La grafite è un materiale costituito da atomi di carbonio disposti in fogli piatti che ricordano disegni esagonali. In condizioni normali, è carbonio puro, che è notoriamente molto stabile. La grafite è altamente conduttiva elettricamente e termicamente, molto morbida con bassa gravità specifica.
Tipi di grafite naturale
Grafite in scaglie
IL materiale di carbonio è sottoposto ad alta pressione e temperatura, producendo così grafite naturale in scaglie. Queste scaglie sono spesso fiocchi di neve in miniatura e si impilano molto facilmente mentre scivolano l'una sull'altra, rendendo la grafite in scaglie eccellente per i lubrificanti. Può anche funzionare in batterie e celle a combustibile grazie alla sua elevata conduttività elettrica.
Le aziende automobilistiche sono i maggiori consumatori di questo tipo di grafite naturale. Negli ultimi anni, c'è stato un enorme aumento della domanda di grafite in scaglie da parte dei produttori di ibridi elettrici e celle a combustibile.
Grafite venata cristallina
È come se avessimo vene di grafite pura in una roccia metamorfica. Significativamente, questa è grafite di vena cristallina con la massima purezza (fino a 99% carbonio) e conduttività elettrica. È come un carbonio che Superman ha conservato per applicazioni di fascia alta come componenti nel reattore nucleare ed elettrodi dalle prestazioni estreme.
La grafite cristallina è un minerale raro e prezioso che si trova in Cina e Canada. Può essere utilizzata anche in modo simile alla grafite in scaglie per le sue prestazioni superiori nelle operazioni che richiedono un'elevata conduttività termica ed elettrica.
Grafite amorfa
60-85% di grafite amorfa contiene il carbonio fisso. È la forma più diffusa di grafite, solitamente scoperta in rocce sedimentarie come carbone e scisto.
La grafite amorfa è utile per molteplici scopi, ma non in tutti gli scenari.
Grazie alla buona resistenza al calore, questo minerale può essere utilizzato in ambito manifatturiero, dove viene spesso impiegato come crogiolo, stampo, mestolo, trogolo o ugello.
D'altro canto, ci sono molti elettrodi per forni metallurgici e rivestimenti di altiforni in ferro realizzati in grafite amorfa. Cina, Messico e Corea del Nord producono principalmente questa forma versatile.
Grafite naturale vs grafite sintetica
Grafite naturale
La grafite naturale deriva da processi metamorfici che trasformano l'antica materia organica in questo minerale morbido e stratificato.
Si presentano in una gamma di forme, dalla grafite a scaglie grandi alla cristallina pura come vena. Secondo un esercizio di benchmarking condotto da un importante professionista dell'LCA, un anodo in grafite naturale è fino a 14 CO2 equivalente.
La grafite in scaglie è ottima nei lubrificanti, nei rivestimenti refrattari e nelle matite, mentre quella cristallina dimostra la sua abilità nei reattori nucleari e negli elettrodi ad alte prestazioni. La grafite amorfa è presente nel carbone e nello scisto, conferendo alla fonderia la sua resistenza al calore. Tuttavia, la grafite naturale ha le sue peculiarità.
L'attività mineraria ha conseguenze ambientali e le instabilità geopolitiche possono interrompere l'approvvigionamento. Inoltre, le sue imperfezioni innate, sebbene solitamente insignificanti, sono talvolta problematiche per usi particolari.
Grafite sintetica
La grafite sintetica è ricavata da coke di petrolio o carbone ed è sottoposta a diversi trattamenti ad alte temperature e pressioni. Attraverso un processo ad alta intensità energetica, il coke viene nuovamente riscaldato a 2500-300 °C. Il calore può provenire da meccanismi di combustione del carbone o del petrolio. Le emissioni di CO₂ sono enormi a causa di questi processi.
Questa purezza significa migliore conduttività elettrica e stabilità termica, che è più adatta per batterie agli ioni di litio, celle solari, ecc. Tuttavia, la creazione di grafite sintetica ha un costo. Il suo processo di produzione ad alta intensità energetica genera significative emissioni di carbonio, sollevando preoccupazioni circa il suo impatto ambientale. Inoltre, il suo costo elevato e la dipendenza dai combustibili fossili sollevano questioni di sostenibilità.
Come si forma la grafite naturale
La grafite si forma nelle rocce metamorfiche a causa del verificarsi della riduzione dei composti di carbonio sedimentari durante l'alterazione. Si trova anche nei meteoriti e nelle rocce ignee. I minerali associati alla grafite includono quarzo, calcite, miche e tormalina.
La grafite si trova insieme alla troilite e ai minerali silicati nei meteoriti. La cliftonite si riferisce ai piccoli cristalli di grafite trovati nel ferro meteoritico. Alcuni piccoli grani sembrano essere isotopici e la loro composizione indica che hanno avuto origine prima del Sistema Solare. Appartengono a uno dei circa dodici tipi noti di minerali che hanno preceduto il Sistema Solare e sono stati trovati anche nelle nubi molecolari.
Processo di produzione della grafite sintetica
Con il processo di trasformazione, c'è una serie di passaggi nella sinfonia che rende qualcosa di materia prima, la grafite sintetica (SG-BAM), per batteria al litio materiali anodici. Ogni passaggio è importante, poiché aiuta la grafite sintetica a ottenere le sue caratteristiche uniche e la compatibilità con i dispositivi di accumulo di energia. Ora, esploriamo la complessa danza della produzione:
Produzione di coke di petrolio verde.
La produzione di coke di petrolio verde da oli pesanti utilizzati per il cracking catalitico o la raffinazione della benzina sarà il primo passo. Il primo precursore del carbonio è utilizzato nella sintesi della grafite.
Calcinazione
Durante la calcinazione del coke di petrolio verde, avviene un processo ad alta temperatura a circa 1300°C - 1400°. Quando questa escursione termica rimuove materiali volatili e contaminanti dal coke, si produce il coke aghiforme. Questo livello più elevato di contenuto di carbonio fornisce il prototipo perfetto per quella fase successiva.
Grafitizzazione
Il coke aghiforme viene poi sottoposto a temperature superiori a 2500°C in un forno elettrico per grafitizzazione. Gli atomi di carbonio si riorganizzano durante il surriscaldamento, il che trasforma il coke in grafite. La grafitizzazione conferisce caratteristiche più vantaggiose e migliora la conduttività della sostanza di grafite.
Post-elaborazione
Altre tecniche di post-elaborazione potrebbero essere utilizzate dopo la grafitizzazione. Le batterie agli ioni di litio sono anche modellabili, classificabili o rivestibili per offrire grande efficienza di imballaggio e prestazioni. Altri utilizzi potrebbero avere requisiti di post-elaborazione specifici diversi.
Struttura della grafite
Disposizione del carbonio
Immagina un nido d'ape costituito non da cera ma solo da atomi di carbonio. La caratteristica fondamentale della grafite è la sua struttura atomica.
Ogni atomo di carbonio si lega fortemente ad altri tre in uno strato; questo crea una rete estremamente forte. Ogni atomo di carbonio si trova al centro di un cerchio a sei lati e crea molti fogli esagonali che continuano per sempre.
Questa configurazione è nota come ibridazione sp² e consente a ogni atomo di carbonio di formare tre legami covalenti molto forti con i suoi vicini più prossimi. Un elettrone in più può vagare attraverso l'intero foglio.
Molte delle peculiarità della grafite dipendono fortemente da questi elettroni liberi.
Legame
A differenza del diamante, in cui ogni atomo di carbonio ha quattro forti legami che lo tengono insieme creando una forma rigida e squadrata, nella grafite i legami sono orientati in una sola direzione.
Le forze più deboli che tengono insieme questi strati permettono loro di scivolare via come frittelle su una piastra.
Questo collegamento unico rivela anche il motivo per cui la grafite può condurre elettricità. Gli elettroni liberi possono fluire facilmente attraverso i fogli, quindi è una buona scelta per batterie ed elettrodi.
Confronto con altri allotropi.
Contrariamente alla durezza del diamante, la grafite ha strati che possono piegarsi facilmente. Ciò dimostra la variazione che il carbonio può avere in forma o aspetto (allotropi).
Mentre il diamante ha una struttura tetraedrica, in cui ogni atomo di carbonio in competizione si lega ad altri quattro, la struttura esagonale della grafite le conferisce proprietà fondamentalmente diverse.
Osservando la grafite e i fullereni, il fatto che il fullerene abbia una forma arrotondata costituisce la sua struttura a strati nella grafica.
Proprietà della grafite
Proprietà fisiche
Colore e aspetto
La grafite si presenta in una gamma di colori diversi, dall'aspetto metallico brillante al grigio scuro. Il suo aspetto speciale la rende più attraente e facile da vedere in varie applicazioni.
Questo colore interessante è un'ottima scelta per le matite, poiché rende le immagini e i disegni più profondi ed emozionanti.
Densità e peso specifico
La grafite è relativamente leggera nonostante sia resistente. I suoi numerosi strati e spazi aperti la mantengono a galla nell'acqua. Sembra anche che pesi una piuma quando la tocchi. Perfetta per usi in cui il peso è fondamentale, come pezzi di aeroplani e attrezzatura sportiva, perché non è pesante.
Punti di fusione e di ebollizione
Sebbene la grafite sia perfetta per la conduzione termica, la sua temperatura di fusione varia da circa 3500 °C. Questa elevata temperatura di fusione è ideale per l'uso in applicazioni calde, come oggetti fabbricati in fonderia e persino parti di reattori nucleari. È così calda che una matita andrebbe a fuoco se la mettessi in un vulcano.
Conduttività (elettrica e termica)
Le proprietà elettriche e di conduzione del calore della grafite sono strettamente collegate. Gli elettroni in movimento nei suoi strati trasmettono facilmente calore ed elettricità. Ciò la rende un dispositivo facile per ricaricare le batterie, riscaldare le cose e persino usare i touch screen. Pensa allo scorrimento sul tuo telefono; quel movimento fluido deriva dalla conduttività della grafite.
Proprietà di lubrificazione
Gli strati di grafite gli permettono di scivolare tra gli strati, essendo un lubrificante eccellente. Viene anche utilizzato in applicazioni in cui è importante ridurre lo slittamento e avere un movimento più fluido. È un ottimo materiale per serrature, ruote e persino matite.
Proprietà chimiche
Reattività con l'ossigeno
Quando la temperatura supera i 700 gradi, questo materiale si stacca a strati e si trasforma in anidride carbonica. Ciò aiuta ad alimentare incendi e grandi fornaci che fondono le cose. Questa caratteristica rafforza il materiale e lo mantiene in luoghi diversi, specialmente nell'aria.
Reattività con l'ossigeno
La grafite, una parte solitamente calma del mondo chimico, può avere problemi con l'ossigeno quando le cose sono calde. Questo materiale si stacca a strati e si converte in anidride carbonica quando la temperatura supera i 700 gradi. Ciò accende il combustibile e alimenta grandi fornaci che fondono le cose. Questa caratteristica rafforza il materiale e dura in vari luoghi, principalmente intorno all'aria.
Resistenza agli acidi e alle basi
I suoi robusti legami carbonio-carbonio e la disposizione a strati sono difficili da rompere per la maggior parte degli acidi e delle basi. Ciò lo rende ideale per applicazioni come rivestimenti in reattori chimici e persino contenitori che possono contenere metalli riscaldati. Questo elemento lo rende più adatto in luoghi pericolosi che aiuterebbero a usare una vasta gamma di cose.
Ossidazione e corrosione
La grafite si trasforma molto quando diventa eccessivamente calda, ma in genere, in condizioni normali, questo cambiamento avviene lentamente e costantemente. Si corrode o erode gradualmente nel tempo. Nel tempo, questo crea un sottile strato di anidride carbonica sulla sua superficie creato dall'ossigeno circostante. Questo è un lento processo di usura; tuttavia, questo non può cambiare le caratteristiche principali che lo rendono un materiale forte e affidabile.
Proprietà meccaniche
Forza e durezza
La grafite è molto forte e dura, quindi quando viene utilizzata, può durare a lungo. Ha diversi strati nella sua struttura forte. Ogni atomo di carbonio è attaccato ad altri due nei fogli e, insieme, rimangono forti sotto pressione.
Flessibilità ed elasticità
Il diamante è davvero duro e si rompe molto facilmente, ma la struttura unica della grafite le consente di piegarsi notevolmente bene. La grafite può allungarsi e piegarsi facilmente, rendendo difficile la rottura in qualsiasi situazione. Ci sono anche deboli forze tra i fogli, che consentono loro di piegarsi e torcersi senza rompersi. È adatta per guarnizioni, grasso e persino ammortizzatori.
Natura anisotropica
La grafite non è un materiale qualunque. Ha proprietà che cambiano a seconda che tu stia spingendo o tirando in varie direzioni. È solida lungo le linee ma debole e facile da scivolare tra di esse. Questa caratteristica "anisotropica" è superba per scopi che richiedono indicazioni dettagliate in una qualsiasi direzione, come bussole e gomme elettriche.
Proprietà termiche
La grafite ha un'elevata capacità termica specifica, ovvero può assorbire molto calore senza cambiare significativamente la sua temperatura. La grafite può resistere ad alte temperature senza degradarsi in modo significativo, rendendola quindi adatta per applicazioni di calore. La grafite, a differenza della maggior parte dei materiali, cresce leggermente durante il raffreddamento e si restringe durante il riscaldamento.
Proprietà elettriche
La grafite è un conduttore elettrico e, pertanto, è adatta a scopi quali gli elettrodi delle lampade ad arco. Può trasportare elettricità grazie all'enorme delocalizzazione degli elettroni all'interno degli strati di carbonio (chiamata aromaticità). Questi sono elettroni di valenza libera che possono condurre elettricità.
Altre proprietà
- La grafite può catturare neutroni ad alta velocità.
- La grafite ha un punto di fusione molto elevato, che si avvicina alla definizione del diamante.
- In condizioni normali, la grafite non reagisce con l'acqua. Tuttavia, alla giusta temperatura, può reagire producendo una miscela di monossido di carbonio e gas idrogeno.
Applicazioni della grafite
- Lubrificanti e grassi
La grafite può eliminare l'attrito grazie al suo strato esagonale che si deposita sulle superfici quando reagisce con l'umidità nell'aria. Le capacità autolubrificanti della grafite riducono notevolmente l'attrito, rendendola ideale per sistemi meccanici, motori e macchinari industriali, prevenendone l'usura.
- Batterie
La grafite è altamente stabile e conduce l'elettricità, il che la rende ideale per l'uso nelle batterie. Inoltre, migliora la sua capacità di immagazzinamento e rilascio di energia, rendendola quindi una parte fondamentale delle batterie per numerose tecnologie di batterie.
- Refrattari
I refrattari lavorano ad alte temperature, il che rende la grafite la migliore per questo scopo, poiché ha temperature di ebollizione e fusione estremamente elevate. Viene utilizzata nel settore manifatturiero e aiuta a produrre vetro, acciaio e ferro.
- Componenti elettrici
La grafite ha una conduttività elettrica eccezionale, che la rende essenziale in vari componenti elettroniciIncludono elettrodi e spazzole perché, attraverso il loro utilizzo, molti dispositivi elettronici raggiungono risultati affidabili e una produttività efficiente per lungo tempo.
- Industria nucleare
Una proprietà della grafite è la sua capacità di catturare neutroni ad alta velocità, il che la rende adatta per stabilizzare le reazioni nucleari. La grafite può resistere ad alte temperature e funziona come moderatore di neutroni, il che è di grande importanza per i reattori nucleari.
- Fogli di grafene
La grafite viene utilizzata per realizzare il grafene, che è più leggero e più resistente rispetto ai fogli di acciaio. In cambio, questi fogli possono essere utilizzati per realizzare attrezzature sportive.
Per ulteriori utilizzi della grafite, per favore controlla qui.
Conclusione
Sulla base di quanto detto sopra, possiamo dedurre che la grafite è uno degli elementi più utilizzati sul nostro pianeta e che sarà sempre più necessaria per aiutarci nel tempo.
Domande frequenti
- E se volessi sapere quanto costa la grafite?
I prezzi della grafite sono influenzati da una serie di fattori, non solo dalla domanda e dall'offerta del mercato, ma anche dai diversi tipi di grafite. Il prezzo della grafite a scaglie piccole è $1000-$2000/t, e il prezzo della grafite naturale di fascia alta è $3000-$6000/t, se vuoi saperne di più sulla situazione dei prezzi, contatta direttamente Eastcarb e ti forniremo una tabella di quotazione dettagliata.
- Come conservare la grafite per mantenerne la natura?
Sebbene la grafite sia stabile in natura, dovresti sempre prestare attenzione alla conservazione della grafite. La prima cosa è controllare la temperatura e l'umidità, riporre in un luogo asciutto ed evitare temperature elevate e violenti sbalzi di temperatura. Quindi è anche necessario mantenere ventilato il locale di stoccaggio per evitare che si accumuli umidità. Infine, diversi tipi di grafite dovrebbero essere conservati in isolamento per evitarne il deterioramento. Fondamentalmente, seguendo i suggerimenti di cui sopra, la qualità della grafite può essere ben mantenuta.
- Quali sono i mercati emergenti più recenti per la grafite?
L'emergere di nuovi mercati sta creando maggiori opportunità per i fornitori di grafite e per le loro industrie a monte e a valle, con recenti mercati emergenti tra cui Mozambico, Tanzania, Australia, Pakistan, Egitto e molti paesi dell'Africa occidentale.
- A cosa dovrei prestare attenzione quando lavoro la grafite?
In alcuni casi la polvere di grafite può avere effetti negativi sulla salute, pertanto è necessario adottare precauzioni per evitare di inalare la polvere durante i processi industriali.
- Come aumentare le prestazioni della grafite?
Di solito, possiamo iniziare a trattarne la superficie per aumentarne la resistenza, la resistenza alla corrosione e la conduttività elettrica. I metodi specifici includono materiali di rivestimento a spruzzo, trattamento chimico (pulizia acida o alcalina), trattamento termico, lavorazione, trattamento di impregnazione, ecc.
