CN109867523A - 一种高密度碳滑板的制备方法及高密度碳滑板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度碳滑板的制备方法及高密度碳滑板，制备碳滑板骨架和石墨悬浊液，将碳滑板骨架在石墨悬浊液中进行浸渍、脱脂处理，其中：所述石墨悬浊液包括石墨超细微粒子。本发明主要是利用石墨悬浊液良好的稳定性和流动性，将其中的分散介质即石墨超细微粒子填充到碳骨架的孔隙中，再通过高温下脱脂处理将有机溶剂去除，能够直接得到高密度碳滑板。该高密度碳滑板的制备方法简单，不需要经过多次致密化处理，能够直接达到对碳滑板增密的效果。

Description

一种高密度碳滑板的制备方法及高密度碳滑板

技术领域

本发明涉及一种电力机车碳滑板技术领域，具体涉及一种高密度碳滑板的制备方法及高密度碳滑板。

背景技术

随着电力机车的快速发展，碳滑板材料作为电力机车最重要的集电元件，对其综合性能也提出了更高的要求，提高碳滑板质量，突破国外技术封锁，是目前碳滑板材料行业的重要内容。

专利CN103387407公开了一种用于高速列车受电弓滑板碳/碳-石墨复合材料的制备方法，具体步骤为：一、制备石墨悬浊液：采用超声分散方法或球磨方法将石墨分散到介质中，配置成浓度为80-200 g/L的石墨悬浊液；二、制备石墨预制体：将密度为0.1-0.7 g/cm³、厚度为0.1-10 cm的碳纤维毡预制体加入到浓度为80-200 g/L的石墨悬浊液中，采用超声浸渍方法或真空压力浸渍方法得到石墨预制体，其中所述的石墨预制体中石墨含量为1-10vol%；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。步骤一所述的石墨为亚微米石墨；步骤三所述的沥青的浸渍-炭化致密化处理具体操作如下：①浸渍：在温度为250-350℃条件下利用沥青浸渍石墨预制体，然后抽真空至真空度为0.1-40 Pa，再充入惰性气体至压力为1-5 MPa，并在温度为250-350℃和压力为1-5 MPa的条件下保持恒温恒压1-4 h，得到浸渍后产物；②炭化：以200-400℃/h的升温速率将浸渍后产物从250-350℃升温至900-1400℃，并在温度为900-1400℃和压力为1-5 MPa的条件下保持恒温恒压0.5-2 h，即完成沥青的浸渍-炭化致密化处理；步骤①中所述的惰性气体为氩气或氮气。该受电弓滑板的制备方法中石墨预制体密度低，需要浸渍-炭化的次数多，时间长，影响成本和效率；另一方面石墨悬浊液采用超声方法或者球磨方法进行分散，悬浊液不稳定，容易造成密度不均匀。

发明内容

本发明主要针对上述现有技术的不足，提供一种步骤简单，生产效率高的高密度碳滑板的制备方法及高密度碳滑板，该方法不需要经过多次致密化处理，能够直接达到对碳滑板增密的效果，得到高密度碳滑板。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高密度碳滑板的制备方法，具体包括以下步骤：

S1：制备碳滑板骨架；

S2：制备石墨悬浊液；

S3：将碳滑板骨架在石墨悬浊液中进行浸渍、脱脂处理；

其中：所述石墨悬浊液包括石墨超细微粒子，所述石墨超细微粒子的平均粒径为1-90微米；在23℃条件下，所述石墨悬浊液的粘度为7000-11000 mPa•s。

本发明另一方面提供一种高密度碳滑板，所述高密度碳滑板由上述高密度碳滑板的制备方法制备得到。

本发明提供的高密度碳滑板的制备方法，是采用石墨超细微粒子作为石墨悬浊液的分散介质，通过将制备好的碳滑板骨架在具有一定流动性的石墨悬浊液中加压浸渍，利用石墨悬浊液良好的稳定性和流动性，将其中的分散介质也就是石墨超细微粒子填充到碳骨架的孔隙中，再通过高温下脱脂处理将有机溶剂去除，直接得到高密度碳滑板。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明，应强调的是，下述说明仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提供一种高密度碳滑板的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备碳滑板骨架。

本发明中，以重量计，所述碳滑板骨架的成分包括50-75份石油焦碳粉，5-13份石墨粉，1-7份炭黑和20-35份沥青。

本发明中，所述碳滑板骨架的体积密度为1.4-1.7 g/cm³，开孔率为10-30%，孔径为50-200微米。

本发明中，碳滑板骨架的制备是将石油焦碳粉、石墨粉、炭黑和沥青捏合，经过压制成型、烧结，制得碳滑板骨架，其中，捏合的条件包括：捏合时间为2-4 h，温度为100-150℃；所述压制成型的条件包括：压力为60-120 Mpa，温度为40-60℃；所述烧结的条件为：以0.1-0.5°C/min的升温速率升温至1000-1300°C，并在该温度下保温1-3 h。

S2：制备石墨悬浊液。

本发明中，所述石墨悬浊液包括石墨超细微粒子，石墨超细微粒子的平均粒径为1-90微米，在23℃条件下，按照JJG1002-2005旋转粘度计检定规程测得所述石墨悬浊液的粘度为7000-11000 mPa•s。

所述石墨超细微粒子是石墨悬浊液中的分散介质，在悬浊液中具有流动性，将碳滑板骨架浸渍在石墨悬浊液中，通过加压使石墨悬浊液浸入到碳滑板骨架的孔隙中，其中石墨超细微粒子也能浸入到碳滑板骨架的孔隙中，然后通过脱脂将石墨悬浊液中的有机物质和水分去除，留下石墨超细微粒子，从而达到对碳滑板增密的效果。

进一步地，所述石墨超细微粒子的平均粒径优选为1-50微米，超细微粒子的平均粒径小，其在悬浊液中的分散效果好，不易发生团聚。

本发明中，以重量计，所述石墨悬浊液包括12-35份石墨超细微粒子，1-5份分散剂，10-15份增稠剂，1-5份表面活性剂，2-4份碱性溶液和70-80份去离子水。

进一步地，所述散剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和海藻酸钠中的至少一种，优选为羧甲基纤维素钠。羧甲基纤维素钠在水中形成絮状胶体，可包围在石墨离子周围，使其具有亲水性。

进一步地，所述增稠剂为羧甲基纤维素、甲苯二异氰酸酯中的至少一种，优选为羧甲基纤维素。羧甲基纤维素在水性体系中增稠效果好，能在水中形成絮状胶体，同时危害性小。

进一步地，所述表面活性剂为Triton X-350、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少一种，优选为十二烷基硫酸钠。十二烷基硫酸钠一方面可以对石墨表面进行改性，使其表面变成亲水性，另一方面是它存在液晶相结构，能够防止石墨超细微粒子沉降。

进一步地，所述碱性溶液为氨水和/或苏打水，碱性溶液的加入能够让分散剂更加稳定。

本发明中，以重量计，所述石墨悬浊液还包括0.5-2份MoS₂，MoS₂的晶型与石墨类似，都是六边形，它的结合力好，耐磨性好，可以增加产品的耐磨性能。

S3：将碳滑板骨架在石墨悬浊液中进行浸渍、脱脂处理。

本发明中，所述浸渍、脱脂处理包括如下步骤：

S31：将碳滑板骨架预热处理形成碳滑板初坯；

S32：将碳滑板初坯在石墨悬浊液中进行加压浸渍处理；

S33：浸渍后的产物升温脱脂处理。

本发明中，所述滑板骨架预热处理的温度为80-90℃，预热时间为1-3 h。预热处理一方面可以排除碳滑板骨架中气体，另一方面能够增加石墨悬浊液的流动性，有利于石墨悬浊液浸入到碳滑板骨架的孔隙。

本发明中，所述加压浸渍处理是先抽真空至真空度为0.05-0.1 MPa，再充入惰性气体到压力为1-5 MPa，并在该压力下保压20-40 min，所述惰性气体为氩气或氮气。加压浸渍处理是为了将石墨悬浊液浸入到碳滑板骨架的孔隙中，从而增加碳滑板的致密性。

本发明中，所述升温脱脂处理是以2-5℃/min的升温速率升温至250-400℃，并在该温度下保温2-4 h。

本发明采用石墨超细微粒子作为分散介质，制备出具有具有一定流动性的石墨悬浊液，然后对制备好的具有孔隙结构的滑板骨架预热处理，将预热处理过的碳滑板骨架加压浸渍到石墨悬浊液中，石墨超细微粒子能够填充到碳滑板骨架的孔隙中，再通过高温脱脂处理除去有机溶剂，从而直接制备得到高密度碳滑板。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例及对比例中所采用原料均通过商购得到，本发明没有特殊限定。

实施例1

碳滑板骨架的制备：以重量计，将60份石油焦碳粉、7份石墨粉、3份炭黑和20份沥青置于混捏机中捏合3 h，温度为120℃；然后在40℃、150 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1300℃，于1300℃保温2h，冷却后得到碳滑板骨架，碳滑板骨架的体积密度为1.47 g/cm³，开孔率为22%，孔径为90-180微米。

石墨悬浊液的制备：以重量计，将15份石墨超细微粒子（平均粒径为1-50微米）、5份分散剂、12份增稠剂、3份表面活性剂、4份碱性溶液和80份去离子水混合分散1 h，得到石墨悬浊液，石墨悬浊液的粘度为7100 mPa·s。

碳滑板骨架在石墨悬浊液浸渍、脱脂处理：首先，将碳滑板骨架进行预热处理，得到预热碳滑板初坯，其中，预热温度为85℃，预热时间为1 h；其次，将预热的碳滑板初坯置于石墨悬浊液中进行加压浸渍处理，具体地，先抽真空至真空度为0.1 MPa，再充入惰性气体氩气至压力为4 MPa，加压浸渍处理的时间为25 min，得到浸渍后产物；最后，以3℃/min的升温速率将浸渍后产物从室温升温至300℃，并保温2.5 h，完成浸渍、脱脂处理，制备得到高密度碳滑板。

实施例2

碳滑板骨架的制备：以重量计，将50份石油焦碳粉、13份石墨粉、1份炭黑和20份沥青置于混捏机中捏合2 h，温度为150℃；然后在50℃、100 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1200℃，于1200℃保温1h，冷却后得到碳滑板骨架，碳滑板骨架的体积密度为1.46 g/cm³，开孔率为23 %，孔径为100-200微米。

石墨悬浊液的制备：以重量计，将25份石墨超细微粒子（平均粒径为40-80微米）、1份分散剂、15份增稠剂、1份表面活性剂、2份碱性溶液和80份去离子水混合分散1 h，得到石墨悬浊液，石墨悬浊液的粘度为8500 mPa·s。

碳滑板骨架在石墨悬浊液浸渍、脱脂处理：首先，将碳滑板骨架进行预热处理，得到预热碳滑板初坯，其中，预热温度为80℃，预热时间为3 h；其次，将预热的碳滑板初坯置于石墨悬浊液中进行加压浸渍处理，具体地，先抽真空至真空度为0.05 MPa，再充入惰性气体氩气至压力为5 MPa，加压浸渍处理的时间为20 min，得到浸渍后产物；最后，以5℃/min的升温速率将浸渍后产物从室温升温至400℃，并保温2 h，完成浸渍、脱脂处理，制备得到高密度碳滑板。

实施例3

碳滑板骨架的制备：以重量计，将75份石油焦碳粉、5份石墨粉、7份炭黑和35份沥青置于混捏机中捏合4 h，温度为100℃；然后在60℃、60 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1000℃，于1000℃保温3h，冷却后得到碳滑板骨架，碳滑板骨架的体积密度为1.49 g/cm³，开孔率为20%，孔径为90-150微米。

石墨悬浊液的制备：以重量计，将35份石墨超细微粒子（平均粒径为1-50微米）、3份分散剂、15份增稠剂、3份表面活性剂、3份碱性溶液和80份去离子水混合分散1h，得到石墨悬浊液，石墨悬浊液的粘度为9300 mPa·s。

碳滑板骨架在石墨悬浊液浸渍、脱脂处理：首先，将碳滑板骨架进行预热处理，得到预热碳滑板初坯，其中，预热温度为90℃，预热时间为2 h；其次，将预热的碳滑板初坯置于石墨悬浊液中进行加压浸渍处理，具体地，先抽真空至真空度为0.1 MPa，再充入惰性气体氩气至压力为3 MPa，加压浸渍处理的时间为40 min，得到浸渍后产物；最后，以2℃/min的升温速率将浸渍后产物从室温升温至250℃，并保温4 h，完成浸渍、脱脂处理，制备得到高密度碳滑板。

实施例4

碳滑板骨架的制备：以重量计，将75份石油焦碳粉、5份石墨粉、7份炭黑和20份沥青置于混捏机中捏合4 h，温度为100℃；然后在60℃、60 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1000℃，于1000℃保温2h，冷却后得到碳滑板骨架，碳滑板骨架的体积密度为1.49g/cm³，开孔率为21 %，孔径为90-150微米。

石墨悬浊液的制备：以重量计，将30份石墨超细微粒子（平均粒径为1-50微米）、4份分散剂、15份增稠剂、3份表面活性剂、3份碱性溶液、80份去离子水和1份MoS₂混合分散1h，得到石墨悬浊液，石墨悬浊液的粘度为8600 mPa·s。

碳滑板骨架在石墨悬浊液浸渍、脱脂处理：首先，将碳滑板骨架进行预热处理，得到预热碳滑板初坯，其中，预热温度为90℃，预热时间为2 h；其次，将预热的碳滑板初坯置于石墨悬浊液中进行加压浸渍处理，具体地，先抽真空至真空度为0.1 MPa，再充入惰性气体氩气至压力为3 MPa，加压浸渍处理的时间为40 min，得到浸渍后产物；最后，以2℃/min的升温速率将浸渍后产物从室温升温至250℃，并保温4 h，完成浸渍、脱脂处理，制备得到高密度碳滑板。

实施例5

碳滑板骨架的制备：以重量计，将65份石油焦碳粉、9份人造石墨粉、7份炭黑和30份沥青置于混捏机中捏合4 h，温度为100℃；然后在60℃、60 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1000℃，于1100℃保温2 h，冷却后得到碳滑板骨架，碳滑板骨架的体积密度为1.50 g/cm³，开孔率为21%，孔径为100-180微米。

石墨悬浊液的制备：以重量计，将35份石墨超细微粒子（平均粒径为1-50微米）、5份分散剂、15份增稠剂、3份表面活性剂、4份碱性溶液和70份去离子水混合分散1 h，得到石墨悬浊液，石墨悬浊液的粘度为11000 mPa•s。

碳滑板骨架在石墨悬浊液浸渍、脱脂处理：首先，将碳滑板骨架进行预热处理，得到预热碳滑板初坯，其中，预热温度为85℃，预热时间为2 h；其次，将预热的碳滑板初坯置于石墨悬浊液中进行加压浸渍处理，具体地，先抽真空至真空度为0.1 MPa，再充入惰性气体氩气至压力为5 MPa，加压浸渍处理的时间为40 min，得到浸渍后产物；最后，以2℃/min的升温速率将浸渍后产物从室温升温至350℃，并保温3 h，完成浸渍、脱脂处理，制备得到高密度碳滑板。

对比例1

碳滑板骨架的制备：以重量计，将75份石油焦碳粉、5份石墨粉、7份炭黑和20份沥青置于混捏机中捏合4 h，温度为100℃；然后在60°C、60 MPa的条件下压制成型，再采用真空炉烧结，真空度为2.0×10^-2 MPa，以0.1℃/min的升温速率从室温升至1000℃，于1100℃保温2h，冷却后得到碳滑板骨架。

对比例2

一、配置石墨悬浊液：采用超声分散方法将石墨分散到介质中，配置成浓度为80 g/L的石墨悬浊液；二、制备石墨预制体：将密度为0.4 g/cm³、厚度为5 cm的碳纤维毡预制体加入到浓度为80 g/L的石墨悬浊液中，采用超声浸渍方法得到石墨预制体，其中所述的 石墨预制体中石墨含量为4.3vol%；三、沥青的浸渍-炭化致密化：对步骤三得到的石墨预制体进行沥青的浸渍-炭化致密化处理5次，即得到用于高速列车受电弓滑板碳/碳-石墨复合材料。

性能测试

采用GB/T1842.3-2008的测试方法测试密度，结果见表1：

表1

	密度
		GB/T1842.2-2008	≤1.8 g/cm<sup>3</sup>
实施例1	1.52 g/cm<sup>3</sup>
		实施例2	1.53 g/cm<sup>3</sup>
实施例3	1.60 g/cm<sup>3</sup>
		实施例4	1.57 g/cm<sup>3</sup>
实施例5	1.63 g/cm<sup>3</sup>
		对比例1	1.49 g/cm<sup>3</sup>
对比例2	1.71 g/cm<sup>3</sup>

由表1可以看出，本发明申请中，实施例1-5是经过含有石墨超细微粒子的石墨悬浊液浸渍脱脂处理制备得到的碳滑板，其密度在1.52-1.63 g/cm³之间，而对比例1中未经过石墨悬浊液浸渍脱脂处理的碳滑板的密度为1.49 g/cm³，说明经过本发明申请上述的石墨悬浊液的浸渍脱脂处理，能够有效的增加碳滑板的密度，从而制备出高密度碳滑板。另一方面，对比例2的密度虽然为1.71 g/cm³，但其需要经过多次致密化处理，制备工艺复杂。本发明申请中实施例1-5制备的碳滑板的密度在能够满足使用需求的同时，碳滑板的制备工艺简单，不需要经过多次致密化处理，能够直接达到对碳滑板增密的效果。

本发明通过采用石墨超细微粒子作为分散介质，制备出具有具有一定流动性的石墨悬浊液，将预热处理过的碳滑板骨架加压浸渍到石墨悬浊液中，石墨超细微粒子填充到碳滑板骨架的孔隙中，从增加碳滑板的密度，制得高密度碳滑板。该方法步骤简单，生产效率高，不需要经过多次致密化处理，能够直接达到对碳滑板增密的效果。

尽管上面已经示出了本发明的具体实施方式，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (15)

1.一种高密度碳滑板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：制备碳滑板骨架；

S2：制备石墨悬浊液；

S3：将碳滑板骨架在石墨悬浊液中进行浸渍、脱脂处理；

其中：所述石墨悬浊液包括石墨超细微粒子，所述石墨超细微粒子的平均粒径为1-90微米；在23℃条件下，所述石墨悬浊液的粘度为7000-11000 mPa•s。

2.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述碳滑板骨架的成分包括50-75份石油焦碳粉、5-13份石墨粉、1-7份炭黑和20-35份沥青。

3.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碳滑板骨架的体积密度为1.4-1.7 g/cm³，开孔率为10-30%，孔径为50-200微米。

4.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述石墨超细微粒子的平均粒径为1-50微米。

5.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述石墨悬浊液包括12-35份石墨超细微粒子，1-5份分散剂，10-15份增稠剂，1-5份表面活性剂，2-4份碱性溶液和70-80份去离子水。

6.根据权利要求5所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述分散剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和海藻酸钠中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述增稠剂为羧甲基纤维素、甲苯二异氰酸酯中的至少一种。

8.根据权利要求5所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为Triton X-350、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少一种。

9.根据权利要求5所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碱性溶液为氨水和/或苏打水。

10.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：以重量计，所述石墨悬浊液还包括0.5-2份MoS₂。

11.根据权利要求1所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述浸渍、脱脂处理包括如下步骤：

S31：将碳滑板骨架预热处理形成碳滑板初坯；

S32：将碳滑板初坯在石墨悬浊液中进行加压浸渍处理；

S33：浸渍后的产物进行升温脱脂处理。

12.根据权利要求11所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述碳滑板骨架预热处理的温度为80-90℃，预热时间为1-3 h。

13.根据权利要求11所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述加压浸渍处理是先抽真空至真空度为0.05-0.1 MPa，再充入惰性气体到压力为1-5 MPa，并在该压力下保压20-40 min，所述惰性气体为氩气或氮气。

14.根据权利要求11所述的高密度碳滑板的制备方法，其特征在于：所述升温脱脂处理是以2-5℃/min的升温速率升温至250-400℃，并在该温度下保温2-4 h。

15.一种高密度碳滑板，其特征在于：所述高密度碳滑板由权利要求1-14中任一项所述的高密度碳滑板的制备方法制备得到。