پودر گرافیت چیست و چه کاربردی دارد؟

پودر گرافیت یک ماده طبیعی یا سنتتیک است که با حرارت دادن کک پودری بالاتر از دمای گرافیت سازی با برخی تغییرات جزئی ایجاد می شود. پودر گرافیت اکثر اوقات از قراضه های گرافیت الکترودهای غیرقابل استفاده و تراشه های تراشکاری معمولاً پس از خرد شدن تهیه می شود. از انواع پودر گرافیت می توان به پودر گرافیت چرب ،طبیعی ، نقره ای ، پولکی، کم سولفور ، گرانوله و پر سولفور اشاره کرد.

پودر گرافیت شکلی از ماده طبیعی کربن است. این ماده معدنی بیشتر در سنگ های دگرگونی و آذرین یافت می شود . این پودر بسیار نرم است و وزن مخصوص آن بسیار پایین است. پودر گرافیت در برابر گرما بسیار مقاوم بوده و تقریبا در تماس با هر ماده دیگری بی اثر است.

این خصوصیات جذاب باعث می شود در طیف وسیعی از صنایع از جمله متالوژی، مواد روان کننده نسوز، در تولید شیشه و فولاد و همچنین در صنعت پزشکی ، هوافضا و هسته ای 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. قیمت خرید و فروش پودر گرافیت به کیفیت ، اندازه دانه ها و وزن بسته بندی آن وابسته است.  نقاشی با پودر گرافیت در رشته طراحی و  نقاشی کاربرد گسترده ای دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

گرافیت چیست؟

گرافیت یک کربن پلی مورف غیرشفاف و مات است که به رنگ نقره ای مایل به سیاه یافت می شود. 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 می شود.

گرافیت اغلب به صورت پوسته یا لایه های بلوری در سنگهای دگرگونی مانند سنگ مرمر ، شیست و گنیس یافت می شود. گرافیت همچنین ممکن است در بسترهای شیل و ذغال سنگ غنی از مواد آلی یافت شود. در این موارد ، گرافیت احتمالاً ناشی از احتباس گیاهان و حیوانات مرده در لایه های رسوبی می باشد. گرافیت در شهاب سنگ ها نیز وجود دارد.

پیدایش و تولید گرافیت

گرافیت در سال ۱۷۸۹ توسط شیمیدان و معدن شناس آلمانی ورنر نامگذاری شده است ، که  از کلمه یونانی graphein (نوشتن )گرفته شده است. بنابراین این نام نشان دهنده استفاده اولیه از گرافیت به عنوان ماده ای است که برای تولید مداد برای نوشتن استفاده شده است.

گرافیت به طور طبیعی روی زمین وجود دارد اما می تواند به صورت مصنوعی نیز تولید شود. گرافیت طبیعی هم در لایه های زیر زمین و هم در بالای سطح زمین عمدتا در چین ، هند ، برزیل ، مکزیک و اوکراین استخراج می شود . از طرف دیگر ، فرایند تولید گرافیت مصنوعی بسیار پیچیده است اما در عین حال امکان اصلاح خصوصیات گرافیت را به دلخواه را به ما می دهد.

گرافیت طبیعی

گرافیت طبیعی به عنوان گرافیت منبسط یا گرافیت لایه دار نیز شناخته می شود و از پوسته های گرافیت طبیعی خالص تولید می شود. در فرآیند تولید ، پوسته ها با یک اسید بسیار اکسید کننده مخلوط می شوند تا ترکیبات بینابینی گرافیت تولید شود. این مواد با استفاده ناگهانی از درجه حرارت بالا منبسط می شوند. محصول حاصل به نام گرافیت منبسط شده به صورت مکانیکی به محصولات دیگر عمدتا به فویل گرافیت تبدیل می شود. اگرچه هنوز خواص منحصر به فرد گرافیت طبیعی به عنوان مثال رسانایی عالی آن را نشان می دهد ، فویل گرافیت منبسط شده در مقایسه با ماده اولیه ، انعطاف پذیر ، نرم و پردازش آن نیز آسان تر می باشد.

گرافیت مصنوعی

در تولید گرافیت مصنوعی ، خواص مورد نظرمی تواند 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 از اواخر قرن نوزدهم از نظر فنی امکان پذیر شد. در 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 فزاینده ای پیدا کرد.

ساختار مولکولی گرافیت

گرافیت از یک حلقه شش اتمی کربن تشکیل شده است که به صورت شش ضلعی در لایه های مختلف کاملاً با هم پیوند خورده اند. پیوندهای درون لایه ها محکم هستند اما پیوندهای بین لایه ها تعداد کمتری دارند و بنابراین ضعیف ترند. بنابراین ، لایه ها می توانند به راحتی جابجا شده و حتی از هم جدا شوند. گرافیت شکل پایدار کربن است، الماس های سطح زمین یا نزدیک آن به تدریج به گرافیت تبدیل می شوند. خوشبختانه این روند بسیار کند است.

در هر لایه گرافیت هر اتم کربن به سه لایه دیگر متصل است این امر منجر به ایجاد شبکه ای دو بعدی می شود. این ساختار دلیل نرم بودن گرافیت است و حتی می توان از آن به عنوان روان کننده نیز استفاده کرد.

خواص پودر گرافیت

 رسانایی الکتریکی

این واقعیت که گرافیت رسانای الکتریکی است از ساختار اتمی آن ناشی می شود. هر اتم کربن در یک کریستال گرافیت دارای چهار الکترون ظرفیت است که به آنها الکترون های لایه بیرونی نیز گفته می شود و می توانند با اتمهای همسایه پیوند ایجاد کنند. با این حال ، فقط سه الکترون از چهار الکترون ظرفیتی وارد پیوند می شوند ، در حالی که الکترون چهارم آزادانه متحرک باقی می ماند و در نتیجه امکان هدایت الکتریسیته را فراهم می کند.

هدایت حرارتی

گرافیت دارای خواص هدایت حرارتی عالی همراه با مقاومت در برابر درجه حرارت بالا است. گرافیت نقطه ذوب ندارد زیرا از حالت جامد مستقیماً به حالت گازی تغییر می کند که به این فرآیند تصعید می گویند. در جو ، گازی خنثی است ، گرافیت در دماهای بالاتر از ۲۵۰۰ درجه سانتی گراد شروع به تغییر شکل می کند. در دمای بالاتر از ۳۷۵۰ درجه سانتی گراد ، گرافیت حتی بدون حضور اکسیژن تصعید می شود.

مقاومت شیمیایی

گرافیت یکی از مقاوم ترین مواد شیمیایی است. تقریباً در برابر تمام محیط های شیمی آلی مقاوم است و در صنایع پتروشیمی ، تصفیه ذغال سنگ ، صنایع پلاستیک ، تولید رنگ ، پوشش ، مبرد و ضد یخ ، بلکه در صنایع  آرایشی و بهداشتی و غذایی استفاده می شود. گرافیت همچنین در برابر بیشتر محیط های معدنی مانند اسیدهای غیر اکسید کننده ، مواد قلیایی ، محلول های آبی نمکی و اکثر گازهای فنی مقاوم می باشد.

موارد کاربرد پودر گرافیت

کاربردهای گرافیت چند برابر موارد ذکر شده  است. گرافیت برای کاربردهای الکترونیکی و الکتریکی ، متالورژی ، تولید شیشه و شیشه کوارتز ، کاربردهای مکانیکی و هسته ای مورد نیاز است .

متالورژی

یکی از مشهورترین کاربردهای گرافیت در متالورژی احتمالاً استفاده از الکترودهای گرافیت در تولید فولاد الکتریکی و کاتدها برای الکترولیز آلومینیوم است. از گرافیت مصنوعی به عنوان قالب  در ریخته گری مداوم فلزات غیر آهنی و گرانبها استفاده گسترده ای می شود.

تولید شیشه و کوارتز

از گرافیت در تولید شیشه شناور ، شیشه توخالی ، شیشه کوارتز و همچنین شیشه های فنی و آزمایشگاهی به صورت ابزار ، قالب ، گیرنده ، لوله های برقی ، برف پاک کن ، صفحات رسوبی و منحنی انحراف استفاده می شود. گرافیت با چگالی بالا و حجم منافذ کم و مقاومت در برابر دمای بالا برای این منظور بسیار مناسب است.

ساخت کوره های صنعتی

نمدها و فویل های گرافیت و سایر آلوتروپ های کربن مقاوم در برابر درجه حرارت بالا ، به ویژه برای عایق حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل عملکرد مکانیکی خوب گرافیت ، امکانات متنوعی برای طراحی کوره و سیستم های گرمایشی وجود دارد. در زمینه فناوری پخت و پز ، متراکم سازی و سخت شدن مواد توسط گرمایش ، پودر گرافیت به دلیل هدایت الکتریکی ، مقاومت شیمیایی و مقاومت حرارتی خوبی که دارد.

صنایع  هسته ای

از گرافیت به دلیل توانایی در کاهش سرعت نوترون ها ، در صنعت راکتور هسته ای بسیار استفاده می شود. به عنوان مثال ، به عنوان ناظر ، روکش عناصر سوخت ، بازتابنده در راکتورهای آب سنگین و سپر نوترونی در راکتورهای تولیدکننده استفاده می شود.

منابع گرافیتی در جهان بیش از ۸۰۰ میلیون تن ذخیره قابل بازیابی دارند. ذخایر گرافیت جهان ۲۷۰ میلیون تن تعیین شده است که ترکیه داری ۳۳% از این ذخایر می باشد پس از آن برزیل ،چین، موزامبیک و تانزانیا در رده های بعدی می باشند. تولید گرافیت در سال ۲۰۱۵ به ۲.۱۷ میلیون تن رسیده بود که چین بیشترین تولید کننده آن بوده است. قیمت پودر گرافیت صنعتی و پودر گرافیت آزمایشگاهی معمولا بالاتر از سایر انواع است و در حال حاضر خرید اینترنتی پودر گرافیت نیز  امکان پذیر است.