Grafito: Propiedades y Aplicaciones

Repasadas las características del átomo de carbono extenderemos toda la información acerca del grafito en este artículo. La materia prima de la cual extraemos el grafeno, un material que puede ser la base de una auténtica revolución científica y tecnológica.

Al referirnos al grafito como material o como mineral, debemos plantearnos el término en plural, “grafitos, ya que no hay un grafito único, sino que existe una amplia gama de productos que se aproximan en mayor o menor medida a su estructura. Esto es importante cuando hablamos de la obtención de grafeno a partir de grafito, ya que se le deben poner los nombres correspondientes, hay que identificar el tipo de grafito entonces, ya que puede influir en las características del grafeno.

Qué es el grafito?

Se trata de un mineral considerado de carbono casi puro, de brillo metálico y color negro algo graso al tacto. El grafito procede de las rocas carbonosas que han sufrido metamorfismo, se extrae de esta forma de las minas, más predominante en Asia.

En el grafito los átomos de carbono están fuertemente unidos en el plano mediante enlaces covalentes, configurando capas (planos básales). Estas capas están apiladas paralelamente y unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals, más débiles. Para ser más precisos, la distancia entre planos básales es de 0,335 nm. Cuando se habla de grafito lo más indicado es utilizar el término capa, y el de lámina cuando esa capa ya está aislada y constituye el grafeno propiamente dicho. Los grafitos se pueden dividir en dos grandes grupos de acuerdo con su origen, natural o sintético.

Tipos de Grafitos naturales

El grafito natural es el producto de la recristalización metamórfica de la materia orgánica contenida en las rocas. Cuando este proceso se produce sobre capas de carbón, o sobre rocas que contienen hidrocarburos líquidos, es decir, petróleo, se generan yacimientos que también pueden tener origen volcánico o hidrotermal. El grafito natural es relativamente abundante en la naturaleza, constituido mayoritariamente por carbono en un 80% – 90% y presenta impurezas inorgánicas de distinta naturaleza (sílice, alúmina, óxido férrico, etc…), que se eliminan mediante procesos de flotación en disolventes. De todos modos, si se requiere un mayor grado de pureza, deben utilizarse tratamientos químicos.

Sus propiedades y composición vienen determinados por su localización geológica (lo encontramos principalmente en la China, la India, Brasil, Corea del Norte y Canadá) y su proceso natural de formación. China es el mayor productor de grafito natural, seguida de Corea del Sur y la India. De acuerdo con los datos de que disponemos, en España existen yacimientos en distintos lugares que fueron explotados entre los siglos XVIII-XIX y a lo largo del siglo XX, la producción de grafito natural cesó en 1961 (mina Coto Guadamur,Toledo).

Se presenta en tres formas: grafito cristalino en escamas, flake en inglés, grafito cristalino de veta (término reservado a un grafito especial que procede de Sri Lanka) y grafito amorfo (denominación algo errónea si se considera que tiene cierto grado de orden estructural, con cristales de pequeño tamaño).

Otras clasificaciones se limitan a considerar solo dos tipos de formas de grafito: microcristalino (integrado por escamas y cristales de tamaño relativamente pequeño) y macrocristalino (integrado por escamas y cristales de mayor tamaño). El grafito cristalino en escamas, el utilizado principalmente en la preparación de grafeno, está constituido por partículas discretas en forma de placas planas con bordes angulosos, redondeados o irregulares. Se encuentra en rocas metamórficas como el mármol gneiss, el cuarzo o la mica. Su contenido en carbono es del 70% al 96%.

El grafito cristalino de veta, como su nombre indica, cristaliza en forma de vetas que se acumulan en grandes bolsas. Se cree que su origen se debe al depósito de carbono en fase líquida o gaseosa. Su contenido en carbono es del 80% – 99%.

El grafito amorfo se forma a partir de sedimentos ricos en hulla y posee cierta estructura cristalina, en la que los cristales son muy pequeños y no están bien definidos. Su contenido en carbono es menor del 85%. En principio, sería el menos adecuado para la preparación de grafenos por su más bajo orden estructural y elevado contenido en materia mineral. Si el desarrollo del grafeno cumple con las expectativas previstas, la demanda de grafito será muy superior a su producción actual. Si a esto le añadimos la localización geográfica de los principales yacimientos, que se concentran fundamentalmente en Asia, es evidente que el grafito sintético está llamado a desempeñar un papel clave para garantizar el suministro de materia prima, con el valor añadido de la variedad de grafitos de distinta estructura cristalina de que se puede disponer.

Tipos de Grafitos sintéticos

El grafito sintético fue preparado por primera vez a principios del siglo XX. Para obtenerlo, un precursor orgánico (derivado del carbón o del petróleo) se trata a temperaturas en orden de los 1.000 °C, en atmósfera inerte (proceso conocido como carbonización), generando el coque que posteriormente se grafitiza a temperaturas superiores a los 2.500 °C.

Los grafitos comerciales tradicionales son poligranulares, palabra que incluye a todos los grafitos sintéticos compuestos de granos que pueden distinguirse claramente en un microscopio, siendo el de tipo Achcson y los isótropos los más habituales. El primero de estos grafitos debe su nombre a E.G. Acheson, quien descubrió que calentando el carburo de silicio a alta temperatura > 2.500 °C se descomponía y daba lugar a un grafito sintético prácticamente puro.

El grafito isótropo se utiliza en la fabricación del grafito moldeado. Para su obtención se calienta una mezcla de coque y un aglomerante (brea de alquitrán de hulla o de petróleo, habitualmente) a baja temperatura (~ 150 °C) para que funda el aglomerante y se mezclen; esta mezcla se prensa, se carboniza y se grafitiza. Finalmente, puede tener lugar un proceso de mecanizado.

El grafito pirolítico también es un grafito sintético que se obtiene mediante el depósito de carbono a partir de un hidrocarburo gaseoso (metano, acetileno, etileno) a temperaturas superiores a 1.800 °C (proceso que se conoce como CVD, Chemical Vapour Deposition) o por tratamiento térmico de grafitización de un material de carbono pirolítico previamente preparado. Este tipo de grafitos presentan un alto grado de orientación cristalográfica.

Si el grafito pirolítico se trata, a su vez, a temperaturas superiores a 2.500 °C y bajo presión da lugar a un grafito pirolítico con una estructura cristalina aún más orientada que recibe el nombre de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphité). Este tipo de grafito es fácilmente exfoliable y genera unas láminas de grafeno de gran calidad. El principal inconveniente es la pequeña cantidad que se obtiene mediante este procedimiento.

Sobre las propiedades del grafito

El grafito natural es un mineral suave, de color gris a negro y brillo metaloide, es estable, inodoro y no tóxico. Su peculiaridad es que no funde en condiciones normales (presión atmosférica), sublimando a temperaturas del orden de 3.725 °C, por lo que es extremadamente refractario. Tiene una densidad de 2,26 g por cm(cúbico). No obstante, la mayoría de los materiales grafiticos presentan valores de densidad menores de 2,26 g por cm(cúbico), debido a la presencia de imperfecciones estructurales, tales como porosidad, vacantes atómicas y dislocaciones.

Puede ser considerado un buen conductor del calor en la dirección paralela a los planos básales, mientras que en la dirección perpendicular su conductividad cae de manera importante y se comporta como un aislante térmico.

La expansión térmica depende también de la fortaleza del enlace atómico, por lo que en la dirección de los planos básales es baja, inferior a la de la mayor parte de los materiales, mientras que en la dirección perpendicular, donde los enlaces son más débiles, la expansión térmica supera a la anterior en un orden de magnitud.

Las propiedades eléctricas también varían considerablemente, siendo un buen conductor eléctrico en la dirección paralela a los planos y un aislante en la perpendicular. Una propiedad muy importante del grafito con relación a la producción de grafeno es que se deslamina fácilmente en la dirección perpendicular a los planos, donde la fuerza de los enlaces es baja, mientras que en el plano basal su ruptura es difícil. La facilidad para deslizarse unas capas sobre otras permite su uso como lubricante y abre la puerta a emplearlo como materia prima en la obtención de grafeno.

El grafito es uno de los materiales más inertes, siendo resistente a la mayoría de los ácidos, bases y agentes corrosivos. La principal excepción a su excelente resistencia química son los elementos del grupo 16 del sistema periódico (oxígeno, azufre, selenio y teluro), con los que reacciona a temperaturas superiores a 400 °C.

Aplicaciones del grafito

Una de sus aplicaciones más comunes es la fabricación de la mina de los lápices. Pero también encuentra aplicaciones en sectores como energía móvil, industria del automóvil, tribología – lubricantes, polímeros conductores, metalurgia e industria química.

En la energía móvil se utiliza en baterías alcalinas, baterías recargables de ión-litio y pilas de combustible. En las baterías alcalinas, el grafito se emplea como un aditivo conductor en el cátodo, al mismo tiempo ofrece lubricidad y reduce el desgaste. Aunque se utilizan ambos, el natural y el sintético, se requiere un estricto control de las impurezas inorgánicas del grafito natural para evitar problemas de corrosión.

En el caso de las baterías recargables de ión-litio, el grafito se utiliza ampliamente como material activo del ánodo, debido a su capacidad para insertar de forma reversible los iones de litio. En las pilas de combustible, las placas bipolares están hechas normalmente de grafito por su buen comportamiento frente a la corrosión, alta conductividad eléctrica y estabilidad mecánica, entre otras propiedades. Si quieres conocer más acerca de las baterías, te aconsejamos nuestros artículos acerca de cómo funciona una batería y tipos de baterías.

En el área de la automoción se utiliza en materiales de fricción, escobillas y juntas. En las pastillas de freno y tambores suministra el nivel de coeficiente de fricción requerido a diferentes condiciones de operación y también contribuye a mantener los niveles de temperatura, vibración y ruido, logrando además que la velocidad de desgaste y el precio de producto se encuentren dentro de unos límites aceptables.

El grafito es el principal componente de la mayoría de las escobillas de carbono utilizadas en motores eléctricos, sus propiedades permiten ajustar la lubricidad, densidad, dureza, desgaste y conductividad eléctrica de las escobillas. El grafito natural de elevado grado de pureza ofrece excelentes resultados.

En juntas se usan láminas de grafito natural expandido por su flexibilidad y estabilidad térmica.

En tribología-lubricantes, se puede utilizar como lubricante en polvo sólido. Por ejemplo, garantiza la lubricación de las zapatas de freno de las ruedas de los trenes. Su lubricidad también se explota en suspensiones de aceite o grasa.

Dentro de la industria metalúrgica, la de refractarios es probablemente su principal consumidora. La adición de grafito a ciertos productos refractarios aumenta significativamente su resistencia al choque térmico y a la corrosión. La aplicación más extendida en la industria del hierro y del acero es indudablemente en ladrillos cerámicos de magnesia-carbono, por su capacidad para resistir la corrosión producida por los depósitos de impurezas inorgánicas que se generan en el metal fundido.

En la industria química se emplea en la fabricación de caucho, explosivos y pulimentos, en la elaboración de fibras y municiones. También es un componente en la elaboración de pinturas y pigmentos.

Todo esto nos permite ver la gran utilidad histórica del grafito para muy distintas aplicaciones de tipo convencional y de alta tecnología. Ha formado parte de manera directa de nuestra vida cotidiana e indirectamente a través de sectores como el transporte, la construcción, la salud, el energético, etc. Lo que nadie hubiese podido imaginar hace unos años es que se pudiesen separar las capas que integran el grafito, y menos que este hecho tuviese la trascendencia y repercusión que alcanza el resultante grafeno. El grafito ha pasado, de este modo, de ser un material muy útil a ser la llave de una revolución científica y tecnológica como la del grafeno.