Arten, Vorkommen und Herstellung

Arten

Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedliche Formen von Graphit  -  natürlichen Graphit,  der in Bergwerken gewonnen wird und synthetischen Graphit,  der in Großanlagen aus einer Mischung verschiedener kohlenstoffhaltiger Vorläufermaterialien durch im Wesentlichen thermische Behandlung hergestellt wird.

Natürlicher Graphit

Natürlicher Graphit ist ein  -  in geologischen Zeiträumen  -  nachwachsender Rohstoff.  Ähnlich wie Stein- und Braunkohle ist er aus Pflanzenresten unter Luftabschluss in der Erdkruste entstanden.  Anders als diese haben höhere Temperaturen und/oder längere Zeitraum zu einem weiteren Fortschreiten der Strukturumwandlung  (Pflanze >> Torf >> Braunkohle >> Steinkohle >> Graphit)  geführt.

Die weltweit bedeutsamsten Graphitfundorte liegen in der Volksrepublik China, auf der koreanischen Halbinsel, auf Madagaskar, in Simbabwe, Brasilien und Indien.  Der Abbau findet sowohl im Tagebau als auch untertägig in Schachtbergwerken statt. Die aktuell geförderte Jahresmenge liegt bei etwa 600.000 Tonnen.

Aufgrund fehlender gesellschaftlicher Akzeptanz des Bergbaus in Europa gibt es in dieser Region inzwischen nur noch wenige aktive Graphitbergwerke. Diese Erscheinung ist nicht spezifisch für Graphit,  sondern gilt gleichermaßen auch für viele andere mineralische Rohstoffe.  Nicht geologischer Mangel,  sondern Mangel an Bereitschaft die Folgen von Bergbau zu akzeptieren sind hier ursächlich.  In der Ukraine, in Norwegen und in Tschechien wird makrokristalliner Naturgraphit in unterschiedlicher Qualität unter Tage abgebaut.

Bei dem makrokristallinen Naturgraphit sind die einzelnen Graphitkristallitpakete (Flocken) mit bloßem Auge sichtbar.  Für bestimmte Anwendungen haben diese Flocken spezifische Eigenschaften,  die nur schwer bei synthetischem Graphit nachgebildet werden können.  Mikrokristalline Naturgraphite, deren Kristalle nicht so großvolumig ausgeprägt sind,  werden in anderen Bergwerken gefördert.  Lagerstätten solcher Graphite existieren u.a. in Österreich.

Aufgrund ihrer Entstehungsgeschichte sind natürliche Graphite von zahlreichen Fremdstoffen mineralischen Ursprungs durchsetzt.  Der typische Aufbereitungsweg von Naturgraphit bezweckt die Abtrennung solcher Verunreinigungen durch Zerkleinern,  verschiedene Trennverfahren wie Waschen und Flotieren,  gefolgt von anschließendem Trocknen, Sieben und Verpacken.  Reinheiten liegen je nach Aufbereitungsaufwand zwischen <90 Prozent und ca. 99 Prozent Kohlenstoffgehalt.  Dieser Kohlenstoff liegt im Wesentlichen als Graphit vor,  die Angabe des Kohlenstoffgehalts alleine sagte jedoch noch nichts über den Graphitierungsgrad und damit über den Graphitgehalt aus.

Synthetische Herstellung

Da die natürlichen Vorkommen begrenzt sind,  in zahlreichen technischen Anwendungen zudem reinere Graphitsorten benötigt werden und viele Anwendungen statt Pulver oder Granulat auch Festkörper voraussetzen wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts Verfahren zur Herstellung synthetischer Graphite entwickelt.

Grundsätzlich verwendet man hierfür Granulate aus kohlenstoffreichen Materialien wie Petrolkoks, Pechkoks,  Anthracit o.a..  Wesentlich ist,  dass diese Ausgangsmaterialien eine graphitierbare Grundstruktur aufweisen. Um Formkörper zu erhalten,  werden diese Feststoffe mit einem geeigneten Bindemittel (üblicherweise Steinkohlenteerpech [wegen des sehr hohen C:H-Verhältnisses] oder bestimmte Kunstharze)  vermengt, verdichtet und durch eines von mehreren Formgebungsverfahren in Form gebracht.  Im Wesentlichen zählen hierzu das Strangpressen,  das Vibrationsverdichten und das isostatische Verdichten.  Die so erhaltenen Formkörper werden bei etwa 1.000 °C unter Luftausschluss gebrannt.  Durch Austritt flüchtiger Substanzen entsteht hierbei ein weitverzweigtes feines Porennetzwerk.

Die so erhaltenen Formkörper sind noch kein Graphit,  sondern recht reiner Kohlenstoff und somit elektrisch leitfähig.  Je nach angestrebte Produktqualität werden die Formkörper entweder ein- oder mehrmals nachimprägniert oder direkt graphitiert.  Hierzu leitet man  -  erneut unter Luftausschluss  -  elektrischen Strom durch die Formkörper und heizt diese so für längere Zeit auf Temperaturen zwischen 2.500 und 3.000 °C auf.

Solche Graphite enthalten je nach den in den Ausgangsmaterialien enthaltenen Verunreinigungen  zwischen < 5 und bis zu 5.000 mg/kg Fremdstoffe („Aschebildner“),  also Reinheitsgrade ausgedrückt als Kohlenstoff von 99,5 bis 99,9995 Prozent.  Reinheiten von mehr als etwa 99,99 Prozent  lassen sich nur durch endproduktnahe, aufwendige Nachreinigungsverfahren erreichen und werden überwiegend in der Halbleiterindustrie und einigen anderen Hochtemperaturanwendungen verwendet.

Am HiTech-Ende der Produktpalette gibt es Sonderformen, wie etwa „Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG)“ und Oberflächenbeschichtungenn wie etwa Pyrographit.