螺杆泵定子用层状硅酸盐改性HNBR的研究

论文摘要

定子橡胶多用于高温、高压、高腐蚀的恶劣环境,受工作条件的影响其使用寿命一般较短,迫切需要开发新型的定子材料。聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有优异的力学性能、耐热性、阻隔性、阻燃性和生物降解性,成为定子橡胶材料的研究热点。本文采用层状硅酸盐改性氢化丁腈橡胶（HNBR）并用以制备定子材料,以提高定子的阻隔性和耐H2S、CO2能力,从而延长其使用寿命,降低生产成本。本实验采用熔融插层法制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料,当插层温度为100℃,转速35rpm,插层时间10min时,得到了分散效果较好的纳米复合材料。XRD测试显示在制备的纳米复合材料中,同时存在着剥离性和插层型两种结构。研究实验配方,分析硫化剂、增塑剂、硫化温度、硫化时间等对硫化胶综合性能的影响。结果表明,HNBR-4367体系在硫化温度为160℃,硫化剂S为1phr时所得样品综合性能较好;HNBR-4307体系在硫化温度为160℃,硫化剂DCP为4phr时综合性能较好。增塑剂的使用改善了工艺,但降低了材料性能。对于HNBR-4367体系,在有机化蒙脱土（OMMT）为10phr,累托石（Rectorite）为8phr时分散性最好,硫磺硫化对它们的分散有一定的影响,会产生解插层现象。通过力学性能、阿克隆磨耗及耐原油介质老化性能测试发现, OMMT和Rectorite使材料的性能均得到显著的改善,当它们的用量均为10phr的时候综合性能最好,同时,OMMT对橡胶的改性效果更好。然而实际应用中由于HNBR-4367配方中加入了易析出的助硫化剂TMTD,耐老化性较差,可通过控制TMTD的用量或更换促进剂来提高其性能。对于HNBR-4307体系,过氧化物硫化会促进硅酸盐在橡胶基体中的分散。阻隔性分析表明层状硅酸盐的加入会降低气体透过量,并且OMMT的效果较Rectorite好。对此,我们又初步探索了定子配方的研制,以HNBR-4307/OMMT复合物为基体材料,研究助交联剂及补强剂对性能的影响,进一步的提高定子橡胶的综合性能。同时,研究了几种粘接剂,以用于更好的提高与金属间的相容性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的意义
• 1.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料
• 1.2.1 聚合物/层状硅酸盐的结构
• 1.2.2 聚合物/层状硅酸盐插层的制备
• 1.2.3 聚合物/层状硅酸盐插层的热力学分析
• 1.2.4 聚合物/层状硅酸盐的阻隔性
• 1.2.5 聚合物/层状硅酸盐的应用
• 1.3 橡胶/层状硅酸盐的研究情况
• 1.3.1 定子材料的研究
• 1.3.2 HNBR/层状硅酸盐复合材料研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容
• 第2章 实验内容及方法
• 2.1 实验材料和实验仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 HNBR/层状硅酸盐纳米复合材料制备
• 2.2.1 熔融插层工艺研究
• 2.2.2 橡胶实验配方设计
• 2.2.3 混炼工艺
• 2.2.4 硫化工艺
• 2.3 HNBR/层状硅酸盐纳米复合材料的表征
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 力学性能分析
• 2.3.3 密度及阿克隆磨耗分析
• 2.3.4 耐原油井液介质老化性能分析
• 2.3.5 气体阻隔性分析
• 2.4 定子材料配方初探
• 2.4.1 助硫化剂及补强剂配方
• 2.4.2 定子材料混炼工艺流程
• 2.4.3 性能表征
• 第3章 HNBR-4367/层状硅酸盐的制备及性能分析
• 3.1 插层工艺研究
• 3.2 实验配方研究
• 3.2.1 硫化温度确定
• 3.2.2 硫化时间确定
• 3.2.3 硫化剂的影响
• 3.3 HNBR-4367/层状硅酸盐的性能分析
• 3.3.1 分散性研究
• 3.3.2 力学性能分析
• 3.3.3 密度及阿克隆磨耗分析
• 3.3.4 耐老化性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 HNBR-4307/层状硅酸盐的制备及性能分析
• 4.1 HNBR-4307/层状硅酸盐的制备工艺
• 4.1.1 HNBR-4307 体系硫化时间的确定
• 4.1.2 过氧化物硫化剂的影响
• 4.2 HNBR-4307/层状硅酸盐的性能分析
• 4.2.1 层状硅酸盐分散性研究
• 4.2.2 气体阻隔性研究
• 4.2.3 层状硅酸盐对力学性能的影响
• 4.3 定子橡胶应用初探
• 4.3.1 配方性能分析
• 4.3.2 配方硫化时间研究
• 4.3.3 门尼粘度的研究
• 4.3.4 老化性能研究
• 4.3.5 粘结性研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢