گرافیت آزمایشگاهی
گرافیت
گرافیت ماده معدنی بسیار نرم با رنگ مشکی است که از اتم‌های کربن تشکیل شده است. این ماده غیرسمی است و براحتی اثر آن بر روی سطوح زبر باقی می‌ماند. کاربرد عمده گرافیت در ساخت مداد است. نام گرافیت برگرفته از واژه یونانی graphein به معنی نوشتن است که اشاره به رد سیاه رنگی دارد که روی کاغذ از آن به جا می‌ماند. گرافیت مات و خاکستری تیره تا سیاه است. به شکل بلورهای شش وجهی، ورقه‌های انعطاف پذیر، پوسته پوسته یا توده‌های بزرگ تشکیل می‌شود. ساختار آن می‌تواند به شکل خاک، دانه دانه یا فشرده باشد.
گرافیت که نماد شیمیایی آن C است در اثر دگرگونی رسوبات کربن دار و نیز در اثر واکنش ترکیبات کربن با محلول‌های هیدروترمال به وجود می‌آید. گرافیت زمانی تشکیل می‌شود که کربن در معرض گرما و فشار پوسته و بخش بالایی جبه زمین قرار گیرد. برای این که گرافیت به وجود آید باید فشاری برابر ۷۵۰۰۰ پوند در هر اینچ مربع و دمایی در حدود ۷۵۰ درجه سلسیوس به آن وارد آید.
می توان گفت؛ گرافیت در شرایط جوی پایدار است اما ترکیباتی مانند الماس می‌تواند تحت فشار و دمای مشخصی به گرافیت تبدیل شود. لازم است بدانید که الماس و گرافیت از کربنی تشکیل شده‌اند که از بقایای موجودات زنده بدست آمده است. کربن باقیمانده از موجودات زنده به ذغال‌سنگ تبدیل می‌شود.
تولید گرافیت ورقه ای
بیشتر گرافیتی که در سطح زمین دیده می‌شود در مرز صفحات همگرای زمین، یعنی جایی که سنگ شیل غنی از ماده ارگانیک و سنگ آهک در معرض گرما و فشار دگرگونی ناحیه ای قرار می‌گیرند تشکیل می‌شود. در نتیجه مرمر، شیست و گنیس تشکیل می‌شوند که دارای بلورها و ورقه‌های ریز گرافیت هستند. زمانی که گرافیت در مقادیر زیاد انباشته می‌شود، می‌توان سنگ‌های نام برده را استخراج کرد و به اندازه‌های کوچک خرد کرد تا ورقه‌های گرافیت موجود در آن‌ها آزاد شود و به دنبال فرآیندهایی مانند «جداسازی طبق چگالی ویژه» یا «شناورسازی کف» گرافیتی که تراکم کمتری دارد از آن جدا شود. محصول تولید شده گرافیت ورقه ای است. لازم به ذکر است که شناورسازی کف یکی از مهم ترین روش‌های جداسازی ماده معدنی از مواد زاید و یکی از دقیق ترین روش‌ها برای پرعیار کردن مواد معدنی است.
گرافیت شکلی از کربن بلوری است که به طور طبیعی شکل می‌گیرد. این کانی بومی‌در سنگ‌های آذرین و دگرگونی یافت می‌شود. این کانی هر ویژگی را به میزان زیادی دارا است. برای مثال بسیار نرم است، با کوچک ترین فشاری در سطح رَخ می‌شکند و چگالی ویژه بسیار کمی‌دارد. از سوی دیگر، به شدت در مقابل گرما مقاوم است و درتماس با مواد دیگر واکنشی نشان نمی‌دهد. به خاطر این ویژگی‌ها است که موارد کاربرد گرافیت در متالورژی و تولید سازه بسیار گسترده هستند. از گرافیت در متالورژی، الکتروتکنیک، رآکتورهای اتمی‌و ساخت انواع مداد استفاده می‌شود.
تشکیل گرافیت بی شکل
نوعی از گرافیت از دگرگونی رگه‌های نازک زغال سنگ شکل می‌گیرد. مواد اصلی ارگانیک موجود در زغال سنگ شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد هستند. گرمای ناشی از دگرگونی، مولکول‌های ارگانیک زغال سنگ را از بین می‌برد و اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد موجود در آن را تبخیر می‌کند. چیزی که باقی می‌ماند کربن تقریباً خالصی است که به شکل گرافیت معدنی متبلور می‌شود. این گرافیت در رگه‌های باریکی تشکیل می‌شود که به لایه اصلی زغال سنگ ارتباط دارند. این ماده پس از استخراج گرافیت بی شکل نامیده می‌شود. کاربرد واژه بی شکل در واقع نادرست است، چون این نوع گرافیت دارای ساختار بلوری است. این ماده وقتی که از معدن بیرون آورده می‌شود ظاهری شبیه به کلوخه‌های زغال سنگ دارد، ولی بدون نوارهای تیره و روشن است.
گرافیت تشکیل شده از دگرگونی هیدروترمال
مقدار کمی‌گرافیت در اثر واکنش ترکیبات کربن به دنبال دگرگونی هیدروترمال تشکیل می‌شود. این کربن قابلیت جا به جا شدن و رسوب کردن در رگه‌هایی که متصل با کانی‌های هیدروترمال هستند را دارد. چون این کربن در جریان آب شسته و جا به جا می‌شود، میزان تبلور بالایی دارد. این ویژگی آن را به ماده ای مناسب برای بسیاری از مصارف الکتریکی تبدیل کرده است.
گرافیت موجود در سنگ‌های آذرین و شهاب سنگ‌ها
مقادیر بسیار کمی‌از گرافیت به عنوان کانی اولیه در سنگ‌های آذرین شکل می‌گیرد. به شکل ذرات بسیار کوچکی در جریان‌های آتشفشانی بازالت و سینیت یافت می‌شود. همچنین در پگماتیت‌ها هم دیده می‌شود. برخی شهاب سنگ‌های آهنی نیز مقادیر اندکی گرافیت در خود دارند که این نوع گرافیت از لحاظ اقتصادی ارزشی ندارد.
گرافیت مصنوعی
گرافیت مصنوعی با حرارت دادن موادی با درصد بالای کربن مانند کُک نفتی در دمایی بین ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس حاصل می‌شود. در چنین دمای بالایی، همه مواد فرار و بسیاری از فلزات در ماده قابل تزریق یا از بین می‌روند یا از آن خارج می‌شوند. گرافیتی که باقی می‌ماند به یک ساختار صفحه مانند بلوری می‌چسبد. درجه خلوص گرافیت مصنوعی تا ۹۹ درصد کربن هم می‌رسد.
گرافیت و الماس
گرافیت و کربن دو شکل معدنی از کربن هستند. الماس در جبه زمین و تحت گرما و فشار بسیار زیاد تشکیل می‌شود. بیشتر گرافیتی که نزدیک به سطح زمین پیدا شده درون پوسته زمین در دما و فشاری پایین تر شکل می‌گیرد. گرافیت و الماس ترکیب یکسانی دارند، ولی ویژگی‌های آن‌ها با هم متفاوت است.
گرافیت ظاهر بسیار متفاوتی با الماس دارد و درجه سختی آن در مقیاس موس در نقطه مقابل الماس، یعنی ۱ تا ۲ است، در حالی که درجه سختی الماس ۱۰ است. نرمی‌گرافیت به دلیل نحوه برقراری پیوند بین اتم‌های آن است. اتم‌های کربن در گرافیت در یک شبکه شش وجهی به هم متصل شده اند. بدین ترتیب، این شبکه‌ها حلقه‌هایی متشکل از ۶ اتم کربن را به وجود می‌آورند که روی صفحه‌هایی با فاصله، به صورت عمودی قرار گرفته اند. ضخامت این صفحه‌ها به اندازه یک اتم است. اتم‌ها محکم درون حلقه‌ها به هم پیوسته اند، ولی ارتباط سستی با صفحه‌ها دارند. اتصال این صفحه‌ها به هم سست است، بنابراین با کوچک ترین فشاری به آسانی روی هم سر می‌خورند یا می‌شکنند. همین امر باعث می‌شود درجه سختی گرافیت بسیار کم و رَخ آن کامل باشد و سطح آن لغزنده به نظر برسد. به هنگام لمس گرافیت، احساس می‌کنیم سطح آن لیز مثل سطحی صابونی یا روغنی است. مغز مداد که همه در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم دارای گرافیت است. نخستین باری که مداد گرافیتی مورد استفاده قرار گرفت به سال ۱۵۷۵ بر می‌گردد.برعکس، اتم‌های کربن در الماس در ساختاری بسیار محکم و با ثبات با هم پیوند دارند. در الماس هر اتم کربن به یک شبکه سه بعدی که دارای چهار اتم کربن با پیوند کووالانسی قوی هستند متصل است. این آرایش اتمی‌اتم‌ها را چفت شده در جای خود نگه می‌دارد و سبب می‌شود الماس به یک ماده بسیار سخت تبدیل شود. بهترین راه برای شناخت کانی‌ها این است که یک مجموعه از نمونه‌های کوچک را نگهداری، مشاهده، مقایسه و مطالعه کنیم و به ویژگی‌های آن‌ها دقت کنیم و به خاطر بسپاریم.
ماده لایه لایه ساخت شده از حلقه کرین ۶ ضلعی، بالاترین مقاومت طبیعی و سختی، ضد زنگ و مقاوم در برابر حرارت، روانکاری طبیعی بالا، مقاومت حرارتی بالا تا 2500 درجه سانتی گراد، رسانای الکتریکی و حرارتی، ثبات شیمیایی، بازدارنده تابش (اشعه)، اصطکاک کم و مقاومت فشاری بالا از عمده خواص گرافیت است.
از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافیتی و … استفاده می‌شود. گرافیت بر خلاف الماس(دیگر آلوتروپ کربن) هادی جریان الکتریکی است
گرافیت به چه روش هایی تولید می شود؟
استخراج طبیعی گرافیت ورقه ای
بیشتر گرافیتی که در سطح زمین دیده می شود، در مرز صفحات همگرای زمین، در معرض گرما و فشار تشکیل می شود. جالب است بدانید گرافیت ها موادی بد شانس هستند! چرا که اگر کمی فشار بیشتری روی آن ها وارد می شد، تبدیل به الماس می شدند!
زمانی که گرافیت در ابعاد زیاد انباشته شود، می توان سنگ های آن را استخراج کرد. از خردایش این سنگ ها، ورقه های گرافیتی موجود در آن ها آزاد می شود. سپس از طریق فرایندهای شیمیایی مانند جداسازی بر اساس چگالی ویژه یا شناورسازی، می توان آن ها را پرعیار نمود.
کانی های ورقه ای بسیار نرم بوده و با کوچکترین فشاری می شکنند. اما به شکل عجیبی شدیدا در برابر حرارت مقاوم اند. گرافیت ها در تماس با مواد دیگر هیچگونه واکنشی نشان نمی دهند. به این دلیل بیشترین کاربرد این نوع در صنایع متالورژی و تولید سازه متمرکز شده است.
استخراج گرافیت آمورف
گرافیت آمورف، نوعی از گرافیت است که از دگرگونی رگه های باریک زغال سنگ تولید می شود. مواد اصلی ارگانیک موجود در زغال سنگ شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد هستند. حرارت اعمال شده در فرایند دگرگونی، این مولکول های ارگانیک زغال سنگ را از بین می‌برد.
ماده ای که باقی می ماند کربن تقریباً خالصی است که به شکل معدنی متبلور می شود. این گرافیت در رگه های باریکی تشکیل می شود که به لایۀ اصلی زغال سنگ متصل هستند. این گرافیت ها را می توان با به کار گیری اسیدهای مختلفی پرعیار کرد. همان طور که ذکر کردیم، به دلیل کوچک بودن بلورهای این ماده، گرافیت بی شکل نام گرفته است.
تولید گرافیت به روش آچسون
در این فرایند سنگ آنتراسیت را به شکل پودر در آورده و به صورت کاملا فشرده شده در بوته های چینی می ریزند. بعد از آن، این بوته های چینی را در خلاء و در یک کوره الکتریکی تا دمای 1200 الی 1500 درجۀ سلسیوس حرارت می دهند. در نتیجۀ این عمل 98 درصد آنتراسیت به گرافیت تبدیل می شود. البته باید توجه شود که موفقیت این روش، تا حدود زیادی بستگی به امکان دستیابی به منبع ارزان تولید الکتریسیته دارد. از این رو این روش کاربرد گسترده ای در کشورهایی مثل کانادا دارد. (البته برق در ایران هم ارزان است و می توان به فکر این روش بود!
تولید گرافیت از قیر
در این روش ابتدا کک دانه بندی شده و سپس با قیر مذاب ترکیب می شود. این مخلوط پرس شده و در کوره ای با دمای 1200 درجۀ سلسیوس قرار داده می شود. بدیهی است که زمان پخت و سیکل آن، در خواص به دست آمده تاثیر خواهد داشت. در حین انجام فرایند پخت، می توان با افزودن موادی مانند رزین فنولیک، از کاهش چگالی ساختار جلوگیری کرد.
محصول فرایند پخت، مجددا در کوره ای با دمای 2400 تا 3000 درجۀ سلسیوس قرار می گیرد تا فرایند گرافیته شدن انجام شود. حتما باید توجه شود که دانه بندی کک اولیه، تأثیر مهمی بر خواص گرافیت تولید شده دارد. به شکلی که هر چه دانه بندی ریزتر باشد، خواص مکانیکی و الکتریکی محصول نهایی بهتر است. از طرف دیگر پخت آن مشکل تر است و نیاز به زمان بیشتری دارد.
گرافیت موجود در آتش فشان ها و شهاب سنگ ها
مقادیر بسیار کمی از گرافیت به شکل ذراتی بسیار کوچکی در جریان های آتشفشانی بازالت و سینیت یافت می شود. همچنین در سنگ های پگماتیت نیز مقادیری از آن دیده می شود. برخی شهاب سنگ های آهنی نیز گرافیت در خود دارند که استخراج این نوع از لحاظ اقتصادی ارزشی ندارد.
استانداردهای کنترل خواص گرافیت
استانداردهای تعیین چگالی
برای تعیین چگالی گرافیت در صنایع مختلف، استانداردهای ASTM C838 و ASTM C559 معرفی شده اند. اساس کار محاسبۀ دانسیته در این استانداردها به این نحو است که با تقسیم وزن قطعۀ مکعبی گرافیتی، بر حجم حاصل از اندازه گیری ابعادی، مقدار حدودی چگالی به دست می آید.
اما برای تعیین دانسیتۀ ظاهری، تخلخل ظاهری و نیز تعیین دقیق دانسیتۀ بالک، استانداردهای ASTM C373 و ASTM C1039 پیشنهاد می شوند. مبنای استاندارد ASTM C373 فرایند ارشميدس است. در این فرایند نمونه های گرافیتی در آب مقطر جوشان به مدت پنج ساعت شناور می شوند. سپس در مدت زمان 24 ساعت در آب مقطر با درجه حرارت محیط نگه داری می شوند. وزن نمونه در حالت غوطه ور در آب (S) اندازه گیری شده و نمونه از آب خارج می شود. آب اضافی سطح آن با ابر برداشته می شود تا وزن اشباع نمونه (M) به دست آید.
استانداردهای بررسی کیفیت گرافیت
از گرافیت در چه صنایعی استفاده می شود؟
صنایع رنگ و آستر
رنگدانه های گرافیت قدرت پوشانندگی بسیار خوبی دارند. ساختمان ورقه ای توأم با سطح ویژۀ خاص این مواد سبب شده که قدرت گسترش بالایی در سطوح داشته باشند. این رنگدانه ها زمانی که در رنگ به کار می روند، لایه های آن ها به موازات سطح قرار گرفته و با یکدیگر تداخل می کنند.
از این رو رنگ های گرافیتی در مقابل نفوذ آب بسیار مقاوم هستند. همچنین گرافیت چسبندگی بالایی به فلزات دارد. بنابراین سبب افزایش چسبندگی رنگ به سطح می شود. این ماده در رنگ های تعمیراتی برای اسکلت های فولادی و همچنین آسترهای اولیه ضد خوردگی به کار می رود که در کاربرد دوم اغلب به صورت مخلوط با سرب قرمز استفاده می شود.
روان کاری و کاهش اصطکاک
این ماده خاصیت روان کنندگی بالایی دارد، از این رو سال هاست که به عنوان روان کار خشک، برای جلوگیری از اصطکاک در دستگا‌های صنعتی استفاده می شود. البته در کاربردهای روان کاری، معمولا این ماده در ترکیب با روغن استفاده می شود.
در بسیاری از کاربردها، روغن و کریستال های لایه لایۀ گرافیت به تنهایی کافی نیستند. در این مواقع از افزودنی هایی مانند فلزات نرم (ایندیم، سرب، نقره، قلع)، پلی تترافلوئورواتیلن، بعضی از اکسیدهای جامد، فلوریدهای نادر زمین و حتی الماس به همراه گرافیت استفاده می شود. موارد استفاده از این روان کارها در فشرده سازی هوا، بلبرینگ، اتصالات سرعت ثابت، قفل ها و غیره است.
مغز مداد
شاید مهم ترین کاربرد گرافیت که بیشترین استفاده را در زندگی روزمره ما دارد، به کارگیری آن در مغز مداد است. این ماده در صورت اختلاط با خاک رس، ترکیبی به وجود می آورد که در مغز مداد وجود دارد. خاصیت روانی گرافیت و خشکی خاک رس وقتی ترکیب شوند، ماده ای پدید می آید که قابلیت اثر انداختن روی کاغذ را امکان پذیر می کند.
صنایع متالورژی و الکترونیک
صنایع فلزات برای تولید برنج، مس و مفرغ نیازمند بوته هایی نسوز هستند. برای فرایند تولید این مواد، غالبا از بوته های گرافیتی نسوز استفاده می شود. همچنین کاربرد الکترودهای گرافیتی در صنایع ذوب، یکی از مشخص ترین نمودهای اهمیت گرافیت در متالورژی است
همچنین این ماده در باتری ها، دستگاه های الکترونیکی (مخصوصا دستگاه های تایپ الکتریکی) کاربردهای زیادی دارد. همچنین کاربرد این ماده در ساخت سیستم های مخابره ای، سیستم های سوییچینگ و سیستم‌های رادار بسیار گسترده است.
تسلیحات نظامی
زغال نرم که نام دیگر گرافیت است، در ساخت بمب های گرافیتی کاربرد دارد. این بمب ها وزنی معادل چهارصد و پنجاه کیلوگرم دارند و از لحاظ قیمتی بسیار ارزان و به صرفه هستند. البته، بمب های گرافیتی آسیب عمرانی نداشته و بیشتر برای از کار انداختن نیروگا‌ها و تاسیسات برقی استفاده می شوند.
در این کاربرد، گرافیت که از جنس کربن است، با حلال های کربن حل می شود. بنابراین روی تجهیزات نیروگاه ها نشسته و باعث اتصالی و از کار افتادن سیستم های برقی می شود.
در اواخر قرن نوزده میلادی، ارتش آمریکا در یک تمرین نظامی از این بمب استفاده کرد و باعث قطعی برق منطقه مورد آزمایش و خاموشی کلی آن منطقه شد. سپس این بمب توسط ارتش امریکا در «جنگ کوزو» استفاده شد. این جنگ بین آمریکا و یوگوسلاوی شکل گرفته بود. استفاده از این بمب باعث قطعی برق بیش از دو سوم خاک یوگوسلاوی شد!
