由于采油螺桿泵(PCP)具有處理高粘度油(含砂、氣體和蠟)的能力,近二十年來的使用逐漸增加。PCP技術(shù)具有投資少、運行費用低等特點,是稠油和定向井應(yīng)用中唯一的提油方式。采油螺桿泵的泵送元件主要由金屬轉(zhuǎn)子和橡膠定子組成。由于金屬轉(zhuǎn)子的磨損、原油中化學(xué)物質(zhì)和固體的作用以及井下高溫的影響,采油螺桿泵的定子會形成快速磨損。彈性體丁腈橡膠(NBR)、氫化丁腈橡膠(HNBR)和氟彈性體(FKM)由于其良好的力學(xué)性能和耐化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于采油螺桿泵(PCP)的定子。與大多數(shù)油田彈性體相比,FKM具有優(yōu)良的耐化學(xué)性和熱穩(wěn)定性,然而,與NBR和HNBR相比,FKM非常昂貴。由于填料具有較高的粘度和空間屏蔽效應(yīng),因此也很難用填料增強。彈性體的共混是通過改善性能和/或降低成本來獲得具有商業(yè)價值的產(chǎn)品的一種可行的技術(shù)。此外,碳納米管(CNT)增強彈性體是提高其性能的有效方法。制備彈性體/CNT納米復(fù)合材料的主要問題是如何將碳納米管分散到基體中,因為碳納米管具有很強的范德華力,容易形成團聚體。本研究的目的是研究符合采油螺桿泵(PCP)定子要求的FKM基共混納米復(fù)合材料,該復(fù)合材料具有最佳的摩擦學(xué)性能。首先,將FKM與NBR和HNBR共混,得到最佳的摩擦學(xué)性能配比和共混方法。研究了未改性和分別經(jīng)氧化、氟化改性的多壁碳納米管(MWCNTs)對FKM/CB/MWCNT雜化納米復(fù)合材料力學(xué)性能、熱性能和摩擦學(xué)性能的影響。最后,在FKM/NBR和FKM/HNBR共混物的最佳配比下,加入具有最佳功能化的MWCNT,測定了共混納米復(fù)合材料在無油狀態(tài)和無砂原油及砂質(zhì)原油中的力學(xué)和摩擦學(xué)性能。用干混法和熔融法制備的FKM/HNBR共混物(100/0、75/25、50/50、25/75和0/100)的結(jié)果表明,熔融混合法比干混法具有更好的相容性和良好的相形態(tài),這導(dǎo)致熔融混合共混物比干混合具有更好的機械性能、熱性能、原油膨脹性能和干滑動磨損性能。隨著HNBR用量的增加,干混和熔融共混物的性能逐漸下降。提出了熔融共混FKM/HNBR(75/25)的最佳共混方法和配比。其力學(xué)性能優(yōu)于干混共混物,比磨損率接近FKM。在FKM/HNBR共混體系的基礎(chǔ)上,制備了90/10、80/20、70/30、60/40和50/50的熔融混合FKM/NBR共混物。除了 FKM/NBR(90/10)的共混物表現(xiàn)為相尺寸為100～250 nm的部分連續(xù)相形態(tài)外,其它共混物均表現(xiàn)為相尺寸為200～400 nm的兩相形態(tài)。原油的溶脹和滑動磨損結(jié)果表明,FKM/NBR(90/10和80/20)的原油溶脹率和比磨損率非常接近FKM。未溶脹和溶脹磨損表面的主要機械化學(xué)效應(yīng)是大分子鏈斷裂,隨著共混物中NBR用量增加,共混物氧化降解逐漸增大。高分子鏈斷裂導(dǎo)致輕微的疲勞磨損機理,磨損表面形貌也觀察到這種機制。以碳黑(CB)為填料,采用未改性和分別經(jīng)氧化、氟化改性的MWCNTs增強FKM。未改性MWCNT(P-MWCNT)在FKM基體中的分散性很差,隨著P-MWCNT含量的增加,納米復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能下降。其原因是納米復(fù)合材料中未改性的MWCNT團聚體在基體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中點。氧化碳納米管(0-MWCNT)和氟化碳納米管(F-MWCNT)的分散性明顯增強,尤其是氟化碳納米管,隨著氟化碳納米管含量的增加,納米復(fù)合材料的交聯(lián)密度顯著增加。因此,FKM/CB/F-MWCNT納米復(fù)合材料比FKM/CB/0-MWCNT納米復(fù)合材料具有更好的力學(xué)、熱磨損和滑動磨損性能。隨著氧化和氟化改性碳納米管比例的增加,其力學(xué)和摩擦學(xué)參數(shù)逐漸增大,然后開始逐漸下降。FKM/CB/F-MWCNT的最佳力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能分別在CB/F-MWCNT配比為20/10和17.5/12.5時達到最佳。FKM/CB/0-MWCNT的最佳性能為CB/0-MWCNT配比為25/5。FKM/MWCNTs納米復(fù)合材料的主要磨損機理是疲勞,而未改性MWCNT含量較高的納米復(fù)合材料中則出現(xiàn)了粘著磨損痕跡。在FKM/NBR(80/20)和FKM/HNBR(80/20)熔融混合共混物中加入F-MWCNTs對FKM具有顯著增強作用。將F-MWCNTs首先與FKM混合,然后與NBR或HNBR共混,可以使F-MWCNTs在共混物兩相中良好分散。所有共混物均表現(xiàn)為互溶共混體系。共混納米復(fù)合材料的共連續(xù)相尺寸隨氟化碳納米管的增加而變小。原油在共混納米復(fù)合材料表面的接觸角表明,F-MWCNTs的增加增強了這些表面對原油的潤濕性。共混納米復(fù)合材料的最佳摩擦學(xué)性能為CB/F-MWCNT配比為15/15,而FKM/CB/F-MWCNT納米復(fù)合材料在CB/F-MWCNT配比為17.5/12.5時表現(xiàn)出最佳摩擦學(xué)性能。這意味著FKM與NBR或HNBR的共混增強了納米復(fù)合材料對F-MWCNTs的相容性。原油中砂的存在使納米復(fù)合材料的二體疲勞磨損機理轉(zhuǎn)變?yōu)槿w磨損,并使復(fù)合材料的COF和比磨損率增大。F-MWCNTs的存在使共混納米復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的抗砂性能和摩擦學(xué)性能.
【學(xué)位單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH117;TB383.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
CHAPTER 1 INTRODUCTION
    1.1 Oil extraction progressive cavity pump
    1.2 Elastomers of PCP stator
        1.2.1 FKM
        1.2.2 NBR
        1.2.3 HNBR
    1.3 Tribology of elastomer
        1.3.1 Abrasion
        1.3.2 Fatigue mechanisms
        1.3.3 Roll formation wear
        1.3.4 Adhesive wear
    1.4 Factors influence the wear of stator
        1.4.1 Loads on stators
        1.4.2 Contact speed between stator and rotor
        1.4.3 Viscosity and solids in crude oil
        1.4.4 Aggressive Chemicals
        1.4.5 Gases
        1.4.6 Temperature
        1.4.7 Water in crude oil
    1.5 Elastomer blends
        1.5.1 Introduction
        1.5.2 Types of elastomer Blends
        1.5.3 Blending methods
        1.5.4 Compatibility
    1.6 Elastomer/MWCNT nanocomposites
        1.6.1 Introduction
        1.6.2 Properties of CNT
        1.6.3 Fabrication of polymer/CNT nanocomposites
        1.6.4 Modification of CNT
    1.7 Current Status of Research
        1.7.1 FKM/NBR Blends
        1.7.2 FKM/HNBR Blend
        1.7.3 FKM/MWCNT nanocomposites
    1.8 Scope and objective
CHAPTER 2 EFFECT OF BLEND RATIO AND MIXING METHOD ONMECHANICAL, THERMAL, TRIBOLOGICAL AND CRUDE OIL SWELLING PROPERTIES OF FKM/HNBR BLENDS
    2.1 Introduction
    2.2 Materials and method
        2.2.1 Materials
        2.2.2 Preparation of the FKM/HNBR Blends
        2.2.3 Characterization
    2.3 Results and discussion
        2.3.1 Morphology
        2.3.2 Compatibility
        2.3.3 Mechanical properties
        2.3.4 Thermal stability
        2.3.5 Crude Oil Swelling
        2.3.6 Tribological Properties
    2.4 Conclusion
CHAPTER 3 SWELLING AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF MELT-MIXED FKM/NBR BLENDS UNDER CRUDE OIL
    3.1 Introduction
    3.2 Materials and methods
        3.2.1 Materials
        3.2.2 Preparation of the FKM/NBR blends
        3.2.3 Characterization
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Morphology
        3.3.2 Compatibility
        3.3.3 Mechanical properties
        3.3.4 Swelling properties
        3.3.5 Thermal stability
        3.3.6 Tribology properties
    3.4 Conclusions
CHAPTER 4 EFFECT OF OXIDIZED AND FLUORINATED MWCNTs ONMECHANICAL, THERMAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OFFKM/CB/MWCNT HYBRID NANOCOMPOSITES
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and method
        4.2.1 Materials
        4.2.2 Preparation of the Functionalized-MWCNTs
        4.2.3 Preparation of FKM/CB/MWCNT nanocomposites
        4.2.4 Characterization of MWCNTs
        4.2.5 Characterization of nanocomposites
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 FTIR of MWCNTs
        4.3.2 TGA of MWCNTs
        4.3.3 Cure characteristics
        4.3.4 Dispersion of MWCNTs
        4.3.5 Mechanical properties
        4.3.6 Thermal stability
        4.3.7 Tribological properties
    4.4 Conclusion
CHAPTER 5 EFFECT OF CARBON BLACK/ FLUORINATED-MWCNT HYBRID ONMORPHOLOGY, MECHANICAL, THERMAL AND TRIBOLOGICAL PROPRTIESOF FKM/NBR BLENDS AND FKM/HNBR BLENDS
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and method
        5.2.1 Materials
        5.2.2 Preparation of the fluorinated-MWCNTs
        5.2.3 Preparation of nanocomposites
        5.2.4 Characterization of nanocomposites
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 Morphology of nanocomposites
        5.3.2 Mechanical properties
        5.3.3 Thermal stability
        5.3.4 Contact angle
        5.3.5 Tribological properties
    5.4 Conclusion
CHAPTER 6 CONCLUSION AND RECOMMENDATION
    6.1 Conclusion
    6.2 Recommendation
REFERENCES
PUBLICATIONS
ACKNOWLEDGEMENTS

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本文編號：2854154