用于潜油螺杆泵定子的多层碳纳米管增强氟橡胶的制备及其摩擦学行为

发布时间：2020-10-24 06:54

　　 由于采油螺杆泵(PCP)具有处理高粘度油(含砂、气体和蜡)的能力,近二十年来的使用逐渐增加。PCP技术具有投资少、运行费用低等特点,是稠油和定向井应用中唯一的提油方式。采油螺杆泵的泵送元件主要由金属转子和橡胶定子组成。由于金属转子的磨损、原油中化学物质和固体的作用以及井下高温的影响,采油螺杆泵的定子会形成快速磨损。弹性体丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)和氟弹性体(FKM)由于其良好的力学性能和耐化学性能,被广泛应用于采油螺杆泵(PCP)的定子。与大多数油田弹性体相比,FKM具有优良的耐化学性和热稳定性,然而,与NBR和HNBR相比,FKM非常昂贵。由于填料具有较高的粘度和空间屏蔽效应,因此也很难用填料增强。弹性体的共混是通过改善性能和/或降低成本来获得具有商业价值的产品的一种可行的技术。此外,碳纳米管(CNT)增强弹性体是提高其性能的有效方法。制备弹性体/CNT纳米复合材料的主要问题是如何将碳纳米管分散到基体中,因为碳纳米管具有很强的范德华力,容易形成团聚体。本研究的目的是研究符合采油螺杆泵(PCP)定子要求的FKM基共混纳米复合材料,该复合材料具有最佳的摩擦学性能。首先,将FKM与NBR和HNBR共混,得到最佳的摩擦学性能配比和共混方法。研究了未改性和分别经氧化、氟化改性的多壁碳纳米管(MWCNTs)对FKM/CB/MWCNT杂化纳米复合材料力学性能、热性能和摩擦学性能的影响。最后,在FKM/NBR和FKM/HNBR共混物的最佳配比下,加入具有最佳功能化的MWCNT,测定了共混纳米复合材料在无油状态和无砂原油及砂质原油中的力学和摩擦学性能。用干混法和熔融法制备的FKM/HNBR共混物(100/0、75/25、50/50、25/75和0/100)的结果表明,熔融混合法比干混法具有更好的相容性和良好的相形态,这导致熔融混合共混物比干混合具有更好的机械性能、热性能、原油膨胀性能和干滑动磨损性能。随着HNBR用量的增加,干混和熔融共混物的性能逐渐下降。提出了熔融共混FKM/HNBR(75/25)的最佳共混方法和配比。其力学性能优于干混共混物,比磨损率接近FKM。在FKM/HNBR共混体系的基础上,制备了90/10、80/20、70/30、60/40和50/50的熔融混合FKM/NBR共混物。除了 FKM/NBR(90/10)的共混物表现为相尺寸为100～250 nm的部分连续相形态外,其它共混物均表现为相尺寸为200～400 nm的两相形态。原油的溶胀和滑动磨损结果表明,FKM/NBR(90/10和80/20)的原油溶胀率和比磨损率非常接近FKM。未溶胀和溶胀磨损表面的主要机械化学效应是大分子链断裂,随着共混物中NBR用量增加,共混物氧化降解逐渐增大。高分子链断裂导致轻微的疲劳磨损机理,磨损表面形貌也观察到这种机制。以碳黑(CB)为填料,采用未改性和分别经氧化、氟化改性的MWCNTs增强FKM。未改性MWCNT(P-MWCNT)在FKM基体中的分散性很差,随着P-MWCNT含量的增加,纳米复合材料的力学性能和摩擦学性能下降。其原因是纳米复合材料中未改性的MWCNT团聚体在基体内部产生应力集中点。氧化碳纳米管(0-MWCNT)和氟化碳纳米管(F-MWCNT)的分散性明显增强,尤其是氟化碳纳米管,随着氟化碳纳米管含量的增加,纳米复合材料的交联密度显著增加。因此,FKM/CB/F-MWCNT纳米复合材料比FKM/CB/0-MWCNT纳米复合材料具有更好的力学、热磨损和滑动磨损性能。随着氧化和氟化改性碳纳米管比例的增加,其力学和摩擦学参数逐渐增大,然后开始逐渐下降。FKM/CB/F-MWCNT的最佳力学性能和摩擦学性能分别在CB/F-MWCNT配比为20/10和17.5/12.5时达到最佳。FKM/CB/0-MWCNT的最佳性能为CB/0-MWCNT配比为25/5。FKM/MWCNTs纳米复合材料的主要磨损机理是疲劳,而未改性MWCNT含量较高的纳米复合材料中则出现了粘着磨损痕迹。在FKM/NBR(80/20)和FKM/HNBR(80/20)熔融混合共混物中加入F-MWCNTs对FKM具有显著增强作用。将F-MWCNTs首先与FKM混合,然后与NBR或HNBR共混,可以使F-MWCNTs在共混物两相中良好分散。所有共混物均表现为互溶共混体系。共混纳米复合材料的共连续相尺寸随氟化碳纳米管的增加而变小。原油在共混纳米复合材料表面的接触角表明,F-MWCNTs的增加增强了这些表面对原油的润湿性。共混纳米复合材料的最佳摩擦学性能为CB/F-MWCNT配比为15/15,而FKM/CB/F-MWCNT纳米复合材料在CB/F-MWCNT配比为17.5/12.5时表现出最佳摩擦学性能。这意味着FKM与NBR或HNBR的共混增强了纳米复合材料对F-MWCNTs的相容性。原油中砂的存在使纳米复合材料的二体疲劳磨损机理转变为三体磨损,并使复合材料的COF和比磨损率增大。F-MWCNTs的存在使共混纳米复合材料表现出更好的抗砂性能和摩擦学性能.
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH117;TB383.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
CHAPTER 1 INTRODUCTION
    1.1 Oil extraction progressive cavity pump
    1.2 Elastomers of PCP stator
        1.2.1 FKM
        1.2.2 NBR
        1.2.3 HNBR
    1.3 Tribology of elastomer
        1.3.1 Abrasion
        1.3.2 Fatigue mechanisms
        1.3.3 Roll formation wear
        1.3.4 Adhesive wear
    1.4 Factors influence the wear of stator
        1.4.1 Loads on stators
        1.4.2 Contact speed between stator and rotor
        1.4.3 Viscosity and solids in crude oil
        1.4.4 Aggressive Chemicals
        1.4.5 Gases
        1.4.6 Temperature
        1.4.7 Water in crude oil
    1.5 Elastomer blends
        1.5.1 Introduction
        1.5.2 Types of elastomer Blends
        1.5.3 Blending methods
        1.5.4 Compatibility
    1.6 Elastomer/MWCNT nanocomposites
        1.6.1 Introduction
        1.6.2 Properties of CNT
        1.6.3 Fabrication of polymer/CNT nanocomposites
        1.6.4 Modification of CNT
    1.7 Current Status of Research
        1.7.1 FKM/NBR Blends
        1.7.2 FKM/HNBR Blend
        1.7.3 FKM/MWCNT nanocomposites
    1.8 Scope and objective
CHAPTER 2 EFFECT OF BLEND RATIO AND MIXING METHOD ONMECHANICAL, THERMAL, TRIBOLOGICAL AND CRUDE OIL SWELLING PROPERTIES OF FKM/HNBR BLENDS
    2.1 Introduction
    2.2 Materials and method
        2.2.1 Materials
        2.2.2 Preparation of the FKM/HNBR Blends
        2.2.3 Characterization
    2.3 Results and discussion
        2.3.1 Morphology
        2.3.2 Compatibility
        2.3.3 Mechanical properties
        2.3.4 Thermal stability
        2.3.5 Crude Oil Swelling
        2.3.6 Tribological Properties
    2.4 Conclusion
CHAPTER 3 SWELLING AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF MELT-MIXED FKM/NBR BLENDS UNDER CRUDE OIL
    3.1 Introduction
    3.2 Materials and methods
        3.2.1 Materials
        3.2.2 Preparation of the FKM/NBR blends
        3.2.3 Characterization
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Morphology
        3.3.2 Compatibility
        3.3.3 Mechanical properties
        3.3.4 Swelling properties
        3.3.5 Thermal stability
        3.3.6 Tribology properties
    3.4 Conclusions
CHAPTER 4 EFFECT OF OXIDIZED AND FLUORINATED MWCNTs ONMECHANICAL, THERMAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OFFKM/CB/MWCNT HYBRID NANOCOMPOSITES
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and method
        4.2.1 Materials
        4.2.2 Preparation of the Functionalized-MWCNTs
        4.2.3 Preparation of FKM/CB/MWCNT nanocomposites
        4.2.4 Characterization of MWCNTs
        4.2.5 Characterization of nanocomposites
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 FTIR of MWCNTs
        4.3.2 TGA of MWCNTs
        4.3.3 Cure characteristics
        4.3.4 Dispersion of MWCNTs
        4.3.5 Mechanical properties
        4.3.6 Thermal stability
        4.3.7 Tribological properties
    4.4 Conclusion
CHAPTER 5 EFFECT OF CARBON BLACK/ FLUORINATED-MWCNT HYBRID ONMORPHOLOGY, MECHANICAL, THERMAL AND TRIBOLOGICAL PROPRTIESOF FKM/NBR BLENDS AND FKM/HNBR BLENDS
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and method
        5.2.1 Materials
        5.2.2 Preparation of the fluorinated-MWCNTs
        5.2.3 Preparation of nanocomposites
        5.2.4 Characterization of nanocomposites
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 Morphology of nanocomposites
        5.3.2 Mechanical properties
        5.3.3 Thermal stability
        5.3.4 Contact angle
        5.3.5 Tribological properties
    5.4 Conclusion
CHAPTER 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATION
    6.1 Conclusion
    6.2 Recommendation
REFERENCES
PUBLICATIONS
ACKNOWLEDGEMENTS

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