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《扬州大学》 2018年
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油管内衬用耐磨隔热高分子复合材料的制备和性能

冯春亮  
【摘要】:杆管偏磨和井筒结蜡是在原油的开采过程中所面临的两个技术瓶颈,严重影响了油井的正常生产和作业,增加了原油的开采成本。本论文制备了碳纤维和二氧化硅纳米球复合填料、空心玻璃微珠和/或丁苯橡胶填充改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或聚丙烯(PP)复合材料,通过对制备材料的力学性能、热学性能和摩擦学性能的测试和表征及其构效关系研究,开发出能用于抽油管内衬、兼具优异的摩擦学性能和隔热性能的复合材料,同时解决杆管偏磨和井筒结蜡的问题。一、CF-SNS填充的UHMWPE复合材料的摩擦学性能和隔热性能首先,论文研究了微米级碳纤维(CF)与纳米级的二氧化硅填料填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的协同效果。研究采用溶胶-凝胶法在经过稀HNO3处理后的碳纤维(CFN)表面原位负载尺寸均匀的二氧化硅纳米球(SNS),通过机械混合、热压成型制备了UHMWPE/CF和UHMWPE/CFN-SNS复合材料。研究结果表明,CF填充UHMWPE复合材料的力学性能得到提高,拉伸模量显著增加,同时复合材料能够保持较高的韧性。与纯UHMWPE相比,UHMWPE/CF复合材料的环块摩擦系数和磨损量明显降低,其磨损机理主要表现为磨粒磨损;适当的含量的CF填充的UHMWPE复合材料的砂浆磨损量约为纯UHMWPE的80%。CFN-SNS复合填料填充UHMWPE制得的复合材料具有更优的力学性能和摩擦学性能。与UHMWPE/CF复合材料相比,UHMWPE/CFN-SNS复合材料的弹性模量有小幅度上升,抗形变能力得到加强;UHMWPE/CFN-SNS复合材料的环块摩擦系数更小更稳定,磨损机理主要表现为磨粒磨损,砂浆磨损量仅为纯UHMWPE的50%;纳米级的SNS对UHMWPE基体的结晶有促进作用;UHMWPE/CFN-SNS复合材料具备更高的耐热性能和更低的线膨胀系数。偶联处理的CFN-SNS复合填料的填充UHMWPE制得的UHMWPE/C[CFN-SNS]复合材料的摩擦学性能和力学性能进一步提高。二、UHMWPE/HGB复合材料的制备及其摩擦学性能和隔热性能其次,论文研究了空心玻璃微珠填充UHMWPE制得的复合材料的耐摩擦磨损性能和隔热保温性能。研究采用热压成型的方法制备空心玻璃微珠填充UHMWPE复合材料,发现偶联空心玻璃微珠与UHMWPE之间有良好的相互作用和界面结合,高度分散在基体中;空心玻璃微珠填充的UHMWPE复合材料比纯UHMWPE的拉伸模量和硬度均得到提高,同时能够保持较高的韧性。制得的UHMWPE复合材料一定条件下的平均线膨胀系数降低至纯UHMWPE的50%以下,导热系数和原料相比有明显降低。填充空心玻璃微珠得到的UHMWPE复合材料在室温、水润滑的条件下摩擦系数只有纯UHMWPE的20%,质量磨耗仅为纯UHMWPE的10%,其磨损机理主要表现为磨粒磨损。复合材料在较高温度下的耐石英砂冲蚀性能得到提高。三、PP/SEBS/HGB复合材料的制备及其摩擦学性能和隔热性能论文还选用了导热系数更小的聚丙烯(PP)作为基体树脂,空心玻璃微珠(HGB)作为填充材料,并且采用丁苯橡胶(SEBS)作为弹性体增韧剂,通过熔融共混的方法制备PP/HGB和PP/SEBS/HGB复合材料,考察复合材料机械性能、隔热保温性能和摩擦学性能。PP/HGB复合材料仍可维持较高的韧性,同时复合材料的拉伸模量和硬度明显提高;该复合材料的线膨胀系数和导热系数都有明显的下降,有利于复合材料在钢塑复合管件上的应用。优化含量的PP/HGB复合材料的环块摩擦系数为纯PP的50%,磨损质量仅为纯PP的20%;其砂浆磨损质量降低20%以上。填充SEBS弹性体制得的PP/SEBS/HGB复合材料的韧性得到提高,滑动摩擦系数和磨损质量显著降低,磨损机理主要表现为磨粒磨损。PP/SEBS/HGB复合材料的砂浆磨损质量最低可降至纯PP的55%。在本文所制备的UHMWPE/C[CF-SNS]复合材料、UHMWPE/HGB复合材料、PP/SEBS/HGB复合材料的三种复合材料中,UHMWPE/C[CF-SNS]复合材料的耐摩擦磨损性能最优,但其导热系数相对较高;UHMWPE/HGB复合材料兼具了良好的摩擦磨损性能和隔热保温性能;PP/SEBS/HGB复合材料具有较好的摩擦磨损性能和最佳的隔热保温性能。研究得到三种复合材料可用于具有不同要求的有杆抽油井的油管柱内衬,起到防偏磨和防结蜡的作用。
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE93;TB332

【参考文献】
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