CN109574696A - 一种高强度耐电弧受电弓滑板材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐电弧受电弓滑板材料及其制备方法，涉及受电弓滑板制备技术领域。其包括：按质量份计，沥青焦30‑70份、人造石墨5‑20份、碳纳米纤维胶体系5‑20份和粘结剂20‑60份。本发明的制备方法为将沥青焦、人造石墨和粘结剂先进行混合混捏、轧片研磨成粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料、预热、热压成型、无氧焙烧后，再以Cu熔液为浸渍液，采用高压浸渍工艺处理处理后，得到受电弓滑板。本发明制备的受电弓滑板，采用碳纳米纤维胶体系用作改性与其他原料粘结形成根系网络机构，能对浸渍的金属铜起到很好的束缚作用，可以减少铜的流失率，进而减少受电弓滑板的电气磨损率。制备得到受电弓滑板其强度高、电阻率低和耐电弧性能好。

Description

一种高强度耐电弧受电弓滑板材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及受电弓滑板制备技术领域，具体涉及一种高强度耐电弧受电弓滑板材料及其制备方法。
背景技术
目前，受电弓滑板材料主要是以碳和石墨为骨料，结合粘结剂经过定型烧结而成的特殊电工材料，其广泛应用于高速铁路受电弓滑板领域。随着国家铁路的发展与高速列车速度不断的提高，受电弓滑板在列车取流过程中发挥着重大作用。但受电弓滑板工作时具有载荷随机变化、接触时有强电流通过、高速滑动等特点，常导致受电弓滑板磨损较大，电弧烧蚀严重。
为了满足受电弓滑板良好导电性、耐磨性的要求，行业内常采用浸金属碳滑板作为受电弓滑板材料。但是这类材料在电弧烧蚀与高速移动下，滑板内的金属材料容易受热融化飞溅，从而导致滑板导电性能与耐磨性变差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度耐电弧受电弓滑板材料及其制备方法，以解决现有受电弓滑板在使用中因滑板内的金属材料受热融化飞溅，导致滑板导电性能与耐磨性变差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种高强度耐电弧受电弓滑板材料，按质量份计，包括：沥青焦30-70份、人造石墨5-20份、碳纳米纤维胶体系5-20份和粘结剂20-60份。
本发明以沥青焦为骨料，并且以人造石墨作为润滑剂和以碳纳米纤维胶体系作为改性剂，在粘结剂的作用通过混合挤压、烧结和浸渍制成受电弓滑板，其耐电弧和耐磨损性能好、导电性能高。
本发明采用碳纳米纤维胶体系用作改性剂，将碳纳米纤维均匀分散在聚合物中制的，这时的碳纳米纤维表面具备纳米效应和类似“双面胶”特性，碳纳米纤维在类似“双面胶”特性作用下通过聚合物粘结在形成初步根系网络结构，同样的已经形成初步根系网络结构的碳纳米纤维胶体系在类似“双面胶”的作用下与骨料以及其他原料粘连形成全面根系网络结构，形成的全面根系网络结构能对浸渍的金属铜起到很好的束缚作用，可以减少铜的流失率，进而减少受电弓滑板的电气磨损率。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，按质量份计，包括：沥青焦40-60份、人造石墨10-15份、碳纳米纤维体系10-15份和粘结剂30-50份。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括碳纳米纤维10-15份、甲缩醛40-55份和酚醛树脂30-50份。
采用上述进一步的技术方案的有益效果是：甲缩醛用作稀释剂可以溶解由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的碳纳米纤维，并且甲缩醛还能作为溶解剂溶解作为固化剂的酚醛树脂，使得碳纳米纤维在酚醛树脂中分布更均匀。此外，甲缩醛还具有亲水亲油的性质，本发明所使用的煤沥青和聚酰亚胺树脂都是属于脂类化合物，因此利用甲缩醛的亲油性质有利于煤沥青和聚酰亚胺树脂的溶解，从而有利于煤沥青和聚酰亚胺树脂与其他原料之间的结合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维10-15份、甲缩醛45-50份和酚醛树脂35-45份。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯制得。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的粘结剂包括质量比为2-3:1的煤沥青和聚酰亚胺树脂。
采用上述进一步的技术方案的有益效果是：采用煤沥青和聚酰亚胺树脂混合型的粘结剂，其中煤沥青能使粉状固体更好的粘结成型，而聚酰亚胺树脂则是作为高温结构胶使原料在高温条件下更好粘结并保证其结构性。并且在本发明中采用的粘结剂中的聚酰亚胺树脂能与碳纳米纤维胶体系能很好融合加速彼此之间的固化反应，缩短热压时间。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的高强度耐电弧受电弓滑板材料还包括按质量份计：硝酸铵1-5份和甲阶酚醛树脂2-4份。
采用上述进一步的技术方案的有益效果是：采用硝酸铵作为造孔剂使得原料在加热过程中能产生气体生成孔洞结构，为浸渍金属溶液提供空间，从而提高了金属的浸渍率。采用甲阶酚醛树脂用作热固性固化剂，可加快原料固化，缩短热压时间。
利用上述的高强度耐电弧受电弓滑板材料制备受电弓滑板的制备方法，包括以下步骤：
(1)在长径比为15-20:1的结晶态高分子聚乙烯型的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1-2h，再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系；
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成粉末后，将粉末、碳纳米纤维胶体系、硝酸铵和甲阶酚醛树脂类固化剂混合成糊料并进行预热，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型，在无氧环境下焙烧，得到胚体；
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，采用高压浸渍工艺处理处理后，得到受电弓滑板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的步骤(3)中，经研磨成粉末的直径为0.01-0.05mm；预热条件是温度100℃以下，预热时间20-40min；焙烧的条件是温度在1150-1200℃，焙烧时间2-4h。
采用上述进一步的技术方案的有益效果是：先对糊料进行预热，使得原料在前期得以初步预热并受热均匀，使得原料中的树脂在预热温度下溶解，便于混捏中所有原料的混合均匀，同时也避免直接进行焙烧时因温度过高出现裂开的情况。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述的步骤(4)中，对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为3-4MPa下浸渍3-5h后，得到受电弓滑板。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例制备的受电弓滑板，采用碳纳米纤维胶体系用作改性剂，将碳纳米纤维均匀分散在聚合物中，使得碳纳米纤维表面具备纳米效应和类似“双面胶”特性，在类似“双面胶”特性作用下将碳纳米纤维自身和其他原料形成根系网络结构，形成的根系网络结构还能对浸渍的金属铜起到很好的束缚作用，可以减少铜的流失率，进而减少受电弓滑板的电气磨损率。制备得到受电弓滑板其强度高、电阻率低和耐电弧性能好。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在本发明中的结晶态高分子聚乙烯的分子量是200000-300000。
实施例1：
本实施例的受电弓滑板材料，按重量份计，包括：沥青焦30份、人造石墨5份、碳纳米纤维胶体系5份、粘结剂：煤沥青14份和聚酰亚胺树脂6份、硝酸铵1份和甲阶酚醛树脂2份。
其中，碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维10份、甲缩醛40份和酚醛树脂30份。其中，碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的。
本实施例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)在长径比为15:1的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1h，再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系。
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.01mm的粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料并在95℃以下预热20min，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型后，在温度1150℃下，无氧环境下焙烧2h，得到胚体。
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为3MPa下浸渍3h后，得到受电弓滑板。
实施例2：
本实施例的受电弓滑板材料包括：按重量份计，沥青焦40份、人造石墨10份、碳纳米纤维胶体系10份、粘结剂：煤沥青20份和聚酰亚胺树脂10份、硝酸铵2份和甲阶酚醛树脂3份。
其中，碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维12份、甲缩醛45份和酚醛树脂35份。其中，碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的。
本实施例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)在长径比为17:1的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1.5h，再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系。
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.02mm的粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料并在90℃预热25min，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型后，在温度1175℃下，无氧环境下焙烧3h，得到胚体。
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为4MPa下浸渍5h后，得到受电弓滑板。
实施例3：
本实施例的受电弓滑板材料包括：按重量份计，沥青焦50份、人造石墨13份、碳纳米纤维胶体系13份、粘结剂：煤沥青28份和聚酰亚胺树脂12份、硝酸铵3份和甲阶酚醛树脂3份。
其中，碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维12份、甲缩醛48份和酚醛树脂40份。其中，碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的。
本实施例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)在长径比为17:1碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1.5h后再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系。
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.03mm的粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料并在85℃预热30min，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型后，在温度1175℃下，无氧环境下焙烧3h，得到胚体。
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为4MPa下浸渍3h后，得到受电弓滑板。
实施例4：
本实施例的受电弓滑板材料包括：按重量份计，沥青焦60份、人造石墨15份、碳纳米纤维胶体系15份、粘结剂：煤沥青36份和聚酰亚胺树脂14份、硝酸铵4份和甲阶酚醛树脂3份。
其中，碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维13份、甲缩醛50份和酚醛树脂45份。其中，碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的。
本实施例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)在长径比为17:1的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1.5h后再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系。
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.04mm的粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料并在80℃预热35min，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型后，在温度1175℃下，无氧环境下焙烧3h，得到胚体。
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为4MPa下浸渍4h后，得到受电弓滑板。
实施例5：
本实施例的受电弓滑板材料包括：按重量份计，沥青焦70份、人造石墨20份、碳纳米纤维胶体系20份、粘结剂：煤沥青40份和聚酰亚胺树脂20份、硝酸铵5份和甲阶酚醛树脂4份。
其中，碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维15份、甲缩醛55份和酚醛树脂50份。其中，碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯在苯磺酸溶液中经一次性脱氢得到的。
粘结剂包括：
本实施例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)在长径比为20:1的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡2h后再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系。
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.05mm的粉末后，将粉末和碳纳米纤维胶体系混合成糊料并在75℃预热40min，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型后，在温度1200℃下，无氧环境下焙烧4h，得到胚体。
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为3MPa下浸渍5h后，得到受电弓滑板。
对照例1
本对照例的受电弓滑板材料包括：按重量份计，沥青焦50份、人造石墨13份、聚酰亚胺树脂40份。
本对照例的受电弓滑板的制备方法包括：
(1)将沥青焦、人造石墨和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成颗粒直径为0.03mm的粉末后，再次混捏并热挤压一次成型后，在温度1175℃下，无氧环境下焙烧3h，得到胚体。；
(2)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，以氦气为加压气体，浸渍压力为4MPa下浸渍3h后，得到受电弓滑板。
将上述实施例和对照例得到的受电弓滑板进行性能测试，得到如下数据，如表1所示：
表1实施例和对照例制备得到的受电弓滑板性能测试表
通过上述实施例和对照例的数据表明，本发明制备的受电弓滑板其密度硬度高，电阻率和载流磨损率较低，说明其具有强度高、电阻率低和耐电弧性能好的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，按质量份计，包括：沥青焦30-70份、人造石墨5-20份、碳纳米纤维胶体系5-20份和粘结剂20-60份。
2.根据权利要求1所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，按质量份计，包括：沥青焦40-60份、人造石墨10-15份、碳纳米纤维体系10-15份和粘结剂30-50份。
3.根据权利要求1-2任一项所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，所述碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维10-15份、甲缩醛40-55份和酚醛树脂30-50份。
4.根据权利要求3所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，所述碳纳米纤维胶体系按质量份计，包括：碳纳米纤维10-15份、甲缩醛45-50份和酚醛树脂35-45份。
5.根据权利要求3所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，所述碳纳米纤维是由结晶态高分子聚乙烯制得。
6.根据权利要求1-2任一项所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，所述粘结剂包括质量比为2-3:1的煤沥青和聚酰亚胺树脂。
7.根据权利要求1所述的高强度耐电弧受电弓滑板材料，其特征在于，所述高强度耐电弧受电弓滑板材料还包括按质量份计：硝酸铵1-5份和甲阶酚醛树脂2-4份。
8.利用权利要求1-7任一项的高强度耐电弧受电弓滑板材料制备受电弓滑板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在长径比为15-20:1的结晶态高分子聚乙烯型的碳纳米纤维中加入甲缩醛超声振荡1-2h，再加入酚醛树脂混合搅拌均匀，制得碳纳米纤维胶体系；
(2)将沥青焦、人造石墨、煤沥青和聚酰亚胺树脂进行混合混捏、轧片研磨成粉末后，将粉末、碳纳米纤维胶体系、硝酸铵和甲阶酚醛树脂类固化剂混合成糊料并进行预热，预热完成后再次混捏后热挤压一次成型，在无氧环境下焙烧，得到胚体；
(3)对胚体进行超声波去油活化，然后将胚体放入真空-压力罐中，以Cu熔液为浸渍液，采用高压浸渍工艺处理处理后，得到受电弓滑板。
9.根据权利要求8所述的高强度耐电弧受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中经研磨后粉末的直径为0.01-0.05mm；预热的条件是温度100℃以下，预热时间20-40min；焙烧的条件是温度在1150-1200℃，焙烧时间2-4h。
10.根据权利要求8所述的高强度耐电弧受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述高压浸渍工艺包括：以氦气为加压气体，浸渍压力为3-4MPa下浸渍3-5h。
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