팽창 가능 흑연(Expandable Graphite)은 일반 천연흑연이나 인상 흑연에 산, 알칼리 및 염 등의 기타 화학물질을 첨가하여 제조된 것으로, 산 처리로 인해 내부에 삽입된 GIC(Graphite Intercalation Compounds / 흑연 층간 화합물)가 특정 온도에서 빠르게 기화되며, 방출되는 기체의 압력에 의해 흑연의 층간 거리가 순간적으로 벌어지며 팽창되는 특징을 갖는다. 이처럼 특정 온도에서 팽창되는 특성으로 인해 팽창 가능 흑연은 주로 소방 및 방염 관련 산업군에서 다양하게 활용되며, 주로 파이프와 방화문의 내부 삽입용 가스켓, 단열패드, 난연성 복합소재 등을 제작하는 소재로 쓰인다. 그 외에도 높은 흡착 특성, 내 부식성, 고온 및 저온에 대한 강한 저항력등 우수한 물질 특성을 가지고 있어, 더욱 다양한 산업군에 활용될 가능성을 내포하고 있다.
팽창 가능 흑연의 팽창성능은 제조과정에서 사용되는 GIC의 종류 및 혼합비율에 따라 달라지며, 팽창하는 과정에서 노출되는 열의 온도에 따라서도 상이하게 나타난다. 본 연구에서는 먼저 팽창 가능 흑연의 최대 팽창정도를 확인할 수 있는 열처리 온도를 확인하기 위해 300℃ ~ 900℃까지 200℃의 간격으로 팽창흑연의 SEM 촬영을 진행하였으며, 온도가 증가됨에 따라 팽창흑연의 층간 이격거리는 더욱 커지는 한편으로, 구조가 약해져 파괴되는 지점들이 점차 늘어나는 것을 확인하였다. 여기에 추가적으로 BET분석을 통한 비표면적 및 격자간 간격 측정을 통해 팽창흑연의 온도별 팽창 정도에 따른 기공 부피 및 기공직경의 변화를 측정해 본 결과, 전체 기공 부피는 팽창 전 3.9061x10-5(cm3g-1)에서 900℃열처리 시점에서는 7.9928x10-3(cm3g-1)로 약 200배 가량 증가하였으며, 평균 기공 직경 또한 0.3572(㎚)에서 1.992(㎚)로 5배가량 증가하였다.
이후 황산-질산(H₂SO₄-HNO₃)을 기준으로 일정한 양의 천연 흑연(10g)을 팽창시키기 위한 황산의 양을 100g부터 500g까지 100g 간격으로 증량하여 혼합용액을 제조하였으며, 이를 통해 제조한 팽창 가능 흑연의 팽창률을 측정하여 기준량(10g) 제조에 가장 적합한 황산의 양을 결정하였다. 또한 이렇게 결정된 양을 토대로 황산-암모늄퍼셜페이트(H2SO4-(NH4)2S2O8), 염산-질산(HCl-HNO₃), 과염소산-과망간산칼륨(HClO₄-KMnO₄)의 3종류의 혼합액을 추가로 제조 및 이를 통한 팽창 가능 흑연을 제조하였으며, 서로 다른 GIC를 통해 제조된 팽창 가능 흑연의 팽창률의 변화를 확인하였다. 그 결과 염산-질산으로 제조한 흑연은 전혀 팽창하지 않는 것을 확인하였고, 가장 팽창성능이 우수하게 나타난 것은 황산-암모늄퍼셜페이트 (H2SO4-(NH4)2S2O8)샘플로 최대 팽창률이 본래 부피의 약 5400%까지 측정되었다. 여기에 XRD 분석을 통한 면간거리의 계산 및 측정 결과 산 중량의 증가에 따라 면간거리도 함께 증가하는 경향성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 이렇게 확보된 데이터를 바탕으로, Particle size를 80mesh부터 50mesh, 30mesh 순으로 증가시켜가며, 추가적으로 팽창가능 흑연을 제조하여 팽창 배율을 측정하였고, Particle size가 커질수록 팽창 배율도 대체로 증가하는 경향성을 확인하였다.
마지막으로 TGA분석을 통해 GIC 종류별 제조된 팽창 가능 흑연의 열특성 및 팽창개시온도를 확인하였으며, 각각 사용된 산 혼합물의 종류에 따라 다른 시점에서 중량 감소가 일어나는 것을 확인하여 팽창개시온도 및 팽창 속도를 조절할 수 있음을 확인하였다.