一文看懂天然石墨與人造石墨的區(qū)別:如何利用天然石墨開發(fā)人造石墨制品
一文看懂天然石墨與人造石墨的區(qū)別:如何利用天然石墨開發(fā)人造石墨制品
近年來,天然石墨資源豐富地區(qū)的政府出于發(fā)展經(jīng)濟的考量,積極推動天然石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,掀起了以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨制品的熱潮。
應(yīng)該說借鑒人造石墨的制備工藝,開發(fā)石墨新產(chǎn)品,不失為一條拓展天然石墨應(yīng)用領(lǐng)域的重要途徑,但由于二者在結(jié)構(gòu)、性能和用途等方面既有聯(lián)系又有區(qū)別,因此有必要進行分析和討論,使管理者與科研人員能正確理解和使用天然石墨材料,使天然石墨新產(chǎn)品的開發(fā)更加健康高效。
石墨的基本結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與分類
石墨的晶體結(jié)構(gòu)
石墨是由單一碳元素組成的物質(zhì),晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系,呈六邊形層狀結(jié)構(gòu)。層面上碳原子以sp2雜化軌道形成的σ鍵和Pz軌道形成的離域π鍵相結(jié)合,形成牢固的六角形網(wǎng)格狀平面,碳-碳原子間距為1.42?,碳原子間具有極強的鍵能(345KJ/mol),而碳原子平面之間則以較弱的范德華力結(jié)合(鍵能為16.7KJ/mol),層面間距為3.354?。
石墨質(zhì)軟,呈黑灰色;有油膩感,可污染紙張。硬度為1~2、理論密度為 2.26g/cm3 。
自然界中沒有純凈的石墨,天然石墨礦物中往往含有SiO2、A12O3、FeO、CaO、P2O5、CuO 等雜質(zhì)。
這些雜質(zhì)常以石英、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物形式出現(xiàn)。此外,還含有水、碳氫化合物、CO2、H2、N2等氣體。
因此對石墨的分析,除測定固定碳含量外,還必須同時測定揮發(fā)分和灰分的含量。
石墨的基本性質(zhì)
由于其特殊的結(jié)構(gòu),石墨具有如下優(yōu)異性質(zhì):
(1)耐高溫性 :石墨是最耐溫的物質(zhì)之一,在常壓下無熔點,即使經(jīng)超高溫電弧灼燒,重量的損失也很小。
(2)導電、導熱性:石墨的導電性和導熱性較高。導熱系數(shù)隨溫度升高而降低,在極高的溫度下,石墨甚至成為絕熱體。
(3)潤滑性 :石墨的潤滑性能取決于石墨晶粒大小和晶體發(fā)育程度,石墨晶粒越大,晶體發(fā)育越完善,摩擦系數(shù)越小, 潤滑性能也越好。
(4)化學穩(wěn)定性 :石墨在常溫下具有良好的化學穩(wěn)定性,能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕。
(5)可塑性 :石墨具有一定的韌性,可進行簡單的機械加工,晶體發(fā)育程度較高的石墨甚至可碾成很薄的薄片。
(6)抗熱震性 :石墨熱膨脹系數(shù)很小,使用時能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞。
石墨的分類及特點
石墨可分為天然石墨與人造石墨,二者結(jié)構(gòu)相近,物理化學性質(zhì)相同,但用途有較大的差異。
1天然石墨
天然石墨是富碳有機物在高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境長期作用下轉(zhuǎn)變而成的,是大自然的恩賜。天然石墨的工藝特性主要決定于它的結(jié)晶形態(tài)。結(jié)晶形態(tài)不同的石墨礦物,具有不同的工業(yè)價值和用途。
天然石墨的種類較多,根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同,工業(yè)上將天然石墨分為致密結(jié)晶狀石墨、鱗片石墨和隱晶質(zhì)石墨三類。我國主要有鱗片石墨和隱晶質(zhì)石墨兩大類。
致密結(jié)晶狀石墨又叫塊狀石墨。此類石墨結(jié)晶明顯,晶體肉眼可見。顆粒直徑大于0.1毫米。晶體排列雜亂無章,呈致密塊狀構(gòu)造。品位很高,一般碳含量為60%~65%,有時達80%~98%,但其可塑性和滑膩性不如鱗片石墨。
天然鱗片石墨屬于結(jié)晶學中的偉晶,是一種單晶體,因其晶體呈鱗片狀而得名,有大鱗片和細鱗片之分。這種石墨的潤滑性、可塑性均優(yōu)于其他類型石墨,因此它的工業(yè)價值最大。
鱗片石墨礦石的品位雖然不高,碳含量一般在3%~25%之間,但卻是自然界中可浮性最好的礦石之一,經(jīng)過多磨多選可得高品位的石墨精礦。
隱晶質(zhì)石墨又稱非晶質(zhì)石墨或土狀石墨,近年來開始稱為微晶石墨。這種石墨的晶體直徑一般小于1微米,只有在電子顯微鏡下才能見到晶形,可看作石墨晶體的集合體。
天然微晶石墨通常是煤在高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境下轉(zhuǎn)化而成的,因此天然微晶石墨通常與煤伴生,在天然微晶石墨礦體中經(jīng)??梢钥吹綇臒o煙煤到天然微晶石墨的過渡區(qū)域。
此類石墨的特點是表面呈土狀,缺乏光澤,潤滑性低于鱗片石墨且可選性較差。但品位較高,碳含量一般為60%~80%,少數(shù)高達90%以上。
2人造石墨
人造石墨類似于結(jié)晶學中的多晶體。人造石墨種類繁多,生產(chǎn)工藝千差萬別。廣義上,一切通過有機物炭化再經(jīng)石墨化 高溫處理后得到的石墨材料均可統(tǒng)稱為人造石墨,如炭(石墨)纖維、熱解炭(石墨)、泡沫石墨等。
而狹義上的人造石墨通常是指以雜質(zhì)含量較低的炭質(zhì)原料(石油焦、瀝青焦等)為骨料、煤瀝青等為粘結(jié)劑,經(jīng)過配料、混捏、成型、炭化(工業(yè)上稱為焙燒)和石墨化等工序制得的塊狀固體材料,如石墨電極、等靜壓石墨等。
天然石墨與人造石墨的區(qū)別與聯(lián)系
鑒于以天然石墨為原料制備出來的通常是狹義的人造石墨,因此本文僅分析和討論天然石墨與狹義上的人造石墨的區(qū)別與聯(lián)系。
晶體結(jié)構(gòu)
天然石墨的晶體發(fā)育較完善,天然鱗片石墨的石墨化度通常在98%以上, 而天然微晶石墨的石墨化度通常在93%以下。
人造石墨的晶體發(fā)育程度取決于原材料及熱處理溫度,一般來說,熱處理溫度越高,其石墨化程度也越高。目前工業(yè)生產(chǎn)的人造石墨,其石墨化程度通常低于90%。
組織結(jié)構(gòu)
天然鱗片石墨是一種單晶體,組織結(jié)構(gòu)較簡單,僅存在結(jié)晶學上的缺陷(點缺陷、位錯、層錯等),宏觀上表現(xiàn)出各向異性的結(jié)構(gòu)特征。天然微晶石墨的晶粒較小,晶粒之間雜亂排列且存在雜質(zhì)脫除后的孔洞,宏觀上表現(xiàn)出各向同性的結(jié)構(gòu)特征。
人造石墨可看作是一種多相材料,包括石油焦或瀝青焦等炭質(zhì)顆 粒轉(zhuǎn)化的石墨相、包覆在顆粒周圍的煤瀝青粘結(jié)劑轉(zhuǎn)化的石墨相、顆粒堆積或煤瀝青粘結(jié)劑經(jīng)熱處理后形成的氣孔等。
物理形態(tài)
天然石墨通常以粉體形態(tài)存在,可以單獨使用,但通常與其它材料復合后使用。
人造石墨的形態(tài)較多,既有粉狀,也有纖維狀和塊狀,而狹義的人造石墨通常為塊狀,使用時需加工成一定形狀。
理化性質(zhì)
天然石墨與人造石墨既有共性,也存在性能上的差異。如天然石墨與人造石墨都是熱和電的良導體,但對于相同純度和粒度的石墨粉體來說,天然鱗片石墨的傳熱性能和導電性能最好、天然微晶石墨次之,人造石墨最低。
石墨具有的較好的潤滑性和一定的可塑性,天然鱗片石墨的晶體發(fā)育較完善,摩擦系數(shù)較小,潤滑性最好,可塑性最高,而致密結(jié)晶狀石墨和隱晶質(zhì)石墨次之,人造石墨較差。
應(yīng)用領(lǐng)域
石墨具有許多優(yōu)良的性質(zhì),因而在冶金、機械、電氣、化工、紡織、國防等工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。天然石墨與人造石墨的應(yīng)用領(lǐng)域既有相互重疊的部分,也有不相同的地方。
在冶金工業(yè)中,天然鱗片石墨因抗氧化性較好可用于生產(chǎn)鎂碳磚和鋁碳磚等耐火材料。
人造石墨可以作煉鋼電極,而天然石墨制成的電極就難以用于使用條件較苛刻的煉鋼電爐。
在機械工業(yè)中,石墨材料通常用作耐磨和潤滑材料。天然鱗片石墨的潤滑性較好,常用作潤滑油的添加劑。
輸送腐蝕介質(zhì)的設(shè)備,廣泛采用人造石墨制成的活塞環(huán)、密封圈和軸承,工作時無需加入潤滑油。
天然石墨與高分子樹脂復合材料也可用于上述領(lǐng)域,但耐磨性不如人造石墨。
人造石墨具有耐腐蝕、導熱性好、滲透率低等特點,在化學工業(yè)中廣泛用于制作熱交換器、反應(yīng)槽、吸收塔、過濾器等設(shè)備。
天然石墨與高分子樹脂復 合材料也可用于上述領(lǐng)域,但導熱性、耐腐蝕性不如人造石墨。
以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨
實際上,借鑒人造石墨的制備工藝開發(fā)石墨新產(chǎn)品,在人造石墨行業(yè)早已不是新鮮話題。以天然石墨作主要原材料或輔助原料按人造石墨生產(chǎn)工藝制備的炭石墨制品已很多,有的甚至已形成較大的產(chǎn)業(yè)。
鋅錳電池炭棒:以天然微晶石墨和煤瀝青為主要原料,經(jīng)混捏、擠壓成型、焙燒、機加工、浸蠟等工序生產(chǎn)的鋅錳電池(俗稱干電池)炭棒。
主要利用天然微晶石墨的高導電性和價格低廉的特點,對灰分含量要求不高,但對鐵、硫等雜質(zhì)含量的要求較嚴格。
天然石墨電刷 :以天然鱗片石墨和煤瀝青為主要原料,經(jīng)混捏、軋片、磨粉、模壓成型、焙燒(必要時還需石墨化處 理)、機加工等工序生產(chǎn)的電機電刷。
主要利用天然鱗片石墨的高導電性和高取向性的特點,要求鐵、硫等雜質(zhì)含量較 低且灰分含量不高于2%,機加工時要注意鱗片石墨的取向。
機械用炭石墨材料 :以天然石墨和煤瀝青為主要原料,經(jīng)混捏、軋片、磨粉、模壓成型、焙燒等工序生產(chǎn)的塊狀材料, 需根據(jù)使用要求進行精密機加工。
主要利用天然石墨的潤滑性和耐高溫、耐腐蝕的特性,對灰分和雜質(zhì)含量有較高要求。
從上述幾個例子可以看出,與狹義的人造石墨相比,以天然石墨作主要原材料或輔助原料,按人造石墨生產(chǎn)工藝制備的炭石墨制品在生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品性能等方面存在以下差別 :
(1)前者通常需要經(jīng)過2500℃以上的石墨化處理,以獲得所需的理化性能,而后者既可以經(jīng)過石墨化處理,也可以不經(jīng)過石墨化處理。
為降低生產(chǎn)成本通常不進行石墨化處理,因此其組織結(jié)構(gòu)中存在由粘結(jié)劑瀝青轉(zhuǎn)化而成的“炭”相。
這種位于石墨顆粒 周圍并使石墨顆粒結(jié)合在一起的炭,硬度較大、導電性遠低于天然石墨,因此對產(chǎn)品的使用性能有較大影響。
(2)由于天然石墨通常以粉體形態(tài)存在且與煤瀝青的結(jié)合力較差,以天然石墨為原材料制備的炭石墨制品通常存在氣孔率較大、機械強度偏低、抗氧化性和抗熱震性較差等缺點,因此產(chǎn)品規(guī)格不能太大,應(yīng)用領(lǐng)域也受到較大的限制。
根據(jù)上述分析和討論,筆者認為以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨時,在技術(shù)方面需要注意以下幾個問題 :
天然石墨的表面改性。與石油焦、瀝青焦等炭質(zhì)原料相比,天然石墨的表面含氧官能團較少,活性較低,與煤瀝青的結(jié)合力較差,
因此以天然石墨,特別是天然鱗片石墨作主要原材料,按人造石墨生產(chǎn)工藝制備的炭石墨制品不可避免地存在力學性能較差的問題。需要對天然石墨進行適當?shù)谋砻嫣幚恚黾悠浔砻婧豕倌軋F含量。
天然石墨的純化。石油焦、瀝青焦等炭質(zhì)原料的純度較高,灰分含量通常低于0.5%,而經(jīng)浮選處理的天然石墨的純度較低,碳含量通常在90%以下,
因此以天然石墨為原料制備的炭石墨制品往往因純度較低,綜合性能較差而使其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。對天然石墨進行高純化處理,是解決這一問題的途徑之一。
化學純化成本較低,但洗滌過程中用水量大,污染較大,而高溫純化則存在成本較高的問題。也有人認為可以先按人造石墨的生產(chǎn)工藝制備出塊狀石墨,再通過2500℃以上的高溫熱處理,
在使“炭”相石墨化的同時去除天然石墨相中的雜質(zhì),但一是增加了生產(chǎn)成本,二是雜質(zhì)氣化后形成的缺陷往往會造成產(chǎn)品性能下降。
天然石墨的粒度。為了改善工藝性能和產(chǎn)品性能,除細結(jié)構(gòu)炭石墨制品外,大多數(shù)炭石墨制品在配料過程中都需要采用不同粒級的炭質(zhì)原料,某些大規(guī)格制品,炭質(zhì)原料的顆粒尺寸甚至達到16毫米,而經(jīng)浮選處理的天然石墨往往呈細粉狀,顆粒尺寸僅幾十到幾百微米,因此以天然石墨為原料僅限于制備細結(jié)構(gòu)炭石墨制品。
雖然可以獲得粒級不同的天然微晶石墨,但因其純度較低,高溫純化處理成本過高,所以也未見以天然微晶石墨為原料制備粗結(jié)構(gòu)炭石墨制品的報道。為解決大顆粒天然石墨缺乏的問題,建議采用人造石墨行業(yè)處理炭 黑原料時的“二次焦”工藝。
制備過程的體積收縮。在人造石墨的制備過程中,特別是在石墨化過程中,由于碳原子的排列逐漸向規(guī)整的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,因此制品的體積收縮較大。
這種體積收縮的有利之處是可提高制品的密度,但收縮不均勻時,容易造成制品開裂。而以天然石墨作原料時,由于炭化和石墨化過程的體積收縮較小,因此制品的密度和力學性能較低。
此外,在以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨時,還需要考慮綜合生產(chǎn)成本的問題。
由于經(jīng)過浮選的天然石墨的價格與煅后石油焦、瀝青焦相近,而再經(jīng)過純化處理至碳含量達98%時,天然石墨的價格已接近煅后石油焦、瀝青焦的二倍,因此除了前述的幾種已形成較大產(chǎn)業(yè)的炭石墨制品外,大多數(shù)技術(shù)路線和技術(shù)措施的提出都會使生產(chǎn)成本大幅度增加。
結(jié) 語
綜上所述,以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨制品不失為拓展天然石墨應(yīng)用領(lǐng)域的重要途徑之一。
天然石墨作為輔助原料早已用于部分人造石墨生產(chǎn),但以天然石墨為主要原料開發(fā)人造石墨制品還存在較多需要解決的問題。
充分認識和利用天然石墨的結(jié)構(gòu)與特性,采用適合的工藝路線和方法,生產(chǎn)具有特殊結(jié)構(gòu)、性能和用途的人造石墨產(chǎn)品,應(yīng)該是實現(xiàn)這一目標的較佳方式。
本文出自東莞市捷誠石墨制品有限公司官網(wǎng):http://m.njkefeiya.com 權(quán)威發(fā)布, 東莞市捷誠石墨制品有限公司是一家集銷售、應(yīng)用開發(fā),產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家,專門為模具行業(yè)、機械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導體及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關(guān)的石墨制品,歡迎致電13549365158更多關(guān)于石墨制品方面信息,可回本網(wǎng)站產(chǎn)品頁面詳細了解點擊:石墨制品 石墨模具 石墨坩堝 石墨轉(zhuǎn)子 石墨軸承 石墨板 石墨棒 石墨匣體 石墨熱場 真空爐石墨制品 電子石墨模具