CN109777041A - 一种球形树脂基电刷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料制备技术领域，公开了一种球形树脂基电刷复合材料及其制备方法。本发明球形树脂基电刷复合材料包括以下质量百分数的组分：微晶石墨粉15‑30%，石墨粉43‑63%，螯合剂0.5‑3%，粘结剂20‑27%，复合润滑剂1.5‑4%，脱模剂0.02‑0.08%。本发明将石墨树脂料粉球形化，料粉的棱角得到消除，从而提高料粉的自流动性，达到各向同性的特征，尤其适用于高径向比的一次成型电刷，使材料的特性与电机工作特性得到最大程度的匹配。

Description

一种球形树脂基电刷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种球形树脂基电刷复合材料及其制备方法。

背景技术

众所周知，粉体混合料可由复合材料的主体填料和其中的添加剂组成。电刷材料中的主体填料作为功能主相，具有导电、增强和润滑等典型作用。而其中的添加剂根据电刷产品的不同使用工况则能起到“锦上添花”的作用，从某种意义上讲电刷粉体混合料在电刷生产中起到了决定终端作用。如何对粉体混合料进行选择和深加工，以获得具有微区界面可控、性能可设计的复合材料，是当前电碳行业，甚至为炭石墨材料的研发提供实验依据和技术支撑。

目前，现有添加剂的二次加工技术主要集中于填料表面除油，表面活化，或直接与粘结剂复合后再造粒等传统处理工艺。同时，对添加剂的二次加工研发现有报道，已有研究大都集中在与粘结剂的复合改性造粒，或与其它助剂机械混合后，再与粘结剂复合造粒使用。针对国内电碳产品存在相组成和界面研究的关联性不足，导致对实际装机运行时的摩擦磨损的前期调控缺乏依据，可以讲是一直处在滞后于先进工艺水平的二线层次，加上国外发达国家对此的技术封锁，使得国产电刷材料在国际竞争市场难获突破。

小微型电机用电刷，由于体量巨大，特别是市场要求价格低、供货周期短、外观美观，使电刷的生产逐步向自动一次性成型生产方式转变。

有些电刷性能要求高的电机，由于受到电刷结构的限制，及生产压型粉的形貌特征，一次成型的电刷难以满足实际使用要求。这主要表现为压粉的流动性差，压坯性能不均一、材料的各向同性小，严重影响电刷工作性能的有效发挥。

混合粉体的第一性质为粉体的单一粒子的性质，如粒子的形状、大小、粒度分布、粒密度等；而混合粉体的第二性质为混合粉体的性质，如粉体的流动性、填充性、堆密度、压缩成形性等。虽然混合粉体的流动性与环境温度、湿度及粉体的制作工艺密切相关，但在相同条件下，混合料的形貌及堆密度就显得尤为突出。

现有技术中的压粉通常使用石墨粉与树脂制成，由于压粉形貌是非球形，流动性较差，在自动成型机上以容积法成型时，成型空腔中粉末重量偏差大，获得的压坯性能均一性差；压坯平行方向与垂直方向的性能表现为各向同性比小，特别在必须是立式(与工作电流一致)成型的电刷产品生产中，使产品工作性能大打折扣。如中国专利公开号：CN108512006公开了一种铜-石墨-石墨烯电刷及其制备方法，所述铜-石墨-石墨烯电刷的制备方法中在压型前得到的第二复合粉体流动性较差，在压型过程中获得的压坯性能均一性差，影响电刷的工作性能。

发明内容

为了解决上述压粉流动性差导致压坯性能均一性能差，对电刷性能造成影响的问题，本发明提供了一种球形树脂基电刷复合材料，本发明将压粉球形化，解决了压粉流动性差的问题，大大提高电刷的工作性能。

本发明还提供了一种球形树脂基电刷复合材料的制备方法。

本发明的具体技术方案为：一种球形树脂基电刷复合材料，包括以下质量百分数的组分：微晶石墨粉15-30％，石墨粉43-63％，螯合剂0.215-1.89％，粘结剂20-27％，复合润滑剂1.5-4％。

本发明使用微晶石墨粉和石墨粉作为复合材料的主体填料，将粒径为纳米级的微晶石墨粉和粒径为微米级的石墨粉进行混合，在后续压粉过程中能够使成型的压块更加密实、致密，提高电刷材料的工作性能；使用螯合剂能够增加填料与树脂间的相互作用力，从而提高材料的抗冲击强度；复合润滑剂能够提高材料的润滑性和耐磨性。

作为优选，所述石墨粉为鳞片石墨粉、人造石墨粉中的至少一种。

鳞片石墨粉(＜45μ)为由-299天然鳞片石墨粉球形化制得，人造石墨(＜75μ)由沥青焦、石油焦与沥青混合热处理而得到。

作为优选，所述鳞片石墨粉和人造石墨粉为球形。

球形化的鳞片石墨粉和人造石墨粉能够进一步降低材料的各向异性，克服工作电流密度偏小而造成的温升异常缺陷。

作为优选，所述螯合剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的至少一种。

作为优选，所述粘结剂为环氧树脂、热固性酚醛树脂、热塑性酚醛树脂、呋喃树脂中的至少一种。

作为优选，所述复合润滑剂由二硫化钨和氧化铈组成。

本发明采用复合润滑剂，本发明人研究发现将二硫化钨和氧化铈结合能够大大提高材料的润滑性和耐磨效果，起到1+1大于2的效果。

球形树脂基电刷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将微晶石墨粉、石墨粉、复合润滑剂加入混合机中混合均匀，得到物料a；

2)将螯合剂加入物料a中，混合均匀，得到物料b；

3)将粘结剂加入物料b中，混合均匀，取出干燥，然后进行磨粉得到物料c；

4)将物料c进行球形化处理，得到球形混合物；

5)将球形混合物加入混匀机中，在常温下混合均匀，取出后依次进行压型、固化，即得。

由于树脂石墨混合粉的粘结性和可塑性，在加热球化造粒机中的成球盘内使树脂石墨混合粉在运动过程中自身球化或互相粘结并逐渐长大。当成球盘的倾角、盘边高、转速及湿度等参数一定时，不同粒径的成球料由于重力不同而按不同的脱离角离开盘边向下滚动。成型的树脂石墨混合粉球在不断的滚动过程中将球内的稀释剂不断排挤出表面，由于树脂石墨混合粉的粘结性以及表面液膜的自然挥发，使成型的树脂石墨混合粉球具有一定的强度，然后随着倾斜盘体的转动从盘的边部排出盘外。

本发明将石墨树脂料粉(物料c)球形化，料粉的棱角得到消除，从而提高料粉的自流动性，达到各向同性的特征，尤其适用于高径向比的一次成型电刷，使材料的特性与电机工作特性得到最大程度的匹配；本发明人研究发现不是任意的石墨树脂料粉都能够得到较好的球形化效果，将普通的石墨树脂料粉进行球形化的过程中，由于组成石墨树脂料粉的石墨由于形状多为条状，在热球化造粒机中进行球形化的过程中会破坏石墨树脂料粉颗粒的整体性，从而使部分石墨树脂料粉颗粒分裂为半球形或其它不规则的形状，不利于提高料粉的自流动性；而采用石墨为球形的鳞片石墨粉或球形的人造石墨粉在造粒过程中确不会出现石墨树脂料粉颗粒分裂为半球形或其它不规则的形状现象，这是因为球形的鳞片石墨粉或球形的人造石墨粉为球形，相比条状形的石墨没有棱角凸起，表面较为圆滑，在热球化造粒机中更容易使石墨树脂料粉球形化，从而大大提高石墨树脂料粉的球形化造粒效果，大大提高石墨树脂料粉的流动性，从而使石墨树脂料粉在压型过程中获得的压坯性能均一性较好，提高电刷的工作性能。

作为优选，所述步骤4)中球形混合物的粒径为-40—+100目。

本发明球形混合物的粒径必须保持在-40—+100目，小于+100目由于石墨树脂料粉的粒径过小容易发生分散，得到的电刷强度较低；而大于-40目由于石墨树脂料粉的粒径过大，得到的电刷材料致密性较低，降低电刷的工作性能。

现有技术对比，本发明的有益效果是：1)对鳞片石墨粉和人造石墨粉进行球形化处理，以解决其各向异性过大，克服工作电流密度偏小而造成温升异常的缺陷；2)添加使用螯合剂，建立强化填料与树脂分子间的相互作用，提高最终材料的抗冲击强度；添加复合润滑剂等提高材料的润滑及耐磨性；3)将石墨树脂料粉球形化，料粉的棱角得到消除，从而提高料粉的自流动性，达到各向同性的特征，尤其适用于高径向比的一次成型电刷，使材料的特性与电机工作特性得到最大程度的匹配。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

球形树脂基电刷复合材料，包括以下质量百分数的组分：

微晶石墨粉23％

球形化鳞片石墨粉10％

球形化人造石墨粉42％

钛酸酯偶联剂1％

环氧树脂22％

二硫化钨1.75％

二氧化铈0.25％。

球形树脂基电刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将微晶石墨粉、球形化鳞片石墨粉和球形化人造石墨粉、二硫化钨、二氧化铈加入混合锅中，闭盖混合20min，得到物料a；开盖，向物料a中加入钛酸酯偶联剂螯合剂，在50℃下闭盖混合30min，得到物料b；开盖，向物料b中加入环氧树脂粘结剂，闭盖混合90min，开盖后继续混合20min，出锅；将其在通风处放置48h，然后在60℃的恒温干燥箱中干燥2h，冷却至室温；再放入磨粉机中进行磨粉，得到物料c；将物料c放入倾斜式成型机中进行球形化处理，得到球形混合物，球形混合物的粒径为100目；将球形混合物、硬酯酸钙脱模剂加入高速鼓形混匀机中常温混合60min，硬酯酸钙脱模剂的添加量为球形混合物的0.05wt％，然后于四柱立式油压机上压制成块料，将块料置于自动恒温鼓风烘箱中在210℃下固化，得到球形树脂基电刷复合材料。

实施例2

球形树脂基电刷复合材料，包括以下质量百分数的组分：

微晶石墨粉30％

球形化人造石墨粉43％

硅烷偶联剂0.5％

热固性酚醛树脂25％

二硫化钨1.2％

二氧化铈0.3％

球形树脂基电刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将微晶石墨粉、球形化鳞片石墨粉和球形化人造石墨粉、二硫化钨、二氧化铈加入混合锅中，闭盖混合20min，得到物料a；开盖，向物料a中加入钛酸酯偶联剂螯合剂，在50℃下闭盖混合30min，得到物料b；开盖，向物料b中加入热固性酚醛树脂粘结剂，闭盖混合90min，开盖后继续混合20min，出锅；将其在通风处放置48h，然后在75℃的恒温干燥箱中干燥2h，冷却至室温；再放入磨粉机中进行磨粉，得到物料c；将物料c放入倾斜式成型机中进行球形化处理，得到球形混合物，球形混合物的粒径为-40目；将球形混合物、硬酯酸钡脱模剂加入高速鼓形混匀机中常温混合60min，硬酯酸钡脱模剂添加量为球形混合物的0.08wt％，然后于四柱立式油压机上压制成块料，将块料置于自动恒温鼓风烘箱中在180℃下固化，得到球形树脂基电刷复合材料。

实施例3

球形树脂基电刷复合材料，包括以下质量百分数的组分：

微晶石墨粉15％

球形化鳞片石墨粉63％

钛酸酯偶联剂0.215％

热塑性酚醛树脂20％

二硫化钨1.5％

二氧化铈0.285％。

球形树脂基电刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将微晶石墨粉、球形化鳞片石墨粉和球形化人造石墨粉、二硫化钨、二氧化铈加入混合锅中，闭盖混合20min，得到物料a；开盖，向物料a中加入钛酸酯偶联剂螯合剂，在50℃下闭盖混合30min，得到物料b；开盖，向物料b中加入热塑性酚醛树脂粘结剂，闭盖混合90min，开盖后继续混合20min，出锅，将其在通风处放置48h，然后在60℃的恒温干燥箱中干燥2h，冷却至室温，再放入磨粉机中进行磨粉，得到物料c；将物料c放入倾斜式成型机中进行球形化处理，得到混合球形物，混合球形物的粒径为20目；将混合球形物、硬酯酸钙脱模剂加入高速鼓形混匀机中常温混合60min，硬酯酸钙脱模剂添加量为混合球形物的0.02wt％，然后放于四柱立式油压机上压制成块料，将块料置于自动恒温鼓风烘箱中在180℃下固化，得到球形树脂基电刷复合材料。

实施例4

球形树脂基电刷复合材料，包括以下质量百分数的组分：

微晶石墨粉20.5％

球形化鳞片石墨粉46.61％

硅烷偶联剂1.89％

呋喃树脂27％

二硫化钨3.67％

二氧化铈0.33％。

球形树脂基电刷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将微晶石墨粉、球形化鳞片石墨粉和球形化人造石墨粉、二硫化钨、二氧化铈加入混合锅中，闭盖混合20min，得到物料a；开盖，向物料a中加入硅烷偶联剂螯合剂，在50℃下闭盖混合30min，得到物料b；开盖，向物料b中加入呋喃树脂粘结剂，闭盖混合90min，开盖后继续混合20min，出锅，将其在通风处放置48h，然后在60℃的恒温干燥箱中干燥2h，冷却至室温，再放入磨粉机中进行磨粉，得到物料c；将物料c放入倾斜式成型机中进行球形化处理，得到混合球形物，混合球形物的粒径为60目；将混合球形物、硬酯酸钡脱模剂加入高速鼓形混匀机中常温混合60min，硬酯酸钡脱模剂添加量为混合球形物的0.05wt％，然后放于四柱立式油压机上压制成块料，将块料置于自动恒温鼓风烘箱中在180℃下固化，得到球形树脂基电刷复合材料。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于将物料c球形化处理步骤去除。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于将物料c球形化处理步骤去除。

样品性能试验测试：

测试数据如下表所示(测试条件：环境温度20℃、湿度68％)：

通过采用上述树脂石墨混合粉进行球形化造粒，使该椭球形树脂基电刷混合料具有高自流动性和高均质性，适用于一次模压各向同性类电刷制品，尤其适用于单组份热固性树脂基石墨电刷材料；与现有同型号电刷的混合料(压型粉)相比，该球形树脂基电刷混合料流动性好、同批制品成型同步特征优异。本球形造粒方法同样适用于铜石墨电刷相关胶剂粉的制备。市场转化前景好、容量大。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：

微晶石墨粉15-30%

石墨粉43-63%

螯合剂 0.215-1.89%

粘结剂 20-27%

复合润滑剂 1.5-4%。

2.根据权利要求1所述的一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，所述石墨粉为鳞片石墨粉、人造石墨粉中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，所述鳞片石墨粉和人造石墨粉为球形。

4.根据权利要求1所述的一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，所述螯合剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂、热固性酚醛树脂、热塑性酚醛树脂、呋喃树脂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种球形树脂基电刷复合材料，其特征在于，所述复合润滑剂由二硫化钨和氧化铈组成。

7.一种如权利要求1-7任一权利要求所述的球形树脂基电刷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将微晶石墨粉、石墨粉、复合润滑剂加入混合机中混合均匀，得到物料a；

2）将螯合剂加入物料a中，混合均匀，得到物料b；

3）将粘结剂加入物料b中，混合均匀，取出干燥，然后进行磨粉得到物料c；

4）将物料c进行球形化处理，得到球形混合物；

5）将球形混合物加入混匀机中，在常温下混合均匀，取出后依次进行压型、固化，即得。

8.根据权利要求7所述的球形树脂基电刷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中球形混合物的粒径为-40—+100目。