Ero luonnollisen grafiitin ja keinotekoisen grafiitin välillä: kuinka käyttää luonnongrafiittia keinotekoisten grafiittituotteiden kehittämiseen

Grafiitti koostuu yhdestä hiilestä. Sen kiderakenne kuuluu kuusikulmaiseen järjestelmään muodostaen kuusikulmaisen kerrosrakenteen. Kerrosten sisällä hiiliatomit ovat sitoutuneet sp2-hybridiorbitaalien muodostamilla σ-sidoksilla ja Pz-orbitaalien muodostamilla delokalisoiduilla π-sidoksilla, jotka muodostavat vahvan kuusikulmaisen ruudukon. Hiili-hiiliatomietäisyys on 1,42 Å. Hiiliatomeilla on erittäin vahvat sidosenergiat (345 kJ/mol), kun taas hiiliatomit sitovat toisiinsa heikommat van der Waalsin voimat (sidosenergia 16,7 kJ/mol). Kerrosten välinen etäisyys on 3,354 Å.

Grafiitti on pehmeää, tummanharmaata ja tuntuu rasvaiselta, joka voi tahrata paperia. Sen kovuus on 1-2 ja sen teoreettinen tiheys on 2,26 g/cm³.
Puhdasta grafiittia ei ole luonnossa. Luonnolliset grafiittimineraalit sisältävät usein epäpuhtauksia, kuten SiO2, Al2O3, FeO, CaO, P2O5 ja CuO.
Näitä epäpuhtauksia esiintyy usein mineraaleissa, kuten kvartsissa, rikkikiisussa ja karbonaateissa. Lisäksi grafiitti sisältää myös kaasuja, kuten vettä, hiilivetyjä, CO₂, H₂ ja N₂.

Siksi grafiittianalyysissä tulee kiinteän hiilipitoisuuden määrittämisen lisäksi mitata myös haihtuvien aineiden ja tuhkapitoisuus.

Erityisen rakenteensa ansiosta grafiitilla on seuraavat erinomaiset ominaisuudet:

(1) Korkean lämpötilan kestävyys:Grafiitti on yksi lämmönkestävimmistä{0}}materiaaleista. Sillä ei ole sulamispistettä normaalipaineessa, ja se menettää hyvin vähän painoa, vaikka se poltetaan ultra-korkeassa lämpötilassa.

(2) Sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus:Grafiitilla on korkea sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus. Lämmönjohtavuus laskee lämpötilan noustessa. Erittäin korkeissa lämpötiloissa grafiitista tulee jopa eriste.

(3) Voitelukyky: Tgrafiitin voitelevuus riippuu grafiittirakeiden koosta ja kiteen kehitysasteesta. Mitä suurempia grafiittirakeita ovat ja mitä täydellisempi kiteen kehitys on, sitä pienempi kitkakerroin ja sitä parempi voitelevuus.

(4) Kemiallinen stabiilisuus:Grafiitilla on hyvä kemiallinen stabiilisuus huoneenlämpötilassa ja se kestää happoa, alkalia ja orgaanisten liuottimien korroosiota.

(5) Muovisuus:Grafiitilla on tietty sitkeys ja se voidaan käsitellä yksinkertaisesti. Grafiitti, jossa on korkea kidekehitysaste, voidaan hioa jopa erittäin ohuiksi levyiksi.

(6) Lämpöshokin kestävyys:Grafiitin lämpölaajenemiskerroin on hyvin pieni ja se kestää rajuja lämpötilan muutoksia vaurioitumatta käytön aikana.

3. Grafiitin luokitus ja ominaisuudet
Grafiitti voidaan jakaa luonnongrafiittiin ja keinotekoiseen grafiittiin. Vaikka näillä kahdella on samanlaiset rakenteet ja fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, niiden käyttötarkoitukset eroavat merkittävästi.

Luonnongrafiitti on luonnon lahja, joka muodostuu-hiilirikkaan orgaanisen aineen-pitkäaikaisesta muuttumisesta korkeassa-lämpötilassa ja korkeassa-paineessa geologisissa olosuhteissa. Luonnongrafiitin käsittelyominaisuudet määräytyvät ensisijaisesti sen kidemuodon mukaan. Grafiittimineraaleilla, joilla on eri kidemuotoja, on erilaisia ​​teollisia arvoja ja sovelluksia.
Luonnongrafiitti on laaja valikoima materiaaleja. Kidemuotonsa perusteella luonnongrafiitti luokitellaan teollisesti kolmeen luokkaan: tiheä kiteinen grafiitti, hiutalegrafiitti ja kryptokiteinen grafiitti. Kotimaassani hiutalegrafiitti ja kryptokiteinen grafiitti ovat kaksi päätyyppiä.
Tiheässä kiteisessä grafiitissa, joka tunnetaan myös massiivisena grafiittina, on paljaalla silmällä näkyviä kiteitä. Partikkelin halkaisija on suurempi kuin 0,1 mm. Kiteet on järjestetty epäjärjestyneeseen, tiheään, massiiviseen rakenteeseen. Se on korkealaatuista, ja sen hiilipitoisuus vaihtelee yleensä 60–65 %, joskus jopa 80–98 %. Sen plastisuus ja voitelevuus ovat kuitenkin huonompia kuin hiutalegrafiitti. Luonnollinen hiutalegrafiitti, kristallografinen termi pegmatiiteille, on yksikide, joka on nimetty sen hilseilevän muodon perusteella. Se voi olla joko suuria tai hienoja hiutaleita. Tämän tyyppinen grafiitti tarjoaa ylivoimaisen voitelevuuden ja plastisuuden muihin grafiittityyppeihin verrattuna, joten se on arvokkain teollinen materiaali.

Vaikka hiutalegrafiittimalmi ei ole korkealaatuista, sen hiilipitoisuus on yleensä 3–25 %, se on yksi kelluvimmista luonnosta löytyvistä malmeista. Laajan jauhamisen ja valinnan avulla voidaan saada korkealaatuista-grafiittirikastetta.

Aphaniittista grafiittia, joka tunnetaan myös nimellä amorfinen grafiitti tai maanläheinen grafiitti, on viime aikoina alettu kutsua mikrokiteiseksi grafiitiksi. Tämän tyyppisessä grafiitissa on tyypillisesti halkaisijaltaan alle 1 mikronin kiteitä, ja ne voidaan nähdä vain elektronimikroskoopilla. Sitä voidaan pitää grafiittikiteiden aggregaattina.

Luonnollinen mikrokiteinen grafiitti muodostuu tyypillisesti kivihiilen muuntamisessa korkeassa{0}}lämpötilassa ja korkeassa{1}}paineessa geologisissa olosuhteissa. Siksi se yhdistetään usein hiileen. Siirtymävyöhyke antrasiitista luonnolliseen mikrokiteiseen grafiittiin havaitaan usein luonnollisissa mikrokiteisissä grafiittimalmikappaleissa. Tämän tyyppiselle grafiitille on ominaista maanläheinen pinta, kiillon puute, hiutalegrafiittia heikompi voitelevuus ja huono selektiivisyys. Se on kuitenkin laadukkaampaa, ja sen hiilipitoisuus on yleensä 60–80 prosenttia, ja jotkut ylittävät 90 prosenttia.

Keinotekoinen grafiitti on samanlainen kuin monikiteet kristallografiassa. Keinotekoista grafiittia on useita tyyppejä, ja tuotantoprosessit vaihtelevat suuresti. Yleisesti ottaen keinotekoinen grafiitti kattaa kaikki grafiittimateriaalit, jotka on saatu orgaanisen aineen hiilellä, jota seuraa grafitointi ja korkean lämpötilan käsittely, kuten hiilikuitu (grafiitti), pyrolyyttinen hiili (grafiitti) ja vaahdotettu grafiitti.

Suppeammassa merkityksessä keinotekoisella grafiitilla tarkoitetaan yleensä kiinteitä bulkkimateriaaleja, kuten grafiittielektrodeja ja isostaattisesti puristettua grafiittia, jotka valmistetaan käyttämällä vähä-epäpuhtauksia sisältäviä hiilipitoisia raaka-aineita (kuten maaöljykoksia ja piikoksia) aggregaatteina ja kivihiilitervaa sideaineena useilla prosesseilla, mukaan lukien panostus, muovaus, hiiltäminen ja hiiltäminen grafitointi.

Koska luonnongrafiittia valmistetaan yleensä sanan suppeassa merkityksessä, keinografiittia, tässä artikkelissa analysoidaan ja käsitellään vain luonnongrafiitin ja keinotekoisen grafiitin eroja ja yhteyksiä suppeassa merkityksessä.

Luonnongrafiitissa on suhteellisen hyvin{0}}kehittyneitä kiteitä. Luonnonhiutalegrafiitin grafitoitumisaste on tyypillisesti yli 98 %, kun taas luonnollisen mikrokiteisen grafiitin grafitoitumisaste on tyypillisesti alle 93 %.
Keinotekoisen grafiitin kiteiden kehittymisaste riippuu raaka-aineesta ja lämpökäsittelyn lämpötilasta. Yleisesti ottaen mitä korkeampi lämpökäsittelylämpötila on, sitä korkeampi on grafitoitumisaste. Tällä hetkellä teollisesti valmistetun keinografiitin grafitoitumisaste on tyypillisesti alle 90 %.

Luonnollinen hiutalegrafiitti on yksikide, jolla on suhteellisen yksinkertainen mikrorakenne. Se sisältää vain kristallografisia vikoja (kuten pistevirheitä, siirtymiä ja pinoamisvirheitä), mikä johtaa anisotrooppisiin makroskooppisiin rakenteellisiin ominaisuuksiin. Luonnon mikrokiteisessä grafiitissa on pienempiä rakeita, joiden satunnainen järjestys ja huokoset johtuvat epäpuhtauksien poistamisesta. Sillä on isotrooppisia makroskooppisia rakenteellisia ominaisuuksia.
Keinotekoista grafiittia voidaan pitää monifaasisena materiaalina, joka koostuu grafiittifaasista, joka on johdettu hiilipitoisista hiukkasista, kuten maaöljykoksista tai piikoksista, hiukkasia ympäröivästä kivihiilitervan sideaineesta peräisin olevasta grafiittifaasista ja hiukkasten kerääntymisestä tai kivihiilitervan sideaineen lämpökäsittelystä muodostuneista huokosista.

Luonnongrafiittia on tyypillisesti jauheena ja sitä voidaan käyttää yksinään, mutta sitä yhdistetään usein muiden materiaalien kanssa.
Keinotekoista grafiittia on eri muodoissa, mukaan lukien jauhe, kuitu ja lohko. Suppeammassa merkityksessä keinotekoinen grafiitti on tyypillisesti lohkomuodossa ja se on käsiteltävä tiettyyn muotoon ennen käyttöä.

Luonnongrafiitilla ja keinotekoisella grafiitilla on yhtäläisyyksiä, mutta niillä on myös eroja suorituskyvyssä. Esimerkiksi sekä luonnollinen että keinotekoinen grafiitti ovat hyviä lämmön ja sähkön johtimia. Kuitenkin puhtaudeltaan ja hiukkaskokoltaan samanlaisissa grafiittijauheissa luonnonhiutalegrafiitilla on paras lämmön- ja sähkönjohtavuus, jota seuraa luonnollinen mikrokiteinen grafiitti ja keinotekoisella grafiitilla alhaisin.
Grafiitilla on hyvä voitelevuus ja tietty plastisuus. Luonnonhiutalegrafiitilla, jolla on hyvin-kehittyneet kiteet ja pieni kitkakerroin, on paras voitelevuus ja plastisuus. Tiheä kiteinen grafiitti ja kryptokiteinen grafiitti ovat toisella sijalla, kun taas keinotekoinen grafiitti toimii huonosti.

Grafiitilla on monia erinomaisia ​​ominaisuuksia, minkä vuoksi sitä käytetään laajalti teollisuudessa, kuten metallurgiassa, koneissa, sähkötekniikassa, kemikaaleissa, tekstiileissä ja puolustusteollisuudessa. Luonnollisen ja synteettisen grafiitin sovellukset menevät päällekkäin ja eroavat toisistaan.
Metallurgisessa teollisuudessa luonnonhiutalegrafiittia käytetään sen erinomaisen hapettumisenkestävyyden ansiosta tulenkestäviä materiaaleja, kuten magnesiumoksidi-hiilitiiliä ja alumiinioksidi-hiilitiiliä.
Keinotekoista grafiittia voidaan käyttää teräksenvalmistuselektrodeina, kun taas luonnongrafiitista valmistettuja elektrodeja on vaikea käyttää sähköisten teräsuunien ankarammissa käyttöolosuhteissa.
Mekaanisessa teollisuudessa grafiittia käytetään yleisesti kulumista{0}}kestävänä ja voiteluaineena. Luonnonhiutalegrafiitilla on erinomainen voitelukyky ja sitä käytetään usein voiteluaineen lisäaineena.
Syövyttävää ainetta kuljettavissa laitteissa käytetään laajalti synteettisestä grafiitista valmistettuja männänrenkaita, tiivisteitä ja laakereita, mikä eliminoi voiteluaineen tarpeen.
Luonnongrafiitti- ja polymeerihartsikomposiitteja voidaan käyttää myös yllä{0}}mainituissa sovelluksissa, mutta niiden kulutuskestävyys on huonompi kuin synteettisen grafiitin. Keinotekoisella grafiitilla on korroosionkestävyys, hyvä lämmönjohtavuus ja alhainen läpäisevyys. Sitä käytetään laajalti kemianteollisuudessa laitteiden, kuten lämmönvaihtimien, reaktiosäiliöiden, absorptiotornien ja suodattimien valmistukseen.

Näillä alueilla voidaan käyttää myös luonnongrafiitti- ja polymeerihartsikomposiitteja, mutta niiden lämmönjohtavuus ja korroosionkestävyys ovat huonompia kuin keinografiitin.

Keinotekoisen grafiitin tuotantoprosesseihin perustuvien uusien grafiittituotteiden kehittäminen ei ole enää uusi aihe tekografiittiteollisuudessa. Lukuisia hiili-grafiittituotteita valmistetaan käyttämällä luonnongrafiittia ensisijaisena tai toissijaisena raaka-aineena keinotekoisten grafiitin tuotantoprosessien jälkeen, ja joistakin on jopa tullut suuria-teollisuudenaloja.

Sinkki-mangaani-akun hiilitangot:Sinkki-mangaaniakkujen hiilisauvat (tunnetaan yleisesti kuivakennoina) valmistetaan käyttämällä luonnollista mikrokiteistä grafiittia ja kivihiilitervapikeä ensisijaisena raaka-aineena sekoittamalla, suulakepuristamalla, paahtamalla, koneistamalla ja vahalla.

Pääasiassa luonnon mikrokiteisen grafiitin korkeaa johtavuutta ja alhaisia ​​kustannuksia hyödyntäen näillä tuotteilla on alhaiset tuhkapitoisuudet, mutta tiukemmat vaatimukset epäpuhtauksille, kuten raudalle ja rikille.

Luonnolliset grafiittiharjat:Moottoriharjat valmistetaan käyttämällä luonnonhiutalegrafiittia ja kivihiilitervapikeä ensisijaisina raaka-aineina sekoitus-, hiutale-, jauhatus-, muovaus-, paahtamis- (ja tarvittaessa grafitointi) ja koneistuksen kautta.

Tässä materiaalissa hyödynnetään ensisijaisesti luonnonhiutalegrafiitin korkeaa johtavuutta ja orientaatiota. Se vaatii vähän epäpuhtauksia, kuten rautaa ja rikkiä, ja tuhkapitoisuutta enintään 2 %. Työstön aikana on huolehdittava hiutaleen suuntautumisesta.

Mekaaninen hiiligrafiittimateriaali:Pääasiassa luonnongrafiitista ja kivihiilitervapikestä valmistettu materiaali valmistetaan sekoittamalla, hiutalemalla, jauhamalla, muovaamalla ja paahtamalla. Se vaatii tarkkuustyöstöä sovellusvaatimusten perusteella.

Yllä olevista esimerkeistä voidaan nähdä, että verrattuna keinotekoiseen grafiittiin suppeassa merkityksessä, hiiligrafiittituotteilla, jotka on valmistettu luonnongrafiitista pääraaka-aineena tai apuraaka-aineena ja jotka on valmistettu keinotekoisen grafiitin valmistusprosessin mukaisesti, on seuraavat erot tuotantoprosessissa ja tuotteen suorituskyvyssä:

(1) Ensin mainitulle on yleensä suoritettava grafitointikäsittely yli 2500 asteen lämpötilassa vaadittujen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien saavuttamiseksi, kun taas jälkimmäinen voidaan grafitoida tai ei. Tuotantokustannusten alentamiseksi grafitointikäsittelyä ei yleensä tehdä, joten sen rakenteessa on "hiili"-faasi, joka muunnetaan sideainepikestä. Tällä hiilellä, joka sijaitsee grafiittihiukkasten ympärillä ja sitoo grafiittihiukkaset yhteen, on korkeampi kovuus ja paljon pienempi johtavuus kuin luonnollisella grafiitilla, joten sillä on suurempi vaikutus tuotteen suorituskykyyn.

(2) Koska luonnongrafiittia esiintyy yleensä jauheena ja sillä on huono sidoslujuus kivihiilitervan kanssa, raaka-aineena käytetyllä luonnongrafiitilla valmistetuilla hiiligrafiittituotteilla on yleensä haittoja, kuten korkea huokoisuus, alhainen mekaaninen lujuus, huono hapettumisenkestävyys ja lämpöshokin kestävyys. Siksi tuotteen tekniset tiedot eivät voi olla liian suuria, ja sovellusalue on myös erittäin rajoitettu.

Yllä olevan analyysin ja keskustelun perusteella kirjoittaja uskoo, että seuraavat tekniset asiat vaativat huomiota kehitettäessä keinotekoista grafiittia käyttämällä luonnongrafiittia raaka-aineena:

Luonnongrafiitin pinnan modifiointi.Verrattuna hiilipitoisiin raaka-aineisiin, kuten maaöljykoksiin ja piikoksiin, luonnongrafiitissa on vähemmän pinnallisia happifunktionaalisia ryhmiä, se on vähemmän aktiivinen ja sen sitoutuminen kivihiilitervapikeen on huonompi.

Siksi hiili{0}}grafiittituotteet, jotka on valmistettu käyttämällä luonnongrafiittia, erityisesti luonnonhiutalegrafiittia, ensisijaisena raaka-aineena ja käyttämällä keinotekoisia grafiitin tuotantoprosesseja, kärsivät väistämättä huonoista mekaanisista ominaisuuksista. Luonnongrafiitin asianmukainen pintakäsittely on tarpeen pinnan happifunktionaalisten ryhmien pitoisuuden lisäämiseksi.

Luonnongrafiitin puhdistus.Hiilipitoiset raaka-aineet, kuten maaöljykoksi ja pikokoksi, ovat suhteellisen puhtaita, ja niiden tuhkapitoisuus on tyypillisesti alle 0,5 %. Vaahdotuksella käsitelty luonnongrafiitti on kuitenkin suhteellisen puhdasta, ja sen hiilipitoisuus on tyypillisesti alle 90 %. Siksi luonnollisesta grafiitista valmistettujen hiili-grafiittituotteiden puhtaus on usein heikompi ja yleinen suorituskyky on huono, mikä rajoittaa niiden käyttöalueita. Luonnongrafiitin korkean puhdistuksen-käsittely on yksi tapa ratkaista tämä ongelma.

Kemiallinen puhdistus on halvempaa, mutta pesuprosessi kuluttaa suuria määriä vettä ja aiheuttaa merkittävää saastumista. Korkean lämpötilan-puhdistus on sen sijaan kalliimpaa. Jotkut ovat ehdottaneet, että ensin lohkografiitti valmistetaan käyttämällä keinografiitin tuotantoprosessia ja sitten lämpökäsittelyä korkeassa-lämpötilassa yli 2500 astetta "hiilifaasin" grafitoimiseksi ja samalla poistaen epäpuhtaudet luonnollisesta grafiittifaasista. Tämä kuitenkin lisää tuotantokustannuksia ja toiseksi epäpuhtauksien höyrystymisestä johtuvat viat johtavat usein tuotteen suorituskyvyn heikkenemiseen.

Luonnollinen grafiitin hiukkaskoko.Prosessin ja tuotteen suorituskyvyn parantamiseksi useimmat hiili-grafiittituotteet, lukuun ottamatta hienoja-rakennehiili-grafiittituotteita, vaativat erikokoisia hiiliraaka-aineita annosteluprosessin aikana. Joissakin suurikokoisissa-tuotteissa hiiliraaka-aineen hiukkaskoko voi olla jopa 16 mm. Vaahdotuksella käsitelty luonnongrafiitti muodostaa kuitenkin usein hienojakoisen jauheen, jonka hiukkaskoot vaihtelevat kymmenistä satoihin mikroneihin. Siksi luonnongrafiitin käyttö raaka-aineena rajoittuu hieno-rakennehiili-grafiittituotteiden tuotantoon.

Vaikka luonnollista mikrokiteistä grafiittia, jonka hiukkaskoko on vaihteleva, on saatavilla, sen alhainen puhtaus ja korkeat{0}}lämpötilan puhdistuskustannukset tekevät siitä kohtuuttoman kalliita. Siksi ei ole raportoitu karkeasta-rakennehiilestä-grafiittituotteista, jotka on valmistettu käyttämällä raaka-aineena luonnollista mikrokiteistä grafiittia. Suurhiukkasten luonnongrafiitin puutteen korjaamiseksi on suositeltavaa ottaa käyttöön "sekundaarinen koksaus", jota käytetään keinografiittiteollisuudessa hiilimustan raaka-aineiden käsittelyssä.

Tilavuuden kutistuminen tuotantoprosessin aikana.Keinotekoisen grafiitin valmistuksen aikana, erityisesti grafitoinnin aikana, hiiliatomit siirtyvät vähitellen kohti säännöllistä grafiittirakennetta, mikä johtaa merkittävään tilavuuden kutistumiseen valmiissa tuotteessa.
Tämän tilavuuden kutistumisen etuna on valmiin tuotteen tiheyden lisääminen, mutta epätasainen kutistuminen voi aiheuttaa helposti halkeamia. Luonnongrafiitin tilavuuskutistuminen puolestaan ​​vähenee hiiltymis- ja grafitointiprosessien aikana, mikä johtaa pienempään tiheyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.
Lisäksi kehitettäessä keinotekoista grafiittia luonnongrafiitista on otettava huomioon kokonaistuotantokustannukset.
Luonnongrafiitin hinta vaahdottamisen jälkeen on samanlainen kuin kalsinoidun maaöljykoksin ja piikoksin hinta. Jatkopuhdistuksen jälkeen 98 %:n hiilipitoisuuteen luonnongrafiitin hinta on lähes kaksinkertainen kalsinoidun maaöljykoksin ja piikoksin hintaan. Siksi useimmat ehdotetut tekniset reitit ja toimenpiteet nostavat tuotantokustannuksia merkittävästi, lukuun ottamatta edellä mainittuja hiili-grafiittituotteita, joilla on jo vakiintunut merkittävä teollisuus.

Yhteenvetona voidaan todeta, että luonnongrafiittia raaka-aineena käyttävien keinotekoisten grafiittituotteiden kehittäminen on tärkeä lähestymistapa luonnongrafiitin käytön laajentamiseen.
Luonnongrafiittia on käytetty jo pitkään täydentävänä raaka-aineena joissakin keinografiitin tuotannossa, mutta keinotekoisten grafiittituotteiden kehittäminen käyttämällä luonnongrafiittia pääraaka-aineena sisältää edelleen monia haasteita, joihin on vastattava.
Paras tapa tämän tavoitteen saavuttamiseksi on ymmärtää ja hyödyntää täysin luonnongrafiitin rakennetta ja ominaisuuksia sekä ottaa käyttöön asianmukaisia ​​prosessireittejä ja menetelmiä keinotekoisten grafiittituotteiden valmistamiseksi, joilla on erikoistuneet rakenteet, ominaisuudet ja sovellukset.