探討石墨深加工的四大方向

探討石墨深加工的四大方向

石墨由于特殊的性質(zhì)，是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所必須的礦物原料。



　　2017年，石墨礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)異常活躍，成果豐碩



　　“廣西石墨礦資源調(diào)查及潛力評(píng)價(jià)”項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，共發(fā)現(xiàn)石墨礦化體3個(gè)；新疆黃羊山石墨礦調(diào)查取得重大突破，開(kāi)辟了巖漿巖型晶質(zhì)石墨礦找礦新領(lǐng)域，有望成為我國(guó)新的晶質(zhì)石墨資源開(kāi)發(fā)基地；在黑龍江省牡丹江市林口縣西北楞石墨礦勘察現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)超大型石墨礦床，整個(gè)石墨礦體綿延約12公里，形成5條石墨礦帶，預(yù)計(jì)礦藏儲(chǔ)量在4000萬(wàn)噸以上……2017年9月，國(guó)土資源部發(fā)布《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2017》，《報(bào)告》顯示2016年，主要礦產(chǎn)中36種礦產(chǎn)的查明資源儲(chǔ)量增長(zhǎng)，其中晶質(zhì)石墨增長(zhǎng)13.3％。



　　2017年，長(zhǎng)期處于尷尬處境的石墨，似乎有了“抬頭”跡象



　　在環(huán)保、督查等多重壓力之下，粉體行業(yè)里哀聲一片，石墨亦不例外。長(zhǎng)期處于尷尬處境的石墨，似乎有了“抬頭”跡象，山東、東北等多地的石墨生產(chǎn)廠家已陸續(xù)漲價(jià)。



　　特別是高純度和大鱗片石墨生產(chǎn)問(wèn)題更為突出。此外，受環(huán)境法規(guī)、高額稅收和土地費(fèi)用、勞動(dòng)力和電力成本上漲以及礦石供應(yīng)短缺等因素影響，企業(yè)生產(chǎn)成本也在持續(xù)上升。中國(guó)將于2018年1月推出一項(xiàng)新的環(huán)境稅，預(yù)計(jì)將對(duì)石墨行業(yè)產(chǎn)生重大影響，并宣布計(jì)劃在2020年之前建造相當(dāng)于年產(chǎn)量80％的石墨儲(chǔ)存庫(kù)。



　　2017年，新能源市場(chǎng)火熱，石墨需求旺盛



　　2017年若要評(píng)選十大火熱市場(chǎng)，新能源定能入榜。而新能源的火熱也帶動(dòng)了石墨市場(chǎng)的火爆。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)石墨礦山企業(yè)有150多家，選礦、加工企業(yè)400-500家，年產(chǎn)量100-150萬(wàn)噸，產(chǎn)值200億左右。而在出口方面，我國(guó)年出口鱗片石墨和微晶石墨各15-20萬(wàn)噸，占到了世界貿(mào)易額的1/3以上，是世界最大生產(chǎn)國(guó)和最大貿(mào)易國(guó)。



　　隨著石墨產(chǎn)業(yè)高新技術(shù)的不斷發(fā)展，一般的高碳石墨產(chǎn)品已不能滿足各行各業(yè)的需求，因此需要進(jìn)一步提高石墨純度。



　　石墨深加工發(fā)展方向



　　石墨深加工的技術(shù)方向主要從純度、粒度、形狀、表面形態(tài)四個(gè)方面。純度，即高純度石墨，如電池用的石墨，就是高純石墨；粒度方面，往往是要微細(xì)粉，但柔性石墨要大鱗片；形狀方面，要求低比表面積的(如鋰離子電池負(fù)極)石墨形狀近似球狀，要求高比表面積的(如某些添加劑)石墨，不希望其形狀為球狀；變面形態(tài)方面，如電池材料要求石墨加工時(shí)就具有一定表面狀態(tài)，高分子的添加劑則在用戶使用時(shí)對(duì)表面進(jìn)行處理。



　　石墨提純高效環(huán)保化



　　高純石墨適用于制作各種規(guī)格的石墨模具；電子管用石墨件；真空鍍膜用石墨增渦.精密鑄造用石墨件`連續(xù)鑄造用石墨件；人造金剛石用碳片等。



　　國(guó)家對(duì)于碳素行業(yè)的管理體制和標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，將使行業(yè)發(fā)展更加有序，為專業(yè)高純石墨企業(yè)做大做強(qiáng)提供良好的發(fā)展環(huán)境。而國(guó)家政策鼓勵(lì)高純石墨的研發(fā)與生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)也不斷加大產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)，取得國(guó)家政策支持并上市，需求量不斷擴(kuò)大。



　　2012-2016年高純石墨行業(yè)需求量及增速



　　石墨通過(guò)物理選礦方法最高只能達(dá)到97%左右的品味，采用物理選礦方法想要進(jìn)一步提高石墨品味非常困難，工業(yè)上制備99%以上的高碳、高純石墨主要采用高溫及化學(xué)方法。使石墨純度達(dá)到99.9%甚至99.99%才能制備得出高端的石墨材料，如石墨烯、球形石墨等。在石墨提純方法上，按制備工藝分為堿酸法、氫氟酸法、氯化焙燒法、高溫法等。



　　膨脹處理技術(shù)



　　膨脹石墨是一種新型的功能性碳素材料。成蠕蟲(chóng)狀物質(zhì)，因此也叫蠕蟲(chóng)石墨。膨脹石墨新型碳素材料不僅具備天然石墨本身的耐熱、耐腐蝕、耐輻射、導(dǎo)電、自潤(rùn)滑等優(yōu)良特性，而且還具備天然石墨所不具備的輕質(zhì)、柔軟、多孔、可壓縮、回彈等性能。



　　膨脹處理技術(shù)：化學(xué)氧化法、電化學(xué)法、氣相擴(kuò)散法、液相法、熔融法、加壓法、爆炸法等。



　　近年來(lái),對(duì)膨脹石墨的研究主要集中在兩個(gè)方面,一是探索影響膨脹石墨性能的因素,降低成本;二是對(duì)膨脹石墨微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和分析,建立膨脹石墨微觀結(jié)構(gòu)的模型,利用對(duì)膨脹石墨微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)來(lái)指導(dǎo)工業(yè)生成。目前,膨脹石墨的生產(chǎn)基本上都是針對(duì)大鱗片石墨的,對(duì)于細(xì)鱗片石墨的膨脹石墨加工報(bào)道較少,主要原因是細(xì)鱗片膨脹石墨的理化性能低于大鱗片石墨。



　　氧化處理技術(shù)



　　在石墨烯剛剛出現(xiàn)，并逐漸變得異?；馃岬臅r(shí)候，有學(xué)者提出石墨烯是天然石墨最具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一，我國(guó)要化解石墨產(chǎn)業(yè)危機(jī)，可以抓緊石墨烯這個(gè)重大發(fā)展機(jī)遇，彎道超車，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。



　　雖然，石墨烯現(xiàn)在還是處在初級(jí)階段，石墨烯對(duì)天然石墨尤其是鱗片石墨資源需求的影響不確定性很強(qiáng)，但是石墨烯具有無(wú)限廣闊的應(yīng)用前景，未來(lái)對(duì)鱗片石墨的需求不可估量。



　　石墨經(jīng)氧化處理后可制得氧化石墨和氧化石墨烯。氧化石墨從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，其層間距變大，官能團(tuán)增加，結(jié)構(gòu)缺陷增多。從性能上看，氧化石墨電子率增加，親水性增加，吸附性能增加。



　　目前，制備氧化石墨的化學(xué)氧化法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier法3種。均是用強(qiáng)酸及強(qiáng)氧化劑處理石墨。石墨在強(qiáng)酸體系中，由于酸和氧化劑的作用，使原石墨結(jié)構(gòu)中的碳原子與含氧官能團(tuán)結(jié)合。



　　石墨球形化



　　根據(jù)羅斯基爾（Roskill）預(yù)測(cè)，2025年全球電動(dòng)汽車制造鋰離子電池需求量330GWh，智能手機(jī)等其它應(yīng)用鋰離子電池需求量70GWh，依此推測(cè)，全球鋰離子電池市場(chǎng)球形石墨年需求量20萬(wàn)噸。根據(jù)德國(guó)企業(yè)家預(yù)測(cè)，2025年之前，全球鋰離子電池產(chǎn)量保守估計(jì)為300GWh，樂(lè)觀估計(jì)600GWh；依此推測(cè)，電池產(chǎn)業(yè)對(duì)球形天然石墨需求量15~30萬(wàn)噸。綜合世界各咨詢機(jī)構(gòu)和行業(yè)專家預(yù)測(cè)，估算全球新興產(chǎn)業(yè)對(duì)石墨需求約40萬(wàn)噸。



　　電池負(fù)極材料需求預(yù)測(cè)



　　球形石墨是以優(yōu)質(zhì)高碳天然鱗片石墨為原料、采用先進(jìn)加工工藝對(duì)石墨表面進(jìn)行改性處理，生產(chǎn)的不同細(xì)度，形似橢圓球形的石墨產(chǎn)品。



　　球形石墨加工機(jī)理：首先把天然鱗片石墨粉粉碎成適宜的粒度，然后再進(jìn)行去棱角化的加工處理，使之最終形成橢球形或類球形的外形，同時(shí)利用分級(jí)裝置將球形顆粒與去棱角化過(guò)程中剝離下來(lái)的細(xì)粉分離開(kāi)來(lái)，便可得到正態(tài)分布的球形石墨。



　　鱗片石墨微粉球形化工藝



　　對(duì)于石墨原料的選擇。一方面，原料的粒度要合適。太粗成本較高；太細(xì)影響球形石墨產(chǎn)出率，輔產(chǎn)品太多，也會(huì)增加原料成本。研究表明，采用-100目粒度的原料來(lái)生產(chǎn)球形石墨比較合適。



　　另一方面，含碳量也是一個(gè)非常值得重視的因素。含碳量越高，其原料成本也就越高，含碳量越低，提純遍數(shù)增加，也會(huì)加劇設(shè)備的磨損，總成本也會(huì)增大。經(jīng)實(shí)踐積累，含95%~96%的原料，綜合成本最經(jīng)濟(jì)。



　　結(jié)語(yǔ)



　　世界石墨資源量正在迅速增加，國(guó)內(nèi)石墨資源是有保障的，但也存在風(fēng)化礦比例較低、難利用石墨資源比重大等問(wèn)題。從石墨的消費(fèi)結(jié)構(gòu)來(lái)看，傳統(tǒng)領(lǐng)域?qū)κ男枨筅呌诜€(wěn)定，在高精尖領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹?lái)越廣泛的應(yīng)用。未來(lái)石墨在鋰離子電池、密封、制動(dòng)、潤(rùn)滑等新能源、新材料領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。借助于石墨的結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性對(duì)石墨進(jìn)行深度加工和改造，顯得尤為重要。