كيفية صنع مسحوق الجرافيت؟

مع التوصيل الكهربائي والتشحيم ومقاومة درجات الحرارة العالية، يستخدم مسحوق الجرافيت على نطاق واسع في مجالات مثل البطاريات. وتختلف عملية تصنيعه اعتمادًا على المواد الخام، والتي تجسد الابتكار التكنولوجي المادي والصناعي. وتشمل تنقية الجرافيت الطبيعي، وتخليق وتحويل الجرافيت الاصطناعي، وتحضير الجرافيت النانوي الجديد.

المواد الخام لتصنيع مساحيق الجرافيت

جرافيت طبيعي

جرافيت طبيعي يوجد في شكل معدني في التراكيب الجيولوجية مثل النيس والشست. وتوزيع موارده إقليمي ويمكن تصنيفه وفقاً لشكله البلوري على النحو التالي:

قشور الجرافيت

يتم ترتيب البلورات في طبقات وتتراوح أقطارها من بضعة ميكرومترات إلى عدة ملليمترات. وبسبب نقاوتها العالية وتوصيلها الكهربائي الجيد، يمكنك استخدامها كمواد أنود للبطاريات المتطورة والمواد الإلكترونية المرنة.

جرافيت ترابي

البنية البلورية مضطربة، والتي تعرف أيضًا باسم "الجرافيت الكريبتوكريستالي". تحتاج إلى تحسين أدائها من خلال التنقية العميقة. ويستخدم على نطاق واسع في المواد الحرارية وطلاءات الصب وغيرها من المجالات.

المواد الخام للجرافيت الاصطناعي

المادة الخام الأساسية للجرافيت الاصطناعي هي مادة صلبة تحتوي على الكربون، وتشمل عادةً:

فحم الكوك النفطي

وهو منتج ثانوي لتكرير البترول، ويتجاوز محتواه من الكربون 90%. وبعد تكليسه، يصبح سليفة غرافيتية وهو المادة الخام الرئيسية للقطب السالب لبطاريات الليثيوم.

الأسفلت

وهو ينقسم إلى زفت قطران الفحم والزفت البترولي، اللذان يستخدمان كمواد رابطة ومصادر كربون. ويتم تفحيمها في درجات حرارة عالية لتكوين بنية من طبقات الجرافيت.

كوكاكولا

وهو منتج من منتجات التقطير الجاف للفحم، بتكلفة منخفضة ولكن بشوائب أكثر. وهو مناسب للسيناريوهات المتوسطة والمنخفضة مثل المواد الحرارية.

أسود الكربون

يمكنك استخدامه كمادة مساعدة في بعض العمليات الخاصة لتنظيم بنية المسام.

عملية تصنيع مسحوق الجرافيت الطبيعي

المعالجة الأولية

التكسير والطحن

يجب سحق خام الجرافيت الطبيعي إلى مستوى المليمتر باستخدام معدات مثل الكسارات الفكية والكسارات المخروطية. ثم طحنه إلى جسيمات على مستوى الميكرون بواسطة المطاحن الكروية ومطاحن ريموند، إلخ. أثناء عملية الطحن، تحتاج إلى التحكم في توزيع حجم الجسيمات لتجنب تلف البنية البلورية الناجم عن الطحن الزائد.

التصنيف والفرز

تصنيف الجسيمات حسب حجم الجسيمات باستخدام معدات مثل الغرابيل الاهتزازية ومصنفات تدفق الهواء. وإعادة الجسيمات الخشنة لإعادة طحنها، بينما تدخل الجسيمات الدقيقة في عملية التنقية. يمكن لطريقة تصنيف الهواء أن تتحكم بدقة في حجم الجسيمات في نطاق 1 إلى 100 ميكرومتر، وهو ما يلبي متطلبات التطبيقات المختلفة.

معالجة التنقية

طريقة التعويم

تستفيد هذه الطريقة من الاختلاف في كراهية الماء بين الجرافيت والماء في معادن الشوائب. تُضاف أولاً المواد المجمعة مثل الكيروسين وزيت التربنتين، بالإضافة إلى عوامل الإرغاء. ثم من خلال آلة التعويم، تُصنع جزيئات الجرافيت لتلتصق بفقاعات الهواء وتطفو لأعلى. وبالتالي تحقيق الفصل من الشوائب مثل الكوارتز والفلسبار ويمكن أن تصل درجة النقاء إلى 85%-95%.

طريقة الحمض القلوي-الحمض

ذوبان القلويات

يجب أن تخلط الجرافيت وهيدروكسيد الصوديوم بالتناسب وتذوبهما عند درجة حرارة 500-700 ℃. بعد ذلك، يتم إزالة الشوائب (مثل SiO2) إلى سيليكات قابلة للذوبان.

التحمض

بعد التبريد، أضف حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك لإذابة السيليكات. ومن خلال الغسيل والتجفيف، يمكن أن تصل درجة النقاء إلى أكثر من 98%، وتستخدم لمواد البطاريات المتوسطة والراقية.

طريقة درجة الحرارة العالية

يوضع مسحوق الجرافيت في فرن جو خامل عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 2500 و3000 درجة مئوية. أثناء هذه العملية، تتطاير الشوائب (مثل البورون والألومنيوم) في شكل غازي بنقاوة تزيد عن 99.9%. يمكنك استخدامه في المجالات المتطورة مثل أشباه الموصلات والصناعات النووية، ولكن استهلاك الطاقة مرتفع نسبيًا.

المعالجة المسبقة للمواد الخام

تكليس فحم الكوك النفطي

كمادة خام رئيسية لمسحوق الجرافيت الاصطناعي، يحتوي فحم الكوك الخام على مركبات هيدروكربونية ورطوبة، والتي تحتاج إلى تكليسها. يجب وضعه في فرن تكليس الخزان أو الفرن الدوار عند درجة حرارة 1200-1400 ℃ للسماح للمكونات المتطايرة بالخروج. يمكن لهذه العملية زيادة محتوى الكربون وتعزيز الكثافة والقوة والتوصيل الكهربائي وتقليل الشوائب.

عجن الأسفلت

بعد التكليس، تحتاج إلى خلط فحم الكوك البترولي مع زفت قطران الفحم بنسبة متناسبة. ثم ضع الخليط في عجان قوي وقم بتحريكه وعجنه عند درجة حرارة محددة لتشكيل خليط ذو مرونة جيدة. يتم التحكم في اللزوجة واللدونة بدقة، والتي يمكن أن تلبي متطلبات عملية التشكيل.

التشكيل والمعالجة الحرارية

عملية التشكيل

هناك ثلاث طرق شائعة: التشكيل بالبثق والقولبة بالضغط والكبس المتساوي الضغط. يقوم القولبة بالبثق ببثق الفراغ من خلال قالب مناسب للإنتاج المستمر. ويتضمن القولبة بالضغط تطبيق الضغط في قالب لتشكيل منتجات مثل الأسطوانات والصفائح. الكبس المتساوي التوازني هو عملية ضغط متساوي الخواص تحت ضغط عالٍ لزيادة الكثافة، والتي تُستخدم للمنتجات عالية الأداء.

عملية الكربنة

يتم تسخينها ببطء في غاز خامل إلى 800-1200 درجة مئوية لكربنة المادة الرابطة وتشكيل بنية كربونية أولية. ثم تتحلل المادة العضوية لتنتج الكربون والغازات المتطايرة، مكونة بنية مسامية، مما يؤثر على أداء المنتج النهائي.

عملية الرسم البياني

في درجات الحرارة العالية التي تتراوح بين 2000 و3000 درجة مئوية، يُعاد ترتيب الكربون غير المتبلور في الجسم الأخضر المكربن إلى بلورات جرافيت شبكية سداسية الشكل. وهذا يعزز بشكل كبير من الخصائص الرئيسية مثل التوصيل الكهربائي والتشحيم والمقاومة في درجات الحرارة العالية.

المعالجة اللاحقة

التكسير والطحن

تم سحق كتل الجرافيت باستخدام معدات مثل المطاحن الكروية والمطاحن الاهتزازية والمطاحن النفاثة للحصول على أحجام مختلفة من الجسيمات.

التقدير والتعبئة والتغليف

تصنيف مسحوق الجرافيت المسحوق وإنتاج منتجات مختلفة وفقًا لمواصفات حجم الجسيمات. بعد اجتياز فحص الجودة، يتم تعبئتها في أكياس بلاستيكية منسوجة أو أكياس ورقية أو براميل محكمة الغلق. يضمن عدم تلوث النقل والتخزين.

تقنية تحضير مسحوق الجرافيت الجديدة

تحضير مسحوق النانو جرافيت النانو جرافيت

5.1.1 ترسيب البخار الكيميائي

تستخدم طريقة التفكيك القابل للقطع CVD الميثان ومصادر الكربون الغازية الأخرى لتكوين طبقات نانو جرافيت. وتتطلب هذه العملية تحلل وترسيب مصدر الكربون على الركيزة عند درجة حرارة 800-1200 ℃ وتحت تأثير محفز. ويتميز المنتج بدرجة نقاء عالية، وهو مناسب للمجال الإلكتروني المتطور، ولكن الكفاءة منخفضة.

5.1.2 طريقة التقشير بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الموجات فوق الصوتية

ويتمثل ذلك في تفريق الجرافيت الطبيعي في مذيبات مثل NMP، وكسر القوى البينية للجرافيت وتقشيره للحصول على مسحوق النانو. هذه العملية بسيطة وتتميز باستهلاك منخفض للطاقة، مما يسمح بإنتاج كميات كبيرة ومناسبة للسيناريوهات ذات متطلبات التوحيد المنخفضة.

تصنيع مسحوق الجرافيت المركب

العملية المركبة مع المعادن والبوليمرات

مركب معدني

تلبيد المساحيق المعدنية المختلطة بالتلبيد بالمساحيق، ثم التزييت وقوة المعدن، والتي تستخدم لمكونات التشحيم الذاتي.

تركيب البوليمر

عندما يتم تركيب مسحوق الجرافيت مع البوليمرات، تشمل الطرق الشائعة الاستخدام المزج بالمحلول والمزج بالذوبان. يتميز الجرافيت بالتوصيل الكهربائي والحراري، والذي يستخدم في المنتجات الصناعية الموصلة للكهرباء والحرارة.

تدابير مراقبة الجودة وحماية البيئة في عملية التصنيع

فحص الجودة

يجب اختبار المنتج النهائي النهائي للتأكد من خصائصه مثل حجم الجسيمات والنقاء والتوصيل الكهربائي. وينبغي تحليل عيوب المظهر بالأدوات للتأكد من أن المنتج النهائي يفي بالمعايير.

معالجة حماية البيئة

بعد تصنيع مسحوق الجرافيت، تحتاج إلى إجراء معالجة لحماية البيئة لمنع تلوث الهواء وتلوث المياه، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يمكنك تحييد مياه الصرف الصحي وترسيتها وترشيحها لتنقيتها. وإزالة الغبار والغازات الضارة باستخدام المرشحات الكيسية والمرسبات الكهروستاتيكية وأجهزة تنقية الغازات لتقليل التأثير البيئي.

الخاتمة

يتطلب إنتاج مسحوق الجرافيت اختيار العمليات بناءً على خصائص المواد الخام. يركز الجرافيت الطبيعي على التنقية، بينما يركز الجرافيت الاصطناعي على الجرافيت على الجرافيت، وتعزز التقنيات الجديدة العمليات النانوية والمركبة. وفي الوقت نفسه، تحتاج إلى مراعاة كل من متطلبات مراقبة الجودة وحماية البيئة.