抽油杆接箍外衬耐磨耐高温材料的研究
有杆抽油井的杆管偏磨缩短了油井的修井周期,制约了油田的正常生产。通过抽油杆接箍外衬耐磨材料能够显著延长杆管寿命。论文根据有杆抽油井杆管防偏磨和井下的物理化学环境对材料的要求,开发出SiO2纳米球/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料和纤维增强尼龙66(PA66)复合材料,以期外衬到抽油杆接箍,解决杆管偏磨问题。<br>  一、聚合物填充用SiO2纳米球的合成与表征<br>  采用溶胶-凝胶法制备了SiO2纳米球,通过SEM、FT-IR和XRD研究了反应体系中TEOS的浓度、反应溶剂的种类、催化剂的种类和浓度、水的浓度及反应温度对SiO2形貌和结构性质的影响。氨水催化TEOS水解...
有杆抽油井的杆管偏磨缩短了油井的修井周期,制约了油田的正常生产。通过抽油杆接箍外衬耐磨材料能够显著延长杆管寿命。论文根据有杆抽油井杆管防偏磨和井下的物理化学环境对材料的要求,开发出SiO2纳米球/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料和纤维增强尼龙66(PA66)复合材料,以期外衬到抽油杆接箍,解决杆管偏磨问题。
  一、聚合物填充用SiO2纳米球的合成与表征
  采用溶胶-凝胶法制备了SiO2纳米球,通过SEM、FT-IR和XRD研究了反应体系中TEOS的浓度、反应溶剂的种类、催化剂的种类和浓度、水的浓度及反应温度对SiO2形貌和结构性质的影响。氨水催化TEOS水解、结晶、聚合能生成尺寸分布窄、球形度好的SiO2纳米球。合成的SiO2纳米球的尺寸随着TEOS的浓度、溶剂醇碳链长度、氨水的浓度和反应温度升高而增加;SiO2纳米球的尺寸在水浓度不高时随着水浓度的增加而增加,但是过高的水浓度反而会导致其尺寸下降。在不同的条件下合成得到的SiO2均呈现无定形的结构,表面富含羟基官能团。
  二、原位化学合成法制备SiO2纳米球/聚四氟乙烯复合材料及其摩擦磨损性能
  采用原位化学合成法和液压成型工艺制备了SiO2纳米球/PTFE复合材料,通过FT-IR、XRD、视频光学接触角测量仪、万能试验机、洛氏硬度计、DSC、TMA、高速环块磨损试验机、石英砂浆磨损装置、SEM和3D测量激光显微镜等表征手段和测试方法研究了PTFE复合材料的结构性质、疏水性能、力学性能、热学性能和摩擦学性能。在PTFE中通过原位化学合成得到的SiO2纳米球尺寸为50~70 nm,在基体材料中呈高度分散状态。填充的SiO2纳米球与PTFE通过氢键相互作用,制得的复合材料疏水性能与PTFE相比有了显著的提高。PTFE复合材料拉伸强度和断裂伸长率随SiO2纳米球含量的增加略有降低,而拉伸模量明显增加。洛氏硬度在SiO2含量为2.0%时达到最大值,较基体材料提高了12.5%。填充了SiO2纳米球的PTFE复合材料的平均线膨胀系数基本都降低,玻璃化转变温度有所升高。
  通过原位化学合成得到的SiO2纳米球/PTFE复合材料在干摩擦条件下的摩擦系数和体积磨损率均显著下降。其中,填充量为2.0%的SiO2纳米球/PTFE复合材料的体积磨损率仅为PTFE的1.8%,摩擦系数与基体材料相比也降低了14.3%。此外,SiO2纳米球填充的PTFE复合材料在高温下表现良好的耐磨损、耐冲蚀性能。
  三、纤维增强尼龙66复合材料及其摩擦磨损性能研究
  采用挤出造粒-注塑成型工艺制备了玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)增强PA66的复合材料,通过FT-IR、XRD、万能试验机、悬臂梁冲击试验机、洛氏硬度计、DSC、TMA、热变形维卡温度测定仪、水热釜、高速环块磨损试验机、SEM、和2D测量激光显微镜等表征手段和测试方法研究了PA66复合材料的结构性质、力学性能、热学性能、溶胀性能和摩擦磨损性能。玻纤和碳纤与PA66基体之间通过氢键相互作用,并实现了它们在PA66中较好的分散。碳纤在PA66中起到了异相成核的作用,使复合材料的结晶度比基体材料有所提高。经玻纤和碳纤改性后的PA66复合材料断裂伸长率和冲击强度虽有下降,但拉伸模量、拉伸强度、弯曲模量、弯曲强度、洛氏硬度均得到了提高。玻纤和碳纤填充得到的PA66复合材料的熔点和维卡软化温度都得到了提高,显示其耐热性能增强;其线膨胀系数有一定程度的降低。填充得到的复合材料的耐水和耐油溶胀性能都有提高。
  玻纤和碳纤填充得到的PA66复合材料在干摩擦和水摩擦条件下的平均摩擦系数均有不同程度的下降。其中,干摩擦条件下碳纤维填充的复合材料体积磨损率仅为基体材料PA66的1/3。在水摩擦条件下玻璃纤维填充的复合材料体积磨损率降低了一个数量级,碳纤维填充的复合材料体积磨损率降低了两个数量级。
  综上所述,论文在详细研究了溶胶-凝胶法制备SiO2纳米球条件和机理的基础上,借助原位化学合成法制备了SiO2纳米球/PTFE复合材料,实现了SiO2纳米球在PTFE中的高度分散,并起到了填充增强的作用,并显著地提高了PTFE的抗磨减摩性能和其它性能。制得的SiO2纳米球/PTFE复合材料能够通过模压成型,应用到有杆抽油井抽油杆接箍上,起到高温下的耐摩擦磨损、耐腐蚀溶胀等作用。论文还通过玻纤和碳纤对PA66进行填充改性,其中制备得到的CF/PA66复合材料的机械性能、热学性能和摩擦学性能显著提高。制得的复合材料通过注射成型外衬到抽油杆接箍,能够起到耐摩擦磨损、耐腐蚀溶胀等作用,并且注射成型能显著提高加工效率、降低成本。总之,研发得到的两种材料均能用于抽油杆接箍外衬起到防偏磨、防腐蚀溶胀的作用。比较而言,SiO2纳米球/PTFE复合材料的主要优点是耐高温,但是需要通过模压成型加工效率相对较低;CF/PA66复合材料使用温度略低,且有一定成程度的溶胀,但是可以通过注射成型,加工效率高。
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作者: 孙桃
学科专业: 化学工程
授予学位: 硕士
学位授予单位: 扬州大学
导师姓名: 石国军 李汉周
学位年度: 2017
语 种: chi
分类号: TE933.2 TB35
在线出版日期: 2017年11月23日