抽油桿接箍外襯耐磨耐高溫材料的研究.pdf

1、有桿抽油井的桿管偏磨縮短了油井的修井周期，制約了油田的正常生產。通過抽油桿接箍外襯耐磨材料能夠顯著延長桿管壽命。論文根據(jù)有桿抽油井桿管防偏磨和井下的物理化學環(huán)境對材料的要求，開發(fā)出SiO2納米球/聚四氟乙烯(PTFE)復合材料和纖維增強尼龍66(PA66)復合材料，以期外襯到抽油桿接箍，解決桿管偏磨問題。
　　一、聚合物填充用SiO2納米球的合成與表征
　　采用溶膠-凝膠法制備了SiO2納米球，通過SEM、FT-IR和XRD

2、研究了反應體系中TEOS的濃度、反應溶劑的種類、催化劑的種類和濃度、水的濃度及反應溫度對SiO2形貌和結構性質的影響。氨水催化TEOS水解、結晶、聚合能生成尺寸分布窄、球形度好的SiO2納米球。合成的SiO2納米球的尺寸隨著TEOS的濃度、溶劑醇碳鏈長度、氨水的濃度和反應溫度升高而增加;SiO2納米球的尺寸在水濃度不高時隨著水濃度的增加而增加，但是過高的水濃度反而會導致其尺寸下降。在不同的條件下合成得到的SiO2均呈現(xiàn)無定形的結構，表面

3、富含羥基官能團。
　　二、原位化學合成法制備SiO2納米球/聚四氟乙烯復合材料及其摩擦磨損性能
　　采用原位化學合成法和液壓成型工藝制備了SiO2納米球/PTFE復合材料，通過FT-IR、XRD、視頻光學接觸角測量儀、萬能試驗機、洛氏硬度計、DSC、TMA、高速環(huán)塊磨損試驗機、石英砂漿磨損裝置、SEM和3D測量激光顯微鏡等表征手段和測試方法研究了PTFE復合材料的結構性質、疏水性能、力學性能、熱學性能和摩擦學性能。在PTFE

4、中通過原位化學合成得到的SiO2納米球尺寸為50～70 nm，在基體材料中呈高度分散狀態(tài)。填充的SiO2納米球與PTFE通過氫鍵相互作用，制得的復合材料疏水性能與PTFE相比有了顯著的提高。PTFE復合材料拉伸強度和斷裂伸長率隨SiO2納米球含量的增加略有降低，而拉伸模量明顯增加。洛氏硬度在SiO2含量為2.0％時達到最大值，較基體材料提高了12.5％。填充了SiO2納米球的PTFE復合材料的平均線膨脹系數(shù)基本都降低，玻璃化轉變溫度有所

5、升高。
　　通過原位化學合成得到的SiO2納米球/PTFE復合材料在干摩擦條件下的摩擦系數(shù)和體積磨損率均顯著下降。其中，填充量為2.0％的SiO2納米球/PTFE復合材料的體積磨損率僅為PTFE的1.8％，摩擦系數(shù)與基體材料相比也降低了14.3％。此外，SiO2納米球填充的PTFE復合材料在高溫下表現(xiàn)良好的耐磨損、耐沖蝕性能。
　　三、纖維增強尼龍66復合材料及其摩擦磨損性能研究
　　采用擠出造粒-注塑成型工藝制備了玻

6、璃纖維(GF)和碳纖維(CF)增強PA66的復合材料，通過FT-IR、XRD、萬能試驗機、懸臂梁沖擊試驗機、洛氏硬度計、DSC、TMA、熱變形維卡溫度測定儀、水熱釜、高速環(huán)塊磨損試驗機、SEM、和2D測量激光顯微鏡等表征手段和測試方法研究了PA66復合材料的結構性質、力學性能、熱學性能、溶脹性能和摩擦磨損性能。玻纖和碳纖與PA66基體之間通過氫鍵相互作用，并實現(xiàn)了它們在PA66中較好的分散。碳纖在PA66中起到了異相成核的作用，使復合材

7、料的結晶度比基體材料有所提高。經(jīng)玻纖和碳纖改性后的PA66復合材料斷裂伸長率和沖擊強度雖有下降，但拉伸模量、拉伸強度、彎曲模量、彎曲強度、洛氏硬度均得到了提高。玻纖和碳纖填充得到的PA66復合材料的熔點和維卡軟化溫度都得到了提高，顯示其耐熱性能增強;其線膨脹系數(shù)有一定程度的降低。填充得到的復合材料的耐水和耐油溶脹性能都有提高。
　　玻纖和碳纖填充得到的PA66復合材料在干摩擦和水摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)均有不同程度的下降。其中，干

8、摩擦條件下碳纖維填充的復合材料體積磨損率僅為基體材料PA66的1/3。在水摩擦條件下玻璃纖維填充的復合材料體積磨損率降低了一個數(shù)量級，碳纖維填充的復合材料體積磨損率降低了兩個數(shù)量級。
　　綜上所述，論文在詳細研究了溶膠-凝膠法制備SiO2納米球條件和機理的基礎上，借助原位化學合成法制備了SiO2納米球/PTFE復合材料，實現(xiàn)了SiO2納米球在PTFE中的高度分散，并起到了填充增強的作用，并顯著地提高了PTFE的抗磨減摩性能和其它性

9、能。制得的SiO2納米球/PTFE復合材料能夠通過模壓成型，應用到有桿抽油井抽油桿接箍上，起到高溫下的耐摩擦磨損、耐腐蝕溶脹等作用。論文還通過玻纖和碳纖對PA66進行填充改性，其中制備得到的CF/PA66復合材料的機械性能、熱學性能和摩擦學性能顯著提高。制得的復合材料通過注射成型外襯到抽油桿接箍，能夠起到耐摩擦磨損、耐腐蝕溶脹等作用，并且注射成型能顯著提高加工效率、降低成本。總之，研發(fā)得到的兩種材料均能用于抽油桿接箍外襯起到防偏磨、防腐