CN105199280A - 一种莫来石与碳纤维协同改性的ptfe复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种用于防偏磨抽油杆接箍的莫来石/碳纤维/PTFE复合材料，涉及油田开发技术领域，由聚四氟乙烯和作为填充剂的莫来石和碳纤维以100:(10-30):(10-30)的重量比共混后经模压、烧结制成。本发明采用的基体材料为聚四氟乙烯粉料，其粒径大约为20～30μm，而莫来石和碳纤维的粒径均为300目，这样有利于填料在基体中的均匀分散，材料的使用温度条件可以达到160℃以上，二者协同填充使得聚四氟乙烯耐磨性显著提高。

Description

一种莫来石与碳纤维协同改性的PTFE复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，特别是有杆抽油用于防偏磨接箍的耐磨耐高温材料的制备方法。

背景技术

有杆抽油是国内外石油行业采用的、占主导地位的石油举升方式。在有杆抽油系统中，由于井眼曲线的复杂性造成了抽油杆和油管在杆管之间相对运动时不同轴，从而形成了一对摩擦副，引起了抽油管和抽油杆之间的偏磨，特别是在井眼曲线的曲率较大的部位。抽油杆一般是通过接箍相互连接，这种刚性的连接抽油杆接箍比抽油杆本身的直径要大一倍左右。当抽油机工作时，抽油杆和接箍在油管内做往复运动，尺寸较大的接箍一般先和油管接触并产生摩擦、磨损，相对抽油杆而言，接箍一般是先被磨损的部位。同时，抽油杆接箍也和油管形成摩擦副、从而导致油管被磨损、油管被磨穿。因此，降低抽油杆接箍-油管摩擦副的摩擦和磨损，将能提高有杆抽油系统的杆管寿命、延长检修周期、提高油田企业的经济效益。

抽油杆接箍外衬是在抽油杆接箍的外表面衬上一层非金属材料包括陶瓷、工程塑料等。陶瓷具有较好的耐温性能和耐磨性能，但是，陶瓷在施工作业时和生产过程中容易由于碰撞而破碎，韧性极差。若使用功能塑料将会有效解决此类问题。能用于抽油杆接箍的工程塑料可以是超高分子量聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯等，江苏油田研发了一种柔性防磨抽油杆接箍(《钻采工艺》，2013年5月)。通过该柔性防磨接箍，抽油杆可以发生任意方向的偏转，变偏磨为全磨；变刚性连接为柔性连接，降低了抽油杆接箍对油管的正压力，从而减少了磨损。同时，该方法在抽油杆接箍外表面烧结一层耐磨的超高分子量聚乙烯，减缓杆管之间的磨损，延长了杆管的寿命。但是，接箍外表面的超高分子量聚乙烯的软化温度低，在井深较大、井下温度较高时，烧结在抽油杆接箍外表面的超高分子量聚乙烯塑料就很快被磨损、脱落。

天津市超科光纤通讯器材科技有限公司研发了一种耐磨抽油杆接箍(申请号：200420029609.3)，其在抽油杆接箍的金属外表面设置的一层非金属层为聚氨酯，设置的非金属层具有一定的厚度，同时可以具有很好的耐腐蚀性，由此可以具有很好的耐腐蚀性，由此可以大大改善抽油杆接箍的耐磨性能，有效的避免了由于抽油杆接箍的金属部分直接与油管发生摩擦，而导致抽油杆接箍磨损现象的发生，延长了油管的检修周期，减少维修工作量，提高了油井的年采油量。但聚氨酯的使用温度不宜超过120℃。因此，研究在高温下使用的耐磨材料迫在眉睫。

聚四氟乙烯是最具有潜力的减摩材料，具有优良的化学稳定性和耐腐蚀性，能耐王水和几乎所有化学溶剂的腐蚀和溶涨；聚四氟乙烯还具有良好的润滑能力和不粘性，摩擦系数小；聚四氟乙烯长期使用温度高达200～260℃，具有良好的耐高温能力，因此在耐摩擦磨损、耐腐蚀材料中具有广泛的应用。聚四氟乙烯价格的大幅度下降，也为其在工程领域的广泛使用创造了有利条件。然而，聚四氟乙烯塑料存在着耐磨损性能差，分子间引力小、易剥落等缺点，而不适于单独作耐磨材料使用。通常采用在聚四氟乙烯中加入玻璃纤维、碳纤维等填料对其进行改性，制备成聚四氟乙烯复合材料，以求保持其原有优异性能的同时，获得优良的耐磨性，如肖军，樊会涛等采用了经过表面处理的碳纤维来填充增强聚四氟乙烯复合材料(《高分子材料科学与工程》第27卷第4期)，经处理填充的聚四氟乙烯复合材料的性能与纯PTFE相比，拉伸强度和断裂伸长率分别提高了48％和100％，磨损率下降55.6％。莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点；碳纤维具有较高的强度和模量，且其对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性，不溶不胀。因此用莫来石和碳纤维来填充改性聚四氟乙烯，以期莫来石和碳纤维能够产生协同效应，从而进一步改善聚四氟乙烯的摩擦磨损性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现今抽油杆接箍在高温条件下使用时，抽油杆接箍偏磨，使抽油杆寿命过短的缺点，提供了一种可以在高温下耐磨，提高抽油杆寿命的改性聚四氟乙烯复合材料。

本发明的另一目的是提供一种由莫来石和碳纤维共同填充聚四氟乙烯的耐磨、耐高温复合材料的制造方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于防偏磨抽油杆接箍的复合材料，是由聚四氟乙烯和作为填充剂的莫来石和碳纤维以100:(10-30):(10-30)的重量比共混后经模压、烧结而制成。

本发明中所述的莫来石和碳纤维的粒径优选300目。这种填充有莫来石和碳纤维的聚四氟乙烯材料的制造方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)将聚四氟乙烯和作为填料的莫来石和碳纤维以100:(10-30):(10-30)的重量比在高速搅拌器中搅拌5～8min，制成混配料；

2)在模具的模腔中放入上述混配料，然后在250℃预热15min，再在10MPa的压力下保压10min而完成压制成型，之后卸压得到半成品毛坯；

3)将上述半成品毛坯放入烧结炉中在370℃进行烧结1h，然后冷压20min即可制成用于防偏磨抽油杆接箍的莫来石/碳纤维/PTFE复合材料。

本发明通过填充莫来石和碳纤维对聚四氟乙烯进行填充改性，对比发现，通过填充相同含量的无机填料，莫来石/碳纤维/PTFE复合材料在干/湿摩擦条件下的磨耗要小于莫来石/PTFE复合材料和碳纤维/PTFE复合材料在相同条件下的磨耗，说明莫来石和碳纤维具有协同作用。

具体实施方式

实施例1：

按质量比将100份的聚四氟乙烯微粉和20份的莫来石及10份的碳纤维充分混合，在250℃下压制成型，压力控制在10MPa，保压10min，然后将压制成型的坯料和模具一起放入马弗炉中，在370℃下烧1h，然后冷压20min，取出。样品在干/湿条件下，200N的载荷下，摩擦24000r，拉伸性能按GB1040-2006测定。其摩擦系数和磨耗见表1。

对比例1：

按质量比将100份的聚四氟乙烯微粉和30份的莫来石充分混合，在250℃下压制成型，压力控制在10MPa，保压10min，然后将压制成型的坯料和模具一起放入马弗炉中，在370℃下烧1h，然后冷压20min，取出。样品在干/湿条件下，200N的载荷下，摩擦24000r，拉伸性能按GB1040-2006测定。其摩擦系数和磨耗见表1。

对比例2：

按质量比将100份的聚四氟乙烯微粉和30份的碳纤维充分混合，在250℃下压制成型，压力控制在10MPa，保压10min，然后将压制成型的坯料和模具一起放入马弗炉中，在370℃下烧1h，然后冷压20min，取出。样品在干/湿条件下，200N的载荷下，摩擦24000r，拉伸性能按GB1040-2006测定。其摩擦系数和磨耗见表1。

表1改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能和力学性能

Claims (5)

1.一种莫来石与碳纤维协同改性的PTFE复合材料，其特征在于：由聚四氟乙烯和作为填充剂的莫来石和碳纤维以100:(10-30):(10-30)的重量比共混后经模压、烧结制成。

2.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于：所述的莫来石和碳纤维的粒径均为300目。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，由下述方法制备得到：

1)将聚四氟乙烯和作为填料的莫来石和碳纤维以100:10-30:10-30的重量比制成混配料；

2)在模具的模腔中放入上述混配料，然后在250℃预热15min，再在10MPa的压力下保压10min而完成压制成型，之后卸压得到半成品毛坯；

3)将上述半成品毛坯放入烧结炉中在370℃进行烧结1h，然后冷压20min即制成用于防偏磨抽油杆接箍的复合材料。

4.一种莫来石与碳纤维协同改性的PTFE复合材料的制备方法，其特征在于：由聚四氟乙烯和作为填充剂的莫来石和碳纤维以100:(10-30):(10-30)的重量比共混后经模压、烧结制成。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)将聚四氟乙烯和作为填料的莫来石和碳纤维以100:10-30:10-30的重量比制成混配料；

2)在模具的模腔中放入上述混配料，然后在250℃预热15min，再在10MPa的压力下保压10min而完成压制成型，之后卸压得到半成品毛坯；

3)将上述半成品毛坯放入烧结炉中在370℃进行烧结1h，然后冷压20min即制成用于防偏磨抽油杆接箍的复合材料。