GRAFIT - WŁAŚCIWOŚCI, RODZAJE ORAZ ZASTOSOWANIE

Edyta Waleszczyk,

doradca techniczny w firmie Sinograf SA

 

Wegiel (C, łac carboneum) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 6, niemetal z bloku p układu okresowego. Należy do grupy 14. Ma cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla, 12C oraz 13C są stabilne, natomiast izotop 14C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Neriusz Walter.¹

 

Niektóre pierwiastki chemiczne, głównie niemetale, występują w różnych postaciach, które mają odmienne właściwości fizyczne i różną aktywność chemiczną. Postaci te zwane odmianami alotropowymi (rys. poniżej) różnią się budową sieci krystalicznej, liczbą atomów w cząsteczce. Znanych jest kilka odmian alotropowych węgla: diament, grafit, fullereny, grafen.^{2, 3}

Grafit tworzy najbardziej stabilną strukturę węgla. Jego sieć zbudowana jest z płaskich warstw ułożonych jedna nad drugą. Każda warstwa przypomina strukturę plastra miodu. Atomy węgla są ułożone w regularne sześciokąty o wspólnych bokach. W obrębie każdej warstwy atomy są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z trzema sąsiednimi atomami tego pierwiastka. Natomiast między warstwami występują tylko słabe oddziaływania (van der Waalsa). Odległości między płaszczyznami są niemal 2,5 razy większe niż długości wiązań między atomami węgla w pierścieniach, stąd siła wiązań między warstwami jest mała. Dlatego poszczególne warstwy grafitu stosunkowo łatwo się rozdzielają.

 

Grafit jest odmianą węgla o czarnoszarej barwie i metalicznym połysku. Jest bardzo miękki (twardość grafitu w skali Mohsa wynosi 1), podatny na ścieranie i łupliwy. Ma doskonałe właściwości smarne, jest tłusty w dotyku i wytrzymały na wysokie temperatury. Wykazuje wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i niewielką na rozciąganie. Ponadto grafit i wyroby grafitowe nie rozpuszczają się w wodzie, charakteryzują się małą aktywnością chemiczną, łatwością składowania i utylizacji oraz brakiem negatywnego wpływu na środowisko. Dzięki tym cechom zyskał on miano materiału nowoczesnego, a zarazem ekologicznego.

 

Grafit można podzielić na dwa podstawowe typy: naturalny i syntetyczny. Grafit naturalny to grafit utworzony przez naturę. Grafit naturalny jest ważnym minerałem przemysłowym, który znajduje zastosowanie w prawie każdym aspekcie produkcji. Jednak nie każda forma grafitu naturalnego nadaje się do każdego zastosowania. Różnice w morfologii i masie cząstek, czystości oraz ograniczenia przetwarzania (mielenie, przesiewanie itp.) sprawiają, że niektóre odmiany są bardziej odpowiednie do niektórych zastosowań niż inne. Naturalny grafit powstaje w środowisku metamorficznym lub magmowym. Wysoka temperatura i wysokie ciśnienie są warunkami wstępnymi, które wpływają na konwersję amorficznych materiałów węglowych do grafitu krystalicznego. Grafit nigdy nie powstaje w środowisku osadowym, chociaż potencjalnie można go znaleźć w układach osadowych jako produkt erozji. Wystąpienia w środowiskach metamorficznych są znacznie częstsze niż w środowiskach magmowych. Grafit naturalny dzieli się ogólnie na trzy typy znane jako grafit płatkowy, grafit żyły i grafit amorficzny. Te trzy rodzaje naturalnego grafitu występują w różnych środowiskach geologicznych.^{4, 5}

 

Termin grafit amorficzny został zastosowany ze względu na anedryczną (bez widocznej krystaliczności) morfologię tej formy grafitu. Powstaje w wyniku metamorfizmu wcześniej istniejących pokładów węgla antracytowego. Proto-węglowy węgiel organiczny osadza się i przekształca w węgiel antracytowy, a następnie metamorfizm węgla o niskiej jakości. Powoduje to tworzenie grafitu mikrokrystalicznego. Grafit ten ma zwykle więcej popiołu niż inne formy grafitu naturalnego. Ponieważ proto-węgiel jest jednocześnie osadzany z inną materią mineralną, która wpływa do bagien, torfowisk, delt i innych środowisk „produkujących węgiel”, to materia mineralna (popiół) obecna w węglu pozostaje w graficie. Grafit amorficzny jest wydobywany przy użyciu konwencjonalnych technik wydobywczych typu węglowego. Większość obecnych dostaw grafitu amorficznego dostępnych w Stanach Zjednoczonych jest importowana z Meksyku i Chin. Wcześniej inne źródła obejmowały Koreę, Włochy i Rhode Island USA

 

Grafit płatkowy jest prawdopodobnie najbardziej znanym z naturalnych materiałów grafitowych. Podobnie jak w przypadku innych rodzajów grafitu naturalnego, grafit płatkowy powstaje w środowisku geamorficznym lub metamorficznym. Płatki grafitowe można znaleźć w postaci łuskowatej lub blaszkowatej w określonych skałach metamorficznych, takich jak gnejs, wapień i łupki. Grafit płatkowy jest wydobywany przez flotację pianową. Ponad 98% grafitu płatkowego powstaje w procesach wzbogacania chemicznego. Duże złoża grafitu płatkowego wydobywano w Stanach Zjednoczonych Ameryki, Ameryce Środkowej, Ameryce Południowej, Kanadzie, Afryce, Niemczech, na Ukrainie, w Rosji i Chinach. Rozmiar płatków grafitowych jest bardzo ważnym aspektem handlowym. Dostępny w handlu grafit płatkowy do dalszego mielenia i procesów jest dostępny w trzech podstawowych rozmiarach. Rozmiary te to -100-mesh, + 100-mesh i + 50-mesh. Produkty z grafitu płatkowego są dostępne w zakresie czystości od około 80% węgla do ponad 99% węgla. Płatki, które są w zakresie czystości wynoszącym 80-98%, zazwyczaj reprezentują materiały, które zostały wzbogacone przy użyciu tylko flotacji pianowej. Płatki o czystości powyżej 98% zostały oczyszczone innymi metodami po flotacji. Na przykład grafit płatkowy „z kopalni” z Madagaskaru zawiera zazwyczaj 85-90% węgla z popiołem równoważącym. Grafit z Kanady zawiera 90-97% węgla, a grafit z Chin 90-96% węgla.

 

Grafit ekspandujący, znany również jako grafit pęczniejący, jest rodzajem grafitu interkalowanego, który złuszcza się lub rozszerza po podgrzaniu. Grafit ekspandujący jest wytwarzany przez obróbkę grafitu płatkowego różnymi odczynnikami interkalacyjnymi, takimi jak kwasy, które prawdopodobnie przemieszczają się między warstwami grafitu w obecności ciepła. Gdy grafit płatkowy, po procesie interkalacji, jest podgrzewany w wysokich temperaturach (około 1000°C), związki interkalacyjne rozpadają się na produkty gazowe, które zwiększają ciśnienie między warstwami grafenu. To wysokie ciśnienie wytwarza wystarczającą siłę, która wypycha grafitowe płaszczyzny. Powoduje to wzrost objętości grafitu o około 300 razy, ogromny wzrost powierzchni, a także zmniejsza gęstość nasypową grafitu. Ponadto grubszy grafit płatkowy ma stosunkowo wyższy współczynnik rozszerzalności niż mniejszy grafit płatkowy, a nie cały grafit jest rozszerzalny. Rozszerzalny grafit ma kilka unikalnych właściwości, takich jak wysoka odporność na korozję, odporność na ciepło, odporność na promieniowanie, odporność na ściskanie i miękkość.⁶

Grafit żyłowy jest znany pod różnymi nazwami, np. żyłą krystaliczną, Plumbago, grafit Sri Lanki i grafit Ceylon. Nazwy „Sri Lanki” i „Cejlon” są powszechnie używane w tym graficie, ponieważ wyspiarski naród Sri Lanki (formalnie Cejlon) jest jedynym obszarem produkującym ten materiał w ilościach handlowych. Grafit żyłowy bierze swoją nazwę od faktu, że znajduje się w żyłach i szczelinach w otaczającej skale „rudy”. Ta różnorodność grafitu powstaje z bezpośredniego osadzania stałego grafitowego węgla z podziemnych płynów o wysokiej temperaturze, znanych jako płyny pegmatytyczne. Ze względu na naturalny proces osadzania płyn-ciało stałe złogi grafitu żył są zazwyczaj w ponad 90 procentach czyste, a grafit żyły osiąga 99,5% węgla grafitowego. Ten poziom czystości jest możliwy, ponieważ osadzanie się węgla zachodzi jako wytrącanie się węgla stałego z płynu geologicznego, który przemierza ułożoną skałę. Nie ma ścisłego mieszania ani łączenia grafitu ze skałą jak w konwencjonalnych złożach grafitu płatkowego, w których fazy niewęglowe i węglowe mogą być osadzane jednocześnie. Typowe żyły mierzą od centymetrów do prawie dwóch metrów grubości, przy czym materiał o najwyższej czystości znajduje się w środku żyły, z dala od kontaktu ze skałą ścienną. Grafit żyłowy jest wydobywany konwencjonalnymi metodami szybowymi lub powierzchniowymi. Grafit ten ma nieco wyższą przewodność cieplną i elektryczną, co wynika z jego wysokiego stopnia doskonałości krystalicznej. ⁷

Grafit syntetyczny jest produktem wytwarzanym przez obróbkę w wysokiej temperaturze amorficznych materiałów węglowych. W Stanach Zjednoczonych podstawowym surowcem wykorzystywanym do produkcji grafitu syntetycznego jest kalcynowany koks naftowy i pak smoły węglowej, które składają się z wysoce grafitowalnych form węgla.

 

Światowe zasoby grafitu

Od 1890 do 1920 r. podziemne wydobycie grafitu było praktykowane w Nowym Jorku i Pensylwanii. Od 1942 r. do końca II wojny światowej stosowano wyłącznie metody wydobywcze. Grafit wydobywano pod ziemią w Dillon w stanie Montana podczas II wojny światowej, ale wkrótce potem zaprzestano wydobycia, ponieważ konkurowanie z grafitem ze Sri Lanki było zbyt kosztowne. W Bawarii, Korei, Meksyku i na Sri Lance, ze względu na głębokość i cechy fizyczne złóż, praktykowane jest wydobycie podziemne. Meksykańskie podziemne wydobycie znajduje się 100–400 m pod powierzchnią. Niektóre starsze kopalnie na Sri Lance osiągnęły głębokość ponad 450 m. Przez wiele lat operacje wydobywcze na Sri Lance były prymitywne, a wydobycie rudy było powolne i uciążliwe. Kopalnie zostały zmechanizowane po II wojnie światowej. Światowy popyt na grafit stale rośnie od 2013 r. Wzrost ten wynika z poprawy globalnych warunków go­spodarczych i jego wpływu na branże wykorzystujące grafit. Chiny są zdecydowanie wiodącym producentem grafitu: 89% produkcji grafitu amorficznego i 58% produkcji płatków. Sri Lanka jest jedynym producentem grafitu żyłowego. Pozostali producenci to: Korea Północna, Brazylia, Kanada, Indie, Rosja, Meksyk, Turcja, Madagaskar, Ukraina i Norwegia.^{8 9}  Chiny eksportują duże ilości na rynki europejskie, japońskie i amerykańskie, które reprezentują kraje produkujące bardzo mało naturalnego grafitu. Stany Zjednoczone zaopatrują się w grafit z Brazylii, Meksyku i Kanady. Kanada eksportuje prawie całą swoją produkcję na rynki europejskie.¹⁰

 

Zastosowanie

Grafit ma szeroki zakres zastosowań we współczesnym świecie. Słowo „grafit” pochodzi z języka greckiego, co tłumaczy się jako „pisać”. Więc częstym zastosowaniem grafitu jest wykorzystywanie grafitu w ołówkach. Grafit jest także jednym z głównych składników smarów. Ten minerał reaguje z atmosferyczną parą wodną i tworzy cienką warstwę na naniesionej powierzchni, a tym samym zmniejsza tarcie. Grafit jest również stosowany w hamulcach i sprzęgłach samochodowych. Sproszkowana postać grafitu jest wykorzystywana w farbach – przez wzgląd na właściwości hydrofobowe grafitu tworzy on powłokę ochronną na drewnie i innych powierzchniach. Grafit może absorbować szybko poruszające się neutrony. W rezultacie jest stosowany w reaktorach do stabilizacji reakcji. Krystaliczny grafit płatkowy jest wykorzystywany do produkcji elektrod węglowych, szczotek i płyt potrzebnych w akumulatorach suchych ogniw i przemyśle elektrycznym. Natomiast grafit syntetyczny ma zastosowanie w akumulatorach litowo-jonowych. Grafit może być także wykorzystywany do produkcji arkuszy grafenu. Mówi się, że arkusze te są 100 razy mocniejsze i 10 razy lżejsze niż stal. Ta pochodna grafitu jest dalej wykorzystywana do produkcji lekkiego i mocnego sprzętu sportowego. Wiele osób rozważa przyszłe zastosowania w branży medycznej i lotniczej.^{11, 12}

 

Ze względu na wysoką tolerancję na ciepło i niezmienność grafit jest szeroko stosowanym materiałem ogniotrwałym. Znajduje zastosowanie w przemyśle wytwórczym i pomaga w produkcji szkła i stali, a także w obróbce żelaza. W dzisiejszym świecie grafit jest uważany za kluczowy, strategiczny materiał w rozwijającej się gospodarce opartej na zielonych technologiach (znanej również jako epoka węgla), która obejmuje postępy w zakresie magazynowania energii, pojazdów elektrycznych, fotowoltaiki i elektroniki. Oczekuje się, że popyt na grafit przewyższy podaż w ciągu następnej dekady. W przypadku tylko jednego rynku – pojazdów elektrycznych – szacowany popyt do końca 2020 r. przekroczy możliwości wydobywcze.

 

Bibliografia:

1. wikipedia
2. https://epodreczniki.pl/a/odmiany-wegla-pierwiastkowego
3. https://epodreczniki.pl/a/odmiany-wegla-pierwiastkowego
4. https://www.slideserve.com/mickey/graphite
5. https://asbury.com/resources/education/science-of-graphite/vein-graphite
6. wpływ metody wytwarzania na właściwości kompozytów poliuretanowych z grafitem ekspandującym
7. https://asbury.com/resources/education/science-of-graphite/vein-graphite/
8. https://mineralseducationcoalition.org/minerals-database/graphite/
9. https://neostencil.com/distribution-of-diamond-and-graphite
10. https://www.slideserve.com/mickey/graphite
11. https://byjus.com/chemistry/uses-of-graphite/
12. https://mern.gouv.qc.ca/english/mines/quebec-mines/2015-11/graphite.asp