CN104009366B - 芳纶碳刷制备方法及芳纶碳刷 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了芳纶碳刷制备方法包括：获取芳纶浆粕原料，并进行盘磨至叩解度为50°-70°，过滤后去除水分，获得预处理芳纶浆粕；将预处理芳纶浆粕加入溶剂中搅拌分散，再加入树脂至完全溶解，得芳纶纤维分散液；将分散液加入混捏中的石墨粉和二氧化钼混合物中后，控制混捏过程在密闭条件进行1.5-2小时，再解除密闭条件继续混捏至溶剂完全挥发，得混捏产物；将混捏产物进行冷却、造粒、模压成型、烧结，即得到芳纶碳刷。本发明芳纶碳刷制备方法在碳刷中加入芳纶纤维，并且将芳纶纤维的皮心结构处理后形成树枝状的结构，与石墨粉等碳刷成分紧密结合，提升碳刷强度、耐磨的性质；在摩擦和振动的使用中粉状颗粒难以脱落，提高碳刷的耐性和寿命。
Description
技术领域
本发明属于电刷制备技术领域，具体涉及一种芳纶碳刷制备方法及芳纶碳刷。
背景技术
电刷是电动机和发电机中用来转换盒传导电流的重要零件，由于其材料主要是石墨，因此又称碳刷。现有的碳刷是用石墨粉与碳粉、金属粉，并连同粘合剂、润滑剂后进行混捏、造粒、成型、固化而成。但是电机在工作时碳刷温度容易升高，导致粘结剂炭化；而且使用中电机的摩擦和振动，碳刷上的石墨颗粒和与粘结剂炭化焦极易脱落，从而影响碳刷性能，缩短电机使用寿命。
发明内容
本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种电阻率性能优良、更加耐温耐磨和使用寿命更高的芳纶碳刷制备方法及芳纶碳刷。
为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下：
一种芳纶碳刷制备方法，包括如下步骤：
获取芳纶浆粕原料，并进行盘磨至叩解度为50°-70°，过滤后去除水分，获得预处理芳纶浆粕；
将预处理芳纶浆粕加入溶剂中搅拌分散，再加入树脂至完全溶解，得芳纶纤维分散液；
按照预生成芳纶碳刷的质量获取石墨粉和二氧化钼原料并进行混捏处理，在混捏过程中缓慢加入所述分散液后，控制混捏过程在密闭条件进行1.5-2小时，再解除密闭条件继续混捏至溶剂完全挥发，得混捏产物；
将混捏产物进行冷却、造粒、模压成型、烧结，即得到芳纶碳刷。
本发明实施例的芳纶碳刷制备方法在现有的碳刷中加入芳纶纤维，将其特殊的皮心结构盘磨处理后形成树枝状的结构，与石墨粉、润滑剂和粘结剂紧密结合，在电机运动时，在摩擦和振动的情况下，不易使粉状颗粒脱落，提高碳刷的耐性，从而提升电机的寿命。而且芳纶本身是一种高强度、高模量、低密度和高耐磨的有机合成纤维，在碳刷中可以加强连接骨架的作用，碳刷整体的柔韧强度大大提升，进一步保证了在使用中的寿命；并且添加二氧化钼进行润滑，还能提升冲击韧性，降低了碳刷的磨损率，使碳刷的性能更加优异。
本发明实施例进一步还提出一种根据上述芳纶碳刷制备方法制备的芳纶碳刷。
芳纶碳刷按照上述方法步骤进行制备，在生产中添加上述芳纶纤维，并且将芳纶纤维进行皮心结构处理后形成树枝状的结构，使其与石墨粉等原料、紧密结合，并且基于芳纶纤维本身的高强度、高模量、低密度和高耐磨的性质，从而非常好地提升了碳刷的性质和使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例提供了电阻率性能优良、更加耐温耐磨和使用寿命更高的芳纶碳刷制备方法，该方法包括如下步骤：
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的0.001％-5％获取芳纶浆粕原料，用水配制成1.5-2％的质量分数的浆液，并将浆液进行盘磨处理至芳纶浆粕的叩解度为50-70°，然后进行过滤得过滤物；
S20，将步骤S10制得的过滤物进行离心甩干后，置于120-140℃烘箱中烘干，得预处理芳纶浆粕；
S30，将步骤S20中的预处理芳纶浆粕加入溶剂中进行溶解分散，再向溶液中加入树脂直至树脂完全溶解得分散液；
S40，获取石墨粉和二硫化钼，并置于混捏锅中进行混捏，在混捏的过程中缓慢加入步骤S30中制得的分散液；加入分散液后于密闭条件下混捏1.5-2小时后，再于85-95℃的非密闭条件下继续混捏，直至溶剂完全挥发后得混捏产物；
S50，将步骤S40所得的混捏产物于室温下冷却后，再经造粒、压膜成型、烧结，即可得到本发明的芳纶碳刷。
在本发明上述实施例的步骤S10中，将芳纶浆粕原料进行盘磨，在盘磨的过程中芳纶纤维受到摩擦力、扭力、剪力和水力等多种作用，使芳纶纤维本身所具有的特殊的皮心结构被撕裂、分丝、帚化成树枝状的结构，比表面积增大，且增加更多的纤维簇，具有非常强的结合力。并且，处于碳刷中石墨的粒径和分量，在这一步骤中将芳纶浆粕盘磨至叩解度为50-70°。芳纶浆粕原料的叩解度一般为40°左右，如果直接与石墨粉等原料生产碳刷，其无法与石墨等组分原料之间产生非常良好的连接性，无法满足提升碳刷的整体分子层级中与其它物质的结合性，不能解决使用过程中掉粉等问题；因此需要将其盘磨处理使纤维被切断、分裂、润胀、和水化至叩解度为50-70°，此时其纤维结构、暴露出的纤维簇能在分子结构上满足与石墨等碳刷材料紧密结合而提升机械强度、紧度的要求。当叩解度过高时，纤维细碎度过高，强度不足，使得芳纶碳刷产品的整体强度达不到良好的预期，因此将芳纶纤维盘磨控制上述叩解度的范围，保证芳纶纤维的连接能力、整体纤维骨架的强度满足本发明中芳纶碳刷产品的要求。其中，芳纶浆粕原料在本发明上述实施方式中，可以采用间位聚芳酰胺纤维(芳纶1313)和/或对位聚芳酰胺纤维(芳纶1414)，纤维本身柔韧强度比较好，而且间位和对位的芳酰胺聚合的中空纤维含有较多的纤维簇，当盘磨暴露出来之后，更加适于与石墨等连接。
步骤S20将步骤S10处理之后将上述盘磨后的过滤物进行高速超重离心和烘干的预处理，去除水分，保证其充分干燥，在后续的步骤中与树脂混合时不会因为水电膜层导致结合性降低。
步骤S30进一步将S20中的预处理芳纶浆粕添加溶剂进行均匀分散，形成均匀的分散系，在此过程中溶剂可以选择对芳纶浆粕和树脂均具有比较好的溶解性的有机溶剂，可以保证分散系的均匀和稳定；物质之间的结合性达到最佳。并且，进一步地在这一步骤中溶剂的用量可以不进行限制，因为在后续的步骤S40中进行混捏时要将溶剂挥发去除，因此在这一情形下可以不限制溶剂的量，在生产中可以根据溶解分散的效果和混捏过程的效益进行合理的添加。添加树脂可以在碳刷的热固化成型中起作用，在原料中混合时助于原料的分散和粘接。
在获得步骤S30中的分散液之后，将分散液添加到碳刷生产中正在混捏的石墨粉和二硫化钼中，接下来密闭混捏的空间，使混捏过程在封闭的过程中继续持续1.5-2小时，杜绝溶剂的大量挥发、外界的氧化等等影响，保证混捏过程中各物质组分之间能够非常好地进行结合；然后当结合程度达到一定的程度之后，将这一封闭环境打开，继续进行混捏并将混捏的温度调整为85-95℃至溶剂完全挥发，那么所得的混捏产物即为结合性比较稳定的碳刷坯料。当然在这一过程中，先后通过封闭和非密闭混捏的操作，使芳纶的纤维簇结构最大化地发挥连接力，将石墨粉、润滑剂和粘结剂结合呈一体。而且非密闭混捏过程中采用85-95℃的温度条件，可以更加促进碳刷分子间的运动结合，并且有助于溶剂的挥发。当然，这一混捏的过程可以采用混捏机或者混捏锅等设备进行，通过合理的控制参数使效果达到最佳。采用在碳刷中添加二氧化钼，除了润滑性比较好之外，降低碳刷产品在使用时摩擦系数，进一步降低磨损的程度；而且二氧化钼还可以增加材料的冲击韧性，降低脆性缺陷。
进一步，最后步骤S50将混捏产物进行后续加工生成芳纶碳刷产品，具体包括造粒、压膜成型、烧结，使碳刷固化成型的步骤。
本发明实施例的芳纶碳刷制备方法在现有的碳刷中加入芳纶纤维，将其特殊的皮心结构盘磨处理后形成树枝状的结构，与石墨粉、润滑剂和粘结剂紧密结合，在电机运动时，在摩擦和振动的情况下，不易使粉状颗粒脱落，提高碳刷的耐性，从而提升电机的寿命。而且芳纶本身是一种高强度、高模量、低密度和高耐磨的有机合成纤维，在碳刷中可以加强连接骨架的作用，碳刷整体的柔韧强度大大提升，进一步保证了在使用中的寿命；并且添加二氧化钼进行润滑，还能提升冲击韧性，降低了碳刷的磨损率，使碳刷的性能更加优异。
本发明进一步还提出一种按照上述芳纶碳刷方法制备的芳纶碳刷，芳纶碳刷产品按照上述方法步骤进行制备直接获得；其在生产中添加上述芳纶纤维，并且将芳纶纤维进行皮心结构处理后形成树枝状的结构，使其与石墨粉等原料、紧密结合，并且基于芳纶纤维本身的高强度、高模量、低密度和高耐磨的性质，从而非常好地提升了碳刷的性能和使用寿命。
为了更加能说明本发明芳纶碳刷制备方法和按照该制备方法所各方面的性能，以下通过实施例来进行举例说明。
实施例1：
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的0.001％选取性质比较优良的1313芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为1.8％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为55°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物，该过滤物为结构比较细致且暴露出非常多高连接活性的纤维簇的芳纶纤维；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中130℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏1.5小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为90℃，继续混捏0.5小时，直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：采用本实施例制得的芳纶碳刷与法国罗兰公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中同用于两台豆浆机中，每天正常榨豆浆2小时，半年后检测磨损率，结果本实施例的芳纶碳刷较罗兰公司的碳刷其磨损程度低5％。
实施例2
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的0.1％选取性质比较优良的1313芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为1.8％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为62°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物，该过滤物为结构比较细致且暴露出非常多高连接活性的纤维簇的芳纶纤维；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中130℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏1.5小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为90℃，继续混捏0.5小时，直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：采用本实施例制得的芳纶碳刷与法国罗兰公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中同用于两台豆浆机中，每天正常榨豆浆2小时，半年后检测磨损率，结果本实施例的芳纶碳刷较罗兰公司的碳刷其磨损程度低20％；而且还可以从该结果中看出，芳纶浆粕预处理的叩解度与添加量关系到芳纶碳刷产品中分子结构粘接的紧密度，从而影响寿命。
实施例3
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的5％选取性质比较优良的1313芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为1.8％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为68°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物，该过滤物为结构比较细致且暴露出非常多高连接活性的纤维簇的芳纶纤维；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中130℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏1.5小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为90℃，继续混捏0.5小时，直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：采用本实施例制得的芳纶碳刷与法国罗兰公司购买的豆浆机碳刷分别添加进马达中同用于两台豆浆机中，每天正常榨豆浆2小时，半年后检测磨损率，结果本实施例的芳纶碳刷较罗兰公司的碳刷其磨损程度低14％。
实施例4
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的0.1％选取性质比较优良的1414芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为1.8％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为60°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中130℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏1.5小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为90℃，继续混捏0.5小时，直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：将此实施例所制取的芳纶碳刷安装在马达中，在同一测试条件下，比进口碳刷马达寿命延长10％。
实施例5
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的0.001％选取性质比较优良的1414芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为1.5％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为50°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中120℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏1.5小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为85℃，继续混捏直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：将此实施例所制取的芳纶碳刷安装在马达中，在同一测试条件下，比进口碳刷马达寿命延长8％。
实施例6
S10，按照预生成芳纶碳刷质量的5％选取性质比较优良的1313芳纶浆粕作为生产材料，加水配制成质量浓度为2％的浆液，加入到盘磨装置中进行盘磨至叩解度为70°，过滤1-2次，取过滤所得过滤物；
S20，将过滤所得的过滤物高速离心甩干后，并再置于烘箱中140℃下烘干去除水分，获得预处理芳纶浆粕。
S30，将烘干后所得的预处理芳纶浆粕加入到溶剂中搅拌分散，至分散完全后，加入树脂至树脂完全溶解，得到比较均已稳定的芳纶纤维分散液。
S40，按照预产芳纶碳刷的质量所需称取石墨粉和二氧化钼，并将石墨粉和二氧化钼置于混捏锅中进混捏，在混捏的过程中缓慢地将上述分散液加入到正在混捏的石墨粉和二硫化钼混合物中；加完后，将混捏室密闭混捏2小时；随后打开密闭混捏室，并调整混捏温度为95℃，继续混捏直到溶剂挥发完即可出料，即为混捏产物。
S50，将混捏产物冷却至室温，然后用造粒机进行造粒，然后再将造粒好的粉料进行模压成型，成型之后再进行烧结即可得到所需的芳纶碳刷。
性能测试：将此实施例所制取的芳纶碳刷安装在马达中，在同一测试条件下，比进口碳刷马达寿命延长14％。
从上述各个实施例所生产制造的芳纶碳刷在使用过程中的检测的结果，相比直接进口的碳刷的寿命药品长5-20％，其主体原因是在采用本发明的上述方法，使碳刷的结构从分子层级上获得更加稳定和紧固的连接，从而使其耐性和寿命实现大大的提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种芳纶碳刷制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取芳纶浆粕原料，并进行盘磨至叩解度为50°SR-70°SR，过滤后去除水分，获得预处理芳纶浆粕；
将预处理芳纶浆粕加入溶剂中搅拌分散，再加入树脂至完全溶解，得芳纶纤维分散液；
按照预生成芳纶碳刷的质量获取石墨粉和二氧化钼原料并进行混捏处理，在混捏过程中缓慢加入所述分散液后，控制混捏过程在密闭条件进行1.5-2小时，再解除密闭条件继续混捏至溶剂完全挥发，得混捏产物；
将混捏产物进行冷却、造粒、模压成型、烧结，即得到芳纶碳刷。
2.如权利要求1所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述获取芳纶浆粕原料，并进行盘磨至叩解度为50°SR-70°SR步骤中，按照预生成芳纶碳刷质量的0.001％-5％获取芳纶浆粕原料。
3.如权利要求1或2所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述获取芳纶浆粕原料，并进行盘磨至叩解度为50°SR-70°SR步骤中，将芳纶浆粕原料加水配制成质量浓度为1.5％-2％的浆液，再将浆液进行盘磨。
4.如权利要求1或2所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述解除密闭条件继续混捏至溶剂完全挥发步骤中温度控制为85-95℃。
5.如权利要求1或2所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述芳纶浆粕为间位聚芳酰胺纤维和/或对位聚芳酰胺纤维。
6.如权利要求3所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述过滤后去除水分，获得预处理芳纶浆粕步骤包括，将盘磨后的浆液进行过滤取过滤物，再将过滤物进行超重离心后烘干处理，获得预处理芳纶浆粕。
7.如权利要求6所述的芳纶碳刷制备方法，其特征在于，所述烘干处理的温度为120-140℃。
8.一种芳纶碳刷，其特征在于，根据权利要求1至7任一项所述的芳纶碳刷制备方法制备获得。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 518000 31 / F, block B, building 7, Wanke Yuncheng phase 3, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Water New Material Co.,Ltd. Address before: 518000 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Nantou two road crossing forward hot electrons strategic emerging industrial park 10 Patentee before: Shenzhen Water New Material Co.,Ltd. |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Preparation method and aramid carbon brush Effective date of registration: 20230525 Granted publication date: 20160413 Pledgee: Shenzhen small and medium sized small loan Co.,Ltd. Pledgor: Shenzhen Water New Material Co.,Ltd. Registration number: Y2023980041875 |
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