El grafito ( / ˈɡr æf aɪt / ) es una forma cristalina del elemento carbono . Consiste en capas apiladas de grafeno . El grafito se produce de forma natural y es la forma más estable de carbono en condiciones estándar . El grafito sintético y natural se consume a gran escala (1,3 millones de toneladas métricas por año en 2022) para usos en lápices , lubricantes y electrodos . Bajo altas presiones y temperaturas se convierte en diamante . Es un buen (pero no excelente) conductor tanto del calor [6] como de la electricidad. [7]
Los principales tipos de grafito natural, cada uno de los cuales se encuentra en diferentes tipos de depósitos minerales , son
El grafito sintético (o grafito artificial) es un material compuesto de carbono grafítico que se ha obtenido por grafitización de carbono no grafito , por deposición química de vapor de hidrocarburos a temperaturas superiores a 2500 K (2230 °C), por descomposición de carburos térmicamente inestables o cristalizando a partir de metales fundidos sobresaturados con carbono . [11]
El grafito se produce en rocas metamórficas como resultado de la reducción de compuestos de carbono sedimentarios durante el metamorfismo . También se presenta en rocas ígneas y en meteoritos . [5] Los minerales asociados con el grafito incluyen cuarzo , calcita , micas y turmalina . Las principales fuentes de exportación de grafito extraído son, por orden de tonelaje, China, México, Canadá, Brasil y Madagascar. [12]
En los meteoritos , el grafito se encuentra con minerales de troilita y silicato . [5] Los pequeños cristales de grafito en el hierro meteorítico se llaman cliftonita . [9] Algunos granos microscópicos tienen composiciones isotópicas distintivas , lo que indica que se formaron antes del Sistema Solar . [13] Son uno de los aproximadamente 12 tipos conocidos de minerales que son anteriores al Sistema Solar y también se han detectado en nubes moleculares . Estos minerales se formaron en las eyecciones cuando explotaron supernovas o cuando estrellas de tamaño bajo a intermedio expulsaron sus envolturas exteriores al final de sus vidas. El grafito puede ser el segundo o tercer mineral más antiguo del Universo. [14] [15]
El grafito está formado por láminas de carbono plano trigonal. [16] [17] Las capas individuales se llaman grafeno . En cada capa, los átomos de carbono están dispuestos en una red alveolar con una longitud de enlace de 0,142 nm y la distancia entre planos es de 0,335 nm. [18] Los enlaces entre capas son enlaces de van der Waals relativamente débiles y, a menudo, están ocupados por gases, lo que permite que las capas similares al grafeno se separen fácilmente y se deslicen unas sobre otras. [19]
La conductividad eléctrica perpendicular a las capas es, por tanto, aproximadamente 1.000 veces menor. [20]
Hay dos formas alotrópicas llamadas alfa ( hexagonal ) y beta ( romboédrica ), que se diferencian en términos del apilamiento de las capas de grafeno: el apilamiento en el grafito alfa es ABA, a diferencia del apilamiento ABC en el grafito beta energéticamente menos estable. El grafito romboédrico no puede presentarse en forma pura. [21] El grafito natural, o grafito natural comercial, contiene entre un 5 y un 15% de grafito romboédrico [22] y esto puede deberse a una molienda intensiva. [23] La forma alfa se puede convertir a la forma beta mediante fuerzas de corte, y la forma beta vuelve a la forma alfa cuando se calienta a 1300 °C durante cuatro horas. [22] [21]
Las condiciones de equilibrio de presión y temperatura para una transición entre grafito y diamante están bien establecidas teórica y experimentalmente. La presión cambia linealmente entre1,7 GPa a0K y12 GPa a5000 K (el punto triple diamante/grafito/líquido ). [24] [25] Sin embargo, las fases tienen una amplia región alrededor de esta línea donde pueden coexistir. A temperatura y presión normales , 20 °C (293 K) y 1 atmósfera estándar (0,10 MPa), la fase estable del carbono es el grafito, pero el diamante es metaestable y su tasa de conversión a grafito es insignificante. [26] Sin embargo, a temperaturas superiores a aproximadamente4500 K , el diamante se convierte rápidamente en grafito. La rápida conversión de grafito en diamante requiere presiones muy por encima de la línea de equilibrio: en2000 K , una presión deSe necesitan 35 GPa . [24]
Las propiedades acústicas y térmicas del grafito son altamente anisotrópicas , ya que los fonones se propagan rápidamente a lo largo de los planos estrechamente unidos, pero son más lentos para viajar de un plano a otro. La alta estabilidad térmica y la conductividad eléctrica y térmica del grafito facilitan su uso generalizado como electrodos y refractarios en aplicaciones de procesamiento de materiales a alta temperatura. Sin embargo, en atmósferas que contienen oxígeno, el grafito se oxida fácilmente para formar dióxido de carbono a temperaturas de 700 °C y superiores. [27]
El grafito es un conductor eléctrico , por lo que es útil en aplicaciones como electrodos de lámparas de arco . Puede conducir electricidad debido a la gran deslocalización de electrones dentro de las capas de carbono (fenómeno llamado aromaticidad ). Estos electrones de valencia tienen libertad de movimiento, por lo que pueden conducir electricidad. Sin embargo, la electricidad se conduce principalmente dentro del plano de las capas. Las propiedades conductoras del grafito en polvo [28] permiten su uso como sensor de presión en micrófonos de carbono .
El grafito y el polvo de grafito se valoran en aplicaciones industriales por sus propiedades autolubricantes y de lubricación en seco . Existe la creencia común de que las propiedades lubricantes del grafito se deben únicamente al acoplamiento interlamelar flojo entre las láminas de la estructura. [29] Sin embargo, se ha demostrado que en un ambiente de vacío (como en tecnologías para uso en el espacio ), el grafito se degrada como lubricante, debido a las condiciones hipóxicas. [30] Esta observación llevó a la hipótesis de que la lubricación se debe a la presencia de fluidos entre las capas, como aire y agua, que son naturalmente adsorbidos del medio ambiente. Esta hipótesis ha sido refutada por estudios que muestran que el aire y el agua no se absorben. [31] Estudios recientes sugieren que un efecto llamado superlubricidad también puede explicar las propiedades lubricantes del grafito. El uso de grafito está limitado por su tendencia a facilitar la corrosión por picaduras en algunos aceros inoxidables , [32] [33] y a promover la corrosión galvánica entre metales diferentes (debido a su conductividad eléctrica). También es corrosivo para el aluminio en presencia de humedad. Por esta razón, la Fuerza Aérea de EE.UU. prohibió su uso como lubricante en aviones de aluminio [34] y desalentó su uso en armas automáticas que contienen aluminio. [35] Incluso las marcas de lápiz de grafito en piezas de aluminio pueden facilitar la corrosión. [36] Otro lubricante de alta temperatura, el nitruro de boro hexagonal , tiene la misma estructura molecular que el grafito. A veces se le llama grafito blanco , debido a sus propiedades similares.
Cuando una gran cantidad de defectos cristalográficos unen estos planos, el grafito pierde sus propiedades lubricantes y pasa a ser lo que se conoce como grafito pirolítico . También es altamente anisotrópico y diamagnético , por lo que flotará en el aire sobre un imán fuerte. Si se fabrica en un lecho fluidizado a 1000-1300 °C, entonces es turbostrático isotrópico y se usa en dispositivos que entran en contacto con la sangre, como válvulas cardíacas mecánicas, se llama carbón pirolítico y no es diamagnético. El grafito pirolítico y el carbón pirolítico a menudo se confunden, pero son materiales muy diferentes. [37]
Los grafitos naturales y cristalinos no se suelen utilizar en forma pura como materiales estructurales, debido a sus planos de corte, fragilidad y propiedades mecánicas inconsistentes.
En el cuarto milenio a. C. , durante el Neolítico en el sureste de Europa, la cultura Marița utilizó grafito en una pintura cerámica para decorar la cerámica . [38]
En algún momento antes de 1565 (algunas fuentes dicen que ya en 1500), se descubrió un enorme depósito de grafito en el acceso a Gray Knotts desde la aldea de Seathwaite en la parroquia de Borrowdale , Cumbria , Inglaterra , que los lugareños encontraron útil para marcar ovejas. [39] [40] Durante el reinado de Isabel I (1558-1603), el grafito Borrowdale se utilizó como material refractario para revestir moldes de balas de cañón, lo que dio como resultado bolas más redondas y suaves que podían dispararse más lejos, contribuyendo a la resistencia del Armada inglesa. Este depósito particular de grafito era extremadamente puro y blando, y podía cortarse fácilmente en barras. Debido a su importancia militar, esta mina única y su producción estaban estrictamente controladas por la Corona. [41]
Durante el siglo XIX, los usos del grafito se expandieron enormemente para incluir abrillantadores para estufas, lubricantes, pinturas, crisoles, revestimientos de fundición y lápices , un factor importante en la expansión de las herramientas educativas durante el primer gran auge de la educación para las masas. El Imperio Británico controlaba la mayor parte de la producción mundial (especialmente de Ceilán), pero la producción de los depósitos de Austria, Alemania y Estados Unidos se expandió a mediados de siglo. Por ejemplo, la Dixon Crucible Company de Jersey City, Nueva Jersey, fundada por Joseph Dixon y su socio Orestes Cleveland en 1845, abrió minas en el distrito Lake Ticonderoga de Nueva York, construyó allí una planta procesadora y una fábrica para fabricar lápices, crisoles y otros productos en Nueva Jersey, descritos en el Engineering & Mining Journal del 21 de diciembre de 1878. El lápiz Dixon todavía está en producción. [42]
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Los inicios del revolucionario proceso de flotación por espuma están asociados con la extracción de grafito. En el artículo de E&MJ sobre Dixon Crucible Company se incluye un boceto de los "tanques flotantes" utilizados en el antiguo proceso de extracción de grafito. Debido a que el grafito es tan liviano, la mezcla de grafito y desechos se envió a través de una serie final de tanques de agua donde un grafito más limpio "flotó", lo que dejó que los desechos cayeran. En una patente de 1877, los dos hermanos Bessel (Adolph y August) de Dresden, Alemania, llevaron este proceso "flotante" un paso más allá y añadieron una pequeña cantidad de aceite a los tanques y hirvieron la mezcla (un paso de agitación o espuma) hasta recoger el grafito, los primeros pasos hacia el futuro proceso de flotación. Adolph Bessel recibió la Medalla Wohler por el proceso patentado que aumentó la recuperación de grafito al 90% del depósito alemán. En 1977, la Sociedad Alemana de Ingenieros de Minas y Metalúrgicos organizó un simposio especial dedicado a su descubrimiento y, con ello, al centenario de la flotación. [43]
En los Estados Unidos, en 1885, Hezekiah Bradford, de Filadelfia, patentó un proceso similar, pero no se sabe si su proceso se utilizó con éxito en los depósitos de grafito cercanos del condado de Chester, Pensilvania, un importante productor en la década de 1890. El proceso de Bessel tenía un uso limitado, principalmente debido a los abundantes depósitos más limpios que se encuentran en todo el mundo, que no necesitaban mucho más que una clasificación manual para recolectar el grafito puro. El estado del arte, c. 1900 , se describe en el informe del Departamento de Minas de Canadá sobre las minas de grafito y la minería cuando los depósitos canadienses comenzaron a convertirse en importantes productores de grafito. [43] [44]
Históricamente, al grafito se le llamó plomo negro o plumbago . [9] [45] El plumbago se usaba comúnmente en su forma mineral masiva . Ambos nombres surgen de la confusión con minerales de plomo de apariencia similar , particularmente galena . La palabra latina para plomo, plumbum , dio nombre al término inglés para este mineral gris con brillo metálico e incluso a las leadworts o plumbagos , plantas con flores que se asemejan a este color.
El término mina negra suele referirse a un grafito en polvo o procesado, de color negro mate.
Abraham Gottlob Werner acuñó el nombre de grafito ("piedra de escritura") en 1789. Intentó aclarar la confusión entre molibdeno, plombago y plomo negro después de que Carl Wilhelm Scheele demostrara en 1778 que se trataba de al menos tres minerales diferentes. El análisis de Scheele mostró que los compuestos químicos sulfuro de molibdeno ( molibdenita ), sulfuro de plomo (II) ( galena ) y grafito eran tres minerales negros blandos diferentes. [46] [47] [48]
El grafito natural se utiliza principalmente para refractarios, baterías, fabricación de acero, grafito expandido, forros de freno, revestimientos de fundición y lubricantes. [49]
El uso de grafito como material refractario (resistente al calor) comenzó antes de 1900 con crisoles de grafito utilizados para contener metal fundido; esto es ahora una parte menor de los refractarios . A mediados de los años 1980, el ladrillo de carbono y magnesita cobró importancia y, un poco más tarde, la forma de alúmina y grafito. A partir de 2017, [actualizar]el orden de importancia es: formas de alúmina-grafito, ladrillos de carbono-magnesita, monolíticos (mezclas de apisonamiento y apisonamiento) y luego crisoles.
Los crisoles comenzaron a utilizar grafito en escamas muy grandes y ladrillos de carbono y magnesita que requerían grafito en escamas no tan grandes; para estos y otros, ahora hay mucha más flexibilidad en el tamaño de las escamas requeridas, y el grafito amorfo ya no está restringido a refractarios de baja gama. Las formas de alúmina y grafito se utilizan como artículos de colada continua, como boquillas y canales, para transportar el acero fundido desde la cuchara al molde, y los ladrillos de magnesita y carbono recubren convertidores de acero y hornos de arco eléctrico para soportar temperaturas extremas. Los bloques de grafito también se utilizan en partes de revestimientos de altos hornos [50] donde la alta conductividad térmica del grafito es fundamental para garantizar un enfriamiento adecuado del fondo y el solera del horno. [51] Los monolíticos de alta pureza se utilizan a menudo como revestimiento continuo de hornos en lugar de ladrillos de carbono y magnesita.
La industria de refractarios estadounidense y europea atravesó una crisis en 2000-2003, con un mercado indiferente para el acero y un consumo de refractarios decreciente por tonelada de acero subyacente a compras de empresas y muchos cierres de plantas. [ cita necesaria ] Muchos de los cierres de plantas se debieron a la adquisición de Harbison-Walker Refractories por parte de RHI AG y en algunas plantas se subastaron sus equipos. Dado que gran parte de la capacidad perdida fue para ladrillos de carbono y magnesita, el consumo de grafito dentro del área de refractarios se desplazó hacia formas de alúmina-grafito y monolíticos, y se alejó del ladrillo. La principal fuente de ladrillos de carbono y magnesita es ahora China. Casi todos los refractarios mencionados se utilizan para fabricar acero y representan el 75% del consumo de refractarios; el resto es utilizado por diversas industrias, como la del cemento.
Según el USGS , el consumo estadounidense de grafito natural en refractarios ascendió a 12.500 toneladas en 2010. [49]
El uso de grafito en baterías ha aumentado desde la década de 1970. El grafito natural y sintético se utiliza como material anódico para construir electrodos en las principales tecnologías de baterías. [52]
La demanda de baterías, principalmente de níquel-hidruro metálico y de iones de litio , provocó un crecimiento de la demanda de grafito a finales de los años 1980 y principios de los 1990, un crecimiento impulsado por la electrónica portátil, como los reproductores de CD portátiles y las herramientas eléctricas . Las computadoras portátiles , los teléfonos móviles , las tabletas y los teléfonos inteligentes han aumentado la demanda de baterías. Se prevé que las baterías de vehículos eléctricos aumentarán la demanda de grafito. Por ejemplo, la batería de iones de litio de un Nissan Leaf totalmente eléctrico contiene casi 40 kg de grafito. [ cita necesaria ]
Se está investigando como combustible el grafito radiactivo procedente de antiguos reactores nucleares. [ cita necesaria ] La batería de diamante nuclear [ aclaración necesaria ] tiene el potencial de proporcionar un suministro de energía de larga duración para la electrónica y el Internet de las cosas . [53]
El grafito es el "material anódico predominante que se utiliza hoy en día en las baterías de iones de litio" [54]. Las baterías de vehículos eléctricos contienen cuatro componentes básicos: ánodo, cátodo, electrolito y separador. Si bien se presta mucha atención a los materiales del cátodo (litio, níquel, cobalto, manganeso, etc.), el material del ánodo predominante utilizado en prácticamente todas las baterías de vehículos eléctricos es el grafito. [55]
El grafito natural en la fabricación de acero se utiliza principalmente para aumentar el contenido de carbono en el acero fundido; también puede servir para lubricar las matrices utilizadas para extruir acero caliente. Los aditivos de carbono enfrentan precios competitivos frente a alternativas como el polvo de grafito sintético, el coque de petróleo y otras formas de carbono. Se agrega un elevador de carbono para aumentar el contenido de carbono del acero a un nivel específico. Una estimación basada en las estadísticas de consumo de grafito del USGS indica que los fabricantes de acero en los EE.UU. utilizaron 10.500 toneladas de esta manera en 2005. [49]
El grafito natural amorfo y de escamas finas se utiliza en forros o zapatas de freno para vehículos más pesados (no automotrices) y adquirió importancia con la necesidad de sustituir el asbesto . Este uso ha sido importante durante bastante tiempo, pero las composiciones orgánicas sin amianto (NAO) están empezando a reducir la cuota de mercado del grafito. Una reorganización de la industria de las pastillas de freno con el cierre de algunas plantas no ha sido beneficiosa, como tampoco lo ha sido un mercado automotriz indiferente. Según el USGS , el consumo de grafito natural en pastillas de freno en Estados Unidos fue de 6.510 toneladas en 2005. [49]
Un lavado de moldes para revestimiento de fundición es una pintura a base de agua de grafito amorfo o de escamas finas. Pintar con él el interior de un molde y dejarlo secar deja una fina capa de grafito que facilitará la separación del objeto fundido una vez que el metal caliente se haya enfriado. Los lubricantes de grafito son artículos especiales para uso a temperaturas muy altas o muy bajas, como lubricante para troqueles de forja, agente antiagarrotamiento, lubricante para engranajes de maquinaria minera y para lubricar cerraduras. Es muy deseable tener grafito de grano bajo, o incluso mejor, grafito sin grano (pureza ultra alta). Puede usarse como polvo seco, en agua o aceite, o como grafito coloidal (una suspensión permanente en un líquido). Una estimación basada en las estadísticas de consumo de grafito del USGS indica que se utilizaron 2200 toneladas de esta manera en 2005. [49] El metal también se puede impregnar en grafito para crear una aleación autolubricante para su aplicación en condiciones extremas, como cojinetes de máquinas expuestas a temperaturas altas o bajas. [56]
La capacidad de dejar marcas en el papel y otros objetos dio al grafito su nombre, otorgado en 1789 por el mineralogista alemán Abraham Gottlob Werner . Proviene de γράφειν ("graphein") , que significa escribir o dibujar en griego antiguo . [9] [57]
Desde el siglo XVI, todos los lápices se fabricaban con minas de grafito natural inglés, pero la mina de los lápices modernos suele ser una mezcla de grafito en polvo y arcilla; fue inventado por Nicolas-Jacques Conté en 1795. [58] [59] No tiene relación química con el metal plomo , cuyos minerales tenían una apariencia similar, de ahí la continuación del nombre. Plumbago es otro término antiguo para el grafito natural utilizado para dibujar , generalmente como un trozo de mineral sin una carcasa de madera. El término dibujo en plombago normalmente se limita a obras de los siglos XVII y XVIII, en su mayoría retratos.
Hoy en día, los lápices siguen siendo un mercado pequeño pero importante para el grafito natural. Alrededor del 7% de los 1,1 millones de toneladas producidas en 2011 se utilizaron para fabricar lápices. [60] Se utiliza grafito amorfo de baja calidad, que se obtiene principalmente de China. [49]
En el arte, el grafito se utiliza normalmente para crear dibujos detallados y precisos, ya que permite lograr una amplia gama de valores (de claro a oscuro). También se puede utilizar para crear líneas y sombras más suaves y sutiles. El grafito es popular entre los artistas porque es fácil de controlar, fácil de borrar y produce una apariencia limpia y profesional. También es relativamente económico y está ampliamente disponible. Muchos artistas utilizan el grafito junto con otros medios, como el carbón o la tinta, para crear una variedad de efectos y texturas en su trabajo. [61] El grafito de distinta dureza o suavidad da como resultado diferentes calidades y tonos cuando se utiliza como medio artístico . [62]
El grafito es probablemente el lubricante más utilizado en los derbis de pinar . [63]
El grafito natural ha encontrado usos en baterías de zinc-carbono , escobillas de motores eléctricos y diversas aplicaciones especializadas. Los ferrocarriles a menudo mezclaban grafito en polvo con aceite usado o aceite de linaza para crear una capa protectora resistente al calor para las partes expuestas de la caldera de una locomotora de vapor, como la cámara de humo o la parte inferior de la cámara de combustión . [64] El soldador Scope utiliza una punta de grafito como elemento calefactor.
El grafito expandido se fabrica sumergiendo grafito en escamas naturales en un baño de ácido crómico y luego en ácido sulfúrico concentrado , lo que separa los planos de la red cristalina, expandiendo así el grafito. El grafito expandido se puede utilizar para fabricar láminas de grafito o directamente como compuesto de "superficie caliente" para aislar el metal fundido en una cuchara o lingotes de acero al rojo vivo y disminuir la pérdida de calor, o como cortafuegos instalado alrededor de una puerta cortafuegos o en láminas de metal. collares que rodean tuberías de plástico (durante un incendio, el grafito se expande y se carboniza para resistir la penetración y propagación del fuego), o para fabricar material de junta de alto rendimiento para uso a alta temperatura. Después de convertirla en lámina de grafito, la lámina se mecaniza y se ensambla en placas bipolares en celdas de combustible . La lámina se utiliza para disipadores de calor para computadoras portátiles , lo que las mantiene frías y al mismo tiempo ahorra peso, y se convierte en un laminado de lámina que se puede usar en empaquetaduras de válvulas o en juntas. Las empaquetaduras de estilo antiguo son ahora un miembro menor de este grupo: grafito de escamas finas en aceites o grasas para usos que requieren resistencia al calor. Una estimación de GAN del consumo actual de grafito natural en EE. UU. para este uso final es de 7.500 toneladas. [49]
El grafito forma compuestos de intercalación con algunos metales y moléculas pequeñas. En estos compuestos, la molécula o átomo huésped queda "intercalado" entre las capas de grafito, lo que da como resultado un tipo de compuesto con estequiometría variable. Un ejemplo destacado de un compuesto de intercalación es el grafito de potasio, indicado por la fórmula KC 8 . Algunos compuestos de intercalación de grafito son superconductores . La temperatura de transición más alta (en junio de 2009), Tc = 11,5 K, se alcanza en CaC 6 y aumenta aún más bajo la presión aplicada (15,1 K a 8 GPa). [65] La capacidad del grafito para intercalar iones de litio sin daños significativos por hinchazón es lo que lo convierte en el material anódico dominante en las baterías de iones de litio.
En 1893, Charles Street de Le Carbone descubrió un proceso para fabricar grafito artificial. A mediados de la década de 1890, Edward Goodrich Acheson (1856-1931) inventó accidentalmente otra forma de producir grafito sintético después de sintetizar carborundo (también llamado carburo de silicio). Descubrió que el sobrecalentamiento del carborundo, a diferencia del carbono puro, producía grafito casi puro. Mientras estudiaba los efectos de las altas temperaturas sobre el carborundo, descubrió que el silicio se vaporiza a aproximadamente 4150 °C (7500 °F), dejando el carbono en el carbono grafítico. Este grafito se volvió valioso como lubricante. [9]
La técnica de Acheson para producir carburo de silicio y grafito se denomina proceso de Acheson . En 1896, Acheson recibió una patente por su método de sintetizar grafito [66] y en 1897 comenzó la producción comercial. [9] Acheson Graphite Co. se formó en 1899.
El grafito sintético también se puede preparar a partir de poliimida y luego comercializarlo. [67] [68]
El grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) es la forma sintética de grafito de mayor calidad. Se utiliza en la investigación científica, en particular, como estándar de longitud para la calibración de microscopios de sonda de barrido . [69] [70]
Los electrodos de grafito transportan la electricidad que funde la chatarra de hierro y acero, y a veces el hierro de reducción directa (DRI), en hornos de arco eléctrico , que son la gran mayoría de los hornos de acero . Se elaboran a partir de coque de petróleo después de mezclarlo con brea de alquitrán de hulla . Se extruyen y se les da forma, luego se hornean para carbonizar el aglutinante (brea). Finalmente, se grafitiza calentándolo a temperaturas cercanas a los 3000 °C (5430 °F), en las que los átomos de carbono se organizan formando grafito. Pueden variar en tamaño hasta 3,5 m (11 pies) de largo y 75 cm (30 pulgadas) de diámetro. Una proporción creciente [ a partir de? ] del acero mundial se fabrica mediante hornos de arco eléctrico, y el propio horno de arco eléctrico se está volviendo más eficiente, produciendo más acero por tonelada de electrodo. Una estimación basada en datos del USGS indica que el consumo de electrodos de grafito fue de 197.000 t (217.000 toneladas cortas) en 2005. [49]
La fundición electrolítica de aluminio también utiliza electrodos de carbono grafítico. En una escala mucho menor, los electrodos de grafito sintético se utilizan en el mecanizado por descarga eléctrica (EDM), comúnmente para fabricar moldes de inyección para plásticos . [71]
El polvo se elabora calentando coque de petróleo en polvo por encima de la temperatura de grafitización, a veces con modificaciones menores. La chatarra de grafito proviene de trozos de material de electrodo inutilizable (en la etapa de fabricación o después de su uso) y virutas de torno, generalmente después de triturado y dimensionado. La mayor parte del polvo de grafito sintético se destina a la formación de carbono en el acero (compitiendo con el grafito natural), y parte se utiliza en baterías y pastillas de freno. Según el Servicio Geográfico de Estados Unidos , la producción estadounidense de polvo y chatarra de grafito sintético fue de 95.000 toneladas (93.000 toneladas largas; 105.000 toneladas cortas) en 2001 (datos más recientes). [49]
Los grados especiales de grafito sintético, como Gilsocarbon, [72] [73] también encuentran uso como matriz y moderador de neutrones dentro de los reactores nucleares . Su baja sección transversal de neutrones también lo recomienda para su uso en los reactores de fusión propuestos . Se debe tener cuidado de que el grafito apto para reactores esté libre de materiales absorbentes de neutrones como el boro , ampliamente utilizado como electrodo semilla en sistemas comerciales de deposición de grafito; esto provocó el fracaso de los reactores nucleares alemanes de grafito de la Segunda Guerra Mundial . Como no pudieron aislar la dificultad, se vieron obligados a utilizar moderadores de agua pesada mucho más caros . El grafito utilizado para los reactores nucleares a menudo se denomina grafito nuclear . Herbert G. McPherson, físico formado en Berkeley en National Carbon, una división de Union Carbide, fue clave a la hora de confirmar una conjetura de Leo Szilard de que las impurezas de boro, incluso en el grafito "puro", eran responsables de una sección transversal de absorción de neutrones en el grafito que comprometía Reacciones en cadena del U-235. McPherson era consciente de la presencia de impurezas en el grafito porque, con el uso de Technicolor en cinematografía, los espectros de los arcos de electrodos de grafito utilizados en los proyectores de películas requerían impurezas para mejorar la emisión de luz en la región roja para mostrar tonos de piel más cálidos en la pantalla. Por lo tanto, si no hubiera sido por las películas en color, es probable que la primera reacción en cadena U natural sostenida hubiera requerido un reactor moderado con agua pesada. [74]
La fibra de grafito (carbono) y los nanotubos de carbono también se utilizan en plásticos reforzados con fibra de carbono y en compuestos resistentes al calor, como el carbono-carbono reforzado (RCC). Las estructuras comerciales hechas de compuestos de fibra de carbono y grafito incluyen cañas de pescar , ejes de palos de golf, cuadros de bicicletas, paneles de carrocería de automóviles deportivos, el fuselaje del Boeing 787 Dreamliner y palos de billar , y se han empleado con éxito en hormigón armado . Las propiedades mecánicas de los compuestos plásticos reforzados con grafito de fibra de carbono y de la fundición gris están fuertemente influenciadas por el papel del grafito en estos materiales. En este contexto, el término "(100%) grafito" se utiliza a menudo de forma vaga para referirse a una mezcla pura de refuerzo de carbono y resina , mientras que el término "compuesto" se utiliza para materiales compuestos con ingredientes adicionales. [75]
La pólvora sin humo moderna está recubierta de grafito para evitar la acumulación de carga estática .
El grafito se ha utilizado en al menos tres materiales absorbentes de radar . Se mezcló con caucho en Sumpf y Schornsteinfeger, que se usaban en los snorkels de los submarinos para reducir la sección transversal del radar . También se usó en mosaicos de los primeros cazas de ataque furtivos F-117 Nighthawk .
Los compuestos de grafito se utilizan como absorbentes de partículas de alta energía, por ejemplo en el vertedero del Gran Colisionador de Hadrones . [76]
Las varillas de grafito, cuando se les da forma, se utilizan como herramienta en la elaboración del vidrio para manipular el vidrio fundido caliente. [77]
El grafito se extrae mediante métodos a cielo abierto y subterráneos. El grafito normalmente necesita ser beneficiado . Esto se puede llevar a cabo recogiendo a mano los trozos de ganga (roca) y cribando manualmente el producto o triturando la roca y haciendo flotar el grafito. El beneficio por flotación encuentra la dificultad de que el grafito es muy blando y "marca" (recubre) las partículas de ganga . Esto hace que las partículas de ganga "marcadas" floten con el grafito, produciendo un concentrado impuro. Hay dos formas de obtener un concentrado o producto comercial: trituración repetida y flotación (hasta siete veces) para purificar el concentrado, o mediante lixiviación ácida (disolución) de la ganga con ácido fluorhídrico (para una ganga de silicato) o ácido clorhídrico (para una ganga carbonatada).
En la molienda, los productos y concentrados de grafito entrantes se pueden moler antes de clasificarlos (clasificarlos por tamaño o cribarlos), conservándose cuidadosamente las fracciones de tamaño de escamas más gruesas (por debajo de 8 mallas, 8-20 mallas, 20-50 mallas) y luego el contenido de carbono. están determinadas. Se pueden preparar algunas mezclas estándar a partir de diferentes fracciones, cada una con una determinada distribución del tamaño de las escamas y un contenido de carbono determinado. También se pueden realizar mezclas personalizadas para clientes individuales que desean una determinada distribución del tamaño de las escamas y un contenido de carbono determinado. Si el tamaño de las hojuelas no es importante, el concentrado se puede moler más libremente. Los productos finales típicos incluyen un polvo fino para usar como lechada en perforaciones petrolíferas y revestimientos para moldes de fundición , elevador de carbón en la industria del acero (también se pueden usar polvo de grafito sintético y coque de petróleo en polvo como levantador de carbón). Los impactos ambientales de las fábricas de grafito consisten en la contaminación del aire, incluida la exposición de los trabajadores a partículas finas, y también la contaminación del suelo por derrames de polvo que conducen a la contaminación del suelo por metales pesados .
Según el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), la producción mundial de grafito natural en 2016 fue de 1.200.000 toneladas , de las cuales los principales exportadores son: China (780.000 t), India (170.000 t), Brasil (80.000 t), Turquía ( 32.000 t) y Corea del Norte (6.000 t). [78] Actualmente no se extrae grafito en los Estados Unidos , pero hay muchos sitios mineros históricos, incluidos algunos en Alabama, Montana y los Adirondacks de Nueva York. [79] Westwater Resources se encuentra en las etapas de desarrollo de la creación de una planta piloto para su mina de grafito Coosa cerca de Sylacauga, Alabama . [80] La producción estadounidense de grafito sintético en 2010 fue de 134.000 toneladas valoradas en 1.070 millones de dólares. [49]
Los posibles efectos sobre la salud incluyen:
La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición al grafito en el lugar de trabajo como un promedio ponderado en el tiempo (TWA) de 15 millones de partículas por pie cúbico (1,5 mg/m 3 ) durante un período de 8 jornada laboral de -horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de TWA 2,5 mg/m 3 de polvo respirable durante una jornada laboral de 8 horas. En niveles de 1250 mg/m 3 , el grafito es inmediatamente peligroso para la vida y la salud . [81]
La forma más común de reciclar grafito ocurre cuando se fabrican electrodos de grafito sintético y se cortan piezas o se descartan los torneados del torno para su reutilización, o el electrodo (u otros materiales) se utilizan hasta el portaelectrodos. Un electrodo nuevo reemplaza al viejo, pero queda una parte considerable del electrodo viejo. Este se tritura y dimensiona, y el polvo de grafito resultante se utiliza principalmente para aumentar el contenido de carbono del acero fundido.
Los refractarios que contienen grafito a veces también se reciclan, pero a menudo no es así debido a su bajo contenido de grafito: los artículos de mayor volumen, como los ladrillos de carbono y magnesita que contienen sólo entre un 15% y un 25% de grafito, normalmente contienen muy poco grafito para que valga la pena reciclarlos. reciclar. Sin embargo, algunos ladrillos de carbono y magnesita reciclados se utilizan como base para materiales de reparación de hornos, y también se utilizan ladrillos de carbono y magnesita triturados en acondicionadores de escoria.
Si bien los crisoles tienen un alto contenido de grafito, el volumen de crisoles utilizados y luego reciclados es muy pequeño.
Se puede fabricar un producto de grafito en escamas de alta calidad que se parece mucho al grafito en escamas natural a partir de kish siderúrgico. Kish es un residuo casi fundido de gran volumen que se extrae de la alimentación de hierro fundido a un horno de oxígeno básico y consiste en una mezcla de grafito (precipitado del hierro sobresaturado), escoria rica en cal y algo de hierro. El hierro se recicla in situ, dejando una mezcla de grafito y escoria. El mejor proceso de recuperación utiliza la clasificación hidráulica (que utiliza un flujo de agua para separar los minerales por gravedad específica: el grafito es liviano y se sedimenta casi al final) para obtener un concentrado bruto de 70% de grafito. La lixiviación de este concentrado con ácido clorhídrico da un producto de 95% de grafito con un tamaño de escamas que varía desde malla 10 (2 mm) hacia abajo.
A nivel mundial, entre 2012 y 2021 se presentaron más de 60.000 familias de patentes en tecnologías de grafito . Las patentes fueron presentadas por solicitantes de más de 60 países y regiones. Sin embargo, las familias de patentes relacionadas con el grafito procedían predominantemente de unos pocos países. China fue el principal contribuyente con más de 47.000 familias de patentes, lo que representa cuatro de cada cinco familias de patentes de grafito presentadas en todo el mundo en la última década. Entre otros países líderes se encontraban Japón , la República de Corea , los Estados Unidos y la Federación de Rusia . Juntos, estos cinco principales países de origen de solicitantes representaron el 95 por ciento de la producción mundial de patentes relacionadas con el grafito. [82]
Entre las diferentes fuentes de grafito, el grafito en escamas tiene el mayor número de familias de patentes, con más de 5.600 presentadas en todo el mundo entre 2012 y 2021. Con el respaldo de una investigación activa de sus entidades comerciales e instituciones de investigación, China es el país que explota más activamente el grafito en escamas y ha contribuyó al 85 por ciento de las solicitudes de patentes mundiales en esta área.
Al mismo tiempo, las innovaciones que exploran nuevos métodos de síntesis y usos del grafito artificial están ganando interés en todo el mundo, a medida que los países buscan explotar las cualidades materiales superiores asociadas con esta sustancia creada por el hombre y reducir la dependencia del material natural. La actividad de patentamiento está fuertemente liderada por entidades comerciales, en particular fabricantes de baterías y proveedores de materiales de ánodos de renombre mundial , y el interés de las patentes se centra en las aplicaciones de ánodos de baterías . [82]
El proceso de exfoliación del grafito a granel, que implica separar las capas de carbono dentro del grafito, se ha estudiado ampliamente entre 2012 y 2021. Específicamente, la exfoliación ultrasónica y térmica han sido los dos enfoques más populares en todo el mundo, con 4267 y 2579 familias de patentes, respectivamente, significativamente más que para las alternativas química o electroquímica.
La actividad mundial de patentes relacionadas con la exfoliación ultrasónica ha disminuido a lo largo de los años, lo que indica que esta técnica de bajo costo se ha consolidado. La exfoliación térmica es un proceso más reciente. En comparación con la exfoliación ultrasónica, este enfoque térmico rápido y sin disolventes ha atraído un mayor interés comercial. [82]
Como el material de ánodo más extendido para baterías de iones de litio , el grafito ha atraído una gran atención en todo el mundo para su uso en aplicaciones de baterías . Con más de 8.000 familias de patentes presentadas entre 2012 y 2021, las aplicaciones de baterías fueron un impulsor clave de las invenciones mundiales relacionadas con el grafito. Las innovaciones en esta área están lideradas por fabricantes de baterías o proveedores de ánodos que han acumulado importantes carteras de patentes centradas principalmente en mejoras del rendimiento de las baterías basadas en la innovación de ánodos de grafito . Además de los actores de la industria, las instituciones académicas y de investigación (en particular las universidades chinas) han sido una fuente esencial de innovación en las tecnologías de ánodos de grafito.
El grafito para aplicaciones de polímeros fue un tema candente en innovación entre 2012 y 2021, con más de 8.000 familias de patentes registradas en todo el mundo. Sin embargo, en los últimos años, en los principales países de origen de solicitantes en esta área, incluidos China, Japón y los Estados Unidos de América, las solicitudes de patentes han disminuido. [82]
El grafito para la fabricación de cerámica representa otra área de intensa investigación, con más de 6.000 familias de patentes registradas sólo en la última década. Específicamente, el grafito para refractarios representó más de un tercio de las familias de patentes de grafito relacionadas con la cerámica en China y aproximadamente una quinta parte en el resto del mundo. Otras aplicaciones importantes del grafito incluyen materiales cerámicos de alto valor, como carburos, para industrias específicas, que van desde la eléctrica y electrónica, la ingeniería aeroespacial y de precisión hasta aplicaciones militares y nucleares .
Las escobillas de carbón representan un área de aplicación del grafito explorada desde hace mucho tiempo. Ha habido pocas invenciones en esta área durante la última década, con menos de 300 familias de patentes presentadas entre 2012 y 2021, una cifra muy inferior a la registrada entre 1992 y 2011.
Las tintas biomédicas , para sensores y conductoras son áreas de aplicación emergentes para el grafito que han atraído el interés tanto de entidades académicas como comerciales, incluidas universidades de renombre y corporaciones multinacionales. Normalmente, en un área de tecnología emergente , varias organizaciones presentaron familias de patentes relacionadas sin que ningún actor dominara. Como resultado, los principales solicitantes tienen una pequeña cantidad de invenciones , a diferencia de las áreas bien exploradas, donde tendrán una fuerte acumulación de tecnología y grandes carteras de patentes. El foco de innovación de estas tres áreas emergentes está muy disperso y puede ser diverso, incluso para un solo solicitante. Sin embargo, se considera que las invenciones recientes aprovechan el desarrollo de nanomateriales de grafito , en particular nanocompuestos de grafito y grafeno . [82]
Este artículo incorpora texto de un trabajo de contenido gratuito . Licenciado bajo CC-BY. Texto extraído del Informe sobre el panorama de las patentes: el grafito y sus aplicaciones, OMPI.
