Skirtumas tarp natūralaus grafito ir dirbtinio grafito: kaip naudoti natūralų grafitą kuriant dirbtinius grafito produktus

Graphitą sudaro vienas anglies elementas. Jo kristalų struktūra priklauso šešiakampei sistemai, sudaranti šešiakampę sluoksniuotą struktūrą. Sluoksniuose anglies atomai yra sujungti σ jungtimis, suformuotomis Hibridinėmis SP2 orbitalėmis ir delokalizuotos π jungtys, suformuotos PZ orbitalėmis, sudarydami stiprų šešiakampį tinklelį. Anglies ir anglies atominis tarpas yra 1,42 Å. Anglies atomai turi ypač stiprią ryšių energiją (345 kJ/mol), o anglies atomai yra surišti vienas su kitu silpnesnių van der Waals jėgų (jungties energija 16,7 kJ/mol). Tarpsluoksnių tarpai yra 3,354 Å.

Grafitas yra minkštas, tamsiai pilkos spalvos ir turi riebų pojūtį, kuris gali nudažyti popierių. Jo kietumas yra 1-2, o teorinis tankis yra 2,26 g/cm³.
Gryno grafito gamtoje nėra. Natūraliuose grafito mineraluose dažnai yra priemaišų, tokių kaip SiO2, AL2O3, FEO, CAO, P2O5 ir CUO.
Šios priemaišos dažnai būna mineraluose, tokiuose kaip kvarcas, piritas ir karbonatai. Be to, grafite taip pat yra dujų, tokių kaip vanduo, angliavandeniliai, CO₂, H₂ ir N₂.

Taigi, be fiksuoto anglies kiekio nustatymo, grafito analizė taip pat turi išmatuoti lakiąsias medžiagas ir pelenų kiekį.

Dėl savo specialios struktūros grafitas turi šias puikias savybes:

(1) Aukštos temperatūros atsparumas:Graphitas yra viena iš šilumos atsparių medžiagų. Jis neturi lydymosi taško esant normaliam slėgiui ir praranda labai mažai svorio, net kai dega ypač aukštos temperatūros lanko.

(2) elektrinis laidumas ir šilumos laidumas:Graphite turi aukštą elektrinį laidumą ir šilumos laidumą. Šilumos laidumas mažėja didėjant temperatūrai. Esant ypač aukštai temperatūrai, grafitas netgi tampa izoliatoriumi.

(3) Lubrikumas: tGrafito tepimas priklauso nuo grafito grūdų dydžio ir kristalų vystymosi laipsnio. Kuo didesni grafito grūdai ir kuo išsamesnis kristalų vystymasis, tuo mažesnis trinties koeficientas ir tuo geresnis tepimas.

(4) Cheminis stabilumas:Grafitas turi gerą cheminį stabilumą kambario temperatūroje ir yra atsparus rūgščiai, šarmams ir organiniam tirpiklio korozijai.

(5) plastiškumas:Graphitas turi tam tikrą tvirtumą ir gali būti tiesiog apdorojamas. Grafitas, turintis aukštą kristalų vystymosi laipsnį, netgi gali būti sumaltas į labai plonus lakštus.

(6) Šiluminio smūgio atsparumas:Šiluminio plėtimosi grafito koeficientas yra labai mažas ir gali atlaikyti drastiškus temperatūros pokyčius, nepažeidžiant naudojimo metu.

3. Grafito klasifikacija ir charakteristikos
Graphitą galima suskirstyti į natūralų grafitą ir dirbtinį grafitą. Nors abu turi panašias struktūras ir fizines bei chemines savybes, jų naudojimas labai skiriasi.

Natūralus grafitas yra gamtos dovana, kurią sudaro ilgalaikė anglies turtingų organinių medžiagų transformacija esant aukštos temperatūros ir aukšto slėgio geologinėms sąlygoms. Natūralaus grafito apdorojimo savybes pirmiausia lemia jo kristalų forma. Grafito mineralai su skirtingomis kristalų formomis turi skirtingas pramonines vertes ir pritaikymus.
Natūralus grafitas yra daugybė medžiagų. Remiantis jų kristalų forma, natūralus grafitas yra pramoniniu būdu suskirstytas į tris kategorijas: tankus kristalinis grafitas, dribsnių grafitas ir kriptokristalinis grafitas. Mano šalyje du pagrindiniai tipai yra „Flake Graphite“ ir „Cryptocristalline Graphite“.
Tankus kristalinis grafitas, dar žinomas kaip masyvus grafitas, turi atskirus kristalus, matomus plika akiai. Dalelių skersmuo yra didesnis nei 0,1 mm. Kristalai išdėstyti netvarkingoje, tanki, masyvi struktūra. Jis yra aukštos kokybės, kai anglies kiekis paprastai svyruoja nuo 60% iki 65%, kartais siekia nuo 80% iki 98%. Tačiau jo plastiškumas ir tepamumas yra prastesni nei grafito dribsniai. Natūralus dribsnių grafitas, kristalografinis pegmatitų terminas, yra vienas kristalas, pavadintas jo žvynuotos formos. Tai gali būti dideli arba smulkūs dribsniai. Šio tipo grafitas siūlo puikų tepimą ir plastiškumą, palyginti su kitais grafito rūšimis, todėl jis yra vertingiausia pramoninė medžiaga.

Nors „Flake Graphite Ore“ nėra aukštos kokybės, o anglies kiekis paprastai svyruoja nuo 3% iki 25%, tai yra viena iš gamtos randamų rūdų. Atliekant didelį šlifavimą ir atranką, galima gauti aukštos kokybės grafito koncentratą.

Afanitinis grafitas, dar žinomas kaip amorfinis grafitas arba žemiškas grafitas, neseniai pradėjo būti vadinamas mikrokristaliniu grafitu. Šio tipo grafitas paprastai turi mažesnį nei 1 mikrono skersmens kristalus ir jį galima pamatyti tik naudojant elektroninį mikroskopą. Tai gali būti laikoma grafito kristalų agregatu.

Natūralus mikrokristalinis grafitas paprastai susidaro keičiant anglis esant aukštos temperatūros ir aukšto slėgio geologinėms sąlygoms. Todėl ji dažnai siejama su anglis. Natūraliuose mikrokristaliniame grafito rūdos kūnuose dažnai stebima pereinamoji zona iš antracito į natūralų mikrokristalinį grafitą. Šiam grafito tipui būdingas žemiškas paviršius, blizgesio trūkumas, mažesnis tepimas nei dribsnių grafitas ir blogas selektyvumas. Tačiau jis yra aukštesnės kokybės, o anglies kiekis paprastai svyruoja nuo 60%iki 80%, kai kurie viršija 90%.

Dirbtinis grafitas yra panašus į polikristalus kristalografijoje. Yra daugybė dirbtinio grafito rūšių, o gamybos procesai labai skiriasi. Apskritai, dirbtinis grafitas apima visas grafito medžiagas, gautas atliekant organinių medžiagų karbonizaciją, po to-grafitizavimas ir apdorojimas aukštai temperatūroje, tokiomis kaip anglies (grafito) pluoštas, pirolitinė anglies (grafitas) ir putplasčio grafitas.

Siaubingesne prasme dirbtinis grafitas paprastai reiškia kietąsias medžiagas, tokias kaip grafito elektrodai ir izostatiškai prispaustas grafitas, pagamintas naudojant mažo kiekio anglies žaliavą (pvz., Petroleum koksą ir žingsnio koksą), kaip užpildymą ir anglies degutą, kaip rišant, per daugybę procesų, įskaitant pakuotę, minkštimą, formavimąsi, anglies donėjimą ir anglies degutą, kaip rišant, ir grafiką, taip pat grėsmę.

Kadangi natūralus grafitas paprastai gaminamas siauromis šio žodžio prasme, dirbtiniu grafitu, šis straipsnis tik analizuos ir aptars natūralaus grafito ir dirbtinio grafito skirtumus ir ryšius siaurąja prasme.

Natūralus grafitas turi palyginti gerai išsivysčiusius kristalus. Natūralaus dribsnių grafito grafitizavimo laipsnis paprastai yra didesnis nei 98%, o natūralaus mikrokristalinio grafito - paprastai mažesnis nei 93%.
Dirbtinio grafito kristalų vystymosi laipsnis priklauso nuo žaliavos ir terminio apdorojimo temperatūros. Apskritai, kuo aukštesnė terminio apdorojimo temperatūra, tuo didesnis grafitizacijos laipsnis. Šiuo metu pramoniniu būdu pagaminto dirbtinio grafito grafiizavimo laipsnis paprastai yra mažesnis nei 90%.

Natūralus dribsnių grafitas yra vienas kristalas, turintis palyginti paprastą mikrostruktūrą. Jame yra tik kristalografiniai defektai (pvz., Taško defektai, dislokacijos ir gedimai), todėl atsiranda anizotropinių makroskopinių struktūrinių charakteristikų. Natūralus mikrokristalinis grafitas turi mažesnius grūdus, atsitiktinai išdėstytas ir poras, atsirandančias pašalinus priemaišas. Jis pasižymi izotropinėmis makroskopinėmis struktūrinėmis savybėmis.
Dirbtinis grafitas gali būti laikomas daugiafaze medžiaga, susidedanti iš grafito fazės, gautos iš anglies dalelių, tokių kaip naftos koksas ar kokso koksas, grafito fazė, gauta iš anglies deguto rišiklio, susidarančio iš dalelių, ir poros, susidarančios dalelių kaupimosi metu arba termiškai apdorojant anglies deguto rišiklį.

Natūralus grafitas paprastai egzistuoja miltelių pavidalu ir gali būti naudojamas atskirai, tačiau dažnai derinamas su kitomis medžiagomis.
Dirbtinis grafitas yra įvairių formų, įskaitant miltelius, pluoštą ir bloką. Siauresne prasme dirbtinis grafitas paprastai yra blokinės formos ir prieš naudojimą reikia apdoroti tam tikra forma.

Natūralus grafitas ir dirbtinis grafitas turi panašumų, tačiau taip pat rodo našumo skirtumus. Pavyzdžiui, tiek natūralus, tiek dirbtinis grafitas yra geri šilumos ir elektros laidininkai. Tačiau to paties grynumo ir dalelių dydžio grafito milteliams natūralaus dribsnių grafitas turi geriausią šiluminį ir elektrinį laidumą, po kurio eina natūralus mikrokristalinis grafitas, o dirbtinis grafitas - mažiausias.
Grafitas demonstruoja gerą tepimą ir tam tikrą plastiškumą. Natūralus dribsnių grafitas, turintis gerai išsivysčiusius kristalus ir žemą trinties koeficientą, pasižymi geriausiu tepalu ir didžiausiu plastiškumu. Tanki kristalinio grafito ir kriptokristalinio grafito vieta yra antra, o dirbtinis grafitas veikia blogai.

Graphite turi daug puikių savybių, todėl jis plačiai naudojamas tokiose pramonės šakose kaip metalurgija, mašinos, elektros inžinerija, chemikalai, tekstilė ir gynyba. Natūralaus ir sintetinio grafito sutapimų pritaikymas ir skiriasi.
Metalurgijos pramonėje natūralus dribsnių grafitas dėl puikaus atsparumo oksidacijai naudojamas gaminant ugniai atsparias medžiagas, tokias kaip magnezijos ir anglies plytos ir aliuminio oksido anglies plytos.
Dirbtinis grafitas gali būti naudojamas kaip plieno gamybos elektrodai, tuo tarpu iš natūralaus grafito pagamintų elektrodų sunku naudoti griežtesnėse elektrinių plieninių krosnių veikimo sąlygose.
Mechanikos pramonėje grafitas dažniausiai naudojamas kaip atsparus dėvėjimams ir sutepimo medžiagai. Natūralus dribsnių grafitas turi puikų tepimą ir dažnai naudojamas kaip tepalo priedas.
Įrangoje, kuri perneša ėsdinančias terpes, stūmokliniai žiedai, sandarikliai ir guoliai, pagaminti iš sintetinio grafito, yra plačiai naudojami, todėl pašalinama tepalo poreikis.
Natūralūs grafito ir polimerų dervos kompozitai taip pat gali būti naudojami aukščiau paminėtose programose, tačiau jų atsparumas susidėvėjimui yra prastesnis nei sintetinio grafito. Dirbtinis grafitas gali pasigirti atsparumu korozijai, gerą šilumos laidumą ir žemą pralaidumą. Chemijos pramonėje jis yra plačiai naudojamas gaminant įrangą, tokią kaip šilumokaičiai, reakcijos rezervuarai, absorbcijos bokštai ir filtrai.

Šiose vietose taip pat gali būti naudojami natūralūs grafito ir polimerų dervos kompozitai, tačiau jų šilumos laidumas ir atsparumas korozijai yra prastesni nei dirbtinio grafito.

Naujų grafito produktų, pagrįstų dirbtinio grafito gamybos procesais, kūrimas nebėra nauja dirbtinio grafito pramonės tema. Po dirbtinio grafito gamybos procesų gaminamas daugybė anglies-grafito produktų, naudojant natūralų grafitą kaip pirminę ar antrinę žaliavą, o kai kurie netgi tapo didelio masto pramonės šakomis.

Cinko-Mangano akumuliatoriaus anglies strypai:Cinko-Mangano akumuliatorių (paprastai žinomi kaip sausos ląstelės) anglies strypai gaminami naudojant natūralų mikrokristalinį grafito ir anglių deguto žingsnį kaip pirmines žaliavas, maišant, išspaudžiant, skrudinant, apdirbant ir impregnuojant vašką.

Pirmiausia padidindami didelį natūralaus mikrokristalinio grafito laidumą ir mažą kainą, šie produktai turi mažai pelenų reikalavimų, tačiau griežtesniems priemaišoms, tokioms kaip geležis ir siera, reikalavimai.

Natūralūs grafito šepetėliai:Varikliniai šepetėliai gaminami naudojant natūralaus dribsnių grafito ir anglių deguto žingsnį kaip pirmines žaliavas, maišant, plečiant, šlifuojant, formuojant, skrudinant (ir prireikus grafitizavimą) ir apdirbant.

Ši medžiaga pirmiausia naudoja didelį natūralių dribsnių grafito laidumą ir orientaciją. Tam reikia mažo priemaišų, tokių kaip geležis ir siera, ir pelenų kiekis nėra didesnis kaip 2%. Apdirbimo metu reikia būti atsargūs, kad būtų užtikrinta „Flake“ orientacija.

Mechaninė anglies grafito medžiaga:Pirmiausia pagaminta iš natūralaus grafito ir anglių deguto žingsnio, ši medžiaga gaminama maišant, pleiskanojant, šlifuojant, formuojant ir skrudinant. Remiantis taikymo reikalavimais, reikia tiksliai apdirbti.

Iš aukščiau pateiktų pavyzdžių galima pastebėti, kad palyginti su dirbtiniu grafitu siaurąja prasme, anglies grafito produktai, pagaminti iš natūralaus grafito, kaip pagrindinė žaliava ar pagalbinė žaliava, ir pagaminti pagal dirbtinio grafito gamybos procesą, turi šiuos gamybos proceso ir produkto efektyvumo skirtumus:

(1) Pirmasis paprastai turi būti apdorotas grafitizacijos apdorojimu aukštesne nei 2500 laipsnių temperatūra, kad būtų gautos reikiamos fizinės ir cheminės savybės, o pastarąsias galima grafitizuoti ar ne. Siekiant sumažinti gamybos sąnaudas, grafitizacijos apdorojimas paprastai neatliekamas, todėl jos struktūroje yra „anglies“ fazė, paverčiama iš rišiklio žingsnio. Ši anglis, esanti aplink grafito daleles ir suriša grafito daleles kartu, turi didesnį kietumą ir daug mažesnį laidumą nei natūralus grafitas, todėl jis daro didesnį poveikį produkto veikimui.

(2) Kadangi natūralus grafitas paprastai egzistuoja miltelių pavidalu ir turi prastą ryšį su anglių degute, anglies grafito produktai, pagaminti iš natūralaus grafito, nes žaliavos paprastai turi trūkumų, tokių kaip didelis poringumas, mažas mechaninis stiprumas, blogas atsparumas oksidacijai ir šiluminio smūgio atsparumas. Todėl produkto specifikacijos negali būti per didelės, o taikymo laukas taip pat yra labai ribotas.

Remdamasis aukščiau pateikta analize ir diskusijomis, autorius mano, kad šiems techniniams problemoms reikia atkreipti dėmesį kuriant dirbtinį grafitą, naudojant natūralų grafitą kaip žaliavą:

Natūralaus grafito paviršiaus modifikavimas.Palyginti su anglies žaliavomis, tokiomis kaip naftos koksas ir kokso koksas, natūralus grafitas turi mažiau paviršiaus deguonies funkcinių grupių, yra mažiau aktyvi ir yra prastesnė su anglių deguto žingsniu.

Todėl anglies-graphitų produktai, gaminami naudojant natūralų grafitą, ypač natūralų dribsnių grafitą, kaip pirminę žaliavą ir naudojant dirbtinio grafito gamybos procesus, neišvengiamai kenčia nuo prastų mechaninių savybių. Norint padidinti paviršiaus deguonies funkcinių grupių kiekį, būtinas tinkamas natūralaus grafito paviršiaus apdorojimas.

Natūralaus grafito gryninimas.Anglies žaliavos, tokios kaip naftos koksas ir kokso koksas, yra palyginti grynos, o pelenų kiekis paprastai mažesnis nei 0,5%. Tačiau natūralus grafitas, perdirbtas per pluoštą, yra palyginti grynas, o anglies kiekis paprastai mažesnis nei 90%. Todėl iš natūralaus grafito pagamintų anglies-grafito produktų dažnai būna mažesnis grynumas ir blogas bendras našumas, ribojant jų taikymo sritis. Natūralaus grafito aukšto lygio gydymas yra vienas iš būdų išspręsti šią problemą.

Cheminis gryninimas yra pigesnis, tačiau skalbimo procesas sunaudoja daug vandens ir sukelia didelę taršą. Kita vertus, aukštos temperatūros valymas yra brangesnis. Kai kurie pasiūlė pirmiausia paruošti bloko grafitą, naudodamiesi dirbtinio grafito gamybos procesu, tada, norėdami pavaizduoti „anglies“ fazę aukšto temperatūros termiškai apdorojimu, viršijančiu 2500 laipsnių, pašalindami priemaišas iš natūralios grafito fazės. Tačiau tai padidina gamybos sąnaudas ir, antra, dėl defektų, atsirandančių dėl priemaišų garinimo, dažnai sumažėja produkto našumas.

Natūralus grafito dalelių dydis.Norint patobulinti procesą ir produkto veikimą, daugumai anglies-grafito produktų, išskyrus plonos struktūros anglies-grafito produktus, reikia įvairių dalelių dydžio anglies žaliavų, kurių keičiant. Kai kuriems didelio formato produktams anglies žaliavos dalelių dydis netgi gali siekti 16 mm. Tačiau natūralus grafitas, apdorotas flotavimu, dažnai sudaro smulkius miltelius, kurių dalelių dydis svyruoja nuo dešimčių iki šimtų mikronų. Todėl natūralaus grafito, kaip žaliavos, naudojimas apsiriboja tikslios struktūros anglies-grafito produktų gamyba.

Nors natūralus mikrokristalinis įvairaus dydžio grafitas yra prieinamas, dėl mažo grynumo ir aukštos temperatūros gryninimo išlaidų jis yra nepaprastai brangus. Todėl nėra pranešimų apie šiurkščiavilnių struktūros anglies-grafito produktus, pagamintus naudojant natūralų mikrokristalinį grafitą kaip žaliavą. Norint atkreipti dėmesį į didelės dalies natūralaus grafito trūkumą, rekomenduojama pritaikyti „antrinį kokso“ procesą, naudojamą dirbtinio grafito pramonėje, norint apdoroti anglies juodas žaliavas.

Gamybos proceso metu tūris susitraukia.Gaminant dirbtinį grafitą, ypač grafitizacijos metu, anglies atomai pamažu pereina prie įprastos grafito struktūros, todėl gatavame produkte smarkiai susitraukia tūris.
Šis tūrio susitraukimas turi pranašumą, nes padidina gatavos produkto tankį, tačiau nelygus susitraukimas gali lengvai sukelti įtrūkimą. Kita vertus, natūralus grafitas patiria mažesnį tūrio susitraukimą karbonizacijos ir grafitizacijos procesų metu, todėl sumažėja tankis ir mechaninės savybės.
Be to, kuriant dirbtinį grafitą iš natūralaus grafito, reikia atsižvelgti į bendrą gamybos kainą.
Natūralaus grafito po flotacijos kaina yra panaši į kalcinuoto naftos kokso ir „Pitch Coke“. Po tolesnio 98 proc. Anglies kiekio gryninimo, natūralaus grafito kaina yra beveik dvigubai didesnė nei kalcinuoto naftos kokso ir žingsnio kokso. Todėl, išskyrus minėtus anglies-grafito produktus, kurie jau sukūrė reikšmingas pramonės šakas, dauguma siūlomų techninių maršrutų ir priemonių žymiai padidins gamybos sąnaudas.

Apibendrinant galima pasakyti, kad dirbtinio grafito produktų kūrimas naudojant natūralų grafitą kaip žaliavą yra svarbus būdas išplėsti natūralaus grafito taikymą.
Natūralus grafitas ilgą laiką buvo naudojamas kaip papildoma žaliava gaminant dirbtinį grafito gamybą, tačiau kuriant dirbtinį grafito produktus, naudojant natūralų grafitą kaip pirminę žaliavą, vis dar kelia daugybę iššūkių, kuriuos reikia išspręsti.
Geriausias būdas pasiekti šį tikslą yra visiškai suprasti ir panaudoti natūralaus grafito struktūrą ir savybes bei pritaikyti tinkamus proceso maršrutus ir metodus dirbtiniams grafito produktams gaminti su specializuotomis struktūromis, savybėmis ir pritaikymais.