CN102775788A - 一种耐磨复合材料的制备方法 - Google Patents

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曲敏杰
吴立豪
张绍印
岳守兆
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Abstract

本发明公开了一种耐磨复合材料的制备方法，涉及油井抽油杆扶正器方面的材料技术领域。其特征在于按质量百分数计，所述耐磨复合材料由以下原料复合而成：55%~65%的基体树脂、20%~30%碳纤维和4%~15%石墨，其中，基体树脂是由质量比为40:60的聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺混合而成。本发明所用的材料为PPS/PAI的共混料，由于加入了碳纤维和石墨，其冲击和拉伸性能得到提高，摩擦磨损性能优异，克服目前尼龙等扶正器的不耐高温，高温易形变的问题，复合材料使用的寿命大大的提升。本耐磨复合材料加工方便，可以注塑成型，产品的尺寸稳定性好。

Description

一种耐磨复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨复合材料的制备方法，主要应用于扶正器方面，属于油井抽油杆扶正器方面的材料技术领域。
背景技术
由于油泵柱塞在下冲程时阻力增大或者斜井而导致抽油杆发生弯曲，使抽油杆柱与油管内壁频繁发生摩擦，产生抽油杆柱偏磨现象，使杆柱强度减弱，造成频繁检泵。磨损严重导致井内管杆磨损、断裂，甚至管杆落井，增加了作业施工的难度，造成抽油杆脱螺纹、油管出现裂缝或穿孔，使油管和抽油杆的使用寿命缩短了40%～60%。经统计，从1996到2002年仅大庆油田第九采油厂就发生偏磨394井次，2002年偏磨井数达到126井次，造成的直接经济损失达400万元以上。目前防止管杆偏磨的主要措施是应用抽油杆扶正器，而使用的各种扶正器工作原理大同小异，均是利用扶正器与油管之间的摩擦代替油管与抽油杆之间的摩擦来防止管杆偏磨。
目前常用的生产扶正器的复合材料的基体树脂主要是聚酰胺，聚四氟乙烯，超高分子量聚乙烯。
聚酰胺复合材料是目前使用最广的扶正器材料，最常使用是PA6、PA66，但其却存在很多的缺陷，由于聚酰胺自身分子结构具有强的吸水性，引起强度和尺寸稳定性下降。干燥条件下的韧性不足，耐温度和耐磨性差。
聚四氟乙烯是氟塑料中应用最广、产量最大的一种，具有极好的耐温性（热分解温度达到390℃）和耐化学药品性。同时聚四氟乙烯是所有塑料中摩擦因数最小的一种，是耐磨性和自润滑性最好的高分子材料之一。但是存在易磨损、加工性能差、硬度低等缺点。
利用超高分子量聚乙烯注塑成型的高耐磨油田抽油杆扶正器，其抗磨损、抗冲击、抗腐蚀、耐低温、自润滑性、不吸水性均大大优于传统尼龙扶正器，克服尼龙易吸水溶胀、水解、低温脆性大、易碎、摩擦阻力大的缺点，缺点主要是加工流动性差。
由于聚苯硫醚具有在高温高湿下尺寸稳定、耐磨性好、熔融流动性突出，对玻璃、陶瓷、钢材的粘接性优良等特性，并且价格低廉、成型容易，因而更受人们的青睐。随着石油资源储备量的减小，开采石油的井必然更深，对扶正器材料的要求更加苛刻。聚酰胺酰亚胺是一种韧性较好的非晶体材料，耐高温，聚苯硫醚/聚酰胺酰亚胺的共混弥补了聚苯硫醚材料韧性差的缺陷，兼顾了聚苯硫醚的价格优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨复合材料的制备方法，以代替现有市场上扶正器不耐高温尼龙类产品，提高此类产品的使用寿命。
本发明的技术方案在于：
一种耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：
ⅰ按质量百分数计，所述耐磨复合材料由以下原料复合而成：
基体树脂    55%~65%
碳纤维      20%~30%
石墨        4%~15%
其中，基体树脂是由质量比为40:60的聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺混合而成；
ⅱ制备方法为：
①聚苯硫醚在120℃条件下干燥2h，聚酰胺酰亚胺在150℃条件下干燥4h，将质量比为40：60的聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺均匀混合30min，得到基体树脂；
②将步骤①制得的基体树脂与碳纤维、石墨按照ⅰ所述的比例均匀混合30min，得到耐磨复合材料；
所述基体树脂含量与碳纤维的质量比优选为70/30；
优选方案：基体树脂/碳纤维/石墨的质量比为70/30/15。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所用的基体树脂为聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺的共混料，通过石墨和玻璃纤维改性后，冲击和拉伸性能得到改善，摩擦磨损性能较为优异，与现有的玻纤填充尼龙的产品相比，明显提高使用温度；
2.本发明的耐磨材料可以应用于扶正器材料的制备，克服目前尼龙等扶正器的不耐高温，高温易形变的问题，大大提高了使用寿命；
3.本实验加工方便，可以注塑成型，产品的尺寸稳定性好。
具体实施方式
为进一步了解本发明，结合以下实例对本发明实施方案进行描述，但是，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征，而不是对本发明权利要求书的限制。
按照本发明，成型的方法可通过材料领域技术人员熟知的方法，如注射、模压等，本发明对此并无特别限制；模压成型的温度为360℃，压力为10~15MPa。
本实施例中所用的原料：聚苯硫醚（PPS-ha），四川得阳科技股份有限公司；聚酰胺酰亚胺（PAI），北京华通瑞驰公司；胶体石墨粉剂，上海胶体化工厂，3500目；碳纤维，大连兴科碳纤维有限公司；使用前，将聚苯硫醚在温度为120℃的真空干燥箱内干燥2h，聚酰胺酰亚胺在150℃的条件下干燥4h。
实施例1
称取聚酰胺酰亚胺40g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例2
分别称取聚酰胺酰亚胺32g、聚苯硫醚8g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例3
分别称取聚酰胺酰亚胺24g、聚苯硫醚16g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例4
分别称取聚酰胺酰亚胺16g、聚苯硫醚24g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例5
分别称取聚酰胺酰亚胺8g、聚苯硫醚32g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例6-12中所述基体树脂皆是由质量比为40:60的聚苯硫醚和聚酰胺酰亚胺均匀混合30min而成。
实施例6
分别称取碳纤维10g，基体树脂90g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例7
分别称取碳纤维20g，基体树脂80g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例8
分别称取碳纤维30g，基体树脂70g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例9
分别称取碳纤维40g，基体树脂60g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例10
分别称取石墨5g，基体树脂70g，碳纤维30g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例11
分别称取石墨10g，基体树脂70g，碳纤维30g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例12
分别称取石墨15g，基体树脂70g，碳纤维30g，将物料在压机上预压成型，在360℃的马弗炉中烧结1h，取出后在平板硫化机上冷却定型，脱模后放置24h，在120℃的真空干燥箱内干燥8h，制样并测试力学性能和摩擦磨损。
实施例13性能比较
样品的冲击性能按照GB/T1843/U要求测量。试样的宽10mm，厚4.0mm，试样的长度80.0mm，在UJ-40型悬臂梁冲击试验机（河北省承德市材料试验机厂生产）上测定悬臂梁缺口冲击强度，样品的摩擦磨损在宣化材料试验机厂的MM-200上测试，所用样品的标准为15╳10╳5mm,测试的载荷为20kg，转速为200r/min，摩擦副选择45#钢，外径为42mm，测试的时间为60min，摩擦实验前，摩擦副和样品都用800#的水砂纸磨光并用丙酮清洗，采用精度为0.0001的天平称量磨损的质量损失，测试的结果为三次测试的平均值，摩擦系数（μ）采用公式μ=T/（R╳P）计算，其中T为摩擦力矩，R摩擦副外半径，P为测试试样所用的载荷。
实施例1-12的性能比较如下表。
表1实施例1-12的性能比较
Figure BDA00001893724100051

Claims (3)

1.一种耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：
ⅰ按质量百分数计，所述耐磨复合材料由以下原料复合而成：
基体树脂    55%~65%
碳纤维      20%~30%
石墨        4%~15%
其中，基体树脂是由质量比为40:60的聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺混合而成；
ⅱ制备方法为：
①聚苯硫醚在120℃的条件下干燥2h，聚酰胺酰亚胺在150℃的条件下干燥4h，将质量比为40：60的聚苯硫醚与聚酰胺酰亚胺均匀混合30min，制得基体树脂；
②将步骤①制得的基体树脂与碳纤维、石墨按照ⅰ中所述比例常温下均匀混合30min，得到耐磨复合材料。
2.按照权利要求1所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于所述基体树脂质量与碳纤维的质量比为70/30。
3.按照权利要求1或2所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于所述基体树脂/碳纤维/石墨的质量比为70/30/15。
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