Che cos'è la grafite purificata?

Nel campo della scienza dei materiali, la grafite è ampiamente utilizzata grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche uniche, dalle matite ai prodotti high-tech. Tuttavia, la grafite naturale presenta molte impurità che ne compromettono seriamente le prestazioni. La grafite purificata è diventata la chiave, che può aiutarla a svolgere un ruolo più importante e a promuovere lo sviluppo della tecnologia.

Metodo di preparazione della grafite purificata

Metodo fisico

Metodo di flottazione:

La separazione si basa sulla differenza delle proprietà fisiche della superficie della grafite e delle impurità. In particolare, la diversa bagnabilità. L'idrofobicità naturale della grafite è buona, mentre i minerali delle impurità sono idrofili. Il minerale di grafite viene macinato e mescolato con acqua per formare una pasta, a cui vengono aggiunti un collettore e un agente schiumogeno. Il collettore rende la grafite più idrofoba e più facile da far aderire alle bolle. L'agente schiumogeno produce bolle stabili. Attraverso l'aria nella pasta, la grafite sale con le bolle formando uno strato di schiuma. Le impurità rimangono sul fondo per ottenere la separazione.

Il processo è semplice, a basso costo, adatto al trattamento su larga scala del minerale di grafite. Tuttavia, è difficile rimuovere le impurità a grana fine e l'effetto di purificazione è limitato. In genere può aumentare la purezza della grafite solo fino a 80%-90%.

Metodo di sublimazione ad alta temperatura:

La temperatura di sublimazione della grafite e delle impurità è diversa da quella di purificazione. Il punto di fusione della grafite è di 3652℃, difficile da fondere a pressione atmosferica. In condizioni di alta temperatura vuotoLa temperatura è superiore a 2700℃. Le impurità come il silicio, l'alluminio e il ferro vengono preferibilmente sublimate e la grafite rimane fondamentalmente solida. Mettere la grafite in uno speciale forno ad alta temperatura. A 10^–3 -10^–5 Pa alta temperatura di vuoto a 2800-3000 ℃, le impurità sublimano dopo essere state estratte dalla pompa a vuoto. In questo modo è possibile ottenere una purezza della grafite superiore al 99,99%. Tuttavia, le attrezzature sono costose, il consumo energetico è elevato e la scala di produzione è limitata.

Metodo chimico

Metodo alcalino-acido:

Comunemente si utilizza il metodo di purificazione chimica, la reazione con alcali e acidi per convertire le impurità in sostanze solubili da rimuovere. In primo luogo, si mescolano grafite e idrossido di sodio in proporzione, arrostendoli a 500-700 ℃. Le impurità come la silice e l'allumina reagiscono per produrre silicato di sodio e metaalluminato di sodio. I prodotti arrostiti sono stati immersi in acqua e filtrati per rimuovere il sale solubile. Quindi si aggiunge acido cloridrico al residuo del filtro, ferro, calcio e altre impurità metalliche per produrre cloruro solubile. Dopo la filtrazione, lavaggio della grafite purificata. Il processo è maturo, l'attrezzatura è semplice, l'effetto di purificazione è buono, può aumentare la purezza della grafite a 95%-99%. Ma produrrà molti residui di acque reflue, inquinando l'ambiente.

Metodo dell'acido fluoridrico:

L'uso dell'acido fluoridrico e la purificazione delle impurità. L'acido fluoridrico reagisce con le impurità, come il biossido di silicio, per formare il gas tetrafluoruro di silicio volatile. La grafite viene miscelata in proporzione con l'acido fluoridrico, reagisce alla temperatura appropriata, viene filtrata e lavata al termine per ottenere grafite di elevata purezza. In questo modo è possibile aumentare la purezza della grafite fino a oltre 99%. Tuttavia, l'acido fluoridrico è altamente corrosivo e tossico, con elevati requisiti di sicurezza per le attrezzature e il personale. Inoltre, è difficile trattare le acque reflue contenenti fluoro e i costi di protezione ambientale sono elevati.

Caratterizzazione delle prestazioni della grafite purificata

Il test di purezza significa

Analisi chimica:

Utilizzando strumenti per analizzare quantitativamente gli elementi di impurità della grafite per determinarne la purezza. Come l'ICP-MS è in grado di misurare simultaneamente una varietà di elementi in traccia, ad altissima sensibilità, può rilevare un contenuto molto basso di impurità. L'AAS si concentra principalmente sulle impurità metalliche, atomizzando il campione e misurando il grado di assorbimento della luce. La concentrazione di impurità viene calcolata con precisione e quindi si ottiene la purezza della grafite.

Metodo di determinazione delle ceneri:

Il campione di grafite viene bruciato a 950-1000 ℃ per mantenere costante il peso, la materia organica volatile, ecc. La frazione di massa di cenere rimanente può riflettere indirettamente la purezza della grafite. L'operazione è semplice, ma è possibile conoscere solo il contenuto totale di impurità. E i tipi specifici di impurità non possono essere definiti.

Osservazione della microstruttura

Microscopio elettronico a scansione (SEM)

Utilizzato per osservare la situazione microscopica della grafite, che può mostrare chiaramente la struttura a strati, la morfologia del cristallo e la distribuzione delle impurità. Ad alta risoluzione, è possibile vedere anche caratteristiche microscopiche come i difetti del cristallo. Ci aiuta a comprendere le proprietà della grafite e gli effetti della purificazione sulla sua struttura.

Microscopia elettronica a trasmissione (TEM) :

Permette di studiare in profondità la microstruttura della grafite, come la struttura reticolare. Penetra in campioni sottili e utilizza tecniche di diffrazione elettronica e di imaging per rivelare le disposizioni atomiche. Aiuta a studiare i cambiamenti nella struttura cristallina della grafite durante la purificazione.

Test di prestazione

Test di conducibilità:

La conducibilità della grafite stessa è buona e migliora dopo la purificazione. Il metodo delle quattro sonde è comunemente utilizzato per misurare la resistenza elettrica e calcolare la conducibilità elettrica, che è la chiave di misura. Nelle batterie agli ioni di litio, l'anodo di grafite ad alta conducibilità può migliorare l'efficienza di carica e scarica della batteria.

Test di stabilità termica:

La stabilità termica è fondamentale per la grafite nelle applicazioni ad alta temperatura. Le variazioni di massa e di calore sono state analizzate rispettivamente mediante analisi termogravimetrica (TGA) e calorimetria a scansione differenziale (DSC). Per valutare la stabilità delle prestazioni della grafite a diverse temperature.

Applicazioni della grafite purificata

Batterie agli ioni di litio

Nelle batterie agli ioni di litio, la grafite è un comune anodo materiale. La grafite purificata ha una capacità specifica teorica più elevata e una migliore stabilità di ciclo, in grado di ridurre l'ostruzione delle impurità alle attività degli ioni di litio. Può ridurre la resistenza interna, migliorare la densità energetica della batteria, l'efficienza di carica e scarica e le prestazioni di velocità, estendere la durata del ciclo. E può soddisfare la domanda di batterie ad alte prestazioni, come quelle dei veicoli elettrici.

Produzione di semiconduttori

La produzione di semiconduttori richiede una purezza del materiale molto elevata. È possibile utilizzare la grafite purificata nelle apparecchiature di produzione barche in grafite, apparecchi e altri componenti. Grazie al suo bassissimo contenuto di impurità, può evitare di inquinare i dispositivi a semiconduttore. La sua elevata purezza e stabilità termica possono soddisfare i requisiti di processo ad alta temperatura e alta precisione. Per garantire una produzione di alta qualità dei dispositivi a semiconduttore.

Industria nucleare

Nell'industria nucleare, la grafite viene utilizzata come moderatore di neutroni e materiale riflettente. Le prestazioni di decelerazione dei neutroni della grafite purificata sono buone, la stabilità chimica è forte. Può controllare efficacemente la velocità e la distribuzione dei neutroni, ridurre l'interferenza delle impurità sulle reazioni nucleari. Migliora la sicurezza e l'efficienza operativa del reattore ed è di grande importanza nei reattori nucleari avanzati.

Materiali lubrificanti di alta gamma

La grafite ha buone prestazioni di lubrificazione ed è un'importante materia prima per i materiali lubrificanti di alta gamma. I materiali lubrificanti a base di grafite purificata possono mantenere eccellenti prestazioni di lubrificazione in condizioni estreme, quali alta temperatura, alta pressione e alto vuoto. Sono in grado di soddisfare le esigenze delle apparecchiature del settore aerospaziale e di ridurre l'usura dei componenti.

Conclusione

La grafite purificata può rimuovere efficacemente le impurità e migliorare le prestazioni. I diversi metodi di purificazione presentano vantaggi e svantaggi, che devono essere considerati in modo completo. Ha un grande valore applicativo in molti campi e promuove lo sviluppo industriale. In futuro saranno sviluppate e applicate tecnologie di purificazione più efficienti, ecologiche e a basso costo.