Het verschil tussen natuurlijk grafiet en kunstmatige grafiet: hoe natuurlijk grafiet te gebruiken om kunstmatige grafietproducten te ontwikkelen

Grafiet bestaat uit een enkel element van koolstof. De kristalstructuur behoort tot het zeshoekige systeem en vormt een zeshoekige gelaagde structuur. Binnen de lagen worden koolstofatomen gebonden door σ -bindingen gevormd door SP2 hybride orbitalen en gedelokaliseerde π -bindingen gevormd door PZ -orbitalen, die een sterk zeshoekig rooster vormen. De koolstof-koolstofatoomafstand is 1,42 A. Koolstofatomen hebben extreem sterke bindingsenergieën (345 kJ/mol), terwijl koolstofatomen aan elkaar worden gebonden door zwakkere van der Waals -krachten (bindingsenergie 16,7 kJ/mol). De tussenlaagafstand is 3.354 Å.

Grafiet is zacht, donkergrijs en heeft een vettig gevoel dat papier kan bevlekken. De hardheid is 1-2 en de theoretische dichtheid is 2,26 g/cm³.
Pure grafiet bestaat niet in de natuur. Natuurlijke grafietmineralen bevatten vaak onzuiverheden zoals SiO2, AL2O3, FEO, CAO, P2O5 en CUO.
Deze onzuiverheden komen vaak voor in mineralen zoals kwarts, pyriet en carbonaten. Bovendien bevat grafiet ook gassen zoals water, koolwaterstoffen, co₂, h₂ en n₂.

Daarom moet grafietanalyse, naast het bepalen van het vaste koolstofgehalte, ook de vluchtige materie en het asgehalte meten.

Vanwege de speciale structuur heeft grafiet de volgende uitstekende eigenschappen:

(1) Weerstand op hoge temperatuur:Grafiet is een van de meest warmtebestendige materialen. Het heeft geen smeltpunt bij normale druk en verliest zeer weinig gewicht, zelfs wanneer ze worden verbrand door een ultrahoge temperatuurboog.

(2) elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid:Grafiet heeft een hoge elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid neemt af met toenemende temperatuur. Bij extreem hoge temperaturen wordt grafiet zelfs een isolator.

(3) Smeerheid: THij smeerheid van grafiet is afhankelijk van de grootte van de grafietkorrels en de mate van kristalontwikkeling. Hoe groter de grafietkorrels en hoe complanter de kristalontwikkeling, hoe kleiner de wrijvingscoëfficiënt en hoe beter de smeerheid.

(4) Chemische stabiliteit:Grafiet heeft een goede chemische stabiliteit bij kamertemperatuur en is bestand tegen zuur-, alkali- en organische oplosmiddelcorrosie.

(5) Plasticiteit:Grafiet heeft een bepaalde taaiheid en kan eenvoudig worden verwerkt. Grafiet met een hoge mate van kristalontwikkeling kan zelfs worden gemalen in zeer dunne vellen.

(6) Weerstand van thermische schok:De thermische expansiecoëfficiënt van grafiet is erg klein en kan drastische temperatuurveranderingen weerstaan ​​zonder te worden beschadigd tijdens gebruik.

3. Graphietclassificatie en -kenmerken
Grafiet kan worden onderverdeeld in natuurlijk grafiet en kunstmatig grafiet. Hoewel de twee vergelijkbare structuren en fysische en chemische eigenschappen hebben, verschillen hun gebruik aanzienlijk.

Natuurlijk grafiet is een geschenk uit de natuur, gevormd door de langetermijntransformatie van koolstofrijk organisch materiaal onder hoge-temperatuur en hogedrukgeologische omstandigheden. De verwerkingseigenschappen van natuurlijk grafiet worden voornamelijk bepaald door zijn kristalvorm. Grafietmineralen met verschillende kristalvormen hebben verschillende industriële waarden en toepassingen.
Natuurlijk grafiet is een breed scala aan materialen. Op basis van hun kristalvorm is natuurlijk grafiet industrieel ingedeeld in drie categorieën: dicht kristallijn grafiet, vlok grafiet en cryptokristallijn grafiet. In mijn land zijn Flake Graphite en Cryptocrystalline Graphite de twee hoofdtypen.
Dicht kristallijn grafiet, ook bekend als massief grafiet, heeft verschillende kristallen zichtbaar voor het blote oog. De deeltjesdiameter is groter dan 0,1 mm. De kristallen zijn gerangschikt in een ongeordende, dichte, massieve structuur. Het is van hoge kwaliteit, met een koolstofgehalte in het algemeen variërend van 60% tot 65%, soms met 80% tot 98%. De plasticiteit en de smeerheid ervan zijn echter inferieur aan vlok grafiet. Natural Flake Graphite, een kristallografische term voor pegmatieten, is een enkel kristal dat wordt genoemd naar zijn schilferige vorm. Het kan grote of fijne vlokken zijn. Dit type grafiet biedt superieure smeerheid en plasticiteit in vergelijking met andere soorten grafiet, waardoor het het meest waardevolle industriële materiaal is.

Hoewel vlok grafieterts niet van hoge kwaliteit is, met een koolstofgehalte die over het algemeen variërend van 3% tot 25%, is het een van de meest drijvende ertsen die in de natuur worden gevonden. Door uitgebreide slijpen en selectie kan hoogwaardige grafietconcentraat worden verkregen.

Aphanitic Graphite, ook bekend als amorf grafiet of aardse grafiet, is onlangs begonnen met aangeduid als microkristallijn grafiet. Dit type grafiet heeft typisch kristallen minder dan 1 micron in diameter en is alleen te zien onder een elektronenmicroscoop. Het kan worden beschouwd als een aggregaat van grafietkristallen.

Natuurlijk microkristallijn grafiet wordt typisch gevormd door de omzetting van steenkool onder hoge-temperatuur- en hogedrukgeologische omstandigheden. Daarom wordt het vaak geassocieerd met steenkool. Een overgangszone van antraciet naar natuurlijk microkristallijn grafiet wordt vaak waargenomen in natuurlijke microkristallijne grafietertslichamen. Dit type grafiet wordt gekenmerkt door een aardachtig oppervlak, gebrek aan glans, lagere smeerheid dan vlok grafiet en slechte selectiviteit. Het is echter van hogere kwaliteit, met een koolstofgehalte in het algemeen variërend van 60%tot 80%, met sommige meer dan 90%.

Kunstmatige grafiet is vergelijkbaar met polykristallen in kristallografie. Er zijn talloze soorten kunstmatige grafiet en de productieprocessen variëren sterk. In grote lijnen omvat kunstmatige grafiet alle grafietmaterialen verkregen door de carbonisatie van organische stof gevolgd door grafitisatie en behandeling met hoge temperatuur, zoals koolstof (grafiet) vezels, pyrolytische koolstof (grafiet) en geschuimd grafiet.

In een smallere zin verwijst kunstgrafiet over het algemeen naar bulk vaste materialen, zoals grafietelektroden en isostatisch geperst grafiet, geproduceerd met behulp van koolstofhoudende grondstoffen met lage ideeën (zoals petroleumcokes en pitch cola) als aggregaten en kolentar als binders, door een reeks processen, waaronder batching, knadiging, carbonisatie, carbonisatie, carbonisatie (industrieel bekend als roasting), en grafitisatie.

Aangezien natuurlijk grafiet in het algemeen wordt geproduceerd in de enge zin van het woord, kunstmatige grafiet, zal dit artikel alleen de verschillen en verbindingen tussen natuurlijk grafiet en kunstmatige grafiet in de smalle zin analyseren en bespreken.

Natuurlijk grafiet heeft relatief goed ontwikkelde kristallen. De mate van grafitisatie van natuurlijk vlok grafiet ligt meestal boven 98%, terwijl die van natuurlijk microkristallijn grafiet meestal lager is dan 93%.
De mate van kristalontwikkeling in kunstmatige grafiet hangt af van de grondstof en de warmtebehandelingstemperatuur. Over het algemeen, hoe hoger de warmtebehandelingstemperatuur, hoe hoger de mate van grafitisatie. Momenteel ligt de mate van grafitisatie van industrieel geproduceerd kunstmatig grafiet meestal onder de 90%.

Natural Flake Graphite is een enkel kristal met een relatief eenvoudige microstructuur. Het bevat alleen kristallografische defecten (zoals puntdefecten, dislocaties en stapelfouten), wat resulteert in anisotrope macroscopische structurele kenmerken. Natuurlijk microkristallijn grafiet heeft kleinere korrels, met willekeurige opstelling en poriën als gevolg van het verwijderen van onzuiverheden. Het vertoont isotrope macroscopische structurele kenmerken.
Kunstmatig grafiet kan worden beschouwd als een meerfasenmateriaal, bestaande uit een grafietfase afgeleid van koolstofachtige deeltjes zoals petroleumcoke of toonhoogtecoke, een grafietfase afgeleid van het koolteermap rond de deeltjes en poriën gevormd door deeltjesaccumulatie of door warmtebehandeling van het koolteerbinder.

Natuurlijk grafiet bestaat meestal in poedervorm en kan alleen worden gebruikt, maar wordt vaak gecombineerd met andere materialen.
Kunstmatige grafiet wordt geleverd in verschillende vormen, waaronder poeder, vezels en blok. In smallere zin is kunstmatige grafiet meestal in blokvorm en moet vóór gebruik in een specifieke vorm worden verwerkt.

Natuurlijk grafiet en kunstmatige grafiet delen overeenkomsten, maar vertonen ook verschillen in prestaties. Zowel natuurlijk als kunstmatige grafiet zijn bijvoorbeeld goede geleiders van warmte en elektriciteit. Voor grafietpoeders van dezelfde zuiverheid en deeltjesgrootte heeft natuurlijk grafiet van het schildpad de beste thermische en elektrische geleidbaarheid, gevolgd door natuurlijk microkristallijn grafiet, en kunstmatige grafiet heeft het laagste.
Grafiet vertoont een goede smeerheid en een zekere mate van plasticiteit. Natural Flake-grafiet, met zijn goed ontwikkelde kristallen en lage wrijvingscoëfficiënt, vertoont de beste smeerheid en de hoogste plasticiteit. Dichte kristallijn grafiet en cryptocrystalline grafiet rangschikken tweede, terwijl kunstmatige grafiet slecht presteert.

Grafiet bezit vele uitstekende eigenschappen, waardoor het op grote schaal wordt gebruikt in industrieën zoals metallurgie, machines, elektrotechniek, chemicaliën, textiel en verdediging. De toepassingen van natuurlijke en synthetische grafiet overlappen en verschillen.
In de metallurgische industrie wordt natuurlijke vlok grafiet, vanwege de uitstekende oxidatieresistentie, gebruikt bij de productie van vuurvaste materialen zoals magnesia-koolstofbakken en bakstenen van aluminiumoxide.
Kunstmatige grafiet kan worden gebruikt als stalen elektroden, terwijl elektroden gemaakt van natuurlijk grafiet moeilijk te gebruiken zijn in de hardere bedrijfsomstandigheden van ovens van elektrische stalen.
In de mechanische industrie wordt grafiet vaak gebruikt als slijtvast en smeermateriaal. Natural Flake -grafiet heeft een uitstekende smeerheid en wordt vaak gebruikt als een smeermiddeladditief.
In apparatuur die corrosieve media transporteert, worden zuigerringen, afdichtingen en lagers gemaakt van synthetisch grafiet veel gebruikt, waardoor de behoefte aan smeermiddel wordt geëlimineerd.
Natuurlijke grafiet- en polymeerharscomposieten kunnen ook worden gebruikt in de bovengenoemde toepassingen, maar hun slijtvastheid is inferieur aan die van synthetisch grafiet. Kunstmatige grafiet heeft corrosieweerstand, goede thermische geleidbaarheid en lage permeabiliteit. Het wordt veel gebruikt in de chemische industrie om apparatuur zoals warmtewisselaars, reactietanks, absorptietorens en filters te produceren.

Natuurlijke grafiet- en polymeerharscomposieten kunnen ook in deze gebieden worden gebruikt, maar hun thermische geleidbaarheid en corrosieweerstand zijn inferieur aan die van kunstmatige grafiet.

De ontwikkeling van nieuwe grafietproducten op basis van productieprocessen voor kunstmatige grafiet is niet langer een nieuw onderwerp in de kunstmatige grafietindustrie. Talrijke koolstof-grafietproducten worden geproduceerd met behulp van natuurlijk grafiet als de primaire of secundaire grondstof, na productieprocessen van kunstmatige grafiet, en sommige zijn zelfs grootschalige industrieën geworden.

Zink-Manganese batterij koolstofstaven:Koolstofstaven voor zink-manganese batterijen (algemeen bekend als droge cellen) worden vervaardigd met behulp van natuurlijke microkristallijn grafiet en koolteerveld als de primaire grondstoffen door een proces van mengen, extrusie, roosteren, bewerken en wax impregnatie.

Deze producten hebben voornamelijk gebruik van de hoge geleidbaarheid en lage kosten van natuurlijk microkristallijn grafiet, deze producten hebben een lage essentie, maar strengere vereisten voor onzuiverheden zoals ijzer en zwavel.

Natuurlijke grafietborstels:Motorborstels worden vervaardigd met behulp van natuurlijke vlok grafiet en koolteerveld als de primaire grondstoffen door een proces van mengen, schilferen, slijpen, vormen, roosteren (en grafitisatie, indien nodig) en bewerking.

Dit materiaal maakt voornamelijk gebruik van de hoge geleidbaarheid en oriëntatie van natuurlijk vlok grafiet. Het vereist lage niveaus van onzuiverheden zoals ijzer en zwavel, en een asgehalte niet hoger dan 2%. Er moet tijdens de bewerking worden gezorgd om de oriëntatie van de vlok te waarborgen.

Mechanisch koolstofgrafietmateriaal:Dit materiaal wordt voornamelijk gemaakt van natuurlijke grafiet- en koolteerveld en wordt geproduceerd door een proces van mengen, schilferen, slijpen, vormen en braden. Het vereist precisiebewerking op basis van toepassingsvereisten.

Uit de bovenstaande voorbeelden is te zien dat in vergelijking met kunstmatige grafiet in een enge zin, koolstofgrafietproducten gemaakt van natuurlijk grafiet als de belangrijkste grondstoffen of hulpgronden en geproduceerd volgens het productieproces voor kunstmatige grafiet, de volgende verschillen in productieproces en productprestaties hebben:

(1) De eerste moet meestal een grafitisatiebehandeling ondergaan bij een temperatuur boven 2500 graden om de vereiste fysische en chemische eigenschappen te verkrijgen, terwijl deze laatste kan worden gefraphitiseerd of niet. Om de productiekosten te verlagen, wordt de grafitisatiebehandeling meestal niet uitgevoerd, dus er is een "koolstof" -fase in zijn structuur die wordt omgezet uit de binderveld. Deze koolstof, die zich rond de grafietdeeltjes bevindt en de grafietdeeltjes samenbindt, heeft een hogere hardheid en een veel lagere geleidbaarheid dan natuurlijk grafiet, dus heeft het een grotere invloed op de prestaties van het product.

(2) Aangezien natuurlijk grafiet meestal bestaat in poedervorm en een slechte bindingssterkte heeft met koolteer, hebben koolstofgrafietproducten gemaakt van natuurlijk grafiet omdat grondstof meestal nadelen hebben zoals hoge porositeit, lage mechanische sterkte, slechte oxidatieweerstand en thermische schokweerstand. Daarom kunnen de productspecificaties niet te groot zijn en is het toepassingsveld ook sterk beperkt.

Op basis van de bovenstaande analyse en discussie is de auteur van mening dat de volgende technische kwesties aandacht vereisen bij het ontwikkelen van kunstmatige grafiet die natuurlijk grafiet gebruikt als een grondstof:

Oppervlakte -modificatie van natuurlijk grafiet.In vergelijking met koolstofhoudende grondstoffen zoals petroleum cola en pitch cola, heeft natuurlijk grafiet minder functionele oppervlakte -zuurstofgroepen, is minder actief en heeft een slechtere binding met koolteerveld.

Daarom hebben koolstof-grafietproducten gemaakt met behulp van natuurlijk grafiet, met name natuurlijk vlok grafiet, als primaire grondstof en gebruik van kunstmatige grafietproductieprocessen onvermijdelijk aan slechte mechanische eigenschappen. Geschikte oppervlaktebehandeling van natuurlijk grafiet is noodzakelijk om het gehalte aan functionele oppervlakte -zuurstofgroepen te vergroten.

Zuivering van natuurlijk grafiet.Koolstofachtige grondstoffen zoals petroleum cola en pitch cola zijn relatief zuiver, met asgehalte typisch minder dan 0,5%. Natuurlijk grafiet verwerkt door flotatie is echter relatief zuiver, waarbij koolstofgehalten typisch lager zijn dan 90%. Daarom hebben koolstof-grafietproducten gemaakt van natuurlijk grafiet vaak een lagere zuiverheid en slechte algehele prestaties, waardoor hun toepassingsgebieden worden beperkt. High-zuivering van natuurlijk grafiet is een benadering om dit probleem aan te pakken.

Chemische zuivering is goedkoper, maar het wasproces verbruikt grote hoeveelheden water en veroorzaakt aanzienlijke vervuiling. Zuivering van hoge temperatuur is daarentegen duurder. Sommigen hebben voorgesteld om eerst blokgrafiet te bereiden met behulp van het productieproces voor kunstmatige grafiet en vervolgens worden onderworpen aan warmtebehandeling op hoge temperatuur boven 2500 graden om de "koolstof" -fase te grafiteren, terwijl onzuiverheden uit de natuurlijke grafietfase worden verwijderd. Dit verhoogt echter de productiekosten en ten tweede leiden de defecten veroorzaakt door de verdamping van onzuiverheden vaak tot verminderde productprestaties.

Natuurlijke grafietdeeltjesgrootte.Om de proces- en productprestaties te verbeteren, vereisen de meeste koolstof-grafietproducten, behalve fijne structuur koolstof-grafietproducten, koolstof grondstoffen van variërende deeltjesgroottes tijdens het batchproces. Voor sommige grootformaatproducten kan de deeltjesgrootte van de koolstofgrondstof zelfs 16 mm bereiken. Natuurlijk grafiet verwerkt door flotatie vormt echter vaak een fijn poeder met deeltjesgroottes variërend van tientallen tot honderden micron. Daarom is het gebruik van natuurlijke grafiet als grondstof beperkt tot de productie van koolstof-structuurproducten.

Hoewel de natuurlijke microkristallijne grafiet van variërende deeltjesgroottes beschikbaar is, maken de lage zuiverheids- en hoge-temperatuurzuiveringskosten het onbetaalbaar duur. Daarom zijn er geen meldingen van grove structuur koolstof-grafietproducten geproduceerd met behulp van natuurlijk microkristallijn grafiet als grondstof. Om het tekort aan natuurlijke grafiet met grote deeltjes aan te pakken, wordt het aanbevolen om het "secundaire coking" -proces in de kunstmatige grafietindustrie over te nemen om koolstof zwarte grondstoffen te verwerken.

Volume krimp tijdens het productieproces.Tijdens de productie van kunstmatige grafiet, vooral tijdens grafitisatie, verschuiven de koolstofatomen geleidelijk naar een reguliere grafietstructuur, wat resulteert in aanzienlijk volume krimp in het eindproduct.
Dit volume -krimp heeft het voordeel van het vergroten van de dichtheid van het eindproduct, maar ongelijke krimp kan gemakkelijk kraken veroorzaken. Natuurlijk grafiet daarentegen ervaart minder volume krimp tijdens de carbonisatie- en grafitisatieprocessen, wat resulteert in lagere dichtheid en mechanische eigenschappen.
Bij het ontwikkelen van kunstmatige grafiet van natuurlijk grafiet moeten bovendien worden overwogen.
De prijs van natuurlijk grafiet na flotatie is vergelijkbaar met die van gecalcineerde petroleum cola en pitch cola. Na verdere zuivering van een koolstofgehalte van 98%is de prijs van natuurlijk grafiet bijna het dubbele van die van gecalcineerde petroleumcoke en pitch cola. Daarom zullen de meeste voorgestelde technische routes en maatregelen, behalve voor de bovengenoemde koolstof-grafietproducten, die al significante industrieën hebben opgezet, de productiekosten aanzienlijk verhogen.

Samenvattend is het ontwikkelen van kunstmatige grafietproducten die natuurlijk grafiet gebruiken als grondstof een belangrijke benadering voor het uitbreiden van de toepassing van natuurlijk grafiet.
Natuurlijk grafiet wordt al lang gebruikt als aanvullende grondstof in sommige productie van kunstmatige grafiet, maar het ontwikkelen van kunstmatige grafietproducten die natuurlijk grafiet gebruiken, omdat de primaire grondstof nog steeds talloze uitdagingen vormt die moeten worden aangepakt.
De beste aanpak om dit doel te bereiken is om de structuur en eigenschappen van natuurlijk grafiet volledig te begrijpen en te gebruiken en passende procesroutes en methoden aan te nemen om kunstmatige grafietproducten te produceren met gespecialiseerde structuren, eigenschappen en toepassingen.