CN101608064A

CN101608064A - 一种油田扶正器专用碳纤维增强尼龙的制备方法

Info

Publication number: CN101608064A
Application number: CNA2009100717827A
Authority: CN
Inventors: 孙丽梅; 邹德音; 马俊杰; 杨勇; 张大伟; 姜玉臣; 沃剑飞; 魏显明; 黄玉东; 贺金梅; 姜波
Original assignee: HARBIN XINDA POLYMER MATERIALS CO Ltd
Current assignee: HARBIN XINDA POLYMER MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2009-12-23

Abstract

本发明涉及一种用于油田扶正器的碳纤维增强尼龙复合材料及其制备方法，包括以下各步骤：增强体碳纤维的表面改性；尼龙本体的改性；碳纤维/改性尼龙复合材料的制备：将20～40质量份碳纤维和40～160质量份改性尼龙充分混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出后造粒，然后加温注塑得油田扶正器专用碳纤维增强尼龙复合材料。采用本发明的碳纤维增强尼龙复合材料加工油田扶正器具有质轻、耐高温、抗磨损、冲击强度高、成本低、无环境污染等优点。

Description

一种油田扶正器专用碳纤维增强尼龙的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及油田扶正器专用碳纤维增强尼龙复合材料的制备方法。

背景技术

在石油的开采中，一次采油利用油井井下压力的自喷效应采油，由于石油面临枯竭、井下压力降低需要二次采油，用抽油机在几千米的井下将油抽出来，需要一种抽油杆定位装置将抽油杆定位在井壁的中心位置，避免抽油杆与井壁产生摩擦损坏抽油杆，这种定位装置称为扶正器。目前，油田广泛应用尼龙扶正器，主要是尼龙材料PA6具有有较低的摩擦阻力，但是PA6分子结构具有强极性的特点故吸水率大，易引起强度及模量下降，影响尺寸稳定性，同时PA6低温冲击强度低，干态韧性不足，抗蠕变性能差，其耐热温度和耐磨性有限。进而有的厂家采用玻璃纤维(GF)增强PA6来增加其耐温性能，但同时也增加了其脆性和摩擦系数，加入量过大时，成型困难。国外为了解决此问题，常采用高性能聚氨酯类高性能工程塑料加工制造扶正器，但造价特别高，加工工艺复杂，产品易于出现缺陷。由此可见，新技术、新材料在抽油杆扶正器上的应用是油田发展的必然趋势。

碳纤维增强尼龙复合材料具有极佳的耐油性、耐磨性和抗蠕变性，代替传统的金属材料时又有重量轻的优势。然而，基体材料尼龙PA66分子主链由脂肪链构成，耐热性不足，而全芳香族尼龙熔点和玻璃化转变温度太高，在普通的有机溶剂中很难溶解，难于加工成型，这极大地限制了PA66在高技术领域的应用。在芳香族聚酰胺分子链中引入柔性链段(如亚甲基，亚乙氧基)、大的侧链基团(如苯基，芳基，叔丁基)可以降低芳香聚酰胺的熔点，从而使其易于加工成型。我们的协作单位在前期申请的专利CN101280057A中所公开的一种含噁唑环半芳香聚酰胺就是通过这种途径制得的一类综合性能优良的聚酰胺材料。本发明将采用该种含噁唑环半芳香聚酰胺对PA66进行改性。

碳纤维与玻璃纤维相比具有许多优点，如高比强度、高比模量、耐高温、摩擦系数低、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小等。未经处理的碳纤维，活性表面积小，边缘活性炭原子数目也少，因而表面能低，接触角大，表面呈现出憎液性，致使其与基体树脂粘结不良。因此，碳纤维在使用之前必须进行表面处理。国内外研究的碳纤维表面处理方法非常多，可归纳为氧化法和非氧化法两大类。氧化法指通过氧化作用提高碳纤维表面活性官能团的方法，非氧化法指以涂层、接枝、清洗、刻蚀等作用来改善纤维表面的方法。实际应用时，一般都采取上述其中的一种方法，本发明结合氧化法和非氧化法的优点，采取两种方法配合使用对碳纤维进行表面处理。

采用经过表面处理的碳纤维对改性过的PA66进行增强，在充分利用纤维的复合优势的基础上实现了性能互补，比传统的PA6粒料具有更高的耐磨、耐腐蚀和力学性能，并且耐温性能良好，性能/价格比高。以该种粒料加工的油田扶正器平均寿命比PA6制件提高3～6倍，大大节约维修更换的费用，经济效益显著。由于采用独特的混炼技术，生产效率高，成本低，产品性能稳定，无环境污染，是具有巨大潜在市场价值的、关系到人类公共卫生安全的新一代高科技油田配套产品，本产品对更新换代的需求标志着科技的进步，且具有拉动社会经济的重大意义。

发明内容

本发明提供了一种油田扶正器专用碳纤维改性尼龙复合材料的制备方法，目的是为了解决目前现有扶正器材料耐磨性不能满足油田要求、使用周期短、维修更换费时费力等问题。本发明研制出一种高性能的碳纤维改性尼龙复合材料，具有耐磨性高、使用寿命长、节约维修更换资金等优点。从科技进步发展和经济的角度讲本发明的油田扶正器专用料具有可行性和推广的价值。

本发明主要包括如下三个方面内容：

(一)碳纤维CF的表面处理：先将碳纤维在丙酮溶剂中浸泡48h，而后进行烘干达到去除纤维表面涂层的目的。采取氧化和涂覆上浆液的复配处理方法对增强体碳纤维(CF)的表面进行改性。其中所采取的氧化法为电化学氧化法，上浆液为采用PA66/纳米SiO₂杂化浆料。

(二)尼龙PA66的改性：主要是向PA66中掺杂1～20％质量份数的含噁唑环半芳香尼龙。含噁唑环半芳香尼龙的结构结构式为：

m＝4、6或8，n表示聚合度，n＝20～400。

(三)碳纤维增强尼龙复合材料的制备：将20～40质量份碳纤维和40～160质量份改性尼龙充分混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出后造粒，在烘箱中烘干，然后在注射成型机中注射成试样。

本发明的一种油田扶正器专用碳纤维改性尼龙料同已有技术相比具有以下优点：

1.耐腐蚀性能

(1)腐蚀介质：浓度50％的硫酸

室温下，60小时，表面无损伤、质量无变化；

100℃煮沸后2小时，失重0.89g(原质量为180g)失重率为0.49％，表面及内在质量无变化。

(2)腐蚀介质：浓度60％的氢氧化钠

室温下，60小时，表面无损伤质量无变化

100℃煮沸后2小时，失重0.85g(原质量为180g)失重率为0.47％，表面及内在质量无变化。

(3)腐蚀介质：浓度40％的盐酸

室温下，60小时，表面无损伤、质量无变化

100℃煮沸后2小时，失重0.5g(原质量为180g)失重率为0.28％，表面及内在质量无变化。

2.耐高低温性能

本发明碳纤维改性尼龙料是由耐高温的碳纤维和尼龙基体复合而成，碳纤维的形成温度高达1700℃，正常空气环境下，使用温度高达500℃；含噁唑环半芳香尼龙的熔融温度在350℃以上，其热分解温度在390℃以上；PA66耐温150℃，采用含噁唑环半芳香尼龙改性后耐温在200℃以上。采用碳纤维和上述改性尼龙复合后生产的油田扶正器耐温可达150℃。具体的试验方法如下：

(1)将本发明碳纤维改性尼龙料放入油水混合物中加温至90℃取出，无变化。

(2)将本发明碳纤维改性尼龙料放入油中加温至100℃约2-3小时取出，无变化。

(3)将本发明碳纤维改性尼龙料放入干燥箱中加温至150℃约2小时取出，无变化。

(4)将本发明碳纤维改性尼龙料放置于-40℃环境中取出，无脆性或损坏。

3.耐磨性能

碳纤维增强尼龙复合材料中的碳纤维经过表面处理后能够明显改善碳纤维与基体尼龙的界面结合性能，摩擦系数降低了20～60％、耐磨性提高了2～5倍，油水混合介质条件下每分钟磨损量为0.2～0.6mm。将本发明碳纤维改性尼龙料制成的扶正器固定在井杆上或井杆接箍表面，通过其上的支撑筋与油管内壁接触，也可以进一步降低摩擦系数，减少油管的摩擦程度。具体耐磨性能的测试方法如下：在70℃的温度下，加20N的载荷，运行120min，频率25次/min，冲程0.5m，扶正器内外部无明显变化，重量损失仅为8％，其耐磨性能为传统扶正器的5～7倍。

4.其它优点

自润滑性能好、质量轻、制备工艺简单、使用寿命长、节约维修更换资金、成本低廉、无环境污染等优点。

附图说明

附图是制备碳纤维增强尼龙复合材料的工艺路线图。

具体实施方式

具体实施方式一：增强体碳纤维的表面电化学氧化。采用碳酸氢铵为电解质，按电流密度1.2A/g、处理时间2～3min、电解质浓度为5％(质量分数)的工艺参数进行氧化处理。

具体实施方式二：碳纤维表面进行涂层改性的上浆液的制备。所采用的上浆液为PA66/纳米SiO₂杂化浆料。首先将PA66引入到SiO₂表面，对纳米SiO₂先驱体进行原位改性，得到改性的纳米SiO₂先驱体。将改性纳米SiO₂先驱体与丙酮按一定比例(PA66与丙酮的质量比为2～5∶100)均匀混合，所制得的混合溶液即为PA66/纳米SiO₂杂化浆料。

具体实施方式三：碳纤维表面上浆处理。把纤维浸泡于不同SiO₂含量的杂化浆料中，浸泡时间为20～30分钟，然后把浸泡好的纤维放入烘箱，于100℃下加热处理2～3小时以去除水分和溶剂。

具体实施方式四：碳纤维增强尼龙复合材料的制备。将20～40质量份经表面处理的CF与改性尼龙(添加5％质量份数含噁唑环半芳香尼龙的PA66)在双螺杆挤出机中充分混合，在料筒前、中、后部温度分别为260～290℃、250～280℃、230～270℃，机头温度为250～280℃，螺杆转速为80r/min，机头压力为0.5～2.0MPa下挤出造粒，然后在注射机I段温度为250～280℃，II段温度为260～280℃，III段温度为260～290℃，机头温度为260～280℃，注射压力为0.5～3MPa下注射成试样。所制备样品的性能如表1所示。

表1碳纤维增强改性尼龙的性能

本发明制备的碳纤维增强尼龙复合材料，其特征在于在油田抽油杆扶正器中进行应用。

Claims

1.一种油田扶正器专用碳纤维增强尼龙料的制备方法，包括以下各步骤：(1)碳纤维的表面改性；(2)尼龙本体PA66的改性；(3)碳纤维增强尼龙复合材料的制备。

2.根据权利要求1，其特征在于碳纤维表面改性的方法是等离子氧化和浆料涂敷改性相结合的方法。

3.根据权利要求2，其特征在于对碳纤维表面进行涂层改性的上浆液为PA66/纳米SiO₂杂化浆料。

4.根据权利要求1，其特征在于向尼龙本体PA66中添加质量份数为1％～20％含噁唑环半芳香尼龙制得改性尼龙。

5.根据权利要求4，其特征在于含噁唑环半芳香尼龙的结构式为：

m＝4、6或8，n表示聚合度，n＝20～400。

6.根据权利要求1，碳纤维增强尼龙复合材料的制备路线包括碳纤维表面处理、碳纤维/PA66混合、料粒、干燥、注塑成型和试样六个步骤。

7.根据权利要求6，其特征在于将25～35质量份碳纤维和50～150质量份改性尼龙充分混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出后造粒，然后加温注塑得油田扶正器专用碳纤维增强尼龙复合材料。