在前不久召開的第十四屆非金屬礦加工利用技術交流會上,武漢理工大學的高惠民教授做了題為《石墨選礦及深加工技術現狀與趨勢》的專題報告,高惠民教授在報告中指出,深加工、高附加值將是石墨等非金屬礦產業發展的新方向。
《建築材料工業「十二五」發展指導意見》指出,我國將大力發展以石墨、高嶺土、膨潤土、滑石、矽灰石、石英、螢石、珍珠岩等為重點的非金屬礦物材料深加工產品。由於我國的非金屬礦產資源極為豐富,很多礦種的質量和儲量均居世界前列。因此,持續、穩定地發展非金屬礦超細深加工技術將會前景無限。
非金屬礦物的超細粉碎、精細分級、晶體保護和表面改性等是提升非金屬礦深加工的技術關鍵。多年來,一直是國內外研究的熱點。非金屬礦物大多為低附加值礦物,經深加工後都有較大的增值,一般可提高4~30倍左右,不僅經濟效益十分可觀,而且大大提高了礦物的應用價值和應用範圍。
石墨,作為我國傳統的非金屬礦物已有多年的采、選、應用歷史。隨著世界工業正在突飛猛進的向前發展,如今的石墨已被國內外視為重要的工業礦物原料之一,特別是最近幾年,石墨製品已在各行各業發揮著重要作用,人們對石墨也開發了許多新用途,國際市場需求量逐年增長。
對石墨產業,國家也加大了在深加工方面的關注和投入,去年,科技部十二五科技支撐項目「高純石墨材料技術開發及其典型應用」以黑龍江的企業、科研院校為主,已經開始實施;工信部發布了產業准入條件,其他部委的項目和措施也在進展中。
1、石墨深加工現狀
由於我國冶金鋼鐵業的持續增長,世界鋰離子電池的迅猛發展,拉動對石墨原料的需求;同時產業界、政府對石墨戰略資源作用的日益重視,使石墨礦產品的價格迅速攀升,扭轉了20 多年來其他礦產品都在漲價、石墨卻不斷降價的不正常局面,不僅使石墨行業效益不斷提高、同時也使得一些社會資金不斷湧入石墨行業。
我國是石墨資源大國,但是長期以來石墨產業內部低技術層次的產量、價格的惡性競爭,資金和技術投入嚴重不足,以生產原礦和選礦的低端產品為主,使得產業長期低迷。這種狀況導致我國石墨深加工技術和產品落後於已開發國家,資源大國卻是深加工弱國。這與我國經濟和科技的快速發展很不適應。當前和今後一個相當長的時期,保護和科學利用石墨這種寶貴的戰略資源,發展石墨深加工技術和產品是大有可為的一項事業。
現在,國內已經有一批效益良好的(鱗片)石墨深加工企業,規模最大的柔性石墨企業主要分布在江浙地區,負極材料等電池材料企業主要分布在深圳等珠三角、長三角地區。鱗片石墨的深加工企業在山東有很多家,在內蒙古、湖北、河南、福建等也有一些企業。
這些企業原來與礦產資源企業只是原料的供需關係,現在也與資源企業開展了合作,如寧波的柔性石墨專業廠商信遠公司、深圳的負極材料專業廠商貝特瑞公司都與黑龍江企業合作參加了「十二五」科技支撐項目。
我國原來微晶石墨的深加工技術基本空白。近來研究發現,由於微晶石墨的晶體微小,每個石墨顆粒中有很多微晶無序堆積,使得顆粒表現出各向同性。這使得它成為鋰離子電池負極材料和各向同性石墨的極好原料,在新能源、核能、軍工等高新技術領域有重要應用價值。清華大學在這方面進行了原創性的科技研究與開發,正在與相關企業合作建設微晶石墨提純、深加工產品的生產線。
2、石墨深加工發展方向
根據經濟和科技發展對石墨新材料的需求及中央、地方及企業的產業發展規劃,近期內建議產學研結合,以深加工為主,實現一些重要工程項目,建設完整產業鏈,引導石墨產業健康科學地發展。工程項目的目標,一是陳舊技術設備的改造;二是目前炭石墨材料發展的熱點技術產品,如鋰離子電池負極材料、各向同性石墨、高導熱石墨等的產業化、集約化。
(1)石墨化學提純高效環保化
傳統石墨化學提純方法主要有三種:鹼熔酸浸法(即氫氧化鈉提純法)、氯化焙燒法、氫氟酸法。這三種方法普遍存在藥劑用量大,環境污染較高的缺點。目前,國內已經具有環保節能的先進酸鹼法提純和節能型高溫提純技術,可針對資源特點,建設不同類型的規模化石墨提純生產線。嚴格限制化學提純中嚴重污染環境的氫氟酸的使用。
(2)鋰電天然石墨負極材料研發
鋰離子電池的廣泛應用促進了球形石墨的飛速發展,可依託資源,把天然石墨鋰離子電池負極材料的產業規模化,並針對不同檔次電池需求,研發不同品質負極材料,使產品系列化;研發安全、長壽命的天然石墨動力型、儲能型電池負極材料。隨著鋰離子電池需求的迅猛增長,負極材料的市場前景十分廣闊。
國內已經有了鱗片石墨球形化後製備負極材料的企業,如貝特瑞等;清華大學等院校具有了以微晶石墨製備負極材料的技術,但產業規模及產品質量還不能滿足鋰離子電池迅速發展的需求。國內大批生產的球形石墨主要出口日本及韓國,供國外企業生產高質量負極材料。
(3)天然石墨基各向同性石墨
各向同性石墨廣泛應用於核能、矽晶製備、電火花加工、連續鑄鋼、航空航天等領域,是炭材料的高端產品、戰略物資。我國目前所需的各向同性石墨2/3依靠進口。傳統技術製備各向同性石墨技術複雜、成本高。
微晶石墨礦物顆粒本身具有各向同性性,是製備各向同性石墨的很好原料,而且能簡化工藝、降低成本,已經製備出工業尺寸的樣品,各向同性參數達到1.04(要求最高的核石墨1.05);鱗片石墨球形化後,也具有製備各向同性石墨的潛在可能。
(4)天然石墨基高導熱材料
電子設備的小型化,要求電子器件的集成度越來越高,使得散熱成為IT產業的一個關鍵技術,對輕質高導熱材料需求越來越大。柔性石墨作為均熱導熱材料已廣泛用於LED 顯示器及許多電子產品;利用天然石墨的優良導熱性,製備導熱性與銅相當或更高,而密度只有銅1/4的高端導熱材料,武漢科技大學、山西煤化所、清華大學等已有相關技術。
(5)柔性石墨產品系列
我國柔性石墨的生產已經具有一定規模,並且與國外先進企業有多項合作。但我國的產品多為中低端產品,品種規格不到國外的1/5。產學研用結合,針對使用要求研發高端產品,完善品種規格,使之系列化、標準化是現今發展趨勢。
(6)膨脹石墨環保材料
膨脹石墨對水體污染的吸附治理作用,已有大量的研究成果,在治理水體的油品、有機物污染上,膨脹石墨遠比現在使用的普通活性炭有效、經濟。但膨脹石墨不便運輸,需要在應用現場製備。膨脹石墨環保材料的製備、使用、回收、再生有一定的技術難度,加之過去對環保不夠重視,膨脹石墨環保材料一直沒能產業化。現在膨脹石墨環保材料的產業化的技術基礎已經具備,可以從兩個技術層面進行這項工程。
對日益頻發的油品和有機物水體污染突發事件,建造綜合性水域環保專用船舶,把傳統的圍欄、抽吸等治理手段與膨脹石墨高效吸油性能結合起來,提高治污能力。這是涉及跨部門、跨學科的系統性工程,涉及的管理部門有船舶、海洋(海事)、環保等,涉及到學科技術有機械、材料、化工、熱工、環保等。這是一項難度很大的工程,但是建成以後在環保效益、技術水平上將是世界領先的。
(7)石墨烯
石墨烯是一種有著獨特性質的全新材料:它的導電性能像銅一樣優秀,它的導熱性能比已知的任何材料都要出色。它很透明,垂直入射的可見光只有很小一部分(2.3%)會被石墨烯吸收,而絕大部分的光都會透過去。它又很緻密,連氦原子(最小的氣體分子)也不能穿過去。
石墨烯特殊的結構形態,使其具備目前世界上最硬、最薄的特徵,同時也具有很強的韌性、導電性和導熱性。《「十二五」期間中國石墨烯行業深度市場調研與投資戰略規劃分析報告》稱石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質於一身,故有業內人士如此評價:如果說20世紀是矽的世紀,石墨烯則開創了21世紀的新材料紀元,將給世界帶來實質性變化。
石墨烯從實驗室走向量產在技術上還有很長的路要走,但其在市場應用方面的前景是可觀的。優良的石墨烯產品可代替矽生產超級計算機、製作光子傳感器、用於基因電子測序、在納電子器件方面有突出優勢。國內外在這方面的研究正蓬勃發展,未來幾年發展空間巨大。
長期發展看,我國炭材料產業結構目前狀況很不合理。過去計劃經濟條塊分割,把炭材料割裂成炭素、電炭、石墨、炭黑、活性炭、碳纖維等分屬不同部門的小行業,使得資源、技術力量、資金不能合理利用。隨著我國市場經濟的完善,資金、資源的引導將會使我國相關炭石墨材料的不同產業進一步整合,發展成為綜合性的炭材料大產業。將出現一批涵蓋炭材料科技多個領域,有強大產品和技術創新能力的綜合性大型企業。
從技術角度看,近期的(天然石墨基)各向同性石墨、高導熱材料是天然石墨產業與人工炭材料產業的融合;未來5~10年或再長一些時間,隨著石墨烯應用技術的發展和成熟,石墨烯的製備和應用將可能成為一個快速成長的大市場,前景廣闊。從目前的研發成果看,天然石墨是很好的製備石墨烯的原料。石墨烯材料的產業化,將會是新型炭材料的又一個大進展。
我國作為世界上石墨儲量最大的幾個國家之一,在發展石墨產業方面有著得天獨厚的優勢。由於石墨優異的性能及廣泛的用途,必將成為非金屬礦行業的領跑者。希望石墨行業能進一步優化產業結構、提高產品附加值,真正將我國的石墨產業做大做強。