CN115124800B - 一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺 - Google Patents

一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺，利用低温等离子体接枝改性方法，用长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮对聚四氟乙烯进行改性处理；通过添加二硫化钼、碳纤维、碳纳米管来进一步协同提升密封件的耐磨性；在碳纤维表面沉积多孔聚醚砜聚合物，制备出仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维；然后在仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维上原位合成花状纳米颗粒状的二硫化钼，得到碳纤维与二硫化钼的纤维杂化体，即改性碳纤维，来提高与聚四氟乙烯之间的浸润性；通过控制改性碳纤维中碳纤维与硫脲、四水合钼酸铵的加入量，使碳纤维表面完全被二硫化钼覆盖，大幅提高密封件的热稳定性。

Description

一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺
技术领域
本发明涉及密封件领域，具体是一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺。
背景技术
阀门是化工系统中极为重要的部件，它控制管道内石油、天然气流量的多少，保障管道能正常运行。管路里边的石油、天然气多是具有腐蚀性，且有燃烧和爆炸的危险，如果这些物质泄漏，不仅会造成巨额损失，还严重破坏生态环境；所以，对阀门所用的密封件的密封性有严苛要求。
且现有市场随着石油天然气开采的要求越来越高，石油阀门密封件要求承受极高的压力(30000PSI,210MPA)，极限耐温在-60～180℃，并兼具耐酸碱性、高耐磨性；而传统方法通常使用聚四氟乙烯填充玻璃纤维、碳纤维用于密封件制造，传统方法的配方偏硬，跟随性差，易出现漏油现象，导致密封件使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺，以解决现有技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，包括以下步骤：
S1：称料：按照质量份数称取改性聚四氟乙烯、碳纤维、碳纳米管、二硫化钼备用；
S2：混料：将碳纤维、碳纳米管通过混合机混合，计为混料A，将改性聚四氟乙烯、二硫化钼通过混合机混合，计为混料B，将混料A、混料B通过高速机械式混合机混合，得到混合材料；
S3：放置：将混合材料静置4-6天；
S4：压制：用模具装静置后的混合材料，然后在液压机上进行压制；
S5：烧结：将压制后的混合材料进行烧结；
S6：机加工：车出产品尺寸，得到一种用于石油及天然气阀门的密封件。
进一步的，以质量份数计，所述密封件中各组分含量为：改性聚四氟乙烯72-90份、碳纤维5-10份、碳纳米管5-10份、二硫化钼2-8份。
进一步的，步骤S4中压制的压力为35-55MPa。
进一步的，步骤S5中烧结的工作条件：365-380℃保温3-5h。
进一步的，改性聚四氟乙烯的制备包括以下步骤：
1)4,4'-二氟二苯甲酮、4-(3-甲氧基-4-羟基苯基)-杂萘-1-酮、碳酸钾混合搅拌，在氮气保护下，加入二甲基乙酰胺、甲苯继续搅拌，升温至140-145℃保温2-3h，升温至溶液黏度不再增加，停止反应，倒入去离子水中析出、过滤、洗涤、干燥，得到甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮；
2)在氮气保护下，将甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮、氯仿混合搅拌，加入三溴化硼溶液，至不再有固体析出，过滤，洗涤，干燥，得到羟基化聚二氯杂萘酮醚酮；
3)在氮气保护下，将羟基化聚二氯杂萘酮醚酮、二甲基亚砜、氢氧化钾混合搅拌，加入1,4-丁磺酸内酯，析出，抽滤，洗涤，干燥，得到长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮；
4)用丙酮将聚四氟乙烯洗涤干净，置于低温等离子体仪中进行辉光放电处理；在氮气气氛下，将等离子体处理后的聚四氟乙烯浸入长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中，在70-80℃下保温6-10h，干燥后得到改性聚四氟乙烯。
进一步的，辉光放电处理的工作条件：在氩气保护下，射频功率120W，真空度20Pa，处理时间3min。
进一步的，长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮与二甲基亚砜的质量比为20％。
进一步的，碳纤维为改性碳纤维，制备包括以下步骤：
(1)将聚醚砜、N,N-二甲基乙酰胺混合搅拌，加入异丙醇，得到聚醚砜树脂溶液；
(2)将100g碳纤维浸泡在混合酸性溶液(1:1的盐酸溶液和硝酸溶液)中搅拌10-30min，用蒸馏水冲洗至pH＝7；转移到聚醚砜树脂溶液中浸渍5-6h，然后转移到去离子水中浸泡5-6h，干燥后，得到预处理碳纤维；
(3)将硫脲、四水合钼酸铵、去离子水混合搅拌15-20min，加入预处理碳纤维，转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，210-220℃保温22-24h，然后用蒸馏水洗涤3-5次，干燥后得到改性碳纤维。
进一步的，碳纤维、聚醚砜、异丙醇的质量比为20：4：1；所述硫脲、四水合钼酸铵、预处理碳纤维的质量比为68：79：72。
本发明的有益效果：
本发明提供一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺，限定添加的组分成分及相应工艺设计，使其具有优异的密封性、耐酸碱性及高耐磨性，符合石油及天然气阀门密封件的严苛要求，制备得到的密封件能承受极高的压力。
传统石油及天然气阀门密封件中易用玻璃纤维或碳纤维填充聚四氟乙烯来增加耐磨性，但是会导致配方偏硬，其油封的跟随性较差；本发明在聚四氟乙烯的双螺旋链上嫁接侧枝，增强分子链之间的聚合度，大幅提高了密封件的耐磨性能，选用碳纤维、碳纳米管、二硫化钼协同改善其耐磨性；
本发明中利用低温等离子体接枝改性方法，通过亲核缩聚、脱甲基、磺化接枝等反应合成了具有柔性长烷基侧链的磺化杂萘联苯聚芳醚酮，用长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮对聚四氟乙烯进行改性处理，增强分子链间的聚合度，提高密封件的耐磨性能、耐蠕变性能和回复性能，解决了油封跟随性不好的问题；且在聚四氟乙烯上用低温等离子体接枝改性方法接枝长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮，会大幅提高聚四氟乙烯上的反应位点，提高聚四氟乙烯与二硫化钼、碳纤维、碳纳米管的相容性。
通过添加二硫化钼、碳纤维、碳纳米管来进一步协同降低密封件的摩擦系数；但是二硫化钼与有机聚合物基质相容性不好，易团聚；而碳纤维虽然具有轻质高强高弹模特性，但是，其表面类石墨结构，反应活性较低，很难与聚四氟乙烯基体产生牢固的界面结合，因此需要对其进行表面处理，提高碳纤维与聚四氟乙烯之间的浸润性；
先对碳纤维采用液相浸渍法、浸没沉淀相转化法在碳纤维表面沉积多孔聚醚砜聚合物，制备出兼具轻质、高韧性、高强度特点的仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维；然后在仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维上原位合成花状纳米颗粒状的二硫化钼，得到碳纤维与二硫化钼的纤维杂化体，即改性碳纤维，来提高与聚四氟乙烯之间的浸润性，同时提高了与添加的二硫化钼之间的结合力，即增加碳纤维表面均匀分散的花状纳米颗粒状的二硫化钼与添加的二硫化钼之间的范德华力结合，解决二硫化钼在聚四氟乙烯基体内分散性问题；
通过控制改性碳纤维中碳纤维与硫脲、四水合钼酸铵的加入量，使碳纤维表面完全被二硫化钼覆盖，接枝到碳纤维表面的二硫化钼颗粒越多，对应的纤维杂化体的比表面积也越大，这也意味着它作为填料时与聚合物基体之间的“锚点”越多，相对应的界面结合力越大；加入改性碳纤维后，二硫化钼、碳纤维、碳纳米管填料与聚四氟乙烯基体之间获得更好的分散性和更大的接触面积，通过延迟挥发性降解产物的逸出，进而延缓复合材料的热分解，大幅提高密封件的热稳定性；
且纯聚四氟乙烯在干摩擦时会发生黏着磨损，即在摩擦过程中会在摩擦对偶的表面形成的转移膜和对偶间的结合力较弱，转移膜会很快地变成磨屑而被消耗掉，尤其是在高温下这种情况会更加严重；且现有市场单纯通过碳纤维填充，摩擦磨损过程中硬质纤维的拔出和剥落造成耐磨性失效；
而本发明中先是在聚四氟乙烯上接枝柔性长链，然后添加的碳纤维为改性碳纤维，是硬质润滑层和软质纤维层的有效结合，生成的二硫化钼均匀地包裹在碳纤维表面，有效地降低密封件的摩擦磨损；且改性碳纤维的加入会很大程度地分散摩擦产生的接触应力，提高了聚四氟乙烯基体的承载能力；且摩擦过程中产生的转移膜和摩擦副表面贴合得更为紧密，会抑制磨肩的产生。
在混料后进行放置4-6天降低密封件中的应力和静电，防止在后续压制过程中因内应力出现裂纹，改善密封件力学性能及密封性能。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，包括以下步骤：
S1：称料：按照质量份数称取改性聚四氟乙烯、碳纤维、碳纳米管、二硫化钼备用；
以质量份数计，所述密封件中各组分含量为：改性聚四氟乙烯72份、碳纤维5份、碳纳米管5份、二硫化钼2份；
改性聚四氟乙烯的制备包括以下步骤：
1)5mmoL4,4'-二氟二苯甲酮、5mmoL 4-(3-甲氧基-4-羟基苯基)-杂萘-1-酮、15mmoL碳酸钾混合搅拌，加入二甲基乙酰胺和甲苯得到10wt％的溶液，通氮气保护，升温至140℃保温3h，升温至溶液黏度不再增加，停止反应，倒入去离子水中析出、过滤、洗涤、干燥，得到甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮；
2)在氮气保护下，将4.4mmoL甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮、40mL氯仿混合搅拌，加入66mL三溴化硼溶液，至不再有固体析出，过滤，洗涤，干燥，得到羟基化聚二氯杂萘酮醚酮；
3)在氮气保护下，将2.6mmoL羟基化聚二氯杂萘酮醚酮、30mL二甲基亚砜、3.9mmoL氢氧化钾混合搅拌，加入1,4-丁磺酸内酯3.9mmoL，析出，抽滤，洗涤，干燥，得到长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮；
4)用丙酮将聚四氟乙烯洗涤干净，置于低温等离子体仪中进行辉光放电处理；在氮气气氛下，将等离子体处理后的聚四氟乙烯浸入长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中，置于在70℃下保温10h，干燥后得到改性聚四氟乙烯；
辉光放电处理的工作条件：在氩气保护下，射频功率120W，真空度20Pa，处理时间3min；长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮与二甲基亚砜的质量比为20％；
碳纤维为改性碳纤维，制备包括以下步骤：
(1)将20g聚醚砜、75gN,N-二甲基乙酰胺混合搅拌，加入5g异丙醇，得到20wt％聚醚砜树脂溶液；
(2)将100g碳纤维浸泡在混合酸性溶液(1:1的盐酸溶液和硝酸溶液)中搅拌10-30min，用蒸馏水冲洗至pH＝7；转移到聚醚砜树脂溶液中浸渍5h，然后转移到去离子水中浸泡5h，干燥后，得到预处理碳纤维；
(3)将6.8g硫脲、7.9g四水合钼酸铵、100mL去离子水混合搅拌15min，加入7.2g预处理碳纤维，转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，210℃保温24h，然后用蒸馏水洗涤3次，干燥后得到改性碳纤维；
S2：混料：将碳纤维、碳纳米管通过混合机混合，计为混料A，将改性聚四氟乙烯、二硫化钼通过混合机混合，计为混料B，将混料A、混料B通过高速机械式混合机混合，得到混合材料；
S3：放置：将混合材料静置4-6天；
S4：压制：用模具装静置后的混合材料，然后在液压机上进行压制，压制的压力为35MPa；
S5：烧结：将压制后的混合材料进行烧结，365℃保温5h；
S6：机加工：车出产品尺寸，得到一种用于石油及天然气阀门的密封件。
实施例2
一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，包括以下步骤：
S1：称料：按照质量份数称取改性聚四氟乙烯、碳纤维、碳纳米管、二硫化钼备用；
以质量份数计，所述密封件中各组分含量为：改性聚四氟乙烯85份、碳纤维8份、碳纳米管7份、二硫化钼5份；
改性聚四氟乙烯的制备包括以下步骤：
1)5mmoL4,4'-二氟二苯甲酮、5mmoL 4-(3-甲氧基-4-羟基苯基)-杂萘-1-酮、15mmoL碳酸钾混合搅拌，加入二甲基乙酰胺和甲苯得到10wt％的溶液，通氮气保护，升温至142℃保温2.5h，升温至溶液黏度不再增加，停止反应，倒入去离子水中析出、过滤、洗涤、干燥，得到甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮；
2)在氮气保护下，将4.4mmoL甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮、40mL氯仿混合搅拌，加入66mL三溴化硼溶液，至不再有固体析出，过滤，洗涤，干燥，得到羟基化聚二氯杂萘酮醚酮；
3)在氮气保护下，将2.6mmoL羟基化聚二氯杂萘酮醚酮、30mL二甲基亚砜、3.9mmoL氢氧化钾混合搅拌，加入1,4-丁磺酸内酯3.9mmoL，析出，抽滤，洗涤，干燥，得到长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮；
4)用丙酮将聚四氟乙烯洗涤干净，置于低温等离子体仪中进行辉光放电处理；在氮气气氛下，将等离子体处理后的聚四氟乙烯浸入长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中，置于在75℃下保温8h，干燥后得到改性聚四氟乙烯；
辉光放电处理的工作条件：在氩气保护下，射频功率120W，真空度20Pa，处理时间3min；长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮与二甲基亚砜的质量比为20％；
碳纤维为改性碳纤维，制备包括以下步骤：
(1)将20g聚醚砜、75gN,N-二甲基乙酰胺混合搅拌，加入5g异丙醇，得到20wt％聚醚砜树脂溶液；
(2)将100g碳纤维浸泡在混合酸性溶液(1:1的盐酸溶液和硝酸溶液)中搅拌20min，用蒸馏水冲洗至pH＝7；转移到聚醚砜树脂溶液中浸渍5.5h，然后转移到去离子水中浸泡5.5h，干燥后，得到预处理碳纤维；
(3)将6.8g硫脲、7.9g四水合钼酸铵、100mL去离子水混合搅拌18min，加入7.2g预处理碳纤维，转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，215℃保温23h，然后用蒸馏水洗涤4次，干燥后得到改性碳纤维；
S2：混料：将碳纤维、碳纳米管通过混合机混合，计为混料A，将改性聚四氟乙烯、二硫化钼通过混合机混合，计为混料B，将混料A、混料B通过高速机械式混合机混合，得到混合材料；
S3：放置：将混合材料静置5天；
S4：压制：用模具装静置后的混合材料，然后在液压机上进行压制，压制的压力为35-55MPa；
S5：烧结：将压制后的混合材料进行烧结，370℃保温4h；
S6：机加工：车出产品尺寸，得到一种用于石油及天然气阀门的密封件。
实施例3
一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，包括以下步骤：
S1：称料：按照质量份数称取改性聚四氟乙烯、碳纤维、碳纳米管、二硫化钼备用；
以质量份数计，所述密封件中各组分含量为：改性聚四氟乙烯90份、碳纤维10份、碳纳米管10份、二硫化钼8份；
改性聚四氟乙烯的制备包括以下步骤：
1)5mmoL4,4'-二氟二苯甲酮、5mmoL 4-(3-甲氧基-4-羟基苯基)-杂萘-1-酮、15mmoL碳酸钾混合搅拌，加入二甲基乙酰胺和甲苯得到10wt％的溶液，通氮气保护，升温至145℃保温2h，升温至溶液黏度不再增加，停止反应，倒入去离子水中析出、过滤、洗涤、干燥，得到甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮；
2)在氮气保护下，将4.4mmoL甲氧基聚二氯杂萘酮醚酮、40mL氯仿混合搅拌，加入66mL三溴化硼溶液，至不再有固体析出，过滤，洗涤，干燥，得到羟基化聚二氯杂萘酮醚酮；
3)在氮气保护下，将2.6mmoL羟基化聚二氯杂萘酮醚酮、30mL二甲基亚砜、3.9mmoL氢氧化钾混合搅拌，加入1,4-丁磺酸内酯3.9mmoL，析出，抽滤，洗涤，干燥，得到长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮；
4)用丙酮将聚四氟乙烯洗涤干净，置于低温等离子体仪中进行辉光放电处理；在氮气气氛下，将等离子体处理后的聚四氟乙烯浸入长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中，置于在80℃下保温6h，干燥后得到改性聚四氟乙烯；
辉光放电处理的工作条件：在氩气保护下，射频功率120W，真空度20Pa，处理时间3min；长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮与二甲基亚砜的质量比为20％；
碳纤维为改性碳纤维，制备包括以下步骤：
(1)将20g聚醚砜、75gN,N-二甲基乙酰胺混合搅拌，加入5g异丙醇，得到20wt％聚醚砜树脂溶液；
(2)将100g碳纤维浸泡在混合酸性溶液(1:1的盐酸溶液和硝酸溶液)中搅拌30min，用蒸馏水冲洗至pH＝7；转移到聚醚砜树脂溶液中浸渍6h，然后转移到去离子水中浸泡6h，干燥后，得到预处理碳纤维；
(3)将6.8g硫脲、7.9g四水合钼酸铵、100mL去离子水混合搅拌20min，加入7.2g预处理碳纤维，转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，220℃保温22，然后用蒸馏水洗涤5次，干燥后得到改性碳纤维；
S2：混料：将碳纤维、碳纳米管通过混合机混合，计为混料A，将改性聚四氟乙烯、二硫化钼通过混合机混合，计为混料B，将混料A、混料B通过高速机械式混合机混合，得到混合材料；
S3：放置：将混合材料静置6天；
S4：压制：用模具装静置后的混合材料，然后在液压机上进行压制，压制的压力为55MPa；
S5：烧结：将压制后的混合材料进行烧结，380℃保温3h；
S6：机加工：车出产品尺寸，得到一种用于石油及天然气阀门的密封件。
对比例1
以实施例3为对照组，3.4g硫脲、3.45g四水合钼酸铵，其他工序正常。
对比例2
以实施例3为对照组，在制备改性聚四氟乙烯时，聚四氟乙烯没有置于低温等离子体仪真空腔体中进行辉光放电处理，其他工序正常。
对比例3
以实施例3为对照组，在制备改性聚四氟乙烯时，没有制备长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮，其他工序正常。
对比例4
以实施例3为对照组，用聚四氟乙烯替换改性聚四氟乙烯，其他工序正常。
对比例5
以实施例3为对照组，用碳纤维替换改性碳纤维，其他工序正常。
对比例6
以实施例3为对照组，复合材料没有放置4-6天，直接进行压制，其他工序正常。
性能测试：对实施例1-3、对比例1-6所制得的密封件进行性能测试；
耐磨性：THT07-135摩擦磨损试验机，销盘测试模式，钢销的直径为3.5mm，硬度为9GPa，粗糙度0.02μm，外加载荷为10N，总滑行距离为2000m，磨损率K＝V/(F·S)，V为磨损体积(mm3)，F为载荷(N)，S为总滑动距离(m)；
密封性：参考GB/T32217-2015进行测试：当漏油量少于1滴，延长测定时间折算，如0.4滴/min代表实际在第40min时开始漏第1滴油；等效模拟折算实际测试温度、负载，循环次数200万次为10000h往复行程，活塞杆表面镀硬铬，粗糙度为0.15，直径40mm；具体数据如表1；
耐油性：浸入石油中72h，观察变化；耐碱性：10％氢氧化钠，72h，观察变化；耐酸性：5％盐酸，72h，观察变化，如表2；
Figure BDA0003725016740000101
表1
Figure BDA0003725016740000102
Figure BDA0003725016740000111
表2
实施例1-3为按照本发明制备的密封件，根据表1、表2可知，本发明提供一种用于石油及天然气阀门的密封件及其加工工艺，限定添加的组分成分及相应工艺设计，使其具有优异的密封性、耐酸碱性及高耐磨性，符合石油及天然气阀门密封件的严苛要求，制备得到的密封件能承受极高的压力。
将实施例2与对比例1进行对比可知，通过控制改性碳纤维中碳纤维与硫脲、四水合钼酸铵的加入量，使碳纤维表面完全被二硫化钼覆盖，接枝到碳纤维表面的二硫化钼颗粒越多，对应的纤维杂化体的比表面积也越大，这也意味着它作为填料时与聚合物基体之间的“锚点”越多，相对应的界面结合力越大；加入改性碳纤维后，二硫化钼、碳纤维、碳纳米管填料与聚四氟乙烯基体之间获得更好的分散性和更大的接触面积，通过延迟挥发性降解产物的逸出，进而延缓复合材料的热分解，大幅提高密封件的热稳定性。
将实施例2与对比例2进行对比可知，先利用低温等离子体处理后再接枝，有利于提高密封件的密封性。
将实施例2与对比例3进行对比可知，而本发明中先是在聚四氟乙烯上接枝柔性长链，然后添加的碳纤维为改性碳纤维，是硬质润滑层和软质纤维层的有效结合，生成的二硫化钼均匀地包裹在碳纤维表面，有效地降低密封件的摩擦磨损；且改性碳纤维的加入会很大程度地分散摩擦产生的接触应力，提高了聚四氟乙烯基体的承载能力；且摩擦过程中产生的转移膜和摩擦副表面贴合得更为紧密，会抑制磨肩的产生。
将实施例2与对比例4进行对比可知，本发明中利用低温等离子体接枝改性方法，通过亲核缩聚、脱甲基、磺化接枝等反应合成了具有柔性长烷基侧链的磺化杂萘联苯聚芳醚酮，用长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮对聚四氟乙烯进行改性处理，增强分子链间的聚合度，提高密封件的耐磨性能、耐蠕变性能和回复性能，解决了油封跟随性不好的问题；且在聚四氟乙烯上用低温等离子体接枝改性方法接枝长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮，会大幅提高聚四氟乙烯上的反应位点，提高聚四氟乙烯与二硫化钼、碳纤维、碳纳米管的相容性。
将实施例2与对比例5进行对比可知，先对碳纤维采用液相浸渍法、浸没沉淀相转化法在碳纤维表面沉积多孔聚醚砜聚合物，制备出兼具轻质、高韧性、高强度特点的仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维；然后在仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维上原位合成花状纳米颗粒状的二硫化钼，得到碳纤维与二硫化钼的纤维杂化体，即改性碳纤维，来提高与聚四氟乙烯之间的浸润性，同时提高了与添加的二硫化钼之间的结合力，即增加碳纤维表面均匀分散的花状纳米颗粒状的二硫化钼与添加的二硫化钼之间的范德华力结合，解决二硫化钼在聚四氟乙烯基体内分散性问题。
将实施例2与对比例6进行对比可知，在混料后进行放置4-6天降低密封件中的应力和静电，防止在后续压制过程中因内应力出现裂纹，改善密封件力学性能及密封性能。
综上，本发明制备的密封件不仅力学性能优异，在200℃的高温环境下密封效果与18℃的密封效果相当，说明具有优异高温耐磨性与常温耐磨性，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的为实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：称料：按照质量份数称取改性聚四氟乙烯、碳纤维、碳纳米管、二硫化钼备用；
S2：混料：将碳纤维、碳纳米管通过混合机混合，计为混料A，将改性聚四氟乙烯、二硫化钼通过混合机混合，计为混料B，将混料A、混料B通过高速机械式混合机混合，得到混合材料；
S3：放置：将混合材料静置4-6天；
S4：压制：用模具装静置后的混合材料，然后在液压机上进行压制；
S5：烧结：将压制后的混合材料进行烧结；
S6：机加工：车出产品尺寸，得到一种用于石油及天然气阀门的密封件；
所述改性聚四氟乙烯的制备包括以下步骤：
1)4,4'-二氟二苯甲酮、4-(3-甲氧基-4-羟基苯基)-杂萘-1-酮、碳酸钾混合搅拌，在氮气保护下，加入二甲基乙酰胺、甲苯继续搅拌，升温至140-145℃保温2-3h，升温至溶液黏度不再增加，停止反应，倒入去离子水中析出、过滤、洗涤、干燥，得到甲氧基聚二氮杂萘酮醚酮；
2)在氮气保护下，将甲氧基聚二氮杂萘酮醚酮、氯仿混合搅拌，加入三溴化硼溶液反应至不再有固体析出，然后过滤、洗涤、干燥，得到羟基化聚二氮杂萘酮醚酮；
3)在氮气保护下，将羟基化聚二氮杂萘酮醚酮、二甲基亚砜、氢氧化钾混合搅拌，加入1,4-丁磺酸内酯，然后析出、抽滤、洗涤、干燥，得到长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮；
4)用丙酮将聚四氟乙烯洗涤干净，置于低温等离子体仪中进行辉光放电处理；在氮气气氛下，将等离子体处理后的聚四氟乙烯浸入长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中，在70-80℃下保温6-10h，干燥后得到改性聚四氟乙烯；
所述碳纤维为改性碳纤维，制备包括以下步骤：
(1)将聚醚砜、N,N-二甲基乙酰胺混合搅拌，加入异丙醇，得到聚醚砜树脂溶液；
(2)将碳纤维浸泡在混合酸性溶液中搅拌10-30min，用蒸馏水冲洗至pH＝7；转移到聚醚砜树脂溶液中浸渍5-6h，然后转移到去离子水中浸泡5-6h，干燥后，得到预处理碳纤维；
(3)将硫脲、四水合钼酸铵、去离子水混合搅拌15-20min，加入预处理碳纤维，转移到聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，210-220℃保温22-24h，然后用蒸馏水洗涤3-5次，干燥后得到改性碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，以质量份数计，所述密封件中各组分含量为：改性聚四氟乙烯72-90份、碳纤维5-10份、碳纳米管5-10份、二硫化钼2-8份。
3.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，步骤S4中压制的压力为35-55MPa。
4.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，步骤S5中烧结的工作条件：365-380℃保温3-5h。
5.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，辉光放电处理的工作条件：在氩气保护下，射频功率120W，真空度20Pa，处理时间3min。
6.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，所述长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮的接枝液中长链磺酸基聚二氮杂萘酮醚酮与二甲基亚砜的质量比为20％。
7.根据权利要求1所述的一种用于石油及天然气阀门的密封件的加工工艺，其特征在于，所述碳纤维、聚醚砜、异丙醇的质量比为20：4：1；所述硫脲、四水合钼酸铵、预处理碳纤维的质量比为68：79：72。
8.一种用于石油及天然气阀门的密封件，其特征在于，根据权利要求1-7中任一项所述加工工艺加工得到。
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Denomination of invention: A sealing element and its processing technology for oil and natural gas valves

Effective date of registration: 20230807

Granted publication date: 20230407

Pledgee: Bank of China Limited Jiangmen Enping Branch

Pledgor: JIANGMEN GELEIYATE FLUID SEALING TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980051198