CN109851386B - 一种高性能受电弓滑板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能受电弓滑板的制备方法，属于受电弓滑板制备技术领域。其包括以下步骤：将聚丙烯腈或沥青经预氧化后得到预氧丝，将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，将预氧化前驱体分散后得到分散液，再将分散液同沥青焦、石油焦和沥青熔体经混捏后挤压成型，然后焙烧，制得高性能受电弓滑板。本发明制备得到的受电弓滑板其强度、韧性、耐热性、导电性、耐摩擦性得到很大提高，并且经预氧化出来的聚丙烯腈和沥青得到预氧前驱体，其与骨料和连接剂的热膨胀系数的匹配度高，很好的解决了受电弓滑板材料因异质相间匹配性差导致产生原生裂纹，从而延长了受电弓滑板的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及受电弓滑板制备技术领域，具体涉及一种高性能受电弓滑板的制备方法。
背景技术
受电弓滑板作为高速列车获取能量的关键集电元件，其良好的服役性能是保障列车安全、可靠运行的根本。滑板质量的优劣对机车受流状况有重要的影响，受电弓滑板直接与接触导线接触，在静止或滑动状态下从接触网获取电能为机车供电，长期暴露在自然环境下工作，且在运行过程中由于离线等原因不断受到电弧烧蚀、机械磨损，因此，对于受电弓滑板的材料性能有着十分苛刻的要求。
现有的受电弓滑板材料常因自身材料的缺陷难以承受在长时间、高速度、大电流的情况下工作的需求。传统的浸金属滑板、金属基滑板和碳基金属纤维滑板均因难以兼顾上述条件产生各种缺陷。此外，随着高铁运行速度的不断提升，对于滑板材料的性能提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能高性能受电弓滑板的制备方法，以解决现有受电弓滑板因自身材料的缺陷难以承受在长时间、高速度、大电流的情况下工作的需求的问题，提供一种高强度、高韧性、耐高温、耐磨性、高导电性的高性能受电弓滑板的制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种高性能受电弓滑板的制备方法，其包括以下步骤：将聚丙烯腈沥青经预氧化后得到预氧丝，将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，将预氧化前驱体分散后得到分散液，再将分散液同沥青焦、石油焦和沥青熔体经混捏后挤压成型，然后焙烧，制得高性能收受电弓滑板。
本发明的受电弓滑板是将聚丙烯腈或沥青经预氧化后研磨得到预氧化前驱体，将预氧化前驱体经分散后与沥青焦、石油焦和沥青熔体通过混捏，挤压成型、焙烧后制得。
本发明中采用沥青焦和石油焦作为骨料，其中石油焦的作用是让受电弓滑板更容易石墨化，加入后能提高受电弓滑板的导电性和润滑性，但是其机械性能和摩擦性能不好、强度不高。而沥青焦的特点和石油焦相反，采用沥青焦和石油焦混合使用，互相弥补其自身的不足，同时起到提高受电弓滑板的导电性、润湿性、机械强度和抗摩擦性能的效果。
在本发明中以预氧前驱体为增强相，以粘结剂沥青熔体作为连续相，解决受电弓滑板材料中各相质间匹配性差导致产生原生裂纹。该预氧前驱体是将聚丙烯腈或沥青经退丝去捻、上油和预氧化处理后，预氧化前驱体内部形成纤维骨架结构，在其表面还含有含氧和含硫的活性基团，这些活性基团在焙烧时能与碳发生反应变成气体并在形成多个小孔，而此时预氧前驱体上官能团的其他部分则与碳基体进行键合，使得预氧前驱体和碳基体骨架更好的结合在一起，这样能很好减缓了原生裂纹的产生，延长了受电弓滑板的使用寿命。此外，形成的小孔为后续树脂浸渍提供更多的空间，进而提高了树脂浸渍的浸渍率。
此外，预氧化前驱体的骨料结构与沥青分子和骨料的有序排列结构类似，能更好地与沥青分子和骨料发生物理吸附和化学键合，在高温碳化过程中，预氧前驱体、沥青相和骨料相很好的融并，提高了受电弓滑板内部结构的整体性。并且，预氧前驱体和沥青属于同源，所以预氧前驱体的热膨胀系数和沥青的热膨胀系数匹配度高，在遇到高温时，沥青中的小分子就会变成气体挥发掉，此时沥青会发生塌缩形成空隙，而沥青周围的预氧前驱体可以很好的支撑沥青和骨料，避免其因沥青受热塌缩产生空隙，从而减少了原生裂纹的产生，延长了受电弓滑板的使用寿命。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述预氧化步骤包括：将聚丙烯腈或沥青经退丝去捻和上油，然后在温度为180-275℃下进行氧化，得到预氧丝。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述分散步骤包括：将经预氧化的聚丙烯腈研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散40-120min，得到分散液。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述混捏步骤包括：将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为5-10:5-10:1-4在温度400-600℃，压强0.1-0.3MPa下以速度25-35r/min进行干捏10-30min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为2-5：5-10的比例加入沥青熔体，再继续湿捏30-50min。
在本发明中，采用混捏将各种颗粒的粉粒干料与粘结剂经过操作使其达到均匀、密实具有一定可塑性的糊料的工艺过程，采用干捏将各种不同粒径的骨料均匀分布，使颗粒之间的空隙用更小的颗粒补填，以提高糊料的密实程度，湿捏将粘结剂更均匀包裹在各种干料颗粒的表面，并渗透到颗粒的孔径中，由黏结剂的粘结力把所有颗粒互相结合起来，这样更利于成形，同时，使得糊料具有良好的可塑性。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述成型步骤包括：将混捏后的原料在压力为15-20MPa，温度为100-180℃下挤压成型。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述焙烧步骤包括：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以1-5℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至2-4MPa，以5-15℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以10-20℃/h等速升温至1200℃。
在焙烧的阶段，其中第一个阶段是为了使得沥青等进行软化继而熔融，第二个阶段为了使得骨料与粘结剂小分子之间结合的速度更快，采用了加压的方式，这样大大地减少了焙烧时间，第三阶段的焙烧将粘结剂焦化，固定材料的形状。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括浸渍步骤，在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
本发明具有以下有益效果：
本发明的受电弓滑板的制备方法以沥青焦和石油焦作为骨料，以沥青熔体作为粘结剂，并且加入经预氧化出来的聚丙烯腈和沥青作为增强相，使得制备得到的受电弓滑板其强度、韧性、耐热性、导电性、耐摩擦性得到很大提高，并且经预氧化出来的聚丙烯腈和沥青得到预氧前驱体，其与骨料和连接剂的热膨胀系数的匹配度高，很好的解决了受电弓滑板材料因异质相间匹配性差导致产生原生裂纹，从而延长了受电弓滑板的使用寿命。
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。
本发明的高性能受电弓滑板的制备方法包括：
将聚丙烯腈或沥青经退丝去捻、上油然后在温度为180-275℃下预氧化，得到预氧丝；再将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散40-120min，得到分散液；将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为5-10:5-10:1-4在温度400-600℃，压强0.1-0.3MPa下以速度25-35r/min进行干捏10-30min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为2-5：5-10的比例加入沥青熔体，再继续湿捏30-50min；将混捏后的原料在压力为15-20MPa，温度为100-180℃下挤压成型；再经过第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以1-5℃/h等速升温至200℃；第二焙烧阶段：加压至2-4MPa，以5-15℃/h等速升温至600℃；第三焙烧阶段：卸压至常压后，以10-20℃/h等速升温至1200℃，经过三段焙烧阶段焙烧后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
实施例1：
本实施例的高性能受电弓滑板的制备方法包括：
(1)将聚丙烯腈经退丝去捻和上油然后在温度为180℃下进行氧化，得到预氧丝。
(2)将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散40min，得到分散液。
(3)将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为5:5:1在温度400℃，压强0.1MPa下以速度25r/min进行干捏10min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为2：5的比例加入沥青熔体，再继续湿捏30min。
(4)混捏后的原料在压力为15MPa，温度为100℃下挤压成型。
(5)进行焙烧：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以1℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至2MPa，以5℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以15℃/h等速升温至1200℃。
(6)在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
实施例2：
本实施例的高性能受电弓滑板的制备方法包括：
(1)将聚丙烯腈经退丝去捻和上油然后在温度为235℃下进行氧化，得到预氧丝。
(2)将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散60min，得到分散液。
(3)将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为7:7:2在温度450℃，压强0.2MPa下以速度30r/min进行干捏20min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为4：7的比例加入沥青熔体，再继续湿捏40min。
(4)混捏后的原料在压力为18MPa，温度为130℃下挤压成型。
(5)进行焙烧：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以3℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至3MPa，以10℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以15℃/h等速升温至1200℃。
(6)在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
实施例3：
本实施例的高性能受电弓滑板的制备方法包括：
(1)将聚丙烯腈经退丝去捻和上油然后在温度为235℃下进行氧化，得到预氧丝。
(2)将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散90min，得到分散液。
(3)将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为8:8:3在温度500℃，压强0.2MPa下以速度30r/min进行干捏20min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为5：7的比例加入沥青熔体，再继续湿捏40min。
(4)混捏后的原料在压力为18MPa，温度为150℃下挤压成型。
(5)进行焙烧：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以5℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至3MPa，以15℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以20℃/h等速升温至1200℃。
(6)在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
实施例4：
本实施例的高性能受电弓滑板的制备方法包括：
(1)将沥青经退丝去捻和上油然后在温度为275℃下进行氧化，得到预氧丝。
(2)将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散120min，得到分散液。
(3)将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为10:10:4在温度600℃，压强0.3MPa下以速度35r/min进行干捏30min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为5：10的比例加入沥青熔体，再继续湿捏50min。
(4)混捏后的原料在压力为20MPa，温度为180℃下挤压成型。
(5)进行焙烧：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以3℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至4MPa，以10℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以15℃/h等速升温至1200℃。
(6)在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
对照例1
本对照例是现有的受电弓滑板的制备方法，具体包括：
一、配置石墨悬浊液：采用超声分散方法或球磨方法将石墨分散到酒精中，配置成浓度为80g/L-200g/L的石墨悬浊液；
二、制备石墨预制体：将密度为0.1g/cm3-0.7g/cm3、厚度为5cm-10cm的碳纤维毡预制体加入到浓度为80g/L-200g/L的石墨悬浊液中，真空度为0.1Pa～40Pa和压力为1MPa～5MPa下将碳纤维毡预制体加入到石墨悬浊液中浸渍1h～24h得到石墨预制体，其中所述的石墨预制体中石墨含量为1vol％-10vol％。
三、沥青的浸渍-炭化致密化：对步骤二得到的石墨预制体进行沥青的浸渍-炭化致密化处理4-6次，即得到用于高速列车受电弓滑板碳/碳-石墨复合材料。
对照例2
本对照例的受电弓滑板的制备方法与上述实施例的高性能受电弓滑板的制备方法相比，未添加含有预氧前驱体的分散液，具体包括：
(1)将沥青焦和石油焦按照质量比为7:7在温度400-600℃，压强0.1-0.3MPa下以速度25-35r/min进行干捏10-30min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为2-5：5-10的比例加入沥青熔体，再继续湿捏30-50min。
(2)混捏后的原料在压力为15-20MPa，温度为100-180℃下挤压成型。
(3)进行焙烧：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以3℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至3MPa，以10℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以15℃/h等速升温至1200℃。
(4)在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
将上述实施例和对照例制备得到的受电弓滑板进行性能测试，得到以下数据，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
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 (7)
1.一种高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：将聚丙烯腈或沥青经预氧化后得到预氧丝，将预氧丝研磨后得到预氧化前驱体，将预氧化前驱体分散后得到分散液，再将分散液同沥青焦、石油焦和沥青熔体经混捏后挤压成型，然后焙烧，制得高性能受电弓滑板。
2.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述预氧化步骤包括：将聚丙烯腈或沥青经退丝去捻和上油，然后在温度为180-275℃下进行氧化，得到预氧丝。
3.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述分散步骤包括：将经预氧化的聚丙烯腈或沥青研磨后得到预氧化前驱体，加入丙酮溶液润湿后进行超声分散40-120min，得到分散液。
4.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述混捏步骤包括：将沥青焦、石油焦和分散液按照质量比为5-10:5-10:1-4在温度400-600℃，压强0.1-0.3MPa下以速度25-35r/min进行干捏10-30min，然后以沥青熔体与沥青焦质量比为2-5：5-10的比例加入沥青熔体，再继续湿捏30-50min。
5.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述成型步骤包括：将混捏后的原料在压力为15-20MPa，温度为100-180℃下挤压成型。
6.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，所述焙烧步骤包括：
第一焙烧阶段：起始温度为50℃，以1-5℃/h等速升温至200℃；
第二焙烧阶段：加压至2-4MPa，以5-15℃/h等速升温至600℃；
第三焙烧阶段：卸压至常压后，以10-20℃/h等速升温至1200℃。
7.根据权利要求1所述的高性能受电弓滑板的制备方法，其特征在于，还包括浸渍步骤，在焙烧完成后再经过树脂浸渍液浸渍固化得到胚料，然后进行工艺打磨得到受电弓滑板。
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