فرايند توليد گرافيت
فرايند توليد گرافيت – معرفی مواد اولیه
گرافيت به دو صورت طبيعي و مصنوعي وجود دارد. گرافيت طبيعي در معادن به صورت مخلوط با عناصر ديگر يافت می‌شود و براي استفاده بايد تغليظ و خالص سازي شود. با توجه به اين که از گرافيت‌هاي مصنوعي تنها گرافيت قالب‌گيري شده در کشور توليد مي‌شود، لازم ديديم تا شرح دقیقی از فرايند توليد اين گرافيت همراه با تصاوير دستگاه‌هاي مورد نياز داده‌شود تا نحوه‌ي توليد ملموس‌تر باشد. گرافيت مصنوعي نوعي کامپوزيت کربن است که از مجاورت و اختلاط اجزاي مختلف با خواص متفاوت تهيه می‌شود و خواص متفاوتي با اجزاي تشکيل دهنده‌ي خود دارد. گرافيت از لحاظ تقسيم بندي در صنايع کربن در گروه مخصوصي به نام کامپوزيت‌هاي پر شده[1] قرار مي‌گيرد. در حالت کلي براي توليد گرافيت قالب‌گيري شده از سه نوع ماده‌ي اوليه استفاده مي‌کنند که عبارت‌اند از:
- مواد پرکننده – Filler
- مواد چسباننده – Binder
- مواد افزودني ديگر – Additives
پرکنندهها
اين مواد از لحاظ وزني قسمت اعظم مواد اوليه را تشکيل مي‌دهند. در انتخاب اين مواد براي توليد گرافيت بايد دقت بسيار شود، زيرا عامل اصلي تعيين کننده‌ي خواص گرافيت اين مواد و ويژگي‌هاي آن هاست. از مواد مختلفي به منزله‌ي پرکننده در توليد گرافيت استفاده مي‌شود که عبارت‌اند از: کک نفتي، کک قير قطران زغال سنگ، گرافيت طبيعي، کربن سياه، آنتراسيت و رزين‌هاي سنتز شده.
معرفی کک نفتي
کک نفتي اصلي‌ترين ماده‌ي سازنده‌ي کربن و گرافيت مصنوعي است و به منزله‌ي محصول جانبي فرايند کک سازي تأخيري نفت سنگين به شمار مي‌رود. ساختار کک مي‌تواند به صورت منظم يا سوزني شکل باشد. در صورت استفاده از کک‌هاي سوزني، گرافيت توليد شده در کوره‌هاي الکتريکي به جاي الکترود قابل استفاده خواهد بود. کک‌هاي منظم يا ايزوتروپ نيز در توليد محصولات خالص کاربرد دارند.
معرفی کک قير قطران زغال سنگ
فرايند توليد کک از قير قطران زغال سنگ شامل حذف جامدات نفوذ ناپذير با غلظت بالا يا مواد نامحلول موجود در کينولين[2] است. کينولين از رشد مزوفازها جلوگيري کرده و منجر به همسان گرد شدن ساختار کک و افزايش مقدار ضريب انبساط گرمايي مي‌شود. با توجه به درجه‌ي بالاي آروماتيک بودن، مقدار کک بالا و ديگر ويژگي‌هاي ايده‌آل محصول کک، قيرقطران مولد فعالي در کک سازي محسوب مي‌شود.
مواد چسباننده
اين مواد به منظور نگهداري ذرات پرکننده در مجاورت هم و نيز فراهم آوردن شرايط مناسب براي شکل‌پذيري و افزايش خاصيت پلاستيسيته به مواد پرکننده افزوده مي‌شوند تا بتوان قطعات مورد نظر را به اشکال و اندازه‌هاي دلخواه شکل داده و نيز استحکام مکانيکي قطعات خام در حدي باشد که بتوان براي فرايندهاي بعدي به راحتي آن‌ها را حمل و نقل کرد. اين مواد به دو دسته‌ي کلي زير طبقه بندي مي‌شوند:
- مواد مشتق از رزين‌هاي ترموست نظير فوران و رزين‌هاي فنل فرمالدييد.
- مواد مشتق از رزين‌هاي ترموپلاست و قيرهاي زغال‌سنگ و قيرهاي نفتي.
از جمله مزاياي گروه اول ناخالصي کمتر و استحکام بالاتر آن‌هاست و از مزيت‌هاي گروه دوم سرعت بيشتر فرايند و هزينه‌ي کمتر اين نوع مواد را مي‌توان نام برد.
معرفی قير قطران زغال سنگ
اين نوع ماده‌ي چسباننده از آروماتيک‌هاي چند هسته‌اي يا گونه‌هاي ناجور حلقه‌اي تشکيل شده‌است. مقاديري از ترکيبات حاوي نيتروژن و سولفور و نيز کينولين نامحلول در ساختار اين قير وجود دارد. قير قطران زغال سنگ که از ترکيبات شيميايي پيچيده‌اي تشکيل شده‌است، يکي از مواد اوليه مهم در صنعت توليد انواع گرافيت از جمله گرافيت هسته‌اي است. اين ماده به سبب دارا بودن خواص مناسب براي تهيه‌ي کک قيري به صورت ماده‌ی پيوند دهنده‌ي ذرات کک و پرکننده‌ي خلل و فرج در تهيه‌ي گرافيت و فرايند چگال‌سازي آن به کار مي‌رود.
معرفی قير نفتي
قير نفتي محصول کراکينگ حرارتي و تقطير نفت سنگين است. ترکيبات قير نفتي عمدتاً شامل آلکيل‌هاي جانشين شده با آروماتيک‌هاي چند هسته‌اي است. با توجه به پايين بودن ميزان جامدات، از قير نفتي در مرحله‌ي اشباع سازي کربن نيز استفاده مي‌شود. در جدول زیر مقايسه‌ي خواص قيرقطران زغال سنگ و قيرنفتي نشان داده شده‌است.
مواد افزودني
از اين مواد به منظور بهبود کيفيت گرافيت توليدي استفاده مي‌کنند که شامل روغن‌هاي سبک، روان کننده‌ها، موم‌ها، اسيدهاي چرب و استرها است. هم چنين از بازدارنده‌هايي مانند اکسيد آهن براي کاهش اثرات زيان بار سولفور در کک‌هاي با درصد سولفور زياد استفاده مي‌کنند. اکسيدآهن با ايجاد ترکيب پايدار سولفيدآهن به منزله‌ي بازدارنده در کاهش ميزان ترک خوردگي محصول مؤثر است. توضيح اين نکته ضروريست که نوع و کيفيت انتخاب مواد اوليه بستگي کامل به محصول نهايي مورد نظر و کاربرد مورد انتظار دارد. در شکل زیر تصاوير مواد اوليه استفاده شده در توليد گرافيت مصنوعي نشان داده شده‌است.
منبع: کتاب گرافیت، تولید و کاربردها
[1] Filled Composite [2] Quinoline
