Comment fabriquer de la poudre de graphite ?

Grâce à ses propriétés de conductivité électrique, de lubrification et de résistance aux températures élevées, la poudre de graphite est largement utilisée dans des domaines tels que les batteries. Son processus de fabrication varie en fonction des matières premières, ce qui représente une innovation technologique matérielle et industrielle. Il comprend la purification du graphite naturel, la synthèse et la transformation du graphite artificiel et la préparation du nouveau graphite à l'échelle nanométrique.

Matières premières pour la fabrication de la poudre de graphite

Graphite naturel

Graphite naturel existe sous forme minérale dans des structures géologiques telles que le gneiss et le schiste. La répartition de ses ressources est régionale et, selon sa forme cristalline, elle peut être classée comme suit :

Graphite en paillettes

Les cristaux sont disposés en couches et leur diamètre varie de quelques micromètres à plusieurs millimètres. En raison de sa grande pureté et de sa bonne conductivité électrique, il peut être utilisé comme anode pour les batteries haut de gamme et les matériaux électroniques flexibles.

Graphite terreux

La structure cristalline est désordonnée, également connue sous le nom de "graphite cryptocristallin". Il est nécessaire d'améliorer ses performances par une purification en profondeur. Il est largement utilisé dans les matériaux réfractaires, les revêtements de fonderie et d'autres domaines.

Matières premières pour le graphite artificiel

La matière première principale du graphite artificiel est un solide contenant du carbone, qui comprend généralement :

Coke de pétrole

Il s'agit d'un sous-produit du raffinage du pétrole, dont la teneur en carbone dépasse 90%. Après calcination, il devient un précurseur de graphitisation et constitue la principale matière première de l'électrode négative des batteries au lithium.

Asphalte

Il se divise en brai de goudron de houille et en brai de pétrole, qui sont utilisés comme liants et sources de carbone. Ils sont carbonisés à haute température pour former une structure en couches de graphite.

Coca-Cola

Il s'agit d'un produit issu de la distillation sèche du charbon, dont le coût est faible mais qui contient davantage d'impuretés. Il convient aux scénarios de moyenne et basse gamme tels que les matériaux réfractaires.

Noir de carbone

Il peut être utilisé comme matériau auxiliaire dans certains processus spéciaux pour réguler la structure des pores.

Processus de fabrication de la poudre de graphite naturel

Transformation primaire

Concassage et broyage

Le minerai de graphite naturel doit être broyé au niveau du millimètre à l'aide d'équipements tels que des concasseurs à mâchoires et des concasseurs à cônes. Il est ensuite broyé en particules de l'ordre du micron à l'aide de broyeurs à billes, de broyeurs Raymond, etc. Au cours du processus de broyage, vous devez contrôler la distribution de la taille des particules afin d'éviter d'endommager la structure cristalline par un broyage excessif.

Classification et dépistage

Classer les particules en fonction de leur taille à l'aide d'équipements tels que des cribles vibrants et des classificateurs à flux d'air. Et renvoyer les particules grossières pour un nouveau broyage, tandis que les particules fines entrent dans le processus de purification. La méthode de classification par air peut contrôler avec précision la taille des particules dans une fourchette de 1 à 100μm, ce qui répond aux exigences des différentes applications.

Traitement de purification

Méthode de flottation

Cette méthode tire parti de la différence d'hydrophobie entre le graphite et l'hydrophilie des minéraux de la gangue. On ajoute d'abord les collecteurs tels que le kérosène et l'essence de térébenthine, ainsi que des agents moussants. Ensuite, grâce à une machine de flottation, les particules de graphite adhèrent aux bulles d'air et flottent. On obtient ainsi une séparation des impuretés telles que le quartz et le feldspath et la pureté peut atteindre 85%-95%.

Méthode alcali-acide

Fusion alcaline

Il faut mélanger le graphite et l'hydroxyde de sodium en proportion et les faire fondre à 500-700℃. Ensuite, les impuretés (telles que SiO2) se transforment en silicates solubles.

Acidification

Après refroidissement, ajouter de l'acide chlorhydrique ou de l'acide sulfurique pour dissoudre le silicate. Après lavage et séchage, la pureté peut atteindre plus de 98%, utilisé pour les matériaux de batteries moyennes et haut de gamme.

Méthode à haute température

Placer la poudre de graphite dans un four à atmosphère inerte à une température élevée de 2500-3000℃. Au cours de ce processus, les impuretés (telles que le bore et l'aluminium) se volatilisent sous forme gazeuse, avec une pureté supérieure à 99,9%. Vous pouvez l'utiliser dans des domaines haut de gamme tels que les semi-conducteurs et les industries nucléaires, mais la consommation d'énergie est relativement élevée.

Prétraitement des matières premières

Calcination du coke de pétrole

En tant que matière première clé pour la poudre de graphite artificiel, le coke brut contient des composés d'hydrocarbures et de l'humidité, qui doivent être calcinés. Il faut le placer dans un four de calcination à cuve ou un four rotatif à 1200-1400℃ pour permettre aux composants volatils de s'échapper. Ce processus permet d'augmenter la teneur en carbone, d'améliorer la densité, la résistance et la conductivité électrique, et de réduire les impuretés.

Malaxage de l'asphalte

Après la calcination, il faut mélanger le coke de pétrole avec le brai de goudron de houille en proportion. Le mélange est ensuite placé dans un malaxeur puissant, puis remué et malaxé à une température spécifique pour former un mélange d'une bonne plasticité. Sa viscosité et sa plasticité sont contrôlées avec précision, ce qui permet de répondre aux exigences du processus de moulage.

Formage et traitement thermique

Processus de formation

Il existe trois méthodes courantes : le moulage par extrusion, le moulage par compression et le pressage isostatique. Le moulage par extrusion consiste à extruder l'ébauche à travers une filière, ce qui convient à la production en continu. Le moulage par compression consiste à appliquer une pression dans un moule pour former des produits tels que des cylindres et des feuilles. Le pressage isostatique est un processus de compression isotrope sous haute pression pour augmenter la densité, qui est utilisé pour les produits à haute performance.

Processus de carbonisation

Chauffer lentement dans un gaz inerte à 800-1200℃ pour carboniser le liant et former une structure de carbone initiale. Ensuite, la matière organique se décompose pour produire du carbone et des gaz volatils, formant une structure poreuse, qui affecte la performance du produit final.

Processus de graphitisation

À des températures élevées de 2000-3000℃, le carbone amorphe dans le corps vert carbonisé est réarrangé en cristaux de graphite à réseau hexagonal. Cela améliore considérablement les propriétés clés telles que la conductivité électrique, le pouvoir lubrifiant et la résistance aux hautes températures.

Post-traitement

Concassage et broyage

Les blocs de graphite ont été broyés à l'aide d'équipements tels que des broyeurs à billes, des broyeurs à vibrations et des broyeurs à jet afin d'obtenir des particules de différentes tailles.

Classement et conditionnement

Classer la poudre de graphite broyée et fabriquer différents produits en fonction des spécifications relatives à la taille des particules. Après avoir passé l'inspection de qualité, le produit est emballé dans des sacs en plastique tissés, des sacs en papier ou des fûts scellés. Cela garantit que le transport et le stockage ne sont pas contaminés.

Nouvelle technologie de préparation des poudres de graphite

Préparation de la poudre de nano-graphite

5.1.1 Dépôt chimique en phase vapeur

La méthode CVD utilise le méthane et d'autres sources de carbone gazeux pour former des couches de nano-graphite. Ce procédé nécessite la décomposition et le dépôt de la source de carbone sur le substrat à 800-1200℃ et sous l'action d'un catalyseur. Le produit a une grande pureté, ce qui convient au domaine électronique haut de gamme, mais l'efficacité est faible.

5.1.2 Méthode d'exfoliation en phase liquide assistée par ultrasons

Il s'agit de disperser le graphite naturel dans des solvants tels que le NMP, de briser les forces intercouches du graphite et de le décoller pour obtenir des nanopoudres. Le processus est simple et se caractérise par une faible consommation d'énergie, ce qui permet une production de masse, adaptée à des scénarios exigeant peu d'uniformité.

Fabrication de la poudre de graphite composite

Procédés composites avec des métaux et des polymères

Composite métallique

Le frittage mixte de la métallurgie des poudres permet d'obtenir la lubrification et la résistance du métal, ce qui est utilisé pour les composants autolubrifiants.

Mélange de polymères

Lorsque la poudre de graphite est mélangée à des polymères, les méthodes couramment utilisées sont le mélange en solution et le mélange par fusion. Le graphite a une conductivité électrique et thermique, ce qui est utilisé dans les produits industriels qui conduisent l'électricité et la chaleur.

Contrôle de la qualité et mesures de protection de l'environnement dans le processus de fabrication

Inspection de la qualité

Le produit fini doit être testé pour des propriétés telles que la taille des particules, la pureté et la conductivité électrique. Les défauts d'aspect doivent être analysés à l'aide d'instruments pour s'assurer que le produit fini répond aux normes.

Traitement de la protection de l'environnement

Après la fabrication de la poudre de graphite, vous devez procéder à un traitement de protection de l'environnement pour éviter la pollution de l'air, la pollution de l'eau, etc. Par exemple, vous pouvez neutraliser, décanter et filtrer les eaux usées pour les purifier. Vous pouvez également éliminer les poussières et les gaz nocifs à l'aide de filtres à manches, de dépoussiéreurs électrostatiques et d'épurateurs afin de réduire l'impact sur l'environnement.

Conclusion

La production de poudre de graphite nécessite la sélection de procédés basés sur les caractéristiques des matières premières. Le graphite naturel est axé sur la purification, le graphite artificiel sur la graphitisation, et les nouvelles technologies favorisent les procédés à l'échelle nanométrique et les procédés composites. Parallèlement, vous devez tenir compte des exigences en matière de contrôle de la qualité et de protection de l'environnement.