Come si produce la polvere di grafite?

Grazie alla conducibilità elettrica, alla lubrificazione e alla resistenza alle alte temperature, la polvere di grafite è ampiamente utilizzata in settori come le batterie. Il suo processo di produzione varia a seconda delle materie prime, che racchiudono innovazione tecnologica materiale e industriale. Il processo comprende la purificazione della grafite naturale, la sintesi e la trasformazione della grafite artificiale e la preparazione di nuova grafite su scala nanometrica.

Materie prime per la produzione di polvere di grafite

Grafite naturale

Grafite naturale esiste in forma minerale in strutture geologiche come gneiss e scisti. La distribuzione delle sue risorse è regionale e, in base alla sua forma cristallina, può essere classificata come:

Grafite in scaglie

I cristalli sono disposti a strati e il loro diametro varia da pochi micrometri a diversi millimetri. Grazie all'elevata purezza e alla buona conducibilità elettrica, è possibile utilizzarlo come materiale anodico per batterie di alto livello e materiali elettronici flessibili.

Grafite terrosa

La struttura cristallina è disordinata, nota anche come "grafite criptocristallina". È necessario migliorare le sue prestazioni attraverso una purificazione profonda. È ampiamente utilizzata nei materiali refrattari, nei rivestimenti per colata e in altri campi.

Materie prime per la grafite artificiale

La materia prima principale della grafite artificiale è un solido contenente carbonio, comunemente incluso:

Coke di petrolio

Si tratta di un sottoprodotto della raffinazione del petrolio, il cui contenuto di carbonio supera i 90%. Dopo la calcinazione, diventa un precursore di grafitizzazione ed è la principale materia prima per l'elettrodo negativo delle batterie al litio.

Asfalto

Si divide in pece di catrame di carbone e pece di petrolio, utilizzate come leganti e fonti di carbonio. Vengono carbonizzati ad alte temperature per formare una struttura stratificata di grafite.

Coca Cola

È un prodotto della distillazione a secco del carbone, a basso costo ma con maggiori impurità. È adatto a scenari di fascia media e bassa, come i materiali refrattari.

Nero di carbonio

È possibile utilizzarlo come materiale ausiliario in alcuni processi speciali per regolare la struttura dei pori.

Processo di produzione della polvere di grafite naturale

Elaborazione primaria

Frantumazione e macinazione

È necessario frantumare il minerale di grafite naturale a livello millimetrico utilizzando attrezzature come frantoi a mascelle e frantoi a cono. Quindi macinare le particelle a livello di micron con mulini a sfere, mulini Raymond, ecc. Durante il processo di macinazione, è necessario controllare la distribuzione delle dimensioni delle particelle per evitare danni alla struttura cristallina causati da una macinazione eccessiva.

Classificazione e screening

Classificare le particelle in base alla loro dimensione utilizzando apparecchiature come vagli vibranti e classificatori a flusso d'aria. Le particelle grossolane vengono quindi restituite per una nuova macinazione, mentre le particelle fini entrano nel processo di purificazione. Il metodo di classificazione ad aria è in grado di controllare con precisione le dimensioni delle particelle in un intervallo compreso tra 1 e 100μm, soddisfacendo così i requisiti di diverse applicazioni.

Trattamento di purificazione

Metodo di flottazione

Questo metodo sfrutta la differenza di idrofobicità tra la grafite e l'idrofilia dei minerali di ganga. Per prima cosa si aggiungono i collettori, come cherosene e olio di trementina, e gli agenti schiumogeni. Quindi, attraverso una macchina di flottazione, le particelle di grafite vengono fatte aderire alle bolle d'aria e galleggiano verso l'alto. In questo modo si ottiene la separazione da impurità come quarzo e feldspato e la purezza può raggiungere 85%-95%.

Metodo alcali-acido

Fusione alcalina

È necessario mescolare la grafite e l'idrossido di sodio in proporzione e fonderli a 500-700℃. Successivamente, le impurità (come SiO2) si trasformano in silicati solubili.

Acidificazione

Dopo il raffreddamento, aggiungere acido cloridrico o acido solforico per sciogliere il silicato. Attraverso il lavaggio e l'essiccazione, la purezza può raggiungere oltre 98%, utilizzata per i materiali delle batterie di fascia media e alta.

Metodo ad alta temperatura

La polvere di grafite viene posta in un forno ad atmosfera inerte a una temperatura elevata di 2500-3000℃. Durante questo processo, le impurità (come boro e alluminio) volatilizzano in forma gassosa, con una purezza superiore al 99,9%. È possibile utilizzarlo in settori di alto livello come i semiconduttori e l'industria nucleare, ma il consumo energetico è relativamente elevato.

Pretrattamento delle materie prime

Calcinazione del coke di petrolio

Come materia prima fondamentale per la polvere di grafite artificiale, il coke grezzo contiene composti idrocarburici e umidità, che devono essere calcinati. È necessario collocarlo in un forno di calcinazione o in un forno rotativo a 1200-1400℃ per consentire la fuoriuscita dei componenti volatili. Questo processo può aumentare il contenuto di carbonio, migliorare la densità, la resistenza e la conducibilità elettrica e ridurre le impurità.

Impasto dell'asfalto

Dopo la calcinazione, è necessario mescolare il coke di petrolio con la pece di catrame di carbone in proporzione. Quindi si mette la miscela in una potente impastatrice e la si mescola e impasta a una temperatura specifica per formare una miscela con una buona plasticità. La viscosità e la plasticità sono controllate con precisione e possono soddisfare i requisiti del processo di stampaggio.

Formatura e trattamento termico

Processo di formatura

Esistono tre metodi comuni: lo stampaggio per estrusione, lo stampaggio a compressione e la pressatura isostatica. Lo stampaggio per estrusione estrude lo spezzone attraverso una matrice, adatta alla produzione continua. Lo stampaggio a compressione prevede l'applicazione di una pressione in uno stampo per formare prodotti come cilindri e fogli. La pressatura isostatica è un processo di compressione isotropa ad alta pressione per aumentare la densità, utilizzato per prodotti ad alte prestazioni.

Processo di carbonizzazione

Riscaldare lentamente in un gas inerte a 800-1200℃ per carbonizzare il legante e formare una struttura iniziale di carbonio. Successivamente, la materia organica si decompone producendo carbonio e gas volatili, formando una struttura di pori che influisce sulle prestazioni del prodotto finale.

Processo di grafitizzazione

A temperature elevate di 2000-3000℃, il carbonio amorfo del corpo verde carbonizzato si riorganizza in cristalli di grafite a reticolo esagonale. Questo migliora significativamente proprietà chiave come la conducibilità elettrica, la lubrificazione e la resistenza alle alte temperature.

Post-elaborazione

Frantumazione e macinazione

I blocchi di grafite sono stati frantumati utilizzando apparecchiature come mulini a sfere, mulini a vibrazione e mulini a getto per ottenere particelle di diverse dimensioni.

Classificazione e imballaggio

Classificare la polvere di grafite frantumata e produrre prodotti diversi in base alle specifiche granulometriche. Dopo aver superato l'ispezione di qualità, la polvere viene imballata in sacchi di plastica, sacchi di carta o fusti sigillati. In questo modo si garantisce che il trasporto e lo stoccaggio non siano contaminati.

Nuova tecnologia di preparazione della polvere di grafite

Preparazione della polvere di nano-grafite

5.1.1 Deposizione chimica da vapore

Il metodo CVD utilizza metano e altre fonti di carbonio gassoso per formare strati di nano-grafite. Questo processo richiede la decomposizione e la deposizione della fonte di carbonio sul substrato a 800-1200℃ e sotto l'azione di un catalizzatore. Il prodotto ha un'elevata purezza, adatta al settore elettronico di fascia alta, ma l'efficienza è bassa.

5.1.2 Metodo di esfoliazione in fase liquida assistita da ultrasuoni

Si tratta di disperdere la grafite naturale in solventi come l'NMP, rompere le forze intercalari della grafite e staccarla per ottenere la nano-polvere. Il processo è semplice e caratterizzato da un basso consumo energetico, consentendo una produzione di massa, adatta a scenari con bassi requisiti di uniformità.

Produzione di polvere di grafite composita

Processo composito con metalli e polimeri

Composito metallico

La sinterizzazione mista della metallurgia delle polveri ha una forza lubrificante e metallica che viene utilizzata per i componenti autolubrificanti.

Composizione di polimeri

Quando la polvere di grafite viene composta con i polimeri, i metodi comunemente utilizzati includono la miscelazione in soluzione e la miscelazione in fusione. Ha una conducibilità elettrica e termica, che viene utilizzata nei prodotti industriali che conducono elettricità e calore.

Controllo della qualità e misure di protezione ambientale nel processo di produzione

Ispezione della qualità

Il prodotto finito finale deve essere testato per verificare proprietà quali la dimensione delle particelle, la purezza e la conducibilità elettrica. Anche i difetti estetici devono essere analizzati con strumenti che garantiscano la conformità del prodotto finito agli standard.

Trattamento di protezione ambientale

Dopo la produzione della polvere di grafite, è necessario effettuare un trattamento di protezione ambientale per prevenire l'inquinamento dell'aria, dell'acqua, ecc. Ad esempio, è possibile neutralizzare, sedimentare e filtrare le acque reflue per purificarle. E rimuovere le polveri e i gas nocivi utilizzando filtri a manica, precipitatori elettrostatici e scrubber per ridurre l'impatto ambientale.

Conclusione

La produzione di polvere di grafite richiede la selezione di processi basati sulle caratteristiche delle materie prime. La grafite naturale si concentra sulla purificazione, la grafite artificiale enfatizza la grafitizzazione e le nuove tecnologie promuovono processi su scala nanometrica e compositi. Nel frattempo, è necessario tenere conto dei requisiti di controllo della qualità e di protezione dell'ambiente.