天然石墨的表面改性。與石油焦、瀝青焦等炭質(zhì)原料相比,天然石墨的表面含氧官能團較少,活性較低,與煤瀝青的結(jié)合力較差。因此以天然石墨,特別是天然鱗片石墨作主要原材料,按人造石墨生產(chǎn)工藝制備的炭石墨制品不可避免地存在力學性能較差的問題。烏蘭察布石墨電極強調(diào)需要對天然石墨進行適當?shù)谋砻嫣幚?,增加其表面含氧官能團含量。
天然石墨的純化。石油焦、瀝青焦等炭質(zhì)原料的純度較高,灰分含量通常低于0.5%,而經(jīng)浮選處理的天然石墨的純度較低,碳含量通常在90%以下,因此以天然石墨為原料制備的炭石墨制品往往因純度較低,綜合性能較差而使其應用領域受到限制。對天然石墨進行高純化處理,是解決這一問題的途徑之一。
化學純化成本較低,但洗滌過程中用水量大,污染較大,而高溫純化則存在成本較高的問題。也有人認為可以先按人造石墨的生產(chǎn)工藝制備出塊狀石墨,再通過2500℃以上的高溫熱處理,在使“炭”相石墨化的同時去除天然石墨相中的雜質(zhì),但一是增加了生產(chǎn)成本,二是雜質(zhì)氣化后形成的缺陷往往會造成產(chǎn)品性能下降。
天然石墨的粒度。為了改善工藝性能和產(chǎn)品性能,除細結(jié)構(gòu)炭石墨制品外,大多數(shù)炭石墨制品在配料過程中都需要采用不同粒級的炭質(zhì)原料,某些大規(guī)格制品,炭質(zhì)原料的顆粒尺寸甚至達到16毫米,而經(jīng)浮選處理的天然石墨往往呈細粉狀,顆粒尺寸僅幾十到幾百微米,因此以天然石墨為原料僅限于制備細結(jié)構(gòu)炭石墨制品。
雖然可以獲得粒級不同的天然微晶石墨,但因其純度較低,高溫純化處理成本過高,所以也未見以天然微晶石墨為原料制備粗結(jié)構(gòu)炭石墨制品的報道。為解決大顆粒天然石墨缺乏的問題,建議采用人造石墨行業(yè)處理炭黑原料時的“二次焦”工藝。
制備過程的體積收縮。在人造石墨的制備過程中,特別是在石墨化過程中,由于碳原子的排列逐漸向規(guī)整的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,因此制品的體積收縮較大。
這種體積收縮的有利之處是可提高制品的密度,但收縮不均勻時,容易造成制品開裂。而以天然石墨作原料時,由于炭化和石墨化過程的體積收縮較小,因此制品的密度和力學性能較低。
此外,在以天然石墨為原料開發(fā)人造石墨時,還需要考慮綜合生產(chǎn)成本的問題。
由于經(jīng)過浮選的天然石墨的價格與煅后石油焦、瀝青焦相近,而再經(jīng)過純化處理至碳含量達98%時,天然石墨的價格已接近煅后石油焦、瀝青焦的二倍,因此除了烏蘭察布石墨電極前述的幾種已形成較大產(chǎn)業(yè)的炭石墨制品外,大多數(shù)技術(shù)路線和技術(shù)措施的提出都會使生產(chǎn)成本大幅度增加。