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；中心層為選用經過熱機械剪切脫硫的膠粉與氟橡膠進行復配，并添加相容劑提高了兩者的相容性，然后采用經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，高溫硫化交聯成型。密封圈編織布與橡膠基料經多層復合硫化成型。本發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
【技術領域】
[0001]本發明屬于橡膠材料【技術領域】，特別涉及一種橡膠密封圈材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]石油作為一種與人們生活密切聯系的基礎能源，石油工業的快速發展在國民經濟發展中起著非常重要的作用，隨著可開采原油的數量逐年降低，實現可持續發展的重要性，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]研究發現，在原油開采的過程中，起主要決定性作用的是有桿抽油設備，而在有桿抽油設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，研究發現，盤根在使用過程中面臨最大的問題就是頻繁失效，對于環境比較惡劣的油井的使用壽命不足24h，最好的也就I?2月，如果在實際生產過程中，盤根出現失效且沒有及時發現，采取適當的補救措施，油氣會出現泄露造成環境污染等問題，更為嚴重的產生大面積的火災，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]近年來國內外的研究發現，橡膠材料的耐磨耐油性好，使用壽命長，密封性可靠，可以替代傳統的盤根，橡膠材料在一些重要的工業領域，已經得到了廣泛的應用，并且取得了較好的效果。因此，開發一種耐高溫的油井用橡膠密封圈材料已經勢在必行。
【發明內容】
[0005]本發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，該法具有經濟環保、可連續化生產等諸多優點，均好于傳統再生法，便于大面積推廣實現對廢舊橡膠制備耐高溫密封圈工業化生產。
[0006]本發明提供的密封圈材料由三個部分組成:內層、中間層、外層，
[0007]內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]從結構上來看，內外層均由多個小層構成，具體地說，由改性氟橡膠層與高強度編織布層，交叉結合組成，
[0009]層數、各層的厚度與實際要達到性能密切相關，一般來說，內外層中，橡膠層與編織布層的層數總和為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，內外層中各組分，按重量分數計算為，
[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]中心層為選用經過熱機械剪切脫硫的膠粉與氟橡膠進行復配，并添加相容劑提高了兩者的相容性，然后采用經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，高溫硫化交聯成型，
[0013]從結構上來看，中心層為廢舊膠粉與氟橡膠的改性復配橡膠層，與高強度編織布層，交叉結合組成，一般來說，中心層中，復配橡膠層與編織布層的層數總和為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劑，選自KH550、KH560或KH570，
[0018]高強度編織布作為增強材料預埋到橡膠中，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，適應油井中的工作狀態；
[0019]中間層所述的廢舊膠粉為，經過熱機械剪切脫硫法制備得到的可再生性膠粉，恢復了橡膠的部分性能，可實現膠粉的重復利用，恢復了再加工性能，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》(申請號: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反應，使線型分子形成立體網狀結構，提高橡膠密封圈的力學性能，硫化劑主要分為有機和無機兩大類，本發明專利中使用的硫化劑主要為硫化劑PDM、硫磺等。
[0023]本發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，內外層膠、中間層的原料，分別經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，得到預膠粉；
[0025](2)將步驟(I)得到的預膠粉，經由冷喂料復合擠出機擠出內外以及中間層膠，裁剪，其中，復合擠出機的溫度設置在80?100°C之間，長徑比為45:1，
[0026]擠出機擠出的內外及中間層膠，厚度為I?10mm，裁剪的膠料的尺寸，需要根據實際生產的密封圈的尺寸來確定；
[0027](3)將步驟(2)中裁剪得到的內層膠、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合，
[0028]這里所謂的“交叉復合”，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之和為:內層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，模具的規格，交錯復合的層數，也需要根據實際生產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多層復合硫化成型，有效地解決了各層橡膠/纖維布之間的粘結性，提高了密封圈的使用壽命，以及其機械性能。
[0032]本發明的有益效果是:
[0033]本發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率的變化范圍任然滿足HG/T2579-94 (“O”型橡膠密封圈)標準，且數值變化明顯優于標準；在標準油中(300°C X70h)浸泡，硬度以及體積變化均小于行業標準，滿足長期在溫度差異很大的地區長時間使用；
[0034]本發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，解決了國內外廢舊輪胎回收難的問題；
[0035]采用多層復合成型技術，解決各層橡膠/纖維布之間的相容性差和粘結性差等特點。
[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為本發明的油井用耐高溫橡膠密封圈的剖面圖結構示意圖(本附圖中，以“內外層均為5層結構、中間層為3層結構”為例，只是對本發明的進一步說明，而不是對本發明范圍的限制)，
[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參數
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，內外層為改性氟橡膠層與高強度編織布層，交叉結合組成， 中心層為廢舊膠粉與氟橡膠的改性復配橡膠層，與高強度編織布層，交叉結合組成，其中，內外層中各組分，按重量分數計算為，
2.如權利要求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劑，選自KH550、KH560或KH570。
5.如權利要求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過熱機械剪切脫硫法制備得到的可再生性膠粉。
6.如權利要求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，內外層膠、中間層的原料，分別經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，得到預膠粉； (2)將步驟(1)得到的預膠粉，經由冷喂料復合擠出機擠出內外以及中間層膠，裁剪； (3)將步驟(2)中裁剪得到的內層膠、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 優先權日:2013年8月13日
【發明者】陶國良, 夏艷平 申請人:常州大學