CN107325554B - 一种高性能电刷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能电刷及其制备方法，以氰酸酯、酚醛树脂为基础，结合环氧树脂溶液法制备的电刷具备优异的耐磨性能、耐热性能，同时具有良好的电性能；通过树脂基体的选择配伍，结合合理的制备工艺，得到的产品具备高性能，可用于高质量、高要求电机、发动机。

Description

一种高性能电刷及其制备方法
技术领域
本发明属于电动工具配件技术领域，具体涉及一种高性能电刷及其制备方法。
背景技术
电刷是电动机或者发动机的固定部分与转动部分之间传递能量的装置，一般是纯碳加固化剂制备，外形大都是方块，卡在金属支架上，利用弹簧压紧在转轴上，与运动件作滑动接触而形成电连接。电刷作为电流滑动接触件，用于换向器或滑环上，利用良好的导电、导热及润滑性能，在多种电气设备得到广泛应用，比如家用电器吸尘器、粉碎机，工业电器清洗机、割草机等。
电刷产品材质主要有电化石墨、浸脂石墨、金属（含铜，银）石墨；电刷分为四大类：石墨电刷、电化石墨电刷、树脂粘合石墨电刷、金属石墨电刷。电刷广泛适用于各种交直流发电机、同步电动机、电瓶直流电动机、吊车电机集电环、各型电焊机等等。随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，因而需要有各种不同品级的电刷来满足这些要求，故电刷的种类也随着电机工业的发展而越来越多。
现有电刷使用性能较差，稳定性不好，电刷单位压力过高，电阻大、硬度高，导致电机用电刷的磨损加剧，单位压力过小，接触不稳定，换向性能差，容易出现机械火花；特别是耐磨性差、换向性能差、抗干扰能力差、耐热性能不足，无法满足高性能电机对电刷的各种要求。
发明内容
本发明提供了一种高性能电刷及其制备方法，以氰酸酯、酚醛树脂为基础，结合环氧树脂溶液法制备的电刷具备优异的耐磨性能、耐热性能，同时具有良好的电性能；通过树脂基体的选择配伍，结合合理的制备工艺，得到的产品具备高性能，可用于高质量、高要求电机、发动机。
为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000～40000rpm；浓缩物的流量为80～90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压、切割、打磨，得到高性能电刷。
本发明还公开了一种纳米导电粉及其制备方法，包括以下步骤，在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000～40000rpm；浓缩物的流量为80～90mL/min。
本发明还公开了一种聚合物基体分散体系及其制备方法，包括以下步骤，将碳纳米管加入丁酮中，然后加入环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系。
本发明还公开了一种电刷组合物及其制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000～40000rpm；浓缩物的流量为80～90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物。
本发明还公开了一种改性树脂体系及其制备方法，包括以下步骤，将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后得到改性树脂体系。
上述技术方案中，六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇、环己烷、氢氧化钾乙醇溶液、叔丁基过氧化氢、聚乙烯醇、双氧水、N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁、氨水、正硅酸乙酯的质量比为25∶60∶15∶180∶150∶50∶5∶15∶8∶10∶1.5∶10∶18；
碳纳米管、环氧树脂、甲基吡咯烷酮、脂肪胺聚氧乙烯醚、石蜡、甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、氰酸酯、腰果酚、壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇、三乙醇胺的质量比为3∶25∶5∶5∶5∶8∶100∶9∶75∶6∶5；
纳米粉、苯并异噻唑啉酮、氰酸酯、亚麻油的质量比为60∶18∶100∶15。
本发明中，氢氧化钾乙醇溶液中氢氧化钾的质量浓度为4%；所述脂肪胺聚氧乙烯醚的分子量为4800～5500；所述聚乙烯醇的分子量为1500～2000。本发明通过加入聚乙烯醇的同时加入双氧水，混合均匀后加入四苯基卟啉铁、N-异丙基丙烯酰胺，除了增加导电粉体表面活性之外，更重要的是对聚乙烯醇的分子量有所减少即对聚乙烯醇的分子链有一定的降解作用，这对后续导电纳米粉与树脂混合后，提高金属氧化物的分散性能以及连续性能有关键帮助，尤其是避免热性能、耐磨性能差的聚乙烯醇对整体性能的影响，充分发挥了聚乙烯醇在导电粉体表面结合其他化合物提高活性以及增加相容性从而体现良好电性能的优点，还避免了其参与树脂主体使得耐热性、耐磨性下降的问题。
本发明的热压条件为1MPa/160℃固化2.0～2.5小时+2MPa/180℃固化2.5～3.0小时+1.5MPa/220℃固化3.0～4.0小时，随温度升高分三段逐步固化，可获得性能优良的改性树脂；未改性的树脂延伸率低、脆性大，制备的电刷不耐疲劳，故不宜使用，现有加入二烯丙基化合物、二元胺、环氧树脂会造成耐热性或耐湿热性的降低。本发明改性的氰酸酯/酚醛树脂在其耐热性和弯曲模量不受影响的前提下，其韧性大大得到提高，尤其是降低了电刷摩擦开裂风险。
本发明还公开了根据上述的制备方法制备的产品以及一种电机电刷结构，所述电刷结构包括上述制备方法制备的电刷，还包括电刷座。
本发明除了高性能树脂之外，设计了几种小分子化合物，结合聚合反应工艺，在聚合反应诱导相分离的过程中，体系会形成双连续相结构，并且在一定条件下可以发生相反转的现象，即作为少量组分反应形成热塑性单元成为体系的辅连续相。由于反转相结构是由少量的热塑性单元构成网状连续相而组成的，而体系的力学性能及热、电性能往往以主连续相为主，通过参数设计控制少量热塑性单元，这种结构有利于体系性能的大幅度提高。
腰果酚具有一定的增韧、增塑效果，但由于结构的局限，使得热固性树脂体系加入后体系交联密度、力学性能和耐热性均有所下降，违背了高性能耐热聚合物的使用初衷；根据本发明的技术方案，利用甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯具有较强的活性，可先与氰酸酯发生反应，再与环氧发生接枝反应，在里面引入韧性及耐热性好的长链以及苯环结构，起到内增韧作用还可以降低硬度，从而达到对基体树脂进行有的放矢改性目的，而1,8-辛二硫醇、苯并异噻唑啉酮的结合则使固化物保持高的耐热性和力学强度，以符合电刷材料耐热性、易加工性、耐摩擦性、耐水性的技术要求。
本发明首次用金属铱改性得到复合导电填料，然后结合树脂基体制造电刷材料，通过铱的化学活性使得性能各异的粉体与有机小分子以及聚合物形成均匀的网络结构，利于各组元在界面处的相互作用及相互润湿，使整个材料体系处于热力学最稳状态，在电刷材料高温工况下产生的炭化物及小分子物料质少，所以摩擦系数的热衰退小，特别的，在粉体中而不在树脂体系中添加稀土复合得到多金属氧化物，稀土在高温时产生闪方晶体结构氧化物近似于层状石墨，具有高温润滑作用，同时避免对树脂基体聚合的影响；使得本发明的产品摩擦系数高而且稳定。
电刷实际应用的各项指标相互影响很大，多项指标要同时达到要求非常困难，比如说电刷本身电阻越小越好，但是电阻小了，强度就受影响变低了。电刷材料的品种、配比、颗粒度大小、加工过程中的分散均匀性和加工过程中的方法等均对技术指标有着影响，解决问题的关键就是能够解决同时满足各项技术指标要求的方案，通过配方与工艺两方面的结合才可以达到技术效果。
随着禁用有害物质防制法(RoHS)的实施，环保型材料已经不是一个诉求，而是变成一种基本性质的要求，虽然不同国家的法规不尽相同，但是大体上是不变的。在现有环保型无卤材料配方组成中，一般选择磷化物作耐燃剂取代卤素化合物，但是使用磷系阻燃材料时，通常需搭配无机粉体才有办法通过UL-94测试规格，所搭配的无机粉体通常为氢氧化物，较常使用的氢氧化物分别是二氧化硅及氢氧化铝， 用于电刷时存在明显缺点，除了影响电性能外，更会影响耐磨、耐热性能；本发明通过有机物之间的配合，比如P-Si元素与复合金属元素、稀土元素协同作用，限定几种化合物的用量比例，实现了电刷的无卤阻燃，达到V0级。
在体积越来越小、运行速度越来越快的情形下，电刷产生的热量也越来越大，这些热如果无法适时排出至外在环境，将使电刷组件因温度过高而影响到产品的可靠性并造成使用寿命减低。因此，如何散热同时提高耐热以维持系统的稳定运作将变得越来越重要，因为在电刷装置损坏的原因中，因高温导致损毁或丧失功能的比率远高于其它例如振动、摩擦等因素所造成的影响；因此，同时具备各种需求特性的高耐热基板材料的开发，亦是电刷产业长期以来持续不断的研发重点之一。
氰酸酯与酚醛树脂耐热性好，但是脆性以及吸水性不足，一般通过环氧改性，可是环氧会导致热性能下降明显，现有技术存在诸多改性方案，基本仅仅针对韧性以及耐热性，没有提及耐磨性以及导电性，更没有关于电刷用基础树脂的报道。本发明通过甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯与亚麻油的使用，增加改性热固性树脂组合物的疏水特性，另外还通过可反应的硫醇基、胺基、三乙醇胺，引进到体系中可使树脂组合物的交联密度有所降低，配合导电粉体，韧性会有所增加，从而使所得改性树脂组合物具有较高的机械强度和加工稳定性；另外，具有一定比例的小分子化合物不会影响改性树脂最后交联固化成为网状结构，反而会避免低分子量缩聚体的生成；因此，通过几种化合物对酚醛树脂、氰酸酯树脂进行改性，在保持树脂的耐热性和强度的同时，有效地提高了防潮性能和韧性，同时小分子降低了热固性树脂固化过程中低分子量缩聚物的生成，减少了摩擦缺陷与应力缺陷，一定程度提高耐磨性能。
本发明通过比例限定在分子结构中将苯环等刚性基团的含量控制在一定范围内，从而降低了树脂的熔融粘度，使工艺加工性得到了提高；并且由于树脂骨架的刚性结构而保持了良好的耐热性，并且具有良好的耐湿性、阻燃性和可靠性，低的平面方向热膨胀系数。现有技术环氧对氰酸酯的固化反应等将会起到一定的催化作用，有利于提高固化过程中单体的转化率，促进固化反应的完成；然而，现有改性树脂体系存在着反应活性较大，工作期短的工艺性问题，这对树脂体系的力学性能、电性能、实际应用会产生不利的影响。本发明将正硅酸乙酯、石蜡引入到氰酸酯/酚醛改性树脂中，不仅能够改善未固化树脂的工艺性能，还能够提高固化树脂的力学、耐热等性能；甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯以及亚麻油可以和氰酸酯反应，又可以和环氧发生反应，还可以和酚醛发生反应，从而利于形成热固性固化网络结构。本发明的化学链结构，有利于在耐热性能损失小的情况下，提高树脂材料的韧性、电、耐磨、耐水等性能，比如沸水煮96小时，吸水率小于0.8%。
本发明创造性的采用复合金属氧化物铱-锌-钐氧化物纳米粒子作为导电材料，既提供电刷优异的导电性，又可以促进树脂基体形成良好的网络结构，从而利于电刷综合性能的提高，避免了现有碳材料作为导电剂存在的分散不均匀，与树脂体系相容性不良，使得电刷无法较好达到综合性能优异的问题。同时添加少量碳材料可以利于碳材料的特殊结构，增加导电网络的稳定、通畅性，进一步提高电刷电性能；并且在碳纳米管外侧覆盖一层有机物，通过甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚增加有机物与碳纳米管的稳定，用入树脂固化进一步提高了树脂的固化程度，减少了固化缺陷，为阻燃、耐磨性能的发挥提供基础。
本发明首次在溶液中低温下进行树脂改性，既解决了熔融法存在的聚合不均匀、易出现低聚物的缺陷，特别是通过添加工艺以及小分子的作用，解决了溶液法存在的反应性弱而无法用于尤其是低温下热固性树脂预聚的问题；由本发明制备的改性树脂用于电刷制备后，可以与导电粉体良好的混合并且结合固化工艺可以得到质地均匀稳定、性能尤其是电性能、热性能、耐磨性能、阻燃性能良好的电刷产品。
由于粒子粒径小、比表面积大、表面能高，很容易出现团聚，因此很难均匀分散到高分子材料中，现有机械搅拌、密炼、超声分散等方法，但是分散效果不甚理想。本发明首先添加铱提高复合氧化金属的活性，如果不进一步处理反而不利于导电粉体与树脂基体的混合，再利用聚乙烯醇对粒子的表面进行处理，同时加入双氧水以及四苯基卟啉铁，与其他偶联剂对无机填料进行处理不同，聚乙烯醇在本发明一定条件下发生少量降解，有两个好处，一是避免大分子链结构对粒子的完全覆盖影响导电性能，二是可以增加N-异丙基丙烯酰胺、正硅酸乙酯的反应性，使得粒子表面带有活性有机物，尤其是在氨水存在下，可以提高金属氧化物与小分子化合物的接触水平与效果；最后通过超重力处理，彻底解决了粒子团聚的问题，同时保留粒子表面活性基团。因此，本发明得到的导电纳米粉可以有效改善纳微粒子的团聚现象，而且，纳微粒子表面的官能团可以同酚醛树脂、氰酸酯等聚合物进行共聚聚合，大大提高了纳微粒子在聚合物中的分散性与稳定性，从电性能、耐热性能以及耐磨性能可以明显看出。
具体实施方式
实施例一
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为40000rpm；浓缩物的流量为80mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入双酚A环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚A氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.0小时+2MPa/180℃固化3.0小时+1.5MPa/220℃固化4.0小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
实施例二
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000rpm；浓缩物的流量为90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入双酚A环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚A氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.0小时+2MPa/180℃固化3.0小时+1.5MPa/220℃固化3.0小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
实施例三
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为40000rpm；浓缩物的流量为80mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入双酚A环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚A氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.0小时+2MPa/180℃固化2.5小时+1.5MPa/220℃固化4.0小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
实施例四
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为40000rpm；浓缩物的流量为90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入双酚A环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚E氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.5小时+2MPa/180℃固化2.5小时+1.5MPa/220℃固化3.0小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
实施例五
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000rpm；浓缩物的流量为80mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入对氨基苯酚三缩水甘油基环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚A氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.0小时+2MPa/180℃固化3.0小时+1.5MPa/220℃固化3.0小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
实施例六
一种高性能电刷的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为40000rpm；浓缩物的流量为85mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入对氨基苯酚三缩水甘油基环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入双酚F氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压（1MPa/160℃固化2.5小时+2MPa/180℃固化3.0小时+1.5MPa/220℃固化3.5小时）、切割、打磨，得到高性能电刷。
本发明中，六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇、环己烷、氢氧化钾乙醇溶液、叔丁基过氧化氢、聚乙烯醇、双氧水、N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁、氨水、正硅酸乙酯的质量比为25∶60∶15∶180∶150∶50∶5∶15∶8∶10∶1.5∶10∶18；碳纳米管、环氧树脂、甲基吡咯烷酮、脂肪胺聚氧乙烯醚、石蜡、甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、氰酸酯、腰果酚、壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇、三乙醇胺的质量比为3∶25∶5∶5∶5∶8∶100∶9∶75∶6∶5；纳米粉、苯并异噻唑啉酮、氰酸酯、亚麻油的质量比为60∶18∶100∶15。
本发明中，氢氧化钾乙醇溶液中氢氧化钾的质量浓度为4%；所述脂肪胺聚氧乙烯醚的分子量为4800～5500；所述聚乙烯醇的分子量为1500～2000。
将上述电刷与现有电刷座组合得到电机电刷结构，利用24V减速机实际验证，启动五万次后，电即依然正常运转；电刷磨损3.1～3.2毫米，换向器磨损0.92毫米。
对比例一
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（1）中离心沉淀物（即金属氧化物）换成石墨粉。
对比例二
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（1）中不加入六氯铱酸铵。
对比例三
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（1）中不加入双氧水、四苯基卟啉铁。
对比例四
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（2）中将腰果酚、1,8-辛二硫醇替换为辛二胺。
对比例五
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（2）中不加入甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯。
对比例六
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（2）中不加入石蜡、三乙醇胺。
对比例七
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，步骤（3）中不加入苯并异噻唑啉酮、亚麻油。
对比例八
一种高性能电刷的制备方法，与实施例一一致，其中不同之处在于，不加入碳纳米管。
Tg测试仪器及条件：DMA、升温速率5℃/min；阻燃性：按照UL94垂直燃烧试验标准进行评判；CT测试仪器及条件：TMA，以10℃/min的升温速率从室温25℃升温到300℃，测定从50℃到130℃下的平面方向热膨胀系数；水煮96小时测试吸水率；按照电碳刷物理化学性能测试方法测试电性能；万能试验机测试力学性能；利用现有砂轮测试一修整期内最大加工件数；摩擦500小时，测试磨损率。
表1 电刷表征一
Tg Td 平滑系数 电阻率 CTE 氧指数 阻燃等级 抗压强度 加工件数
实施例一 322℃ 419℃ 2Ω 2μΩm 6.9ppm/℃ 34 V0 >150N >3000
实施例二 319℃ 417℃ 2Ω 2μΩm 6.9ppm/℃ 34 V0 >150N >3000
实施例三 321℃ 411℃ 2Ω 3μΩm 7.1ppm/℃ 34 V0 >150N >3000
实施例四 317℃ 412℃ 2Ω 3μΩm 6.9ppm/℃ 33 V0 >150N >3000
实施例五 318℃ 409℃ 2Ω 2μΩm 7.0ppm/℃ 34 V0 >150N >3000
实施例六 316℃ 411℃ 2Ω 3μΩm 6.9ppm/℃ 33 V0 >150N >3000
对比例一 284℃ 380℃ 9Ω 26μΩm 7.9ppm/℃ 32 V0 >150N >3000
对比例二 291℃ 382℃ 7Ω 19μΩm 7.8ppm/℃ 32 V0 145N 2950
对比例三 290℃ 385℃ 6Ω 13μΩm 7.6ppm/℃ 31 V0 >150N 3000
对比例四 290℃ 381℃ 3Ω 6μΩm 8.1ppm/℃ 31 V0 145N 2900
对比例五 287℃ 380℃ 4Ω 6μΩm 8.1ppm/℃ 32 V0 >150N 2900
对比例六 288℃ 381℃ 3Ω 8μΩm 8.1ppm/℃ 28 V1 140N 2900
对比例七 291℃ 387℃ 3Ω 6μΩm 7.6ppm/℃ 29 V0 >150N >3000
对比例八 309℃ 406℃ 3Ω 4μΩm 7.0ppm/℃ 33 V0 >150N >3000
表2性能表征二
弯曲强度 吸水率 摩擦系数 冲击强度 磨损率 弯曲模量
实施例一 216MPa 0.69% 0.07 29.2KJ/m<sup>2</sup> 0.86mg/h 3.97Gpa
实施例二 214MPa 0.72% 0.07 29.1KJ/m<sup>2</sup> 0.88mg/h 3.95Gpa
实施例三 212MPa 0.72% 0.08 29.2KJ/m<sup>2</sup> 0.88mg/h 3.91Gpa
实施例四 211MPa 0.71% 0.07 28.9KJ/m<sup>2</sup> 0.89mg/h 3.92Gpa
实施例五 213MPa 0.70% 0.07 29.0KJ/m<sup>2</sup> 0.90mg/h 3.93Gpa
实施例六 212MPa 0.69% 0.07 29.1KJ/m<sup>2</sup> 0.88mg/h 3.93Gpa
对比例一 189MPa 0.75% 0.11 26.1KJ/m<sup>2</sup> 1.19mg/h 3.01Gpa
对比例二 194MPa 0.74% 0.12 26.1KJ/m<sup>2</sup> 1.09mg/h 3.11Gpa
对比例三 191MPa 0.81% 0.10 27.0KJ/m<sup>2</sup> 1.08mg/h 3.07Gpa
对比例四 193MPa 0.82% 0.11 26.4KJ/m<sup>2</sup> 1.06mg/h 2.99Gpa
对比例五 188MPa 0.77% 0.12 27.4KJ/m<sup>2</sup> 1.06mg/h 3.10Gpa
对比例六 187MPa 0.83% 0.12 26.8KJ/m<sup>2</sup> 1.05mg/h 3.05Gpa
对比例七 192MPa 0.73% 0.12 27.1KJ/m<sup>2</sup> 1.04mg/h 3.12Gpa
对比例八 209MPa 0.70% 0.07 28.9KJ/m<sup>2</sup> 0.91mg/h 3.89Gpa

Claims (3)

1.一种高性能电刷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000～40000rpm；浓缩物的流量为80～90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；电刷组合物经过热压、切割、打磨，得到高性能电刷；
六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇、环己烷、氢氧化钾乙醇溶液、叔丁基过氧化氢、聚乙烯醇、双氧水、N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁、氨水、正硅酸乙酯的质量比为25∶60∶15∶180∶150∶50∶5∶15∶8∶10∶1.5∶10∶18；碳纳米管、环氧树脂、甲基吡咯烷酮、脂肪胺聚氧乙烯醚、石蜡、甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、氰酸酯、腰果酚、壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇、三乙醇胺的质量比为3∶25∶5∶5∶5∶8∶100∶9∶75∶6∶5；纳米粉、苯并异噻唑啉酮、氰酸酯、亚麻油的质量比为60∶18∶100∶15；
热压条件为1MPa/160℃固化2.0～2.5小时+2MPa/180℃固化2.5～3.0小时+1.5MPa/220℃固化3.0～4.0小时。
2.一种电刷组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在氮气保护下，混合六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇和环己烷；然后回流搅拌2～3小时，然后加入氢氧化钾乙醇溶液与叔丁基过氧化氢；反应2～3小时后自然冷却至室温，加入乙酸乙酯聚沉离心；将离心沉淀物分散于乙醇中得分散体系；在分散体系中加入聚乙烯醇、双氧水，50℃搅拌5小时，然后加入N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁，60℃搅拌2小时，然后加入氨水、正硅酸乙酯，回流搅拌3小时，然后浓缩得到固含量80%的浓缩物；将浓缩物进行超重力处理；然后冷冻干燥，得到纳米粉；所述超重力处理的转速为35000～40000rpm；浓缩物的流量为80～90mL/min；
（2）将碳纳米管加入丁酮中，然后加入环氧树脂，搅拌1小时后加入甲基吡咯烷酮与脂肪胺聚氧乙烯醚，70℃搅拌20分钟，然后加入石蜡，搅拌1小时，得到添加体系；将甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入氰酸酯中，110℃搅拌1小时，然后加入腰果酚，搅拌45分钟；加入壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇，搅拌30分钟后，于70℃下加入添加体系中，再加入PMA，回流反应2小时，然后加入三乙醇胺，搅拌15分钟后得到聚合物基体体系；
（3）将纳米粉、苯并异噻唑啉酮加入聚合物基体体系中，回流搅拌1小时，然后加入亚麻油，回流反应15分钟后去除溶剂得到电刷组合物；
六氯铱酸铵、乙酸锌、三茂钐、乙醇、环己烷、氢氧化钾乙醇溶液、叔丁基过氧化氢、聚乙烯醇、双氧水、N-异丙基丙烯酰胺、四苯基卟啉铁、氨水、正硅酸乙酯的质量比为25∶60∶15∶180∶150∶50∶5∶15∶8∶10∶1.5∶10∶18；碳纳米管、环氧树脂、甲基吡咯烷酮、脂肪胺聚氧乙烯醚、石蜡、甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、氰酸酯、腰果酚、壬基酚醛树脂、1,8-辛二硫醇、三乙醇胺的质量比为3∶25∶5∶5∶5∶8∶100∶9∶75∶6∶5；纳米粉、苯并异噻唑啉酮、氰酸酯、亚麻油的质量比为60∶18∶100∶15。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，氢氧化钾乙醇溶液中氢氧化钾的质量浓度为4%；所述脂肪胺聚氧乙烯醚的分子量为4800～5500；所述聚乙烯醇的分子量为1500～2000。
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