CN104022425A

CN104022425A - 碳刷及其制备方法

Info

Publication number: CN104022425A
Application number: CN201410282801.1A
Authority: CN
Inventors: 王天德
Original assignee: 3M China Ltd
Current assignee: 3M China Ltd
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明提供一种碳刷及其制备方法，属于碳刷技术领域，其可解决现有的碳刷制备方法会造成污染的问题。本发明的碳刷制备方法包括：将石墨粉组分与环氧树脂粉末组分混合得到混合粉末，其中所述石墨粉组分中含有石墨粉，所述环氧树脂粉末组分中含有环氧树脂粉末；将所述混合粉末加热固化，得到固化体；对所述固化体进行石墨化。本发明的碳刷是由上述的碳刷制备方法制备得到的。本发明的碳刷制备方法适用于制备碳刷，尤其适用于制备在吸尘器、电动工具等中小型电气设备中使用的碳刷。

Description

碳刷及其制备方法

技术领域

本发明属于碳刷技术领域，具体涉及一种碳刷及其制备方法。

背景技术

碳刷是一种电气设备中的常用部件，其主要由导电材料构成，用于在电动机、发电机等中的旋转结构的固定部分(定子)和转动部分(转子)间传递能量或信号。

根据导电性、机械强度、成本等方面的综合考虑，吸尘器、电动工具等中小型电气设备中使用的碳刷主要用石墨粉作为导电材料，为使石墨粉形成碳刷所需的形状，其制备方法主要分为以下两类：

一类方法是将树脂结合剂(binder)溶于有机溶剂中，再将石墨粉加入其中并混合均匀，之后蒸干溶剂，得到石墨粉均匀分布在结合剂中的固化体，固化体再经石墨化形成碳刷。

另一类方法是通过加热使热塑性的树脂结合剂熔融，再将石墨粉加入其中并混合均匀，冷却后结合剂固化得到石墨粉均匀分布的固化体，固化体再经石墨化形成碳刷。

发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的碳刷制备方法需要使用有机溶剂或将树脂结合剂加热熔融，而这些有机溶剂、树脂结合剂等往往有较高的挥发性，从而在碳刷的制备过程中会产生大量的有害有机物挥发，造成环境污染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题包括，针对现有的碳刷制备方法会造成污染的问题，提供一种生产过程中无污染的碳刷制备方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种碳刷制备方法，包括：

将石墨粉组分与环氧树脂粉末组分混合得到混合粉末，其中所述石墨粉组分中含有石墨粉，所述环氧树脂粉末组分中含有环氧树脂粉末；

将所述混合粉末加热固化，得到固化体；

对所述固化体进行石墨化。

优选的是，所述环氧树脂粉末组分为双酚A环氧树脂粉末组分，所述双酚A环氧树脂粉末组分中含有双酚A环氧树脂粉末。

优选的是，所述石墨化为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热10～60分钟。

优选的是，所述将所述混合粉末加热固化包括：

在149～250℃的温度下加热2～80分钟。

进一步优选的是，所述将所述混合粉末加热固化包括：

在149～177℃的温度下加热60～80分钟；

或

在177～204℃的温度下加热15～30分钟；

或

在204～232℃的温度下加热5～10分钟；

或

在232～250℃的温度下加热2～5分钟。

优选的是，在所述混合粉末中，所述石墨粉组分的质量百分含量为70～90％；所述环氧树脂粉末组分的质量百分含量为10～30％。

优选的是，在所述石墨粉组分中，所述石墨粉的质量百分含量大于等于95％。

优选的是，所述石墨粉的粒度在50～75μm。

优选的是，在所述环氧树脂粉末组分中，所述环氧树脂粉末的质量百分含量大于等于50％。

进一步优选的是，在所述环氧树脂粉末组分中，所述环氧树脂粉末的质量百分含量在50～90％。

优选的是，粒度小于45微米的环氧树脂粉末在全部环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

优选的是，所述环氧树脂粉末组分中还含有：颜料、填料、固化剂、催化剂中的一种或多种。

进一步优选的是，所述固化剂为胺类固化剂和/或酸酐类固化剂。

可见，本发明的碳刷制备方法中，直接将环氧树脂粉末与石墨粉混合、固化，因此，其制备过程中不使用有机溶剂，也不存在使树脂熔融的过程，不产生有机物挥发，不造成环境污染。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种碳刷，其是由上述的碳刷制备方法制备得到的。

本发明的碳刷制备方法适用于制备碳刷，尤其用于制备在吸尘器、电动工具等中小型电气设备中使用的碳刷。

附图说明

图1为本发明的实施例的碳刷制备方法的流程图；

图2为本发明的实施例1的碳刷制备方法所制备的碳刷表面的扫描电镜照片；

图3为本发明的实施例2的碳刷制备方法所制备的碳刷表面的扫描电镜照片。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

在本发明中，“在A物质中，B物质的质量百分含量”是指，B物质是A物质的组成成分之一，当以A物质的总质量(包括B物质)为100％时，B物质的质量在其中所占的百分比。

1.原料介绍

下面对本发明的实施例使用的各种原料进行介绍。

(1)石墨粉组分

本发明中，石墨粉组分是指含有石墨粉的物质。

具体的，石墨粉组分可完全由石墨粉组成(即石墨粉组分就是纯石墨粉)。但作为市售的产品，石墨粉组分中往往还含有一些其他的添加剂、杂质等(如润滑剂等)。

优选的，石墨粉组分中石墨粉的质量百分含量大于等于95％(即其他添加剂、杂质的质量百分含量小于等于5％)。

优选的，石墨粉组分中石墨粉的粒度在50～75μm。

具体的，本发明的实施例中使用青岛晨阳石墨有限公司生产的几种鳞片型石墨粉产品作为石墨粉组分，其具体参数如下：

(2)双酚A环氧树脂粉末组分

本发明中，环氧树脂粉末组分是指含环氧树脂粉末的物质，而环氧树脂是分子中至少含有两个反应性环氧基团的树脂化合物。

环氧树脂粉末组分可完全由环氧树脂粉末组成，但作为市售产品，其往往是以“环氧粉末涂料”(epoxy powder coating)的形式出售的，其中还可含有其他的添加剂成分。

优选的，在环氧树脂粉末组分中，环氧树脂粉末的质量百分含量大于等于50％，更优选在50～90％之间。

优选的，环氧树脂粉末组分中还包括颜料、填料、固化剂、催化剂中的一种或多种；更优选的，作为适用于本发明的环氧树脂粉末组分，其中的固化剂为胺类固化剂和/或酸酐类固化剂。

优选的，粒度小于45微米的环氧树脂粉末在全部环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

本发明的实施例中，以双酚A环氧树脂粉末组分作为环氧树脂粉末组分的例子，双酚A环氧树脂粉末组分是指含双酚A环氧树脂粉末的物质，而双酚A环氧树脂是指由双酚A与环氧物质聚合而成的树脂，其中，“双酚A”也称为“2,2-二(4-羟基苯基)丙烷”，而环氧物质是分子中含有环氧基团的物质(如环氧氯丙烷)。

双酚A环氧树脂粉末组分可完全由双酚A环氧树脂粉末组成(即双酚A环氧树脂粉末组分就是双酚A环氧树脂粉末)。但作为市售的产品，双酚A环氧树脂粉末组分中往往还包括其他的添加剂成分。

优选的，在双酚A环氧树脂粉末组分中，双酚A环氧树脂粉末的质量百分含量大于等于50％；更优选在50～90％之间。

优选的，双酚A环氧树脂粉末组分中还包括颜料、填料、固化剂、催化剂中的一种或多种；更优选的，作为适用于本发明的双酚A环氧树脂粉末组分，其中的固化剂可为胺类固化剂和/或酸酐类固化剂。

优选的，粒度小于45微米的双酚A环氧树脂粉末在全部双酚A环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

具体的，本发明中使用的双酚A环氧树脂粉末组分包括以下几种：

1号双酚A环氧树脂粉末组分为3M公司生产Electrical Resin265型环氧树脂粉末，其中：双酚A环氧树脂粉末的质量百分含量为85～95％；胺类固化剂(双氰胺和氰基胍)的质量百分含量为1～10％，颜填料(颜料和填料)的质量百分含量少于3％，催化剂的质量百分含量少于2％；且其中粒度小于45微米的双酚A环氧树脂粉末在全部双酚A环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

2号双酚A环氧树脂粉末组分为3M公司生产的另一种环氧树脂(双酚A环氧氯丙烷的共聚物)粉末，其中：双酚A环氧树脂粉末的质量百分含量为70～90％，酸酐固化剂的质量百分含量为10～25％，颜填料(颜料和填料)的质量百分含量少于3％，催化剂的质量百分含量少于2％；且其中粒度小于45微米的双酚A环氧树脂粉末在全部双酚A环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

3号双酚A环氧树脂粉末组分为3M公司生产的另一种环氧树脂粉末，其中：双酚A环氧树脂粉末的质量百分含量为50～80％；胺类固化剂的质量百分含量为20～45％，颜填料(颜料和填料)的质量百分含量少于3％，催化剂的质量百分含量少于2％；且其中粒度小于45微米的双酚A环氧树脂粉末在全部双酚A环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

2.制备过程

如图1所示，本发明的碳刷制备方法可包括以下的步骤：

S1、将石墨粉组分与氧树脂粉末组分混合得到混合粉末；在混合粉末中石墨粉组分的质量百分含量为70～90％，环氧树脂粉末组分的质量百分含量为10～30％。

也就是说，先将石墨粉组分与环氧树脂粉末组分均匀混合在一起，其可通过球磨、研磨、搅拌等方式实现。

S2、将混合粉末加热固化得到固化体。

也就是说，对混合后的粉末进行加热，从而使该混合粉末初步固化形成固化体。

优选的，以上加热固化过程可为：在149～250℃的温度下加热2～80分钟。

更优选的，以上加热固化过程可为：

在149～177℃的温度下加热60～80分钟；

或

在177～204℃的温度下加热15～30分钟；

或

在204～232℃的温度下加热5～10分钟；

或

在232～250℃的温度下加热2～5分钟。

经研究发现，以上的加热温度和时间是优选的；可见，通常而言，加热温度越高则相应的加热时间越短。当然，应当理解，本步骤中只要能使混合粉末固化即可，故若延长加热时间，提高加热温度都是可行的。

S3、对固化体进行石墨化。

也就是说，通过对固化体进行进一步的加压加热，使已经充分混合并初步成型的固化体中的碳组分充分转变为石墨态。

优选的，石墨化具体为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热时间10～60分钟。

本石墨化步骤是现有碳刷制备过程中的常规步骤，本领域技术人员可在以上的参数范围内根据具体情况自行选择合适的石墨化参数，因此，不再对其进行更详细的限定。

S4、可选的，继续对石墨化后的固化体进行机械加工等其他已知步骤。

也就是说，石墨化后的固化体在外形、表面状态等方面不一定符合碳刷产品的要求，因此，可继续通过机械加工等已知方式将墨化后的固化体加工成碳刷所需的形状。

可见，本实施例的碳刷制备方法中，直接将特定的树脂粉末与石墨粉混合、固化，其制备过程中不使用有机溶剂，也不存在使树脂熔融的过程，因此其不产生有机物挥发，不造成环境污染。

3.具体实施例

以下选用不同的原料、参数分别制备碳刷，作为本发明的具体实施例。

实施例1：

本实施例提供一种碳刷制备方法，其包括：

S101、将1号双酚A环氧树脂粉末组分与1号石墨粉组分加入研磨机中研磨混合1小时，得到充分混合的混合粉末。在该混合粉末中，双酚A环氧树脂粉末组分的质量百含量为30％，石墨粉组分的质量百含量为70％。

S102、将混合粉末加热固化，得到初步成型的固化体，其具体为在177～204℃的温度下加热30分钟。

其中，之所以加热温度是一个范围，是因为在实际操作过程中，由于反应进行、外界条件等的影响，很难一直将加热温度控制在一个恒定的值，故只要保证在加热过程中加热温度能保持在一定范围内即可，以下实施例中的温度范围意义与此相同，不再详细描述。

S103、将固化体进行石墨化，具体为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热时间10～60分钟。

如前所述，对固化体进行石墨化是已知的步骤，故石墨化参数对产品碳刷的性能影响也是已知的，因此，在本发明的各实施例中，不再限定石墨化的具体参数。

S104、通过机械加工的方式将石墨化后的固化体加工成预定形状(立方体形状)，得到碳刷。

继续测试该碳刷的性能，所得结果如下：

尺寸：6mm×6mm×32.26mm；

接触压降：254mV；

扭矩：18.4kgf；

肖氏硬度：14；

抗折强度：19.2MPa；

电阻率：914μΩ.m；

密度：1.453g/CC。

实施例2：

本实施例提供一种碳刷制备方法，其包括：

S201、将2号双酚A环氧树脂粉末组分与2号石墨粉组分加入研磨机中研磨混合1小时，得到充分混合的混合粉末。在该混合粉末中，双酚A环氧树脂粉末组分的质量百含量为10％，石墨粉组分的质量百含量为90％。

S202、将混合粉末加热固化，得到初步成型的固化体，其具体为在204～232℃的温度下加热10分钟。

S203、将固化体进行石墨化，具体为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热时间10～60分钟。

S204、通过机械加工的方式将石墨化后的固化体加工成预定形状(立方体形状)，得到碳刷。

继续测试该碳刷的性能，所得结果如下：

尺寸：5.98mm×5.98mm×31.75mm；

接触压降：166.3mV；

扭矩：23kgf；

肖氏硬度：13；

抗折强度：24.2MPa；

电阻率：594.6μΩ.m；

密度：1.407g/CC。

实施例3：

本实施例提供一种碳刷制备方法，其包括：

S301、将3号双酚A环氧树脂粉末组分与3号石墨粉组分加入研磨机中研磨混合1小时，得到充分混合的混合粉末。在该混合粉末中，双酚A环氧树脂粉末组分的质量百含量为20％，石墨粉组分的质量百含量为80％。

S302、将混合粉末加热固化，得到初步成型的固化体，其具体为在149～177℃的温度下加热80分钟。

S303、将固化体进行石墨化，具体为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热时间10～60分钟。

S304、通过机械加工的方式将石墨化后的固化体加工成预定形状(立方体形状)，得到碳刷。

继续测试该碳刷的性能，所得结果如下：

肖氏硬度：16；

抗折强度：22MPa；

电阻率：955μΩ.m；

密度：1.55g/CC。

4.性能分析

分别用扫描电镜观察实施例1和实施例2所制备的碳刷表面，其结果如图2、图3所示。可见，图中碳刷表面不存在明显的石墨颗粒等，表示按照本发明的方法，其所得的碳刷结构均匀，石墨化完全，符合应用要求。

从实施例1至实施例3的测试结果可知，按照本发明的方法制备的碳刷，其抗折强度都在19MPa以上，电阻率均低于1000μΩ.m，肖氏硬度均大于13，密度均大于与1.4g/CC。

由此可见，本发明的方法制备的碳刷强度和硬度大，电阻率低，密度合适，具有较优异的性能。

具体的，经过分析，发现按照本发明的方法制备的碳刷性能可满足中小型电气设备中碳刷的需求，例如，该碳刷可用于吸尘器、电动工具等之中。

在本发明的各实施例中，以双酚A环氧树脂粉末组分作为环氧树脂粉末组分的例子，这是因为一方面双酚A环氧树脂是最常用的环氧树脂，另一方面，经研究发现，将双酚A环氧树脂粉末组分用于本发明的方法可使其所制碳刷产品获得最好的性能。

但是，本领域技术人员能够理解，其他类型的环氧树脂粉末组分也可用于本发明，这是因为各种环氧树脂粉末组分具有比较相似的性质，而它们性质的差别对它们在本发明中的应用影响并不大。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种碳刷制备方法，其特征在于，包括：

将所述混合粉末加热固化，得到固化体；

对所述固化体进行石墨化。

2.根据权利要求1所述的碳刷制备方法，其特征在于，

所述环氧树脂粉末组分为双酚A环氧树脂粉末组分，所述双酚A环氧树脂粉末组分中含有双酚A环氧树脂粉末。

3.根据权利要求1所述的碳刷制备方法，其特征在于，

所述石墨化为在50～200MPa的压力和300～600℃的温度下加热10～60分钟。

4.根据权利要求1所述的碳刷制备方法，其特征在于，所述将所述混合粉末加热固化包括：

在149～250℃的温度下加热2～80分钟。

5.根据权利要求4所述的碳刷制备方法，其特征在于，所述将所述混合粉末加热固化包括：

在149～177℃的温度下加热60～80分钟；

或

在177～204℃的温度下加热15～30分钟；

或

在204～232℃的温度下加热5～10分钟；

或

在232～250℃的温度下加热2～5分钟。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，在所述混合粉末中，

所述石墨粉组分的质量百分含量为70～90％；

所述环氧树脂粉末组分的质量百分含量为10～30％。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，在所述石墨粉组分中，

所述石墨粉的质量百分含量大于等于95％。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，

所述石墨粉的粒度在50～75μm。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，在所述环氧树脂粉末组分中，

所述环氧树脂粉末的质量百分含量大于等于50％。

10.根据权利要求9所述的碳刷制备方法，其特征在于，在所述环氧树脂粉末组分中，

所述环氧树脂粉末的质量百分含量在50～90％。

11.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，

粒度小于45微米的环氧树脂粉末在全部环氧树脂粉末中的质量百含量为50～80％。

12.根据权利要求1至5中任意一项所述的碳刷制备方法，其特征在于，所述环氧树脂粉末组分中还含有：

颜料、填料、固化剂、催化剂中的一种或多种。

13.根据权利要求12所述的碳刷制备方法，其特征在于，

所述固化剂为胺类固化剂和/或酸酐类固化剂。

14.一种碳刷，其特征在于，所述碳刷是由权利要求1至13中任意一项所述的碳刷制备方法制备得到的。