一種耐高溫油井橡膠密封圈材料及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種油井用耐高溫橡膠密封圈材料及其制備方法。該橡膠密封圈材料由三個部分組成：內(nèi)外層均為氟橡膠與高強度編織布添加炭黑、納米氧化鋯等無機填料組成；中心層為選用經(jīng)過熱機械剪切脫硫的膠粉與氟橡膠進行復(fù)配，并添加相容劑提高了兩者的相容性，然后采用經(jīng)過表面處理的高強度編織布，作為支撐體，添加炭黑、納米氧化鋯等無機填料，高溫硫化交聯(lián)成型。密封圈編織布與橡膠基料經(jīng)多層復(fù)合硫化成型。本發(fā)明制備的密封圈具備良好的耐高溫性能，滿足長期在溫度差異很大的地區(qū)長時間使用。
【專利說明】一種耐高溫油井橡膠密封圈材料及其制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于橡膠材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種橡膠密封圈材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石油作為一種與人們生活密切聯(lián)系的基礎(chǔ)能源，石油工業(yè)的快速發(fā)展在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著非常重要的作用，隨著可開采原油的數(shù)量逐年降低，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要性，原油開采的效率，提高最終的采收率，逐漸成為石油工作者考慮的問題。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，在原油開采的過程中，起主要決定性作用的是有桿抽油設(shè)備，而在有桿抽油設(shè)備中井口光桿密封裝置又是重中之重，抽油機井口密封裝置中的密封填料全天候24h不間斷的與抽油桿之間產(chǎn)生滑動摩擦，而且全國各地的溫差相差很大，會加速油田常用橡膠密封填料的老化，降低其使用壽命，更為嚴重的是會造成抽油井口漏油現(xiàn)象。目前市場上使用的密封填料材料主要為各種各樣的盤根，如石墨盤根、芳綸盤根、四氟盤根、碳纖維盤根，其耐溫性和耐溶劑性能較強，研究發(fā)現(xiàn)，盤根在使用過程中面臨最大的問題就是頻繁失效，對于環(huán)境比較惡劣的油井的使用壽命不足24h，最好的也就I?2月，如果在實際生產(chǎn)過程中，盤根出現(xiàn)失效且沒有及時發(fā)現(xiàn)，采取適當?shù)难a救措施，油氣會出現(xiàn)泄露造成環(huán)境污染等問題，更為嚴重的產(chǎn)生大面積的火災(zāi)，給國家的能源以及人們的身體健康造成一定的危害以及損失。
[0004]近年來國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，橡膠材料的耐磨耐油性好，使用壽命長，密封性可靠，可以替代傳統(tǒng)的盤根，橡膠材料在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的效果。因此，開發(fā)一種耐高溫的油井用橡膠密封圈材料已經(jīng)勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種油井用耐高溫橡膠密封圈及其制備方法，該法具有經(jīng)濟環(huán)保、可連續(xù)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點，均好于傳統(tǒng)再生法，便于大面積推廣實現(xiàn)對廢舊橡膠制備耐高溫密封圈工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明提供的密封圈材料由三個部分組成:內(nèi)層、中間層、外層，
[0007]內(nèi)外層均為氟橡膠與高強度編織布添加炭黑、納米氧化鋯等無機填料組成，
[0008]從結(jié)構(gòu)上來看，內(nèi)外層均由多個小層構(gòu)成，具體地說，由改性氟橡膠層與高強度編織布層，交叉結(jié)合組成，
[0009]層數(shù)、各層的厚度與實際要達到性能密切相關(guān)，一般來說，內(nèi)外層中，橡膠層與編織布層的層數(shù)總和為3?7層,橡膠的厚度為I?IOmm,編織布的厚度為0.1?0.5mm,
[0010]從原料上來看，內(nèi)外層中各組分，按重量分數(shù)計算為，
[0011]氣橡膠100份
高強度編織布5?10份
炭黑5~10份
納米氧化鋯I?5份
活性氧化鎂 5?10份；
[0012]中心層為選用經(jīng)過熱機械剪切脫硫的膠粉與氟橡膠進行復(fù)配，并添加相容劑提高了兩者的相容性，然后采用經(jīng)過表面處理編織成布的高強度長碳纖維、玻璃纖維或者尼龍纖維等作為支撐體，添加炭黑、納米氧化鋯等無機填料，高溫硫化交聯(lián)成型，
[0013]從結(jié)構(gòu)上來看，中心層為廢舊膠粉與氟橡膠的改性復(fù)配橡膠層，與高強度編織布層，交叉結(jié)合組成，一般來說，中心層中，復(fù)配橡膠層與編織布層的層數(shù)總和為3?5層，同樣地，橡膠的厚度為I?IOmm,纖維布(編織布)的厚度為0.1?0.5mm,
[0014]從原料上來看，中間層中各組分，按重量分數(shù)計算為，
[0015]
廢舊膠粉50-60份
氟橡膠40?50份
相容劑I?5份
高強度編織布5~10份
炭黑1~5份
納米氧化鋯I?5份
促進劑0.1?I份
硫化劑0.1~1份。
[0016]具體地說，上述的原料配方中，氟橡膠選自偏氟醚橡膠、氟硅橡膠、全氟醚橡膠中的一種或者兩種以上的混合物；
[0017]上述的高強度編織布為，經(jīng)過表面處理，并編織成布的高強度長碳纖維、玻璃纖維或者尼龍纖維，這里的表面處理方式為，將纖維材料，在表面活性劑中浸潰，并烘干，表面活性劑為硅烷偶聯(lián)劑，選自KH550、KH560或KH570，
[0018]高強度編織布作為增強材料預(yù)埋到橡膠中，作為橡膠密封圈的骨架，可承受很大的壓力，保持良好的熱變形，適應(yīng)油井中的工作狀態(tài)；
[0019]中間層所述的廢舊膠粉為，經(jīng)過熱機械剪切脫硫法制備得到的可再生性膠粉，恢復(fù)了橡膠的部分性能，可實現(xiàn)膠粉的重復(fù)利用，恢復(fù)了再加工性能，并且成本較低。熱機械剪切脫硫膠粉的主要制備方法見專利《廢橡膠綠色脫硫工藝方法》(申請?zhí)?101418082)；
[0020]相容劑為硅烷接枝二元乙丙橡膠，市售；
[0021]上述的促進劑可縮短橡膠的硫化時間或者降低橡膠的硫化溫度，減少硫化劑用量以及提高橡膠的物理機械性能，分為無機促進劑和有機促進劑，本發(fā)明專利中主要使用有機促進劑，主要為促進劑M、促進劑D、DETU, DPG、TMTD, BZ、PZ、ZDC、CZ等；[0022]硫化劑是一種能使橡膠分子鏈起交聯(lián)反應(yīng)，使線型分子形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高橡膠密封圈的力學(xué)性能，硫化劑主要分為有機和無機兩大類，本發(fā)明專利中使用的硫化劑主要為硫化劑PDM、硫磺等。
[0023]本發(fā)明還提供了一種上述密封橡膠圈材料的制備方法，具體步驟如下:
[0024](I)按配比，分別稱取除高強度編織布以外的，內(nèi)外層膠、中間層的原料，分別經(jīng)開煉機或者密煉機共混混合，將混合好的膠粉分別過濾以去除雜質(zhì)，得到預(yù)膠粉；
[0025](2)將步驟(I)得到的預(yù)膠粉，經(jīng)由冷喂料復(fù)合擠出機擠出內(nèi)外以及中間層膠，裁剪，其中，復(fù)合擠出機的溫度設(shè)置在80?100°C之間，長徑比為45:1，
[0026]擠出機擠出的內(nèi)外及中間層膠，厚度為I?10mm，裁剪的膠料的尺寸，需要根據(jù)實際生產(chǎn)的密封圈的尺寸來確定；
[0027](3)將步驟(2)中裁剪得到的內(nèi)層膠、中間層膠、外層膠的膠料，分多層加入到模具中，并在橡膠層與橡膠層之間，添加編織布，保證編織布與橡膠層交叉復(fù)合，
[0028]這里所謂的“交叉復(fù)合”，是指各層之間按“橡膠-編織布-橡膠-編織布-橡膠-編織布-橡膠(按該順序依次排列下去，一般來說，橡膠和編織布的總層數(shù)之和為:內(nèi)層3?7層，中間層3?5層，外層3?7層)”交叉組合，其中，放置編織布的時候，應(yīng)注意保證各層編織布的接頭錯開，以保證密封圈材料的強度，編織布的厚度為0.1?0.5mm,
[0029]另外，模具的規(guī)格，交錯復(fù)合的層數(shù)，也需要根據(jù)實際生產(chǎn)的密封圈的尺寸或使用情況來確定；
[0030](4)放置完材料，將模具置于平板硫化機中硫化成型，硫化時間在20?30min，硫化溫度為150?180°C，
[0031]密封圈纖維布與橡膠基料經(jīng)多層復(fù)合硫化成型，有效地解決了各層橡膠/纖維布之間的粘結(jié)性，提高了密封圈的使用壽命，以及其機械性能。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:
[0033]本發(fā)明專利制備的密封圈具備良好的耐高溫性能，最高溫度可到330°C，在300 V X 70h老化條件后，制品的硬度、拉伸強度以及斷裂生產(chǎn)率的變化范圍任然滿足HG/T2579-94 (“O”型橡膠密封圈)標準，且數(shù)值變化明顯優(yōu)于標準；在標準油中(300°C X70h)浸泡，硬度以及體積變化均小于行業(yè)標準，滿足長期在溫度差異很大的地區(qū)長時間使用；
[0034]本發(fā)明專利制備得到的耐高溫橡膠密封圈，采用脫硫廢舊膠粉與氟橡膠進行共混改性作為中間層，原材料成本大幅度降低，解決了國內(nèi)外廢舊輪胎回收難的問題；
[0035]采用多層復(fù)合成型技術(shù)，解決各層橡膠/纖維布之間的相容性差和粘結(jié)性差等特點。
[0036]無機填料可以對橡膠起到很好的補強作用，并且可以提高密封圈的耐溫性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明的油井用耐高溫橡膠密封圈的剖面圖結(jié)構(gòu)示意圖(本附圖中，以“內(nèi)外層均為5層結(jié)構(gòu)、中間層為3層結(jié)構(gòu)”為例，只是對本發(fā)明的進一步說明，而不是對本發(fā)明范圍的限制)，
[0038]其中，陰影部分為橡膠，白色空白為纖維布，[□為纖維布接頭處代表氟橡膠；代表廢舊膠粉與氟橡膠的改性復(fù)配橡膠。【具體實施方式】
[0039]耐高溫油井橡膠密封圈材料的主要性能指標:
主要指標測試標準技術(shù)參數(shù)
硬度(邵氏 A 度)HG/T2579-94 50 -70
拉伸強度(MPa)HG/T2579-94 ^lSMpa
斷裂伸長率HG/T2579-94 ≤350%
壓縮永久變形(300°CX22h)HG/T2579-94 <35%
? 硬度變化HG/T2579-94 0-+10
[0040]
標準油中(300°C X 70h)___
體積變化HG/T2579-94 -8%~+6%

硬度變化HG/T2579-94 0-+10
熱空氣老化(300°CX70h) 拉伸強度變化HG/T2579-94 ≤15%
斷裂伸長率變化HG/T2579-94 <15%
[0041]實施例1:
[0042]內(nèi)層膠:
[0043]
氟橡膠(杜邦牌號VITON GLT偏氟醚橡膠)100份
高強度編織布(碳纖維)5份
炭黑5份
氧化鋯1份
活性氧化鎂5份
[0044]中間層:
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種油井用耐高溫橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的密封圈材料由三個部分組成，內(nèi)外層為改性氟橡膠層與高強度編織布層，交叉結(jié)合組成， 中心層為廢舊膠粉與氟橡膠的改性復(fù)配橡膠層，與高強度編織布層，交叉結(jié)合組成，其中，內(nèi)外層中各組分，按重量分數(shù)計算為，
2.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的氟橡膠選自偏氟醚橡膠、氟硅橡膠、全氟醚橡膠中的一種或者兩種以上的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的高強度編織布為，經(jīng)過表面處理，并編織成布的高強度長碳纖維、玻璃纖維或者尼龍纖維。
4.如權(quán)利要求3所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的表面處理為，將纖維材料，在表面活性劑中浸潰，并烘干，表面活性劑為硅烷偶聯(lián)劑，選自KH550、KH560或KH570。
5.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的廢舊膠粉為經(jīng)過熱機械剪切脫硫法制備得到的可再生性膠粉。
6.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的相容劑為市售硅烷接枝二元乙丙橡膠。
7.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的促進劑選自促進劑M、促進劑 D、DETU, DPG、TMTD, BZ、PZ、ZDC 或 CZ。
8.如權(quán)利要求1所述的橡膠密封圈材料，其特征在于:所述的硫化劑選自硫化劑PDM或硫磺。
9.如權(quán)利要求1至8任一項所述的油井用耐高溫橡膠密封圈材料的制備方法，其特征在于:所述方法為， (I)按配比，分別稱取除高強度編織布以外的，內(nèi)外層膠、中間層的原料，分別經(jīng)開煉機或者密煉機共混混合，將混合好的膠粉分別過濾以去除雜質(zhì)，得到預(yù)膠粉； (2)將步驟(1)得到的預(yù)膠粉，經(jīng)由冷喂料復(fù)合擠出機擠出內(nèi)外以及中間層膠，裁剪； (3)將步驟(2)中裁剪得到的內(nèi)層膠、中間層膠、外層膠的膠料，分多層加入到模具中，并在橡膠層與橡膠層之間，添加編織布，保證編織布與橡膠層交叉復(fù)合； (4)放置完材料 ，將模具置于平板硫化機中硫化成型。
【文檔編號】F16J15/20GK103496229SQ201310349988
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】陶國良, 夏艷平 申請人:常州大學(xué)