Der Unterschied zwischen natürlichen Graphit und künstlichem Graphit: Verwendet natürlicher Graphit zur Entwicklung künstlicher Graphitprodukte

Graphit besteht aus einem einzelnen Kohlenstoffelement. Seine Kristallstruktur gehört zum hexagonalen System und bildet eine hexagonale Schichtstruktur. Innerhalb der Schichten werden Kohlenstoffatome durch σ -Bindungen gebunden, die durch SP2 -Hybridorbitale gebildet werden, und delokalisierte π -Bindungen, die durch PZ -Orbitale gebildet werden und ein starkes hexagonales Netz bilden. Der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Atomabstand beträgt 1,42 Å. Kohlenstoffatome haben extrem starke Bindungssenergien (345 kJ/mol), während Kohlenstoffatome durch schwächere Van -der -Waals -Kräfte (Bindungsenergie 16,7 kJ/mol) aneinander gebunden sind. Der Zwischenschichtabstand beträgt 3,354 Å.

Graphit ist weich, dunkelgrau und hat ein fettiges Gefühl, das Papier färben kann. Seine Härte beträgt 1-2 und seine theoretische Dichte beträgt 2,26 g/cm³.
Reine Graphit existiert in der Natur nicht. Natürliche Graphit -Mineralien enthalten häufig Verunreinigungen wie SiO2, Al2O3, Feo, CaO, P2O5 und Cuo.
Diese Verunreinigungen treten häufig in Mineralien wie Quarz, Pyrit und Karbonaten auf. Darüber hinaus enthält Graphit auch Gase wie Wasser, Kohlenwasserstoffe, CO₂, H₂ und N₂.

Daher muss die Graphitanalyse zusätzlich zur Bestimmung des festen Kohlenstoffgehalts auch die volatile Materie und den Aschengehalt messen.

Aufgrund seiner besonderen Struktur hat Graphit die folgenden hervorragenden Eigenschaften:

(1) Hochtemperaturwiderstand:Graphit ist eines der wärmeresistenten Materialien. Es hat keinen Schmelzpunkt bei normalem Druck und verliert sehr wenig Gewicht, selbst wenn sie von einem ultrahohen Temperaturbogen verbrannt werden.

(2) Elektrische Leitfähigkeit und thermische Leitfähigkeit:Graphit hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit und thermische Leitfähigkeit. Die thermische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Bei extrem hohen Temperaturen wird Graphit sogar zum Isolator.

(3) Schmierung: tDie Schmierung von Graphit hängt von der Größe der Graphitkörner und dem Grad der Kristallentwicklung ab. Je größer die Graphitkörner und desto vollständiger die Kristallentwicklung, desto kleiner ist der Reibungskoeffizient und desto besser die Schmierung.

(4) Chemische Stabilität:Graphit hat eine gute chemische Stabilität bei Raumtemperatur und ist resistent gegen Säure-, Alkali- und organische Korrosion.

(5) Plastizität:Graphit hat eine gewisse Zähigkeit und kann einfach verarbeitet werden. Graphit mit einem hohen Grad an Kristallentwicklung kann sogar zu sehr dünnen Blättern gemahlen werden.

(6) Wärmeschockwiderstand:Der thermische Expansionskoeffizient von Graphit ist sehr gering und kann drastischen Temperaturänderungen standhalten, ohne während der Verwendung beschädigt zu werden.

3. Graphitklassifizierung und Eigenschaften
Graphit kann in natürliche Graphit- und künstliche Graphit unterteilt werden. Während die beiden ähnliche Strukturen sowie physikalische und chemische Eigenschaften haben, unterscheiden sich ihre Verwendungen erheblich.

Natural Graphit ist ein Geschenk der Natur, das durch die langfristige Transformation von kohlenstoffreichen organischen Substanzen unter hohen Temperatur- und hochdruckgeologischen Bedingungen gebildet wird. Die Verarbeitungseigenschaften von natürlichen Graphit werden hauptsächlich durch seine Kristallform bestimmt. Graphit -Mineralien mit unterschiedlichen Kristallformen haben unterschiedliche industrielle Werte und Anwendungen.
Natural Graphit ist eine Vielzahl von Materialien. Basierend auf ihrer Kristallform wird natürlicher Graphit industriell in drei Kategorien eingeteilt: dichter kristalliner Graphit, Flockengrafit und kryptokristallines Graphit. In meinem Land sind Flockengrafit und kryptokristalline Graphit die beiden Haupttypen.
Dichtes kristallines Graphit, auch als massives Graphit bekannt, hat unterschiedliche Kristalle, die für das bloße Auge sichtbar sind. Der Partikeldurchmesser ist größer als 0,1 mm. Die Kristalle sind in einer ungeordneten, dichten, massiven Struktur angeordnet. Es ist von hoher Qualität, wobei ein Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen zwischen 60% und 65% liegt und manchmal 80% bis 98% beträgt. Seine Plastizität und Schmierigkeit sind jedoch mit Flockengrafit unterlegen. Natürlicher Flockengrafit, ein kristallographischer Begriff für Pegmatiten, ist ein einzelner Kristall, der nach seiner schuppigen Form benannt ist. Es kann entweder große oder feine Flocken sein. Diese Art von Graphit bietet im Vergleich zu anderen Arten von Graphit eine überlegene Schmierigkeit und Plastizität, was es zum wertvollsten Industriematerial macht.

Obwohl Flake Graphiterz nicht von hohem Grad ist und ein Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen zwischen 3% und 25% liegt, ist es eines der am meisten schwebbaren Erze, die in der Natur vorkommt. Durch umfangreiches Schleifen und Selektion kann hochgradiges Graphitkonzentrat erhalten werden.

Aphanitisches Graphit, auch als amorphes Graphit oder erdiger Graphit bekannt, wurde kürzlich als mikrokristalline Graphit bezeichnet. Diese Art von Graphit hat typischerweise Kristalle mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer und kann nur unter einem Elektronenmikroskop zu sehen sein. Es kann als Aggregat von Graphitkristallen angesehen werden.

Natürlicher mikrokristalliner Graphit wird typischerweise durch die Umwandlung von Kohle unter hochtemperatur- und hochdruckgeologischen Bedingungen gebildet. Daher ist es oft mit Kohle verbunden. Eine Übergangszone von Anthrazit zu natürlicher mikrokristalliner Graphit wird häufig in natürlichen mikrokristallinen Graphiterzkörpern beobachtet. Diese Art von Graphit ist durch eine erdige Oberfläche, einen Mangel an Glanz, geringere Schmierigkeit als Flockengrafit und schlechte Selektivität gekennzeichnet. Es ist jedoch von höherer Qualität, wobei ein Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen zwischen 60%und 80%liegt, wobei einige mehr als 90%überschreiten.

Künstlicher Graphit ähnelt Polykristallen in der Kristallographie. Es gibt zahlreiche Arten von künstlichen Graphit, und die Produktionsprozesse variieren stark. Im Großen und Ganzen umfasst künstlicher Graphit alle Graphitmaterialien, die durch die Karbonisierung der organischen Substanz erhalten werden, gefolgt von Graphitisierung und Hochtemperaturbehandlung, wie z. B. Kohlenstofffaser (Graphit), pyrolytischem Kohlenstoff (Graphit) und geschliffenem Graphit.

Im engeren Sinne bezieht sich künstlicher Graphit im Allgemeinen auf massive Massenmaterialien wie Graphitelektroden und isostatisch gepresste Graphit, die unter Verwendung von karbonischen Rohstoffen mit niedriger Einheitlichkeit hergestellt werden (wie Petroleum Coke und Pitch Coke) als Aggregate und Kohle-Teer wie Bindemittel, durch eine Reihe von Verfahren, einschließlich Batching, Knoten, Schreiben, Forderungsmodellierung, Forderungsmodellierung, Forderungsbekenntnis, Assibilisierung (industriell Bekannte).

Da natürlicher Graphit im Allgemeinen im engen Sinne des Wortes künstlicher Graphit hergestellt wird, analysiert und diskutiert dieser Artikel nur die Unterschiede und Verbindungen zwischen natürlichen Graphit und künstlichem Graphit im engen Sinne.

Natürlicher Graphit hat relativ gut entwickelte Kristalle. Der Grad der Graphitisierung von natürlichen Flockengrafit liegt typischerweise über 98%, während der von natürlichen mikrokristallinen Graphit typischerweise unter 93%liegt.
Der Grad der Kristallentwicklung in künstlichem Graphit hängt vom Rohstoff und der Wärmebehandlungstemperatur ab. Je höher die Wärmebehandlungstemperatur, desto höher ist der Grad der Graphitierung. Derzeit liegt der Grad der Graphitisierung von industriell produzierten künstlichen Graphit typischerweise unter 90%.

Natürlicher Flockengrafit ist ein einzelner Kristall mit einer relativ einfachen Mikrostruktur. Es enthält nur kristallographische Defekte (wie Punktdefekte, Versetzungen und Stapelfehler), was zu anisotropen makroskopischen Struktureigenschaften führt. Natürlicher mikrokristalliner Graphit hat kleinere Körner, wobei die Zufallsanordnung und Poren aufgrund der Entfernung von Verunreinigungen resultieren. Es zeigt isotrope makroskopische strukturelle Eigenschaften.
Künstlicher Graphit kann als Multiphasenmaterial angesehen werden, das aus einer Graphitphase besteht, die aus kohlenstoffhaltigen Partikeln wie Erdölkoks oder Pitch -Koks stammt, einer Graphitphase, die aus dem Kohle -Teer -Bindemittel, das die Partikel umgibt, und die Poren, die durch die Teilchenakkumulation gebildet werden, oder durch Wärmebehandlung des Kohle -Teer -Binders.

Natürlicher Graphit existiert typischerweise in Pulverform und kann allein verwendet werden, wird jedoch häufig mit anderen Materialien kombiniert.
Künstliche Graphit erhält eine Vielzahl von Formen, einschließlich Pulver, Faser und Block. Im engeren Sinne wird künstlicher Graphit in der Regel in Blockform und muss vor der Verwendung in eine bestimmte Form verarbeitet werden.

Natürliche Graphit- und künstliche Graphit haben Ähnlichkeiten, zeigen aber auch Unterschiede in der Leistung. Zum Beispiel sind sowohl natürliche als auch künstliche Graphit gute Leiter für Wärme und Elektrizität. Für Graphitpulver mit derselben Reinheit und Partikelgröße weist natürlicher Flockengrafit die beste thermische und elektrische Leitfähigkeit auf, gefolgt von natürlichen mikrokristallinen Graphit, und künstlicher Graphit hat den niedrigsten.
Graphit zeigt eine gute Schmierigkeit und einen gewissen Grad an Plastizität. Natürlicher Flockengrafit mit seinen gut entwickelten Kristallen und einem geringen Reibungskoeffizienten zeigt die beste Schmierigkeit und höchste Plastizität. Dichte kristalline Graphit- und Kryptokristallin -Graphit -Rang zweitens, während künstlicher Graphit schlecht funktioniert.

Graphit besitzt viele hervorragende Eigenschaften und sorgt dafür, dass sie in Branchen wie Metallurgie, Maschinerie, Elektrotechnik, Chemikalien, Textilien und Verteidigung häufig eingesetzt wird. Die Anwendungen von natürlichen und synthetischen Graphitlappen sowie unterscheiden sich.
In der metallurgischen Industrie wird natürlicher Flockengrafit aufgrund ihrer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit bei der Herstellung von refraktären Materialien wie Magnesia-Kohlenstoff-Ziegeln und Aluminiumoxid-Kohlenstoffsteinen verwendet.
Künstliche Graphit kann als Stahlherstellungselektroden verwendet werden, während Elektroden aus natürlichen Graphiten bei den härteren Betriebsbedingungen von elektrischen Stahlherstellungsöfen schwer zu verwenden sind.
In der mechanischen Industrie wird Graphit üblicherweise als Verschleiß- und Schmiermaterial verwendet. Natürlicher Flockengrafit hat eine hervorragende Schmierung und wird häufig als Schmiermittelzusatz verwendet.
In Geräten, die korrosive Medien transportieren, werden Kolbenringe, Dichtungen und Lager aus synthetischen Graphit weit verbreitet, wodurch die Notwendigkeit eines Schmiermittels beseitigt wird.
In den oben genannten Anwendungen können auch natürliche Komposites für Graphit- und Polymerharz verwendet werden, aber ihre Verschleißfestigkeit ist dem von synthetischen Graphit unterlegen. Künstliche Graphit verfügt über Korrosionsbeständigkeit, gute thermische Leitfähigkeit und geringe Permeabilität. Es wird in der chemischen Industrie häufig verwendet, um Geräte wie Wärmetauscher, Reaktionstanks, Absorptionstürme und Filter herzustellen.

In diesen Bereichen können auch natürliche Komposites für Graphit- und Polymerharz verwendet werden, aber ihre thermische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind denen von künstlichem Graphit unterlegen.

Die Entwicklung neuer Graphitprodukte auf der Grundlage künstlicher Graphitproduktionsprozesse ist in der künstlichen Graphitindustrie kein neues Thema mehr. Zahlreiche Carbon-Graphit-Produkte werden unter Verwendung natürlicher Graphit als primärer oder sekundärer Rohstoff hergestellt, nach künstlichen Graphitproduktionsprozessen, und einige sind sogar zu groß angelegten Branchen geworden.

Zinkmangane Batterie-Kohlenstoffstangen:Kohlenstoffstäbe für Zink-Mangan-Batterien (allgemein als Trockenzellen bezeichnet) werden unter Verwendung von natürlichen mikrokristallinen Graphit- und Kohle-Teer-Tonhöhen als primäre Rohstoffe durch Mischen, Extrusion, Rösten, Bearbeitung und Wachsimpregung hergestellt.

Diese Produkte nutzen hauptsächlich die hohe Leitfähigkeit und niedrige Kosten für natürliche mikrokristalline Graphit und haben einen niedrigen Aschegehalt, aber strengere Anforderungen für Verunreinigungen wie Eisen und Schwefel.

Natürliche Graphitbürsten:Motorbürsten werden unter Verwendung von natürlichen Flockengrafik- und Kohle -Teer -Tonhöhe als Haupt Rohstoffe durch einen Prozess des Mischens, Abblättern, Mahlens, Formteils, Bratens (und graphitisierender Graphitisierung) und Bearbeitung hergestellt.

Dieses Material nutzt hauptsächlich die hohe Leitfähigkeit und Ausrichtung von natürlichen Flockengrafiten. Es erfordert niedrige Verunreinigungen wie Eisen und Schwefel und einen Aschengehalt von nicht mehr als 2%. Während der Bearbeitung sollte darauf geachtet werden, die Ausrichtung der Flocken zu gewährleisten.

Mechanisches Carbon Graphit -Material:Dieses Material wird hauptsächlich aus natürlichen Graphit- und Kohle -Teer -Tonhöhen hergestellt und wird durch Mischen, Abblättern, Schleifen, Formteilen und Rösten hergestellt. Es erfordert eine Präzisionsbearbeitung anhand der Anwendungsanforderungen.

Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich, dass im Vergleich zu künstlichem Graphit im engen Sinne Kohlenstoffgraphitprodukte aus natürlichen Graphit als Hauptrohstoff- oder Hilfsrohmaterial hergestellt und gemäß dem künstlichen Graphitproduktionsprozess hergestellt wurden, die folgenden Unterschiede in der Produktionsprozess und der Produktleistung aufweisen:

(1) Ersteres muss in der Regel eine Graphitisierungsbehandlung bei einer Temperatur von über 2500 Grad unterzogen werden, um die erforderlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erhalten, während letztere graphitisiert werden kann oder nicht. Um die Produktionskosten zu senken, wird die Graphitisierungsbehandlung normalerweise nicht durchgeführt, sodass in ihrer Struktur eine "Kohlenstoff" -Phase enthält, die aus der Bindemittel -Tonhöhe umgewandelt wird. Dieser Kohlenstoff, der sich um die Graphitpartikel befindet und die Graphitpartikel zusammenbindet, hat eine höhere Härte und eine viel geringere Leitfähigkeit als natürliche Graphit, sodass er einen größeren Einfluss auf die Leistung des Produkts hat.

(2) Da natürlicher Graphit normalerweise in Pulverform existiert und eine schlechte Bindungsfestigkeit mit Kohle -Teer aufweist, haben Kohlenstoffgrafitprodukte aus natürlichen Graphiten als Rohstoff normalerweise Nachteile wie hohe Porosität, niedrige mechanische Festigkeit, schlechte Oxidationsbeständigkeit und thermische Schockfestigkeit. Daher können die Produktspezifikationen nicht zu groß sein, und das Anwendungsfeld ist ebenfalls stark begrenzt.

Basierend auf der obigen Analyse und Diskussion ist der Autor der Ansicht, dass die folgenden technischen Probleme bei der Entwicklung künstlicher Graphit mit natürlichen Graphit als Rohstoff aufmerksam werden:

Oberflächenmodifikation von natürlichen Graphit.Im Vergleich zu kohlenstoffhaltigen Rohstoffen wie Petroleum Coke und Pitch -Koks weist natürlicher Graphit weniger oberflächensauerstofffunktionelle Gruppen auf, ist weniger aktiv und eine schlechtere Bindung mit Kohle -Teer -Tonhöhe.

Daher leiden Carbon-Graphit-Produkte mit natürlichen Graphiten, insbesondere natürlicher Flockengrafit, als primärer Rohstoff und unter Verwendung künstlicher Graphitproduktionsprozesse unweigerlich unter schlechten mechanischen Eigenschaften. Eine angemessene Oberflächenbehandlung von natürlichen Graphit ist erforderlich, um den Gehalt an oberflächensauerstofffunktionellen Gruppen zu erhöhen.

Reinigung von natürlichen Graphit.Carbonaceous -Rohstoffe wie Petroleum Coke und Pitch Cola sind relativ rein, wobei der Aschegehalt typischerweise unter 0,5%ist. Das durch Flotation verarbeitete natürliche Graphit ist jedoch relativ rein, wobei Kohlenstoffgehalte typischerweise unter 90%sind. Daher haben Kohlenstoffgraphitprodukte aus natürlichen Graphit häufig eine geringere Reinheit und eine schlechte Gesamtleistung und begrenzen ihre Anwendungsbereiche. Die Behandlung von natürlichen Graphiten mit hoher Befragung ist ein Ansatz zur Behandlung dieses Problems.

Die chemische Reinigung ist günstiger, aber der Waschprozess verbraucht große Mengen Wasser und verursacht erhebliche Verschmutzung. Die Hochtemperaturreinigung hingegen ist teurer. Einige haben vorgeschlagen, zuerst Blockgraphit mit dem Produktionsprozess für künstliche Graphit vorzubereiten und dann einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung über 2500 Grad auszusetzen, um die "Kohlenstoff" -Phase zu graphitisieren und Verunreinigungen aus der natürlichen Graphitphase zu entfernen. Dies erhöht jedoch die Produktionskosten, und zweitens führen die durch die Verdampfung von Verunreinigungen verursachten Mängel häufig zu einer verringerten Produktleistung.

Natürliche Graphitpartikelgröße.Um die Prozess- und Produktleistung zu verbessern, erfordern die meisten Kohlenstoffgraphitprodukte, mit Ausnahme von Kohlenstoffgraphitprodukten für feine Struktur, Kohlenstoffrohstoffe unterschiedlicher Partikelgrößen während des Batching-Prozesses. Für einige großformatische Produkte kann die Partikelgröße des Kohlenstoffrohstoffs sogar 16 mm erreichen. Das durch Flotation verarbeitete natürliche Graphit bildet jedoch häufig ein feines Pulver mit Partikelgrößen von Zehn bis Hunderten von Mikrometern. Daher ist die Verwendung von natürlichen Graphit als Rohstoff auf die Herstellung von Kohlenstoffgraphitprodukten für feine Struktur beschränkt.

Obwohl natürliche mikrokristalline Graphit unterschiedlicher Partikelgrößen verfügbar ist, machen die Kosten für die geringe Reinheit und die Kosten für Hochtemperaturen dies unerschwinglich teuer. Daher gibt es keine Berichte über grobstrukturierte Kohlenstoffgraphitprodukte, die unter Verwendung natürlicher mikrokristalliner Graphit als Rohstoff hergestellt werden. Um den Mangel an natürlichen Graphit mit großen Teilchen zu beheben, wird empfohlen, das in der künstliche Graphitindustrie verwendete "sekundäre Koks" -Prozess zur Verarbeitung von Rohstoffen von CO2-Rohstoffen zu verarbeiten.

Volumenschrumpfung während des Produktionsprozesses.Während der Herstellung von künstlichem Graphit, insbesondere während der Graphitisierung, verlagern sich die Kohlenstoffatome allmählich in Richtung einer regulären Graphitstruktur, was zu einer signifikanten Lautstärkeschrumpfung im fertigen Produkt führt.
Diese Volumenschrumpfung hat den Vorteil, die Dichte des fertigen Produkts zu erhöhen, aber eine ungleichmäßige Schrumpfung kann leicht zu Rissen führen. Natürlicher Graphit hingegen erfährt während der Kohlenstoff- und Graphitisierungsprozesse ein weniger Volumenschrumpfung, was zu einer geringeren Dichte und mechanischen Eigenschaften führt.
Bei der Entwicklung künstlicher Graphit aus natürlichen Graphit müssen die Gesamtproduktionskosten außerdem berücksichtigt werden.
Der Preis für natürliche Graphit nach der Flotation ähnelt dem von Calcined Petroleum Coke und Pitch Coke. Nach weiteren Reinigung zu einem Kohlenstoffgehalt von 98%beträgt der Preis für natürliche Graphit nahezu doppelt so hoch wie bei Calcined Petroleum Coke und Pitch Coke. Mit Ausnahme der oben genannten Carbon-Graphit-Produkte, die bereits bedeutende Industrien eingerichtet haben, werden die meisten vorgeschlagenen technischen Routen und Maßnahmen die Produktionskosten erheblich erhöhen.

Zusammenfassend ist die Entwicklung künstlicher Graphitprodukte mit natürlichen Graphit als Rohstoff ein wichtiger Ansatz für die Erweiterung der Anwendung von natürlichen Graphiten.
Natürlicher Graphit wird seit langem als ergänzender Rohstoff in einer künstlichen Graphitproduktion verwendet, aber die Entwicklung künstlicher Graphitprodukte unter Verwendung natürlicher Graphit als primärer Rohstoff ist immer noch zahlreiche Herausforderungen, die angegangen werden müssen.
Der beste Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, die Struktur und Eigenschaften von natürlichen Graphiten vollständig zu verstehen und zu nutzen und geeignete Prozessrouten und -methoden anzuwenden, um künstliche Graphitprodukte mit speziellen Strukturen, Eigenschaften und Anwendungen herzustellen.