JP4883374B2 - Method for producing metal graphite brush material for motor - Google Patents
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Description
本発明は、モータに用いる金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a metal graphite brush material used for a motor.
従来、ブラシ付きのモータに用いるブラシ材料として、黒鉛粒子と銅粒子とを接合溶剤を用いて混合し、焼成するモータ用金属黒鉛質ブラシ材料(例えば、特許文献1参照)が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a brush material used for a motor with a brush, a metal graphite brush material for a motor (for example, see Patent Document 1) in which graphite particles and copper particles are mixed using a bonding solvent and fired is known.
モータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の一例としては、フェノール樹脂溶解溶液をバインダーとして用いて天然黒鉛粒子を捏和し、所定形状に造粒した後、得られた黒鉛粒子にブラシに流す電流密度に応じた量の銅粉と必要量の固体潤滑剤とを混合し、この後、混合した粉体を所定形状に成形する。そして、得られた成形体は酸素を遮断した非酸化性雰囲気で焼成される。このような製造方法によって、黒鉛粒子の表面に被膜として形成したフェノール樹脂は炭化して非晶質炭素になり、黒鉛粒子を結合させる。還元焼成の過程において、フェノール樹脂溶解溶液を構成する酸素原子や水素原子は二酸化炭素や水蒸気として昇華するため、焼結体の表面及び内部には多数の気孔が形成される。 As an example of a method for producing a metallic graphite brush material for motors, a natural resin particle is kneaded using a phenol resin solution as a binder, granulated into a predetermined shape, and then a current passed through the brush to the obtained graphite particle. An amount of copper powder corresponding to the density and a required amount of solid lubricant are mixed, and then the mixed powder is formed into a predetermined shape. And the obtained molded object is baked in the non-oxidizing atmosphere which interrupted | blocked oxygen. By such a manufacturing method, the phenol resin formed as a film on the surface of the graphite particles is carbonized to become amorphous carbon, and the graphite particles are bonded. In the process of reduction firing, oxygen atoms and hydrogen atoms constituting the phenol resin solution are sublimated as carbon dioxide and water vapor, so that a large number of pores are formed on the surface and inside of the sintered body.
一般に、金属黒鉛質ブラシを用いたモータにおいては、金属黒鉛質ブラシが整流子に摺接し、ブラシから整流子へ、もしくは整流子からブラシへ給電がなされる。そして、整流子には、ロータに設けられるコアに巻回されたコイルが接続されコイルに対して通電がなされると、ロータはハウジング内部にロータと対向して配設された永久磁石との吸引力及び反発力によって回転する。 Generally, in a motor using a metal graphite brush, the metal graphite brush is in sliding contact with the commutator, and power is supplied from the brush to the commutator or from the commutator to the brush. When the coil wound around the core provided in the rotor is connected to the commutator and the coil is energized, the rotor is attracted to the permanent magnet disposed opposite the rotor inside the housing. Rotates by force and repulsive force.
金属黒鉛質ブラシ付きモータは、上記の動作原理で動作するため、モータ駆動時の金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接により金属黒鉛質ブラシが整流子との摺接面において磨耗するという問題があり、モータ駆動時の金属黒鉛質ブラシの磨耗を抑えるべく、これまで様々な検討がされている。 Since the motor with a metal graphite brush operates on the above-mentioned operating principle, the problem that the metal graphite brush is worn on the sliding contact surface with the commutator due to the sliding contact between the metal graphite brush and the commutator when the motor is driven. Various studies have been made so far in order to suppress the wear of the metallic graphite brush when the motor is driven.
この種の技術としては、金属黒鉛質ブラシの磨耗が整流子との摺接よる機械的磨耗の他に火花放電の電気的負荷による磨耗があることに着目し、黒鉛粒子の表面に互いに接触した銅粒子の群を担持させた金属黒鉛質ブラシ材料(例えば、特許文献2参照)が提案されている。この金属黒鉛質ブラシ材料は黒鉛粒子から誘起された電荷が伝導する導電通路を黒鉛粒子の表面に形成させることにより、火花放電を抑制し、火花放電による磨耗を抑えることができる。さらに、この金属黒鉛質ブラシ材料によれば、銅の微粒子化によって、銅微粒子から放出される電荷の数量が低減でき、これによって火花放電の電気的エネルギーが縮減されると共に、火花放電が発生する際の電気的ノイズレベルも低減することができる。 As this kind of technology, focusing on the wear of metal graphite brushes due to the electrical wear of spark discharge in addition to the mechanical wear due to sliding contact with the commutator, the surfaces of the graphite particles contacted each other. A metallic graphite brush material carrying a group of copper particles (see, for example, Patent Document 2) has been proposed. This metal graphite brush material can suppress spark discharge and wear due to spark discharge by forming on the surface of the graphite particle a conductive path through which charges induced from the graphite particle are conducted. Furthermore, according to this metal graphite brush material, the quantity of electric charges released from the copper fine particles can be reduced by making the copper fine particles, thereby reducing the electrical energy of the spark discharge and generating the spark discharge. The electrical noise level at the time can also be reduced.
このような金属黒鉛質ブラシ材料は、銅錯体の溶液を黒鉛粒子の表面に塗布し、塗膜を黒鉛粒子の表面に形成させ、この黒鉛粒子を成形して成形体を形成させた後、この成形体を酸素含有雰囲気で焼成し、さらに還元雰囲気において熱処理することにより製造することができる。
しかし、一般に黒鉛粒子は疎水性であるため、黒鉛粒子の表面に互いに接触した銅粒子の群を担持させた金属黒鉛質ブラシ材料を作製する場合に、これまでの銅錯体の溶液を黒鉛粒子に塗布する金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法では、黒鉛粒子の表面に銅錯体の溶液が付着し難いという問題があった。このため、塗膜を黒鉛粒子の表面に均一に形成させ難くなり、黒鉛粒子の表面において銅粒子が疎に形成される場合があった。 However, since graphite particles are generally hydrophobic, when preparing a metal graphite brush material carrying a group of copper particles in contact with each other on the surface of the graphite particles, the conventional copper complex solution is used as the graphite particles. In the manufacturing method of the metal graphite brush material to apply | coat, there existed a problem that the solution of a copper complex did not adhere easily to the surface of a graphite particle. For this reason, it becomes difficult to form a coating film uniformly on the surface of the graphite particles, and copper particles may be formed loosely on the surface of the graphite particles.
一方、黒鉛粒子の表面を、銅錯体の溶液となじみの良い親水性に改質することも試みられているが、その改質の度合いによって、銅粒子の形成密度が変わるため、その効果は不十分であった。すなわち、黒鉛粒子の改質が部分的である場合には、改質された部分にのみ銅粒子が形成され、黒鉛粒子の表面における銅粒子の形成密度が低下していた。このため、火花放電のエネルギーの縮減度が低下し、火花放電に伴う電気ノイズの低減度合いと、金属黒鉛質ブラシのアブレッシブ磨耗の低減度合いが減少するという問題があった。 On the other hand, attempts have been made to modify the surface of graphite particles to hydrophilicity that is compatible with the solution of the copper complex, but the effect is not effective because the formation density of the copper particles varies depending on the degree of modification. It was enough. That is, when the modification of the graphite particles is partial, the copper particles are formed only in the modified part, and the formation density of the copper particles on the surface of the graphite particles is lowered. For this reason, there has been a problem that the degree of reduction of the energy of the spark discharge is reduced, and the degree of reduction of electrical noise accompanying the spark discharge and the degree of reduction of the abrasive wear of the metal graphite brush are reduced.
本発明は上記問題に鑑み案出されたものであり、黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく形成することができるモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a metallic graphite brush material for motors capable of uniformly forming copper particles on the surface of graphite particles. .
上記目的を達成するための本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシの製造方法の第1特徴手段は、黒鉛粒子に銅錯体を有する溶液を接触させて前記銅錯体を付着させる付着工程と、前記銅錯体が付着した前記黒鉛粒子を酸素含有雰囲気で熱処理することにより、前記銅錯体を分解し、前記黒鉛粒子の表面に銅粒子を形成させる熱処理工程と、前記銅粒子を形成した前記黒鉛粒子を成形して成形体を形成する成形工程と、前記成形体を還元雰囲気で焼成し、焼結体を形成すると共に、前記熱処理工程において前記銅粒子の表層に生成した酸化銅を銅に還元する還元焼成工程とを備え、前記付着工程において、前記溶液に加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物を含有させてある点にある。 In order to achieve the above object, the first feature means of the method for producing a metallic graphite brush for motors according to the present invention includes an attaching step of bringing the copper complex into contact by bringing a solution having a copper complex into contact with graphite particles, A heat treatment step of decomposing the copper complex by forming a copper particle on the surface of the graphite particle by heat-treating the graphite particle to which the copper complex is attached in an oxygen-containing atmosphere, and the graphite particle having the copper particle formed thereon A forming step of forming a formed body by molding, and a reduction in which the formed body is fired in a reducing atmosphere to form a sintered body and the copper oxide generated on the surface layer of the copper particles in the heat treatment step is reduced to copper And a baking step, and in the attaching step, the solution contains an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair.
つまり、この手段によれば、付着工程において、銅錯体の溶液に加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物を含有させることにより、有機金属化合物は次の2つの作用をもたらす。一つの作用は有機官能基によるものであり、有機官能基は、非共有電子対の酸化作用により黒鉛粒子に結合した疎水性の官能基を解離させると共に、黒鉛粒子に配位もしくはファンデルワールス力等によって有機金属化合物を結合させる。もう一つの作用は加水分解性基または水酸基によるものであり、加水分解性基または水酸基は黒鉛粒子の表面を親水化させる。これらの作用により、黒鉛粒子の表面に均一に銅錯体を付着させることができ、この黒鉛粒子を熱処理工程で熱処理することにより黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく、形成させることができる。 That is, according to this means, in the adhesion step, the organometallic compound is added to the copper complex solution by adding an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair. The following two effects are brought about. One function is due to the organic functional group. The organic functional group dissociates the hydrophobic functional group bonded to the graphite particle by the oxidation action of the lone pair, and coordinates or van der Waals force on the graphite particle. The organometallic compound is bound by such as. Another function is due to the hydrolyzable group or hydroxyl group, and the hydrolyzable group or hydroxyl group hydrophilizes the surface of the graphite particles. By these actions, the copper complex can be uniformly attached to the surface of the graphite particles, and the copper particles can be uniformly formed on the surface of the graphite particles by heat-treating the graphite particles in the heat treatment step.
したがって、本発明に係る金属黒鉛質ブラシ材料を用いた金属黒鉛質ブラシでは、金属黒鉛質ブラシの損傷と整流子の損傷が低減されるため、磨耗量を低減させることができる。また、火花放電の電気的エネルギーを縮減でき、火花放電が発生する際の電気的ノイズレベルを低減することができる。 Therefore, in the metal graphite brush using the metal graphite brush material according to the present invention, the damage of the metal graphite brush and the damage of the commutator are reduced, so that the amount of wear can be reduced. In addition, the electrical energy of the spark discharge can be reduced, and the electrical noise level when the spark discharge occurs can be reduced.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第2特徴手段は、前記有機金属化合物は、シラン化合物である点にある。 The 2nd characteristic means of the manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors which concerns on this invention exists in the point whose said organometallic compound is a silane compound.
つまり、この手段によれば、有機金属化合物として、シラン化合物を用いることにより、黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく形成することができるモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の好適な実施形態が提供される。 That is, according to this means, by using a silane compound as the organometallic compound, a preferred embodiment of a method for producing a metallic graphite brush material for motors capable of uniformly forming copper particles on the surface of graphite particles. Provided.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第3特徴手段は、前記加水分解性基は、アルコキシ基である点にある。 The 3rd characteristic means of the manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors which concerns on this invention is that the said hydrolysable group is an alkoxy group.
つまり、この手段によれば、加水分解性基としてアルコキシ基を適用し、加水分解反応、縮合反応させることより、有機金属化合物同士を容易に互いに架橋させることができる。これによって、黒鉛粒子との結合部位である非共有電子対を増やすことができ、有機金属化合物と黒鉛粒子との結合力を高くすることができる。そして、架橋された有機金属化合物は親水性であるため、有機金属化合物が架橋することによって黒鉛粒子の表面を親水性の物質で覆うことになり、これにより黒鉛粒子の表面の親水化を促進することができる。 That is, according to this means, the organometallic compound can be easily cross-linked with each other by applying an alkoxy group as the hydrolyzable group and causing a hydrolysis reaction or a condensation reaction. As a result, the number of unshared electron pairs that are binding sites with the graphite particles can be increased, and the binding force between the organometallic compound and the graphite particles can be increased. Since the crosslinked organometallic compound is hydrophilic, the surface of the graphite particles is covered with a hydrophilic substance when the organometallic compound is crosslinked, thereby promoting the hydrophilicity of the surface of the graphite particles. be able to.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第4特徴手段は、前記有機官能基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子のうち少なくとも1種のヘテロ原子を有する点にある。 The 4th characteristic means of the manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors which concerns on this invention exists in the point in which the said organic functional group has at least 1 sort (s) of hetero atom among an oxygen atom, a nitrogen atom, and a sulfur atom.
つまり、この手段によれば、有機官能基として酸素原子、窒素原子、硫黄原子のうち少なくとも1種のヘテロ原子を有する有機金属化合物を用いることにより、黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく形成することができるモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の好適な実施形態が提供される。 That is, according to this means, copper particles can be uniformly formed on the surface of graphite particles by using an organometallic compound having at least one hetero atom among oxygen, nitrogen and sulfur atoms as an organic functional group. A preferred embodiment of a method for producing a metallic graphite brush material for a motor that can be used is provided.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第5特徴手段は、前記有機官能基は、複素環基を有する点にある。 The fifth characteristic means of the method for producing a metallic graphite brush material for motors according to the present invention is that the organic functional group has a heterocyclic group.
つまり、この手段によれば、複素環基は黒鉛粒子と配位もしくはファンデルワールス力等によって結合すると共に、銅イオンと錯形成するため、銅錯体に対する黒鉛粒子の付着性を向上させることができる。 That is, according to this means, the heterocyclic group is bonded to the graphite particles by coordination or van der Waals force and complexed with copper ions, so that the adhesion of the graphite particles to the copper complex can be improved. .
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第6特徴手段は、前記複素環基は、イミダゾール基である点にある。 The 6th characteristic means of the manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors which concerns on this invention exists in the point whose said heterocyclic group is an imidazole group.
つまり、この手段によれば、複素環基としてイミダゾール基を適用することにより、黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく形成することができるモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の好適な実施形態が提供される。 That is, according to this means, there is a preferred embodiment of a method for producing a metallic graphite brush material for motors that can uniformly form copper particles on the surface of graphite particles by applying an imidazole group as a heterocyclic group. Provided.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の第7特徴手段は、前記溶液に、エーテル型非イオン界面活性剤をさらに含有させてある点にある。 The seventh characteristic means of the method for producing a metallic graphite brush material for motors according to the present invention is that the solution further contains an ether type nonionic surfactant.
つまり、この手段によれば、溶液にエーテル型非イオン界面活性剤を含有させることにより、エーテル型非イオン界面活性剤の酸素原子が有する非共有電子対が、黒鉛粒子に結合した疎水性の官能基を酸化して解離させると共に、黒鉛粒子に配位もしくはファンデルワールス力等によりエーテル型非イオン界面活性剤を結合させて、黒鉛粒子の表面を親水化することができる。このため、黒鉛粒子に接触させる溶液に、エーテル型非イオン界面活性剤を加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物と共に含有させることにより、黒鉛粒子の表面の親水度を高めて銅錯体を黒鉛粒子の表面に均一に付着させることができる。 In other words, according to this means, by adding an ether type nonionic surfactant to the solution, the non-shared electron pair possessed by the oxygen atom of the ether type nonionic surfactant is bonded to the hydrophobic functional group. The surface of the graphite particle can be hydrophilized by oxidizing and dissociating the group and bonding an ether type nonionic surfactant to the graphite particle by coordination or van der Waals force. Therefore, by adding an ether type nonionic surfactant together with an organic metal compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having a lone pair to the solution brought into contact with the graphite particle, The hydrophilicity of the surface can be increased and the copper complex can be uniformly attached to the surface of the graphite particles.
本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法は、黒鉛粒子に銅錯体を有する溶液を接触させて前記銅錯体を付着させる付着工程と、前記銅錯体が付着した前記黒鉛粒子を酸素含有雰囲気で熱処理することにより、前記銅錯体を分解し、前記黒鉛粒子の表面に銅粒子を形成させる熱処理工程と、前記銅粒子を形成した前記黒鉛粒子を成形して成形体を形成する成形工程と、前記成形体を還元雰囲気で焼成し、焼結体を形成すると共に、前記熱処理工程において前記銅粒子の表層に生成した酸化銅を銅に還元する還元焼成工程とを備え、前記付着工程において、前記溶液に加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物を含有させてあるものである。 The method for producing a metallic graphite brush material for a motor according to the present invention includes an adhesion step in which a solution having a copper complex is brought into contact with graphite particles to adhere the copper complex, and the graphite particles to which the copper complex is adhered contain oxygen. A heat treatment step in which the copper complex is decomposed by heat treatment in an atmosphere to form copper particles on the surface of the graphite particles; and a molding step in which the graphite particles on which the copper particles are formed are formed to form a compact. And firing the molded body in a reducing atmosphere to form a sintered body, and including a reduction firing process for reducing the copper oxide generated on the surface layer of the copper particles in the heat treatment process to copper, in the adhesion process, The solution contains an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair.
一般に、黒鉛粒子は炭素原子が環状に共有結合したものがファンデルワールス力によって層状に結合した結晶構造を有しており、このような黒鉛粒子の結晶子の末端の炭素原子には、−H,=O,−COOH等の官能基が結合している。このため黒鉛粒子は疎水性となり、また水に対する接触角が86度であるように撥水性も有する。本発明者は、黒鉛粒子の炭素原子に結合している官能基を、酸化することによって黒鉛粒子から解離できることに着目した。そして、黒鉛粒子の表面に銅錯体を付着させる際に、銅錯体と加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物とを有する溶液に接触させることにより、黒鉛粒子の表面に均一に銅錯体を付着できることを見出した。すなわち、有機金属化合物は、その有機官能基の非共有電子対の酸化作用により黒鉛粒子の表面から官能基を解離させると共に黒鉛粒子に配位もしくはファンデルワールス力等によって結合し、有機金属化合物の加水分解性基または水酸基の作用によって黒鉛粒子の表面を親水化させることができる。 In general, graphite particles have a crystal structure in which carbon atoms are covalently bonded in a ring shape in a layered manner by van der Waals force. The carbon atoms at the ends of the crystallites of such graphite particles include -H , ═O, —COOH and other functional groups are bonded. For this reason, the graphite particles become hydrophobic and have water repellency so that the contact angle with water is 86 degrees. The present inventor has paid attention to the fact that the functional group bonded to the carbon atom of the graphite particle can be dissociated from the graphite particle by oxidation. And, when attaching the copper complex to the surface of the graphite particles, by contacting with a solution having a copper complex and an organometallic compound comprising a hydrolyzable group or an organic functional group having a hydroxyl group and an unshared electron pair, It was found that the copper complex can be uniformly attached to the surface of the graphite particles. That is, the organometallic compound dissociates the functional group from the surface of the graphite particle by the oxidation action of the lone pair of the organic functional group, and binds to the graphite particle by coordination or van der Waals force. The surface of the graphite particles can be made hydrophilic by the action of a hydrolyzable group or a hydroxyl group.
この方法によれば、付着工程において、黒鉛粒子の表面に均一に銅錯体を付着させることができる。このため、この黒鉛粒子を熱処理工程で熱処理することにより黒鉛粒子の表面に銅粒子を満遍なく形成させることができる。 According to this method, the copper complex can be uniformly attached to the surface of the graphite particles in the attaching step. For this reason, copper particles can be uniformly formed on the surface of the graphite particles by heat-treating the graphite particles in a heat treatment step.
一般に、金属黒鉛質ブラシと整流子との摺接面における接触点は極少数である。このため、両者の摺接面の大部分は大気が媒体となる。これにより、摺接面の大部分が微小な大気の間隙になるので、金属黒鉛質ブラシに電位が印加されると、金属黒鉛質ブラシに高電界が誘起されて、黒鉛粒子の価電子を構成するπ電子が励起される。励起されたπ電子は黒鉛粒子の近くに存在する相対的に低電位である銅粒子に一斉に移動する。銅粒子は移動してきたπ電子を蓄積することができないためπ電子を一斉に放出する。この現象が火花放電現象となる。そして、この火花放電によって、火花放電の核になる銅粒子が局所的に昇華し、ブラシ内部における破壊が起こる。また、火花放電は整流子に到達するものもあり、整流子に達した火花は、整流子の表面が局所的に昇華し、整流子の表面状態が変わることで、金属黒鉛質ブラシのアブレッシブ磨耗が起こる。 Generally, there are very few contact points on the sliding contact surface between the metal graphite brush and the commutator. For this reason, air is the medium for most of the sliding contact surfaces of both. As a result, most of the sliding surface becomes a minute air gap, so when a potential is applied to the metal graphite brush, a high electric field is induced in the metal graphite brush, and the valence electrons of the graphite particles are formed. Π electrons are excited. The excited π electrons move all at once to the relatively low-potential copper particles present near the graphite particles. Since copper particles cannot accumulate π electrons that have moved, they emit π electrons all at once. This phenomenon is a spark discharge phenomenon. And by this spark discharge, the copper particle used as the nucleus of a spark discharge locally sublimes, and destruction in a brush occurs. In addition, some spark discharges reach the commutator, and the spark that reaches the commutator locally sublimes the commutator surface and changes the surface state of the commutator. Happens.
そこで、本発明に係る金属黒鉛質ブラシ材料を用いた金属黒鉛質ブラシでは、金属黒鉛質ブラシ材料に銅粒子を高密度に形成させることにより、黒鉛粒子から発し銅粒子に集積するπ電子の数が銅粒子の大きさと銅粒子の数量とに応じて分散化されて減少する。この現象によって、一つの銅粒子から放出される火花放電のエネルギーが縮減される。こうして、金属黒鉛質ブラシの損傷と整流子の損傷とが低減され、金属黒鉛質ブラシの磨耗量を低減させることができる。また、火花放電のエネルギーが縮減できるので、火花放電に伴う電気ノイズも銅粒子の大きさと銅粒子の数量とに応じて縮減され、火花放電に伴う電気ノイズ対策が不要となる。 Therefore, in the metal graphite brush using the metal graphite brush material according to the present invention, the number of π electrons emitted from the graphite particles and accumulated on the copper particles by forming the copper particles in the metal graphite brush material at a high density. Is dispersed and reduced according to the size of the copper particles and the quantity of the copper particles. By this phenomenon, the energy of the spark discharge emitted from one copper particle is reduced. Thus, damage to the metal graphite brush and commutator can be reduced, and the amount of wear of the metal graphite brush can be reduced. Further, since the energy of the spark discharge can be reduced, the electric noise associated with the spark discharge is also reduced according to the size of the copper particles and the quantity of the copper particles, and the countermeasure against the electric noise accompanying the spark discharge becomes unnecessary.
モータ用金属黒鉛質ブラシ材料は、図1に示すように、付着工程S1、熱処理工程S2、成形工程S3、還元焼成工程S4を経ることにより、作製することができる。以下、本発明に係るモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の各工程について詳述する。 As shown in FIG. 1, the metal graphite brush material for motors can be manufactured through an adhesion step S <b> 1, a heat treatment step S <b> 2, a molding step S <b> 3, and a reduction firing step S <b> 4. Hereinafter, each process of the manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors concerning this invention is explained in full detail.
(付着工程S1)
付着工程S1は、黒鉛粒子に銅錯体を付着させる工程である。具体的には、銅錯体と、加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物とを含有する溶液を黒鉛粒子に接触させることにより、黒鉛粒子に銅錯体を付着させる。黒鉛粒子を溶液に接触させる方法は、特に限定されず、浸漬、塗布、噴霧等、従来公知の方法を適用することができる。(Adhesion process S1)
The attachment step S1 is a step of attaching a copper complex to the graphite particles. Specifically, by bringing a solution containing a copper complex and an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair into contact with the graphite particles, the graphite complex is brought into contact with the graphite complex. To attach. The method for bringing the graphite particles into contact with the solution is not particularly limited, and conventionally known methods such as dipping, coating, spraying, and the like can be applied.
黒鉛粒子に付着させる銅錯体は、特に限定されないが、例えば、合成が容易で、また、有機溶媒に溶解し易く、かつ比較的低温度で熱分解するカルボン酸銅錯体等を用いることが好ましい。カルボン酸銅錯体は、銅化合物とカルボン酸との液相反応により作製することができる。銅化合物としては、塩化銅、硫酸銅、炭酸銅等が例示され、カルボン酸としては、ブタン酸、オクタン酸等の直鎖飽和モノカルボン酸や、直鎖飽和ジカルボン酸、鎖状飽和モノカルボン酸、鎖状不飽和モノカルボン酸、鎖状不飽和ジカルボン酸、芳香族カルボン酸等が例示される。中でも、カルボン酸として直鎖飽和モノカルボン酸を用いた直鎖飽和モノカルボン酸銅錯体が特に好ましい。直鎖飽和モノカルボン酸銅錯体は、他のカルボン酸銅錯体に比べて熱分解温度が150℃以下と低いため、熱処理工程S2において銅粒子を300〜350℃の比較的低い温度で形成することができる。このように、銅錯体として直鎖飽和モノカルボン酸銅錯体を用いることで、他のカルボン酸銅錯体の中でも特に低い温度で熱分解できる。この結果、熱処理工程S2における熱処理は、銅粒子への成長を抑制することができる温度領域で行うことができる。銅錯体を溶解する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、1−ブタノール等を用いることができる。 The copper complex to be attached to the graphite particles is not particularly limited. For example, it is preferable to use a carboxylic acid copper complex that is easily synthesized, easily dissolved in an organic solvent, and thermally decomposed at a relatively low temperature. The carboxylic acid copper complex can be prepared by a liquid phase reaction between a copper compound and a carboxylic acid. Examples of the copper compound include copper chloride, copper sulfate, and copper carbonate. Examples of the carboxylic acid include linear saturated monocarboxylic acids such as butanoic acid and octanoic acid, linear saturated dicarboxylic acids, and linear saturated monocarboxylic acids. And chain unsaturated monocarboxylic acid, chain unsaturated dicarboxylic acid, aromatic carboxylic acid and the like. Among these, a linear saturated monocarboxylic acid copper complex using a linear saturated monocarboxylic acid as a carboxylic acid is particularly preferable. Since the linear saturated monocarboxylic acid copper complex has a thermal decomposition temperature as low as 150 ° C. or lower compared with other carboxylic acid copper complexes, the copper particles are formed at a relatively low temperature of 300 to 350 ° C. in the heat treatment step S2. Can do. Thus, by using a linear saturated monocarboxylic acid copper complex as a copper complex, it can be thermally decomposed at a particularly low temperature among other carboxylic acid copper complexes. As a result, the heat treatment in the heat treatment step S2 can be performed in a temperature region in which growth to copper particles can be suppressed. As a solvent for dissolving the copper complex, water, methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol and the like can be used.
加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物は、シラン化合物、チタン化合物、アルミニウム化合物等が例示され、特に限定されないが、中でもシラン化合物は比較的安価であり、取扱いが容易であるため特に好ましい。 Examples of the organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair include silane compounds, titanium compounds, aluminum compounds, and the like, and are not particularly limited. Among them, silane compounds are relatively inexpensive. It is particularly preferable because it is easy to handle.
有機官能基は非共有電子対を有するものであれば、非共有電子対の数に制限はなく、例えば、酸素原子、窒素原子、硫黄原子等のヘテロ原子を有するものを用いることができる。また有機官能基は複素環基を有することが好ましく、この複素環基が黒鉛粒子と配位もしくはファンデルワールス力等によって結合すると共に、銅イオンと錯形成するため、銅錯体に対する黒鉛粒子の付着性を向上させることができる。複素環基としては特に限定されず、ピロール基、フラン基、チオフェン基、イミダゾール基、オキサゾール基、チアゾール基、ピリジン基、ピリミジン基、ピラジン基、ピペラジン基等が例示される。 As long as the organic functional group has an unshared electron pair, the number of unshared electron pairs is not limited, and for example, an organic functional group having a hetero atom such as an oxygen atom, a nitrogen atom, or a sulfur atom can be used. In addition, the organic functional group preferably has a heterocyclic group, and this heterocyclic group binds to the graphite particles by coordination or van der Waals force and also forms a complex with copper ions. Can be improved. The heterocyclic group is not particularly limited, and examples thereof include a pyrrole group, a furan group, a thiophene group, an imidazole group, an oxazole group, a thiazole group, a pyridine group, a pyrimidine group, a pyrazine group, and a piperazine group.
加水分解性基は、メトキシ基、エトキシ基、メトキシエトキシ基等のアルコキシ基、ハロゲン基、アセトキシ基、アシルオキシ基等、加水分解性の官能基であれば任意に選択可能である。例えば、アルコキシ基は加水分解反応、縮合反応により、有機金属化合物同士を容易に互いに架橋させることができる。これによって、黒鉛粒子との結合部位である非共有電子対を増やすことができ、有機金属化合物と黒鉛粒子との結合力を高くすることができるため好ましい。また、架橋された有機金属化合物は親水性であり、有機金属化合物が架橋することによって黒鉛粒子の表面を親水性の物質で覆うことになるため、黒鉛粒子の表面の親水化という観点からも好ましい。 The hydrolyzable group can be arbitrarily selected as long as it is a hydrolyzable functional group such as an alkoxy group such as a methoxy group, an ethoxy group, or a methoxyethoxy group, a halogen group, an acetoxy group, or an acyloxy group. For example, an alkoxy group can easily crosslink organic metal compounds with each other by a hydrolysis reaction or a condensation reaction. This is preferable because the number of unshared electron pairs that are bonding sites with the graphite particles can be increased, and the bonding force between the organometallic compound and the graphite particles can be increased. Further, the crosslinked organometallic compound is hydrophilic, and the surface of the graphite particles is covered with a hydrophilic substance when the organometallic compound is crosslinked, which is preferable from the viewpoint of hydrophilizing the surface of the graphite particles. .
加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物としては、化1、化2に示すように、イミダゾール基とシリル基とをメチレン鎖、酸素原子、窒素原子等で結合したイミダゾールシラン化合物や、化3に一例を示すように従来公知のシラン系カップリング剤が例示される。 As an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair, as shown in Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, an imidazole group and a silyl group are converted into a methylene chain, an oxygen atom, and a nitrogen atom. For example, conventionally known silane coupling agents are exemplified as shown in Chemical Formula 3 and imidazole silane compounds bonded by the like.
イミダゾールシラン化合物は、化1、化2においてR1〜R6は、水素、アルキル基、アルコキシ基等の従来公知の官能基であり、R4〜R6のうち少なくとも1つはアルコキシ基等の加水分解性基または水酸基である。このようなイミダゾールシラン化合物としては、R4〜R6のうち2つまたは3つがメトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基であるジアルコキシシリル基やトリアルコキシシリル基を有するものが好ましい。例えば、トリアルコキシシリル基を有するイミダゾールシラン化合物を用いた場合には、図2に示すように、イミダゾールシラン化合物同士がシラノール結合によるネットワークを形成すると共に、イミダゾール基が銅イオンと錯形成しつつ黒鉛粒子と配位もしくはファンデルワールス力等により結合することにより、銅錯体に対する黒鉛粒子の付着性を向上させることができる。また、イミダゾールシラン化合物は、化2に示すように2級水酸基を有することが好ましい。このような水酸基は、イミダゾールシラン化合物の親水度をより高め、水酸基の水素結合によって架橋構造をより強固にすることができる。なお、このようなイミダゾールシラン化合物の熱分解温度は300〜350℃であり、銅を含有する場合には銅が熱分解反応の触媒作用をもたらすため熱分解温度は300℃以下となる。このため、イミダゾールシラン化合物は熱処理工程S2において熱分解され、金属黒鉛質ブラシ材料を作製後にイミダゾールシラン化合物が熱分解された低分子量物質が残存して悪影響を及ぼすことはない。In the imidazole silane compound, in R 1 and R 2, R 1 to R 6 are conventionally known functional groups such as hydrogen, an alkyl group, and an alkoxy group, and at least one of R 4 to R 6 is an alkoxy group or the like. It is a hydrolyzable group or a hydroxyl group. As such an imidazole silane compound, those in which two or three of R 4 to R 6 have a dialkoxysilyl group or trialkoxysilyl group, which is an alkoxy group such as a methoxy group or an ethoxy group, are preferable. For example, when an imidazolesilane compound having a trialkoxysilyl group is used, as shown in FIG. 2, the imidazolesilane compounds form a network based on silanol bonds, and the imidazole group forms a complex with copper ions while forming a graphite. By bonding to the particles by coordination or van der Waals force, the adhesion of the graphite particles to the copper complex can be improved. Further, the imidazolesilane compound preferably has a secondary hydroxyl group as shown in Chemical Formula 2. Such a hydroxyl group can further enhance the hydrophilicity of the imidazolesilane compound, and can further strengthen the cross-linked structure by hydrogen bonding of the hydroxyl group. In addition, the thermal decomposition temperature of such an imidazole silane compound is 300-350 degreeC, and since copper brings about the catalytic action of a thermal decomposition reaction when it contains copper, a thermal decomposition temperature will be 300 degrees C or less. For this reason, the imidazole silane compound is thermally decomposed in the heat treatment step S2, and a low molecular weight substance obtained by thermally decomposing the imidazole silane compound after producing the metal graphite brush material does not adversely affect.
付着工程S1において、黒鉛粒子に接触させる溶液にはエーテル型非イオン界面活性剤をさらに含有させることができる。エーテル型非イオン界面活性剤は酸素原子を有しており、この酸素原子が有する非共有電子対の酸化作用により黒鉛粒子の表面から官能基を解離させると共に、図3に示すように黒鉛粒子に配位もしくはファンデルワールス力等によりエーテル型非イオン界面活性剤を結合させて、黒鉛粒子の表面を親水化することができる。このため、黒鉛粒子に接触させる溶液に、エーテル型非イオン界面活性剤を、加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物と共に含有させることにより、黒鉛粒子の表面の親水度をさらに高めることができる。この結果、銅錯体を黒鉛粒子のより広い表面に均一に付着させることができる。また、有機金属化合物とエーテル型非イオン界面活性剤とを溶液に添加する際には、同時に添加してもよく、段階的に添加してもよい。これらの化合物を段階的に溶液に添加する場合には、添加順序は特に限定されないが、一方を溶液に添加し、溶液と黒鉛粒子とを十分になじませた後、他方を添加するとよい。例えば、エーテル型非イオン界面活性剤を先に溶液に添加すると、エーテル型非イオン界面活性剤は黒鉛粒子の表面に結合し、その後に添加した有機金属化合物が黒鉛粒子の表面に結合したエーテル型非イオン界面活性剤と反応するため、黒鉛粒子の表面の親水度を高めることができる。 In the attaching step S1, the solution brought into contact with the graphite particles can further contain an ether type nonionic surfactant. The ether type nonionic surfactant has an oxygen atom, dissociates the functional group from the surface of the graphite particle by the oxidation action of the unshared electron pair of the oxygen atom, and also converts the functional group into the graphite particle as shown in FIG. The surface of the graphite particles can be hydrophilized by binding an ether type nonionic surfactant by coordination or van der Waals force. For this reason, graphite particles can be obtained by containing an ether type nonionic surfactant together with an organometallic compound having a hydrolyzable group or a hydroxyl group and an organic functional group having an unshared electron pair in a solution to be brought into contact with the graphite particles. The hydrophilicity of the surface of can be further increased. As a result, the copper complex can be uniformly attached to the wider surface of the graphite particles. In addition, when the organometallic compound and the ether type nonionic surfactant are added to the solution, they may be added simultaneously or stepwise. When these compounds are added stepwise to the solution, the order of addition is not particularly limited, but after adding one to the solution and thoroughly blending the solution and the graphite particles, the other may be added. For example, when an ether type nonionic surfactant is first added to the solution, the ether type nonionic surfactant is bonded to the surface of the graphite particles, and then the added organometallic compound is bonded to the surface of the graphite particles. Since it reacts with the nonionic surfactant, the hydrophilicity of the surface of the graphite particles can be increased.
例えば、アルコキシ基を有するイミダゾールシラン化合物とエーテル型非イオン界面活性剤とを含有する溶液を用いる場合には、それぞれが黒鉛粒子と結合するだけでなく、イミダゾールシラン化合物のアルコキシシリル基とエーテル型非イオン界面活性剤のポリエーテル鎖とが反応することにより、黒鉛粒子の銅錯体に対する付着性を相乗的に高めることができる。 For example, when a solution containing an imidazole silane compound having an alkoxy group and an ether type nonionic surfactant is used, each of the solutions not only binds to graphite particles, but also the alkoxy silyl group of the imidazole silane compound and the ether type non-ionic surfactant. By reacting with the polyether chain of the ionic surfactant, it is possible to synergistically enhance the adhesion of the graphite particles to the copper complex.
エーテル型非イオン界面活性剤は、特に限定されないが、化4、化5に示すようにポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤等、従来公知のエーテル型非イオン界面活性剤を適用することができる。ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤を用いる場合には、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤1モル当りに付加したアルキレンオキサイドの平均付加モル数は5以上であることが好ましく、7以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましい。すなわち、アルキレンオキサイドの平均付加モル数が多くなるほど、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤が有する非共有電子対の数が増えるため酸化作用が増大する。これにより、黒鉛粒子に結合した官能基をより解離させ易くなり、かつ黒鉛粒子を親水化し易くなる。また、アルキレンオキサイドの平均付加モル数が多いほど、非イオン界面活性剤自体の親水性が高まるため、銅錯体を溶解する溶媒に対して溶解し易くなる。 The ether type nonionic surfactant is not particularly limited, but a conventionally known ether type nonionic surfactant such as polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant as shown in Chemical Formula 4 or Chemical Formula 5 is applied. Can do. When a polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant is used, the average added mole number of alkylene oxide added per mole of the polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant is preferably 5 or more, It is more preferably 7 or more, and further preferably 10 or more. That is, as the average added mole number of alkylene oxide increases, the number of unshared electron pairs possessed by the polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant increases, so that the oxidation action increases. This makes it easier to dissociate the functional group bonded to the graphite particles and to make the graphite particles hydrophilic. Moreover, since the hydrophilicity of nonionic surfactant itself increases so that there are many average addition mole numbers of alkylene oxide, it becomes easy to melt | dissolve with respect to the solvent which melt | dissolves a copper complex.
また、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤では、アルキレンオキサイドの平均付加モル数が多くなると、1−ブタノール等の溶媒への溶解度が低下する。このため、アルキレンオキサイドの平均付加モル数が多いポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤を使用する場合には、1−ブタノール等の溶媒に対する溶解度を向上させるため、溶液の温度を上げて使用することが好ましい。例えば、アルキレンオキサイドの平均付加モル数が20のポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤を溶媒に溶解させるには、50℃程度まで昇温すればよい。この場合、1−ブタノールは沸点が117℃であり、溶媒として好ましく適用することができる。一方、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤の溶液を常温で使用する場合には、黒鉛粒子に結合した官能基に対する酸化力と、溶媒に対する溶解度との観点から、アルキレンオキサイドの平均付加モル数は、5〜15であることが好ましく、7〜12であることがより好ましい。ポリオキシアルキレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤等を選択することができる。 Moreover, in the polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant, the solubility in a solvent such as 1-butanol decreases as the average number of added moles of alkylene oxide increases. For this reason, when using a polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant having a large average number of added moles of alkylene oxide, the temperature of the solution is increased to improve the solubility in a solvent such as 1-butanol. It is preferable to do. For example, in order to dissolve a polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant having an average addition mole number of alkylene oxide of 20 in a solvent, the temperature may be raised to about 50 ° C. In this case, 1-butanol has a boiling point of 117 ° C. and can be preferably applied as a solvent. On the other hand, when a polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant solution is used at room temperature, the average addition mole of alkylene oxide is considered from the viewpoint of the oxidizing power for the functional group bonded to the graphite particles and the solubility in the solvent. The number is preferably 5 to 15, and more preferably 7 to 12. As the polyoxyalkylene alkyl ether type nonionic surfactant, for example, a polyoxyethylene alkyl ether type nonionic surfactant, a polyoxypropylene alkyl ether type nonionic surfactant and the like can be selected.
(熱処理工程S2)
熱処理工程S2は、銅錯体が付着した黒鉛粒子を酸素含有雰囲気で熱処理する工程である。この工程により、銅錯体を熱分解し、黒鉛粒子の表面に銅粒子を形成させる。なお、酸素含有雰囲気としては、大気雰囲気、富酸素雰囲気、酸素雰囲気等、任意に採用でき、特に限定されるものではない。(Heat treatment step S2)
The heat treatment step S2 is a step of heat-treating the graphite particles to which the copper complex is attached in an oxygen-containing atmosphere. By this step, the copper complex is thermally decomposed to form copper particles on the surface of the graphite particles. The oxygen-containing atmosphere can be arbitrarily selected from an air atmosphere, an oxygen-rich atmosphere, an oxygen atmosphere, and the like, and is not particularly limited.
この熱処理工程S2において、黒鉛粒子の表面に付着した銅錯体は150℃以下で熱分解し、銅原子が分離する。そして、分離した銅原子は銅分子になり、さらに昇温することで銅粒子に成長する。一方、熱処理温度が高くなり過ぎると、銅粒子に成長する成長度が過度になり、成長し過ぎた銅粒子は、銅粒子が存在しない領域が部分的に散在する不連続な網目構造を形成する。こうして、銅粒子の成長が進みすぎると、銅が欠落した領域が多くなり、銅粒子は点在した島状の構造となる。このような観点から、熱処理温度は、300〜500℃であることが好ましい。特に、銅粒子の成長を抑制し、黒鉛粒子の表面に銅粒子をより高密度に形成するためには、300℃に近いほど好ましい。これにより、黒鉛粒子から発し銅粒子に集積するπ電子がより分散化され、銅粒子から放出されるπ電子の数がより低減するため、火花放電の際のエネルギーがより縮減される。したがって、300℃で熱処理することが特に好ましい。また、熱処理時間は、特に限定されないが、例えば、300℃で熱処理する場合には、300℃における銅粒子への成長を充分に進行させるため、2時間程度が好ましい。
なお、この熱処理工程S2では、銅錯体を熱分解するために酸素含有雰囲気で熱処理する。このため、黒鉛粒子の表面に形成した銅粒子は、表面が酸化され、銅粒子の表層には酸化銅が生成する。In this heat treatment step S2, the copper complex adhering to the surface of the graphite particles is thermally decomposed at 150 ° C. or lower, and the copper atoms are separated. And the isolate | separated copper atom turns into a copper molecule, and it grows to a copper particle by further heating up. On the other hand, if the heat treatment temperature becomes too high, the degree of growth that grows to copper particles becomes excessive, and the copper particles that have grown too much form a discontinuous network structure in which regions where no copper particles are present are partially scattered. . Thus, if the growth of the copper particles proceeds too much, the area where the copper is lost increases, and the copper particles have a dotted island structure. From such a viewpoint, the heat treatment temperature is preferably 300 to 500 ° C. In particular, in order to suppress the growth of copper particles and form copper particles at a higher density on the surface of graphite particles, it is preferable that the temperature is closer to 300 ° C. Thereby, the π electrons emitted from the graphite particles and accumulated in the copper particles are further dispersed, and the number of π electrons emitted from the copper particles is further reduced, so that the energy at the time of spark discharge is further reduced. Therefore, heat treatment at 300 ° C. is particularly preferable. In addition, the heat treatment time is not particularly limited. For example, when heat treatment is performed at 300 ° C., about 2 hours is preferable because the growth to copper particles at 300 ° C. is sufficiently advanced.
In this heat treatment step S2, heat treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere in order to thermally decompose the copper complex. For this reason, the surface of the copper particles formed on the surface of the graphite particles is oxidized, and copper oxide is generated on the surface layer of the copper particles.
(成形工程S3)
成形工程S3は、銅粒子を表面に形成した黒鉛粒子を成形して成形体を形成する工程であり、従来公知の方法が採用できる。例えば、銅粒子が表面に形成した黒鉛粒子を箱型の容器に充填し、所定の圧力(例えば、100Pa)で加圧することにより、黒鉛粒子の圧縮成形体を形成することができる。なお、黒鉛粒子の成形体を形成する際には、バインダーを混合させることができる。銅粒子が表面に形成した黒鉛粒子にバインダーを付着させることにより、後述する還元焼成工程S4において黒鉛粒子同士を結合させることができる。バインダーとしては、変性フェノール樹脂、グリセリン等が例示され、このようなバインダーは、例えば、メタノール等の溶媒に溶解させて溶液として、塗布等により黒鉛粒子に付着させることができる。(Molding step S3)
The forming step S3 is a step of forming a molded body by forming graphite particles having copper particles formed on the surface, and a conventionally known method can be adopted. For example, a graphite particle compression molded body can be formed by filling graphite particles formed on the surface of copper particles into a box-shaped container and pressurizing them with a predetermined pressure (for example, 100 Pa). In addition, when forming the molded object of a graphite particle, a binder can be mixed. By attaching a binder to the graphite particles formed on the surface of the copper particles, the graphite particles can be bonded to each other in the reduction firing step S4 described later. Examples of the binder include modified phenolic resin, glycerin and the like. Such a binder can be dissolved in a solvent such as methanol and attached as a solution to the graphite particles by coating or the like.
(還元焼成工程S4)
還元焼成工程S4は、成形体を還元雰囲気で焼成する工程である。この工程により、焼結体を形成すると共に、前記熱処理工程S2において銅粒子の表層に生成した酸化銅を銅に還元する。還元雰囲気としては、特に限定されないが、例えば、50〜95vol.%の窒素ガスと5〜50vol.%の水素ガスとの混合ガス雰囲気が採用できる。特には、90vol.%の窒素ガスと10vol.%の水素ガスとからなる還元雰囲気が、酸化銅を銅に還元する効果と還元処理の安全性の観点とから好ましい。還元焼成は150〜500℃程度で行うことができるが、黒鉛粒子の表面に形成している銅粒子の本工程における成長を抑えるため、焼成温度は、前記熱処理工程S2における熱処理温度以下であることが好ましく、熱処理温度と同等の、例えば、300℃であることがより好ましい。また、熱処理時間は10分間〜5時間程度が好ましい。(Reduction firing step S4)
The reduction firing step S4 is a step of firing the molded body in a reducing atmosphere. By this step, a sintered body is formed, and the copper oxide generated in the surface layer of the copper particles in the heat treatment step S2 is reduced to copper. Although it does not specifically limit as reducing atmosphere, For example, 50-95 vol. % Nitrogen gas and 5-50 vol. A mixed gas atmosphere with% hydrogen gas can be employed. In particular, 90 vol. % Nitrogen gas and 10 vol. A reducing atmosphere consisting of 1% hydrogen gas is preferable from the viewpoint of reducing the copper oxide to copper and reducing the safety of the reduction treatment. The reduction firing can be performed at about 150 to 500 ° C., but the firing temperature is equal to or lower than the heat treatment temperature in the heat treatment step S2 in order to suppress the growth of the copper particles formed on the surface of the graphite particles in this step. Is preferable, for example, 300 ° C., which is equivalent to the heat treatment temperature, is more preferable. The heat treatment time is preferably about 10 minutes to 5 hours.
以下に、モータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法の実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the method for producing a metallic graphite brush material for motors will be described below and the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
オクタン酸銅を1−ブタノールに飽和溶液となるように溶解させ、2wt%の割合で化2に示すトリメトキシシリル基を有するイミダゾールシラン化合物を添加し、10分間攪拌した。この溶液に黒鉛粒子が入った容器を浸漬させ、溶液中で1時間程度の間、上下左右に振動させ、さらに右回り方向、及び左回り方向に回転させた。この後、黒鉛粒子が入った容器を溶液中から引き上げ、大気雰囲気で、室温から150℃まで5℃/分の速度で昇温し、150℃で1時間保持した後、300℃まで5℃/分の速度で昇温し、300℃で5時間保持し、黒鉛粒子の表面に銅粒子の群を形成させた。Example 1
Copper octoate was dissolved in 1-butanol so as to be a saturated solution, an imidazolesilane compound having a trimethoxysilyl group represented by Chemical Formula 2 was added at a rate of 2 wt%, and the mixture was stirred for 10 minutes. A container containing graphite particles was immersed in this solution, vibrated up and down, left and right in the solution for about 1 hour, and further rotated clockwise and counterclockwise. Thereafter, the container containing the graphite particles was pulled out of the solution, heated in the air atmosphere from room temperature to 150 ° C. at a rate of 5 ° C./min, held at 150 ° C. for 1 hour, and then up to 300 ° C. The temperature was raised at a rate of minutes and held at 300 ° C. for 5 hours to form a group of copper particles on the surface of the graphite particles.
(実施例2)
1−ブタノールを溶媒とするオクタン酸銅の飽和溶液に、実施例1で使用したイミダゾールシラン化合物を2wt%の割合で添加し、さらにエーテル型非イオン界面活性剤として、化4に示すポリオキシエチレンアルキルエーテル型非イオン界面活性剤(m+n=12〜14)でエチレンオキサイドの平均付加モル数xが12のものを5wt%の割合で添加したこと以外は、実施例1と同様の方法により行った。(Example 2)
To the saturated solution of copper octoate using 1-butanol as a solvent, the imidazole silane compound used in Example 1 was added in a proportion of 2 wt%, and the polyoxyethylene shown in Chemical Formula 4 was used as an ether type nonionic surfactant. This was performed in the same manner as in Example 1 except that an alkyl ether type nonionic surfactant (m + n = 12 to 14) having an average addition mole number x of ethylene oxide of 12 was added at a rate of 5 wt%. .
(実施例3)
1−ブタノールを溶媒とするオクタン酸銅の飽和溶液に、実施例2で使用したエーテル型非イオン界面活性剤を5wt%の割合で添加し、10分間攪拌した。この溶液に黒鉛粒子が入った容器を浸漬させ、溶液中で1時間程度の間、上下左右に振動させ、さらに右回り方向、及び左回り方向に回転させた。続いて、実施例1及び2で使用したイミダゾールシラン化合物を2wt%の割合で添加し、さらに1時間程度の間、黒鉛粒子が入った容器を様々な方向に回転させた。この後、黒鉛粒子が入った容器を溶液中から引き上げ、実施例1と同様の処理を行った。(Example 3)
The ether type nonionic surfactant used in Example 2 was added to a saturated solution of copper octoate using 1-butanol as a solvent at a ratio of 5 wt%, and the mixture was stirred for 10 minutes. A container containing graphite particles was immersed in this solution, vibrated up and down, left and right in the solution for about 1 hour, and further rotated clockwise and counterclockwise. Subsequently, the imidazolesilane compound used in Examples 1 and 2 was added at a rate of 2 wt%, and the container containing the graphite particles was rotated in various directions for about 1 hour. Thereafter, the container containing the graphite particles was pulled up from the solution, and the same treatment as in Example 1 was performed.
各実施例における銅粒子の形成状態を5000倍の走査電子顕微鏡(SEM)で観察した。また、処理した黒鉛粒子を圧縮成形して成形体を形成し、還元焼成して金属黒鉛質ブラシ材料を作製した。得られた金属黒鉛質ブラシ材料を構成する銅の含有量を、銅錯体の化学式と銅錯体の付着量とから算出した結果、各実施例の銅の混合割合は、45wt%に相当するものであった。各実施例の金属黒鉛質ブラシ材料の電気抵抗を4探針法で測定した。その結果を表1に示した。従来の製造方法に基づき、黒鉛粒子に電界銅粉を45wt%混合して作製した金属黒鉛質ブラシ材料の電気抵抗は、15E−3Ω・cmであり、いずれの実施例の金属黒鉛質ブラシ材料も従来のものに比べて電気抵抗は低下していた。 The formation state of the copper particles in each example was observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 5000 times. Further, the treated graphite particles were compression molded to form a compact, and reduced and fired to produce a metal graphite brush material. As a result of calculating the copper content constituting the obtained metal graphite brush material from the chemical formula of the copper complex and the adhesion amount of the copper complex, the mixing ratio of copper in each example corresponds to 45 wt%. there were. The electric resistance of the metal graphite brush material of each example was measured by a four-probe method. The results are shown in Table 1. The electric resistance of the metal graphite brush material prepared by mixing 45 wt% of electrolytic copper powder with graphite particles based on the conventional manufacturing method is 15E-3 Ω · cm, and the metal graphite brush material of any of the examples The electrical resistance was lower than the conventional one.
また、実施例1〜3で作製した黒鉛粒子を箱型の容器に充填し、100Paの加圧力で加圧して成形し、この後、90vol.%の窒素ガスと10vol.%の水素ガスからなる還元雰囲気で、300℃で5時間焼成した。このようにして製作した金属黒鉛質ブラシ材料を、モータに取り付けて金属黒鉛質ブラシの磨耗量と電気ノイズレベルを測定した。金属黒鉛質ブラシは、4.5mm×9.0mmの大きさに成形し、金属黒鉛質ブラシの整流子に対する荷重を78.5kPa、モータの回転速度を3.6m/sとして、金属黒鉛質ブラシと整流子との間に10Aの電流を流し、モータを回転させた。モータは、100℃の雰囲気温度で連続500時間回転させた。比較例として、従来の製造方法に基づき、黒鉛粒子に電界銅粉を45wt%混合して作製した金属黒鉛質ブラシを用いた。電気ノイズレベルは、比較例の金属黒鉛質ブラシを1とし、これを基準として判断した。その結果、表2に示すように、実施例1〜3のいずれにおいても、比較例に比べて大幅に磨耗量が減り、電気ノイズも低減した。 Moreover, the graphite particles produced in Examples 1 to 3 were filled in a box-shaped container and molded by pressurizing with a pressure of 100 Pa, and then 90 vol. % Nitrogen gas and 10 vol. Firing was performed at 300 ° C. for 5 hours in a reducing atmosphere consisting of% hydrogen gas. The metal graphite brush material thus manufactured was attached to a motor, and the wear amount and electric noise level of the metal graphite brush were measured. The metal graphite brush is formed into a size of 4.5 mm × 9.0 mm, the load on the commutator of the metal graphite brush is 78.5 kPa, the motor rotation speed is 3.6 m / s, and the metal graphite brush A current of 10 A was passed between the commutator and the motor to rotate the motor. The motor was rotated continuously for 500 hours at an ambient temperature of 100 ° C. As a comparative example, a metal graphite brush produced by mixing 45 wt% of electrolytic copper powder with graphite particles based on a conventional manufacturing method was used. The electric noise level was determined with reference to 1 for the metal graphite brush of the comparative example. As a result, as shown in Table 2, in any of Examples 1 to 3, the amount of wear was greatly reduced and the electric noise was also reduced as compared with the comparative example.
以上の通り、本発明に係る製造方法によって作製した金属黒鉛質ブラシ材料を用いた金属黒鉛質ブラシは、表面に微細な銅粒子を群構造として高密度で形成しているため、摺接時の火花放電の抑制、電気ノイズの抑制の相乗効果が得られることが確認できた。 As described above, the metal graphite brush using the metal graphite brush material produced by the manufacturing method according to the present invention is formed with a high density of fine copper particles as a group structure on the surface. It was confirmed that a synergistic effect of suppressing spark discharge and electric noise was obtained.
本発明に係る製造方法により作製した金属黒鉛質ブラシ材料は、車両のエンジンを冷却するウォータポンプを駆動するモータ、冷却ファンを廻すモータ、エンジンのオイルポンプを駆動するモータ等に用いる金属黒鉛質ブラシに適用することができる。 The metal graphite brush material produced by the manufacturing method according to the present invention is a metal graphite brush used for a motor for driving a water pump for cooling a vehicle engine, a motor for rotating a cooling fan, a motor for driving an oil pump for the engine, etc. Can be applied to.
Claims (7)
前記銅錯体が付着した前記黒鉛粒子を酸素含有雰囲気で熱処理することにより、前記銅錯体を分解し、前記黒鉛粒子の表面に銅粒子を形成させる熱処理工程と、
前記銅粒子を形成した前記黒鉛粒子を成形して成形体を形成する成形工程と、
前記成形体を還元雰囲気で焼成し、焼結体を形成すると共に、前記熱処理工程において前記銅粒子の表層に生成した酸化銅を銅に還元する還元焼成工程とを備え、
前記付着工程において、前記溶液に加水分解性基または水酸基と非共有電子対を有する有機官能基とを備える有機金属化合物を含有させてあるモータ用金属黒鉛質ブラシ材料の製造方法。An adhesion step in which a solution having a copper complex is brought into contact with graphite particles to attach the copper complex;
A heat treatment step of decomposing the copper complex by heat-treating the graphite particles to which the copper complex is adhered in an oxygen-containing atmosphere, and forming copper particles on the surface of the graphite particles;
Forming step of forming the graphite particles forming the copper particles to form a molded body;
The molded body is fired in a reducing atmosphere to form a sintered body, and includes a reduction firing step of reducing the copper oxide generated on the surface layer of the copper particles in the heat treatment step to copper,
The manufacturing method of the metallic graphite brush material for motors in which the said attachment process is made to contain the organometallic compound provided with the organic functional group which has an organic functional group which has a hydrolysable group or a hydroxyl group, and a lone pair in the said solution.
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