الجرافيت المقشر - دليل كامل

مع التطور السريع لعلوم المواد، أصبح الجرافيت المقشر، كمادة كربون جديدة، نقطة بحثية ساخنة. نظرًا لأدائها الممتاز وتطبيقها الواسع. ويمنح هيكله الفريد العديد من الخصائص وله إمكانات كبيرة في العديد من المجالات.

ما هو الجرافيت المقشر؟

الجرافيت المقشر (EG) هو نوع من مواد الجرافيت المصنوعة من الجرافيت الطبيعي المتقشر عن طريق المعالجة الكيميائية أو الكهروكيميائية الكهروكيميائية، ثم عن طريق التمدد السريع عند درجة حرارة عالية. يحتوي الجرافيت المتقشر الطبيعي على بنية بلورية طبقية نموذجية ذات طبقات مع قوى فان دير فال الضعيفة التي تربط بين الطبقات. وتحت تأثير عامل الإقحام، يمكن إدخال بعض الجزيئات أو الأيونات الصغيرة بين طبقات الجرافيت لتكوين مركبات إقحام الجرافيت. وعند معالجة المركب المقحم عند درجة حرارة عالية، تتحلل المادة المقحمة وتتبخر بسرعة. وتتسبب قوة التمدد الناتجة في تمدد طبقة الجرافيت بعنف على طول الاتجاه العمودي على الطبقة. وبالتالي تتشكل طبقة جرافيت مقشر مسامية فضفاضة تشبه الدودة.

الخصائص الرئيسية للجرافيت المقشر

مساحة سطح محددة عالية:

إن البنية المسامية الفريدة من نوعها التي تشبه الدودة تجعلها تتمتع بمساحة سطح محددة كبيرة، تصل عمومًا إلى 100-1000 م2/غرام. توفر هذه الخاصية مساحة واسعة لتطبيقها في الامتزاز والحفز والمجالات الأخرى. يمكن أن يعزز عدد كبير من المواقع النشطة السطحية التفاعل الكيميائي وامتصاص المواد.

أداء امتزاز جيد:

مع مساحة السطح المحددة العالية وبنية المسام الغنية، لديها قدرة امتزاز ممتازة لمجموعة متنوعة من المواد. (بما في ذلك الملوثات العضوية وأيونات المعادن الثقيلة وجزيئات الغاز.) يعتمد الامتزاز بشكل أساسي على الامتزاز الفيزيائي، ويتم تثبيت المادة الممتزة على سطح المسام. وفي الوقت نفسه، قد تمتص بعض المجموعات الوظيفية على سطحه أيضًا بعض المواد كيميائيًا لزيادة تعزيز تأثير الامتزاز.

مرونة وانضغاطية ممتازة:

عند ضغطه بواسطة قوة خارجية، يمكن أن يتشوه الهيكل إلى حد معين، ويمكن استعادته جزئيًا بعد إزالة القوة الخارجية. هذه الخاصية تجعلها ذات قيمة تطبيقية مهمة في ختم المواد والمجالات الأخرى.

ثبات حراري جيد وثبات كيميائي:

يتم الحصول عليها عن طريق معالجة خاصة للجرافيت، حيث ترث بعض الخصائص الممتازة للجرافيت. مثل الخصائص الكيميائية المستقرة في درجات الحرارة العالية، ولا يتفاعل مع معظم الكواشف الكيميائية. وفي الوقت نفسه، لديه موصلية حرارية عالية، ويمكنه توصيل الحرارة بسرعة ضمن نطاق درجة حرارة معينة. يمكنك استخدامه في التبادل الحراري وتبديد الحرارة وغيرها من المجالات.

توصيل كهربائي جيد:

لا تزال طبقة الجرافيت في الداخل تحتفظ بموصلية كهربائية جيدة، ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بسلاسة أكبر بين الطبقات. هذه الخاصية تجعلها إمكانية تطبيق محتملة في مجال الإلكترونيات، مثل مواد أقطاب البطاريات ومواد التدريع الكهرومغناطيسي وما إلى ذلك.

عملية تحضير الجرافيت المقشر

اختيار المواد الخام

قشور الجرافيت الطبيعي:

قشور الجرافيت الطبيعي ذات التبلور العالي والحجم الكبير عادة ما يتم اختيارها كمادة خام لتحضير الجرافيت المقشر. يكون هيكلها الشبيه بالديدان الذي يتم الحصول عليه بعد المعالجة بالإقحام والتوسع أكثر اكتمالاً وتكون الخصائص أفضل نسبيًا مع حجم المقياس الأكبر. في الوقت نفسه، فإن نقاء الجرافيت له أيضًا تأثير مهم على أداء الجرافيت المقشر. ويمكن أن يقلل الجرافيت عالي النقاء من التأثير السلبي للشوائب على أدائه.

عامل التداخل:

يعد اختيار عامل الإقحام أحد الحلقات الرئيسية في عملية التحضير. وتشمل عوامل الإقحام شائعة الاستخدام حمض الكبريتيك المركز وحمض النيتريك المركز وحمض البيركلوريك وغيرها من الأحماض المؤكسدة القوية. وكذلك بعض الأملاح المعدنية، مثل نترات الحديد وكبريتات الحديدوز وما إلى ذلك. يمكن أن تتفاعل هذه العوامل المقحمة مع الجرافيت في ظل ظروف معينة لإدخال جزيئات أو أيونات صغيرة بين طبقات الجرافيت. عوامل الإقحام المختلفة لها تأثيرات مختلفة على تأثير إقحام الجرافيت والخصائص النهائية.

خطوات الإعداد والتقنيات الرئيسية

العلاج البيني:

خلط قشور الجرافيت الطبيعي وعامل الإقحام بنسبة محددة، وتقليب التفاعل عند درجة الحرارة المناسبة. أخذ حمض الكبريتيك المركز كعامل إقحام، وإضافة الجرافيت ببطء إلى حمض الكبريتيك المركز عند درجة حرارة منخفضة (0-20 درجة مئوية). ويتم التقليب لفترة من الوقت لتعزيز جزيئات حمض الكبريتيك للتقسيط الكامل. ويُعد التحكم الصارم في درجة الحرارة ووقت التفاعل أمرًا بالغ الأهمية، وإلا فإن الجرافيت يكون عرضة للأكسدة المفرطة، مما يؤثر على التمدد اللاحق. هذه الخطوة هي مفتاح تحقيق تقشير الجرافيت، مما يضع الأساس للتمدد في درجات الحرارة العالية.

الغسيل والتجفيف:

بعد تفاعل الإقحام، اغسل المنتج وأزل عامل الإقحام المتبقي والمنتجات الثانوية. يُغسل حتى يتعادل، ثم يُجفف للحصول على مركبات إقحام الجرافيت. من الضروري التحكم في درجة الحرارة والوقت أثناء التجفيف لمنع التحلل المبكر لمركبات الإقحام.

التمدد في درجات الحرارة العالية:

يوضع مركب الإقحام الجرافيت المجفف بسرعة في فرن بدرجة حرارة عالية عند 800-1000 درجة مئوية. تتحلل المواد البينية وتتبخر بسرعة عند درجة حرارة عالية، مما يولد قوة تمدد قوية. دفع الطبقة الرأسية لطبقة الجرافيت إلى التمدد بعنف، مما يؤدي إلى تمدد الجرافيت الموسع. ويُعد التسخين السريع هو المفتاح، مما يسمح للتقشير البيني بالتحلل الكامل في وقت قصير. وفي ظل هذه العملية الخاصة، يمكن أيضًا الحصول على الجرافيت الموسع المقشر ذو البنية والخصائص الفريدة.

استخدام الجرافيت المقشر

حماية البيئة

معالجة مياه الصرف الصحي

يتميز بامتصاص جيد للملوثات العضوية مثل الزيت والفينولات وأيونات المعادن الثقيلة. يمكنك استخدام المادة الماصة لتنقية المياه بفعالية.

معالجة غازات النفايات

يتم تحويلها إلى مواد امتصاص وتعبئتها في المعدات. يمكن أن تمتص الغازات الضارة مثل ثاني أكسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين في غاز النفايات الصناعية وتقلل من التلوث البيئي.

مجال الطاقة

مادة القطب الكهربائي للبطارية

لديها موصلية جيدة ومساحة سطح محددة كبيرة، يمكنك استخدامها كمادة قطب كهربائي سالبة في بطاريات الليثيوم أيون. لتحسين أداء شحن البطارية وتفريغها واستقرار الدورة. وهيكلها المسامي يساعد على أيونات الليثيوم التخزين والإرسال.

مادة تخزين الهيدروجين

ونظراً للهيكل المسامي، بعد المعالجة المناسبة، فإن لها قدرة تخزين هيدروجين عالية في ظل ظروف معينة. ومن المتوقع أن تصبح نوعًا جديدًا من مواد تخزين الهيدروجين لحل مشكلة تخزين طاقة الهيدروجين.

المجال الصناعي

مادة مانعة للتسرب

وبفضل مرونته وقابليته للانضغاط، فقد أصبح مادة مانعة للتسرب مثالية، على شكل حشية جرافيت مقشرة. يمكنك تحويلها إلى أشكال مختلفة للأنابيب والصمامات وأوعية الضغط وغيرها من أوعية الضغط وغيرها من المعدات المانعة للتسرب في ظل الظروف القاسية.

مادة التبادل الحراري

نظرًا لثباتها الحراري الجيد وتوصيلها الحراري، يمكنك استخدامها لتصنيع المبادلات الحرارية لتسريع التوصيل الحراري. وتحسين كفاءة التبادل الحراري في الصناعات الكيميائية والطاقة والصناعات الأخرى.

المجال الإلكتروني

مادة التدريع الكهرومغناطيسي

بسبب التوصيل الجيد، يمكنك صنعه من مواد التدريع الكهرومغناطيسي لأغلفة المعدات ولوحات الدوائر والأجزاء الأخرى بسبب التوصيل الجيد. يمكن أن تعكس وتمتص الموجات الكهرومغناطيسية وتقلل من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

مادة الاستشعار

مساحة سطحه النوعية العالية ونشاطه السطحي، بحيث يتميز بخصائص الامتزاز والاستجابة لغازات محددة. يمكنك تحويله إلى مستشعر غاز للكشف عن تركيز الغازات الضارة. في مجسات الضغط والرطوبة وغيرها من المجالات، لديها أيضًا إمكانات تطبيقية. عند إعداد مواد حساسة للاستشعار، قد يعزز التركيب الفريد والخصائص الكيميائية لأكسيد الجرافيت المقشر أداء المستشعر.

الخاتمة

يتميز الجرافيت المقشر بهيكل فريد من نوعه، وأداء ممتاز، ومساحة سطح محددة عالية، وامتصاص جيد، ومرن، ومستقر، وموصل. لديه إمكانات كبيرة في العديد من المجالات مثل حماية البيئة والطاقة. مع تحسين عملية التحضير، سيتم تحسين أدائه، وسيتم تخفيض التكلفة. وستعمل الأبحاث المستقبلية أيضًا على توسيع نطاق التطبيق.