探讨氟化石墨的物理化学性质

探讨氟化石墨的物理化学性质氟化石墨是通过氟与碳直接反应生成的石墨插层化合物，有聚单氟碳。和聚单氟二碳两种结构，是一种白色固体粉末状物质。氟化石墨层间能非常小，故作为一种特殊的石墨层间化合物。其具有优良的物理化学性质，主要体现在表面能性质，润滑性能，电化学性能，化学性质和绝缘性等方面。氟化石墨的表面能极低，水一聚四氟乙烯接触角约为100度。而水一氟化石墨的接触角为103度。对于酸，碱水溶液。具有长时间的憎水性。即使处理100小时之后，接触角对于水为103度，对于0.1NHCI及0.1NaOH为110度，极难润滑。从下表中可看出，氟化石墨的表面能较低为聚四氟乙烯的1/3一下，说明氟化石墨比石墨和聚四氟乙烯等防水疏油性更强。大家都知道石墨和二硫化铝(MoS2)是二种比较常见、性能较优越的重要的固体润滑剂，但它们均存在一定的不足之处。氟化石墨作为一种新型固体润滑剂，其润滑性优于石墨和二硫化铝，特别是在苛刻气氛、高速、高压、高温条件下，效果更佳，且不对金属和其它材料产生腐蚀作用，国内外相关专家称之为划时代的新型固体润滑剂。氟化石墨之所以具有如此优异的润滑性能主要是因为氟原子进入石墨层间并与兀电子形成了共价键，致使石墨层间的键能显著减小，仅2Kcal/mol，远比原料石墨的层间能9Kcal/mol低，这是它具有优良润滑性能的根本原因；另外，由于石墨六角网状平面层上、下表面密布结合着氟原子，其层与层之间的氟原子相互之间又有斥力，它们可以抵消来自外部的压力，故氟化石墨能充分表现出优良的润滑性能。下表列出了不同温度条件下几种润滑材料的摩擦系数，我们可以看出同一温度下，氟化石墨摩擦系数最小，尤其在高温下表现的更为明显，如在温度为320℃的条件下，石墨的摩擦系数为0.53.而氟化石墨的摩擦系数则只有0.10.从下表中的数据可以看出，氟化石墨的综合指标最好。氟化石墨在大气中于650℃以上润滑失效。原因是分解成了无润滑的无形碳黑，但这和二硫化铝，石墨的氧化失效有本质的区别。氟化石墨代替氟作为正极活性物质，与金属铿及溶有LiBF4或LiClO4的有机溶剂组合，可以形成高输出功率、高能、高密度的电池。从电池序列来看，F2和Li组合的电池是比较理想的,但F2氧化性强，实用起来困难很大。基于氟化石墨能使活泼的氟保存于固体中这一想法，渡边等人将氟化石墨用作电池活性物质材料。在以氟化石墨为阴极,铿为阳极所组成的非水系电池中，氟保存于固体石墨内，使石墨变成活性材料，为电池的能量密度和电池稳定创造了有利条件。实验结果显示，氟化石墨电池在电位的平稳性和能量密度等方面均具有很大的优越性。氟化石墨仅由C—C键及F—C键结合，由于氟原子的电负性较高(4.0)，原子半径较小(0.135Å)，它和碳原子间形成的F—C键极短，键能高达485.6kJ/mol(C—H键键能为413.2kJ/mol，C—C键键能为136.5kJ/mol)，因此分子结构稳定,相应地化学性质也相当稳定。其耐酸碱腐蚀性强，即使在浓硫酸、浓硝酸、强碱中，常温下也不受腐蚀。但是,氟化石墨在热酸、热碱中有少量的反应发生；在高温下和碱金属、碱金属卤化物反应生成氟化碱金属和无定形碳；在450℃—500℃下与氢进行还原反应生成氟化氢；当用紫外线或丫射线照射时也会发生一定程度的分解。由于石墨层间导电π电子与氟形成了共价键，故氟化石墨导电性极差，电阻极大，其电阻率高达2×103Ω·cm，优质氟化石墨电阻率大于3×103Ω·cm，近似于绝缘体。氟化石墨的密度根据碳源种类不同，合成条件的不同而不同，但均大于石墨的密度值2.25g/cm3，一般在2.3~2.6g/cm3之间（除少部分氟化碳之外），部分质量特别好的氟化石墨的密度值可达2.6g/cm3以上。（2）氟化石墨的主要用途氟化石墨是用天然石墨或人造石墨与氟合成的一种特殊材料，其具有表面能低、电话性高、吸收热中子断面积比其它材料小、优良的润滑和低表面能等特性，在电池、核反应堆、润滑、除油、防污、防水灯方面获得了越来越广泛的应用。