一種納米bn填充ptfe制備耐磨耐高溫復(fù)合材料的方法
【專利摘要】一種納米BN填充PTFE制備耐磨耐高溫復(fù)合材料的方法，涉及油田采油技術(shù)領(lǐng)域，將納米六方相BN通過(guò)表面活性劑分散在溶劑中，然后填充于PTFE中，經(jīng)干燥、模壓、燒結(jié)，取得耐磨耐高溫復(fù)合材料。本發(fā)明克服了六方相納米BN填料因?yàn)槌叽缧　⒈砻婺芨?、容易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了納米六方相BN在PTFE中的高度分散，以顯著提升復(fù)合材料的耐摩擦磨損性能，將其應(yīng)用于抽油桿接箍，填充有納米氮化硼的聚四氟乙烯復(fù)合材料，其使用溫度可以達(dá)到160℃以上，其耐磨性與純聚四氟乙烯相比得到了大幅提升。
【專利說(shuō)明】
一種納米BN填充PTFE制備耐磨耐高溫復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及油田采油技術(shù)領(lǐng)域，特別是有桿抽油用防偏磨接箍的耐磨耐高溫材料 的制備技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今改善抽油桿接箍的耐磨性的方法是在抽油桿接箍金屬部分的外表面設(shè)置一 層耐磨的非金屬層，這種非金屬層的材料可以是超高分子量聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯 等，江蘇油田研發(fā)了一種柔性防磨抽油桿接箍(《鉆采工藝》，2013年5月）。通過(guò)該柔性防磨 接箍，抽油桿可以發(fā)生任意方向的偏轉(zhuǎn)，變偏磨為全磨;變剛性連接為柔性連接，降低了抽 油桿接箍對(duì)油管的正壓力，從而減少了磨損。同時(shí)，該方法在抽油桿接箍外表面燒結(jié)一層耐 磨的超高分子量聚乙烯，減緩桿管之間的磨損，延長(zhǎng)了桿管的壽命。但是，接箍外表面的超 高分子量聚乙烯的軟化溫度低，在井深較大、井下溫度較高時(shí)，燒結(jié)在抽油桿接箍外表面的 超高分子量聚乙烯塑料就很快被磨損、脫落。
[0003] 天津市超科光纖通訊器材科技有限公司研發(fā)了一種耐磨抽油桿接箍（申請(qǐng)?zhí)枺?200420029609.3)，其在抽油桿接箍的金屬外表面設(shè)置的一層非金屬層為聚氨酯，設(shè)置的非 金屬層具有一定的厚度，同時(shí)可以具有很好的耐腐蝕性，由此可以具有很好的耐腐蝕性，由 此可以大大改善抽油桿接箍的耐磨性能，有效的避免了由于抽油桿接箍的金屬部分直接與 油管發(fā)生摩擦，而導(dǎo)致抽油桿接箍磨損現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了油管的檢修周期，減少維修工作 量，提高了油井的年采油量。但聚氨酯的使用溫度不宜超過(guò)120°C。因此，發(fā)明在高溫下使用 的耐磨材料迫在眉睫。
[0004] 六方相氮化硼為層狀材料，又稱為"白石墨"，具有良好的導(dǎo)熱、耐腐蝕、耐溶脹和 抗磨減摩性能，是理想的摩擦材料填充劑。高度分散納米六方相氮化硼能夠?qū)崿F(xiàn)和有機(jī)基 質(zhì)高度相容，大幅度減少有機(jī)-無(wú)機(jī)界面的缺陷，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提出一種可在高溫下使用的、以納米BN填充PTFE制備耐磨耐高溫 復(fù)合材料的方法。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案是:將納米六方相BN通過(guò)表面活性劑分散在溶劑中，然后填充于 PTFE中，經(jīng)干燥、模壓、燒結(jié)，取得耐磨耐高溫復(fù)合材料。
[0007] 本發(fā)明克服了六方相納米BN填料因?yàn)槌叽缧?、表面能高、容易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，通過(guò)表 面活性劑將其分散在溶劑中，得到獨(dú)立分散的BN懸浮液，然后將其用于對(duì)PTFE的填充，從而 實(shí)現(xiàn)納米六方相BN在PTFE中的高度分散，以顯著提升復(fù)合材料的耐摩擦磨損性能。
[0008] 本發(fā)明的有益效果:這種應(yīng)用于抽油桿接箍，填充有納米氮化硼的聚四氟乙烯復(fù) 合材料，其使用溫度可以達(dá)到160°C以上，其耐磨性與純聚四氟乙烯相比得到了大幅提升。
[0009] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述溶劑為丙酮、乙醇、乙醇水溶液或丙酮水溶液中的一種。溶 劑選擇的依據(jù)主要是基體材料(PTFE)和填充材料(納米六方相BN)的表面性質(zhì)，即納米BN和 PTFE在溶劑里的分散。此外，溶劑的價(jià)廉易得、穩(wěn)定、安全和容易回收也是考慮的因素。
[0010]溶劑的用量要使填料沒(méi)和基體材料能夠形成懸浮液，為了實(shí)現(xiàn)他們的充分分散而 有利于均勻填充，本發(fā)明所述溶劑與PTFE的用料質(zhì)量比為2~3:1。
[0011]所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基硫酸鈉（SDS)或十二 烷基二甲基甜菜堿(BS-12)中的一種。選擇上述陰離子的和陽(yáng)離子表面活性劑的主要目的 是抑制納米BN的團(tuán)聚，選擇的表面活性劑的極性集團(tuán)可以和納米BN具有較好的相互作用。
[0012]所述表面活性劑與PTFE的用料質(zhì)量比為1~10:100。該數(shù)量主要是根據(jù)填料納米 六方相BN的量來(lái)選擇的，即表面活性劑的量要足夠的多，能夠?qū)崿F(xiàn)其在納米六方相BN表面 的吸附，從而抑制BN的團(tuán)聚。當(dāng)然，過(guò)量的表面活性劑也沒(méi)有意義。
[0013]所述納米六方相BN與PTFE的用料質(zhì)量比為1~10:100。太少的填料的填充增強(qiáng)、抗 磨減摩效果有限;太多的填料導(dǎo)致基體材料連續(xù)性下降，韌性變差，該比例是研究?jī)?yōu)化的結(jié) 果。
[0014] 所述納米六方相BN的粒徑為30~100nm。如納米六方相BN的尺寸太小，由于其表面 能高，均勻填充的難度大;而如納米六方相BN的尺寸太大，則已經(jīng)不是納米級(jí)材料，會(huì)增加 有機(jī)-無(wú)機(jī)材料之間的缺陷，導(dǎo)致綜合性能下降。
[0015] 所述PTFE的粒徑為10~35μπι。該尺寸范圍有利于和填料的均與混合，市場(chǎng)可得到 性也是因素之一。
[0016] 具體操作方法是:將納米六方相ΒΝ和表面活性劑分散在溶劑中，攪拌0.5~lh后再 加入PTFE，再攪拌0.5~lh，烘干后制成混合粉料;將混合粉料置于模具中，先在200~280°C 環(huán)境下預(yù)熱5~20min，再在10~20mPa的壓力下保壓10~30min，卸壓，再將壓制成型的還料 和模具一起置于350~390°C的燒結(jié)爐中燒結(jié)0.5~2h，冷壓后，脫模，即得耐磨耐高溫復(fù)合 材料。上述方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于帶熱預(yù)壓可以充分排氣，減少產(chǎn)品缺陷;冷壓后脫模和調(diào)節(jié) 產(chǎn)品的精度、硬度和韌性。
【具體實(shí)施方式】 [0017] 實(shí)施例1: 先將1質(zhì)量份的納米六方相BN和1質(zhì)量份的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)分散到由200 質(zhì)量份的乙醇水溶液或丙酮水溶液中，在室溫?cái)嚢瑭?5h后加入100質(zhì)量份的聚四氟乙烯 (PTFE)攪拌0.5h至混勻，再在60°C下烘干，得到混合粉末。然后在模具的模腔中放入上述混 合粉料，在250°C預(yù)熱lOmin，再在lOMPa的壓力下保壓15min，卸壓后取出，然后將壓制成型 的坯料和模具一起放入馬弗爐中，在370°C下燒lh，然后冷壓20min，脫模，取出復(fù)合材料樣 品。
[0018] 樣品在200N的載荷下，摩擦24000r，拉伸性能按GB1040-2006測(cè)定。其摩擦系數(shù)和 磨耗見(jiàn)表1。
[0019] 作為參比，將純的聚四氟乙烯微粉在250°C預(yù)熱lOmin，再在lOMPa的壓力下保壓 lOmin，然后將壓制成型的坯料和模具一起放入馬弗爐中，在370°C下燒lh，然后冷壓20min， 取出。樣品在200N的載荷下，摩擦12000r，拉伸性能按GB1040-2006測(cè)定。其摩擦系數(shù)和磨耗 見(jiàn)表1。
[0020] 實(shí)施例2: 先將5質(zhì)量份的納米六方相BN和5質(zhì)量份的十二烷基硫酸鈉(SDS)分散到300質(zhì)量份的 丙酮中，在室溫?cái)嚢瑭?5h后加入100質(zhì)量份的聚四氟乙烯攪拌0.5h至混勻，再在60°C烘干， 得到混合粉料。然后在模具的模腔中放入上述混合粉料，在280°C預(yù)熱5min，再在15MPa的壓 力下保壓lOmin，卸壓后取出，然后將壓制成型的坯料和模具一起放入馬弗爐中，在350°C下 燒2h，然后冷壓20min，脫模，取出復(fù)合材料樣品。
[0021] 樣品在200N的載荷下，摩擦24000r，拉伸性能按GB1040-2006測(cè)定。其摩擦系數(shù)和 磨耗見(jiàn)表1。
[0022] 實(shí)施例3: 先將10質(zhì)量份的納米六方相BN和10質(zhì)量份的十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)分散到 250質(zhì)量份的乙醇中，在室溫?cái)嚢?.5h后加入100質(zhì)量份的聚四氟乙烯攪拌0.5h至混勻，再 在60°C烘干，得到混合粉料，然后在模具的模腔中放入上述混合粉料，在200°C預(yù)熱20min， 再在20MPa的壓力下保壓lOmin，卸壓后取出，然后將壓制成型的坯料和模具一起放入馬弗 爐中，在390°C下燒0.5h，然后冷壓20min，取出。樣品在200N的載荷下，摩擦24000r，拉伸性 能按GB1040-2006測(cè)定。其摩擦系數(shù)和磨耗見(jiàn)表1。
[0023]表1改性聚四氟乙烯的摩擦磨損性能和力學(xué)性能
由表1可見(jiàn)，采用本發(fā)明方法制成的納米BN填充的PTFE復(fù)合耐磨材料具有以下特性:1、 改性的材料與純PTFE相比，摩擦系數(shù)降低了30%左右，磨耗降低了 50%以上(實(shí)施例2降低了 接近90%)，材料的摩擦性能得到了大幅提升;2、改性后的材料與純PTFE相比，拉伸強(qiáng)度略有 降低，但拉伸模量提高。
[0024] 以上納米六方相BN的粒徑為30~100nm，PTFE的粒徑為10~35μπι。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種納米BN填充PTFE制備耐磨耐高溫復(fù)合材料的方法，其特征在于將納米六方相BN 通過(guò)表面活性劑分散在溶劑中，然后填充于PTFE中，經(jīng)干燥、模壓、燒結(jié)，制得耐磨耐高溫復(fù) 合材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述溶劑為丙酮、乙醇、乙醇水溶液或 丙酮水溶液中的一種。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述溶劑與PTFE的用料質(zhì)量比為2~3: 1〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴 化銨(CTAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)或十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)中的一種。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述表面活性劑與PTFE的用料質(zhì)量比 為1~10:100。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述納米六方相BN與PTFE的用料質(zhì)量 比為1~10:100。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述納米六方相BN的粒徑為30~ 100nm〇8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述PTFE的粒徑為10~35μπι。9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的制備方法，其特征在于:將納米六方 相ΒΝ和表面活性劑分散在溶劑中，攪拌0.5~lh后再加入PTFE，再攪拌0.5~lh，烘干后制成 混合粉料;將混合粉料置于模具中，先在200~280°C環(huán)境下預(yù)熱5~20min，再在10~20MPa 的壓力下保壓10~30min，卸壓，再將壓制成型的坯料和模具一起置于350~390°C的燒結(jié)爐 中燒結(jié)0.5~2h，冷壓后，脫模，即得耐磨耐高溫復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】C08K9/04GK106084285SQ201610432442
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】唐海軍, 馬建杰, 石國(guó)軍, 鄒俊松
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司江蘇油田分公司