Proprietà e usi della grafite di carbonio

I prodotti petroliferi muovono veicoli, riscaldano edifici e producono elettricità. Nel 2021, il consumo di petrolio degli Stati Uniti è stato in media di circa 19,78 milioni di barili al giorno, di cui circa un milione di barili di biocarburanti. I prodotti petroliferi e del gas sono parte integrante delle infrastrutture delle società. La grafite di carbonio ha una combinazione di proprietà che ne consentono l'utilizzo in apparecchiature rotanti e nei suoi componenti come tenute meccaniche/gas a secco, cuscinetti di pompe, sedi di valvole, generatori e compressori per produrre, distribuire e spostare petrolio e gas.

La prima proprietà dell'utilizzo della grafite di carbonio è la sua resistenza alla temperatura. Che si tratti di temperature elevate come da 350 F a 1.100 F in ambienti ossidanti e fino a 6.000 F in ambienti non ossidanti, o temperature criogeniche che vanno da -30 F a -450 F, questi materiali hanno un basso coefficiente di dilatazione termica, il che significa che le dimensioni e la forma del materiale non cambiano drasticamente con un cambiamento di temperatura.

Una proprietà distintiva del carbonio è la sua resistenza alla corrosione a centinaia di sostanze chimiche. Questi includono, ma non sono limitati a, benzene, anidride solforosa, petrolio, formaldeide, idrocarburi e mercurio. La grafite di carbonio è una forma allotropica del carbonio. Gli atomi di carbonio sono legati insieme in uno schema esagonale da legami covalenti e formano strati di grafene. Questi legami sono forti e rendono difficili gli attacchi da parte di altre sostanze chimiche. La grafite è considerata più inerte di altri elementi e forme di carbonio.

La grafite di carbonio ha anche caratteristiche autolubrificanti. Gli strati di grafene sono legati insieme dalle forze di Van der Waals. Queste sono forze attrattive deboli tra gli atomi. A differenza dei legami ionici o covalenti, queste attrazioni non derivano da un legame chimico-elettronico; sono relativamente deboli e quindi più suscettibili ai disturbi.

Consentire agli strati di grafene della grafite di carbonio di sfregarsi contro il materiale accoppiato riempiendo la rugosità della superficie e creando una pellicola idrodinamica consente essenzialmente alla grafite di scorrere contro se stessa. Questa capacità autolubrificante conferisce al materiale la capacità di non gripparsi o irritarsi in condizioni operative asciutte. Poiché è autolubrificante e presenta proprietà termiche ed elettriche, il materiale in grafite di carbonio è anche antiscintilla. La scintilla viene qui definita scintilla meccanica o di attrito.

Un'ultima proprietà della grafite di carbonio è la porosità disponibile nel materiale derivante dal processo di cottura. Dopo aver miscelato e stampato i costituenti del carbonio grezzo costituiti da polveri di carbonio e leganti, il materiale verde viene inviato attraverso un processo di cottura controllato e privo di ossigeno per carbonizzare il legante della pece, indurendolo e trasformandolo in carbonio amorfo.

Durante il processo di cottura si verifica il degassamento, ovvero gli idrocarburi nella pece vengono eliminati a causa del calore estremo, lasciando una struttura di carbonio amorfa. Durante la degassificazione, questi gas escono dal materiale, lasciando dietro di sé una rete di porosità interconnesse. Questa porosità offre ai produttori di carbonio la capacità di impregnare il materiale con vari tipi di metalli, resine e sali, che possono migliorare o aggiungere ulteriori proprietà meccaniche/chimiche alla grafite di carbonio. La parte successiva di questo articolo descriverà in dettaglio la grafite di carbonio impregnata utilizzata per prodotti e applicazioni in apparecchiature rotanti.

Una valvola a sfera è una valvola di intercettazione che controlla il flusso di un liquido o di un gas. Lo fa utilizzando una palla con un foro cilindrico al centro. Quando la valvola a sfera è aperta, il foro nella valvola a sfera è allineato con il tubo per consentire il flusso del fluido.

Nella posizione chiusa, la valvola viene ruotata di 90 gradi. Un componente che può essere realizzato in grafite di carbonio sono le sedi delle valvole. Si siedono tenendo la palla a coppa. La tenuta avviene quando la pressione a monte aumenta, spingendo la sfera e la sede a monte nella direzione del flusso verso la sede a valle.

L'impregnazione comunemente utilizzata per la grafite di carbonio in questa applicazione è il coke. Il coke è il residuo solido che rimane dopo che i carboni bituminosi sono stati riscaldati ad alta temperatura. Il residuo è principalmente carbonio, presenta poche impurità e ha una struttura grafitica sviluppata.