Razlika između prirodnog grafita i umjetnog grafita: Kako koristiti prirodni grafit za razvoj umjetnih grafitnih proizvoda

Grafit se sastoji od jednog elementa ugljika. Njegova kristalna struktura pripada šesterokutnom sustavu, formira šesterokutnu sloj strukturu. Unutar slojeva, ugljični atomi veže σ obveznice koje su formirale hibridne orbite SP2 i delokalizirane π obveznice koje formiraju PZ orbitale, tvoreći snažnu šesterokutnu mrežu. Atomski razmak ugljičnog ugljika je 1,42 Å. Ugljični atomi imaju izuzetno jake energije obveznica (345 kj / mol), dok su atomi ugljika vezani jedni drugima slabijim Van der Waals sile (energija obveznica 16,7 kJ / mol). Razmak međusobne interputice je 3,354 Å.

Grafit je mekan, tamno siva, a ima masni osjećaj koji može za mrlju može. Njegova tvrdoća je 1-2, a njegova teorijska gustina je 2,26 g / cm³.
Čisti grafit ne postoji u prirodi. Prirodni grafitni minerali često sadrže nečistoće kao što su SIO2, AL2O3, Feo, CAO, P2O5 i CUO.
Te nečistoće često se javljaju u mineralima kao što su kvarc, pirit i karbonati. Pored toga, grafit sadrži i plinove poput vode, ugljovodonika, co₂, h₂ i n₂.

Stoga, pored određivanja fiksnog sadržaja ugljika, grafitna analiza također mora mjeriti isparljive materiju i sadržaj pepela.

Zbog svoje posebne strukture grafit ima sljedeća odlična svojstva:

(1) Otpor visoke temperature:Grafit je jedan od najotplodova otporni na toplinu. Nema tačke topljenja pri normalnom tlaku i gubi vrlo malo težine čak i kad je spaljen ultra visokim temperaturnim lukom.

(2) Električna provodljivost i toplotnu provodljivost:Grafit ima visoku električnu provodljivost i toplotnu provodljivost. Toplinska provodljivost smanjuje se sa sve većem temperaturom. Na izuzetno visokim temperaturama grafit čak postaje izolator.

(3) Mazivost: TOn podmazivost grafita ovisi o veličini grafitnih zrna i stupnju kristalnog razvoja. Veća grafitna zrna i više potpuniji razvoj kristala, manji koeficijent trenja i bolja mazivost.

(4) Hemijska stabilnost:Grafit ima dobru hemijsku stabilnost na sobnoj temperaturi i otporan je na kiselinu, alkalnu i organsku koroziju otapala.

(5) Plastičnost:Grafit ima određenu žilavost i može se jednostavno obraditi. Grafit sa visokim stupnjem kristalnog razvoja može čak biti tlo u vrlo tanke listove.

(6) Toplinski otpor:Termički koeficijent za širenje grafita je vrlo mali, a može izdržati drastične promjene temperature bez oštećenja tokom upotrebe.

3. Grafitna klasifikacija i karakteristike
Grafit se može podijeliti u prirodni grafit i umjetni grafit. Dok su dvije imaju slične strukture i fizička i hemijska svojstva, njihova se koristi značajno razlikuju.

Prirodni grafit je poklon prirode, formiran dugoročnom transformacijom organske materije bogate ugljikom pod visokim temperaturama i visokotlačnim geološkim uvjetima. Propertikalna svojstva prirodnog grafita prvenstveno su određena svojim kristalnim oblikom. Grafitni minerali s različitim kristalnim oblicima imaju različite industrijske vrijednosti i aplikacije.
Prirodni grafit je širok izbor materijala. Na osnovu njihovog kristalnog obrasca, prirodni grafit je industrijski klasificiran u tri kategorije: gust kristalni grafit, grafit za paljenje i kriptokristalni grafit. U mojoj zemlji, pahuljica grafita i kriptokristalni grafit su dvije glavne vrste.
Gust kristalni grafit, poznat i kao masivni grafit, ima različite kristale vidljive golim okom. Prečnik čestica je veći od 0,1 mm. Kristali su raspoređeni u neuređenom, gustoj, masivnoj strukturi. Visokog je kvalitetnog, sa sadržajem ugljika koji se uglavnom kreće u rasponu od 60% do 65%, ponekad dosegnuvši 80% na 98%. Međutim, njegova plastičnost i mazivost su inferiorni od paljev grafita. Prirodni grafit za paljenje, kristalografski pojam za Pegmatiste, je jedan kristal po imenu za svoj ljuskalni oblik. Može biti ili velike ili fine pahuljice. Ova vrsta grafita nudi vrhunsku mazivost i plastičnost u odnosu na druge vrste grafita, čineći je najvrednijim industrijskim materijalom.

Iako Flake GrapIte ruda nije od visoke ocjene, a sadržaj ugljika koji se uglavnom kreće od 3% do 25%, jedna je od većine ruda koji se nalazi u prirodi. Kroz opsežnu brušenje i izbor može se dobiti visokokvalitetni grafitni koncentrat.

Afanitski grafit, poznat i kao amorfni grafit ili zemljani grafit, nedavno je počeo da se naziva mikrokristalnim grafitom. Ova vrsta grafita obično ima kristale u promjeru manje od 1 mikrona i može se vidjeti samo pod mikroskopom elektrona. Može se smatrati agregatom grafitnih kristala.

Prirodni mikrokristalni grafit obično se formira pretvorbom uglja pod geološkim uvjetima visokog temperature i visokog pritiska. Stoga je često povezana s ugljem. Prelazna zona iz antracita do prirodnog mikrokristalnog grafita često se promatra unutar prirodnih mikrokristalnih grafitalnih ruda. Ova vrsta grafita karakteriše zemljana površina, nedostatak sjaja, niže mazive od paljenja grafita i loša selektivnost. Međutim, viši je kvalitet, a sadržaj ugljika uglavnom se kreće od 60% do 80%, a neki većim od 90%.

Umjetni grafit sličan je polikristalima u kristalografiji. Postoje brojne vrste umjetnog grafita, a proizvodni procesi jako se razlikuju. Široko govoreći, umjetni grafit obuhvaća sve grafitne materijale dobivene kroz karbonizaciju organskih materija, nakon čega slijedi grafitizacija i visokotemperation tretman, poput ugljičnog (grafitnog) vlakana, pirolitičkog ugljika (grafit) i pjenastih grafita.

U užem smislu, umjetni grafit se uglavnom odnosi na rasuti materijale, poput grafitnih elektroda i izostatički pritisnutim grafite, proizvedenim agregatima i naftnim koksom kao obloge, uključujući seriju procesa, uključujući seriju, grickalice, kaliziranje, karbonizaciju (industrijski poznate kao pečenje) i grafitizacija.

Budući da se prirodni grafit uglavnom proizvodi u užem smislu te riječi, umjetni grafit, ovaj članak će analizirati i razgovarati o razlikama i vezama između prirodnog grafita i umjetnog grafita u užem smislu.

Prirodni grafit ima relativno dobro razvijene kristale. Stupanj grafitizacije prirodnog gragra grake je obično iznad 98%, dok je prirodni mikrokristalni grafit obično ispod 93%.
Stupanj kristalnog razvoja u umjetnom grafitu ovisi o sirovini i temperaturi topline. Generalno gledano, veća temperatura toplotne prečišćavanja, to je veći stepen grafitizacije. Trenutno je stupanj grafitizacije industrijsko proizvedenog umjetnog grafita obično ispod 90%.

Prirodni grafit za paljenje jedan je kristal s relativno jednostavnom mikrostrukturom. Sadrži samo kristalografske nedostatke (kao što su točke kvarovi, dislokacije i slaganje grešaka), rezultirajući anizotropnim makroskopskim strukturnim karakteristikama. Prirodni mikrokristalni grafit ima manje žitarice, sa slučajnim rasporedom i porama koji su rezultat uklanjanja nečistoća. Izlaže izotropne makroskopske strukturne karakteristike.
Umjetni grafit može se smatrati višefaznim materijalom, koji se sastoji od grafitne faze izvedene iz karbonalne čestice poput naftne kokse ili nafte, grafitna faza koja se izvede iz vezu za čestice i pore na akumulaciji čestica ili za toplinsku obradu katraničara.

Prirodni grafit obično postoji u obliku praha i može se koristiti sam, ali često se kombinira s drugim materijalima.
Umjetni grafit dolazi u različitim oblicima, uključujući prah, vlakna i blok. U užem smislu, umjetni grafit obično je u blok obliku i treba ih preraditi u određeni oblik prije upotrebe.

Prirodni grafit i umjetni grafit dijele sličnosti, ali i izlagaju razlike u performansama. Na primjer, i prirodni i umjetni grafit su dobri provodnici topline i električne energije. Međutim, za grafitne pudere iste čistoće i veličine čestica, prirodni pahuljići grafit ima najbolju toplinsku i električnu provodljivost, a slijedi prirodni mikrokristalni grafit, a umjetni grafit ima najniže.
Grafit izlaže dobru mazivost i određeni stupanj plastičnosti. Prirodni grafit za paljenje, sa svojim dobro razvijenim kristalima i niskim koeficijentom trenja, pokazuje najbolju podmazivost i najveću plastičnost. Gusni kristalni grafit i kriptokristalni grafit Rang sekundu, dok umjetni grafit izvodi loše.

Grafit posjeduje mnogo izvrsnih svojstava, čineći ga široko korištenim u industrijama kao što su metalurgija, strojevi, elektrotehnike, hemikalije, tekstil i odbrana. Primjene prirodnog i sintetičkog grafita preklapaju se kao i razlikuju se.
U metalurškoj industriji, prirodni grafit za paljenje, zbog odličnog otpornosti oksidacije, koristi se u proizvodnji vatrostalnih materijala kao što su magnezijska-ugljična opeka i alumina-karbonska cigla.
Umjetni grafit može se koristiti kao čelične elektrode, dok su elektrode napravljene od prirodnog grafita teško koristiti u oštrije operativnim uvjetima električnih čeličnih peći.
U mehaničkoj industriji grafit se obično koristi kao materijal otporan na habanje i podmazivanje. Prirodni grafit za paljenje ima odličnu mazivost i često se koristi kao aditiv maziva.
U opremi koja prevozi korozivne medije, klipne prstenove, brtve i ležajeve izrađene od sintetičkog grafita široko se koriste, eliminirajući potrebu za mazivom.
Prirodni grafitni i polimerni kompoziti smole mogu se koristiti i u gore navedenim aplikacijama, ali njihova otpornost na habanje inferiorna je od one sintetičkog grafita. Umjetni grafit ima otpornost na koroziju, dobru toplinsku provodljivost i nisku propusnost. Široko se koristi u hemijskoj industriji za proizvodnju opreme kao što su izmjenjivači topline, rezervoari reakcije, apsorpcijskih kula i filtera.

Prirodni grafitni i polimerni kompoziti smole mogu se koristiti i u ovim područjima, ali njihova toplotna provodljivost i otpornost na koroziju su inferiorni od onih umjetnog grafita.

Razvoj novih grafitnih proizvoda zasnovanih na proizvodnji umjetnih grafita više nije nova tema u industriji umjetne grafite. Brojni proizvodi grafitni ugljični grafitni proizvodi se proizvode prirodnim grafitom kao primarnom ili sekundarnom sirovinama, nakon umjetnih grafitnih proizvodnih procesa, a neki su čak postali velikim industrijama.

Cink-manganese ugljični štapovi:Ugljični štapovi za cinkovu manganske baterije (obično poznate kao suve ćelije) proizvode se prirodnim mikrokristalnim grafitinom i ugljen katranom kao primarne sirovine kroz proces miješanja, ekstruzije, pečenja, obrade i impregnacije voska.

Prvenstveno koristi visoku provodljivost i nisku cijenu prirodnog mikrokristalnog grafita, ovi proizvodi imaju nizak zahtjevi za sadržaj pepela, ali stroži zahtjevi za nečistoće kao što su željezo i sumpor.

Prirodne grafitne četke:Motorne četke proizvode se koristeći prirodni grafit i ugljen katrani kao primarne sirovine kroz proces miješanja, ljuljanja, brušenja, oblikovanja, pečenja (i grafitizacije), i obračunavanje.

Ovaj materijal prvenstveno koristi visoku provodljivost i orijentaciju prirodnog grafita za paljenje. Zahtijeva niske razine nečistoća poput željeza i sumpora, te sadržaj pepela bez 2%. Treba uzimati njegu tijekom obrade kako bi se osigurala orijentacija Flakea.

Mehanički ugljični grafitni materijal:Napravljen je prije svega od prirodnog grafitnog i ugljen kartona, ovaj materijal se proizvodi kroz proces miješanja, ljuljanja, brušenja, oblikovanja i pečenja. Zahtijeva preciznost obrade na osnovu zahtjeva za primjenom.

Iz gore navedenih primjera može se vidjeti u usporedbi s umjetnim grafitom u užem smislu, proizvode od prirodnog grafita izrađenih od prirodnog grafita kao glavne sirovine ili pomoćnog sirovina i proizvedeni u skladu s umjetnim grafitnim procesom proizvodnje u procesu proizvodnje i performanse proizvoda:

(1) Prvi obično treba proći tretman grafitizacije na temperaturi iznad 2500 stupnjeva za dobivanje potrebnih fizičkih i hemijskih svojstava, dok potonje može biti grafički ili ne. Da bi se smanjili troškovi proizvodnje, grafitiziranje se obično ne vrši, tako da postoji "karbonska" faza u njegovoj strukturi koja se pretvara iz terena za vezivanje. Ovaj ugljik koji se nalazi oko grafitnih čestica i veže grafitne čestice zajedno, ima veću tvrdoću i mnogo nižu provodljivost od prirodnog grafita, tako da ima veći utjecaj na performanse proizvoda.

(2) Budući da prirodni grafit obično postoji u obliku praha i ima lošu čvrstoću vezanja za ugljikov, proizvode od ugljika izrađenih od prirodnog grafita kao sirovine, kao što su visoka poroznost, loša otpornost na oksidaciju i otpornost na termalni otpor. Stoga, specifikacije proizvoda ne mogu biti prevelike, a polje aplikacije također je uvelike ograničeno.

Na osnovu gornje analize i rasprave, autor smatra da sljedeća tehnička pitanja zahtijevaju pažnju prilikom razvoja umjetnog grafita koristeći prirodni grafit kao sirovina:

Površinska izmjena prirodnog grafita.U usporedbi s ugljen-sirovinama poput naftne koke i koksa, prirodni grafit ima manje površinskih formalnih grupa za kisik, manje je aktivno i ima lošijeg vezivanja s nagibom.

Stoga, proizvode ugljenika izrađeni pomoću prirodnog grafita, posebno prirodnog grafita za paljenje, kao primarnu sirovinu i korištenje proizvodnih procesa umjetnih grafita neminovno pate od loših mehaničkih svojstava. Odgovarajuća površinska obrada prirodnog grafita potrebno je povećati sadržaj funkcionalnih grupa površinskih kisika.

Pročišćavanje prirodnog grafita.Bacbonast sirovine poput naftne kokse i kokošica su relativno čisti, sa aspektom sadržajem obično ispod 0,5%. Međutim, prirodni grafit obrađen kroz flotaciju relativno je čist, sa sadržajem ugljika obično ispod 90%. Stoga, proizvode ugljenika izrađeni od prirodnog grafita često imaju nižu čistoću i lošu ukupne performanse, ograničavajući svoje primjene. Tretiranje visokoproizvješćenja prirodnog grafita je jedan pristup rješavanju ovog problema.

Hemijsko pročišćavanje je jeftinije, ali postupak pranja troši velike količine vode i uzrokuje značajno zagađenje. Čišćenje visokog temperature, s druge strane, je skuplje. Neki su predložili prvo pripremanje blok grafita koristeći proizvodni grafit za umjetni grafit, a zatim je podvrgavajući visokotemperaturnom toplinskom obradu iznad 2500 stupnjeva za grafitiziranje faze "ugljika" dok se uklanjaju od prirodne grafičke faze. Međutim, to povećava troškove proizvodnje i, drugo, mane uzrokovane isparavanjem nečistoća često vode do smanjenog performansi proizvoda.

Prirodna grafitna veličina čestica.Za poboljšanje performansi procesa i proizvoda, većinu karbonskih proizvoda, osim fino-konstrukcijskih proizvoda grafitnih proizvoda, zahtijevaju ugljični sirovine različitih veličina čestica tijekom procesa serije. Za neke proizvode velikog formata, veličine čestica sirovine od ugljika može čak dostići 16 mm. Međutim, prirodni grafit obrađen flotacijom često čini fini prah sa veličinom čestica u rasponu od desetina do stotina mikrona. Stoga je upotreba prirodnog grafita kao sirovine ograničena na proizvodnju fino-strukturnih proizvoda grafitnih proizvoda.

Iako je na raspolaganju prirodni mikrokristalni grafit različitih veličina čestica, njezina niska čistoća i troškovi za pročišćavanje visokih temperatura čine ga zapropusno skupim. Stoga ne postoje izvještaji o ugljičnim grafitnim proizvodima koji se proizvode koristeći prirodni mikrokristalni grafit kao sirovina. Da biste se bavili nedostatkom prirodnog grafita velikog čestica, preporučuje se usvajanje procesa "sekundarnog kokiranja" koji se koristi u umjetnoj grafitnoj industriji za obradu ugljičnih crnih sirovina.

Zapremina skupljanja tijekom procesa proizvodnje.Tokom proizvodnje umjetnog grafita, posebno tijekom grafitizacije, atomi ugljika postepeno se prebacuju prema redovnoj grafitnoj strukturi, što rezultira značajnim skupštinom glasnoće u gotovom proizvodu.
Ovaj skupljanje skupštine ima prednost povećanja gustoće gotovog proizvoda, ali neravnomjerno skupljanje može lako prouzrokovati pucanje. Prirodni grafit, s druge strane, doživljava manje skupljanja glasnoće tokom procesa karbonizacije i grafitizacije, što rezultira nižim gustoćom i mehaničkim svojstvima.
Pored toga, prilikom razvoja umjetnog grafita iz prirodnog grafita moraju se uzeti u obzir ukupni proizvodni trošak.
Cijena prirodnog grafita nakon flotacije slična je onoj kalcibiranog naftnoj koksu i koksu. Nakon daljnjeg pročišćavanja u sadržaju ugljika od 98%, cijena prirodnog grafita gotovo je dvostruko udvostručena kalcibiranom naftnom koksom i koksu. Stoga, osim gore navedenih proizvođača grafita ugljenika, koji su već uspostavili značajne industrije, većina predloženih tehničkih ruta i mjera značajno će povećati troškove proizvodnje.

Ukratko, razvijanje umjetnih grafitnih proizvoda koristeći prirodni grafit kao sirovina važan je pristup proširenju primjene prirodnog grafita.
Prirodni grafit je dugo korišten kao dodatna sirovina u nekoj umjetnoj grafitnoj proizvodnji, ali razvijanje umjetnih grafitnih proizvoda koristeći prirodni grafit kao primarnu sirovinu i dalje predstavlja brojne izazove koji treba riješiti.
Najbolji pristup postizanju ovog cilja je u potpunosti razumjeti i iskoristiti strukturu i svojstva prirodnog grafita i usvojiti odgovarajuće procesne rute i metode za proizvodnju umjetnih grafitnih proizvoda sa specijaliziranim strukturama, svojstvima i aplikacijama.