что значит графитовый концентрат
Добыча графита: описание, свойства, применение
Графит — распространенный природный минерал, относящийся к классу самородных элементов. Он представляет собой один из аллотропных вариантов углерода. Как правило, он встречается в природе в виде отдельных чешуистых образований, скоплений или пластин, отличающихся как размером, так и содержанием графита.
В современной минералогии принято различать месторождения кристаллического графита, образовавшегося в результате вулканической деятельности, и месторождения скрытокристаллического графита, возникшего в результате метаморфизма угля.
Свойства
К физическим свойствам этого минерала относятся:
Что же касается химических свойств графита, то он:
Важно: физические и химические свойства этого минерала способны заметно изменяться в процессе обработки. По этой причине были классифицированы на основе физико-химических различий отдельные марки графита.
Структура и виды
Структурно этот минерал представляет собой вещество, в котором все атомы углерода имеют ковалентные связи с тремя остальными окружающими их углеродными атомами.
Современная наука различает два основных природных вида графита: гексагональный α-графит и ромбоэдрический β-графит. При этом нужно отметить, что в чистом виде β-графит никогда не встречается, что объясняется тем, что он является метастабильной фазой.
Искусственный синтез
Есть ряд способов, позволяющих получить путем синтезирования несколько видов искусственного графита:
Переработка
Промышленная переработка графита позволяет получить не только разные марки графита, но и готовые графитные изделия. Товарные виды этого минерала производятся путем запуска процесса обогащения графитсодержащих руд. Исходя из степени очистки, полученный графитовый концентрат будет классифицирован на марки, использующиеся в промышленности, а также по сферам использования.
Переработка в терморасширенный графит
Сперва кристаллический графит проходит процесс окисления. Этот процесс заключается во внедрении молекул и ионов азотной или серной кислоты в межслойное пространство кристаллической решетки перерабатываемого минерала. После окисления графит проходит мойку и последующую сушку для удаления остатков воды. На следующем этапе минерал проходит термическую обработку при температуре в 1000 градусов и с высокой скоростью нагрева. За счет очень быстрого нагрева минерала запускается процесс выделения газов и разложение молекул серной кислоты, внедренных в межслойное пространство кристаллической решетки минерала.
Выделение газообразных веществ помогает создать избыточное расклинивающее давление в 400 атмосфер в межкристаллическом пространстве. В итоге образуется терморасширенный графит, имеющий высокую удельную поверхность и низкую насыпную плотность. В случае использования серной кислоты при создании этого искусственного минерала в готовом материале остается определенное остаточное количество серы. На следующем этапе готовый терморасширенный графит прокатывается, в некоторых случаях дополнительно армируется и прессуется с добавлением специальных присадок для получения готовых изделий.
Для получения различных марок искусственного графита
В процессе производства синтетического графита зачастую применяется нефтяной кокс, выступающий в качестве структурного наполнителя, а также каменноугольный пек, использующийся в роли связующего вещества. В конструкционных видах искусственного минерала применяется в качестве специальной добавки сажа и графит природного происхождения. Также в качестве связующего компонента вместо пека могут использоваться различные искусственные смолы (фурановые, фенольные и так далее).
Процесс производства синтетического графита состоит из следующих технологических промышленных этапов:
Для получения композиционных материалов
На сегодняшний день современная промышленность изготавливает антифрикционные углеродистые материалы таких марок, как:
Подобные материалы изготавливаются из неятного кокса, не проходящего процедуру прокаливания, а также угольного пека с добавлением графита природного происхождения. С целью повышения плотности материала используют методику его пропитки металлами.
Применение
На сегодняшний день графит чаще всего применяется для следующих целей:
В пищевой промышленности использование графита допускается только после его тщательной обработки, что обусловлено санитарными требованиями.
Графитовая смазка производится посредством повышения густоты нефтяного масла с использованием 2 базовых компонентов: кальциевого мыла и графита. Готовый раствор по текстуре визуально схож с плотной мазью, цвет которой находится в диапазоне от темно-коричневого до черного тона. Этим материалом обрабатываются различные детали и поверхности, выполненные из стали, и характеризующиеся склонностью к появлению окислов.
На металлических изделиях (за исключением благородных сплавов), покрытых составом, образуется графитовая пленка. Прочная взаимосвязь пленочного слоя с окислами объясняется структурой графита, молекулы которого неплотно соединены между собой, при этом между пленками всегда остаются молекулярные частички воздушно-кислородной смеси.
Этими же параметрами и обусловлено снижение смазочных показателей графита в безвоздушном пространстве.
Характеристика графитной смазки
Технические свойства графитовой смазки определяются компонентами, присутствующими в смеси.
Предыдущее наименование материала звучит как «графитная УСсА», технология производства которого регламентирована ГОСТ 3333-80.
Более стандартное описание технологии получения состоит в следующем: вязкое масло (продукт нефтепереработки) загущается добавкой в виде кальциевого мыла и измельченного порошкового графита.
Упрощенная версия производства звучит как перемешенный солидол с толченым графитовым порошком.
Второй базовый компонент — это измельченный уголь, представляет собой наполнитель, обеспечивающий заполнение мельчайших полостей поверхности, уменьшая коэффициент трения.
Для чего применяют
Сфера использования графитовой смазки достаточно большая. Состав применяется не только в автомобильных агрегатах, промышленности, а также популярен для бытового назначения.
В производственной сфере применяется для обрабатывания:
В автомобильной отрасли:
Зачастую смазочные материалы из графита востребованы в автотранспорте для обрабатывания направляющих суппортов.
Когда используется аэрозольный вариант графитовой смазки, то посредством него допускается защищать от окисления диски тормозной системы, барабаны и фланцевые детали ступиц.
Такое покрытие предоставляет возможность уменьшить вероятность прикипания металла. Мелкодисперсное распыление средства обеспечивает равномерное распределение в труднодоступных участках, и способствует созданию обезжиривающей пленки. Во время сборочных работ по монтажу узлов — смазочный состав наносят на резьбовое соединение для повышения простоты демонтажа метизов, при последующем сервисном обслуживании автомобильных компонентов.
В быту графитовым раствором покрывают цепи для велосипедов, замки, петли для дверей, и тросовые приводные элементы тормозных систем.
Повышенная густота позволяет смешивать смазочный состав с растворителями, что позволяет обрабатывать конструкции со сложной геометрией. Распределенная мазь закрепляется на поверхности, при этом растворитель высыхает. Средство безопасно для покрытия изделий из полимеров, а также для окрашенных материалов.
Плюсы и минусы
Сочетание технических параметров солидола и измельченного графита в готовом смазочном составе обеспечивает следующий перечень характеристик:
К недостаткам графитовой смазки относится ограниченная сфера допустимого применения в механизмах с повышенной точностью размеров деталей и высокой интенсивностью их взаимодействия.
Мелкодисперсные примеси угля в данном варианте становятся абразивными частицами и оказывают негативное влияние на конструктивные параметры, что ведет к преждевременному износу.
Марки и названия графитовых смазок
Среди разновидностей смазочного графита выделяют 4 марки, которые отличаются по технологическим показателям. Вне зависимости от классификации они относятся к кристаллическому типу материала.
Графитовые смазки являются востребованным средством, обеспечивающим защиту различных металлических узлов (из меди и стали) от повышенного трения и окисления.
Чем интересен коллоидный графит для промышленного производства
В отличие от природного графита, имеющего кристаллическую слоистую структуру, коллоидно-графитовые смеси представляют собой мелкозернистые суспензии черного цвета на водной, спиртовой либо масляной основе с добавлением стабилизаторов типа аммиака или танина. Препараты графита коллоидного в виде полужидкого вещества широко используются при изготовлении смазочных материалов, а также антифрикционных, токопроводящих, светонепроницаемых покрытий.
Свойства и применение препаратов коллоидного графита
Пластинчатые микрочастицы графита обладают отличными антифрикционными и адгезионными свойствами. Коллоидно графитные препараты не токсичны и не вредны для человека, сохраняют структуру, обладают хорошей устойчивостью к повышенным температурам, ультрафиолету, агрессивным средам, не боятся морозов. Многие из них экономно расходуются – перед использованием их можно разводить в зависимости от основы спиртом, водой или маслом в нужных соотношениях.
Сферы использования коллоидных графитных смесей:
Препараты КГП также популярны в качестве добавочного компонента при изготовлении клеев для прорезиненных тканей, резинотехнических изделий и прочих аналогичных объектов.
Виды и состав коллоидного графита
Промышленность выпускает большое количество искусственных сухих коллоидно-графитовых препаратов. Основные марки:
Этапы изготовления препаратов коллоидного графита:
На производствах, где не изготавливаются другие графитированные продукты кроме коллоидного графита, этим двум этапам предшествуют технологический процесс изготовления графита:
При необходимости полученный материал может быть подвергнут дополнительной операции – высокотемпературной газотермической очистке при температуре до 2800С, что позволяет получать графитированные порошки с низким содержанием зольных примесей отвечающих требованиям особочистых графитов.
Графитовая смазка: описание, характеристики, производители, маркировка, марки
Смазывающие свойства графита известны давно: еще в 18 веке его использовали для обеспечения плавной и бесшумной работы механизмов подъемных устройств. Широкое применение графита в наше время связано с развитием различных отраслей промышленности, включая ядерную энергетику. Прогресс в области машиностроения обусловил появление большого ассортимента смазочных материалов, в том числе высоковязких и пластичных смазок с добавлением графита.
Графитную смазку изготавливают путем загущения нефтяного масла кальциевым мылом и графитом. Получившимся в результате составом, по внешнему виду напоминающим однородную мазь от темно-коричневого до черного цвета, обрабатывают стальные и медные поверхности, склонные к окислению. Хорошая связь графитных пленок с окислами металлов (но не с благородными металлами) обусловлена структурными особенностями графита: его молекулы слабо связаны друг с другом, между слоями всегда присутствуют молекулы воды и кислорода. По этой же причине графит утрачивает свойства хорошего смазочного материала в вакууме.
Графитная смазка — описание
Характеристики графитовой смазки определяются компонентами, из которых она состоит. Состав графитовой смазки (устаревшее название «графитная УСсА») в советское время устанавливал ГОСТ 3333-80. Упрощенное описание её изготовления выглядит примерно так: синтетическое или органическое вязкое масло (полученное из нефти) загущается добавлением в него кальциевого мыла и графитового порошка. Если максимально упростить – солидол перемешивается с толчёным графитом. Толченый графит Графит (измельченный уголь), составляющий основу графитовой смазки, способен заполнять микроскопические неровности в деталях, снижая при этом трение.
Применение в составе смазки такого материала, как графит, не случайно – его использовали для уменьшения трения между деталями ещё 300 лет назад. Графит, как известно – это не что иное, как углерод (уголь), но в более «рыхлом» состоянии, в результате чего он способен заполнить микроскопические неровности в деталях (царапины, раковины, следы от режущего и обрабатывающего инструмента и т.д.). Такое «заглаживание» поверхностей значительно снижает коэффициент трения. Солидол же обеспечивает жидкостное трение деталей – в общем, работает, как любая другая смазка, но в сочетании с графитом, позволяет последнему удерживаться в зоне трения деталей – валов, шестерён и т.д.
Характеристики
В действующем ГОСТ 3333-80, а также соответствующих технических условиях указаны технические и эксплуатационные характеристики графитовой смазки.
При работе со смазкой необходимо помнить и соблюдать приведенные ниже правила безопасной эксплуатации графитовой смазки.
При работе со смазкой соблюдайте следующие правила техники безопасности и пожаробезопасности:
Преимущества и недостатки смазывающего состава
Смазки, создаваемые на основе графита, имеют массу положительных сторон и несомненных преимуществ. В качестве плюсов стоит выделить такие моменты:
У смазки имеются и небольшие недостатки. Здесь стоит отметить, что температурный диапазон у продукта не слишком значительный. Применять продукт в излишне трущихся деталях с прецизионными зазорами не стоит ввиду сильного и быстрого износа. Дополнительная информация о смазке представлена в видеоролике:
Можно ли сделать «графитку» самостоятельно?
Порошок не является дефицитом. Его можно было найти даже 30-40 лет назад. А вот смазка на его основе не всегда была на прилавках магазинов. Поэтому автолюбители добавляли в солидол немного моторного масла (разумеется, минералку), сыпали в емкость графитовую пыль (порошок), затем долго и тщательно размешивали.
Получался самый качественный состав: на основе растительного солидола, без синтетических загустителей.
Характеристики пластичной графитовой смазки:
Свойства графитовой смазки
Сам по себе графит хорошо проводит тепло, электричество, не разрушается под воздействием влаги, не подвержен воздействию статического электричества, а также термически устойчив (может выдерживать высокую температуру). Все эти свойства, хоть и в меньшей мере имеет и соответствующий смазочный материал.
Чем хороша графитовая смазка? К ее преимуществам относят:
Еще одним немаловажным преимуществом графитовой смазки является ее низкая цена при удовлетворительных эксплуатационных характеристиках. Хотя, справедливости ради, нужно отметить, что в настоящее время существует множество других, более совершенных смазочных материалов, которые хотя и дороже стоят, но обладают лучшими показателями.
Однако есть у графитовой смазки и недостатки. В частности, ее нельзя использовать в механизмах с высокой точностью работы, так как твердые примеси, имеющиеся в графите, будут способствовать повышенному износу деталей;
Где применяется?
Ниже разберем, где используется и для чего предназначена смазка. Сфера применяемости вещества достаточно распространенная. Средство находит свое назначение не только в автомобиле, но и в быту, а также промышленности.
В быту
Расходным веществом смазывают велосипедные цепи, замки, дверные петли квартир, гаражей, а также тросовые приводы тормозных систем. Благодаря густоте смазку можно смешивать с растворителями. В результате этого вещество попадает в труднодоступные места. После нанесения растворитель испаряется, а смазка остается. Средство можно использовать в обработке резиновых и пластиковых деталей, а также поверхностей, пропитанных лакокрасочным покрытием.
В производстве
В промышленности смазка нужна для обработки:
Пользователь Антон КПД Гомель в своем ролике рассказал о разных смазочных средствах, в том числе графитовой смазке.
В автомобиле
Где применяется смазочное вещество в авто:
Автовладельцы часто используют вещество для обработки направляющих суппортов. Если имеется аэрозольное средство, то им можно смазать тормозные диски, барабаны и фланцы ступиц, это позволит предотвратить возможное прикипание материала. Благодаря спрею вещество эффективно попадет в труднодоступное место и обработает поверхность обезжиривающим составом.
При сборке механизмов смазку можно нанести на резьбовую часть деталей, это позволит обеспечить более упрощенное выкручивание винтов и гаек при дальнейшем выполнении ремонтных работ. Что касается подшипников, то на данный момент при производстве устройств закрытого типа вещество не используется. Но производители регулярно работают над изготовлением новых составов, поэтому в скором будущем возможно появление на рынке специального средства, предназначенного для подшипниковых деталей. На данный момент для этой цели лучше использовать Литол.
Производители графитовой смазки
На сегодняшний день графитный смазочный материал выпускают почти все изготовители моторных жидкостей:
Проводит ток или нет графитная смазка
На силовых электрических контактах графитка не создаёт дополнительного сопротивления. При защите электрических соединений она не создаёт дополнительного сопротивления, в отличие от других смазок, поэтому ею можно защищать даже силовые контакты – например, при подсоединении «плюсового» провода к стартеру. Это очень важный момент – защита контакта плохо проводящим ток покрытием может привести к его нагреву и возгоранию проводки.
Что лучше графитовая или медная смазка?
Эти два состава имеют очень схожие характеристики. Та-же основа, тот же способ введения мелкодисперсного порошка. Так же, как и медная, графитовая смазка проводит ток. Еще одно общее качество: форма выпуска. Есть пластичная паста, менее вязкий гель и аэрозоль.
Однако у медных составов есть неоспоримое преимущество: высокая температурная стабильность. Свойства не меняются даже при кратковременном нагреве до +1000℃. А нормальный диапазон применения предусматривает постоянную температуру до +300℃.
Поэтому медная смазка, в отличие от графитовой, успешно применяется в тормозных суппортах.
Справедливости ради стоит отметить, что медная смазка не так хорошо «держит» высокую нагрузку при давлении трущихся частей. Высокодисперсная медь просто выдавливается вместе с носителем, а частицы графита остаются на поверхности металла, даже при полном высыхании смазывающей основы. При этом, медная смазка существенно дороже графитовой.
Что лучше графитовая смазка или «Литол»?
Если говорить о пластичной консистенции, принципиальной разницы нет. Та же область применения, схожие характеристики. К тому же, многие автолюбители делают «графитку» в том числе из «Литола-24», вводя в нее графитовый порошок. При этом понижается температурный диапазон.
Так зачем это делается? Литол накапливает в себе загрязняющие частицы, графитовая смазка избавляет от этого недостатка. К тому же, сухой компонент «графитки» лучше работает в местах плотного прилегания двух металлических частей.
При высоком давлении, литол может быть вытеснен, вплоть до сухого пятна контакта. А графит остается между деталями трения в любых условиях. Кроме того, если нужна электропроводность, у графита неоспоримое преимущество: «Литол-24» — 100% диэлектрик.
Свойства графитовой смазки определяются свойствами графита
Маркировка графитовой смазки
Согласно ГОСТ 23258 – 78 «Смазки пластичные» графитовая смазка имеет обозначение – СКа 2/6-г3, где:
Графитовая смазка выпускается в различном виде, от которого зависит область ее применения. Сфера применения и назначение в зависимости от формы выпуска:
Эксплуатационные характеристики различных видов графитной смазки соответствуют условиям эксплуатации практически любого оборудования.
Марки графитовых смазок
Среди разновидностей графитовой смазки можно выделить:
Отличительные характеристики смазки, а также рекомендуемые условия применения наносятся производителем на этикетку, что позволяет выбрать подходящую из большого ассортимента.
Плюсы и минусы графитовой смазки
Преимуществами использования графитовой смазки выражены в следующем:
В качестве недостатка следует отметить ограниченность применения в узлах и механизмах повышенной точности – графитовый порошок в этом случае выступает как абразив, что приводит к преждевременному износу оборудования.
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.