一种耐高温油井橡胶密封圈材料及其制备工艺的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种耐高温油井橡胶密封圈材料及其制备工艺
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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I?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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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，
[0007]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，
[0008]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，
[0009]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I?IOmm,编织布的厚度为0.1?0.5mm,
[0010]从原料上来看，内外层中各组分，按重量分数计算为，
[0011]氣橡胶100份
高强度编织布5?10份
炭黑5~10份
纳米氧化锆I?5份
活性氧化镁 5?10份；
[0012]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，
[0013]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I?IOmm,纤维布(编织布)的厚度为0.1?0.5mm,
[0014]从原料上来看，中间层中各组分，按重量分数计算为，
[0015]
废旧胶粉50-60份
氟橡胶40?50份
相容剂I?5份
高强度编织布5~10份
炭黑1~5份
纳米氧化锆I?5份
促进剂0.1?I份
硫化剂0.1~1份。
[0016]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；
[0017]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，在表面活性剂中浸溃，并烘干，表面活性剂为硅烷偶联剂，选自KH550、KH560或KH570，
[0018]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；
[0019]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)；
[0020]相容剂为硅烷接枝二元乙丙橡胶，市售；
[0021]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；[0022]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。
[0023]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:
[0024](I)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；
[0025](2)将步骤(I)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°C之间，长径比为45:1，
[0026]挤出机挤出的内外及中间层胶，厚度为I?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；
[0027](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，
[0028]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,
[0029]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；
[0030](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°C，
[0031]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。
[0032]本发明的有益效果是:
[0033]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°C，在300 V X 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°C X70h)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；
[0034]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；
[0035]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。
[0036]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]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)，
[0038]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】
[0039]耐高温油井橡胶密封圈材料的主要性能指标:
主要指标测试标准技术参数
硬度(邵氏 A 度)HG/T2579-94 50 -70
拉伸强度(MPa)HG/T2579-94 ^lSMpa
断裂伸长率HG/T2579-94 ≤350%
压缩永久变形(300°CX22h)HG/T2579-94 <35%
? 硬度变化HG/T2579-94 0-+10
[0040]
标准油中(300°C X 70h)___
体积变化HG/T2579-94 -8%~+6%
硬度变化HG/T2579-94 0-+10
热空气老化(300°CX70h) 拉伸强度变化HG/T2579-94 ≤15%
断裂伸长率变化HG/T2579-94 <15%
[0041]实施例1:
[0042]内层胶:
[0043]
氟橡胶(杜邦牌号VITON GLT偏氟醚橡胶)100份
高强度编织布(碳纤维)5份
炭黑5份
氧化锆1份
活性氧化镁5份
[0044]中间层:
[0045]
【权利要求】
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，
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，在表面活性剂中浸溃，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， (I)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。
【文档编号】F16J15/20GK103496229SQ201310349988
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】陶国良, 夏艳平 申请人:常州大学