阅读说明：本技术 一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法 (Preparation method of wear-resistant weather-resistant carbon sliding plate ) 是由 雷江晶 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法,属于受电弓滑板制备技术领域。本发明首先将竹片、稻草研磨混合,研磨后进行蒸汽爆破处理制得汽爆产物,随后将汽爆产物与盐酸混合搅拌,加入高锰酸钾混合制得氧化混合液,再将混合液过滤,再用碱液浸泡高温处理制得热反应液,然后将热反应液与蒙脱土混合滴加盐酸调节pH值高温加热制得反应浆液,再将反应浆液浓缩蒸发高温处理制得热反应纤维,最后将热反应纤维与刚玉以及其它原料混合、热压、高温静置,出料制得抗磨损耐候型碳滑板,碳滑板的化学稳定性和耐候性增强,碳滑板在恶劣天气条件下保持良好的导电性能,碳滑板的机械强度和抗磨损性能也有效提高。(The invention discloses a preparation method of an abrasion-resistant weather-resistant carbon sliding plate, and belongs to the technical field of preparation of pantograph sliding plates. The method comprises the steps of firstly grinding and mixing bamboo chips and straws, carrying out steam explosion treatment after grinding to obtain steam explosion products, then mixing and stirring the steam explosion products and hydrochloric acid, adding potassium permanganate to mix to obtain oxidation mixed liquor, filtering the mixed liquor, soaking the mixture in alkali liquor to obtain thermal reaction liquor through high-temperature treatment, then mixing the thermal reaction liquor and montmorillonite, dropwise adding hydrochloric acid to adjust the pH value, heating at high temperature to obtain reaction slurry, concentrating and evaporating the reaction slurry to obtain thermal reaction fibers through high-temperature treatment, finally mixing the thermal reaction fibers, corundum and other raw materials, carrying out hot pressing, standing at high temperature, and discharging to obtain the wear-resistant and weather-resistant carbon sliding plate.)

一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法

技术领域

本发明公开了一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法，属于受电弓滑板制备技术领域。

背景技术

自20世纪70年代以来，耐火材料工作者将导热系数高、韧性好、对渣的润湿性差的石墨引入到耐火材料中，开发了力学性能、热震稳定性和抗渣侵蚀性优异的氧化物-碳复合耐火材料，这种氧化物-碳复合耐火材料被广泛用于转炉、电炉、钢包等炉衬材料和连铸系统。铝碳滑板作为常用的连铸滑板材料，在提高使用性能以及降低碳含量方面的研究受到更多技术人员的关注。

电力牵引的高速列车是通过受电弓碳滑板系统不间断地与接触网导线摩擦接触，将电网上的电流引导下来，传输给机车电力系统来维持电力机车正常运行的。电力机车受电弓碳滑板是机车导入电能的重要集电部件，随着电气化铁路及高速铁路的发展，铁路接触网导线减磨和提高滑板耐磨自润性的课题，一直是世界铁路发展极为重要的研究项目。

受电弓滑板主要有三大类：粉末冶金滑板、碳滑板、浸金属碳滑板。工业发达国家先后研制出了碳滑板，取代了粉末冶金滑板，有效减少了对接触网导线的磨耗，延长了导线的使用寿命。浸金属碳滑板是碳滑板在热等静压下浸铜合金制成的，其有良好的导电性能和抗冲击韧性，且强度高，硬度高，但对接触网导线磨耗比碳滑板高。目前碳滑板仍是国内外铁路部门广泛采用的首选材料，碳滑板是以碳-石墨为基础材料的滑板，具有良好的导电、导热及耐磨自润滑性，并具有很好的抑制火花作用和高温不变形、对接触网导线磨耗小的特点。纯炭滑板自润滑性和减磨性能好，在与铜接触导线摩擦时可在导线上持续补给润滑炭膜，具有减少导线磨损的效果。但纯炭滑板抗折强度低，抗冲击性能差，运行中遇到导线硬点容易造成滑板折断或破裂，特别是在雨季和潮湿地区，易局部拉沟，出现弓网事故。

目前，国内的受电弓碳滑板通常采用石墨、焦碳粉、碳黑、沥青焦、石油焦等作为主要原料，合适的粘结剂，通过传统的糊料热挤压、焙烧碳化工艺制造而成。但碳与石墨有着一个共同的缺点就是电阻较高，该基材在焙烧后电阻一般为40～80mΩ·m，抗压强度和抗冲击强度均较低，产品内部微裂纹较多，且易折断、电阻率过高且易发热从而导致性能下降等问题，致使产品性能不稳定，碳和石墨基材的性能远远满足不了高速动车组的运行要求，难以实现批量大规模生产。

文献“氮化烧成铝锆碳滑板的研制和使用”（卫中贤，栗晶晶，刘新红．氮化烧成铝锆碳滑板的研制和使用．耐火材料，2011，45(1)：33-36）介绍了一种通过在氮气气氛下高温形成SiC及Si2N2O来使铝锆碳滑板达到较高的性能指标，但其制备流程复杂。

因此，发明一种耐候性好、机械强度高且抗磨损性能好的碳滑板对受电弓滑板制备技术领域是很有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前碳滑板耐候性差导致碳滑板在恶劣天气的情况下导电性能收很大影响，同时针对碳滑板机械强度不佳、抗磨损性能差导致碳滑板易损坏的缺陷，提供了一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种抗磨损耐候型碳滑板的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：

将热反应纤维、α-氧化铝粉末、刚玉、酚醛树脂、单质硅粉投入搅拌釜中混合均匀投入模具中，将模具置于热压机中，在温度为200～240℃和压制压强为60～100MPa的条件下压制30～40min制得预制产物，将预制产物投入高温炉中，在温度为800～1000℃的条件下静置3～5h，出料冷却即得抗磨损耐候型碳滑板；

所述的热反应纤维的具体制备步骤为：

（1）将氧化混合液投入抽滤机中抽滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3～5次制得反应产物，将反应产物与质量分数为10～15%的氢氧化钠溶液投入反应釜中，将反应釜内温度升高至100～110℃，用搅拌器以100～120r/min的转速搅拌50～60min制得热反应液；

（2）将热反应液与蒙脱土粉末投入搅拌釜中，在转速为600～700r/min的条件下搅拌15～20min制得混合物，将混合物投入三口烧瓶中，向三口烧瓶中滴加质量分数为4～8%的盐酸调节pH值至6.4～6.8，将三口烧瓶置于电阻加热套中，将加热套内温度升高至100～110℃，恒温静置60～80min制得反应浆液；

（3）将反应浆液投入旋转蒸发仪中，在转速为200～240r/min和温度为60～70℃的条件下蒸发浓缩直至产物质量恒重制得浓缩产物，将浓缩产物投入马弗炉中，将马弗炉内温度升高至110～120℃，恒温预热60～80min，向马弗炉内充满氩气，再次升高炉内温度，高温处理1～2h研磨过50目筛制得热反应纤维；

所述的氧化混合液的具体制备步骤为：

（1）将竹片与稻草投入行星球磨机中，在转速为300～350r/min和球料比为10:1的条件下研磨30～40min，研磨后过100目筛得到混合物料，将混合物料投入蒸汽爆破罐中，向蒸汽爆破罐中充入温度为150～170℃的水蒸气，直至罐内气压升高至1.6～1.8MPa，恒温恒压静置50～60min，静置后打开汽爆罐罐口制得汽爆产物；

（2）将汽爆产物与质量分数为5～9%的盐酸投入烧杯中，用搅拌器以300～350r/min的转速搅拌30～40min制得混合浆液，向烧杯中加入高锰酸钾粉末，继续用搅拌器以300～350r/min的转速搅拌30～40min制得氧化混合液。

优选的按重量份数计，所述的热反应纤维为6～8份、α-氧化铝粉末为0.2～0.4份、刚玉为40～45份、酚醛树脂为1.2～1.6份、单质硅粉为0.8～1.0份。

热反应纤维的具体制备步骤（1）中所述的反应产物与质量分数为10～15%的氢氧化钠溶液的质量比为1:10。

热反应纤维的具体制备步骤（2）中所述的热反应液与蒙脱土粉末的质量比为20:1。

热反应纤维的具体制备步骤（3）中所述的高温处理的温度为250～270℃。

氧化混合液的具体制备步骤（1）中所述的竹片与稻草的质量比为5:1。

氧化混合液的具体制备步骤（1）中所述的竹片的种类进一步优选为毛竹、紫竹、淡竹。

氧化混合液的具体制备步骤（2）中所述的汽爆产物与质量分数为5～9%的盐酸的质量比为1:10。

氧化混合液的具体制备步骤（2）中所述的向烧杯中加入的高锰酸钾粉末的质量为混合浆液质量的1.0～1.2%。

本发明的有益技术效果是：

（1）本发明首先将竹片、稻草研磨混合，研磨后进行蒸汽爆破处理制得汽爆产物，随后将汽爆产物与盐酸混合搅拌，加入高锰酸钾混合制得氧化混合液，再将混合液过滤，再用碱液浸泡高温处理制得热反应液，然后将热反应液与蒙脱土混合滴加盐酸调节pH值高温加热制得反应浆液，再将反应浆液浓缩蒸发高温处理制得热反应纤维，最后将热反应纤维与刚玉以及其它原料混合、热压、高温静置，出料制得抗磨损耐候型碳滑板，本发明将竹片与稻草经过蒸汽爆破、酸碱液浸泡处理使稻草、竹片中的纤维成分分离，并水解于酸碱溶液中，竹纤维本身具有良好的柔韧性和机械性能，通过稻草中溶解的纤维素形成的糖类化合物和其它有机化合物，产生大量的羧基、羟基官能团，形成较多的氢键吸附以及其它化学键合力吸附作用，吸附分散于竹纤维成分中，使竹纤维成分的黏附性能增强，从而粘结吸附碳滑板中其它成分，在随后的高温过程中碳化，有机成分在炭化过程中形成共价键吸附作用进一步增强各成分之间的粘结作用，竹纤维炭化包覆于碳滑板成分表面，保护碳滑板，增强碳滑板的化学稳定性和耐候性，使碳滑板在恶劣天气条件下保持良好的导电性能，同时提高竹纤维炭化后的碳纤维成分具有良好的韧性和机械性能，在碳滑板表面形成复杂的交联结构，有利于提高碳滑板的机械强度和抗磨损性能；

（2）本发明利用高锰酸钾对纤维成分进行氧化处理，使纤维表面的羧基基团数量增加，有利于粘结蒙脱土颗粒，同时络合吸附部分游离出的金属离子，从而增强竹纤维的力学强度和机械性能，使竹纤维炭化生成的碳纤维成分中含有大量的金属氧化物成分，包覆碳滑板的其它成分，增强碳滑板的耐候性与耐磨性能，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

将竹片与稻草按质量比为5:1投入行星球磨机中，在转速为300～350r/min和球料比为10:1的条件下研磨30～40min，研磨后过100目筛得到混合物料，将混合物料投入蒸汽爆破罐中，向蒸汽爆破罐中充入温度为150～170℃的水蒸气，直至罐内气压升高至1.6～1.8MPa，恒温恒压静置50～60min，静置后打开汽爆罐罐口制得汽爆产物；将上述汽爆产物与质量分数为5～9%的盐酸按质量比为1:10投入烧杯中，用搅拌器以300～350r/min的转速搅拌30～40min制得混合浆液，向烧杯中加入混合浆液质量1.0～1.2%的高锰酸钾粉末，继续用搅拌器以300～350r/min的转速搅拌30～40min制得氧化混合液；将上述氧化混合液投入抽滤机中抽滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3～5次制得反应产物，将反应产物与质量分数为10～15%的氢氧化钠溶液按质量比为1:10投入反应釜中，将反应釜内温度升高至100～110℃，用搅拌器以100～120r/min的转速搅拌50～60min制得热反应液；将上述热反应液与蒙脱土粉末按质量比为20:1投入搅拌釜中，在转速为600～700r/min的条件下搅拌15～20min制得混合物，将混合物投入三口烧瓶中，向三口烧瓶中滴加质量分数为4～8%的盐酸调节pH值至6.4～6.8，将三口烧瓶置于电阻加热套中，将加热套内温度升高至100～110℃，恒温静置60～80min制得反应浆液；将上述反应浆液投入旋转蒸发仪中，在转速为200～240r/min和温度为60～70℃的条件下蒸发浓缩直至产物质量恒重制得浓缩产物，将浓缩产物投入马弗炉中，将马弗炉内温度升高至110～120℃，恒温预热60～80min，向马弗炉内充满氩气，再次升高炉内温度至250～270℃，高温处理1～2h研磨过50目筛制得热反应纤维；按重量份数计，将6～8份上述热反应纤维、0.2～0.4份α-氧化铝粉末、40～45份刚玉、1.2～1.6份酚醛树脂、0.8～1.0份单质硅粉投入搅拌釜中混合均匀投入模具中，将模具置于热压机中，在温度为200～240℃和压制压强为60～100MPa的条件下压制30～40min制得预制产物，将预制产物投入高温炉中，在温度为800～1000℃的条件下静置3～5h，出料冷却即得抗磨损耐候型碳滑板。

实施例1

氧化混合液的制备：

将竹片与稻草按质量比为5:1投入行星球磨机中，在转速为300r/min和球料比为10:1的条件下研磨30min，研磨后过100目筛得到混合物料，将混合物料投入蒸汽爆破罐中，向蒸汽爆破罐中充入温度为150℃的水蒸气，直至罐内气压升高至1.6MPa，恒温恒压静置50min，静置后打开汽爆罐罐口制得汽爆产物；

将上述汽爆产物与质量分数为5%的盐酸按质量比为1:10投入烧杯中，用搅拌器以300r/min的转速搅拌30min制得混合浆液，向烧杯中加入混合浆液质量1.0%的高锰酸钾粉末，继续用搅拌器以300r/min的转速搅拌30min制得氧化混合液；

热反应纤维的制备：

将上述氧化混合液投入抽滤机中抽滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣3次制得反应产物，将反应产物与质量分数为10%的氢氧化钠溶液按质量比为1:10投入反应釜中，将反应釜内温度升高至100℃，用搅拌器以100r/min的转速搅拌50min制得热反应液；

将上述热反应液与蒙脱土粉末按质量比为20:1投入搅拌釜中，在转速为600r/min的条件下搅拌15min制得混合物，将混合物投入三口烧瓶中，向三口烧瓶中滴加质量分数为4%的盐酸调节pH值至6.4，将三口烧瓶置于电阻加热套中，将加热套内温度升高至100℃，恒温静置60min制得反应浆液；

将上述反应浆液投入旋转蒸发仪中，在转速为200r/min和温度为60℃的条件下蒸发浓缩直至产物质量恒重制得浓缩产物，将浓缩产物投入马弗炉中，将马弗炉内温度升高至110℃，恒温预热60min，向马弗炉内充满氩气，再次升高炉内温度至250℃，高温处理1h研磨过50目筛制得热反应纤维；

抗磨损耐候型碳滑板的制备：

按重量份数计，将6份上述热反应纤维、0.2份α-氧化铝粉末、40份刚玉、1.2份酚醛树脂、0.8份单质硅粉投入搅拌釜中混合均匀投入模具中，将模具置于热压机中，在温度为200℃和压制压强为60MPa的条件下压制30min制得预制产物，将预制产物投入高温炉中，在温度为800℃的条件下静置3h，出料冷却即得抗磨损耐候型碳滑板。

实施例2

氧化混合液的制备：

将竹片与稻草按质量比为5:1投入行星球磨机中，在转速为320r/min和球料比为10:1的条件下研磨35min，研磨后过100目筛得到混合物料，将混合物料投入蒸汽爆破罐中，向蒸汽爆破罐中充入温度为160℃的水蒸气，直至罐内气压升高至1.7MPa，恒温恒压静置55min，静置后打开汽爆罐罐口制得汽爆产物；

将上述汽爆产物与质量分数为7%的盐酸按质量比为1:10投入烧杯中，用搅拌器以320r/min的转速搅拌35min制得混合浆液，向烧杯中加入混合浆液质量1.1%的高锰酸钾粉末，继续用搅拌器以320r/min的转速搅拌35min制得氧化混合液；

热反应纤维的制备：

将上述氧化混合液投入抽滤机中抽滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣4次制得反应产物，将反应产物与质量分数为12%的氢氧化钠溶液按质量比为1:10投入反应釜中，将反应釜内温度升高至105℃，用搅拌器以110r/min的转速搅拌55min制得热反应液；

将上述热反应液与蒙脱土粉末按质量比为20:1投入搅拌釜中，在转速为650r/min的条件下搅拌17min制得混合物，将混合物投入三口烧瓶中，向三口烧瓶中滴加质量分数为6%的盐酸调节pH值至6.6，将三口烧瓶置于电阻加热套中，将加热套内温度升高至105℃，恒温静置70min制得反应浆液；

将上述反应浆液投入旋转蒸发仪中，在转速为220r/min和温度为65℃的条件下蒸发浓缩直至产物质量恒重制得浓缩产物，将浓缩产物投入马弗炉中，将马弗炉内温度升高至115℃，恒温预热70min，向马弗炉内充满氩气，再次升高炉内温度至260℃，高温处理1.5h研磨过50目筛制得热反应纤维；

抗磨损耐候型碳滑板的制备：

按重量份数计，将7份上述热反应纤维、0.3份α-氧化铝粉末、42份刚玉、1.4份酚醛树脂、0.9份单质硅粉投入搅拌釜中混合均匀投入模具中，将模具置于热压机中，在温度为220℃和压制压强为80MPa的条件下压制35min制得预制产物，将预制产物投入高温炉中，在温度为900℃的条件下静置4h，出料冷却即得抗磨损耐候型碳滑板。

实施例3

氧化混合液的制备：

将竹片与稻草按质量比为5:1投入行星球磨机中，在转速为350r/min和球料比为10:1的条件下研磨40min，研磨后过100目筛得到混合物料，将混合物料投入蒸汽爆破罐中，向蒸汽爆破罐中充入温度为170℃的水蒸气，直至罐内气压升高至1.8MPa，恒温恒压静置60min，静置后打开汽爆罐罐口制得汽爆产物；

将上述汽爆产物与质量分数为9%的盐酸按质量比为1:10投入烧杯中，用搅拌器以350r/min的转速搅拌40min制得混合浆液，向烧杯中加入混合浆液质量1.2%的高锰酸钾粉末，继续用搅拌器以350r/min的转速搅拌40min制得氧化混合液；

热反应纤维的制备：

将上述氧化混合液投入抽滤机中抽滤得到滤渣，用蒸馏水清洗滤渣5次制得反应产物，将反应产物与质量分数为15%的氢氧化钠溶液按质量比为1:10投入反应釜中，将反应釜内温度升高至110℃，用搅拌器以120r/min的转速搅拌60min制得热反应液；

将上述热反应液与蒙脱土粉末按质量比为20:1投入搅拌釜中，在转速为700r/min的条件下搅拌20min制得混合物，将混合物投入三口烧瓶中，向三口烧瓶中滴加质量分数为8%的盐酸调节pH值至6.8，将三口烧瓶置于电阻加热套中，将加热套内温度升高至110℃，恒温静置80min制得反应浆液；

将上述反应浆液投入旋转蒸发仪中，在转速为240r/min和温度为70℃的条件下蒸发浓缩直至产物质量恒重制得浓缩产物，将浓缩产物投入马弗炉中，将马弗炉内温度升高至120℃，恒温预热80min，向马弗炉内充满氩气，再次升高炉内温度至270℃，高温处理2h研磨过50目筛制得热反应纤维；

抗磨损耐候型碳滑板的制备：

按重量份数计，将8份上述热反应纤维、0.4份α-氧化铝粉末、45份刚玉、1.6份酚醛树脂、1.0份单质硅粉投入搅拌釜中混合均匀投入模具中，将模具置于热压机中，在温度为240℃和压制压强为100MPa的条件下压制40min制得预制产物，将预制产物投入高温炉中，在温度为1000℃的条件下静置5h，出料冷却即得抗磨损耐候型碳滑板。

对比例1：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少氧化混合液。

对比例2：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少热反应纤维。

对比例3：深圳某公司生产的抗磨损耐候型碳滑板。

耐候性测试：将实施例和对比例中的碳滑板放置于下雨天的环境下，一星期后再测得碳滑板的电阻率。

洛氏硬度测试采用洛氏硬度测试仪进行检测。

抗折强度和冲击韧性测试按GB/T34572-2017标准进行检测。

表1：碳滑板性能测定结果

检测项目	实例1	实例2	实例3	对比例1	对比例2	对比例3
							电阻率（μΩ·m）	1.8	1.5	1.3	2.8	2.6	2.5
电阻率（μΩ·m）	2.2	1.8	1.6	4.5	4.4	4.0
							洛氏硬度（HR5/1470N）	115	120	122	80	85	92
抗折强度（MPa）	100	103	105	73	75	84
							冲击韧性（J/cm<sup>3</sup>）	0.63	0.66	0.68	0.42	0.45	0.53

综合上述，从表1可以看出本发明的碳滑板的电阻率低，导电性好，耐候性好，硬度高，抗折强度和冲击韧性好，机械强度和抗磨性好，具有广阔应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳方式，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。