高温下反应，生产很不安全。日本有人研究出用固体含氟聚合物和石墨混合，在惰性气体中，加热至259.制得氟化石墨。这一合成方法，为安全生产氟化石墨提供了良好的条件，合成反应是在管式电炉中的石英管内进行的。
立式振动反应器合成法
在镍制的反应器底部，加装一个振动器，一方面使反应物料混合均匀，另一方面能提高反应速度，使产率和产品质量都能提高。和回转反应器比较，在工艺条件的控制上，大大地前进了一步。
电解法
将碳素或石墨材料在无水氢氟酸中电解，就可生成新的氟化石墨。具体的说，在阳极和阴极之间使氢氟酸循环，这样可以连续地合成氟化石墨。本方法是在循环式电解装置中完成的。电解过程的进行，是通过控制反应液的浓度、反应温度和导电剂添加量等实现的。
下面重点介绍：固相合成工艺、立式振动反应器工艺和电解法合成工艺。
石墨和氟固相合成工艺
对参与合成的原材料要求
含氟固相物质，主要是含碳、氟及氢的聚合物。也可以是含少量的硫、氧、氯，如四氟乙烯、六氯丙烯、聚乙酸乙烯树脂萤石和乙烯基萤石等聚合物。或者为乙烯、氯三氟乙烯及共聚物等。
碳材料主要是碳和焦炭、木炭、石墨等，要求纯度高。对两种原料粒度要求为小于以下，以下更好。最好是粉碎到以下的微粉状态。这样容易分散混合均匀，有利于合成反应的进行。
反应的条件
包括氟聚合物的种类、碳的种类及两者的重量配比；惰性气体、加热温度、反应时间及产物使用要求等。反应条件随产品使用要求而不同。
一般情况下碳含量占—（质量）。惰性气体一般用氩、氖、氮、氦、氢等。比较理想的是氩和氮。这些气体，在加原料之前先导入反应器中，可加压、减压、常压。比较理想的是左右。
反应温度应控制在./。低于/时反应进行很慢；高于/时，产物发生分解反应，使产量降低和产生有毒气体，给生产带来难以解决的问题。最理想的温度范围是./，此时可以获得最好的结果。
反应时间，一般没有很严格限制，可以从几分钟到几小时。主要视反应进行的程度而定对特定的配方和使用目的，要通过试验研究确定反应时间和其它条件的最佳值。
合成工艺流程
随固体碳原料的不同略有区别。下面分两种情况介绍：
以石墨为原料的工艺流程：
石墨
水混合———脱水———干燥———炉内反应———冷却———产品
聚四氟乙烯
工艺条件：石墨水溶液和聚四氟乙烯按1混合后，进行脱水干燥入管式电炉加热
合成，经23取出冷却即得氟化石墨。加热合成4，反应效果最好。当然聚四氟乙烯
类原料，必须进行微粉碎后，才能和石墨水溶液混合。
以碳黑为原料的工艺流程
碳黑
混合———压片———管式电炉———冷却———成品
聚四氟乙烯
工艺条件：将聚四氟乙烯和碳黑细粉按重量比5：1混合，再加压成形为片状，然后第一篇石墨与炭素制品分类加工的常用数据与计算入管式电炉并通氩气适量，炉温升到，反应后取出冷却，即得到粉状的氟化石墨。
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