石墨加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
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)及加工鱗片石墨和土狀石墨（微晶石墨）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(dá)國家投入人力、財力進(jìn)行開發(fā)研究。天然石墨深加工技術(shù)進(jìn)展很快，目前已形成一些新型產(chǎn)業(yè)。
據(jù)環(huán)球石墨網(wǎng)了解，目前，美、日、德、法的柔性石墨產(chǎn)業(yè)居領(lǐng)先地位。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)領(lǐng)先。其中，高純?nèi)嵝允挥腥毡灸軌蛏a(chǎn)。全世界柔性石墨產(chǎn)量最大為1.5~2.0萬噸以上。
在鋰離子電池陽極材料方面，由于石墨具有極佳的電容量，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(jī)械強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕、潤滑性好的新材料。與碳化硅制品相比，最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(dá)350mAh/g。我國經(jīng)引進(jìn)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(yīng)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(xué)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(yīng)用的發(fā)展，這兩類新材料由于其不同的特性，各自的應(yīng)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(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
自本世紀(jì)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)秀的密封材料，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(yīng)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(dá)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(xué)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(xué)法和電化學(xué)法。兩種工藝除氧化工序不同外，脫酸、水洗、脫水、干燥等其它工序相同。采用化學(xué)法的絕大多數(shù)廠家 產(chǎn)品的質(zhì)量，都能達(dá)到GB10698-89《可膨脹石墨》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，滿足大宗柔性石墨板材生產(chǎn)用料要求和出口供貨標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)化技術(shù)管理，認(rèn)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(xué)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。該法最大特點，可通過調(diào)節(jié)電參數(shù)和反應(yīng)時間控制石墨反應(yīng)程度和產(chǎn)品的性能指標(biāo)，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(yán)重，將制約行業(yè)的發(fā)展。
2．2膨脹石墨加工方法的進(jìn)展
2．2．1激光膨化方法的研究
（3）研究了如何利用激光膨化可膨脹石墨。激光具有最高的能量密集度，并且石墨對激光還有良好的吸收性，其吸收率可達(dá)95%以上，這正好滿足了石墨膨化需 要快速升溫的要求。文獻(xiàn)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(dāng)?shù)?。所以它?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(kuò)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
專利文獻(xiàn)中報導(dǎo)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（最多10mm厚）平鋪在傳送帶上。 可膨脹石墨經(jīng)過一個輻射區(qū)后被膨化。輻射區(qū)內(nèi)的能流密度（flux density amounts）最小為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(xiàn)中介紹了一種利用誘導(dǎo)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(dá)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(rèn)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(yīng)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(jī)會。國際上根據(jù)用戶的不同要求，已經(jīng)開發(fā)出了很多新品牌的高級柔性石墨。核電及精細(xì)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(xì)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(jìn)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(xué)、浙江大學(xué)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(biāo)的柔性石墨。日本有種柔性石墨的最低含碳量為90%，降低了成本和售價。實際上，對有些設(shè)備， 如農(nóng)機(jī)、粗放型化工機(jī)械等，沒有必要使用高標(biāo)號柔性石墨。低標(biāo)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(qiáng) 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(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了測試技術(shù)及裝備，要求柔性石墨板帶材及復(fù)合板的氮氣泄漏率小于 0.1mg/m*s(DIN28091).我國也應(yīng)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(yīng)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(jī)的缸墊、進(jìn)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(jī)密封件上的應(yīng)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。基于柔性石墨材料的優(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(kuò)展
柔性石墨不僅用于密封，同時具有導(dǎo)電、導(dǎo)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(kuò)展。利用其導(dǎo)電性和易加工性 制成的電熱材料，可用于一些惡劣工況。當(dāng)然，由于其強(qiáng)度低，必須是固定式并有支撐結(jié)構(gòu)。已經(jīng)應(yīng)用的實例，是制成畫框式的電暖氣；也有報導(dǎo)，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(dǎo)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(fù)雜的導(dǎo)引槽系統(tǒng)。利用柔性石墨對熱幅射傳導(dǎo)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(dǎo) （>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(xué)中的應(yīng)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(dá)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(yuǎn)不及活性炭等；但液相吸附，卻遠(yuǎn)大于活性炭。大孔結(jié)構(gòu)有利于吸附有機(jī)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清除水面油污染的環(huán)保材料。1997年，日 本福岡近海油輪泄漏，試用膨脹石墨清除，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（細(xì)菌）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(jī)大分子污染的水處理 中，它有很好的應(yīng)用前景，并且由于其化學(xué)穩(wěn)定性，治污后的再生復(fù)用也相對容易。膨脹石墨由于對有機(jī)、生物工大分子的吸附特性，在生物醫(yī)學(xué)材料上也有廣泛的 應(yīng)用前景。清華大學(xué)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、軍事力量兔的動物實驗，證明無毒、無副作用，對創(chuàng)面無刺 激、不染黑，并促進(jìn)愈合。在第一軍醫(yī)大南方醫(yī)院燒傷科等四所醫(yī)院進(jìn)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、消炎作用，可代替 50~80%的紗布。這一成果已取得發(fā)明專利權(quán)（ZL95115437.0）正在實施產(chǎn)業(yè)化。
2．6膨脹石墨的其它應(yīng)用前景
膨脹石墨比容大，松裝容積100~300ml/g,并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化溫度高(>400℃),安全性高，因此是理想的隔熱（保溫）、隔音材料。 國外有的高檔建筑、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(zāi)時，有阻止火勢蔓延的作用。國外已有在機(jī)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(zāi)蔓延通道。雖然應(yīng)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(yīng)用酆在研究開 發(fā)中。
三、 未來石墨加工研發(fā)的目標(biāo)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，2000年，市場需求達(dá)到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(dá)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(fù)合材料作為21世紀(jì)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(yīng)用，將相應(yīng)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(jìn)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(jì)效益。
國家規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)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(yīng)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(wù)，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(dá)2.5億元，利稅率40%的經(jīng)濟(jì)效益。這些產(chǎn)品 對我國核電、化工、能源、電子、環(huán)保、冶金、機(jī)械、醫(yī)療等領(lǐng)域的技術(shù)社會經(jīng)濟(jì)將表重大貢獻(xiàn)，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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