石墨烯增強的彈性體定子的制作方法

石墨烯增強的彈性體定子的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種增強的彈性體定子組件和其制備方法。可通過摻入石墨烯顆粒、可交聯聚合物、延伸交聯的偶聯劑和通過減少填料材料在結構上、熱和/或化學上增強所述彈性體定子。所述石墨烯顆粒可以官能化或非官能化形式或以其組合摻入，官能化石墨烯增加在整體結構中的交聯的數目，從而增強所述彈性體定子的結構穩健性。化合物可經調配以具有相對較低的粘度和允許材料流過模腔的其它特征。
【專利說明】
石墨烯増強的彈性體定子
技術領域
[0001 ]本發明涉及改進的彈性體定子組件。
【背景技術】
[0002]具有彈性體定子組件的推進腔式栗已經在鉆井操作中使用一些時間。在井下鉆井操作中，推進腔式馬達通過使在定子組件內的轉子自旋來栗送流體。具體來說，用于泥漿馬達的功率部分已發現推進腔式栗在反向應用中廣泛使用，其中鉆井流體用于轉動在定子內的轉子。常常，推進腔式馬達配置有在由具有高碳黑填料含量的橡膠構成的彈性體定子內轉動的螺旋金屬凸角轉子。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。在轉子的金屬凸角壓靠彈性體定子內壁時，形成密封線并且流體因此被栗送通過空腔，因為它們在轉子的金屬凸角與彈性體定子內壁之間形成。
[0003]生產高功率、高扭矩和高速功率部分定子的挑戰是制造設備和經濟的加工材料需要能夠流過緊密模腔長距離同時維持其未固化狀態的低粘度未固化彈性體化合物。如果化合物太粘，那么它不能流動適當的距離以填充模具。如果化合物在填充模具之前開始硫化反應，那么化合物的粘度將以指數方式增大，可能產生未被填充的模具，或將填充有以分離基質形成的交聯的模具。分別形成的基質在彈性體產物中產生不可檢測的晶粒邊界，這將常常由于撕裂強度的顯著損耗、模量的損耗和或促進周圍彈性體基質的快速物理劣化的內部摩擦點而過早地失效。傳統地，功率部分彈性體的設計者已在配方中使用補強和半補強碳黑、低粘度低分子量基礎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特性，常常使調配物更軟并且更不動力穩定。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，它在高溫下當暴露于不同鉆井流體時具有從彈性體中浸出的傾向，這可引起產品收縮或橡膠與金屬粘結劑的脫粘，并且還促進從鉆井流體中吸附化學物質。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。一旦在固化狀態中，塑化劑持續使聚合物鏈潤滑，產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，塑化劑對在油中流體萃取的抗性越大。將酯類塑化劑反應到聚合物基質中的可能將基本上增大對萃取的抗性。如果塑化劑可過氧化交聯到聚合物，那么相同塑化劑可交聯到官能化石墨烯顆粒，將塑化劑永久地鎖閉到聚合物基質中。通過使塑化劑反應到聚合物和石墨烯顆粒中，高于傳統負載的塑化劑可復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或從內徑表面浸出的缺點。較高負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間。通過降低混合時間和剪切速率，在混合過程中較少聚合物被破壞，這將提高物理特性和動力學特性如:模量、拉伸強度、撕裂強度、tan5、剪切模量、壓縮模量和硬度。
[0004]如在美國專利申請公開第US 2008/0050259號中提到，彈性體化合物已摻入酚醛樹脂，這以降低撕裂強度為代價降低化合物的未固化粘度并且增大固化狀態產物的硬度。
[0005]彈性體化合物也已發現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載(以維持可制造性)，即固化狀態物理特性在可負擔的、滿意的可再生水平下不可達到的低負載。
[0006]另外，雖然推進腔式馬達的螺旋金屬轉子耐熱、耐磨并且一般具有長的使用壽命，但是推進腔式馬達的定子遠不可靠并且常常失效，需要維護或在之前替換其轉子對應部分。碳黑增強的定子內襯當暴露于研磨材料時往往會磨損，可在空腔之間出現滲漏。當暴露于惡劣溫度時，橡膠化合物將軟化并且可導致密封線不能處理高差壓，這可導致扭矩損失。高溫還可引起在內襯中的橡膠熱膨脹，這可導致過熱。長期暴露于此類條件可引起橡膠變脆并且導致低撕裂強度。失效可以由研磨滲漏的部分磨損和不提供對金屬轉子凸角的恰當密封壓力的形式出現;還可出現內襯的物理撕裂并且引起整個系統的立即關斷。舉例來說，當定子失效時，轉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。暴露于某些化學物質或井下流體可另外引起定子內壁的降解。苛性鉆井流體可被吸附到橡膠內襯中，引起溶脹，這導致在操作中橡膠內襯過熱。流體還可從橡膠萃取化學物質從而使其降解。
[0007]因此將期望具有提高的耐熱性、耐磨性、撕裂強度和其它有益特性的更穩健彈性體定子組件。另外，期望提供提高的在失效之間的平均時間、提高的安全性以及延長運行井下彈性體定子組件的操作運行時間的期望。這將允許更大的鉆井時間和安裝、獲取和維護彈性體定子組件以及由于定子故障可失效的相關聯井下組件的其它部件的降低的花費時間。另外期望提高在彈性體定子組件的需要維護之間的預測時間間隔。

【發明內容】

[0008]本發明涉及石墨烯增強的彈性體定子組件和其制備方法。可通過摻入石墨烯顆粒、可交聯聚合物、延伸交聯的偶聯劑和通過減少填料材料在結構和熱上增強彈性體定子。石墨烯顆粒可以官能化或非官能化形式或以其組合摻入。石墨烯顆粒可在彈性體定子的整體結構中增大聚合物與填料相互作用，從而通過提供附加結構和熱耗散益處而增強定子結構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，這可降低破壞熱積累并且延長功率部分的使用壽命。
[0009]可交聯塑化劑可集成到石墨烯增強的彈性體定子調配物中，以另外增強化合物以及因此彈性體定子的結構剛度和熱特征。一般通過在交聯的化合物中具有更多的材料來增大化合物結構剛度。通過合并可交聯塑化劑和官能化石墨烯，如在優選實施例中，在給定面積上進一步增大化合物之間的交聯密度。另外，石墨烯具有未在傳統用于定子中的材料發現的導電性特性、可通過定子以快速并且有效的方式轉移、分散和耗散熱的特性。另外，在實施例中，可通過使用可交聯塑化劑調配石墨烯增強的彈性體定子化合物以具有相對較低粘度，并且還具有允許材料流過模腔長距離的其它特征，類似當前彈性體定子如何制備。在調配物中，可交聯塑化劑可共價結合到橡膠聚合物鏈、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明的各種實施例但是不意味為限制的。
[0011]圖1描繪了根據本發明的實施例的彈性體定子組件的透視橫截面圖。
[0012]圖2描繪了根據本發明的實施例的彈性體定子組件的側視橫截面圖。
[0013]圖3描繪了根據本發明的實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含物的現有技術化合物的圖示。
[0015]圖5描繪了根據本發明的實施例的在橡膠和非官能化石墨烯顆粒之間的范德華結合力的圖示。
[0016]圖6描繪了根據本發明的實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描繪了過氧化交聯如何在石墨烯增強的定子化合物中形成的逐步圖不O
[0018]圖8描繪了根據本發明的實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到聚合物中和/或彼此交聯。
[0019]圖9描繪了根據本發明的實施例的具有酚官能化石墨烯與六甲基甲胺(“六”或“HMT” )的石墨烯增強的彈性體定子化合物的圖示。
[0020]圖10描繪了根據本發明的實施例的在橡膠中具有酚官能化石墨烯與六的石墨烯增強的彈性體定子化合物的圖示。
[0021]圖11描繪了根據本發明的實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的彈性體定子化合物的圖示。
[0022]圖12描繪了根據本發明的實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的彈性體定子化合物的圖示。
[0023]圖13描繪了具有硫交聯的腈丁二烯的圖示。
[0024]圖14描繪了具有聚合物與硫官能化的石墨烯交聯的石墨烯增強的彈性體定子化合物的圖示。
[0025]圖15描繪了借助于有機過氧化物交聯到三官能助劑的過氧化/氧官能化的石墨烯的圖示。
【具體實施方式】
[0026]在推進腔式馬達中的彈性體定子常常配置有硬金屬管狀外套管和內彈性體定子內襯，其通常通過在模具心軸上注塑成型內襯形成。圖1到圖3描繪了彈性體定子組件10的實施例的多個視圖。存在關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施例，如可配置有本文所述的各種石墨烯增強的彈性體定子化合物實施例中的任一種或如本文所述的多個實施例的任何組合。
[0027]參考圖1到圖3，在實施例中，石墨烯增強的彈性體定子組件10示出具有金屬外管表面20和連接到外管表面20的石墨烯增強的彈性體定子內襯30。彈性體定子內襯內壁32可以改變長度和尺寸的重復螺旋圖案形成，并且對于各種井下操作具有多種不同特征。
[0028]參考圖4，示出現有技術彈性體定子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主要通過在整個化合物中存在的有吸引力的范德華力150結合，這是關于整體彈性體定子化合物100的結構完整性的關鍵組分。
[0029]彈性體可通過使用硫和/或有機過氧化物通過將聚合物連接到其它聚合物的化學硫化反應而交聯。傳統地，硫用于其中模量和耐高溫為較低優先級的應用中。另一方面，有機過氧化物具有更短和具有更負電性共價鍵的優點。這些“更難”過氧化物誘導的碳碳交聯還具有以下幾個缺點:所得橡膠化合物可更脆，其中撕裂強度較低即使模量超常;硫化反應可為較高能并且難以減緩；以及不斷再現彈性體聚合物交聯到粘結劑聚合物涂層(粘合劑)更具挑戰。
[0030]添加包括碳納米管、石墨稀顆粒、納米粘土、布基球(bucky balls)和其它三維設計的碳結構(補強填料充劑)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生聚合物和填料顆粒之間的范德華吸引力的增大來補強彈性體聚合物。薄片形狀的顆粒還可通過產生停止鉆井液化學物質進行滲入的惰性阻擋層影響彈性體的耐化學性。
[0031]用于泥漿馬達功率部分不斷地推動運行和井下鉆井安全性。石墨烯增強的彈性體定子化合物的一個優點為較高模量的材料能夠在彈性體凸角上維持由金屬轉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行到后續空腔。在轉子和定子界面之間的流體滑動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子。在功率部分中，流過與對于給定標準幾何的轉子的偏心旋轉速度成比例，并且功率部分定子可充當轉子與其相互作用的動力學密封界面。不僅彈性體化合物必須維持模量進行密封，而且粘彈性動力學特性必須維持在高溫鉆井環境中在高頻率上的主要彈性響應。凸角“搭扣”回的能力為關于功率部分的最大評級流速的頻率和差別的模量的彈性動力學衰減的功能。較小彈性衰減響應更大差壓，功率部分定子可在較高流速下處理，并且更強大和可靠的功率部分可能在鉆井環境中具有挑戰。
[0032]石墨烯顆粒和碳的其它納米級片不通過在石墨材料中常見的強界面范德華力結合在一起或彼此結合。其它納米級片可代替石墨烯用于某些調配物。另外，并且如此前提到的，石墨烯顆粒可借助反應性官能團共價鍵合到顆粒而化學地變化。官能團可包括酚環結構、硫原子或硫鏈、有機過氧化物基團、甲醛官能團、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/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的彈性體定子化合物的實施例，所述石墨烯顆粒分散在NBR、HNBR、XNBR、XHNBR或FKM(氟/全氟彈性體)的聚合物基質中，用于需要超常固化狀態拉伸模量、撕裂強度、剪切模量、壓縮模量、彈性動力學穩定性、高溫耐聚合物鏈斷裂、對鉆井液固體表面耐磨性和/或耐轉子金屬修飾和流體溶脹性(當暴露于各種水基、油基或合成的油基鉆井流體以及其它類似流體時)的功率部分鉆井定子。
[0034]表1-石墨烯增強的彈性體定子化合物的實例實施例
[0035]■非官能化石墨烯顆粒可為單個單碳層片厚度。
[0036]■非官能化石墨烯顆粒可為2個到30個碳片厚。
[0037]■官能化石墨烯顆粒可為單個單碳層片厚度。
[0038]■官能化石墨烯顆粒可為2個到30個碳片厚，其中I個或更多個片具有共價鍵合到一個或多個碳原子的官能團。多層石墨烯顆粒可僅具有外大多數層的官能化，不必具有全部層的官能團。
[0039]■官能團可為單鍵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 ] ■石墨烯顆粒可均勻和/或無定形分散在丙烯腈含量在25 %到65 %范圍內的NBR中。
[0042]■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HNBR中。
[0043]■石墨烯顆粒可均勻和/或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內的HNBR中。
[0044]■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XNBR中。
[0045]■石墨烯顆粒可均勻和/或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內的XNBR中。
[0046]■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XHNBR中。
[0047]■石墨烯顆粒可均勻和/或無定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范圍內的XHNBR 中。
[0048]■石墨烯顆粒可均勻和/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聚合物中。
[0049]■石墨烯顆粒可均勻和/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列舉實例實施例非官能團和官能團，在石墨烯增強的彈性體定子化合物的實施例中其包括反應性基團或橡膠化學常見的基團，并且需要極少或不需要特殊處理以反應到填料-聚合物-交聯網中。
_1]表2-反應到石墨烯增強的彈性體定子化合物中的基團的實例實施例
[0052]■石墨烯顆粒不含有官能團但是具有可通過離子、有機鹽或共價化合物添加劑改進的分散體，其“浸透”碳表面化學反應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煉成聚合物基質(例如，高分子(大于8個碳原子)脂肪酸)。
[0053]■石墨烯官能團可為酚環結構、硫原子或硫鏈、有機過氧化物基團、甲醛官能團、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
[0054]■具有與以上多種聚合物中的一種或多種直接交聯的過氧化/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的交聯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的過氧化/氧官能化石墨烯顆粒和/或通過使用可交聯反應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，同時通過硫化反應將石墨烯顆粒化學鎖閉到聚合物基質提高動力學性能。
[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到作為可交聯塑化劑的聚合物和反應性酯的化合物。
[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粒化學地交聯到自身和交聯到硫和/或過氧化物固化的基礎彈性體聚合物鏈的化合物。
[0059]■在來自具有以上列舉的基礎聚合物彈性體配方中，使用交聯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聚合物彈性體配方中，使用交聯到酚醛樹脂的酚、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。
[0061]■使用交聯到基礎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而交聯，其中六亞甲基四胺或六亞甲基甲胺作為硫化反應的亞甲基供給活化劑。
[0062]石墨烯增強的彈性體定子可以將石墨烯顆粒或片分散到未固化橡膠化合物中開始。在實施例中，在分散之前，對于給定調配物石墨烯配置有理想尺寸的石墨烯顆粒或片。可優化石墨烯顆粒的尺寸，同時記住所述工藝的稍后步驟，其可進一步分裂或分解一些石墨烯顆粒。可替代地，優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度可更經濟。石墨烯增強的彈性體的化學蝕刻斷裂表面可在電子顯微鏡下查看以確定顆粒大小、顆粒密度和實現的優化水平。另外，在實施例中，石墨烯可在分散之前官能化，以增大將變成石墨烯增強的彈性體定子的交聯密度。
[0063]在實施例中，半補強和高度補強的碳黑可用于幫助石墨烯和石墨烯的聚合物分散體進入聚合物基質中。
[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上文所論述的現有技術，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生附加的結構剛度，并且在制造過程中不過度破壞顆粒。
[0065]圖6示出石墨烯增強的彈性體定子化合物300的實施例。在此實施例中，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。此類顆粒的交聯密度被增大超過標準彈性體定子化合物，從而為由所述化合物構成的彈性體定子提供結構剛度和熱耗散特性。圖7a到圖7c示出過氧化交聯如何形成，圖7c示出增強的彈性體定子化合物的實施例。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可如何形成。與傳統的定子彈性體相比，由所述實施例產生的化合物可在更廣范圍的應變頻率和操作溫度上具有改進的模量和/或遲滯動態響應。由所述實施例產生的高度交聯的化合物可具有較低熱膨脹系數，這將可能允許在整個更廣范圍的操作溫度中定子維持優化的轉子到定子組裝(而在傳統的定子彈性體中50°F為正常組裝區間)。
[0066]參考圖9，在實施例中，示出石墨烯增強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。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施例，通過添加過氧化物誘導的交聯460，從而進一步增大整體化合物的交聯密度。利用酚醛樹脂通常增大固化狀態硬度并且降低化合物的應變模量，同時降低未固化狀態的粘度(許多工業實例存在)。將熱固性酚醛樹脂與石墨烯補強的彈性體合并可將化合物的未固化粘度降低到導致更容易制造而不損害如傳統塑化劑損害的固化狀態特性的范圍中。
[0067]參考圖12，在實施例中，示出石墨烯增強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、過氧化物誘導的交聯560、三官能化甲基丙烯酸酯560。三官能甲基丙稀酸酯充當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亞結構和/或石墨烯到石墨烯到聚合物交聯亞結構。在所述實施例中，在相對低固化溫度下硫可延遲過氧化物固化反應，這通過將化合物保持在未固化狀態直到定子模具完全填充而幫助定子的加工。如果過氧化物反應具有較高親和力以與石墨烯顆粒反應，那么硫還可補充聚合物到聚合物交聯密度。總體結果為模量的增大和可能較高撕裂強度，因為化合物的亞結構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604的腈丁二烯602的實例。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)示出了本實例的較大規模的硫硫化最終結果。圖14示出了具有聚合物到硫官能化的石墨烯交聯610的石墨烯增強的彈性體定子化合物的實例實施例。聚合物到聚合物交聯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過氧化物交聯到三官能助劑的實施例。可采用三羥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密度。示出616通過過氧化物硫化交聯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的結構剛度，石墨烯增強的彈性體定子比之前設計允許在井下失效之間的更長運行時間。更具體來說并且此外，石墨烯增強的定子可具有超常的固化狀態拉伸模量、撕裂強度、剪切模量、壓縮模量、彈性動力學穩定性、高溫耐聚合物鏈斷裂、對鉆井液固體表面耐磨性和耐轉子金屬修飾和流體溶脹。這些特性中的每個可提供協同作用，當相比于在所述行業中的之前設計時，其允許大得多的井下性能和長壽命。
[0069]雖然已經結合實踐其優選的形式和對其的修改形式描述本文公開的概念，但是本領域普通技術人員將理解可對其進行許多其它修改。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。
【主權項】
1.一種推進腔式功率部分，其包含: 轉子，以及 定子，其包含金屬外管和石墨烯增強的彈性體定子內襯，所述內襯的彈性體材料包含: 石墨烯顆粒和橡膠。2.根據權利要求1所述的彈性體材料，其包含: 非官能化石墨烯顆粒，其基本上具有單個單碳層片厚度。3.根據權利要求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.根據權利要求1所述的彈性體材料，其包含: 官能化石墨烯顆粒，其基本上具有單個單碳層片厚度。5.根據權利要求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.根據權利要求5所述的彈性體材料，其包含: 一個或多個石墨烯片，其具有共價鍵合到在每個石墨烯片中的一個或多個碳原子的官能團。7.根據權利要求5所述的彈性體材料，其包含: 官能團，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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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 %范圍內的NBR中的石墨烯顆粒。12.根據權利要求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 %范圍內的NBR中的石墨稀顆粒。13.根據權利要求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 %范圍內的HNBR中的石墨烯顆粒。14.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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 %范圍內的HNBR中的石墨烯顆粒。18.根據權利要求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 %范圍內的HNBR中的石墨稀顆粒。19.根據權利要求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 %范圍內的HNBR中的石墨烯顆粒。20.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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 %范圍內的XNBR中的石墨烯顆粒。24.根據權利要求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 %范圍內的XNBR中的石墨稀顆粒。25.根據權利要求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 %范圍內的XNBR中的石墨烯顆粒。26.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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 %范圍內的XHNBR中的石墨烯顆粒。30.根據權利要求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 %范圍內的XHNBR中的石墨烯顆粒。31.根據權利要求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 %范圍內的XHNBR中的石墨烯顆粒。32.根據權利要求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聚合物中的石墨稀顆粒。33.根據權利要求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聚合物中的石墨稀顆粒。34.根據權利要求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聚合物中的石墨烯顆粒。35.根據權利要求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%范圍內的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀顆粒。36.根據權利要求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%范圍內的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀顆粒。37.根據權利要求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%范圍內的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨烯顆粒。38.根據權利要求1所述的彈性體材料，其包含: 以過氧化物誘導的交聯間接交聯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 形成石墨烯增強的彈性體定子內襯，其中所述內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的交聯。40.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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鹽。42.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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.根據權利要求39所述的形成石墨烯增強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】F01C1/107GK106029565SQ201580008822
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月18日
【發明人】J·A·西西里恩
【申請人】雷米技術有限責任公司