Grafito (GN) 31

2.6.1 Estructura

El grafito es uno de los alótropos del carbono que más abunda en la naturaleza. Está formado por capas de grafeno superpuestas y separadas entre sí por 0.34 nm (Figura 8).

Por definición, el grafeno consiste de 1 hasta 7 capas mientras que el grafito está formado por un número de capas de grafeno igual o mayor a 8. Estas capas interactúan mediante interacciones de tipo Van der Waals [116]. Por su parte, el grafeno consiste de átomos de carbono unidos por enlaces covalentes. Cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres átomos de carbono mediante enlaces sigma, las características de este tipo de enlace son: hibridación sp², ángulos de enlace de 120º, longitud de 0.141 nm y energía de enlace de 524 kJ/mol. Dado que el carbono presenta cuatro electrones de valencia, el cuarto electrón está en resonancia, tal y como sucede en el anillo bencénico, se aparea con el electrón de otro átomo de carbono a través de interacciones de Van der Waals, con una energía de enlace de 7 kJ/mol [37]. Debido a la hibridación sp² y a los ángulos de enlace entre los átomos de carbono, el grafeno adopta la forma de una malla hexagonal de un átomo de espesor, es el material más fuerte hasta ahora conocido (módulo de Young= 1 TPa, resistencia a la rotura= 130 GPa) [117]. Dependiendo del tipo de apilamiento, el grafito presenta dos arreglos cristalinos posibles, hexagonal y romboédrica [118]. Sin embargo, la forma más simple y abundante es la hexagonal.

Figura 8. Estructura del grafito.

32 2.6.2 Propiedades y aplicaciones

El grafito carece de grupos funcionales capaces de reaccionar con otras especies químicas, de hecho es considerado como un material químicamente inerte [37]. Se han desarrollado algunas alternativas de modificación química para cambiar el carácter inerte del grafito.

Como resultado de la modificación, las formas grafíticas obtenidas según la metodología empleada se denominan: óxido de grafeno (óxido de grafito) [119], compuestos intercalados de grafito (GIC’s) y grafito expandido (EG) [120]. Estos tratamientos tienen la finalidad de incorporar especies químicas sobre la estructura grafítica, o bien aumentar la distancia intercapa de las láminas de grafeno, ya sea por intercalación o por exfoliación (Figura 9). Humer y Offeman desarrollaron una manera rápida y segura de preparar óxido de grafito con el uso de ácido sulfúrico anhidro, nitrato de sodio y permanganato de potasio [119]. La estructura grafítica obtenida presenta grupos carbonilos, carboxilos, hidroxilos y epoxicos, tal y como lo muestra la Figura 9 A. Viculis y col., lograron obtener GIC’s y EG en un proceso de varias etapas (Figura 9 B). Para obtener grafito intercalado, en una primera etapa una mezcla estequiométrica de grafito y potasio son calentadas a 200°C en una atmósfera inerte. Posteriormente, los GIC’s obtenidos son expuestos en etanol, este disolvente reacciona con el potasio para formar etóxido de potasio y gas de hidrógeno. Es precisamente la fase gaseosa la que ayuda a la exfoliación de los GIC’s para finalmente obtener el EG [120].

Figura 9. Estructura grafítica oxidada por el método de Hummers (A), grafito intercalado y exfoliado por Viculis (B).

33 En cuanto a propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas, el grafito presenta propiedades anisotrópicas a causa de su estructura cristalina. Las propiedades del material dependen del plano en que sean medidas. En el plano basal, los valores de conductividad térmica, eléctrica y propiedades mecánicas son muy superiores en relación a los valores obtenidos en la dirección perpendicular al plano basal. La Tabla 4 muestra algunas de las principales propiedades del grafito [12, 37].

Tabla 4. Algunas propiedades del grafito mencionadas en la literatura.

Propiedad Valor

Densidad 1.3 – 2.29 (g/cm³)

Modulo elástico 8 – 15 (GPa)

Coeficiente de expansión térmica 1.2X10^-6 - 8.2X10^-6 (°C^-1)

Conductividad térmica 25-470 W/mK

Resistividad eléctrica 5X10^-6-30X10^-6 (Ω.m)

En la siguiente tabla se resumen algunas de las aplicaciones más destacadas del grafito según la literatura [12, 37, 121].

Tabla 5. Algunas propiedades del grafito mencionadas en la literatura.

Sector Aplicación

Materiales refractarios Por sus excelentes propiedades térmicas y resistencia química se utiliza en la producción de ladrillos refractarios.

Industria química

Su estabilidad térmica es indispensable en la producción de fósforo y carburo de calcio en hornos de arco. Se emplea como ánodo en algunos procesos electrolíticos acuosos para la

producción de halógenos como el cloro y flúor.

Industria nuclear

En la producción de varillas moderadoras y componentes reflectores en reactores nucleares. Resulta ideal por su baja absorción de neutrones, alta conductividad térmica y su alta

resistencia a la temperatura.

Industria eléctrica Es el principal componente de escobillas ampliamente usadas en motores eléctricos.

Otros

Como material de ingeniería en una variedad de aplicaciones (anillos de pistón, sellos a base de materiales de carbono,

lubricante, material de refuerzo de múltiples matrices poliméricas).

34 2.6.3 Síntesis

En la naturaleza el grafito presenta cierto grado de impurezas debido a que el carbono suele reaccionar con el oxígeno presente en el dióxido y monóxido de carbono, sin embargo, ocasionalmente se llegan a descubrir algunos yacimientos de grafito de gran pureza [37, 122].

Debido a las excelentes propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas del grafito, la producción de grafito sintético va en aumento constante. El proceso de fabricación típico consiste en la obtención de coque por la quema de hidrocarburos de alto peso molecular en ausencia de aire. En esta etapa, los átomos de carbono se ordenan en grupos extensos hexagonales y crean un buen coque. Posteriormente, el coque es calcinado, triturado y tamizado para obtener una distribución específica de tamaños de partículas. Las partículas obtenidas son apelmazadas con brea caliente, esta mezcla puede ser extruida o moldeada con la finalidad de formar bloques los cuales son horneados hasta alcanzar una densidad adecuada. Una vez que se alcanzan las características deseadas, el material es expuesto a

~3000 ºC para finalmente obtener el grafito. Con este proceso se obtiene un grafito de gran calidad ya que casi todas las impurezas son volátiles y desaparecen a las temperaturas de grafitización [37, 122].

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