گرافیت؛ ویژگی‌ها و کاربردهای آن در صنعت
گرافیت یکی از آلوتروپ‌های کربن است که ساختار لایه لایه دارد. این ساختار لایه لایه باعث می‌شود صفحات گرافیت به راحتی روی یکدیگر بلغزند. بنابراین از این ترکیب می‌توان برای روان‌کاری و روغن کاری استفاده کرد. علاوه بر این، از گرافیت در الکترودهای کوره، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها و نوک مداد نیز استفاده می‌شود.
گرافیت یک کربن پلی مورف (چند شکلی) غیرشفاف و مات است که رنگ نقره‌ای مایل به سیاه دارد. براقیت آن از حالت فلزی کدر تر است. از آنجا که به فلز سرب شباهت زیادی دارد، در اصطلاح عامیانه به عنوان سرب سیاه یا پلومباگو نیز شناخته می‌شود.
گرافیت اغلب به صورت پوسته یا لایه‌های بلوری در سنگ‌های دگرگونی مانند سنگ مرمر، شیست و گنیس یافت می‌شود. گرافیت همچنین ممکن است در بسترهای شیل و زغال سنگ غنی از مواد آلی وجود داشته باشد. در این موارد، گرافیت احتمالا ناشی از احتباس گیاهان و حیوانات مرده در لایه‌های رسوبی است. گرافیت در شهاب سنگ‌ها نیز وجود دارد.
پودر گرافیت
پودر گرافیت یک ماده طبیعی یا سینتیک است که با حرارت دادن کک پودری بالاتر از دمای گرافیت‌سازی با برخی تغییرات جزئی ایجاد می‌شود. پودر گرافیت اکثر اوقات از قراضه‌های گرافیت الکترودهای غیرقابل استفاده و تراشه‌های تراشکاری معمولا پس از خرد شدن تهیه می‌شود. از انواع پودر گرافیت می‌توان به پودر گرافیت چرب، طبیعی، نقره‌ای، پولکی، کم سولفور، گرانوله و پر سولفور اشاره کرد.
پودر گرافیت شکلی از ماده طبیعی کربن است. این ماده معدنی بیشتر در سنگ‌های دگرگونی و آذرین یافت می‌شود. این پودر بسیار نرم دارای وزن مخصوص بسیار پایین است. پودر گرافیت در برابر گرما بسیار مقاوم بوده و تقریبا در تماس با هر ماده دیگری بی‌اثر است.
این خصوصیات جذاب باعث می‌شود در طیف وسیعی از صنایع از جمله متالوژی، مواد روان کننده نسوز، در تولید شیشه و فولاد و همچنین در صنعت پزشکی، هوافضا و هسته‌ای کاربرد فراوانی داشته باشد. گرافن موجود در گرافیت، یک ماده طبیعی دارای خواص فیزیکی منحصر به فردی است که یکی از قوی‌ترین مواد شناخته شده است.
ساختار گرافیت
گرافيت از روی هم قرار گرفتن صفحاتی موازی به شکل لایه‌ای تشکیل شده است. در هر صفحه، اتم كربن با سه اتم ديگر پيوند كووالانسی تشکیل می‌دهد. این پیوندها سبب شکل گیری شبكه هگزاگونال پيوسته در ساختار گرافیت می‌شوند. از آن جا که این اتمها با پیوند کوالانسی به هم متصل هستند، قادر نیستند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند.
برای شکل‌گیری صفحات لایه‌ای، الكترون ظرفیتی چهارم، به صورت هيبريدی با الكترونی از صفحۀ مجاور كه موقعيت مشخصی ندارد، جفت می‌شود. این جفت شدگی باعث ایجاد پيوند ضعيف واندروالسی می‌شود. فاصلۀ میان لایه‌ها، بيش از دو برابر فاصلۀ اتمها در درون لایه‌ها و دو برابر شعاع كربن واندروالس است.
انواع گرافیت
گرافیت به طور طبیعی روی زمین وجود دارد؛ اما می‌تواند به صورت مصنوعی نیز تولید شود. گرافیت طبیعی هم در لایه‌های زیر زمین و هم در بالای سطح زمین عمدتا در چین، هند، برزیل، مکزیک و اوکراین استخراج می‌شود. از طرف دیگر، فرایند تولید گرافیت مصنوعی بسیار پیچیده است؛ اما در عین حال امکان اصلاح خصوصیات گرافیت به دلخواه را می‌دهد.
گرافیت طبیعی: گرافیت طبیعی به عنوان گرافیت منبسط یا گرافیت لایه دار نیز شناخته می‌شود و از پوسته‌های گرافیت طبیعی خالص تولید می‌شود. در فرآیند تولید، پوسته‌ها با یک اسید بسیار اکسید کننده مخلوط می‌شوند تا ترکیبات بینابینی گرافیت تولید شود. این مواد با استفاده ناگهانی از درجه حرارت بالا منبسط می‌شوند. محصول که گرافیت منبسط شده نام دارد به صورت مکانیکی به محصولات دیگر که عمدتا فویل گرافیت هستند، تبدیل می‌شود. اگرچه هنوز خواص منحصر به فرد گرافیت طبیعی مانند رسانایی عالی آن را نشان می‌دهد، فویل گرافیت منبسط شده در مقایسه با ماده اولیه، انعطاف پذیر، نرم و پردازش آن نیز آسان‌تر است.
گرافیت مصنوعی: در تولید گرافیت مصنوعی، خواص مورد نظر می‌تواند به طور خاص تحت تأثیر چگونگی تولید قرار گیرد. مهمتر از همه، اندازه دانه پودر گرافیت و روش پرس نقش مهمی در تولید آن دارد.
تولید مصنوعی گرافیت اواخر قرن نوزدهم از نظر فنی امکان پذیر شد. دسامبر سال ۱۸۹۵، حق ثبت اختراع برای نمودارسازی کربن در ایالات متحده آمریکا ثبت شد. الکتروگرافیت به دست آمده در این فرآیند به عنوان یک عنصر انتقال دهنده جریان در قالب الکترودها مورد استفاده قرار گرفت؛ بنابراین برای طیف وسیعی از صنایع اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرد.
معمولا گرافیتی که در صنعت استفاده می‌شود، یکی از حالت‌های زیر را دارد:
گرافیت آمورف: گرافیت آمورف برای محصولات سطح پایین نظیر مداد، لنت ترمز، روغن روان کار و مواد افزودنی لاستیکی به کار می‌رود و معمولا پایین ترین قیمت را میان گونه‌های مختلف دارد. درجۀ خلوص نوع آمورف در حالت غیرتصفیه، حدود 20 تا 40 cg درصد است (محتوای گرافیت= cg). خلوص این نوع کربن پس از تصفیه به 70 تا 80 درصد cg می‌رسد. بزرگ‌ترین ذخایر گرافیت آمورف متعلق به چین، مکزیک و آمریکا است. این گرافیت رنگی تیره (نزدیک به مشکی) دارد.
گرافیت ورقه‌ای: گرافیت فلیک ورقه‌ای دارای خلوص کربن 85 تا 95 درصد cg است. این گرافیت‌ها معمولا با اندازه دانۀ 5 تا 20 میکرون و مش‌بندی 200 و 325 عرضه می‌شوند. این ساختار خاکستری رنگ بوده و حالت کریستالی آن کاملا مشخص است. به سبب کیفیت بهتر آن نسبت به نوع آمورف، از نوع ورقه‌ای در صنایع متالورژی به خصوص صنایع شکل دهی کاربرد گسترده‌ای دارد. همچنین از این نوع در رنگ سازی، ساخت لنت و مداد و… نیز استفاده می‌شود.
گرافیت وین: نوع وین نادرترین و قیمتی‌ترین نوع گرافیت طبیعی است. وین‌ها بالاترین کیفیت را میان انواع گرافیت دارند و درجۀ خلوص کربن بدون پالایش آن‌ها 95 تا 99 درصد است. گرافیت وین درجه حرارت ذوب و هدایت الکتریکی بیشتری دارد. همچنین دارای بالاترین درجه از انسجام ساختاری در گرافیت‌‌های طبیعی است. گرافیت وین به آسانی قالب‌گیری می‌شود. این ویژگی به صرفه جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند. در حال حاضر سریلانکا بهترین قلمروی تولید این نوع است. وین‌ها معمولا در تولید باتری‌های پیشرفته و صنایع الکتریکی کاربرد دارند.
تولید گرافیت از قیر: در این روش ابتدا کک دانه بندی شده و سپس با قیر مذاب ترکیب می‌شود. این مخلوط پرس شده و در کوره‌ای با دمای 1200 درجۀ سلسیوس قرار داده می‌شود. بدیهی است که زمان پخت و سیکل آن، در خواص به دست آمده تاثیر خواهد داشت. حین انجام فرایند پخت، می‌توان با افزودن موادی مانند رزین فنولیک، از کاهش چگالی ساختار جلوگیری کرد. محصول فرایند پخت، مجددا در کوره‌ای با دمای 2400 تا 3000 درجۀ سلسیوس قرار می‌گیرد تا فرایند گرافیته شدن انجام شود. حتما باید توجه شود که دانه بندی کک اولیه، تأثیر مهمی بر خواص گرافیت تولید شده دارد. به شکلی که هر چه دانه بندی ریزتر باشد، خواص مکانیکی و الکتریکی محصول نهایی بهتر است. از طرف دیگر پخت آن مشکل‌تر است و نیاز به زمان بیشتری دارد.
برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی
منابع:
- https://www.jahaneshimi.com
- https://iran-mavad.com
