丁腈橡胶表面化学改性及其摩擦学和耐油性能研究

【摘要】螺杆泵采油技术作为一种新型的采油方式，同其他采油方式相比具有独特的优点，尤其适合应用于原油粘度比较高、含砂和含气量较大的油井，具有同比采油量能耗低、结构简单、占地面积小、采油效率高等特点，在国内外得到广泛应用且呈明显上升趋势。油田井下工况极端复杂，恶劣的工作环境使得螺杆泵橡胶定子磨损严重，使用寿命相比其他关键部件较短。因此橡胶定子性能的提高是延长螺杆泵使用寿命的关键技术之一。目前常用的定子材料为丁腈橡胶（NBR），由丁二烯和丙烯腈经乳液共聚而成，具有优良的耐磨、耐油、耐热和耐腐蚀性，而且价格便宜。目前国内较多油田已进入三次采油阶段，开采原油的难度不断加大，传统的丁腈橡胶材料难以满足生产需要，迫切需要开发新的橡胶定子材料或者对传统丁腈橡胶材料进行改性以提高其性能。很多情况下，橡胶材料是通过其表面来参与工作的，橡胶的磨损和腐蚀也都是先从表面发生，提高橡胶表面性能而不整体改善材质，可显著节约成本，提高经济效益。橡胶表面改性是在不改变橡胶基材性质的基础上通过改变橡胶的表面性质来提高某些特定的性能。本文以提高丁腈橡胶耐磨、耐油性能为目的，采用卤化（氟化、溴化、碘化）、磺化、混合氧化法对丁腈橡胶表面进行改性，设计了相关改性配方，研制了橡胶表面氟化改性实验装置。通过大量试验系统地研究了各改性剂成分的种类和用量以及改性时间对丁腈橡胶表面形貌、硬度、力学等性能的影响。通过对改性试样进行各种工况下的摩擦磨损和原油溶胀试验，研究橡胶表面性能与耐磨、耐油性能之间的关系，以及载荷、转速、工作介质、温度等因素对橡胶摩擦性能的影响。借助现代测试技术分析了丁腈橡胶改性前后表面的能谱和红外光谱，探究改性丁腈橡胶减摩、降磨的作用机理，以及发生在表面改性、摩擦磨损过程中的摩擦化学反应及其对橡胶摩擦行为的影响，探索丁腈橡胶材料在各种实际工况中的摩擦磨损机制，为开发性能优良的丁腈橡胶材料提供实验数据和理论基础。为了综合评价改性方法的好坏，构建了丁腈橡胶表面改性方法评价体系，利用此评价体系进行了不同改性方法之间横向比较和同一种改性方法不同配比之间纵向比较，客观、科学地反应丁腈橡胶各种表面改性方法的改性效果及其适用范围，使其在生产中针对不同的工况得到具体切实的应用。
【作者】韩珩；
【导师】王世杰；吕晓仁；
【作者基本信息】沈阳工业大学，机械设计及理论，2014，博士
【关键词】丁腈橡胶；表面改性；摩擦磨损；原油溶胀；评价体系；

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