Grafiet is een materiaal dat bestaat uit koolstofatomen die in platte platen zijn gerangschikt die lijken op hexagonale ontwerpen. Onder normale omstandigheden is het pure koolstof, waarvan bekend is dat het behoorlijk stabiel is. Grafiet is zeer elektrisch en thermisch geleidend, zeer zacht met een lage soortelijke massa.
Soorten natuurlijk grafiet
Vlokgrafiet
De koolstofmateriaal wordt blootgesteld aan hoge druk en temperatuur, waardoor natuurlijk vlokgrafiet ontstaat. Deze vlokken zijn vaak miniatuur sneeuwvlokken en stapelen zich heel gemakkelijk op als ze langs elkaar glijden, waardoor vlokgrafiet uitstekend is voor smeermiddelen. Het kan ook functioneren in batterijen en brandstofcellen vanwege de hoge elektrische geleidbaarheid.
Automobielbedrijven zijn de grootste consumenten van dit soort natuurlijk grafiet. De afgelopen jaren is er een enorme toename geweest in de vraag naar vlokgrafiet van fabrikanten van elektrische hybrides en brandstofcellen.
Kristallijn adergrafiet
Het is alsof we zuivere grafietaders in een metamorf gesteente hebben. Het is veelzeggend dat dit kristallijne adergrafiet is met de hoogste zuiverheid (tot 99% koolstof) en elektrische geleidbaarheid. Het is als een koolstof-Superman die bewaard is voor high-end toepassingen zoals componenten in de kernreactor en extreem presterende elektroden.
Kristallijn grafiet is een zeldzaam en waardevol mineraal dat in China en Canada wordt gevonden. Het kan op dezelfde manier als vlokgrafiet worden gebruikt vanwege de superieure prestaties bij bewerkingen waarbij een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid vereist is.
Amorf grafiet
60-85% van amorf grafiet bevat de vaste koolstof. Het is de meest voorkomende vorm van grafiet, meestal aangetroffen in sedimentaire gesteenten zoals steenkool en schalie.
Amorf grafiet is voor meerdere doeleinden bruikbaar, maar niet in elk scenario.
Omdat dit mineraal hittebestendig is, kan het worden gebruikt in de productie, waar het vaak wordt gebruikt als smeltkroes, mal, gietlepel, trog of spuitmond.
Aan de andere kant zijn er veel metallurgische ovenelektroden en ijzeren hoogovenbekledingen gemaakt van amorf grafiet. China, Mexico en Noord-Korea produceren voornamelijk deze veelzijdige vorm.
Natuurlijk grafiet versus synthetisch grafiet
Natuurlijk grafiet
Natuurlijk grafiet ontstaat door metamorfe processen waarbij oeroude organische materie wordt omgezet in dit zachte, gelaagde mineraal.
Ze verschijnen in verschillende vormen, van het grote vlokgrafiet tot aderzuiver kristallijn. Volgens een benchmarking-oefening van een top LCA-beoefenaar is een anode van natuurlijk grafiet tot 14 CO2 equivalent.
Flake graphite is geweldig in smeermiddelen, vuurvaste voeringen en potloden, terwijl kristallijn zijn kracht toont in kernreactoren en hoogwaardige elektroden. Amorf grafiet is aanwezig in steenkool en schalie, wat de gieterij hittebestendig maakt. Niettemin heeft natuurlijk grafiet zijn eigenaardigheden.
Mijnbouw heeft gevolgen voor het milieu en geopolitieke instabiliteiten kunnen de aanvoer verstoren. Bovendien zijn de inherente onvolkomenheden, hoewel meestal onbeduidend, soms lastig voor bepaalde toepassingen.
Synthetisch grafiet
Synthetisch grafiet wordt gemaakt van petroleumcokes of steenkool en wordt onderworpen aan verschillende behandelingen onder hoge temperaturen en druk. Via een energie-intensief proces wordt de cokes opnieuw verhit tot 2500-300°C. De hitte kan afkomstig zijn van steenkool- of olieverbrandingsmechanismen. CO₂-uitstoot is enorm vanwege deze processen.
Deze zuiverheid betekent een betere elektrische geleiding en thermische stabiliteit, wat het meest geschikt is voor lithium-ionbatterijen, zonnecellen, etc. De creatie van synthetisch grafiet brengt echter kosten met zich mee. Het energie-intensieve productieproces genereert aanzienlijke koolstofemissies, wat zorgen oproept over de ecologische voetafdruk. Bovendien roepen de hoge kosten en afhankelijkheid van fossiele brandstoffen vragen op over duurzaamheid.
Hoe natuurlijk grafiet ontstaat
Grafiet wordt gevormd in metamorfe gesteenten door het optreden van reductie van sedimentaire koolstofverbindingen tijdens verandering. Het wordt ook gevonden in meteorieten en stollingsgesteenten. Grafiet-geassocieerde mineralen omvatten kwarts, calciet, mica's en toermalijn.
Grafiet wordt samen met troiliet- en silicaatmineralen in meteorieten aangetroffen. Cliftoniet verwijst naar de kleine grafietkristallen die in meteorietijzer worden aangetroffen. Sommige kleine korrels lijken isotopisch te zijn en hun samenstelling geeft aan dat ze vóór het zonnestelsel zijn ontstaan. Ze behoren tot een van de ongeveer twaalf bekende soorten mineralen die vóór het zonnestelsel bestonden en die ook in moleculaire wolken zijn aangetroffen.
Synthetisch grafietproductieproces
Bij het transformatieproces is er een reeks stappen in de symfonie die iets ruw materiaal, synthetisch grafiet (SG-BAM), maakt voor lithiumbatterij anodematerialen. Elke stap is belangrijk, omdat het synthetisch grafiet helpt zijn unieke eigenschappen en compatibiliteit met energieopslagapparaten te verkrijgen. Laten we nu de complexe dans van de productie verkennen:
Productie van groene petroleumcokes.
De productie van groene petroleumcokes uit zware oliën die worden gebruikt voor katalytisch kraken of benzineraffinage zal de eerste stap zijn. De eerste koolstofprecursor wordt gebruikt bij het synthetiseren van grafiet.
Calcinatie
Tijdens het calcineren van de groene petroleumcokes vindt een proces met hoge temperaturen plaats bij ongeveer 1300°C tot 1400°. Wanneer deze hitte-excursie vluchtige materialen en verontreinigingen uit de cokes verwijdert, wordt naaldcokes geproduceerd. Dit hogere koolstofgehalte biedt het perfecte prototype voor die volgende fase.
Grafitisering
De naaldcokes wordt vervolgens in een elektrische oven aan temperaturen van meer dan 2500°C blootgesteld grafitisatie. De koolstofatomen herschikken zich tijdens oververhitting, waardoor de cokes in grafiet verandert. Grafitisering geeft meer gunstige eigenschappen en verbetert de geleidbaarheid van de grafietsubstantie.
Nabewerking
Andere nabewerkingstechnieken kunnen worden gebruikt na grafitisatie. Li-ionbatterijen zijn ook vormbaar, classificeerbaar of te coaten om een geweldige verpakkingsefficiëntie en -prestatie te bieden. Andere toepassingen kunnen verschillende specifieke nabewerkingsvereisten hebben.
Grafietstructuur
Koolstofregeling
Stel je voor dat een honingraat niet uit was bestaat, maar alleen uit koolstofatomen. Het basiskenmerk van grafiet is de atomaire structuur.
Elk koolstofatoom verbindt zich sterk met drie andere in een laag; dit creëert een extreem sterk netwerk. Elk koolstofatoom zit in het midden van een zeshoekige cirkel en vormt veel hexagonale vellen die eindeloos doorgaan.
Deze configuratie staat bekend als sp²-hybridisatie en staat elk koolstofatoom toe om drie zeer sterke covalente bindingen te vormen met zijn naaste buren. Eén extra elektron kan door het hele vel dwalen.
Veel eigenschappen van grafiet zijn sterk afhankelijk van deze vrije elektronen.
Binding
In tegenstelling tot diamant, waarbij elk koolstofatoom vier sterke bindingen heeft die ze bij elkaar houden en zo een stijve doosvorm creëren, wijzen de verbindingen van grafiet één kant op.
De zwakkere krachten die deze lagen bij elkaar houden, zorgen ervoor dat ze als pannenkoeken op een bakplaat over elkaar heen glijden.
Deze unieke link onthult ook de reden waarom grafiet elektriciteit kan geleiden. De vrije elektronen kunnen gemakkelijk door de platen stromen, dus het is een goede keuze voor batterijen en elektroden.
Vergelijking met andere allotropen.
In tegenstelling tot de hardheid van diamant, heeft grafiet lagen die gemakkelijk kunnen buigen. Dit toont de variatie die koolstof kan hebben in vorm of gedaante (allotropen).
Terwijl een diamant tetraëdrisch is gerangschikt, waarbij elk concurrerend koolstofatoom verbonden is met vier andere, heeft grafiet door zijn hexagonale structuur fundamenteel andere eigenschappen.
Als we kijken naar grafiet en fullerenen, dan zien we dat het feit dat een fullereen een ronde vorm heeft, een aanwijzing is voor de laagopbouw in grafische afbeeldingen.
Eigenschappen van grafiet
Fysieke eigenschappen
Kleur en uiterlijk
Grafiet verschijnt in een reeks van verschillende kleuren, van helder metaalachtig tot donkergrijs. Het speciale uiterlijk maakt het aantrekkelijker en gemakkelijker te zien in verschillende toepassingen.
Deze interessante kleur is een goede keuze voor potloden, omdat het afbeeldingen en tekeningen dieper en spannender laat lijken.
Dichtheid en soortelijk gewicht
Grafiet is relatief licht, ondanks dat het sterk is. De vele lagen en open ruimtes zorgen ervoor dat het blijft drijven in het water. Het lijkt ook alsof het een veer weegt als je het aanraakt. Perfect voor toepassingen waarbij gewicht van cruciaal belang is, zoals vliegtuigonderdelen en sportuitrusting, omdat het niet zwaar is.
Smelt- en kookpunten
Hoewel grafiet perfect is voor thermische geleiding, ligt de smelttemperatuur rond de 3500°C. Deze hoge smelttemperatuur is ideaal voor gebruik in hete toepassingen – dingen die in een gieterij worden vervaardigd en zelfs onderdelen van kernreactoren. Het is zo heet dat een potlood in brand zou vliegen als je het in een vulkaan zou stoppen.
Geleidbaarheid (elektrisch en thermisch)
Elektrische en warmtegeleidende eigenschappen van grafiet zijn nauw met elkaar verbonden. De bewegende elektronen in de lagen ervan geven gemakkelijk warmte en elektriciteit door. Dit maakt het een eenvoudig apparaat om batterijen op te laden, dingen op te warmen en zelfs touchscreens te bedienen. Denk aan het scrollen op je telefoon; die soepele beweging komt door de geleidbaarheid van grafiet.
Smerende eigenschappen
De lagen grafiet zorgen ervoor dat het tussen de lagen kan glijden, wat een uitstekend smeermiddel is. Het wordt ook gebruikt in toepassingen waar minder slippen en soepelere bewegingen van belang zijn. Het is een geweldig materiaal voor sloten, wielen en zelfs potloden.
Chemische eigenschappen
Reactiviteit met zuurstof
Wanneer het warmer is dan 700 graden, pelt dit materiaal in lagen af en verandert in koolstofdioxide. Dit helpt om vuren te voeden en grote ovens aan te drijven die dingen smelten. Deze eigenschap versterkt het materiaal en blijft op verschillende plaatsen bestaan, met name in de lucht.
Reactiviteit met zuurstof
Grafiet, een normaal gesproken kalm onderdeel van de chemische wereld, kan in de problemen komen met zuurstof als dingen heet zijn. Dit materiaal pelt in lagen af en verandert in koolstofdioxide als het warmer is dan 700 graden. Dit stookt de brandstof op en drijft grote ovens aan die dingen smelten. Deze eigenschap versterkt het materiaal en blijft op verschillende locaties bestaan, voornamelijk in de lucht.
Weerstand tegen zuren en basen
De robuuste koolstof-koolstofverbindingen en gelaagde opstelling zijn moeilijk te verbreken door de meeste zuren en basen. Dit maakt het ideaal voor toepassingen zoals voeringen in chemische reactoren en zelfs containers die verhitte metalen kunnen bevatten. Dit element maakt het geschikter op schadelijke plaatsen die zouden helpen om een breed scala aan dingen te gebruiken.
Oxidatie en corrosie
Grafiet transformeert veel wanneer het extreem heet wordt, maar over het algemeen vindt deze verandering onder normale omstandigheden langzaam en gestaag plaats. Het corrodeert of erodeert geleidelijk in de loop van de tijd. Na verloop van tijd creëert dit een dunne laag koolstofdioxide op het oppervlak, gecreëerd door zuurstof eromheen. Dit is een langzaam slijtageproces; dit kan echter de belangrijkste kenmerken die het een sterk en betrouwbaar materiaal maken, niet veranderen.
Mechanische eigenschappen
Sterkte en hardheid
Grafiet is erg sterk en hard, dus als het gebruikt wordt, kan het lang meegaan. Het heeft verschillende lagen in zijn sterke structuur. Elk koolstofatoom is aan twee andere in de vellen bevestigd en samen blijven ze sterk onder druk.
Flexibiliteit en elasticiteit
Diamant is inderdaad hard en heel gemakkelijk te breken, maar de unieke structuur van grafiet zorgt ervoor dat het opmerkelijk goed buigt. Grafiet kan gemakkelijk rekken en buigen, waardoor het moeilijk is om in welke situatie dan ook te breken. Er zijn ook zwakke krachten tussen de platen, waardoor ze kunnen buigen en draaien zonder te breken. Het is geschikt voor pakkingen, vet en zelfs schokdempers.
Anisotrope aard
Grafiet is geen doorsnee materiaal. Het heeft eigenschappen die veranderen afhankelijk van of u in verschillende richtingen duwt of trekt. Het is stevig langs de lijnen, maar zwak en gemakkelijk om ertussen te glijden. Deze "anisotrope" eigenschap is uitstekend voor doeleinden die gedetailleerde aanwijzingen in één richting vereisen, zoals kompassen en elektrische gummen.
Thermische eigenschappen
Grafiet heeft een hoge specifieke warmtecapaciteit, d.w.z. het kan veel warmte opnemen zonder zijn temperatuur significant te veranderen. Grafiet kan hoge temperaturen weerstaan zonder significante degradatie, waardoor het geschikt is voor warmtetoepassingen. Grafiet, in tegenstelling tot de meeste materialen, groeit lichtjes bij afkoeling en krimpt bij verhitting.
Elektrische eigenschappen
Grafiet is een elektrische geleider en daarom geschikt voor doeleinden als booglampelektroden. Het kan elektriciteit transporteren vanwege de enorme elektronendelocalisatie binnen koolstoflagen (aromaticiteit genoemd). Dit zijn vrije-valentie-elektronen die elektriciteit kunnen geleiden.
Andere eigenschappen
- Grafiet kan neutronen met hoge snelheid opvangen.
- Grafiet heeft een zeer hoog smeltpunt en komt dicht in de buurt van de definitie van diamant.
- Onder normale omstandigheden reageert grafiet niet met water. Bij de juiste temperatuur kan het echter reageren en een mengsel van koolmonoxide en waterstofgas produceren.
Toepassingen van grafiet
- Smeermiddelen en vetten
Grafiet kan wrijving elimineren door zijn hexagonale laag die zich afzet op oppervlakken wanneer het reageert met vocht in de lucht. De zelf-smerende eigenschappen van grafiet verminderen wrijving aanzienlijk, waardoor het ideaal is voor mechanische systemen, motoren en industriële machines door slijtage te voorkomen.
- Batterijen
Grafiet is zeer stabiel en geleidt elektriciteit, waardoor het het beste is voor gebruik in batterijen. Het verbetert ook de opslag en afgifte van energie, waardoor het een cruciaal onderdeel is van batterijen voor talloze batterijtechnologieën.
- Vuurvaste materialen
Refractaire materialen werken onder hoge temperaturen, waardoor grafiet hiervoor het meest geschikt is, omdat het extreem hoge kook- en smelttemperaturen heeft. Het wordt gebruikt in de productiesector en helpt bij de productie van glas, staal en ijzer.
- Elektrische componenten
Grafiet heeft een uitzonderlijke elektrische geleidbaarheid, waardoor het essentieel is in verschillende elektronische componentenZe omvatten elektroden en borstels omdat veel elektronica door het gebruik ervan gedurende lange tijd betrouwbare resultaten en een efficiënte productiviteit bereikt.
- Kernindustrie
Een eigenschap van grafiet is het vermogen om neutronen met hoge snelheid te vangen, wat het geschikt maakt voor het stabiliseren van kernreacties. Grafiet kan hoge temperaturen weerstaan en werkt als een neutronenmoderator, wat van groot belang is voor kernreactoren.
- Grafeen vellen
Grafiet wordt gebruikt om grafeen te maken, wat lichter en sterker is dan stalen platen. In ruil daarvoor kunnen deze platen worden gebruikt om sportuitrusting te maken.
Voor meer toepassingen van grafiet, klik hier kijk hier.
Conclusie
Op basis van het bovenstaande kunnen we concluderen dat grafiet een van de meest gebruikte materialen op onze planeet is en dat het ons in de toekomst verder zal helpen.
Veelgestelde vragen
- Wat als ik wil weten wat grafiet kost?
Grafietprijzen worden beïnvloed door verschillende factoren, niet alleen door vraag en aanbod op de markt, maar ook door verschillende soorten grafiet. De prijs van kleine vlokgrafiet is $1000-$2000/t, en de prijs van hoogwaardig natuurlijk grafiet is $3000-$6000/t, als u meer wilt weten over de prijssituatie, neem dan rechtstreeks contact op met Eastcarb, en wij zullen u een gedetailleerde offertetabel geven.
- Hoe kan grafiet bewaard worden zodat de kwaliteit ervan behouden blijft?
Hoewel grafiet stabiel van aard is, moet u altijd aandacht besteden aan de opslag van grafiet. Het eerste is om de temperatuur en vochtigheidsregeling te regelen, op een droge plaats te bewaren en hoge temperaturen en heftige temperatuurschommelingen te vermijden. Vervolgens is het ook noodzakelijk om de opslagruimte geventileerd te houden om te voorkomen dat er vocht zich verzamelt. Tot slot moeten verschillende soorten grafiet geïsoleerd worden opgeslagen om achteruitgang te voorkomen. In principe kan de kwaliteit van grafiet goed worden gehandhaafd door de bovenstaande suggesties te volgen.
- Wat zijn de meest recente opkomende markten voor grafiet?
De opkomst van nieuwe markten creëert meer kansen voor grafietleveranciers en hun upstream- en downstreamindustrieën. Recente opkomende markten zijn onder meer Mozambique, Tanzania, Australië, Pakistan, Egypte en veel West-Afrikaanse landen.
- Waar moet ik op letten bij het verwerken van grafiet?
Grafietstof kan in sommige gevallen schadelijk zijn voor uw gezondheid. Neem daarom voorzorgsmaatregelen om te voorkomen dat u het stof inademt tijdens industriële processen.
- Hoe kan ik de prestaties van grafiet verbeteren?
Meestal kunnen we het oppervlak behandelen om de weerstand, corrosiebestendigheid en elektrische geleidbaarheid te vergroten. Specifieke methoden omvatten spraycoatingmaterialen, chemische behandeling (zuur of alkalische reiniging), warmtebehandeling, machinale bewerking, impregnatiebehandeling, etc.
