CN111234171A - 一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，解决国内聚氨酯凡尔胶皮存在磨耗大、嵌砂严重并制约其应用的技术问题。本发明的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，按照重量份数计包括：聚氨酯预聚物100‑110份，催化剂0‑1份；还可以包括光稳定剂0.1‑2份、防黄剂0.1‑2份、填料2‑5份、色膏0.5‑5份；聚氨酯预聚物是由聚酯二醇、二异氰酸酯和扩链剂反应后得到；聚酯二醇、二异氰酸酯、扩链剂的摩尔比为1：(2‑5)：(1‑4)。本发明通过控制聚氨酯的分子结构和其软硬段含量，使这种配方的材料比进口材料具有更低的磨耗和嵌砂性能。同时，利用这种配方制备的聚氨酯凡尔胶皮在实际工况中使用寿命优于进口凡尔胶皮，打破了国外垄断市场的局面。

Description

一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料
技术领域
本发明涉及聚氨酯材料技术领域，具体涉及一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料。
背景技术
随着社会发展，石油、天然气等能源的消耗日益增大。目前，我国石油、天然气开采难度很大，除去剩余能够进行开采的区域范围不断缩减外，相关开采设备的落后、开采效率低及成本高也是亟需解决的难题。柱塞泵液力端总成是石油、天然气开采设备(例如固井设备和压裂设备)中必需且关键的部件，其工作持续使用时间直接影响开采的效率和成本。
柱塞泵液力端总成一般包括泵头、凡尔体、凡尔座、凡尔胶皮和柱塞等配件，其中凡尔胶皮就是安装在凡尔体上的密封件，在柱塞泵液力端总成中起到密封作用，它的使用寿命直接制约着液力端总成的持续使用时间。换而言之，凡尔胶皮直接制约着石油等开采设备的作业产能。由于石油等开采的工况严苛且恶劣(通常为酸性液、大排量、高压强、高砂比)，因此凡尔胶皮需要在耐磨、耐高压交变负载和耐酸腐蚀的同时依旧要保持良好的密封作用。现有凡尔胶皮为聚氨酯材料，由于国内聚氨酯凡尔胶皮存在磨耗大、嵌砂严重等问题，因此高性能聚氨酯凡尔胶皮目前被国外垄断。
发明内容
本发明要解决国内聚氨酯凡尔胶皮存在磨耗大、嵌砂严重并制约其应用的技术问题，提供一种使用性能优于或相当于国外进口的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料。本发明通过调节聚氨酯分子结构和其软硬段比例，从而降低材料的磨耗和嵌砂性能，提高其使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，按照重量份数计，包括：聚氨酯预聚物100-110份，催化剂0-1份；
所述聚氨酯预聚物是由聚酯二醇、二异氰酸酯和扩链剂反应后得到；所述聚酯二醇、二异氰酸酯、扩链剂的摩尔比为1：(2-5)：(1-4)。
在上述技术方案中，优选的是，所述聚氨酯预聚物是由以下制备方法制备得到：
步骤①：将聚酯二醇和二异氰酸酯反应，得到第一预聚物；
步骤②：将第一预聚物和扩链剂反应，得到聚氨酯预聚物。
在上述技术方案中，优选的是，所述聚酯二醇为分子量500-5000的聚己内酯二醇、分子量500-4000的聚碳酸酯二醇，和分子量500-5000的己二酸系聚酯二醇中的一种或者多种。
在上述技术方案中，进一步优选的是，所述聚酯二醇为分子量1000和/或分子量2000的聚己内酯二醇。
在上述技术方案中，优选的是，分子量1000的聚己内酯二醇与分子量2000的聚己内酯二醇的质量比为：28.57g-85.72g：36.36g。
在上述技术方案中，优选的是，所述二异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯，具体为4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、和二甲基联苯二异氰酸酯中的一种或者多种。
在上述技术方案中，优选的是，所述扩链剂为芳香族醇类或芳香族胺类化合物，具体为间苯二酚二羟乙基醚、对苯二酚二羟乙基醚、3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺、和3,5'-二甲硫基甲苯二胺中的一种或者多种。
在上述技术方案中，优选的是，所述催化剂为叔胺催化剂和/或有机金属催化剂，进一步优选的是，辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡中的一种或两种。
在上述技术方案中，优选的是，所述用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料还包括：光稳定剂0.1-2份、防黄剂0.1-2份、填料2-5份、色膏0.5-5份；
所述填料为无机填料，具体为高岭土、炭黑、钛白粉、和二硫化钼中的一种或多种。
在上述技术方案中，优选的是，所述聚氨酯凡尔胶皮材料，按照重量份数计，包括：聚氨酯预聚物100份，辛酸亚锡0.1份，光稳定剂UV-1 0.5份，防黄剂HN-130 0.5份，钛白粉2份，10％色膏聚醚多元醇0.2份；
所述聚氨酯预聚物是由分子量为1000的聚己内酯二醇50份，分子量为2000的聚己内酯二醇63.7份，4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯61.2份，和间苯二酚二羟乙基醚30.8份反应后得到。
本发明具有以下的有益效果：
本发明提供了一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，通过控制聚氨酯的分子结构和其软硬段含量，使这种配方的材料比进口材料具有更低的磨耗和嵌砂性能。同时，利用这种配方制备的聚氨酯凡尔胶皮在实际工况中使用寿命优于进口凡尔胶皮，打破了国外垄断市场的局面。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例1的制备的聚氨酯预聚物的分子结构图。
图2为本发明实施例2的制备的聚氨酯预聚物的分子结构图。
图3为本发明实施例3的制备的聚氨酯预聚物的分子结构图。
图4为本发明实施例4的制备的聚氨酯预聚物的分子结构图。
图5为本发明实施例1-4的制备的聚氨酯凡尔胶皮的结构示意图。
图6为实施例2制备的凡尔胶皮和进口SKF凡尔胶皮在压裂车上测试后的图片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，实施例中涉及到的原料均为商购获得。
实施例1
取85.72g分子量为1000的聚己内酯二醇和36.36g分子量为2000的聚己内酯二醇放入三颈瓶中，130℃真空除水2h后降温至70℃；在氮气保护下，将77.92g4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯加入反应装置中，聚合2小时后得到第一预聚物；将39.00g间苯二酚二羟乙基醚加入到上述第一预聚物中，以700转/分室温搅拌2分钟，得到聚氨酯预聚物(图1)；
将2μL辛酸亚锡加入聚氨酯预聚物中，以700转/分室温搅拌0.5分钟，倒入硫化机上的圆桶模具内(硫化机及模具预热温度为130℃)；快速盖好模具盖子，然后启动硫化机，20MPa压力下压制60分钟，再将模具从硫化机上取下，室温放置到约50℃后从模具中取出聚氨酯筒料，然后根据凡尔胶皮尺寸，采用车削工艺将筒料制成凡尔胶皮(图5A)。
实施例2
取28.57g分子量为1000的聚己内酯二醇和36.36g分子量为2000的聚己内酯二醇放入三颈瓶中，130℃真空除水2h后降温至70℃；在氮气保护下，将35.07g4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯加入反应装置中，聚合2小时后得到第一预聚物；将17.60g间苯二酚二羟乙基醚加入到上述第一预聚物中，以700转/分室温搅拌2分钟，得到聚氨酯预聚物(图2)；
将2μL辛酸亚锡加入聚氨酯预聚物中，以700转/分室温搅拌0.5分钟，倒入硫化机上的模具内(硫化机及模具预热温度为130℃)；快速盖好模具盖子，然后启动硫化机，20MPa压力下压制45分钟，再将模具从硫化机上取下，室温放置到约50℃后从模具中取出凡尔胶皮(图5B)。
实施例3
取133.34g分子量为2000的聚己内酯二醇放入三颈瓶中，130℃真空除水2h后降温至70℃；在氮气保护下，将66.66g4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯加入反应装置中，聚合2小时后得到第一预聚物；将26.36g间苯二酚二羟乙基醚和11.30g对苯二酚二羟乙基醚一起加入到上述第一预聚物中，以700转/分室温搅拌2分钟，得到聚氨酯预聚物(图3)；
将2μL辛酸亚锡加入聚氨酯预聚物中，采用造粒机对预聚体进行造粒，完成热塑性聚氨酯粒料制作；将粒料放入注塑机内，采用注塑工艺将其制成凡尔胶皮(图5C)。
实施例4
取151.48g分子量为2000的聚己内酯二醇放入三颈瓶中，130℃真空除水2h后降温至70℃；在氮气保护下，将48.52g对苯二异氰酸酯加入反应装置中，聚合2小时后得到第一预聚物，并将其放入反应注射(RIM)机A料桶内；将42.78g间苯二酚二羟乙基醚和0.5μL辛酸亚锡混匀后加入到RIM机B料桶内；采用RIM工艺制备出凡尔胶皮(图4，图5D)。
将实施例1-4制备的凡尔胶皮和进口的凡尔胶皮(SKF公司)裁成测试试样，并对其分别进行力学性能、磨耗和嵌砂性能测试，结果如表1。其中，嵌砂性能是通过嵌砂量来确定的，即嵌砂量越少，嵌砂性能越好。嵌砂量的测试方法：将凡尔胶皮裁出若干个小圆柱(直径为9mm，高度为10mm)，并称重(m0)；将小圆柱垂直放在40目石英砂上，在一起置于万能力学测试机上，然后在0.64cm2圆柱的表面施加6.4kN的压力(压强约100MPa)并持续30分钟；卸载力，取下小圆柱，轻轻除去表面未嵌入的砂粒，然后称重(m)；
嵌砂量(mg/cm2)＝(m-m0)÷0.64。
表1材料性能
Figure BDA0002368221960000061
由表1可知，本发明实施例1-4制备的凡尔胶皮与进口的SKF凡尔胶皮相比具有更低的嵌砂量。此外，实施例2与3制备的凡尔胶皮与SKF具有相似的理想强度和更低DIN磨耗。
将进口的SKF凡尔胶皮和实施例2制备的凡尔胶皮同时安装到同台压裂车上，并分别在我国西北部两处油田(1号和2号)进行工作，结果如图6。其中，图6A和B分别为SKF凡尔胶皮和实施例2凡尔胶皮在中国西北部1号油田测试50小时后的结果，实施例2凡尔胶皮比SKF凡尔胶皮具有更少的嵌砂量，即实施例凡尔胶皮使用寿命比进口凡尔胶皮的更长；图6C和D分别为SKF凡尔胶皮和实施例2凡尔胶皮在中国西北部2号油田测试10小时后的结果，实施例2凡尔胶皮与SKF凡尔胶皮嵌砂量相近，即实施例2凡尔胶皮使用寿命与进口凡尔胶皮相当。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，按照重量份数计，包括：聚氨酯预聚物100-110份，催化剂0-1份；
其特征在于，所述聚氨酯预聚物是由聚酯二醇、二异氰酸酯和扩链剂反应后得到；所述聚酯二醇、二异氰酸酯、扩链剂的摩尔比为1：(2-5)：(1-4)。
2.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述聚氨酯预聚物是由以下制备方法制备得到：
步骤①：将聚酯二醇和二异氰酸酯反应，得到第一预聚物；
步骤②：将第一预聚物和扩链剂反应，得到聚氨酯预聚物。
3.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述聚酯二醇为分子量500-5000的聚己内酯二醇、分子量500-4000的聚碳酸酯二醇，和分子量500-5000的己二酸系聚酯二醇中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述聚酯二醇为分子量1000和/或分子量2000的聚己内酯二醇。
5.根据权利要求4所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，分子量1000的聚己内酯二醇与分子量2000的聚己内酯二醇的质量比为：28.57g-85.72g：36.36g。
6.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述二异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯，具体为4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、和二甲基联苯二异氰酸酯中的一种或者多种。
7.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述扩链剂为芳香族醇类或芳香族胺类化合物，具体为间苯二酚二羟乙基醚、对苯二酚二羟乙基醚、3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺、和3,5'-二甲硫基甲苯二胺中的一种或者多种。
8.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，所述催化剂为叔胺催化剂和/或有机金属催化剂，具体为辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡中的一种或者两种。
9.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，还包括：光稳定剂0.1-2份、防黄剂0.1-2份、填料2-5份、色膏0.5-5份；
所述填料为无机填料，具体为高岭土、炭黑、钛白粉、和二硫化钼中的一种或者多种。
10.根据权利要求1所述的用于液力端总成的聚氨酯凡尔胶皮材料，其特征在于，其按照重量份数计，包括：聚氨酯预聚物100份，辛酸亚锡0.1份，光稳定剂UV-1 0.5份，防黄剂HN-130 0.5份，钛白粉2份，10％色膏聚醚多元醇0.2份；
所述聚氨酯预聚物是由分子量为1000的聚己内酯二醇50份，分子量为2000的聚己内酯二醇63.7份，4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯61.2份，和间苯二酚二羟乙基醚30.8份反应后得到。
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