Como fazer grafite em pó?

Com condutividade elétrica, lubrificação e resistência a altas temperaturas, o pó de grafite é amplamente utilizado em campos como o de baterias. E seu processo de fabricação varia de acordo com as matérias-primas, o que incorpora inovação tecnológica industrial e de materiais. Ele inclui a purificação do grafite natural, a síntese e a transformação do grafite artificial e a preparação do novo grafite em escala nanométrica.

Matérias-primas para a fabricação de pó de grafite

Grafite natural

Grafite natural existe na forma mineral em estruturas geológicas como gnaisse e xisto. A distribuição de seus recursos é regional e, de acordo com sua forma cristalina, pode ser classificado como:

Grafite em flocos

Os cristais são dispostos em camadas e seus diâmetros variam de alguns micrômetros a vários milímetros. Devido à alta pureza e à boa condutividade elétrica, ele pode ser usado como material anódico para baterias de alta qualidade e materiais eletrônicos flexíveis.

Grafite terroso

A estrutura cristalina é desordenada, também conhecida como "grafite criptocristalino". É necessário melhorar seu desempenho por meio de purificação profunda. E é amplamente utilizado em materiais refratários, revestimentos de fundição e outros campos.

Matérias-primas para grafite artificial

A principal matéria-prima do grafite artificial é um sólido que contém carbono, geralmente incluindo:

Coque de petróleo

Trata-se de um subproduto do refino de petróleo, cujo teor de carbono excede 90%. Após a calcinação, ele se torna um precursor de grafitização e é a principal matéria-prima para o eletrodo negativo das baterias de lítio.

Asfalto

Ele é dividido em piche de alcatrão de carvão e piche de petróleo, que são usados como aglutinantes e fontes de carbono. Eles são carbonizados em altas temperaturas para formar uma estrutura em camadas de grafite.

Coca-Cola

É um produto de destilação seca de carvão, com baixo custo, mas com mais impurezas. E é adequado para cenários de médio e baixo custo, como materiais refratários.

Preto carbono

Você pode usá-lo como material auxiliar em alguns processos especiais para regular a estrutura dos poros.

Processo de fabricação do pó de grafite natural

Processamento primário

Trituração e moagem

Você deve triturar o minério de grafite natural até o nível milimétrico usando equipamentos como britadeiras de mandíbula e britadeiras de cone. Em seguida, moer as partículas até o nível de mícron por meio de moinhos de bolas, moinhos Raymond, etc. Durante o processo de moagem, é necessário controlar a distribuição do tamanho das partículas para evitar danos à estrutura do cristal causados por moagem excessiva.

Classificação e triagem

Classifique as partículas por tamanho de partícula usando equipamentos como peneiras vibratórias e classificadores de fluxo de ar. E devolva as partículas grossas para nova moagem, enquanto as partículas finas entram no processo de purificação. O método de classificação a ar pode controlar com precisão o tamanho das partículas na faixa de 1 a 100μm, o que atende aos requisitos de diferentes aplicações.

Tratamento de purificação

Método de Flotação

Esse método aproveita a diferença de hidrofobicidade entre o grafite e a hidrofilicidade dos minerais de ganga. Primeiro, adicionam-se os coletores, como querosene e óleo de terebintina, além de agentes espumantes. Em seguida, por meio de uma máquina de flotação, as partículas de grafite são levadas a aderir às bolhas de ar e a flutuar. Assim, consegue-se a separação de impurezas, como quartzo e feldspato, e a pureza pode chegar a 85%-95%.

Método alcalino-ácido

Derretimento de álcalis

Você deve misturar o grafite e o hidróxido de sódio em proporção e derretê-los a 500-700℃. Depois disso, as impurezas (como SiO2) são transformados em silicatos solúveis.

Acidificação

Após o resfriamento, adicione ácido clorídrico ou ácido sulfúrico para dissolver o silicato. E, por meio de lavagem e secagem, a pureza pode chegar a mais de 98%, usado para materiais de bateria de médio e alto nível.

Método de alta temperatura

Coloque o pó de grafite em um forno de atmosfera inerte a uma alta temperatura de 2500-3000°C. Durante esse processo, as impurezas (como boro e alumínio) se volatilizam na forma gasosa, com uma pureza de mais de 99,9%. Ele pode ser usado em áreas de ponta, como semicondutores e indústrias nucleares, mas o consumo de energia é relativamente alto.

Pré-tratamento de matéria-prima

Calcinação de coque de petróleo

Como principal matéria-prima para o pó de grafite artificial, o coque bruto contém compostos de hidrocarbonetos e umidade, que precisam ser calcinados. Deve-se colocá-lo em um forno de calcinação de tanque ou forno rotativo a 1200-1400°C para permitir que os componentes voláteis escapem. Esse processo pode aumentar o teor de carbono, melhorar a densidade, a resistência e a condutividade elétrica e reduzir as impurezas.

Amassamento de asfalto

Após a calcinação, é necessário misturar o coque de petróleo com o piche de alcatrão de carvão em proporção. Em seguida, coloque a mistura em uma amassadeira potente, mexa e amasse-a em uma temperatura específica para formar uma mistura com boa plasticidade. Sua viscosidade e plasticidade são controladas com precisão, o que pode atender aos requisitos do processo de moldagem.

Conformação e tratamento térmico

Processo de formação

Há três métodos comuns: moldagem por extrusão, moldagem por compressão e prensagem isostática. A moldagem por extrusão extrude a peça bruta por meio de uma matriz, o que é adequado para a produção contínua. A moldagem por compressão envolve a aplicação de pressão em um molde para formar produtos como cilindros e chapas. A prensagem isostática é um processo de compressão isotrópica sob alta pressão para aumentar a densidade, que é usado para produtos de alto desempenho.

Processo de carbonização

Aqueça lentamente em um gás inerte a 800-1200°C para carbonizar o aglutinante e formar uma estrutura inicial de carbono. Em seguida, a matéria orgânica se decompõe para produzir carbono e gases voláteis, formando uma estrutura de poros que afeta o desempenho do produto final.

Processo de grafitização

Em altas temperaturas de 2000 a 3000°C, o carbono amorfo no corpo verde carbonizado é reorganizado em cristais de grafite de estrutura hexagonal. Isso aumenta significativamente as principais propriedades, como condutividade elétrica, lubricidade e resistência a altas temperaturas.

Pós-processamento

Trituração e moagem

Os blocos de grafite foram triturados usando equipamentos como moinhos de bolas, moinhos vibratórios e moinhos a jato para obter diferentes tamanhos de partículas.

Classificação e embalagem

Classifique o pó de grafite triturado e produza produtos diferentes de acordo com as especificações de tamanho de partícula. Depois de passar pela inspeção de qualidade, ele é embalado em sacos plásticos de tecido, sacos de papel ou tambores selados. Isso garante que o transporte e o armazenamento não sejam contaminados.

Nova tecnologia de preparação de pó de grafite

Preparação de pó de nanografite

5.1.1 Deposição de vapor químico

O método CVD usa metano e outras fontes de carbono gasoso para formar camadas de nanografite. Esse processo requer a decomposição e a deposição da fonte de carbono no substrato a 800-1200°C e sob a ação de um catalisador. O produto tem alta pureza, o que é adequado para o campo eletrônico de ponta, mas a eficiência é baixa.

5.1.2 Método de esfoliação em fase líquida assistida por ultrassom

Esse processo consiste em dispersar o grafite natural em solventes como o NMP, quebrar as forças entre as camadas de grafite e descolar para obter nanopó. O processo é simples e apresenta baixo consumo de energia, permitindo a produção em massa, adequada para cenários com requisitos de baixa uniformidade.

Fabricação de pó de grafite composto

Processo composto com metais e polímeros

Composto metálico

A sinterização mista da metalurgia do pó, então, tem a lubrificação e a resistência do metal, que é usada para componentes autolubrificantes.

Composição de polímeros

Quando o pó de grafite é composto por polímeros, os métodos comumente usados incluem a mistura de soluções e a mistura por fusão. Ele tem condutividade elétrica e térmica, que é usada em produtos industriais que conduzem eletricidade e calor.

Medidas de controle de qualidade e proteção ambiental no processo de fabricação

Inspeção de qualidade

O produto final acabado precisa ser testado quanto a propriedades como tamanho de partícula, pureza e condutividade elétrica. E os defeitos de aparência devem ser analisados com instrumentos para garantir que o produto acabado atenda aos padrões.

Tratamento de proteção ambiental

Após a fabricação do pó de grafite, é necessário realizar um tratamento de proteção ambiental para evitar a poluição do ar, da água etc. Por exemplo, você pode neutralizar, assentar e filtrar a água residual para purificá-la. E remover a poeira e os gases nocivos usando filtros de mangas, precipitadores eletrostáticos e purificadores para reduzir o impacto ambiental.

Conclusão

A produção de pó de grafite exige a seleção de processos com base nas características das matérias-primas. O grafite natural se concentra na purificação, o grafite artificial enfatiza a grafitização e as novas tecnologias promovem processos compostos e em nanoescala. Enquanto isso, é preciso levar em conta os requisitos de controle de qualidade e de proteção ambiental.