精製黒鉛とは？

材料科学の分野では、鉛筆の芯からハイテク製品に至るまで、黒鉛はそのユニークな物理的・化学的特性を活かして広く利用されている。しかし、天然黒鉛には多くの不純物が含まれており、黒鉛の性能に深刻な影響を及ぼしている。精製黒鉛は、黒鉛がより大きな価値を発揮し、技術の発展を促進する鍵となります。

高純度黒鉛の調製方法

物理的方法

浮遊法：

分離は、グラファイトと不純物の表面の物理的性質の違いに基づいて達成される。特に濡れ性の違いである。黒鉛の天然疎水性は良好であり、不純物鉱物は親水性である。黒鉛鉱石を粉砕し、水と混合してパルプを形成し、コレクターと発泡剤を添加する。捕集剤は黒鉛を疎水化し、気泡に付着しやすくする。発泡剤は安定した気泡を作る。パルプに空気を通すと、グラファイトは気泡と一緒に浮き上がり、泡の層を形成する。そして不純物は底に残り、分離を達成する。

プロセスは簡単で、低コストで、黒鉛鉱石の大規模処理に適しています。しかし、微細な埋没不純物を除去することは困難であり、精製効果は限定的である。一般的に黒鉛の純度を80%～90%までしか上げることができません。

高温昇華法：

グラファイトの使用と不純物の昇華温度は異なる精製です。黒鉛の融点は3652℃と高く、大気圧下では溶融しにくい。高温下 真空温度は2700℃以上。シリコン、アルミニウム、鉄などの不純物は優先的に昇華し、黒鉛は基本的に固体のままである。特殊な高温炉に黒鉛を入れる。10^–3 -10^–5 Paの高真空温度を2800～3000℃に設定し、真空ポンプで不純物を抽出した後、昇華させます。これにより純度99.99%以上の黒鉛を得ることができる。しかし、装置が高価で、エネルギー消費も大きく、生産規模も限られている。

化学的方法

アルカリ酸法：

一般的には化学精製法を用い、アルカリや酸と反応させ、不純物を可溶性物質に変えて除去する。まず、黒鉛と水酸化ナトリウムを割合で混合し、500～700℃で焙焼します。そして、シリカやアルミナなどの不純物が反応し、ケイ酸ナトリウムとメタアルミン酸ナトリウムを生成する。焙焼した生成物を水に浸し、ろ過して可溶性塩を除去した。次に濾過残渣、鉄、カルシウムなどの金属不純物に塩酸を加えて可溶性塩化物を生成する。濾過後、精製黒鉛を洗浄する。プロセスは成熟し、設備は簡単で、精製効果は良好で、黒鉛の純度を95%-99%まで高めることができる。しかし、それは多くの廃水廃棄残渣を生成し、環境を汚染する。

フッ化水素酸法：

フッ化水素酸の使用と不純物の精製。フッ化水素酸は二酸化ケイ素などの不純物と反応し、揮発性の四フッ化ケイ素ガスを生成する。黒鉛にフッ化水素酸を割合で混合し、適当な温度で反応させ、最後にろ過・洗浄することで、高純度の黒鉛を得ることができる。これにより黒鉛の純度を99%以上に高めることができる。しかし、フッ化水素酸は腐食性が強く、毒性があり、設備や人員に対して高い安全性が要求される。また、フッ素を含む廃水の処理が難しく、環境保護コストが高い。

精製黒鉛の性能評価

純度検査とは

化学分析：

グラファイトの不純物元素を定量的に分析し、純度を測定する装置です。ICP-MSのように、同時に様々な微量元素を測定することができ、超高感度は、不純物の非常に低い含有量を検出することができます。AASは、主に金属不純物に焦点を当て、試料を霧化し、光の吸収の程度を測定する。不純物濃度を正確に計算し、黒鉛の純度を求めます。

灰分測定法：

黒鉛試料を950～1000℃で燃焼させ、重量、揮発性有機物などを一定にする。残った灰分の質量分率は、間接的に黒鉛の純度を反映することができる。操作は簡単ですが、不純物の総量しか知ることができません。また、特定の不純物の種類を定義することはできない。

微細構造観察

走査型電子顕微鏡（SEM）

グラファイトの微視的な状況を観察するために使用され、層状構造、結晶形態、不純物分布を明確に示すことができる。高分解能では、結晶欠陥などの微細な特徴も見ることができる。グラファイトの特性や、精製がその構造に与える影響を理解するのに役立つ。

透過型電子顕微鏡 (TEM) ：

格子構造など、グラファイトの微細構造を詳細に調べることができる。薄い試料を透過し、電子線回折とイメージング技術を使って原子配列を明らかにする。精製中のグラファイト結晶構造の変化を調べるのに役立つ。

パフォーマンステスト

導電率テスト：

グラファイト自体の導電性は良好で、精製後はより良くなる。電気抵抗を測定し、電気伝導率を計算するには、4探針法が一般的に用いられており、これが測定の鍵となる。リチウムイオン電池において、導電率の高い黒鉛負極は、電池の充放電効率を向上させることができる。

熱安定性試験：

高温用途におけるグラファイトの熱安定性は極めて重要である。熱重量分析(TGA)と示差走査熱量測定(DSC)により、それぞれ質量と熱の変化を分析した。異なる温度におけるグラファイトの性能安定性を評価する。

高純度黒鉛の用途

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池では、グラファイトは一般的な材料である。 陽極 材料である。精製黒鉛は理論比容量が高く、サイクル安定性がよく、リチウムイオン活動に対する不純物の障害を減らすことができる。内部抵抗を低減し、電池のエネルギー密度、充放電効率、レート性能を向上させ、サイクル寿命を延ばすことができる。また、電気自動車などの高性能電池の需要に応えることができる。

半導体製造

半導体製造には非常に高い材料純度が要求されます。精製された黒鉛は、製造装置で使用することができます。 グラファイトボート什器やその他の部品に使用される。不純物が非常に少ないため、半導体デバイスの汚染を避けることができる。その高い純度および熱安定性は高温、高精度のプロセス条件を満たすことができます。半導体デバイスの高品質生産を保証する。

原子力産業

原子力産業において、黒鉛は中性子減速材および反射材として使用されている。精製黒鉛中性子減速性能は良好で、化学的安定性は強い。中性子の速度と分布を効果的に制御し、核反応に対する不純物の干渉を低減することができます。原子炉の安全性と運転効率を向上させ、先進的な原子炉において大きな意義がある。

高級潤滑材料

黒鉛は良好な潤滑性能を有し、高級潤滑材料の重要な原料である。精製黒鉛を使用した潤滑材料は、高温、高圧、高真空などの過酷な条件下でも優れた潤滑性能を維持することができる。航空宇宙分野の機器の厳しいニーズを満たし、部品の摩耗を減らすことができる。

結論

精製黒鉛は不純物を効果的に除去し、性能を向上させることができる。そして、異なる精製方法には利点と欠点があり、総合的に考慮する必要があります。精製黒鉛は多くの分野で応用価値があり、産業の発展を促進する。将来的には、より効率的で、環境に優しく、低コストの精製技術が開発され、適用されるでしょう。