Erinevus loodusliku grafiidi ja kunstliku grafiidi vahel: kuidas kasutada looduslikku grafiiti kunstlike grafiidiproduktide väljatöötamiseks

Grafiit koosneb ühest süsiniku elemendist. Selle kristallstruktuur kuulub kuusnurksesse süsteemi, moodustades kuusnurkse kihilise struktuuri. Kihtides ühendatakse süsinikuaatomid SP2 hübriidorbitaalide moodustatud σ -sideme ja PZ -orbitaalide moodustatud delokaliseeritud π -sidemetega, moodustades tugeva kuusnurkse võre. Süsiniku süsiniku aatomi vahekaugus on 1,42 Å. Süsinikuaatomitel on äärmiselt tugev sidemenergia (345 kJ/mol), samas kui süsinikuaatomid on üksteisega seotud nõrgemate van der Waalsi jõududega (sideme energia 16,7 kJ/mol). Vahepinna vahekaugus on 3,354 Å.

Grafiit on pehme, tumehall ja sellel on rasvane tunne, mis võib paberit plekida. Selle kõvadus on 1-2 ja teoreetiline tihedus on 2,26 g/cm³.
Puhta grafiiti looduses ei eksisteeri. Naturaalsed grafiidi mineraalid sisaldavad sageli lisandeid nagu SiO2, Al2O3, Feo, Cao, P2O5 ja CUO.
Need lisandid esinevad sageli sellistes mineraalides nagu kvarts, püriit ja karbonaadid. Lisaks sisaldab grafiit ka gaase nagu vesi, süsivesinikud, co₂, h₂ ja n₂.

Seetõttu peab lisaks fikseeritud süsinikusisalduse määramisele mõõtma ka grafiidi analüüs lenduvat ainet ja tuhasisaldust.

Spetsiaalse struktuuri tõttu on grafiidil järgmised suurepärased omadused:

(1) Kõrge temperatuuri takistus:Grafiit on üks kuumakindlamaid materjale. Sellel pole normaalse rõhu korral sulamispunkti ja see kaotab väga vähe kaalu, isegi kui see põleb ülikõrge temperatuuri kaarega.

(2) elektrijuhtivus ja soojusjuhtivus:Grafiidil on kõrge elektrijuhtivus ja soojusjuhtivus. Soojusjuhtivus väheneb temperatuuri tõusuga. Äärmiselt kõrgetel temperatuuridel muutub grafiit isegi isolaatoriks.

(3) Määrdus: TGrafiidi määrdeaine sõltub grafiidi terade suurusest ja kristallide arengu astmest. Mida suurem on grafiidi terad ja mida täielikum on kristallide areng, seda väiksem on hõõrdetegur ja seda parem määrdeaine.

(4) Keemiline stabiilsus:Grafiidil on hea keemiline stabiilsus toatemperatuuril ja see on vastupidav happe, leelise ja orgaanilise lahusti korrosiooni suhtes.

(5) Plastilisus:Grafiidil on teatud sitkus ja seda saab lihtsalt töödelda. Kristallide arenguga grafiit võib isegi jahvatada väga õhukesteks lehtedeks.

(6) Termiline šokikindlus:Grafiidi soojuspaisumiskoefitsient on väga väike ja see talub temperatuuri drastilisi muutusi, ilma et neid kahjustada.

3. grafiidi klassifikatsioon ja omadused
Grafiiti saab jagada looduslikuks grafiidiks ja kunstlikuks grafiidiks. Kuigi neil kahel on sarnased struktuurid ning füüsikalised ja keemilised omadused, erinevad nende kasutusvõimalused märkimisväärselt.

Looduslik grafiit on looduse kingitus, mille moodustab süsinikurikka orgaanilise aine pikaajaline muutmine kõrgtemperatuurides ja kõrgsurve geoloogilistes tingimustes. Naturaalse grafiidi töötlemisomadused määratakse peamiselt selle kristallvorm. Erinevate kristallvormidega grafiidi mineraalidel on erinevad tööstuslikud väärtused ja rakendused.
Naturaalne grafiit on lai valik materjale. Nende kristallvormi põhjal klassifitseeritakse looduslik grafiit tööstuslikult kolme kategooriasse: tihe kristalne grafiit, helveste grafiit ja krüptokristalliline grafiit. Minu riigis on kaks peamist tüüpi helveste grafiit ja krüptokristalliline grafiit.
Tiheda kristalse grafiidi, tuntud ka kui massiivse grafiidi, on palja silmaga nähtavad selged kristallid. Osakeste läbimõõt on suurem kui 0,1 mm. Kristallid on paigutatud korratud, tiheda ja massiivse struktuuriga. See on kõrge kvaliteediga, süsinikusisaldus on tavaliselt vahemikus 60–65%, ulatudes mõnikord 80–98% -ni. Selle plastilisus ja määrdeained on aga helbe grafiidist madalamad. Pegmatiitide kristallograafiline termin looduslik helveste grafiit on üksikkristall, mida nimetatakse ketendava kuju järgi. See võib olla kas suured või peened helbed. Seda tüüpi grafiit pakub suuremat määrdeainet ja plastilisust võrreldes muud tüüpi grafiidiga, muutes selle kõige väärtuslikumaks tööstuslikuks materjaliks.

Kuigi helveste grafiidimaak pole kõrge kvaliteediga, süsinikusisaldus on tavaliselt vahemikus 3–25%, on see üks looduses leiduvatest kõige hõljutavamatest maakidest. Ulatusliku lihvimise ja valiku kaudu on võimalik kõrgekvaliteedilise grafiidi kontsentraadi saada.

Afaanitiline grafiidi, mida tuntakse ka kui amorfset grafiidit või mullast grafiidi, on hiljuti hakanud nimetama mikrokristalliini grafiidiks. Seda tüüpi grafiidil on tavaliselt vähem kui 1 mikroni läbimõõt ja seda saab näha ainult elektronmikroskoobi all. Seda võib pidada grafiidi kristallide agregatsiooniks.

Naturaalne mikrokristalliline grafiit moodustub tavaliselt kivisöe muundamisel kõrgtemperatuurides ja kõrgsurve geoloogilistes tingimustes. Seetõttu seostatakse seda sageli kivisöega. Naturaalse mikrokristallilise grafiidimaagi maagi kehades täheldatakse sageli siirdetsooni antratsiidilt looduslike mikrokristalliini grafiidile. Seda tüüpi grafiidi iseloomustab maine pind, läige puudumine, alammürisus kui helveste grafiit ja halb selektiivsus. Kuid see on kõrgema kvaliteediga, süsinikusisaldus on tavaliselt vahemikus 60%kuni 80%, mõned ületavad 90%.

Kunstlik grafiit sarnaneb kristallograafia polükristallidega. Kunstlikku grafiiti on arvukalt ja tootmisprotsessid varieeruvad suuresti. Laias laastus hõlmab kunstlik grafiit kõiki grafiidimaterjale, mis on saadud orgaanilise aine süsiniku abil, millele järgneb grafitiseerimine ja kõrgtemperatuuriga töötlemine, näiteks süsinik (grafiit) kiudained, pürolüütiline süsinik (grafiit) ja vahustatud grafiit.

Kitsamas tähenduses viitab kunstlik grafiit üldiselt tahketele materjalidele, näiteks grafiidi elektroodidele ja isostaatiliselt pressitud grafiidile, mis on toodetud vähese turvalisusega süsiniku toorainete abil (näiteks naftakoks ja pigi koks) kui agregaatidena ja kivisöetõrv kui köited, mis on protsesside kaudu, sealhulgas partii, koondatud, vormitud, tööstusega (tööstuses, röstitud.

Kuna looduslikku grafiidi toodetakse üldiselt selle sõna kunstliku grafiidi kitsas tähenduses, analüüsitakse ja arutatakse ainult loodusliku grafiidi ja kunstliku grafiidi erinevusi ja seoseid kitsas tähenduses.

Looduslikul grafiidil on suhteliselt hästi arenenud kristallid. Naturaalse helveste grafiidi grafitiseerimise aste on tavaliselt üle 98%, samas kui loodusliku mikrokristallilise grafiidi oma on tavaliselt alla 93%.
Kunstliku grafiidi kristallide arengu aste sõltub toorainest ja kuumtöötluse temperatuurist. Üldiselt on seda kõrgem kuumtöötluse temperatuur, seda suurem on grafitiseerimise aste. Praegu on tööstuslikult toodetud kunstliku grafiidi grafitiseerimise aste tavaliselt alla 90%.

Naturaalne helveste grafiit on suhteliselt lihtsa mikrostruktuuriga üksikkristall. See sisaldab ainult kristallograafilisi defekte (näiteks punktidefektid, nihestused ja virnastamise rikked), mille tulemuseks on anisotroopsed makroskoopilised struktuurilised omadused. Looduslikul mikrokristallilisel grafiidil on väiksemad terad, juhuslik paigutus ja poorid, mis tulenevad lisandite eemaldamisest. Sellel on isotroopsed makroskoopilised struktuurilised omadused.
Kunstlikku grafiidi võib pidada mitmefaasiliseks materjaliks, mis koosneb grafiidifaasist, mis on saadud sellistest süsinikuosakestest nagu naftakoks või pigi koks, osakesi ümbritsevast kivisöetundest saadud grafiidifaasi ja osakeste akumulatsiooni moodustatud pooridest või söe tõrva -sidumise kuumtöötlemisel.

Naturaalne grafiit eksisteerib tavaliselt pulbri kujul ja seda saab kasutada üksi, kuid seda kombineeritakse sageli teiste materjalidega.
Kunstlik grafiidi on erinevates vormides, sealhulgas pulber, kiudained ja plokk. Kitsamas tähenduses on kunstlik grafiit tavaliselt plokkvormis ja see tuleb enne kasutamist töödelda konkreetseks kujuks.

Looduslik grafiidi ja kunstlikul grafiidil on sarnasused, kuid need näitavad ka erinevusi jõudluses. Näiteks on nii looduslikud kui ka kunstlikud grafiidid soojuse ja elektri head juhid. Kuid sama puhtuse ja osakeste suurusega grafiidipulbrite puhul on loodusliku helbe grafiidil parim termiline ja elektrijuhtivus, millele järgneb looduslik mikrokristalliline grafiit, ja kunstlik grafiidil on kõige madalam.
Grafiidil on hea määrdeaine ja teatav plastilisus. Looduslik helveste grafiidil, millel on hästi arenenud kristallid ja madala hõõrdumiskoefitsient, on parim määrdeaine ja suurim plastilisus. Tihe kristalne grafiit ja krüptokristalliline grafiit on teisel kohal, samas kui kunstlik grafiit toimib halvasti.

Grafiidil on palju suurepäraseid omadusi, muutes selle laialdaseks kasutamiseks sellistes tööstusharudes nagu metallurgia, masinad, elektrotehnika, kemikaalid, tekstiilid ja kaitse. Naturaalse ja sünteetilise grafiidi rakendused kattuvad ja erinevad.
Metallurgiatööstuses kasutatakse loodusliku helveste grafiidi oma suurepärase oksüdatsiooniresistentsuse tõttu selliste tulekindlate materjalide, näiteks magneesia-süsiniku telliste ja alumiiniumoksiidi-süsiniku telliste tootmisel.
Kunstlikku grafiiti saab kasutada terase valmistamise elektroodidena, samas kui looduslikust grafiidist valmistatud elektroode on elektrilistest terasest tootmissahjude karmimas töötingimustes keeruline kasutada.
Mehaanilises tööstuses kasutatakse grafiiti tavaliselt kulumiskindla ja määrdeainena. Naturaalse helbe grafiidil on suurepärane määrdeaine ja seda kasutatakse sageli määrdeaine lisandina.
Seadmetes, mis transpordib söövitavaid söödet, kasutatakse laialdaselt sünteetilisest grafiidist valmistatud kolvirõngaid, hülgeid ja laagreid, välistades määrdeaine vajaduse.
Looduslikke grafiidi- ja polümeervaigu komposiiti saab kasutada ka ülalnimetatud rakendustes, kuid nende kulumiskindlus on halvem kui sünteetilise grafiidi oma. Kunstlikul grafiidil on korrosioonikindlus, hea soojusjuhtivus ja madal läbilaskvus. Seda kasutatakse keemiatööstuses laialdaselt selliste seadmete, näiteks soojusvahetite, reaktsioonipaakide, absorptsioonitornide ja filtrite tootmiseks.

Nendes piirkondades saab kasutada ka looduslikke grafiidi- ja polümeervaigu komposiite, kuid nende soojusjuhtivus ja korrosioonikindlus on madalamad kui kunstlikul grafiidil.

Kunstlikel grafiidi tootmisprotsessidel põhinevate uute grafiiditoodete arendamine pole enam kunstliku grafiidi tööstuse uus teema. Pärast kunstlikke grafiidi tootmisprotsesse toodetakse arvukalt süsinikgrafiidiprodukte, kasutades primaarse või sekundaarse toorainena looduslikku grafiidi ja mõned neist on muutunud isegi suuremahulisteks tööstusharudeks.

Tsink-mangaani aku süsinikvardad:Tsinkmangaanide akude (üldiselt tuntud kui kuivade rakkudena) süsinikvardad valmistatakse loodusliku mikrokristallilise grafiidi ja kivisöe tõrva sammina peamise toorainena segamise, ekstrusiooni, röstimise, mehaanilise ja vaha immutamise protsessi kaudu.

Peamiselt võimendades loodusliku mikrokristallilise grafiidi kõrge juhtivuse ja madalaid kulusid, on nendel toodetel vähe tuhasisalduse nõudeid, kuid rangemad nõuded lisandite jaoks nagu raud ja väävel.

Looduslikud grafiidipintslid:Mootoripintsleid valmistatakse loodusliku helveste grafiidi ja kivisöe tõrva sammina peamiste toorainetena segamise, ketenduse, lihvimise, vormimise, röstimise (ja vajadusel grafitiseerimise) ja töötlemise kaudu.

See materjal kasutab peamiselt loodusliku helbe grafiidi kõrget juhtivust ja orientatsiooni. See nõuab madalat lisandite taset, näiteks rauda ja väävel ning tuhasisaldust, mis pole suurem kui 2%. Helvede orientatsiooni tagamiseks tuleks töötlemise ajal olla ettevaatlik.

Mehaaniline süsinikgrafiidimaterjal:Peamiselt loodusliku grafiidi ja kivisöe tõrva saidist valmistatud materjal toodetakse segamise, ketendamise, lihvimise, vormimise ja röstimise käigus. See nõuab täppismehaanilist töötlemist, mis põhineb rakendusnõuetel.

Ülaltoodud näidetest on näha, et võrreldes kunstliku grafiidiga kitsas tähenduses on looduslikust grafiidist valmistatud süsinikgrafiidiproduktid kui peamine tooraine või lisatoodete tooraine ning toodetud vastavalt kunstliku grafiidi tootmisprotsessile järgmised erinevused tootmisprotsessis ja toote jõudluses:

(1) Esimene peab vajalike füüsikaliste ja keemiliste omaduste saamiseks läbima graafiliseerimishoolduse temperatuuril üle 2500 kraadi, samas kui viimast saab graafiliseerida või mitte. Tootmiskulude vähendamiseks ei tehta tavaliselt grafitiseerimisravi, seega on selle struktuuris "süsiniku" faas, mis teisendatakse sideaine pigist. Sellel süsinikul, mis asub grafiidiosakeste ümber ja seob grafiidiosakesed omavahel, on suurem karedus ja palju madalam juhtivus kui looduslikul grafiidil, nii et sellel on suurem mõju toote jõudlusele.

(2) Kuna looduslik grafiit on tavaliselt pulbri kujul ja sellel on kehv sidumistugevus kivisöe tõrvaga, on looduslikust grafiidist valmistatud süsinikgrafiidiproduktid, kuna toorainel on tavaliselt puudused nagu suur poorsus, madal mehaaniline tugevus, halb oksüdatsiooniresistentsus ja soojusresistentsus. Seetõttu ei saa toote spetsifikatsioonid olla liiga suured ja ka rakendusväli on tunduvalt piiratud.

Ülaltoodud analüüsi ja arutelu põhjal usub autor, et kunstliku grafiidi arendamisel vajavad järgmised tehnilised küsimused, kasutades toorainena looduslikku grafiiti:

Loodusliku grafiidi pinna modifikatsioon.Võrreldes süsinikus toorainega nagu naftakoks ja pigi koks, on looduslikul grafiidil vähem pinna hapniku funktsionaalrühmi, on vähem aktiivne ja sellel on kehvem sidumine kivisöe tõrvaga.

Seetõttu kannatavad primaarse toorainena loodusliku grafiidi, eriti loodusliku helveste grafiidi abil valmistatud süsinikgrafiidiproduktid ja kasutades kunstlikke grafiidi tootmisprotsesse paratamatult kehvade mehaaniliste omaduste all. Pinna hapniku funktsionaalsete rühmade sisalduse suurendamiseks on vajalik loodusliku grafiidi sobiv töötlemine.

Loodusliku grafiidi puhastamine.Süsinik tooraine, näiteks naftakoks ja pigi koks, on suhteliselt puhtad, tuhasisaldus on tavaliselt alla 0,5%. Flotatsiooni kaudu töödeldud looduslik grafiit on suhteliselt puhas, süsiniku sisaldus tavaliselt alla 90%. Seetõttu on looduslikust grafiidist valmistatud süsinik-grafiidiproduktidel sageli madalam puhtus ja halb üldine jõudlus, piirates nende rakendusalasid. Loodusliku grafiidi kõrge õhkutõusmine on selle probleemi lahendamiseks üks lähenemisviis.

Keemiline puhastamine on odavam, kuid pesemisprotsess kulutab suures koguses vett ja põhjustab olulist reostust. Kõrgtemperatuuri puhastamine seevastu on kallim. Mõni on soovitanud esmalt ette valmistada plokkide grafiidi, kasutades kunstliku grafiidi tootmisprotsessi, seejärel allutades selle kõrge temperatuuriga kuumtöötlusele üle 2500 kraadi, et graafiliseks "süsiniku" faasi graafiliseks, eemaldades samas lisandid loodusliku grafiidi faasist. See suurendab aga tootmiskulusid ja teiseks põhjustavad lisandite aurustumisest põhjustatud puudused sageli toote jõudlust.

Naturaalse grafiidi osakeste suurus.Protsessi ja toote jõudluse parandamiseks vajavad enamik süsinikgrafiidi tooteid, välja arvatud peenstruktuuri süsinik-grafiidiproduktid, partiprotsessi ajal erineva osakeste suurusega süsinik toorainet. Mõne suureformaadilise toote puhul võib süsinik tooraine osakeste suurus ulatuda isegi 16 mm. Flotatsiooni teel töödeldud looduslik grafiit moodustab sageli peene pulbri, mille osakeste suurused ulatuvad kümnetest kuni sadade mikroniteni. Seetõttu on loodusliku grafiidi kasutamine toorainena piiratud peenstruktuuri süsinikgrafiidiproduktide tootmisega.

Kuigi erineva osakeste suurusega looduslik mikrokristalliline grafiit on saadaval, muudavad selle madal puhtus ja kõrge temperatuuriga puhastuskulud selle liiga kulukaks. Seetõttu ei ole teateid jämedast struktuurist süsinikgrafiidi toodetest, mis on toodetud loodusliku mikrokristalliini grafiidi kasutamisel toorainena. Suure osalise loodusliku grafiidi puuduse lahendamiseks on soovitatav kasutada kunstlikus grafiidi tööstuses kasutatavat "sekundaarset koksi" protsessi süsiniku musta tooraine töötlemiseks.

Mahu kokkutõmbumine tootmisprotsessi ajal.Kunstliku grafiidi tootmise ajal, eriti grafitiseerimise ajal, nihkuvad süsinikuaatomid järk -järgult regulaarse grafiidi struktuuri poole, mille tulemuseks on valmistoote märkimisväärne maht.
Selle mahukahanemise eeliseks on valmistoote tiheduse suurendamine, kuid ebaühtlane kokkutõmbumine võib kergesti pragunemist põhjustada. Looduslik grafiidi seevastu kogeb karboniseerimis- ja grafitiseerimisprotsesside ajal väiksemat mahtu kahanemist, mille tulemuseks on madalam tihedus ja mehaanilised omadused.
Lisaks tuleb loodusliku grafiidist kunstliku grafiidi arendamisel arvestada üldise tootmiskuluga.
Naturaalse grafiidi hind pärast flotatsiooni on sarnane kaltsineeritud naftakoksi ja pigi koksiga. Pärast süsinikusisalduse täiendavat puhastamist 98%on loodusliku grafiidi hind peaaegu kahekordne kaltsineeritud naftakoksi ja pigi koksi oma. Seetõttu suurendavad tootmiskulusid märkimisväärselt märkimisväärselt, välja arvatud eelnimetatud süsinikgrafiidi tooted, mis on juba loonud olulisi tööstusharusid, suurendavad tootmiskulusid märkimisväärselt.

Kokkuvõtlikult on loodusliku grafiidina loodusliku grafiidi abil kunstlike grafiiditoodete arendamine oluline lähenemisviis loodusliku grafiidi rakendamise laiendamiseks.
Naturaalset grafiiti on mõnes kunstlikus grafiidi tootmises pikka aega kasutatud täiendava toorainena, kuid looduslike grafiidi kasutavate kunstlike grafiiditoodete väljatöötamine esmaseks tooraineks on endiselt arvukalt väljakutseid, millega tuleb tegeleda.
Parim lähenemisviis selle eesmärgi saavutamiseks on täielikult mõista ja kasutada looduslike grafiidi struktuuri ja omadusi ning kasutada sobivaid protsessi marsruute ja meetodeid spetsiaalsete struktuuride, omaduste ja rakendustega kunstlike grafiiditoodete tootmiseks.