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石墨深加工技術(shù)發(fā)展及展望

石墨深加工技術(shù)發(fā)展及展望
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一、國內(nèi)外石墨加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
我國是天然石墨資源大國，儲量、產(chǎn)量及出口量均居世界首位。但由于技術(shù)開發(fā)投入不夠，目前仍以原料生產(chǎn)及加工鱗片石墨為主。碳-石墨材料是前景很大的新興材料，廣泛用于高科技領(lǐng)域，發(fā)達國家投入人力、財力進行開發(fā)研究。天然石墨深加工技術(shù)進展很快，目前已形成一些新型產(chǎn)業(yè)。
目前，美、日、德、法的柔性石墨產(chǎn)業(yè)居**地位。日本生產(chǎn)核能級的超低硫(S<500ppm)及高純(S<50ppm)產(chǎn)品的技術(shù)**。其中，高純?nèi)嵝允挥腥毡灸軌蛏a(chǎn)。全世界柔性石墨產(chǎn)量*大為1.5~2.0萬噸以上。
在鋰離子電池陽極材料方面，由于石墨具有**的電容量，美國、日本的鋰離子電池采用改性石墨作陽極材料，并已形成產(chǎn)業(yè)。
浸硅石墨，目前僅德、美、俄生產(chǎn)。該產(chǎn)品是一種在寬溫度區(qū)內(nèi)具有高硬度和高機械強度、耐磨、耐腐蝕、潤滑性好的新材料。與碳化硅制品相比，*大的特點是成品率高，價格較低廉。
由于彩電更新?lián)Q代周期大大縮短，對彩電管用石墨乳性能要求也日新月異。國外目前依然十分重視彩電管石墨乳的研制開發(fā)。
我國柔性石墨新產(chǎn)業(yè)正在建設(shè)發(fā)展中，“八五"期內(nèi)取得了一批柔性石墨加工技術(shù)及裝備的成果，但目前仍處于試制階段。我國鋰離子電池還處于小試階段，但已用天然石墨研制出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的陽極材料。其內(nèi)容量密度達350mAh/g。我國經(jīng)引進和消化吸收已能生產(chǎn)5種規(guī)格彩電管石墨乳。浸硅石墨制品目前國內(nèi)屬空白。
二、柔性石墨及膨脹石墨材料的開發(fā)與應用
柔性石墨和膨脹石墨是重要的石墨深加工產(chǎn)品。從材料學的角度，膨脹石墨與柔性石墨二者有很大區(qū)別，是兩種材料。膨脹石墨是松散的多孔結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)良的隔絕密封性能。隨著技術(shù)和新材料應用的發(fā)展，這兩類新材料由于其不同的特性，各自的應用領(lǐng)域也顯著不同。本文將討論這兩種特性不同而又緊密相關(guān)的材料，在化工領(lǐng)域及其它領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
自本世紀六十年代美國聯(lián)碳公司發(fā)明柔性石墨制造技術(shù)以來，柔性石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已有近四十年的歷史。柔隆石墨作為一種優(yōu)良的密封材料，已逐漸為工程界所熟悉，并且有人給它冠以“密封王"的頭銜。柔性石墨由天然鱗片石墨加工而得。制備的關(guān)鍵技術(shù)，是將天然鱗片石墨制備成石墨層間化合物。工業(yè)操作上，常用濃硫酸作為層間插入物，所以它又稱酸化石墨(可膨脹石墨)。不過酸化石墨是在石墨與酸反應后，經(jīng)水洗干燥，大部分層間插入物已經(jīng)逸出，所以它實際上是殘余石墨層間化合物。絕大部分石墨層間化合物在快速加熱時，層間插入物都會氣化，從而形成高壓，使石墨粒子沿C軸方向膨脹。很薄的酸化石墨鱗片膨脹后象一條條蠕蟲，長度可達1~2cm所以稱蠕蟲石墨或石墨蠕蟲，亦即通常所說的膨脹石墨。膨脹石墨在壓制或軋制時，蠕蟲之間相互嚙合，從而壓軋成石墨卷材或板材，即為柔性石墨。由于插層劑硫酸在加熱時絕大部分地區(qū)逸出，所以柔軟性石墨除有1000PPM左右的殘硫外，化學成份與鱗片石墨基本相同，為純碳。
2．1可膨脹石墨的制備
目前，國內(nèi)可膨脹石墨生產(chǎn)采用兩種工藝：化學法和電化學法。兩種工藝除氧化工序不同外，脫酸、水洗、脫水、干燥???其它工序相同。采用化學法的絕大多數(shù)廠家產(chǎn)品的質(zhì)量，都能達到GB10698-89《可膨脹石墨》標準規(guī)定的指標，滿足大宗柔性石墨板材生產(chǎn)用料要求和出口供貨標準。但生產(chǎn)特殊要求的低揮發(fā)份(<10%)、低含硫量(<2%)的產(chǎn)品比較困難，生產(chǎn)工藝不過關(guān)。強化技術(shù)管理，認真研究插層過程，掌握工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能的關(guān)系，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的可膨脹石墨，是提高后續(xù)制品質(zhì)量的關(guān)鍵。電化學法不用其它氧化劑，將天然鱗片石墨和輔助陽極一起構(gòu)成陽極室浸泡在濃硫酸電解液中，通直流或脈沖電流，氧化一定時間后取出，水洗干燥后即為可膨脹石墨。該法*大特點，可通過調(diào)節(jié)電參數(shù)和反應時間控制石墨反應程度和產(chǎn)品的性能指標，污染小，成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)異。解決插層工藝中的攪拌問題，提高效率，降低電耗，是該法急需解決的課題。以上兩種工藝脫酸后，石墨層間化合物潤濕、吸附的硫酸質(zhì)量比仍在1：1左右，插層劑消耗量大，洗滌用水量和污水排放量居高不下。且多數(shù)生產(chǎn)廠家沒有解決廢水處理問題，處于自然排放狀態(tài)，環(huán)境污染嚴重，將制約行業(yè)的發(fā)展。
2．2膨脹石墨加工方法的進展
2．2．1激光膨化方法的研究
文獻(3)研究了如何利用激光膨化可膨脹石墨。激光具有*高的能量密集度，并且石墨對激光還有良好的吸收性，其吸收率可達95%以上，這正好滿足了石墨膨化需要快速升溫的要求。文獻采用的激光是波長10.6微米的中紅外光。對于厚度只有幾十微米的石墨鱗片來說，紅外光的穿透深度是大約與其波長相當?shù)?。所以它對石墨鱗片來說具有體積加熱的效果。在其實驗中選用了國產(chǎn)的HGL-81型CO2氣體激光器。實驗使用的激光膨化裝置如圖1-1所示。
由于激光高的能量集中和膨脹過程熱量的傳播方式，使得殘余化合物的分解速度大于它所在微裂紋的擴展速度，生成的大量氣體使裂紋上下表面迅速彎曲，造成劇烈的膨脹。另外激光的高能量增加了鱗片內(nèi)部小的殘余化合物島疇的膨脹，防止了相鄰的大島疇的膨脹對它的壓制作用。這兩點原因全激光膨化有極高的膨脹倍數(shù)。
2．2．2微波膨化方法論的研究
**文獻(4)報導了一種生產(chǎn)膨脹石墨蠕蟲的方法，裝置如圖1-2所示。該膨化裝置的特點是，有一定厚度的可膨脹石墨粒子(*多10mm厚)平鋪在傳送帶上?？膳蛎浭?jīng)過一個輻射區(qū)后被膨化。輻射區(qū)內(nèi)的能流密度(fluxdensity amounts) *小為500KW/m2。輻射源可采用紅外光源、微波、激光束。
2．2．3等離子體膨化方法的研究
文獻(5)介紹了一種利用誘導耦合等離子體(Induction CoupledPlasma－－ICP)膨化氟石墨層間化合物的方法。實驗裝置如圖1-3所示。將氟石墨層間化合物連續(xù)的注入到高溫高達5000~8000K的氬等離子體炬中，經(jīng)過收集系統(tǒng)得到膨脹石墨蠕蟲。利用掃描電鏡和拉曼Raman光譜分析石墨蠕蟲表明：由此方法生成的膨脹石墨具有納米碳管結(jié)構(gòu)。文章認為這種膨化方法論將來可能成為一種很有前途的制備碳納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
2．3柔性石墨的開發(fā)與傳統(tǒng)的應用
由于柔性石墨的氣固兩相結(jié)構(gòu)使其具有良好的密封性能，作為密封材料有了廣闊的市場。特別是傳統(tǒng)密封材料石棉由于環(huán)境污染，受到禁用，給柔性石墨提供了發(fā)展機會。國際上根據(jù)用戶的不同要求，已經(jīng)開發(fā)出了很多新品牌的**柔性石墨。核電及精細化工要求低硫及高純?nèi)嵝允?，一般核能級柔性石墨含硫?00PPM以下；核島部分對它的要求則更高。石化特別是精細化工，為了防止密封金屬面的腐蝕，要求緩蝕型柔性石墨，一般是在柔性石墨中添加鉬酸鹽等緩蝕劑。還有在管道泄漏時為了不停產(chǎn)，則有帶溫、帶壓堵漏用的注射式柔性石墨填料等。國內(nèi)柔性石墨材料的生產(chǎn)，以80年代后期到90年代中期從日、美、加引進的六條柔性石墨生產(chǎn)紙、板材生產(chǎn)線為主(山東濱洲柔性石墨廠兩條，山東青島黑龍江鯉石墨公司、內(nèi)蒙古林浩柔性石墨公司、湖北宜昌石墨工業(yè)公司、山東青島高等密封材料有限公司各一條)，每條線實際生產(chǎn)能力100~150t,總產(chǎn)量600~800t。所產(chǎn)柔性石墨板材的質(zhì)量，總體水平與國外2、3級品水平。1992年以后，山西煤化所、清華大學、浙江大學等單位，借鑒國外設(shè)備，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，設(shè)計制造了幅寬250~1000mm的連續(xù)柔性石墨板材生產(chǎn)線，國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)能力約300t。板材質(zhì)量達1、2級品者僅占總產(chǎn)量的1/3，多數(shù)只有3級或3級品以下的水平。生產(chǎn)系統(tǒng)功能、設(shè)備制造精度，是影響板材質(zhì)量的重要因素。引進的柔性石墨生產(chǎn)線，系統(tǒng)功能基本一樣，從膨脹、供料、壓延、剪切，一直到卷取，都是連續(xù)自動進行。在線監(jiān)測點數(shù)少，缺乏檢測信息反饋功能，制約了板材質(zhì)量的提高。柔性石墨密封材料發(fā)展的另一側(cè)面，就是發(fā)展低指標的柔性石墨。日本有種柔性石墨的*低含碳量為90%，降低了成本和售價。實際上，對有些設(shè)備，如農(nóng)機、粗放型化工機械等，沒有必要使用高標號柔性石墨。低標號柔性石墨，密封性能優(yōu)于石棉，能滿足工藝技術(shù)要求，而成本又低，這樣在低檔產(chǎn)品市場有掃強的競爭力，從而推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，柔性石墨作為密封材料，在密封性—泄露率定量測試上，從用戶到生產(chǎn)廠家在技術(shù)革新和測試設(shè)備方面都未能得到很好地解決。國外很重視這方面的技術(shù)研究，德國已于1995年制定標準，規(guī)定了測試技術(shù)及裝備，要求柔性石墨板帶材及復合板的氮氣泄漏率小于0.1mg/m*s(DIN28091).我國也應在這方面更多地開展工作，以提高工作效率人國柔性石墨密封材料的產(chǎn)品質(zhì)量和使用水平。
隨著柔性石墨制品在現(xiàn)代工程中的應用研究越來越廣，世界對柔性石墨材料的需求在逐年增長。國外產(chǎn)大部分柔性石墨用于汽車發(fā)動機的缸墊、進排氣口墊等密封件，其次是石化、化工、發(fā)電等部門的密封件。國內(nèi)由于對石棉的限制存有爭議，制約了柔性石墨在內(nèi)燃機密封件上的應用，主要市場仍在化工、石化、發(fā)電等行業(yè)。主要的密封件是填料環(huán)(直接用柔性石墨紙壓制)、纏繞墊片、通用盤根以及金屬材料中使用的石棉制品，都可用柔性石墨來代替?；谌嵝允牧系膬?yōu)異性能，石棉密封材料的高地，在很大程度上就意味著柔性石墨材料的一個巨大的潛在市場。柔性石墨材料在短期內(nèi)不可能完全取代石棉密封材料，其潛在市場容量巨大。
2．4柔性石墨用途的擴展
柔性石墨不僅用于密封，同時具有導電、導熱、潤滑、耐高低溫、抗腐蝕等優(yōu)異特性。正因如此，所以多年來柔性石墨的用途在不斷擴展。利用其導電性和易加工性制成的電熱材料，可用于一些惡劣工況。當然，由于其強度低，必須是固定式并有支撐結(jié)構(gòu)。已經(jīng)應用的實例，是制成畫框式的電暖氣；也有報導，將柔性石墨紙用于電磁屏蔽。在新的能源系統(tǒng)燃料電池中，柔性石墨可用作集流板材料，它不僅導電好，而且耐電解液的腐蝕，且可方便地壓制也燃料氣及氧化劑氣的復雜的導引槽系統(tǒng)。利用柔性石墨對熱幅射傳導的優(yōu)良反射特性，可制作高溫設(shè)備的熱屏蔽(保溫)元件。對幅射熱傳導(>850℃),柔性石墨是優(yōu)良的絕熱體，且結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，比鎢鉬等金屬有更好的屏蔽效果。石墨早就在被用作高溫潤滑劑，而柔性石墨箔材優(yōu)良的隨形件。在模鍛等高溫模具條件下使用，潤滑性優(yōu)異，且可避免潤滑死點，效果很好。其它一些新的用途，也正在開發(fā)。
2．5膨脹石墨在環(huán)保和生物醫(yī)學中的應用
高溫膨化得到的膨脹石墨具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)良的吸附性能。大多數(shù)環(huán)保材料都是利用對污染物的吸附，來達到治理污染的目的的。所以，膨脹石墨這種多孔結(jié)構(gòu)材料，可作為一種吸附材料廠來開發(fā)及封閉孔，孔容積占98%左右?？捉Y(jié)構(gòu)材料不同，是一種磊中孔結(jié)構(gòu)的多孔材料。因此，它的吸附特性也不同于活性炭等，在氣相吸附上其吸附性能亦遠不及活性炭等；但液相吸附，卻遠大于活性炭。大孔結(jié)構(gòu)有利于吸附有機及生物工程大分子物質(zhì)。由于石墨表面的非極性，在液相吸附中親油疏水，優(yōu)先吸附油品。實驗結(jié)果表明：lg膨脹石墨可吸附80g以上的重油。因而它是一種很有前途的**水面油污染的環(huán)保材料。1997年，日本福岡近海油輪泄漏，試用膨脹石墨**，取得了很好的效果。由于它親油疏水的特性，去除水中微量油污染也很有效。在化工企業(yè)廢水治理中，環(huán)保工程往往是多種方法、材料并用。對常用的微生物(**)處理，膨脹石墨是一種很好的微生物載體，所以膨脹石墨在化工水處理中，特別是對油脂類有機大分子污染的水處理中，它有很好的應用前景，并且由于其化學穩(wěn)定性，治污后的再生復用也相對容易。膨脹石墨由于對有機、生物工大分子的吸附特性，在生物醫(yī)學材料上也有廣泛的應用前景。清華大學等開發(fā)了膨脹石墨制作醫(yī)用敷料代替紗布，經(jīng)過300多只小白鼠、大白鼠、豚鼠、**力量兔的動物實驗，證明無毒、無副作用，對創(chuàng)面無刺激、不染黑，并促進**。在**軍醫(yī)大南方醫(yī)院**科等四所醫(yī)院進行了114例臨床實驗，其效果比傳統(tǒng)紗布引流好辦明顯的抗感染、抑茵、**作用，可代替50~80%的紗布。這一成果已取得發(fā)明**權(quán)(ZL95115437.0)正在實施產(chǎn)業(yè)化。
2．6膨脹石墨的其它應用前景
膨脹石墨比容大，松裝容積100~300ml/g,并且化學性質(zhì)穩(wěn)定、氧化溫度高(>400℃),**性高，因此是理想的隔熱(保溫)、隔音材料。國外有的**建筑、客輪的墻壁材料，夾一層一定密度的膨脹石墨起到保溫、隔音作用，并且在火災時，有阻止火勢蔓延的作用。國外已有在機艙座的泡沫塑料軟墊及倉壁中添加可膨脹石墨，一旦起火迅速膨脹，膨脹石墨占據(jù)空間，堵塞火災蔓延通道。雖然應用的是可膨脹石墨，但利用的還是膨脹石墨的理化特性。膨脹石墨粉碎成微粉，對紅外波有很好的散射吸收特性，是很好的紅外屏蔽(隱身)材料，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭的光電對抗中有重要作用。關(guān)于膨脹石墨的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應用酆在研究開發(fā)中。
三、未來石墨加工研發(fā)的目標和方向
二十多年來，國際上柔性石墨密封材料一直以10%~15%年增長率高速發(fā)展，預計2000年，市場需求將大于3萬噸，國內(nèi)市場4000噸，其中核能用柔性石墨在100噸以上。我國彩電管石墨乳“九五"期間年需求量將達到1500噸，目前國內(nèi)僅能生產(chǎn)500噸。鋰離子電池發(fā)展極為迅速，1億只單體電池約需石墨陽極材料500噸左右，估計2000年約需1500噸；浸硅石墨材料、石墨環(huán)保材料和石墨醫(yī)用材料是完全新的產(chǎn)業(yè)，市場潛力更大。
石墨材料及其復合材料作為21世紀的新興材料，毋庸置疑將會有很大發(fā)展，并在許多領(lǐng)域得到應用，將相應出現(xiàn)一些新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我國有著豐富的石墨資源，在研究工作開發(fā)方面已有了一定基礎(chǔ)，有了一定的技術(shù)儲備；通過進一上技術(shù)開發(fā)，將會很快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并取得顯著的經(jīng)濟效益。
國家規(guī)劃的發(fā)展目標包括：研制核能用超低硫和高純級柔性石墨加工技術(shù)及裝備，研制鋰離子電池的天然石墨陽極材料制備技術(shù)裝備，研制國內(nèi)彩電管急需的各種牌號石墨乳，研制浸硅石墨材料生產(chǎn)技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備(專用真空感應爐)及輔助加工和裝備；具體包括核能級柔性石墨，年產(chǎn)20噸的高純?nèi)嵝允a(chǎn)線的技術(shù)及裝備；鋰離子電池陽極材料；石墨陽極材料制備技術(shù)，陽極材料工業(yè)制備裝備；彩電管石墨乳；浸硅石墨材料，開發(fā)成型加工技術(shù)及裝備。
如能圓滿地完成石墨深加工技術(shù)的開發(fā)任務，將建成以我國豐富石墨為原料的新的高技術(shù)新產(chǎn)業(yè)，可獲得年產(chǎn)值達2.5億元，利稅率40%的經(jīng)濟效益。這些產(chǎn)品對我國核電、化工、能源、電子、環(huán)保、冶金、機械、醫(yī)療等領(lǐng)域的技術(shù)社會經(jīng)濟將表重大貢獻，同時也具有巨大的出口潛力，改變我國石墨出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大大提高創(chuàng)匯能力。

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