以天然石墨为原料开发人造石墨

  实际上,借鉴人造石墨的制备工艺开发石墨新产品,在人造石墨行业早已经不是新鲜话题。以天然石墨作主要材料或辅助原料按照人造石墨生产工艺制备的炭石墨制品已很多,有的甚至已经形成较大的产业。

  锌锰电池炭棒:以天然微晶石墨和煤沥青为主要原料,经混捏、挤压成型、焙烧、机加工、

  浸蜡等工艺生产的锌锰电池(俗称干电池)碳棒。主要利用天然微晶石墨的高导电性和价格低廉的特点,对灰分含量要求不高,但对铁、硫等杂质含量的要求较严格。

  天然石墨电刷:以天然微晶石墨和煤沥青为主要原料,经混捏、轧片、磨粉、模压成型、焙烧(必要时还需要石墨化处理)、机加工等工序生产的电机电刷。主要利用天然鳞片石墨的高导电性和高取向性的特点,要求铁、硫等杂质含量较低且灰分含量不高于2%,机加工是要注意鳞片石墨的取向。

  机械用炭石墨材料:以天然石墨和煤沥青为主要原料,经混捏、轧片、磨粉、模压成型、焙烧等工序生产的块状材料,需根据使用要求进行精密机加工。主要利用天然石墨的润滑性和耐高温、耐腐蚀的特性,对灰分和杂质含量有较高要求。

  从上述几个例子可以看出,与侠义的人造石墨相比,以天然石墨做为主要原材料或辅助原料,按人造石墨生产工艺制备的炭石墨制品在生产工艺和产品性能等方面存在以下差别:(1)前者通常需要经过2500摄 氏度以上的石墨化处理,以获得所需的理化性能,而后者既可以经过石墨化处理,也可以不经过石墨化处理,为降低生产成本通常不经过石墨化处理,因此其组织结 构中存在有粘结剂沥青转化而成的“炭”相。这种位于石墨颗粒周围饼使石墨颗粒结合在一起的炭,硬度较大、导电性远低于天然石墨,因此对产品的使用性能有较 大影响。

  2)由于天然石墨通常以粉体形态存在且与煤沥青的结合力较差,以天然石墨为原材料制备的炭石墨制品通常存在气孔率较大、机械强度偏低、抗氧化性和抗热震性较差等缺点,因此产品规格不能太大,应用领域也收到较大的限制。

  根据上述分析和讨论,以天然石墨为原料开发人造石墨时,在技术方面需要注意一下几个问题:

  天然石墨的表面改性。

  与 石油焦、沥青焦等炭质原料相比,天然石墨的表面含氧官能团较少,活性较低,与煤沥青的结合能力较差,因此以天然石墨,特别是天然鳞片石墨作主要原材料,按 人造石墨生产工艺制备的炭石墨制品不可避免地存在力学性能教差的问题,需要对天然石墨进行适当的表面处理,增加其表面含氧官能团含量。

  天然石墨的纯化

  石油焦、沥青焦等炭质原料的纯度较高,灰分含量通常低于0.5%,而经浮选处理的天然石墨的纯度较低,碳含凉风通常在90%以 下,因此以天然石墨为原料制备的炭石墨制品往往因纯度较低,综合性能较差而使其应用领域受到限制。对天然石墨进行高纯化处理,是解决这一问题的途径之一。 化学纯化成本较低,但洗涤过程中用水量大,污染较大,而高温纯化则存在成本较高的问题。也有人认为可以先按人造石墨的生产制备出块状石墨,再通过2500摄氏度以上的高温热处理,在使“炭”相石墨化的同时去除天然石墨相中的杂质,但一是增加了生产成本,二是杂质气化后形成的缺陷往往会造成产品性能下降。

  天然石墨的颗粒。

  为改善工艺性能和产品性能,除细结构炭石墨制品外,大多数炭石墨制品在配料过程中都需要采用不同粒级的炭质原料,某些大规格制品,炭制原料的颗粒尺寸甚至达到16毫 米,而经浮选处理的天然石墨往往呈细粉装,颗粒尺寸仅几十到几百微米,因此以天然石墨为原料仅限于制备细结构炭石墨制品。虽然可以获得粒级不同的天然微晶 石墨,但因其纯度较低,高温纯化处理成本过高,所以也未见以天然微晶石墨为原料制备粗结构炭石墨制品的报道。为解决大颗粒石墨缺乏的问题,建议采用人造石 墨行业处理炭黑原料时的“二次焦”工艺。

  制备过程的体积收缩

  在人造石墨的制备过程中,特别是在石墨化过程中,由于碳原子的排列逐渐向规整的石墨结构转变,因此制品的体积收缩较大。这种体积收缩的有利之处是可提高制品开裂。而以天然石墨做原料时,由于炭化和石墨化过程的体积收缩较小,因此制品的密度和力学性能较低。

  此外,以天然石墨为原料开发人造石墨时,还需考虑综合生产成本的问题。由于浮选的天然石墨的价格和缎后石油焦、沥青焦相近,而再经过纯化处理至碳含量达98%时,天然石墨的价格已接近煅后焦、沥青焦的二倍,因此除了前述的几种已经形成较大产业的炭石墨制品外,大多数技术路线和技术措施的提出都会使生产成本大幅度增加。

  综 上所述,以天然石墨为原料开发人造石墨制品不失为拓展天然石墨应用领域的重要途径之一。天然石墨作为辅助材料早已用于部分人造石墨生产,但以天然石墨为主 要原料开发人造石墨制品还存在较多需要解决的问题,充分认识和利用天然石墨的结构与特性,采用适合的公艺路线和方法,生产具有特殊结构、性能和用途的人造 石墨产品,应该是实现这一目标的较佳方式