CN103496229A - 一种耐高温油井橡胶密封圈材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油井用耐高温橡胶密封圈材料及其制备方法。该橡胶密封圈材料由三个部分组成：内外层均为氟橡胶与高强度编织布添加炭黑、纳米氧化锆等无机填料组成；中心层为选用经过热机械剪切脱硫的胶粉与氟橡胶进行复配，并添加相容剂提高了两者的相容性，然后采用经过表面处理的高强度编织布，作为支撑体，添加炭黑、纳米氧化锆等无机填料，高温硫化交联成型。密封圈编织布与橡胶基料经多层复合硫化成型。本发明制备的密封圈具备良好的耐高温性能，满足长期在温度差异很大的地区长时间使用。

Description

一种耐高温油井橡胶密封圈材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于橡胶材料技术领域，特别涉及一种橡胶密封圈材料及其制备方法。

背景技术

石油作为一种与人们生活密切联系的基础能源，石油工业的快速发展在国民经济发展中起着非常重要的作用，随着可开采原油的数量逐年降低，实现可持续发展的重要性，原油开采的效率，提高最终的采收率，逐渐成为石油工作者考虑的问题。

研究发现，在原油开采的过程中，起主要决定性作用的是有杆抽油设备，而在有杆抽油设备中井口光杆密封装置又是重中之重，抽油机井口密封装置中的密封填料全天候24h不间断的与抽油杆之间产生滑动摩擦，而且全国各地的温差相差很大，会加速油田常用橡胶密封填料的老化，降低其使用寿命，更为严重的是会造成抽油井口漏油现象。目前市场上使用的密封填料材料主要为各种各样的盘根，如石墨盘根、芳纶盘根、四氟盘根、碳纤维盘根，其耐温性和耐溶剂性能较强，研究发现，盘根在使用过程中面临最大的问题就是频繁失效，对于环境比较恶劣的油井的使用寿命不足24h，最好的也就1～2月，如果在实际生产过程中，盘根出现失效且没有及时发现，采取适当的补救措施，油气会出现泄露造成环境污染等问题，更为严重的产生大面积的火灾，给国家的能源以及人们的身体健康造成一定的危害以及损失。

近年来国内外的研究发现，橡胶材料的耐磨耐油性好，使用寿命长，密封性可靠，可以替代传统的盘根，橡胶材料在一些重要的工业领域，已经得到了广泛的应用，并且取得了较好的效果。因此，开发一种耐高温的油井用橡胶密封圈材料已经势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油井用耐高温橡胶密封圈及其制备方法，该法具有经济环保、可连续化生产等诸多优点，均好于传统再生法，便于大面积推广实现对废旧橡胶制备耐高温密封圈工业化生产。

本发明提供的密封圈材料由三个部分组成：内层、中间层、外层，

内外层均为氟橡胶与高强度编织布添加炭黑、纳米氧化锆等无机填料组成，

从结构上来看，内外层均由多个小层构成，具体地说，由改性氟橡胶层与高强度编织布层，交叉结合组成，

层数、各层的厚度与实际要达到性能密切相关，一般来说，内外层中，橡胶层与编织布层的层数总和为3～7层，橡胶的厚度为1～10mm，编织布的厚度为0.1～0.5mm，

从原料上来看，内外层中各组分，按重量分数计算为，

中心层为选用经过热机械剪切脱硫的胶粉与氟橡胶进行复配，并添加相容剂提高了两者的相容性，然后采用经过表面处理编织成布的高强度长碳纤维、玻璃纤维或者尼龙纤维等作为支撑体，添加炭黑、纳米氧化锆等无机填料，高温硫化交联成型，

从结构上来看，中心层为废旧胶粉与氟橡胶的改性复配橡胶层，与高强度编织布层，交叉结合组成，一般来说，中心层中，复配橡胶层与编织布层的层数总和为3～5层，同样地，橡胶的厚度为1～10mm，纤维布（编织布）的厚度为0.1～0.5mm，

从原料上来看，中间层中各组分，按重量分数计算为，

具体地说，上述的原料配方中，氟橡胶选自偏氟醚橡胶、氟硅橡胶、全氟醚橡胶中的一种或者两种以上的混合物；

上述的高强度编织布为，经过表面处理，并编织成布的高强度长碳纤维、玻璃纤维或者尼龙纤维，这里的表面处理方式为，将纤维材料，在表面活性剂中浸渍，并烘干，表面活性剂为硅烷偶联剂，选自KH550、KH560或KH570，

高强度编织布作为增强材料预埋到橡胶中，作为橡胶密封圈的骨架，可承受很大的压力，保持良好的热变形，适应油井中的工作状态；

中间层所述的废旧胶粉为，经过热机械剪切脱硫法制备得到的可再生性胶粉，恢复了橡胶的部分性能，可实现胶粉的重复利用，恢复了再加工性能，并且成本较低。热机械剪切脱硫胶粉的主要制备方法见专利《废橡胶绿色脱硫工艺方法》（申请号：101418082）；

相容剂为硅烷接枝二元乙丙橡胶，市售；

上述的促进剂可缩短橡胶的硫化时间或者降低橡胶的硫化温度，减少硫化剂用量以及提高橡胶的物理机械性能，分为无机促进剂和有机促进剂，本发明专利中主要使用有机促进剂，主要为促进剂M、促进剂D、DETU、DPG、TMTD、BZ、PZ、ZDC、CZ等；

硫化剂是一种能使橡胶分子链起交联反应，使线型分子形成立体网状结构，提高橡胶密封圈的力学性能，硫化剂主要分为有机和无机两大类，本发明专利中使用的硫化剂主要为硫化剂PDM、硫磺等。

本发明还提供了一种上述密封橡胶圈材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按配比，分别称取除高强度编织布以外的，内外层胶、中间层的原料，分别经开炼机或者密炼机共混混合，将混合好的胶粉分别过滤以去除杂质，得到预胶粉；

（2）将步骤（1）得到的预胶粉，经由冷喂料复合挤出机挤出内外以及中间层胶，裁剪，其中，复合挤出机的温度设置在80～100℃之间，长径比为45:1，

挤出机挤出的内外及中间层胶，厚度为1～10mm，裁剪的胶料的尺寸，需要根据实际生产的密封圈的尺寸来确定；

（3）将步骤（2）中裁剪得到的内层胶、中间层胶、外层胶的胶料，分多层加入到模具中，并在橡胶层与橡胶层之间，添加编织布，保证编织布与橡胶层交叉复合，

这里所谓的“交叉复合”，是指各层之间按“橡胶-编织布-橡胶-编织布-橡胶-编织布-橡胶（按该顺序依次排列下去，一般来说，橡胶和编织布的总层数之和为：内层3～7层，中间层3～5层，外层3～7层）”交叉组合，其中，放置编织布的时候，应注意保证各层编织布的接头错开，以保证密封圈材料的强度，编织布的厚度为0.1～0.5mm，

另外，模具的规格，交错复合的层数，也需要根据实际生产的密封圈的尺寸或使用情况来确定；

（4）放置完材料，将模具置于平板硫化机中硫化成型，硫化时间在20～30min，硫化温度为150～180℃，

密封圈纤维布与橡胶基料经多层复合硫化成型，有效地解决了各层橡胶/纤维布之间的粘结性，提高了密封圈的使用寿命，以及其机械性能。

本发明的有益效果是：

本发明专利制备的密封圈具备良好的耐高温性能，最高温度可到330℃，在300℃×70h老化条件后，制品的硬度、拉伸强度以及断裂生产率的变化范围任然满足HG/T2579-94（“O”型橡胶密封圈）标准，且数值变化明显优于标准；在标准油中（300℃×70h）浸泡，硬度以及体积变化均小于行业标准，满足长期在温度差异很大的地区长时间使用；

本发明专利制备得到的耐高温橡胶密封圈，采用脱硫废旧胶粉与氟橡胶进行共混改性作为中间层，原材料成本大幅度降低，解决了国内外废旧轮胎回收难的问题；

采用多层复合成型技术，解决各层橡胶/纤维布之间的相容性差和粘结性差等特点。

无机填料可以对橡胶起到很好的补强作用，并且可以提高密封圈的耐温性能。

附图说明

图1为本发明的油井用耐高温橡胶密封圈的剖面图结构示意图（本附图中，以“内外层均为5层结构、中间层为3层结构”为例，只是对本发明的进一步说明，而不是对本发明范围的限制），

其中，阴影部分为橡胶，白色空白为纤维布，

为纤维布接头处；代表氟橡胶；

代表废旧胶粉与氟橡胶的改性复配橡胶。

具体实施方式

耐高温油井橡胶密封圈材料的主要性能指标：

实施例1：

内层胶:

中间层：

外层胶：

（1）按实施例1的配方，称取除高强度编织布以外的，内外层胶、中间层的原料，分别经开炼机或者密炼机共混混合，将混合好的胶粉分别过滤以去除杂质，得到预胶粉；

（2）将步骤（1）得到的预胶粉，经由冷喂料复合挤出机（SH-36，南京杰亚挤出设备有限公司，挤出机的温度设置在80～100℃之间）挤出内外以及中间层胶，挤出时，控制胶层的厚度为10mm，根据需要，裁剪成规定的尺寸；

（3）按“橡胶-编织布-橡胶-编织布-橡胶”的顺序，将步骤（2）中裁剪得到的内层胶、中间层胶、外层胶的胶料，以及编织布加入到模具中，保证整个密封圈材料在结构上，编织布与橡胶层交叉复合，

本实施例中，内外层均为5层结构，中间层为3层结构，加入的编织布的厚度为0.5mm，放置编织布的时候，应注意保证各层编织布的接头错开，以保证密封圈材料的强度；

（4）放置完材料，将模具置于平板硫化机中（LLN-910（36），青岛亚星机械有限公司）硫化成型，硫化时间为30min，硫化温度为180℃。

实施例2

内层胶：

中间层：

外层胶：

本实施例的制备方法与实施例1类似，制备过程中：挤出的橡胶层的厚度均为8mm，加入的编织布的厚度为0.4mm，设定内外层均为4层结构，中间层为5层结构，硫化时间为25min，硫化温度为165℃。

实施例3

内层胶：

中间层：

外层胶：

本实施例的制备方法与实施例1类似，制备过程中：挤出的橡胶层的厚度均为4mm，加入的编织布的厚度为0.1mm，设定内外层均为7层结构，中间层为5层结构，硫化时间为20min，硫化温度为150℃。

上述3个实施例制备得到的成品的性能测试如下：

Claims (9)

1.一种油井用耐高温橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的密封圈材料由三个部分组成，内外层为改性氟橡胶层与高强度编织布层，交叉结合组成，

中心层为废旧胶粉与氟橡胶的改性复配橡胶层，与高强度编织布层，交叉结合组成，其中，内外层中各组分，按重量分数计算为，

中间层中各组分，按重量分数计算为，

2.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的氟橡胶选自偏氟醚橡胶、氟硅橡胶、全氟醚橡胶中的一种或者两种以上的混合物。

3.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的高强度编织布为，经过表面处理，并编织成布的高强度长碳纤维、玻璃纤维或者尼龙纤维。

4.如权利要求3所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的表面处理为，将纤维材料，在表面活性剂中浸渍，并烘干，表面活性剂为硅烷偶联剂，选自KH550、KH560或KH570。

5.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的废旧胶粉为经过热机械剪切脱硫法制备得到的可再生性胶粉。

6.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的相容剂为市售硅烷接枝二元乙丙橡胶。

7.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的促进剂选自促进剂M、促进剂D、DETU、DPG、TMTD、BZ、PZ、ZDC或CZ。

8.如权利要求1所述的橡胶密封圈材料，其特征在于：所述的硫化剂选自硫化剂PDM或硫磺。

9.如权利要求1至8任一项所述的油井用耐高温橡胶密封圈材料的制备方法，其特征在于：所述方法为，

（1）按配比，分别称取除高强度编织布以外的，内外层胶、中间层的原料，分别经开炼机或者密炼机共混混合，将混合好的胶粉分别过滤以去除杂质，得到预胶粉；

（2）将步骤（1）得到的预胶粉，经由冷喂料复合挤出机挤出内外以及中间层胶，裁剪；

（3）将步骤（2）中裁剪得到的内层胶、中间层胶、外层胶的胶料，分多层加入到模具中，并在橡胶层与橡胶层之间，添加编织布，保证编织布与橡胶层交叉复合；

（4）放置完材料，将模具置于平板硫化机中硫化成型。

Images