¿Cómo fabricar grafito en polvo?

Gracias a su conductividad eléctrica, lubricación y resistencia a altas temperaturas, el polvo de grafito se utiliza ampliamente en campos como las baterías. Y su proceso de fabricación varía en función de las materias primas, lo que encarna la innovación tecnológica material e industrial. Incluye la purificación del grafito natural, la síntesis y transformación del grafito artificial y la preparación de nuevo grafito a nanoescala.

Materias primas para la fabricación de grafito en polvo

Grafito natural

Grafito natural existe en forma mineral en estructuras geológicas como el gneis y el esquisto. La distribución de sus recursos es regional y, según su forma cristalina, puede clasificarse en:

Grafito en escamas

Los cristales están dispuestos en capas y sus diámetros oscilan entre unos pocos micrómetros y varios milímetros. Debido a su gran pureza y buena conductividad eléctrica, se puede utilizar como material anódico para baterías de alta gama y materiales electrónicos flexibles.

Grafito terroso

La estructura cristalina es desordenada, lo que también se conoce como "grafito criptocristalino". Es necesario mejorar su rendimiento mediante una purificación profunda. Y se utiliza ampliamente en materiales refractarios, revestimientos de fundición y otros campos.

Materias primas del grafito artificial

La materia prima principal del grafito artificial es un sólido que contiene carbono, que comúnmente incluye:

Coque de petróleo

Se trata de un subproducto del refinado del petróleo, cuyo contenido en carbono supera los 90%. Tras la calcinación, se convierte en precursor de la grafitización y es la principal materia prima del electrodo negativo de las baterías de litio.

Asfalto

Se divide en brea de alquitrán de hulla y brea de petróleo, que se utilizan como aglutinantes y fuentes de carbono. Y se carbonizan a altas temperaturas para formar una estructura de capas de grafito.

Coca-Cola

Es un producto de la destilación seca del carbón, de bajo coste pero con más impurezas. Y es adecuado para escenarios de gama media y baja, como los materiales refractarios.

Negro de humo

Se puede utilizar como material auxiliar en algunos procesos especiales para regular la estructura de los poros.

Proceso de fabricación del grafito natural en polvo

Tratamiento primario

Trituración y molienda

Debe triturar el mineral de grafito natural hasta el nivel milimétrico utilizando equipos como trituradoras de mandíbulas y trituradoras de cono. A continuación, debe molerlo hasta obtener partículas micrométricas mediante molinos de bolas, molinos Raymond, etc. Durante el proceso de molienda, es necesario controlar la distribución del tamaño de las partículas para evitar daños en la estructura cristalina causados por una molienda excesiva.

Clasificación y selección

Clasificar las partículas por tamaño mediante equipos como cribas vibratorias y clasificadores por flujo de aire. Y devolver las partículas gruesas para volver a molerlas, mientras que las partículas finas entran en el proceso de purificación. El método de clasificación por aire puede controlar con precisión el tamaño de las partículas dentro del rango de 1 a 100μm, lo que satisface los requisitos de diferentes aplicaciones.

Tratamiento de depuración

Método de flotación

Este método aprovecha la diferencia de hidrofobicidad entre el grafito y la hidrofilidad de los minerales de ganga. Primero se añaden los colectores, como queroseno y aceite de trementina, así como agentes espumantes. A continuación, mediante una máquina de flotación, se consigue que las partículas de grafito se adhieran a las burbujas de aire y floten hacia arriba. De este modo se consigue la separación de impurezas como el cuarzo y el feldespato y la pureza puede alcanzar 85%-95%.

Método álcali-ácido

Fusión alcalina

Debes mezclar el grafito y el hidróxido de sodio en proporción y fundirlos a 500-700℃. Después, las impurezas (como SiO2) se transforman en silicatos solubles.

Acidificación

Tras el enfriamiento, se añade ácido clorhídrico o ácido sulfúrico para disolver el silicato. Y a través de lavado y secado, la pureza puede alcanzar más de 98%, utilizado para materiales de baterías de gama media y alta.

Método de alta temperatura

Colocar el polvo de grafito en un horno de atmósfera inerte a una temperatura elevada de 2500-3000℃. Durante este proceso, las impurezas (como el boro y el aluminio) se volatilizan en forma gaseosa, con una pureza superior al 99,9%. Se puede utilizar en campos de alta gama como los semiconductores y la industria nuclear, pero el consumo de energía es relativamente alto.

Pretratamiento de materias primas

Calcinación del coque de petróleo

Como materia prima clave para el polvo de grafito artificial, el coque crudo contiene compuestos de hidrocarburos y humedad, que necesitan ser calcinados. Debe colocarse en un horno de calcinación de tanque u horno rotatorio a 1200-1400℃ para permitir que los componentes volátiles escapen. Este proceso puede aumentar el contenido de carbono, mejorar la densidad, la resistencia y la conductividad eléctrica, y reducir las impurezas.

Amasado de asfalto

Tras la calcinación, hay que mezclar el coque de petróleo con la brea de alquitrán de hulla en proporción. A continuación, se pone la mezcla en una amasadora potente y se remueve y amasa a una temperatura específica para formar una mezcla con buena plasticidad. Su viscosidad y plasticidad se controlan con precisión, lo que puede satisfacer los requisitos del proceso de moldeo.

Conformado y tratamiento térmico

Proceso de formación

Existen tres métodos comunes: el moldeo por extrusión, el moldeo por compresión y el prensado isostático. El moldeo por extrusión extruye la pieza en bruto a través de una matriz, lo que resulta adecuado para la producción continua. El moldeo por compresión consiste en aplicar presión en un molde para formar productos como cilindros y láminas. El prensado isostático es un proceso de compresión isotrópica a alta presión para aumentar la densidad, que se utiliza para productos de alto rendimiento.

Proceso de carbonización

Calentar lentamente en un gas inerte hasta 800-1200℃ para carbonizar el aglutinante y formar una estructura inicial de carbono. A continuación, la materia orgánica se descompone para producir carbono y gases volátiles, formando una estructura de poros, que afecta al rendimiento del producto final.

Proceso de grafitización

A temperaturas elevadas de 2000-3000℃, el carbono amorfo del cuerpo verde carbonizado se reorganiza en cristales de grafito de red hexagonal. Esto mejora significativamente propiedades clave como la conductividad eléctrica, la lubricidad y la resistencia a altas temperaturas.

Tratamiento posterior

Trituración y molienda

Los bloques de grafito se trituraron utilizando equipos como molinos de bolas, molinos vibratorios y molinos de chorro para obtener diferentes tamaños de partículas.

Clasificación y envasado

Clasificamos el polvo de grafito triturado y fabricamos diferentes productos según las especificaciones de tamaño de las partículas. Tras pasar la inspección de calidad, se envasa en bolsas tejidas de plástico, bolsas de papel o bidones sellados. Así se garantiza que el transporte y el almacenamiento no estén contaminados.

Nueva tecnología de preparación del polvo de grafito

Preparación del polvo de nano-grafito

5.1.1 Depósito químico en fase vapor

El método CVD utiliza metano y otras fuentes de carbono gaseoso para formar capas de nano-grafito. Este proceso requiere la descomposición y deposición de la fuente de carbono sobre el sustrato a 800-1200℃ y bajo la acción de un catalizador. El producto tiene una gran pureza, lo que resulta adecuado para el campo de la electrónica de alta gama, pero su eficiencia es baja.

5.1.2 Método de exfoliación en fase líquida asistida por ultrasonidos

Consiste en dispersar grafito natural en disolventes como el NMP, romper las fuerzas entre capas del grafito y desprenderlo para obtener nanopolvo. El proceso es sencillo y se caracteriza por un bajo consumo de energía, lo que permite la producción en masa, adecuada para escenarios con bajos requisitos de uniformidad.

Fabricación de polvo de grafito compuesto

Proceso compuesto con metales y polímeros

Compuesto metálico

Metalurgia de polvos sinterización mixta, entonces tiene la lubricación y la fuerza de metal, que se utiliza para componentes autolubricantes.

Composición de polímeros

Cuando el grafito en polvo se mezcla con polímeros, los métodos más utilizados son la mezcla en disolución y la mezcla fundida. Tiene conductividad eléctrica y térmica, por lo que se utiliza en productos industriales que conducen la electricidad y el calor.

Control de calidad y medidas de protección del medio ambiente en el proceso de fabricación

Inspección de calidad

El producto final acabado debe someterse a pruebas para comprobar propiedades como el tamaño de las partículas, la pureza y la conductividad eléctrica. Y los defectos de aspecto deben analizarse con instrumentos para garantizar que el producto acabado cumple las normas.

Tratamiento de protección medioambiental

Después de fabricar grafito en polvo, es necesario llevar a cabo un tratamiento de protección medioambiental para evitar la contaminación del aire, del agua, etc. Por ejemplo, puede neutralizar, sedimentar y filtrar las aguas residuales para purificarlas. Y eliminar el polvo y los gases nocivos mediante filtros de mangas, precipitadores electrostáticos y depuradores para reducir el impacto ambiental.

Conclusión

La producción de grafito en polvo requiere la selección de procesos basados en las características de las materias primas. El grafito natural se centra en la purificación, el grafito artificial hace hincapié en la grafitización, y las nuevas tecnologías promueven los procesos a nanoescala y compuestos. Mientras tanto, hay que tener en cuenta tanto el control de calidad como los requisitos de protección del medio ambiente.