石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)的彈性體定子組件和其制備方法。可通過摻入石墨烯顆粒、可交聯(lián)聚合物、延伸交聯(lián)的偶聯(lián)劑和通過減少填料材料在結(jié)構(gòu)上、熱和/或化學(xué)上增強(qiáng)所述彈性體定子。所述石墨烯顆?？梢怨倌芑蚍枪倌芑问交蛞云浣M合摻入，官能化石墨烯增加在整體結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)的數(shù)目，從而增強(qiáng)所述彈性體定子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性?；衔锟山?jīng)調(diào)配以具有相對(duì)較低的粘度和允許材料流過模腔的其它特征。
【專利說明】
石墨烯増強(qiáng)的彈性體定子
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及改進(jìn)的彈性體定子組件。
【背景技術(shù)】
[0002]具有彈性體定子組件的推進(jìn)腔式栗已經(jīng)在鉆井操作中使用一些時(shí)間。在井下鉆井操作中，推進(jìn)腔式馬達(dá)通過使在定子組件內(nèi)的轉(zhuǎn)子自旋來栗送流體。具體來說，用于泥漿馬達(dá)的功率部分已發(fā)現(xiàn)推進(jìn)腔式栗在反向應(yīng)用中廣泛使用，其中鉆井流體用于轉(zhuǎn)動(dòng)在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子。常常，推進(jìn)腔式馬達(dá)配置有在由具有高碳黑填料含量的橡膠構(gòu)成的彈性體定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋金屬凸角轉(zhuǎn)子。高碳黑橡膠提供合適的又有成本效益的材料，所述材料具有一定壓縮模量和耐磨性特性。在轉(zhuǎn)子的金屬凸角壓靠彈性體定子內(nèi)壁時(shí)，形成密封線并且流體因此被栗送通過空腔，因?yàn)樗鼈冊(cè)谵D(zhuǎn)子的金屬凸角與彈性體定子內(nèi)壁之間形成。
[0003]生產(chǎn)高功率、高扭矩和高速功率部分定子的挑戰(zhàn)是制造設(shè)備和經(jīng)濟(jì)的加工材料需要能夠流過緊密模腔長距離同時(shí)維持其未固化狀態(tài)的低粘度未固化彈性體化合物。如果化合物太粘，那么它不能流動(dòng)適當(dāng)?shù)木嚯x以填充模具。如果化合物在填充模具之前開始硫化反應(yīng)，那么化合物的粘度將以指數(shù)方式增大，可能產(chǎn)生未被填充的模具，或?qū)⑻畛溆幸苑蛛x基質(zhì)形成的交聯(lián)的模具。分別形成的基質(zhì)在彈性體產(chǎn)物中產(chǎn)生不可檢測的晶粒邊界，這將常常由于撕裂強(qiáng)度的顯著損耗、模量的損耗和或促進(jìn)周圍彈性體基質(zhì)的快速物理劣化的內(nèi)部摩擦點(diǎn)而過早地失效。傳統(tǒng)地，功率部分彈性體的設(shè)計(jì)者已在配方中使用補(bǔ)強(qiáng)和半補(bǔ)強(qiáng)碳黑、低粘度低分子量基礎(chǔ)NBR和HNBR聚合物以及加工助劑來尋求解決這些問題。雖然此類組合有利于可制造性，但是所得配方不利地影響彈性體的最終固化狀態(tài)特性，常常使調(diào)配物更軟并且更不動(dòng)力穩(wěn)定。舉例來說，在制造期間塑化劑油可用于降低粘度，但是在成品中，它在高溫下當(dāng)暴露于不同鉆井流體時(shí)具有從彈性體中浸出的傾向，這可引起產(chǎn)品收縮或橡膠與金屬粘結(jié)劑的脫粘，并且還促進(jìn)從鉆井流體中吸附化學(xué)物質(zhì)。通過使聚合物鏈之間潤滑和幫助碳黑分散，塑化劑用于降低未固化橡膠化合物的粘度。一旦在固化狀態(tài)中，塑化劑持續(xù)使聚合物鏈潤滑，產(chǎn)生降低的模量的效果。另外，塑化劑(比聚合物的分子量顯著低)可從化合物中迀移出。控制塑化劑的迀移是對(duì)于特定化合物選擇具有合宜的分子量/支化和碳與氧比率的塑化劑的功能。塑化劑的越支化，塑化劑對(duì)在油中流體萃取的抗性越大。將酯類塑化劑反應(yīng)到聚合物基質(zhì)中的可能將基本上增大對(duì)萃取的抗性。如果塑化劑可過氧化交聯(lián)到聚合物，那么相同塑化劑可交聯(lián)到官能化石墨烯顆粒，將塑化劑永久地鎖閉到聚合物基質(zhì)中。通過使塑化劑反應(yīng)到聚合物和石墨烯顆粒中，高于傳統(tǒng)負(fù)載的塑化劑可復(fù)合到配方中而沒有塑化劑從化合物中浸出到定子的橡膠與金屬粘結(jié)或從內(nèi)徑表面浸出的缺點(diǎn)。較高負(fù)載的塑化劑抵消在化合物中納米顆粒引起的高粘度影響。較高負(fù)載的塑化劑還通過幫助填料材料(比如碳黑和納米粒子)的膠溶和分散降低未固化化合物的混合時(shí)間。通過降低混合時(shí)間和剪切速率，在混合過程中較少聚合物被破壞，這將提高物理特性和動(dòng)力學(xué)特性如:模量、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、tan5、剪切模量、壓縮模量和硬度。
[0004]如在美國專利申請(qǐng)公開第US 2008/0050259號(hào)中提到，彈性體化合物已摻入酚醛樹脂，這以降低撕裂強(qiáng)度為代價(jià)降低化合物的未固化粘度并且增大固化狀態(tài)產(chǎn)物的硬度。
[0005]彈性體化合物也已發(fā)現(xiàn)納米粒子的一些使用;然而，由于異常表面積與顆粒體積(即高寬比)，僅少量添加納米粒子，這些化合物就可大大增大彈性體的粘度。這意味著它們功率部分定子化合物中的可能性需要這樣的低負(fù)載(以維持可制造性)，即固化狀態(tài)物理特性在可負(fù)擔(dān)的、滿意的可再生水平下不可達(dá)到的低負(fù)載。
[0006]另外，雖然推進(jìn)腔式馬達(dá)的螺旋金屬轉(zhuǎn)子耐熱、耐磨并且一般具有長的使用壽命，但是推進(jìn)腔式馬達(dá)的定子遠(yuǎn)不可靠并且常常失效，需要維護(hù)或在之前替換其轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)部分。碳黑增強(qiáng)的定子內(nèi)襯當(dāng)暴露于研磨材料時(shí)往往會(huì)磨損，可在空腔之間出現(xiàn)滲漏。當(dāng)暴露于惡劣溫度時(shí)，橡膠化合物將軟化并且可導(dǎo)致密封線不能處理高差壓，這可導(dǎo)致扭矩?fù)p失。高溫還可引起在內(nèi)襯中的橡膠熱膨脹，這可導(dǎo)致過熱。長期暴露于此類條件可引起橡膠變脆并且導(dǎo)致低撕裂強(qiáng)度。失效可以由研磨滲漏的部分磨損和不提供對(duì)金屬轉(zhuǎn)子凸角的恰當(dāng)密封壓力的形式出現(xiàn);還可出現(xiàn)內(nèi)襯的物理撕裂并且引起整個(gè)系統(tǒng)的立即關(guān)斷。舉例來說，當(dāng)定子失效時(shí)，轉(zhuǎn)子可將撕破的橡膠片栗送通過空穴并且損壞井下組件的其它部件或全部一起停止旋轉(zhuǎn)。暴露于某些化學(xué)物質(zhì)或井下流體可另外引起定子內(nèi)壁的降解。苛性鉆井流體可被吸附到橡膠內(nèi)襯中，引起溶脹，這導(dǎo)致在操作中橡膠內(nèi)襯過熱。流體還可從橡膠萃取化學(xué)物質(zhì)從而使其降解。
[0007]因此將期望具有提高的耐熱性、耐磨性、撕裂強(qiáng)度和其它有益特性的更穩(wěn)健彈性體定子組件。另外，期望提供提高的在失效之間的平均時(shí)間、提高的安全性以及延長運(yùn)行井下彈性體定子組件的操作運(yùn)行時(shí)間的期望。這將允許更大的鉆井時(shí)間和安裝、獲取和維護(hù)彈性體定子組件以及由于定子故障可失效的相關(guān)聯(lián)井下組件的其它部件的降低的花費(fèi)時(shí)間。另外期望提高在彈性體定子組件的需要維護(hù)之間的預(yù)測時(shí)間間隔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明涉及石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子組件和其制備方法?？赏ㄟ^摻入石墨烯顆粒、可交聯(lián)聚合物、延伸交聯(lián)的偶聯(lián)劑和通過減少填料材料在結(jié)構(gòu)和熱上增強(qiáng)彈性體定子。石墨烯顆?？梢怨倌芑蚍枪倌芑问交蛞云浣M合摻入。石墨烯顆?？稍趶椥泽w定子的整體結(jié)構(gòu)中增大聚合物與填料相互作用，從而通過提供附加結(jié)構(gòu)和熱耗散益處而增強(qiáng)定子結(jié)構(gòu)并且延長定子的使用壽命。摻入石墨烯顆粒還可為橡膠化合物提供較低的熱膨脹系數(shù)，這可降低破壞熱積累并且延長功率部分的使用壽命。
[0009]可交聯(lián)塑化劑可集成到石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子調(diào)配物中，以另外增強(qiáng)化合物以及因此彈性體定子的結(jié)構(gòu)剛度和熱特征。一般通過在交聯(lián)的化合物中具有更多的材料來增大化合物結(jié)構(gòu)剛度。通過合并可交聯(lián)塑化劑和官能化石墨烯，如在優(yōu)選實(shí)施例中，在給定面積上進(jìn)一步增大化合物之間的交聯(lián)密度。另外，石墨烯具有未在傳統(tǒng)用于定子中的材料發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電性特性、可通過定子以快速并且有效的方式轉(zhuǎn)移、分散和耗散熱的特性。另外，在實(shí)施例中，可通過使用可交聯(lián)塑化劑調(diào)配石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物以具有相對(duì)較低粘度，并且還具有允許材料流過模腔長距離的其它特征，類似當(dāng)前彈性體定子如何制備。在調(diào)配物中，可交聯(lián)塑化劑可共價(jià)結(jié)合到橡膠聚合物鏈、官能化石墨烯顆粒、助劑或其組合，這將對(duì)抗在鉆井流體中的塑化劑的萃取。
【附圖說明】
[0010]以下附圖和圖用來示出本發(fā)明的各種實(shí)施例但是不意味為限制的。
[0011]圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性體定子組件的透視橫截面圖。
[0012]圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性體定子組件的側(cè)視橫截面圖。
[0013]圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性體定子組件的頂視橫截面圖。
[0014]圖4描繪了包含橡膠和碳黑填料內(nèi)含物的現(xiàn)有技術(shù)化合物的圖示。
[0015]圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠和非官能化石墨烯顆粒之間的范德華結(jié)合力的圖示。
[0016]圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠中具有過氧化/氧官能化石墨烯的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0017]圖7a到圖7c描繪了過氧化交聯(lián)如何在石墨烯增強(qiáng)的定子化合物中形成的逐步圖不O
[0018]圖8描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠中具有過氧化/氧官能化石墨烯的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的替代圖示。圖8示出了過氧化/氧官能化石墨烯顆粒可交聯(lián)到聚合物中和/或彼此交聯(lián)。
[0019]圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有酚官能化石墨烯與六甲基甲胺(“六”或“HMT” )的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0020]圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠中具有酚官能化石墨烯與六的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0021]圖11描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠中具有酚官能化石墨烯與六和過氧化物的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0022]圖12描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在橡膠中具有過氧化/氧官能化石墨烯與三官能化甲基丙烯酸酯的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0023]圖13描繪了具有硫交聯(lián)的腈丁二烯的圖示。
[0024]圖14描繪了具有聚合物與硫官能化的石墨烯交聯(lián)的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的圖示。
[0025]圖15描繪了借助于有機(jī)過氧化物交聯(lián)到三官能助劑的過氧化/氧官能化的石墨烯的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0026]在推進(jìn)腔式馬達(dá)中的彈性體定子常常配置有硬金屬管狀外套管和內(nèi)彈性體定子內(nèi)襯，其通常通過在模具心軸上注塑成型內(nèi)襯形成。圖1到圖3描繪了彈性體定子組件10的實(shí)施例的多個(gè)視圖。存在關(guān)于彈性體定子的形狀、大小和尺寸的許多變化，并且圖1到圖3僅示出了彈性體定子組件的例示性實(shí)施例，如可配置有本文所述的各種石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物實(shí)施例中的任一種或如本文所述的多個(gè)實(shí)施例的任何組合。
[0027]參考圖1到圖3，在實(shí)施例中，石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子組件10示出具有金屬外管表面20和連接到外管表面20的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子內(nèi)襯30。彈性體定子內(nèi)襯內(nèi)壁32可以改變長度和尺寸的重復(fù)螺旋圖案形成，并且對(duì)于各種井下操作具有多種不同特征。
[0028]參考圖4，示出現(xiàn)有技術(shù)彈性體定子100，其包含大部分碳黑110和聚合物120橡膠材料。碳黑氫原子130和聚合物氫原子140主要通過在整個(gè)化合物中存在的有吸引力的范德華力150結(jié)合，這是關(guān)于整體彈性體定子化合物100的結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵組分。
[0029]彈性體可通過使用硫和/或有機(jī)過氧化物通過將聚合物連接到其它聚合物的化學(xué)硫化反應(yīng)而交聯(lián)。傳統(tǒng)地，硫用于其中模量和耐高溫為較低優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用中。另一方面，有機(jī)過氧化物具有更短和具有更負(fù)電性共價(jià)鍵的優(yōu)點(diǎn)。這些“更難”過氧化物誘導(dǎo)的碳碳交聯(lián)還具有以下幾個(gè)缺點(diǎn):所得橡膠化合物可更脆，其中撕裂強(qiáng)度較低即使模量超常;硫化反應(yīng)可為較高能并且難以減緩；以及不斷再現(xiàn)彈性體聚合物交聯(lián)到粘結(jié)劑聚合物涂層(粘合劑)更具挑戰(zhàn)。
[0030]添加包括碳納米管、石墨稀顆粒、納米粘土、布基球(bucky balls)和其它三維設(shè)計(jì)的碳結(jié)構(gòu)(補(bǔ)強(qiáng)填料充劑)的納米顆粒，其提供大表面積與重量比率，可有益于通過利用高表面積顆粒產(chǎn)生聚合物和填料顆粒之間的范德華吸引力的增大來補(bǔ)強(qiáng)彈性體聚合物。薄片形狀的顆粒還可通過產(chǎn)生停止鉆井液化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行滲入的惰性阻擋層影響彈性體的耐化學(xué)性。
[0031]用于泥漿馬達(dá)功率部分不斷地推動(dòng)運(yùn)行和井下鉆井安全性。石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為較高模量的材料能夠在彈性體凸角上維持由金屬轉(zhuǎn)子凸角密封的更大差壓。如果定子彈性體具有足夠高以不偏斜的模量，那么在轉(zhuǎn)子和定子之間的空腔僅可維持差壓并且有效地賦予扭矩，因此阻止流體前向進(jìn)行到后續(xù)空腔。在轉(zhuǎn)子和定子界面之間的流體滑動(dòng)可引起立體流體壓力到扭矩效率的損失。較高模量材料的另一益處為彈性體凸角可承受差壓越大，將賦予越大扭矩到金屬轉(zhuǎn)子。在功率部分中，流過與對(duì)于給定標(biāo)準(zhǔn)幾何的轉(zhuǎn)子的偏心旋轉(zhuǎn)速度成比例，并且功率部分定子可充當(dāng)轉(zhuǎn)子與其相互作用的動(dòng)力學(xué)密封界面。不僅彈性體化合物必須維持模量進(jìn)行密封，而且粘彈性動(dòng)力學(xué)特性必須維持在高溫鉆井環(huán)境中在高頻率上的主要彈性響應(yīng)。凸角“搭扣”回的能力為關(guān)于功率部分的最大評(píng)級(jí)流速的頻率和差別的模量的彈性動(dòng)力學(xué)衰減的功能。較小彈性衰減響應(yīng)更大差壓，功率部分定子可在較高流速下處理，并且更強(qiáng)大和可靠的功率部分可能在鉆井環(huán)境中具有挑戰(zhàn)。
[0032]石墨烯顆粒和碳的其它納米級(jí)片不通過在石墨材料中常見的強(qiáng)界面范德華力結(jié)合在一起或彼此結(jié)合。其它納米級(jí)片可代替石墨烯用于某些調(diào)配物。另外，并且如此前提到的，石墨烯顆粒可借助反應(yīng)性官能團(tuán)共價(jià)鍵合到顆粒而化學(xué)地變化。官能團(tuán)可包括酚環(huán)結(jié)構(gòu)、硫原子或硫鏈、有機(jī)過氧化物基團(tuán)、甲醛官能團(tuán)、異氰酸酯、異氰尿酸酯、四甲基甲胺(TMTM)、六甲基甲胺(“六”、HMT)和/或脂肪酸基團(tuán)/羥基。
[0033]下表I列舉具有官能化或非官能化石墨烯顆粒的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的實(shí)施例，所述石墨烯顆粒分散在NBR、HNBR、XNBR、XHNBR或FKM(氟/全氟彈性體)的聚合物基質(zhì)中，用于需要超常固化狀態(tài)拉伸模量、撕裂強(qiáng)度、剪切模量、壓縮模量、彈性動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、高溫耐聚合物鏈斷裂、對(duì)鉆井液固體表面耐磨性和/或耐轉(zhuǎn)子金屬修飾和流體溶脹性(當(dāng)暴露于各種水基、油基或合成的油基鉆井流體以及其它類似流體時(shí))的功率部分鉆井定子。
[0034]表1-石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的實(shí)例實(shí)施例
[0035]■非官能化石墨烯顆粒可為單個(gè)單碳層片厚度。
[0036]■非官能化石墨烯顆粒可為2個(gè)到30個(gè)碳片厚。
[0037]■官能化石墨烯顆?？蔀閱蝹€(gè)單碳層片厚度。
[0038]■官能化石墨烯顆?？蔀?個(gè)到30個(gè)碳片厚，其中I個(gè)或更多個(gè)片具有共價(jià)鍵合到一個(gè)或多個(gè)碳原子的官能團(tuán)。多層石墨烯顆粒可僅具有外大多數(shù)層的官能化，不必具有全部層的官能團(tuán)。
[0039]■官能團(tuán)可為單鍵sP3雜化或與張緊碳鍵sp2雜化，因此使碳石墨烯片略變形，具有“彎折”。非官能團(tuán)也可具有“彎折”。
[0040]■石墨烯顆粒可均勻和/或無定形分散在在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的NBR中ο
[0041 ] ■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的NBR中。
[0042]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的HNBR中。
[0043]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的HNBR中。
[0044]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XNBR中。
[0045]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的XNBR中。
[0046]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XHNBR中。
[0047]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的XHNBR 中。
[0048]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在在100 0C下門尼粘度為20到150門尼單位的氟彈性體基礎(chǔ)聚合物中。
[0049]■石墨烯顆?？删鶆蚝?或無定形分散在氟或全氟支化的聚合物含量在15%到80%范圍的XHNBR中。
[0050]下表2列舉實(shí)例實(shí)施例非官能團(tuán)和官能團(tuán)，在石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的實(shí)施例中其包括反應(yīng)性基團(tuán)或橡膠化學(xué)常見的基團(tuán)，并且需要極少或不需要特殊處理以反應(yīng)到填料-聚合物-交聯(lián)網(wǎng)中。
_1]表2-反應(yīng)到石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物中的基團(tuán)的實(shí)例實(shí)施例
[0052]■石墨烯顆粒不含有官能團(tuán)但是具有可通過離子、有機(jī)鹽或共價(jià)化合物添加劑改進(jìn)的分散體，其“浸透”碳表面化學(xué)反應(yīng)而基本上不影響聚合物到聚合物的剪切力，剪切力在混合過程中是必需的將碳填料材料物理地素?zé)挸删酆衔锘|(zhì)(例如，高分子(大于8個(gè)碳原子)脂肪酸)。
[0053]■石墨烯官能團(tuán)可為酚環(huán)結(jié)構(gòu)、硫原子或硫鏈、有機(jī)過氧化物基團(tuán)、甲醛官能團(tuán)、異氰酸酯、異氰尿酸酯、四甲基甲胺(TMTM)、六甲基甲胺(“六”、HMT)、六亞甲基甲胺(“六”、HMM)和/或脂肪酸基團(tuán)
[0054]■具有與以上多種聚合物中的一種或多種直接交聯(lián)的過氧化/氧官能化石墨烯顆粒的化合物。
[0055]■具有與以上多種聚合物中的一種或多種直接交聯(lián)的過氧化/氧官能化石墨烯顆粒和/或通過使用助劑橋接過氧化物誘導(dǎo)的交聯(lián)的其它石墨烯顆粒的化合物。助劑可包括馬來化聚丁二烯、金屬甲基丙烯酸酯有機(jī)鹽、三官能丙烯酸酯、非亞硝基官能化助劑單體、二甲基丙烯酸I，3丁二醇酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。
[0056]■具有與以上多種聚合物直接和間接交聯(lián)的過氧化/氧官能化石墨烯顆粒和/或通過使用可交聯(lián)反應(yīng)性酯塑化劑的其它石墨烯顆粒的化合物，以降低化合物的未固化粘度、最小化在高溫和不同流體條件下的浸出，同時(shí)通過硫化反應(yīng)將石墨烯顆?；瘜W(xué)鎖閉到聚合物基質(zhì)提高動(dòng)力學(xué)性能。
[0057]■使用過氧化物相容的助劑以將過氧化/氧官能化的石墨烯顆粒交聯(lián)到作為可交聯(lián)塑化劑的聚合物和反應(yīng)性酯的化合物。
[0058]■使用三烯丙基氰脲酸酯、三烯丙基異氰脲酸酯和/或多元醇單體作為助劑以將異氰脲酸酯、氨基甲酸酯和/或氰尿酸酯官能化的石墨烯顆?；瘜W(xué)地交聯(lián)到自身和交聯(lián)到硫和/或過氧化物固化的基礎(chǔ)彈性體聚合物鏈的化合物。
[0059]■在來自具有以上列舉的基礎(chǔ)聚合物彈性體配方中，使用交聯(lián)到混煉氨基甲酸酯添加劑的異氰脲酸酯、氨基甲酸酯和/或氰尿酸酯官能化的石墨烯顆粒的化合物。
[0060]■在來自具有以上列舉的基礎(chǔ)聚合物彈性體配方中，使用交聯(lián)到酚醛樹脂的酚、過氧化物、氧官能化的石墨烯顆粒或其組合的化合物，其中通過使用乙氧基化雙酚A 二丙烯酸酯作為助劑而交聯(lián)。
[0061]■使用交聯(lián)到基礎(chǔ)聚合物的酚官能化石墨烯顆粒的化合物，其中通過使用乙氧基化雙酚A 二丙烯酸酯借助甲醛反應(yīng)而交聯(lián)，其中六亞甲基四胺或六亞甲基甲胺作為硫化反應(yīng)的亞甲基供給活化劑。
[0062]石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子可以將石墨烯顆?；蚱稚⒌轿垂袒鹉z化合物中開始。在實(shí)施例中，在分散之前，對(duì)于給定調(diào)配物石墨烯配置有理想尺寸的石墨烯顆?；蚱??？蓛?yōu)化石墨烯顆粒的尺寸，同時(shí)記住所述工藝的稍后步驟，其可進(jìn)一步分裂或分解一些石墨烯顆粒?？商娲兀瑑?yōu)化具有相同石墨烯濃度和可變石墨烯粒度的化合物的群組的撕裂強(qiáng)度可更經(jīng)濟(jì)。石墨烯增強(qiáng)的彈性體的化學(xué)蝕刻斷裂表面可在電子顯微鏡下查看以確定顆粒大小、顆粒密度和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化水平。另外，在實(shí)施例中，石墨烯可在分散之前官能化，以增大將變成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的交聯(lián)密度。
[0063]在實(shí)施例中，半補(bǔ)強(qiáng)和高度補(bǔ)強(qiáng)的碳黑可用于幫助石墨烯和石墨烯的聚合物分散體進(jìn)入聚合物基質(zhì)中。
[0064]參考圖5，示出鍵合的石墨烯顆粒210和聚合物200。類似于圖4上文所論述的現(xiàn)有技術(shù)，石墨烯顆粒210主要通過范德華力250鍵合到聚合物200氫原子240。石墨烯顆粒將其形狀維持在幾何平面中的傾向可允許甚至更強(qiáng)的范德華力存在，從而在彈性體定子中僅通過添加石墨烯顆粒而產(chǎn)生附加的結(jié)構(gòu)剛度，并且在制造過程中不過度破壞顆粒。
[0065]圖6示出石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物300的實(shí)施例。在此實(shí)施例中，石墨烯顆粒310通過過氧化物/氧原子360官能化，并且與320交聯(lián)。此類顆粒的交聯(lián)密度被增大超過標(biāo)準(zhǔn)彈性體定子化合物，從而為由所述化合物構(gòu)成的彈性體定子提供結(jié)構(gòu)剛度和熱耗散特性。圖7a到圖7c示出過氧化交聯(lián)如何形成，圖7c示出增強(qiáng)的彈性體定子化合物的實(shí)施例。參考圖8，示出過氧化/氧官能化石墨烯化合物的替代圖示，其示出在石墨烯顆粒之間和在石墨烯顆粒與聚合物之間過氧化交聯(lián)可如何形成。與傳統(tǒng)的定子彈性體相比，由所述實(shí)施例產(chǎn)生的化合物可在更廣范圍的應(yīng)變頻率和操作溫度上具有改進(jìn)的模量和/或遲滯動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由所述實(shí)施例產(chǎn)生的高度交聯(lián)的化合物可具有較低熱膨脹系數(shù)，這將可能允許在整個(gè)更廣范圍的操作溫度中定子維持優(yōu)化的轉(zhuǎn)子到定子組裝(而在傳統(tǒng)的定子彈性體中50°F為正常組裝區(qū)間)。
[0066]參考圖9，在實(shí)施例中，示出石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物400，其具有酚官能化石墨烯顆粒410。苯酚470可鍵合到石墨烯顆粒并且與六甲基甲胺或可替代地六甲基四胺(“六”或“HMT”)480交聯(lián)。圖10示出了在圖9中描述的彈性體定子化合物與橡膠聚合物分子420混合的實(shí)施例。圖11示出在圖9到圖10中示出的彈性體定子化合物的替代實(shí)施例，通過添加過氧化物誘導(dǎo)的交聯(lián)460，從而進(jìn)一步增大整體化合物的交聯(lián)密度。利用酚醛樹脂通常增大固化狀態(tài)硬度并且降低化合物的應(yīng)變模量，同時(shí)降低未固化狀態(tài)的粘度(許多工業(yè)實(shí)例存在)。將熱固性酚醛樹脂與石墨烯補(bǔ)強(qiáng)的彈性體合并可將化合物的未固化粘度降低到導(dǎo)致更容易制造而不損害如傳統(tǒng)塑化劑損害的固化狀態(tài)特性的范圍中。
[0067]參考圖12，在實(shí)施例中，示出石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物500，其具有彈性體定子顆粒510、聚合物分子520、過氧化物誘導(dǎo)的交聯(lián)560、三官能化甲基丙烯酸酯560。三官能甲基丙稀酸酯充當(dāng)在聚合物和官能化石墨稀顆粒之間的三向橋接。以這種方式，提高過氧化物效率，允許聚合物到聚合物到石墨烯交聯(lián)亞結(jié)構(gòu)和/或石墨烯到石墨烯到聚合物交聯(lián)亞結(jié)構(gòu)。在所述實(shí)施例中，在相對(duì)低固化溫度下硫可延遲過氧化物固化反應(yīng)，這通過將化合物保持在未固化狀態(tài)直到定子模具完全填充而幫助定子的加工。如果過氧化物反應(yīng)具有較高親和力以與石墨烯顆粒反應(yīng)，那么硫還可補(bǔ)充聚合物到聚合物交聯(lián)密度?？傮w結(jié)果為模量的增大和可能較高撕裂強(qiáng)度，因?yàn)榛衔锏膩喗Y(jié)構(gòu)將打破在聚合物和聚合物到石墨烯邊界之間的天然撕裂邊界。圖13示出了具有硫交聯(lián)604的腈丁二烯602的實(shí)例。圖13(a)到圖13(d)示出了聚合物的硫硫化的逐步過程。圖13(d)示出了本實(shí)例的較大規(guī)模的硫硫化最終結(jié)果。圖14示出了具有聚合物到硫官能化的石墨烯交聯(lián)610的石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子化合物的實(shí)例實(shí)施例。聚合物到聚合物交聯(lián)620示出硫化聚合物NBR 630或另選HNBR(未示出)。參考圖15，示出612過氧化/氧官能化的石墨烯借助于有機(jī)過氧化物交聯(lián)到三官能助劑的實(shí)施例?？刹捎萌u甲基丙烷三甲基丙烯酸酯614或類似的三官能化助劑可用于增大化合物的交聯(lián)密度。示出616通過過氧化物硫化交聯(lián)到聚合物的助劑的亞乙基，但可使用其它三官能助劑。
[0068]部分由于提高的耐熱性、更快的熱耗散和增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度，石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子比之前設(shè)計(jì)允許在井下失效之間的更長運(yùn)行時(shí)間。更具體來說并且此外，石墨烯增強(qiáng)的定子可具有超常的固化狀態(tài)拉伸模量、撕裂強(qiáng)度、剪切模量、壓縮模量、彈性動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、高溫耐聚合物鏈斷裂、對(duì)鉆井液固體表面耐磨性和耐轉(zhuǎn)子金屬修飾和流體溶脹。這些特性中的每個(gè)可提供協(xié)同作用，當(dāng)相比于在所述行業(yè)中的之前設(shè)計(jì)時(shí)，其允許大得多的井下性能和長壽命。
[0069]雖然已經(jīng)結(jié)合實(shí)踐其優(yōu)選的形式和對(duì)其的修改形式描述本文公開的概念，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可對(duì)其進(jìn)行許多其它修改。因此，不旨在通過以上說明以任何方式限制這些概念的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種推進(jìn)腔式功率部分，其包含: 轉(zhuǎn)子，以及 定子，其包含金屬外管和石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子內(nèi)襯，所述內(nèi)襯的彈性體材料包含: 石墨烯顆粒和橡膠。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 非官能化石墨烯顆粒，其基本上具有單個(gè)單碳層片厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 非官能化石墨烯顆粒，其基本上具有二到三十層片厚度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 官能化石墨烯顆粒，其基本上具有單個(gè)單碳層片厚度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 官能化石墨烯顆粒，其基本上具有二到三十層片厚度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彈性體材料，其包含: 一個(gè)或多個(gè)石墨烯片，其具有共價(jià)鍵合到在每個(gè)石墨烯片中的一個(gè)或多個(gè)碳原子的官能團(tuán)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彈性體材料，其包含: 官能團(tuán)，其具有單鍵sp3雜化或與張緊碳鍵sp2雜化，因此使碳石墨烯片略變形。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的NBR中的石墨烯顆粒。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的NBR中的石墨烯顆粒。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到在100°c下門尼粘度為20到75門尼單位的NBR中的石墨烯顆粒。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的NBR中的石墨烯顆粒。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的NBR中的石墨稀顆粒。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的HNBR中的石墨烯顆粒。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的HNBR中的石墨烯顆粒。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的HNBR中的石墨烯顆粒。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的HNBR中的石墨烯顆粒。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的HNBR中的石墨烯顆粒。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的HNBR中的石墨稀顆粒。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的HNBR中的石墨烯顆粒。20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到在100°c下門尼粘度為20到75門尼單位的XNBR中的石墨烯顆粒。21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XNBR中的石墨烯顆粒。22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XNBR中的石墨烯顆粒。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XNBR中的石墨烯顆粒。24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XNBR中的石墨稀顆粒。25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XNBR中的石墨烯顆粒。26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XHNBR中的石墨烯顆粒。27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XHNBR中的石墨烯顆粒。28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到75門尼單位的XHNBR中的石墨烯顆粒。29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XHNBR中的石墨烯顆粒。30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XHNBR中的石墨烯顆粒。31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內(nèi)的XHNBR中的石墨烯顆粒。32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到在100°C下門尼粘度為20到100門尼單位的氟彈性體基礎(chǔ)聚合物中的石墨稀顆粒。33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到100門尼單位的氟彈性體基礎(chǔ)聚合物中的石墨稀顆粒。34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到在100°C下門尼粘度為20到100門尼單位的氟彈性體基礎(chǔ)聚合物中的石墨烯顆粒。35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻分散到丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀顆粒。36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 無定形分散到丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀顆粒。37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 均勻并且無定形分散到丙烯腈含量在25%到65%范圍內(nèi)的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨烯顆粒。38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性體材料，其包含: 以過氧化物誘導(dǎo)的交聯(lián)間接交聯(lián)到聚合物和石墨烯顆粒的過氧化/氧官能化石墨烯顆粒。39.—種形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述方法包括以下步驟: 形成所述定子的金屬外管，以及 形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子內(nèi)襯，其中所述內(nèi)襯的彈性體材料的形成包含將助劑添加到彈性體材料混合物以橋接過氧化物誘導(dǎo)的交聯(lián)。40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含馬來化聚丁二烯。41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含金屬甲基丙烯酸酯有機(jī)鹽。42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含三官能丙烯酸酯。43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含非亞硝基官能化助劑單體。44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含二甲基丙烯酸丁二醇酯。45.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。46.根據(jù)權(quán)利要求39所述的形成石墨烯增強(qiáng)的彈性體定子的方法，其中所述助劑包含乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。
【文檔編號(hào)】F01C1/107GK106029565SQ201580008822
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年2月18日
【發(fā)明人】J·A·西西里恩
【申請(qǐng)人】雷米技術(shù)有限責(zé)任公司