Grafite é um material que consiste em átomos de carbono dispostos em folhas planas que lembram desenhos hexagonais. Em condições normais, é carbono puro, que é muito bem conhecido por ser bastante estável. Grafite é altamente condutor elétrico e térmico, muito macio com baixa gravidade específica.
Tipos de grafite natural
Grafite em flocos
O material de carbono é submetido a alta pressão e temperatura, produzindo assim grafite em flocos natural. Esses flocos são geralmente flocos de neve em miniatura e se empilham muito facilmente à medida que deslizam um pelo outro, tornando o grafite em flocos excelente para lubrificantes. Ele também pode funcionar em baterias e células de combustível devido à sua alta condutividade elétrica.
As empresas automobilísticas são as maiores consumidoras desse tipo de grafite natural. Nos últimos anos, houve um enorme aumento na demanda por grafite em flocos de fabricantes de híbridos elétricos e células de combustível.
Grafite de Veia Cristalina
É como se tivéssemos veios de grafite puros em uma rocha metamórfica. Significativamente, este é um veio de grafite cristalino com a mais alta pureza (até 99% de carbono) e condutividade elétrica. É como um Superman de carbono guardado para aplicações de ponta, como componentes no reator nuclear e eletrodos de desempenho extremo.
O grafite venoso cristalino é um mineral raro e valioso encontrado na China e no Canadá. Ele também pode ser usado de forma semelhante ao grafite em flocos por seu desempenho superior em operações que exigem alta condutividade térmica e elétrica.
Grafite amorfo
60-85% de grafite amorfo contém o carbono fixo. É a forma mais prevalente de grafite, geralmente descoberta em rochas sedimentares como carvão e xisto.
O grafite amorfo é útil para vários propósitos, mas não em todos os cenários.
Devido à boa resistência ao calor deste mineral, ele pode ser usado na fabricação, onde é frequentemente utilizado como cadinho, molde, concha, calha ou bico.
Por outro lado, há muitos eletrodos de fornos metalúrgicos e revestimentos de alto-forno de ferro feitos de grafite amorfo. China, México e Coreia do Norte produzem principalmente essa forma versátil.
Grafite Natural vs Grafite Sintético
Grafite Natural
O grafite natural vem de processos metamórficos que transformam matéria orgânica antiga neste mineral macio e em camadas.
Eles aparecem em uma variedade de formas, desde o grande floco de grafite até o cristalino puro de veia. De acordo com um exercício de benchmarking de um dos principais praticantes de LCA, um ânodo feito de grafite natural tem até 14 CO2 equivalente.
O grafite em flocos é ótimo em lubrificantes, revestimentos refratários e lápis, enquanto o cristalino mostra sua proeza em reatores nucleares e eletrodos de alto desempenho. O grafite amorfo está presente no carvão e no xisto, dando sua resistência ao calor para a fundição. No entanto, o grafite natural tem suas peculiaridades.
A mineração tem consequências ambientais, e instabilidades geopolíticas podem interromper o fornecimento. Além disso, suas imperfeições inatas, embora geralmente insignificantes, às vezes são problemáticas para usos específicos.
Grafite Sintético
O grafite sintético é feito de coque de petróleo ou carvão e é submetido a vários tratamentos sob altas temperaturas e pressão. Por meio de um processo intensivo em energia, o coque é novamente aquecido a 2500-300°C. O calor pode vir de mecanismos de queima de carvão ou óleo. As emissões de CO₂ são enormes devido a esses processos.
Essa pureza significa melhor condutividade elétrica e estabilidade térmica, o que é mais adequado para baterias de íons de lítio, células solares, etc. No entanto, a criação de grafite sintético tem um custo. Seu processo de produção intensivo em energia gera emissões de carbono significativas, levantando preocupações sobre sua pegada ambiental. Além disso, seu alto custo e dependência de combustíveis fósseis levantam questões de sustentabilidade.
Como ocorre o grafite natural
O grafite é formado em rochas metamórficas devido à ocorrência de redução de compostos de carbono sedimentares durante a alteração. Também é encontrado em meteoritos e rochas ígneas. Minerais associados ao grafite incluem quartzo, calcita, micas e turmalina.
Grafite é encontrado junto com minerais de troilita e silicato em meteoritos. Cliftonita se refere aos pequenos cristais de grafite encontrados em ferro meteorítico. Alguns grãos pequenos parecem ser isotópicos, e sua composição indica que eles se originaram antes do Sistema Solar. Eles pertencem a um dos cerca de doze tipos conhecidos de minerais que antecederam o Sistema Solar e também foram encontrados em nuvens moleculares.
Processo de fabricação de grafite sintético
Com o processo de transformação, há uma série de etapas na sinfonia que transforma algo em matéria-prima, grafite sintético (SG-BAM), para bateria de lítio materiais de ânodo. Cada passo é importante, pois auxilia o grafite sintético a obter suas características únicas e compatibilidade com dispositivos de armazenamento de energia. Agora, vamos explorar a dança complexa da fabricação:
Produção de Coque de Petróleo Verde.
A produção de coque de petróleo verde a partir de óleos pesados usados para craqueamento catalítico ou refino de gasolina será o primeiro passo. O primeiro precursor de carbono é usado na síntese de grafite.
Calcinação
Durante a calcinação do coque de petróleo verde, um processo de alta temperatura ocorre em cerca de 1300°C a 1400°. Quando essa excursão de calor remove materiais voláteis e contaminantes do coque, o coque de agulhas é produzido. Esse nível mais alto de teor de carbono fornece o protótipo perfeito para essa fase subsequente.
Grafitização
O coque de agulha é então submetido a temperaturas superiores a 2500°C em um forno elétrico por grafitização. Os átomos de carbono se rearranjam durante o superaquecimento, o que transforma o coque em grafite. A grafitização fornece mais características benéficas e melhora a condutividade da substância de grafite.
Pós-processamento
Outras técnicas de pós-processamento podem ser usadas após a grafitização. Baterias de íons de lítio também são moldáveis, classificáveis ou revestíveis para dar grande eficiência e desempenho de embalagem. Outros usos podem ter diferentes requisitos específicos de pós-processamento.
Estrutura de grafite
Arranjo de Carbono
Imagine um favo de mel consistindo não de cera, mas apenas de átomos de carbono. A característica básica do grafite é sua estrutura atômica.
Cada átomo de carbono se liga fortemente a três outros em uma camada; isso cria uma rede extremamente forte. Cada carbono fica no meio de um círculo de seis lados e faz muitas folhas hexagonais que continuam para sempre.
Essa configuração é conhecida como hibridização sp² e permite que cada átomo de carbono forme três ligações covalentes muito fortes com seus vizinhos próximos. Um elétron extra pode vagar por toda a folha.
Muitas das peculiaridades do grafite são altamente dependentes desses elétrons livres.
Ligação
Ao contrário do diamante, onde cada átomo de carbono tem quatro ligações fortes que os mantêm unidos para criar um formato de caixa rígida, as conexões do grafite apontam para uma direção.
As forças mais fracas que mantêm essas camadas unidas permitem que elas deslizem como panquecas em uma chapa.
Este link único também revela a razão pela qual o grafite pode conduzir eletricidade. Os elétrons livres podem fluir facilmente através das folhas, então é uma boa escolha para baterias e eletrodos.
Comparação com outros alótropos.
Em contraste com a dureza do diamante, o grafite tem camadas que podem facilmente dobrar. Isso demonstra a variação que o carbono pode ter em forma ou formato (alótropos).
Enquanto um diamante é organizado tetraédrico, de modo que cada átomo de carbono concorrente se liga a outros quatro, a estrutura hexagonal do grafite faz com que ele tenha propriedades fundamentalmente diferentes.
Ao analisar o grafite e os fulerenos, o fato de um fulereno ter um formato arredondado constitui sua construção em camadas em gráficos.
Propriedades do grafite
Propriedades físicas
Cor e aparência
O grafite aparece em uma gama de cores variadas, desde aparência metálica brilhante até cinza escuro. Sua aparência especial o torna mais atraente e fácil de ver em várias aplicações.
Essa cor interessante é uma boa escolha para lápis, pois faz com que imagens e desenhos pareçam mais profundos e emocionantes.
Densidade e Gravidade Específica
O grafite é relativamente leve, apesar de ser forte. Suas muitas camadas e espaços abertos o mantêm flutuando na água. Ele também parece pesar uma pena quando você o toca. Perfeito para usos onde o peso é crítico, como peças de avião e equipamentos esportivos, porque não é pesado.
Pontos de fusão e ebulição
Embora o grafite seja perfeito para condução térmica, sua temperatura de fusão varia de cerca de 3500°C. Essa alta temperatura de fusão é ideal para uso em aplicações quentes – coisas fabricadas em uma fundição e até mesmo partes de reatores nucleares. É tão quente que um lápis pegaria fogo se você o colocasse em um vulcão.
Condutividade (Elétrica e Térmica)
As propriedades elétricas e de condução de calor do grafite estão intimamente conectadas. Os elétrons em movimento em suas camadas passam facilmente calor e eletricidade. Isso o torna um dispositivo fácil para recarregar baterias, aquecer coisas e até mesmo fazer telas sensíveis ao toque. Pense na rolagem do seu telefone; esse movimento suave vem da condutividade do grafite.
Propriedades de lubrificação
As camadas de grafite permitem que ele deslize entre as camadas, sendo um excelente lubrificante. Também é usado em aplicações onde menos deslizamento e movimento mais suave são importantes. É um ótimo material para fechaduras, rodas e até mesmo lápis.
Propriedades químicas
Reatividade com Oxigênio
Quando mais quente do que 700 graus, esse material descasca em camadas e se transforma em dióxido de carbono. Isso ajuda a alimentar incêndios e a abastecer grandes fornalhas que derretem coisas. Essa característica fortalece o material e dura em diferentes lugares, especialmente ao redor do ar.
Reatividade com Oxigênio
Grafite, uma parte geralmente calma do mundo químico, pode ter problemas com oxigênio quando as coisas estão quentes. Este material descasca em camadas e se converte em dióxido de carbono quando está mais quente do que 700 graus. Isso acende o combustível e alimenta grandes fornalhas que derretem coisas. Esta característica fortalece o material e dura em vários locais, principalmente ao redor do ar.
Resistência a ácidos e bases
Suas ligações carbono-carbono robustas e arranjo em camadas são difíceis de quebrar pela maioria dos ácidos e bases. Isso o torna ideal para aplicações como revestimentos em reatores químicos e até mesmo recipientes que podem conter metais aquecidos. Este elemento o torna mais adequado em locais nocivos que ajudariam a usar uma ampla gama de coisas.
Oxidação e Corrosão
O grafite se transforma muito quando fica excessivamente quente, mas geralmente, em condições normais, essa mudança ocorre lenta e constantemente. Ele corrói ou erode gradualmente ao longo do tempo. Com o tempo, isso cria uma fina camada de dióxido de carbono em sua superfície criada pelo oxigênio ao redor dele. Este é um processo lento de desgaste; no entanto, isso não pode alterar as principais características que o tornam um material forte e confiável.
Propriedades mecânicas
Resistência e Dureza
O grafite é muito forte e duro, então, quando usado, pode durar muito tempo. Ele tem várias camadas em sua estrutura forte. Cada átomo de carbono é anexado a dois outros nas folhas e, juntos, eles permanecem fortes sob pressão.
Flexibilidade e Elasticidade
O diamante é realmente duro e muito facilmente quebrado, mas a estrutura única do grafite permite que ele se dobre notavelmente bem. O grafite pode facilmente esticar e dobrar, tornando difícil quebrá-lo em qualquer situação. Também há forças fracas entre as folhas, permitindo que elas se dobrem e torçam sem quebrar. É adequado para juntas, graxa e até amortecedores de choque.
Natureza anisotrópica
Grafite não é um material comum. Ele tem propriedades que mudam dependendo se você está empurrando ou puxando em várias direções. Ele é sólido ao longo das linhas, mas fraco e fácil de deslizar entre elas. Essa característica “Anisotrópica” é excelente para propósitos que exigem direções detalhadas em qualquer direção, como bússolas e borrachas elétricas.
Propriedades térmicas
O grafite tem uma alta capacidade de calor específico, ou seja, ele pode absorver muito calor sem alterar sua temperatura significativamente. O grafite pode suportar altas temperaturas sem degradação significativa, tornando-o adequado para aplicações de calor. O grafite, em contraste com a maioria dos materiais, cresce ligeiramente ao resfriar e encolhe durante o aquecimento.
Propriedades elétricas
Grafite é um condutor elétrico e, portanto, bom para propósitos como eletrodos de lâmpada de arco. Ele pode transportar eletricidade por causa da enorme deslocalização de elétrons dentro das camadas de carbono (chamada aromaticidade). Esses são elétrons de valência livre que podem conduzir eletricidade.
Outras propriedades
- O grafite pode capturar nêutrons de alta velocidade.
- O grafite tem um ponto de fusão muito alto, aproximando-se da definição de um diamante.
- Em condições normais, o grafite não reage com água. No entanto, na temperatura certa, ele pode reagir para produzir uma mistura de monóxido de carbono e gás hidrogênio.
Aplicações do grafite
- Lubrificantes e Graxas
O grafite pode eliminar o atrito devido à sua camada hexagonal que se deposita nas superfícies quando reage com a umidade do ar. As habilidades autolubrificantes do grafite reduzem muito o atrito, tornando-o ideal para sistemas mecânicos, bem como motores e máquinas industriais, prevenindo o desgaste.
- Baterias
O grafite é altamente estável e conduz eletricidade, o que o torna melhor para uso em baterias. Ele também melhora sua capacidade de armazenamento e liberação de energia, tornando-o uma parte crucial de baterias para inúmeras tecnologias de bateria.
- Refratários
Os refratários trabalham sob altas temperaturas, o que torna o grafite o melhor para isso, já que ele tem temperaturas de ebulição e fusão extremamente altas. Ele é usado no setor de manufatura e ajuda a produzir vidro, aço e ferro.
- Componentes elétricos
O grafite possui condutividade elétrica excepcional, o que o torna essencial em vários componentes eletrônicos. Eles incluem eletrodos e escovas porque, por meio de seu uso, muitos eletrônicos alcançam resultados confiáveis e produtividade eficiente por um longo tempo.
- Indústria Nuclear
Uma propriedade do grafite é sua capacidade de capturar nêutrons de alta velocidade, o que o torna adequado para estabilizar reações nucleares. O grafite pode suportar altas temperaturas e funciona como um moderador de nêutrons, o que é de grande importância para reatores nucleares.
- Folhas de grafeno
O grafite é usado para fazer grafeno, que é mais leve e mais forte comparado às folhas de aço. Em troca, essas folhas podem ser usadas para fazer equipamentos esportivos.
Para mais usos do grafite, por favor confira aqui.
Conclusão
Com base na discussão acima, podemos ver que o grafite é um dos itens mais usados em nosso planeta e será necessário para nos ajudar ainda mais com o passar do tempo.
Perguntas frequentes
- E se eu quiser saber o custo do grafite?
Os preços do grafite são afetados por uma variedade de fatores, não apenas pela oferta e demanda do mercado, mas também por diferentes tipos de grafite. O preço do grafite em flocos pequenos é $1000-$2000/t, e o preço do grafite natural de ponta é $3000-$6000/t, se você quiser saber mais sobre a situação do preço, entre em contato diretamente com a Eastcarb, e nós lhe daremos uma tabela de cotação detalhada.
- Como armazenar o grafite para manter sua natureza?
Embora o grafite seja estável por natureza, você deve sempre prestar atenção ao armazenamento do grafite. A primeira coisa é controlar a temperatura e a umidade, colocar em um local seco e evitar altas temperaturas e mudanças violentas de temperatura. Então também é necessário manter a sala de armazenamento ventilada para evitar que a umidade se acumule. Finalmente, diferentes tipos de grafite devem ser armazenados isoladamente para evitar deterioração. Basicamente, seguindo as sugestões acima, a qualidade do grafite pode ser bem mantida.
- Quais são os mercados emergentes mais recentes para grafite?
O surgimento de novos mercados está criando mais oportunidades para fornecedores de grafite e suas indústrias upstream e downstream, com mercados emergentes recentes incluindo Moçambique, Tanzânia, Austrália, Paquistão, Egito e muitos países da África Ocidental.
- O que devo prestar atenção ao processar grafite?
O pó de grafite pode afetar sua saúde em alguns casos, então você precisa tomar precauções para evitar inalar o pó durante processos industriais.
- Como aumentar o desempenho do grafite?
Geralmente, podemos tratar sua superfície para aumentar sua resistência, resistência à corrosão e condutividade elétrica. Métodos específicos incluem materiais de revestimento por pulverização, tratamento químico (limpeza ácida ou alcalina), tratamento térmico, usinagem, tratamento de impregnação, etc.
