CN104917020B - 一种自均质耐磨树脂型炭刷及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自均质耐磨树脂型炭刷及制备方法，炭刷的组分包括：磺化氧化石墨烯5wt％～30wt％，鳞片石墨粉和等静压石墨粉(两者其一或混合)20wt％～65wt％，热固性树脂30wt％～50wt％，外加添加剂。该自均质高耐磨树脂型炭刷具有自均质和高耐磨特性，适用于大功率电动工具电机，尤其适用于高功率切割机用电机；与现有同型号炭刷相比，该款炭刷均质性优良、耐磨性能优异，换向火花稳定在级；该款电刷的载流磨损率是现役同类型高功率电动工具电机用炭刷磨损率的1/5～1/2。

Description

一种自均质耐磨树脂型炭刷及制备方法
技术领域
本发明涉及电动工具电机用炭刷，特别涉及高功率的电动工具电机用炭刷及制备方法。
背景技术
炭刷是与换向器或滑环作滑动接触而形成电连接的一种导电部件，作为导入导出电流的滑动接触体，要求其必须同时具备良好的电气性能和机械性能。随着科学技术的快速发展和工业化水平的不断提高，电动工具在国民经济和人们生活中将发挥更大的作用。其中，各类高功率电动工具电机对高转速、大扭力提出了新的更高的要求，电动工具电机正向超高速、大功率、集成化和和高效方向发展。现役电动工具电机(如石材切割机、电动砂轮机、电动扳手和电动螺丝刀、电锤和冲击电钻、混凝土振动器、电刨等)用炭刷大都采用树脂型高阻炭材料和沥青基焙烧型炭材料，此类型电刷一般具有较高的电阻率，但其仍存在自发热温度偏高、且抗磨损性能较差、电火花较大和磨损面粗糙等不足，甚至导致电机严重受损。电动工具电机电刷市场长期被进口高端碳刷品牌垄断进，因此，急需研制出与高功率(1200W-2000W)电动工具电机匹配的高电阻、高抗磨、自抑弧的电刷材料。
发明内容
为克服以上背景技术中提到的不足，本发明的目的在于，提供一种高电阻、高抗磨、自抑弧的自均质耐磨树脂型炭刷。
本发明的另一目的在于提供上述自均质高耐磨树脂型炭刷简单实用的制备方法。
本发明的自均质树脂型炭刷由以下质量百分数含量的组分原料制成：
填料：磺化氧化石墨烯5wt％～30wt％与石墨粉：鳞片石墨粉和/或等静压石墨粉20wt％～65wt％；
粘结剂：热固性树脂30wt％～50wt％；
在以上原料的基础上，还添加有螯合剂和氨基硅烷偶联剂，
其中螯合剂占填料和粘结剂的质量含量的1wt％～5wt％，氨基硅烷偶联剂占填料和粘结剂的质量含量的0.5wt％～3wt％。
本发明的优选方案为磺化氧化石墨烯质量百分数为5wt％～20wt％，鳞片石墨粉和/或等静压石墨粉为30wt％～45wt％，热固性树脂35wt％～50wt％。
本发明的方案中，所述的石墨粉为中鳞片石墨粉和等静压石墨粉中的一种或两种的任意混合。
所述热固性树脂为酚醛树脂、脲醛树脂或聚酰亚胺。
本发明的优选方案中，所述的螯合剂优选为聚乙二醇。
氨基硅烷偶联剂优选为KH550，KH560，KH570中一种或几种。
本发明上述自均质耐磨树脂型炭刷的一种制备方法包括以下步骤：
(1)将磺化氧化石墨烯加水、在磁场辅助下进行超声分散，同时添加氨基硅烷偶联剂；
(2)将超声过的磺化氧化石墨烯干燥，破碎后与石墨粉进行干混；
(3)然后将酚醛树脂的酒精溶液加入到磺化氧化石墨烯与石墨粉中进行湿混，同时加入聚乙二醇。
(4)最后经过轧片、破碎、筛分、压型、固化后制得最终样品。
本发明的优选方案中，使用前对磺化氧化石墨烯在磁场辅助下进行超声分散5h～10h，以解决其因比表面积过大，易发生团聚的缺陷。
本发明的优选方案中，固化过程中在90℃～100℃，130℃～140℃分别保温1.5～3h(最优选为2h)，固化终温190℃～200℃，固化时间为5h～10h。可进一步避免固化过程中，因混合料中气体小分子挥发易造成样品开裂或鼓泡等缺陷。
发明人通过研究发现，由于本发明采用磺化氧化石墨烯与鳞片石墨粉和/或等静压石墨粉进行混合配比，通过采用磺化氧化石墨烯改性的树脂型炭刷材料的截面组织中呈现出“均匀分散”状态(如图1c)，磺化氧化石墨烯具有准二维的层状结构，其中的未成键π电子在与平面垂直的方向可形成π轨道；一方面，磺化氧化石墨烯/石墨粉炭料的混合物趋于向垂直于压力方向排列，另一方面又可实现对树脂基炭刷材料的电阻率和导热性的调节，可有效减小摩擦副间的电侵蚀磨损。磨损面接触区的磺化氧化石墨烯既能提高材料的韧性，又能限制树脂型碳刷材料的热振动，且能较好地抑制复合材料的过早粉化。与现有技术相比，本发明的意义在于：专门针对高功率的电动工具，特别是高转速切割机电机用炭刷，进行研制。对于此领域电刷普遍存在的火花大，抗磨损性能差，与对偶铜换向器的匹配性差等缺陷进行研究分析，采用磺化氧化石墨烯作为主填料，既显著减小了火花等级，又大大提高了耐磨性能，且与换向器的匹配性也得到明显改善，并通过普通树脂作为粘结剂，便解决了市场同类产品的高发热、大火花的缺陷，使得高功率电动工具的使用性能更满足客户需求，应用前景也更宽广。本发明的炭刷特别适用于1200W～2000W的高功率电动工具电机，且载流磨损率低，电机火花偏小。
附图说明：
图1为树脂型炭刷的实物照片(a)、其磨损面宏观照片(b)及其断面SEM照片(c)。
由图1c可观察到，磺化氧化石墨烯-树脂型炭刷的内部组织均匀，且可观察到其组织中呈现出“均匀分散”状态；图1b可观察到树脂型炭刷的磨损表面光滑，未见明显电侵蚀痕迹。
具体实施方式：
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实验条件：
石材切割机
额定电压：220V
额定功率：1400W
额定频率：50Hz
空载转速：12000r/min
检测室室内温度：16.5℃
空气湿度：76％
实施例1：
磺化氧化石墨烯20wt％，
石墨粉40wt％，
热固性树脂40wt％。
另外，添加占以上成分总质量1wt％氨基硅烷偶联剂至石墨粉与磺化氧化石墨烯混合粉料中。
添加占磺化氧化石墨烯、石墨粉和热固性树脂总质量2wt％的聚乙二醇至混合料与树脂酒精溶液中。
3、将上述料进行干混、湿混、轧片、破碎、过筛，压型，然后190℃终温固化，得到所需样品。
4、将样品制成所需形状炭刷，装入1400W石材切割机进行性能测试。
测试数据如下表所示：
实施例2
磺化氧化石墨烯15wt％，
石墨粉45wt％，
热固性树脂40wt％。
另外，添加占以上成分总质量1wt％氨基硅烷偶联剂至石墨粉与磺化氧化石墨烯混合粉料中。
添加占磺化氧化石墨烯、石墨粉和热固性树脂总质量2wt％的聚乙二醇至混合料与树脂酒精溶液中。
3、将上述料进行干混、湿混、轧片、破碎、过筛，压型，然后190℃终温固化，得到所需样品。
4、将样品制成所需形状炭刷，装入1400W石材切割机进行性能测试。
测试数据如下表所示：
实施例3：
磺化氧化石墨烯15wt％，
石墨粉55wt％，
热固性树脂30wt％。
添加占总质量1wt％氨基硅烷偶联剂至石墨粉与磺化氧化石墨烯混合粉料中；
添加占磺化氧化石墨烯、石墨粉和热固性树脂总质量2wt％的聚乙二醇至混合料与树脂酒精溶液中。
3、将上述料进行干混、湿混、轧片、破碎、过筛，压型，然后190℃终温固化，得到所需样品。
4、将样品制成所需形状炭刷，装入1400W石材切割机进行性能测试。
测试数据如下表所示：
以上实施例仅仅是本发明中的较好的几组优选方案，并不用于限制本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对比例1
磺化氧化石墨烯50wt％，
热固性树脂50wt％。
添加占总质量1wt％氨基硅烷偶联剂至磺化氧化石墨烯中；
添加占总质量2wt％的聚乙二醇至磺化氧化石墨烯与树脂酒精溶液中。
将上述料进行干混、湿混、轧片、破碎、过筛，压型，固化，但未能得到所需样品。
实验结果
1、在轧片过后依然会有一定的粘性，
2、破碎的过程中会出现粘着在破碎机上的现象。
3、固化过程中，升温到100的时候就出现软化的现象。

Claims (7)

1.一种自均质高耐磨树脂型炭刷，其特征在于，由以下质量百分数含量的组分原料制成：
填料：磺化氧化石墨烯5wt％～30wt％，石墨粉：鳞片石墨粉和/或等静压石墨粉20wt％～65wt％；
粘结剂：热固性树脂30wt％～50wt％；
在以上原料的基础上，还添加有螯合剂，氨基硅烷偶联剂。
2.如权利要求书1所述的自均质高耐磨树脂型炭刷，其特征在于，磺化氧化石墨烯质量百分数为5wt％～20wt％，鳞片石墨粉和/或等静压石墨粉为30wt％～45wt％，热固性树脂35wt％～50wt％。
3.如权利要求书1或2所述的自均质高耐磨树脂型炭刷，其特征在于，螯合剂占填料和粘结剂的质量含量的1wt％～5wt％，氨基硅烷偶联剂占填料和粘结剂的质量含量的0.5wt％～3wt％。
4.如权利要求书3所述的自均质高耐磨树脂型炭刷，其特征在于，所述的螯合剂为聚乙二醇。
5.如权利要求书3所述的自均质高耐磨树脂型炭刷，其特征在于，所述热固性树脂为酚醛树脂、脲醛树脂或聚酰亚胺。
6.权利要求1～5任一项所述的自均质高耐磨树脂型炭刷的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
(1)将磺化氧化石墨烯加水、在磁场辅助下进行超声分散，同时添加氨基硅烷偶联剂；
(2)将超声过的磺化氧化石墨烯干燥，破碎后与石墨粉进行干混；
(3)然后将酚醛树脂的酒精溶液加入到磺化氧化石墨烯与石墨粉中进行湿混，同时加入聚乙二醇；
(4)最后经过轧片、破碎、筛分、压型、固化后制得最终样品。
7.如权利要求书6所述的自均质高耐磨树脂型炭刷的制备方法，其特征在于，固化过程中在90℃～100℃，130℃～140℃分别保温1.5～3h，固化终温为190℃～200℃，固化时间为5h～12h。
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