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(chǎn)。通過抽油桿接箍外襯耐磨材料能夠顯著延長(zhǎng)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(xué)環(huán)境對(duì)材料的要求，開發(fā)出SiO2納米球/聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)尼龍66(PA66)復(fù)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(yīng)體系中TEOS的濃度、反應(yīng)溶劑的種類、催化劑的種類和濃度、水的濃度及反應(yīng)溫度對(duì)SiO2形貌和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。氨水催化TEOS水解、結(jié)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(zhǎng)度、氨水的濃度和反應(yīng)溫度升高而增加;SiO2納米球的尺寸在水濃度不高時(shí)隨著水濃度的增加而增加，但是過高的水濃度反而會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)，表面

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

4、中通過原位化學(xué)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(fù)合材料疏水性能與PTFE相比有了顯著的提高。PTFE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(shí)達(dá)到最大值，較基體材料提高了12.5％。填充了SiO2納米球的PTFE復(fù)合材料的平均線膨脹系數(shù)基本都降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所

5、升高。
　　通過原位化學(xué)合成得到的SiO2納米球/PTFE復(fù)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(fù)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(fù)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(qiáng)尼龍66復(fù)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(qiáng)PA66的復(fù)合材料，通過FT-IR、XRD、萬能試驗(yàn)機(jī)、懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)、洛氏硬度計(jì)、DSC、TMA、熱變形維卡溫度測(cè)定儀、水熱釜、高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)、SEM、和2D測(cè)量激光顯微鏡等表征手段和測(cè)試方法研究了PA66復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、力學(xué)性能、熱學(xué)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(shí)現(xiàn)了它們?cè)赑A66中較好的分散。碳纖在PA66中起到了異相成核的作用，使復(fù)合材

7、料的結(jié)晶度比基體材料有所提高。經(jīng)玻纖和碳纖改性后的PA66復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度雖有下降，但拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、洛氏硬度均得到了提高。玻纖和碳纖填充得到的PA66復(fù)合材料的熔點(diǎn)和維卡軟化溫度都得到了提高，顯示其耐熱性能增強(qiáng);其線膨脹系數(shù)有一定程度的降低。填充得到的復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料體積磨損率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，碳纖維填充的復(fù)合材料體積磨損率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　綜上所述，論文在詳細(xì)研究了溶膠-凝膠法制備SiO2納米球條件和機(jī)理的基礎(chǔ)上，借助原位化學(xué)合成法制備了SiO2納米球/PTFE復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了SiO2納米球在PTFE中的高度分散，并起到了填充增強(qiáng)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(fù)合材料能夠通過模壓成型，應(yīng)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(duì)PA66進(jìn)行填充改性，其中制備得到的CF/PA66復(fù)合材料的機(jī)械性能、熱學(xué)性能和摩擦學(xué)性能顯著提高。制得的復(fù)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?？傊邪l(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