ההבדל בין גרפיט טבעי לגרפיט מלאכותי: כיצד להשתמש בגרפיט טבעי לפיתוח מוצרי גרפיט מלאכותיים

הגרפיט מורכב מאלמנט יחיד של פחמן. מבנה הקריסטל שלו שייך למערכת המשושה ויוצרים מבנה משושה משושה. בתוך השכבות, אטומי הפחמן קשורים על ידי קשרי σ הנוצרים על ידי אורביטלים היברידיים SP2 וקשרים π π נוצרים על ידי Orbitals PZ, ויוצרים רשת משושה חזקה. המרווח האטומי הפחמן-פחמן הוא 1.42 Å. לאטומי הפחמן יש אנרגיות קשרים חזקות במיוחד (345 kJ/mol), ואילו אטומי פחמן קשורים זה לזה על ידי כוחות חלשים יותר של ואן דר וואלס (אנרגיית הקשר 16.7 ק"ג/מול). המרווח הבין -שכבתי הוא 3.354 Å.

הגרפיט הוא רך, אפור כהה, ובעל תחושה שמנונית שיכולה להכתים נייר. קשיותו היא 1-2, והצפיפות התיאורטית שלו היא 2.26 גרם/ס"מ³.
גרפיט טהור אינו קיים בטבע. מינרלים גרפיט טבעיים מכילים לרוב זיהומים כמו SiO2, Al2O3, FEO, CAO, P2O5 ו- CUO.
זיהומים אלה מתרחשים לרוב במינרלים כמו קוורץ, פיריט ופחמתי. בנוסף, גרפיט מכיל גם גזים כמו מים, פחמימנים, CO₂, H₂ ו- N₂.

לכן, בנוסף לקביעת תכולת הפחמן הקבועה, ניתוח גרפיט חייב גם למדוד את החומר הנדיף ותכולת האפר.

בשל המבנה המיוחד שלו, לגרפיט יש את המאפיינים המצוינים הבאים:

(1) התנגדות לטמפרטורה גבוהה:גרפיט הוא אחד החומרים העמידים ביותר בחום. אין לו שום נקודת התכה בלחץ רגיל ומאבד מעט מאוד משקל אפילו כאשר הוא נשרף על ידי קשת טמפרטורה גבוהה במיוחד.

(2) מוליכות חשמלית ומוליכות תרמית:לגרפיט מוליכות חשמלית גבוהה ומוליכות תרמית. המוליכות התרמית פוחתת עם עליית הטמפרטורה. בטמפרטורות גבוהות במיוחד, הגרפיט אפילו הופך למבודד.

(3) סיכה: tסיכה של הגרפיט תלוי בגודל גרגרי הגרפיט ובמידת התפתחות הגבישים. ככל שגרגירי הגרפיט גדולים יותר וככל שהתפתחות הקריסטל שלמה יותר, כך מקדם החיכוך קטן יותר ושומר סיכה טוב יותר.

(4) יציבות כימית:לגרפיט יציבות כימית טובה בטמפרטורת החדר והיא עמידה בפני קורוזיה של חומצה, אלקלי וממיס אורגני.

(5) פלסטיות:לגרפיט יש קשיחות מסוימת וניתן לעבד אותה בפשטות. גרפיט עם דרגה גבוהה של פיתוח קריסטל יכול אפילו להיות טחון לסדינים דקים מאוד.

(6) התנגדות הלם תרמי:מקדם ההתרחבות התרמית של גרפיט הוא קטן מאוד, והוא יכול לעמוד בשינויים דרסטיים בטמפרטורה מבלי להיפגע במהלך השימוש.

3. סיווג גרפיט ומאפיינים
ניתן לחלק גרפיט לגרפיט טבעי וגרפיט מלאכותי. בעוד שלשניים יש מבנים דומים ותכונות פיזיקליות וכימיות, השימושים שלהם נבדלים באופן משמעותי.

גרפיט טבעי הוא מתנה מהטבע, שנוצרה על ידי טרנספורמציה ארוכת טווח של חומר אורגני עשיר בפחמן בתנאים גיאולוגיים בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. תכונות העיבוד של גרפיט טבעי נקבעות בעיקר על ידי צורת הקריסטל שלה. למינרלים גרפיט עם צורות גביש שונות יש ערכים ויישומים תעשייתיים שונים.
גרפיט טבעי הוא מגוון רחב של חומרים. בהתבסס על צורת הקריסטל שלהם, גרפיט טבעי מסווג תעשייתי לשלוש קטגוריות: גרפיט גבישי צפוף, גרפיט פתית וגרפיט קריפטוקריסטלי. בארצי, גרפיט פתית וגרפיט קריפטוקריסטלי הם שני הסוגים העיקריים.
גרפיט גבישי צפוף, המכונה גם גרפיט מסיבי, יש גבישים מובחנים הנראים לעין בלתי מזוינת. קוטר החלקיקים גדול מ- 0.1 מ"מ. הגבישים מסודרים במבנה לא מופרז, צפוף ומאסיבי. זה באיכות גבוהה, כאשר תכולת פחמן נעה בדרך כלל בין 60% ל 65%, ולעתים מגיעה ל 80% ל 98%. עם זאת, הפלסטיות והסיכה שלו נחותים מגרפיט פתית. גרפיט פתית טבעי, מונח קריסטלוגרפי לפגמטיטים, הוא גביש יחיד בשם בצורתו הקשקשת. זה יכול להיות פתיתים גדולים או עדינים. גרפיט מסוג זה מציע סיכה ופלסטיות מעולים בהשוואה לסוגים אחרים של גרפיט, מה שהופך אותו לחומר התעשייתי היקר ביותר.

למרות שעפרות גרפיט פתית אינן בדרגה גבוהה, כאשר תכולת פחמן בדרך כלל נעה בין 3% ל 25%, היא אחת העפרות הצפות ביותר שנמצאות בטבע. באמצעות טחינה ובחירה נרחבים, ניתן להשיג תרכיז גרפיט בדרגה גבוהה.

גרפיט אפניטי, המכונה גם גרפיט אמורפי או גרפיט ארצי, החל לאחרונה לכנות גרפיט מיקרו -קריסטלי. בסוג זה של גרפיט בדרך כלל גבישים בקוטר של פחות ממיקרון וניתן לראות אותם רק תחת מיקרוסקופ אלקטרונים. זה יכול להיחשב כמצטבר של גבישים גרפיט.

גרפיט מיקרו-גבישי טבעי נוצר בדרך כלל על ידי המרת פחם בתנאים גיאולוגיים בטמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. לכן לעתים קרובות זה קשור לפחם. אזור מעבר מאנתרציט לגרפיט מיקרו -קריסטלי טבעי נצפה לרוב בתוך גופי עפרות גרפיט מיקרו -גבישיים טבעיים. גרפיט מסוג זה מאופיין במשטח אדמה, חוסר ברק, סיכה נמוכה יותר מאשר גרפיט פתית וסלקטיביות לקויה. עם זאת, הוא באיכות גבוהה יותר, כאשר תכולת פחמן בדרך כלל נעה בין 60%ל 80%, כאשר חלקם עולים על 90%.

גרפיט מלאכותי דומה לפולי -קריסטלים בקריסטלוגרפיה. ישנם סוגים רבים של גרפיט מלאכותי, ותהליכי הייצור משתנים מאוד. באופן כללי, גרפיט מלאכותי מקיף את כל חומרי הגרפיט המתקבלים באמצעות פחמימות של חומר אורגני ואחריו גרפיטיזציה וטיפול בטמפרטורה גבוהה, כמו סיבי פחמן (גרפיט), פחמן פירוליטי (גרפיט) ​​וגרפיט מוקצף.

במובן צר יותר, גרפיט מלאכותי מתייחס בדרך כלל לחומרים מוצקים בתפזורת, כמו אלקטרודות גרפיט וגרפיט לחוץ איזוסטטי, המיוצר באמצעות חומרי גלם פחמניים בעלי חשיבות נמוכה (כמו קולה קולה נפט) כאגרגטים וזפת פחם כקמיתים, דרך סדרה של תהליכים כולל אצווה, קישור, תוקף, תרשימות, כפגוניזציה), כראוי, כדועה), כפגוניזציה, כדועה).

מכיוון שבדרך כלל מיוצר גרפיט טבעי במובן הצר של המילה, גרפיט מלאכותי, מאמר זה רק ינתח וידון בהבדלים ובחיבורים בין גרפיט טבעי לגרפיט מלאכותי במובן הצר.

לגרפיט טבעי יש גבישים מפותחים יחסית. מידת הגרפיטיזציה של גרפיט פתית טבעית היא בדרך כלל מעל 98%, ואילו זו של גרפיט מיקרו -גבישי טבעי בדרך כלל מתחת ל 93%.
מידת התפתחות הגבישים בגרפיט מלאכותי תלויה בחומר הגלם ובטמפרטורת הטיפול בחום. באופן כללי, ככל שטמפרטורת הטיפול בחום גבוהה יותר, כך מידת הגרפיטיזציה גבוהה יותר. נכון לעכשיו, מידת הגרפיטיזציה של גרפיט מלאכותי המיוצר בתעשייה היא בדרך כלל מתחת ל 90%.

גרפיט פתית טבעי הוא גביש יחיד עם מיקרו -מבנה פשוט יחסית. הוא מכיל רק ליקויים קריסטלוגרפיים (כמו פגמים נקודתיים, ניתוקות וערימת תקלות), וכתוצאה מכך מאפיינים מבניים מקרוסקופיים אניסוטרופיים. גרפיט מיקרו -גבישי טבעי כולל דגנים קטנים יותר, עם סידור אקראי ונקבוביות הנובעות מהסרת זיהומים. הוא מציג מאפיינים מבניים מקרוסקופיים איזוטרופיים.
גרפיט מלאכותי יכול להיחשב כחומר רב -שלבי, המורכב משלב גרפיט הנגזר מחלקיקים פחמניים כמו קולה נפט או קולה המגרש, שלב גרפיט שמקורו בקלסר זפת הפחם המקיף את החלקיקים, ונקבוביות הנוצרות על ידי הצטברות חלקיקים או על ידי טיפול בחום בקלסר זפת הפחם.

גרפיט טבעי קיים בדרך כלל בצורת אבקה וניתן להשתמש בו לבד, אך לרוב משולב עם חומרים אחרים.
גרפיט מלאכותי מגיע במגוון צורות, כולל אבקה, סיבים וחסימה. במובן הצר יותר, גרפיט מלאכותי הוא בדרך כלל בצורת בלוק וצריך לעבד אותו לצורה ספציפית לפני השימוש.

גרפיט טבעי וגרפיט מלאכותי חולקים קווי דמיון אך גם מראים הבדלים בביצועים. לדוגמה, גרפיט טבעי ומלאכותי כאחד הם מוליכים טובים של חום וחשמל. עם זאת, עבור אבקות גרפיט מאותו טוהר וגודל החלקיקים, לגרפיט פתית טבעית יש את המוליכות התרמית והחשמלית הטובה ביותר, ואחריה גרפיט מיקרו -גבישי טבעי, וגרפיט מלאכותי הוא הנמוך ביותר.
גרפיט מציג סיכה טובה ומידה מסוימת של פלסטיות. גרפיט פתית טבעי, עם הגבישים המפותחים שלו ומקדם חיכוך נמוך, מציג את הסיכה הטובה ביותר ואת הפלסטיות הגבוהה ביותר. גרפיט גבישי צפוף וגרפיט cryptocrystalline מדורגים במקום השני, ואילו גרפיט מלאכותי מתפקד בצורה לא טובה.

לגרפיט יש הרבה תכונות מצוינות, מה שהופך אותו בשימוש נרחב בתעשיות כמו מטלורגיה, מכונות, הנדסת חשמל, כימיקלים, טקסטיל והגנה. היישומים של גרפיט טבעי וסינתטי חופפים כמו גם שונים.
בתעשייה המתכתית משמשת גרפיט פתית טבעית, בשל עמידות החמצון המצוינת שלו, בייצור חומרים עקשן כמו לבנים מגנזיה-פחמן ולבני אלומינה-פחמן.
גרפיט מלאכותי יכול לשמש כאלקטרודות לייצר פלדה, ואילו אלקטרודות העשויות מגרפיט טבעי קשות לשימוש בתנאי ההפעלה הקשים יותר של תנורי עשיית פלדה חשמלית.
בתעשייה המכנית, גרפיט משמש בדרך כלל כחומר עמיד בלאי ושומן. לגרפיט פתית טבעית יש סיכה מצוינת ומשמשת לעתים קרובות כתוסף סיכה.
בציוד שמעביר מדיה מאכלת, נעשה שימוש נרחב בטבעות בוכנה, כלבי ים ומסבים העשויים מגרפיט סינטטי, ומבטל את הצורך בחומר סיכה.
ניתן להשתמש גם בגרפיט טבעי ופולימרים מרוכבים שרף שרף ביישומים שהוזכרו לעיל, אך התנגדות הבלאי שלהם נחותה מזה של גרפיט סינטטי. גרפיט מלאכותי מתהדר בהתנגדות לקורוזיה, מוליכות תרמית טובה וחדירות נמוכה. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשייה הכימית לייצור ציוד כמו מחליפי חום, מיכלי תגובה, מגדלי ספיגה ומסננים.

ניתן להשתמש גם באזורים אלה גרפיט טבעי ופולימרים מרוכבים שרף שרף פולימרים, אך המוליכות התרמית שלהם והתנגדות הקורוזיה שלהם נחותים מאלה של גרפיט מלאכותי.

פיתוח מוצרי גרפיט חדשים המבוססים על תהליכי ייצור גרפיט מלאכותיים אינו עוד נושא חדש בתעשיית הגרפיט המלאכותית. מוצרים רבים-גרפיט פחמן מיוצרים באמצעות גרפיט טבעי כחומר הגלם העיקרי או המשני, בעקבות תהליכי ייצור גרפיט מלאכותיים, וחלקם אפילו הפכו לתעשיות בקנה מידה גדול.

מוטות פחמן סוללות אבץ-מנגניות:מוטות פחמן לסוללות אבץ-מנגניות (המכונה בדרך כלל תאים יבשים) מיוצרים באמצעות גרפיט מיקרו-גבישי טבעי ומגרש זפת פחם כחומרי הגלם העיקריים בתהליך של ערבוב, שחול, צלייה, עיבוד שבבי וספוג שעווה.

מוצרים אלה ממנפים בעיקר את המוליכות הגבוהה והעלות הנמוכה של גרפיט מיקרו -גבישי טבעי, אך יש דרישות תכולת אפר נמוכות, אך דרישות מחמירות יותר לזיהומים כמו ברזל וגופרית.

מברשות גרפיט טבעיות:מברשות מנוע מיוצרות באמצעות גרפיט פתית טבעית ומגרש זפת פחם כחומרי הגלם העיקריים בתהליך של ערבוב, דליקה, טחינה, דפוס, צלייה (וגרפיטיזציה, במידת הצורך) ועיבוד שבבי.

חומר זה משתמש בעיקר במוליכות ובכיוון הגבוה של גרפיט פתית טבעית. זה דורש רמות נמוכות של זיהומים כמו ברזל וגופרית, ותכולת אפר אינה גבוהה מ- 2%. יש להקפיד במהלך עיבוד שבבי על מנת להבטיח את אוריינטציה של הפתף.

חומר גרפיט פחמן מכני:מיוצר בעיקר מגרפיט טבעי ומגרש זפת פחם, חומר זה מיוצר באמצעות תהליך של ערבוב, דליפה, טחינה, דפוס וצלייה. זה דורש עיבוד דיוק בהתבסס על דרישות היישום.

מהדוגמאות לעיל ניתן לראות כי בהשוואה לגרפיט מלאכותי במובן צר, מוצרי גרפיט פחמן העשויים גרפיט טבעי כחומר הגלם העיקרי או חומר הגלם העזר והופקו על פי תהליך ייצור הגרפיט המלאכותי יש את ההבדלים הבאים בתהליך הייצור ובביצועי המוצר:

(1) הראשון בדרך כלל צריך לעבור טיפול גרפיטיזציה בטמפרטורה מעל 2500 מעלות כדי להשיג את התכונות הפיזיקליות והכימיות הנדרשות, ואילו האחרונים יכולים להיות גרפים או לא. על מנת להפחית את עלויות הייצור, בדרך כלל לא מבוצע טיפול בגרפיטיזציה, ולכן יש שלב "פחמן" במבנה שלו המומר ממגרש הקלסר. לפחמן זה, שנמצא סביב חלקיקי הגרפיט ומחייב את חלקיקי הגרפיט זה לזה, יש קשיות גבוהה יותר ומוליכות נמוכה בהרבה מאשר גרפיט טבעי, כך שיש לו השפעה רבה יותר על ביצועי המוצר.

(2) מכיוון שגרפיט טבעי קיים בדרך כלל בצורת אבקה ובעל חוזק מליטה לקוי עם זפת פחם, מוצרי גרפיט פחמן העשויים גרפיט טבעי מכיוון שחומר גלם בדרך כלל יש חסרונות כמו נקבוביות גבוהה, חוזק מכני נמוך, עמידות חמצון לקויה ועמידות בפני זעזועים תרמיים. לפיכך, מפרטי המוצר לא יכולים להיות גדולים מדי, ושדה היישום מוגבל מאוד.

בהתבסס על הניתוח והדיון לעיל, המחבר מאמין שהנושאים הטכניים הבאים דורשים תשומת לב בעת פיתוח גרפיט מלאכותי באמצעות גרפיט טבעי כחומר גלם:

שינוי פני השטח של גרפיט טבעי.בהשוואה לחומרי גלם פחמניים כמו קולה נפט וקולה המגרש, לגרפיט טבעי יש פחות קבוצות פונקציונליות של חמצן פני השטח, פחות פעיל ויש לו קשר גרוע יותר עם מגרש זפת פחם.

לפיכך, מוצרי גרפיט פחמן המיוצרים באמצעות גרפיט טבעי, במיוחד גרפיט פתית טבעי, כחומר הגלם העיקרי ושימוש בתהליכי ייצור גרפיט מלאכותיים סובלים בהכרח מתכונות מכניות ירודות. יש צורך בטיפול משטח מתאים בגרפיט טבעי כדי להגדיל את התוכן של קבוצות פונקציונליות של חמצן פני השטח.

טיהור גרפיט טבעי.חומרי גלם פחמניים כמו קולה נפט וקולה המגרש הם טהורים יחסית, כאשר תכולת אפר בדרך כלל מתחת ל 0.5%. עם זאת, גרפיט טבעי המעובד באמצעות הנפקה הוא יחסית טהור, כאשר תכולת הפחמן בדרך כלל מתחת ל 90%. לפיכך, מוצרי גרפיט פחמן העשויים מגרפיט טבעי הם בעלי טוהר נמוך יותר וביצועים כוללים ירודה, ומגבילים את אזורי היישום שלהם. טיפול בטיפוח גבוה בגרפיט טבעי הוא גישה אחת לטיפול בבעיה זו.

הטיהור הכימי יקר פחות, אך תהליך הכביסה צורך כמויות גדולות של מים וגורם לזיהום משמעותי. טיהור בטמפרטורה גבוהה, לעומת זאת, יקר יותר. חלקם הציעו לראשונה להכין גרפיט בלוק באמצעות תהליך הייצור לגרפיט מלאכותי, ואז הכניסו אותו לטיפול בחום בטמפרטורה גבוהה מעל 2500 מעלות כדי לגרף את שלב "הפחמן" תוך הסרת זיהומים משלב הגרפיט הטבעי. עם זאת, זה מגדיל את עלויות הייצור, ושנית, הפגמים הנגרמים כתוצאה מאידוי זיהומים מובילים לרוב להפחתת ביצועי המוצר.

גודל חלקיקי גרפיט טבעי.כדי לשפר את ביצועי התהליכים ובמוצר, מרבית מוצרי הפחמן-גרפיט, למעט מוצרי גרפיט פחמן עדין במבנה, דורשים חומרי גלם פחמן בגדלי חלקיקים משתנים במהלך תהליך האצווה. עבור כמה מוצרים בפורמט גדול, גודל החלקיקים של חומר הגלם הפחמן יכול אפילו להגיע ל -16 מ"מ. עם זאת, גרפיט טבעי המעובד על ידי הנפקה יוצר לעתים קרובות אבקה עדינה עם גדלי חלקיקים הנעים בין עשרות למאות מיקרון. לפיכך, השימוש בגרפיט טבעי כחומר גלם מוגבל לייצור מוצרי גרפיט פחמן עדין.

למרות שגרפיט מיקרו-גבישי טבעי בגודל חלקיקים משתנים זמין, עלויות הטיהור הנמוכות שלו ועלויות הטיהור בטמפרטורה גבוהה הופכות אותו ליקר באופן איסור. לפיכך, אין דיווחים על מוצרי גרפיט פחמן גס-מבנים המיוצרים באמצעות גרפיט מיקרו-גבישי טבעי כחומר גלם. כדי לטפל במחסור בגרפיט טבעי גדול של חלקיקים, מומלץ לאמץ את תהליך "הקוקציה המשנית" המשמש בתעשיית הגרפיט המלאכותית לעיבוד חומרי גלם שחורים פחמניים.

הצטמקות נפח במהלך תהליך הייצור.במהלך הפקת גרפיט מלאכותי, במיוחד במהלך גרפיטיזציה, אטומי הפחמן עוברים בהדרגה לעבר מבנה גרפיט רגיל, וכתוצאה מכך הצטמקות נפח משמעותית במוצר המוגמר.
הצטמקות נפח זו כוללת את היתרון בהגדלת הצפיפות של המוצר המוגמר, אך הצטמקות לא אחידה יכולה בקלות לגרום לפיצוח. גרפיט טבעי, לעומת זאת, חווה פחות התכווצות נפח במהלך תהליכי הפחמן והגרפיטיזציה, וכתוצאה מכך תכונות צפיפות ומכניות נמוכות יותר.
בנוסף, בעת פיתוח גרפיט מלאכותי מגרפיט טבעי, יש לקחת בחשבון את עלות הייצור הכוללת.
מחיר הגרפיט הטבעי לאחר הנפקה דומה לזה של קולה נפט ומגרש קולה. לאחר טיהור נוסף לתכולת פחמן של 98%, מחיר הגרפיט הטבעי הוא כמעט כפול מזה של קולה נפט ומגרש קולה. לפיכך, פרט למוצרי הפחמן-גרפיט הנזכרים לעיל, שכבר הקימו תעשיות משמעותיות, רוב הנתיבים והמדדים הטכניים המוצעים יגדילו משמעותית את עלויות הייצור.

לסיכום, פיתוח מוצרי גרפיט מלאכותיים באמצעות גרפיט טבעי כחומר גלם הוא גישה חשובה להרחבת היישום של גרפיט טבעי.
גרפיט טבעי שימש זה מכבר כחומר גלם משלים בייצור גרפיט מלאכותי, אך פיתוח מוצרי גרפיט מלאכותיים באמצעות גרפיט טבעי מכיוון שחומר הגלם העיקרי עדיין מציג אתגרים רבים שצריך לטפל בהם.
הגישה הטובה ביותר להשגת מטרה זו היא להבין ולנצל באופן מלא את המבנה והתכונות של גרפיט טבעי ולאמץ נתיבי תהליכים ושיטות מתאימות לייצור מוצרי גרפיט מלאכותיים עם מבנים, תכונות ויישומים מיוחדים.