Che cos'è la grafite colloidale?

Nel campo della scienza dei materiali, la grafite colloidale si distingue per le sue proprietà uniche e l'ampia applicazione. È diventata il fulcro della ricerca scientifica e dell'ingegneria. È diversa dalla grafite tradizionale e da altri materiali da micro a macro, ed è indispensabile nell'industria moderna e nei campi dell'alta tecnologia. La sua profonda comprensione favorisce l'utilizzo dei materiali e può anche fornire ispirazione per la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali.

Definizione di base e composizione della grafite colloidale

La grafite colloidale è essenzialmente un sistema colloidale di grafite altamente disperso, composto da particelle di grafite uniformemente disperse in uno specifico mezzo di dispersione. La grafite è una fase dispersa e il mezzo di dispersione è acqua, solventi organici, ecc.

Come allotropo del carbonio, la grafite ha una struttura stratificata; gli atomi di carbonio nello strato formano una rete planare esagonale con legami covalenti. I suoi strati sono influenzati da deboli forze di van der Waals. Ciò conferisce alla grafite proprietà uniche e pone le basi per le prestazioni della grafite colloidale. Nella grafite colloidale, le dimensioni delle particelle di grafite rientrano nella categoria colloidale di 1-1000 nanometri. Dopo uno speciale trattamento e un processo di dispersione, la sospensione stabile forma una soluzione o una sospensione uniforme e stabile. Questo combina le caratteristiche della grafite e le proprietà speciali della grafite colloidale, offrendo la possibilità di molti campi di applicazione.

Proprietà uniche della grafite colloidale

Conducibilità elettrica

La grafite ha una struttura a strati e i legami covalenti tra gli atomi di carbonio fanno sì che ogni strato abbia elettroni di valenza liberi di muoversi. Questo è simile al gas di elettroni liberi dei metalli, che gli conferisce una buona conducibilità elettrica. Dopo la colloidalizzazione, anche se le particelle sono disperse, gli elettroni liberi possono ancora trasferire la carica tra le particelle e gli ioni del mezzo disperdente. Ciò consente alla grafite colloidale di mantenere un'eccellente conducibilità elettrica nel suo complesso. È possibile utilizzarla ampiamente nella produzione di rivestimenti conduttivi, materiali per elettrodi e altri settori elettronici.

Lubrificazione

A causa della struttura a strati della grafite, la forza di van der Waals tra gli strati è debole. Ogni strato è facile da far scorrere in modo relativo, con una lubrificazione naturale, e anche la grafite colloidale mantiene questa caratteristica. Applicandola alla superficie di attrito, le particelle di grafite formano un film lubrificante, riducendo il coefficiente di attrito e di usura. La sua elevata dispersione può essere distribuita uniformemente su superfici complesse, fornendo una lubrificazione completa e duratura. Inoltre, presenta vantaggi significativi in condizioni meccaniche particolari, come le alte temperature e i carichi elevati.

Stabilità termica

La grafite è un materiale resistente alle alte temperature. Anche a temperature di migliaia di gradi Celsius, la struttura cristallina rimane relativamente stabile. Una volta trasformata in grafite colloidale, può mantenere prestazioni stabili finché il mezzo di dispersione è in grado di resistere alla temperatura corrispondente. È quindi possibile utilizzarla in scenari con elevati requisiti di stabilità termica. Come la sigillatura di forni ad alta temperatura e la dissipazione del calore di apparecchiature ad alta temperatura.

Stabilità della dispersione

Con l'aiuto di uno speciale processo di dispersione e di un disperdente adeguato, le particelle di grafite possono essere disperse in modo uniforme e stabile nel mezzo di dispersione. Inoltre, non possono agglomerarsi e precipitare per lungo tempo, il che garantisce che le prestazioni della grafite colloidale siano costanti quando viene conservata e utilizzata. È comoda per il rivestimento, la spruzzatura e altre operazioni di lavorazione e può essere attaccata uniformemente a varie superfici della matrice. Per formare un rivestimento o un film con prestazioni uniformi e soddisfare le esigenze di uniformità del materiale in diversi scenari.

Come si produce la grafite colloidale?

Metodo di rettifica meccanica

Si tratta di un processo comune per la preparazione della grafite colloidale. Attraverso il mulino a sfere, il mulino a sabbia e altre apparecchiature, si macinano a lungo le materie prime di grafite e si frantumano gradualmente le particelle grandi fino a raggiungere le dimensioni colloidali. Durante la macinazione, l'aggiunta di una quantità adeguata di disperdente e di coadiuvante di macinazione può impedire alle particelle di grafite di riunirsi e migliorare l'efficienza della macinazione. L'attrezzatura è semplice e il costo non è elevato, quindi è adatta alla produzione su larga scala. Tuttavia, nel processo di macinazione è facile che si mescolino impurità, che influiscono sulla purezza e sulle prestazioni della grafite colloidale. Inoltre, è difficile controllare con precisione la distribuzione dimensionale delle particelle di grafite, con conseguente qualità non uniforme del prodotto.

Metodo di dispersione a ultrasuoni

Viene utilizzato per disperdere le particelle di grafite mediante cavitazione ultrasonica. Quando l'onda ultrasonica si propaga nel mezzo disperdente, genera aree ad alta e bassa pressione per formare bolle di cavitazione. Le bolle collassano rapidamente sotto l'alta pressione, creando onde d'urto e microgetti. Ciò esercita una forte forza di taglio sulle particelle di grafite, provocandone la rottura e la dispersione uniforme. Il metodo consente di ottenere una dispersione ad alta efficienza in breve tempo e di ottenere grafite colloidale con una distribuzione granulometrica stretta. Tuttavia, il costo dell'attrezzatura è elevato, la resa è bassa e ci sono alcune limitazioni nella produzione di massa.

Metodo di esfoliazione chimica

Questo metodo distrugge o indebolisce il legame chimico tra gli strati di grafite per reazione chimica. In questo modo la struttura stratificata della grafite viene spogliata per formare un foglio di grafene singolo o multistrato. Quindi viene disperso in grafite colloidale nel mezzo di dispersione. Il metodo comune è la REDOX. In primo luogo, ossidare la grafite con un forte agente ossidante, introducendo gruppi funzionali contenenti ossigeno per aumentare la distanza tra gli strati. Quindi, rimuovendo i gruppi funzionali mediante reazione di riduzione, si ottiene il grafene. Questo metodo può controllare con precisione il numero e le dimensioni degli strati di grafite e la grafite colloidale preparata è di alta qualità e con prestazioni eccellenti. Tuttavia, il processo è complicato, i reagenti chimici sono a rischio di inquinamento ambientale e il costo di produzione è elevato.

Campi di applicazione della grafite colloidale

Campo elettronico

La grafite colloidale può essere ampiamente utilizzata nel settore elettronico grazie alla sua eccellente conducibilità elettrica e lavorabilità. Ad esempio, può essere utilizzata per la produzione di inchiostro conduttivo. Grazie alla tecnologia di stampa sul substrato per produrre circuiti, elettrodi e altri componenti, viene applicata ai dispositivi elettronici flessibili e ad altri prodotti. Può essere utilizzato anche come additivo per imballaggi elettronici per migliorare la conducibilità elettrica e la dissipazione del calore. Inoltre, garantisce il funzionamento stabile delle apparecchiature elettroniche.

Settore dell'ingegneria meccanica

Nel campo dell'ingegneria meccanica, può essere utilizzato come lubrificante e materiale di rivestimento antiusura. Per le parti di attrito delle apparecchiature, può ridurre l'attrito, l'usura e migliorare l'efficienza e la durata. Rivestendo la superficie delle parti si può formare un rivestimento resistente all'usura, che aumenta la durezza e la resistenza all'usura. È particolarmente adatto per le alte temperature, il vuoto spinto e altri ambienti meccanici speciali.

Campo energetico

Nel campo dell'energia, svolge un ruolo fondamentale nelle batterie e nelle celle solari. Come materiale per elettrodi negativi nelle batterie agli ioni di litio, favorisce l'attività degli ioni di litio e migliora la carica e la scarica e la durata del ciclo. Si può usare per preparare elettrodi conduttivi trasparenti nelle celle solari per migliorare l'efficienza di conversione fotoelettrica. Può essere utilizzato anche nei supercondensatori, per migliorare le prestazioni di immagazzinamento dell'energia.

Altri campi

Nel settore aerospaziale, grazie alla sua buona stabilità termica e alla lubrificazione, può essere utilizzato per la lubrificazione dei componenti ad alta temperatura dei motori e per la protezione termica degli aerei. In biomedicina, viene trattato come vettore di farmaci. Anche nel campo dell'edilizia, si può aggiungere alla vernice, conferendole conducibilità elettrica e proprietà antistatiche, impedendo l'assorbimento della polvere.

Conclusione

La grafite colloidale ha proprietà uniche e ampie prospettive di applicazione. E svolge un ruolo importante nel elettronicaIl materiale è adatto a tutti i settori, dai macchinari all'energia e ad altri campi, grazie ai suoi vantaggi di conducibilità elettrica e lubrificazione. Può essere preparato mediante macinazione meccanica e altri processi per soddisfare le diverse esigenze. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il suo processo di preparazione sarà continuamente ottimizzato e avrà sempre più applicazioni.

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