黨 磊，吳 偉，任 偉

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

針對(duì)螺桿泵定子丁晴橡膠的PVC改性對(duì)其力學(xué)性能及耐介質(zhì)性能的影響

黨 磊，吳 偉，任 偉

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

橡塑共混改性是提高橡膠性能的重要方式。本文針對(duì)螺桿泵定子丁晴橡膠使用聚氯乙烯對(duì)其進(jìn)行改性，研究了聚氯乙烯的加入量對(duì)丁腈橡膠力學(xué)性能的影響，確定了聚氯乙烯的最佳添加量。并通過(guò)對(duì)共混體系的耐水、耐油、耐酸、耐堿性能進(jìn)行測(cè)試，為共混體系的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

螺桿泵；丁腈橡膠；聚氯乙烯；力學(xué)性能；耐介質(zhì)性能

螺桿泵是一種容積式轉(zhuǎn)子泵,它是依靠由螺桿(轉(zhuǎn)子)和襯套(定子)形成的密封腔的容積變化來(lái)吸入和排出液體的。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)與調(diào)研發(fā)現(xiàn)，螺桿泵失效主要表現(xiàn)為定子失效，而定子內(nèi)表面的疲勞失效占有相當(dāng)比例，主要表現(xiàn)為螺桿泵的漏失。同時(shí)由于井下工況普遍較復(fù)雜，通常伴隨高溫、高壓、高含砂量、高油氣比、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等，因此，合理的選擇采油螺桿泵定子橡膠是提高其使用壽命的關(guān)鍵。

丁腈橡膠(NBR)因其具有較好耐油性、易加工性和成本低等特點(diǎn)，常常用于石油工業(yè)中的耐油橡膠密封材料，其制品類型主要包括膠管、鉆井工具用橡膠件、密封件和螺桿泵定子等[1-2]。此外，丁腈橡膠還具有優(yōu)良的耐水性、氣密性及粘結(jié)性能[3-4]。因此，丁腈橡膠至今仍是石油工業(yè)用橡膠的主要材料，其在石油工業(yè)中的應(yīng)用涉及了勘探、開(kāi)發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)、煉制等石油行業(yè)的方方面面[5-7]。為滿足不同環(huán)境的使用要求，需要開(kāi)發(fā)性能各異的丁腈橡膠配方。在配方開(kāi)發(fā)中，橡塑共混是對(duì)丁腈橡膠性能改善的重要手段[8]。本文采用與丁腈橡膠相容性較好的聚氯乙烯(PVC)[9]對(duì)其進(jìn)行改性，研究了PVC用量對(duì)丁腈橡膠力學(xué)性能的影響，并探索了PVC的加入對(duì)丁腈橡膠耐油、耐酸、耐堿性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

基礎(chǔ)配方(質(zhì)量份)：丁腈橡膠NBR3350，100；聚氯乙烯PVC S-1000，變量；硫化劑DTDM 0.5，CZ 1.5，TT 1。

1.2 試樣制備

將生膠投入開(kāi)煉機(jī)中，薄通幾次，待塑煉完成后加入PVC，待其混煉均勻后再加入硫化體系并調(diào)小輥距薄通，打三角包5～6次、下片，制成混煉膠。采用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)定正硫化時(shí)間，混煉膠在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃×Tc90，樣品厚度約為2mm。硫化完成后，使用國(guó)標(biāo)2型裁刀在沖片機(jī)上將膠片裁為標(biāo)準(zhǔn)啞鈴試樣。

1.3 性能測(cè)試

使用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)按GB/T528-2009測(cè)試?yán)煨阅?，拉伸速度?00 mm/min。硬度使用LX-A型橡膠硬度計(jì)，參照GB/T531-1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。樣品的耐介質(zhì)實(shí)驗(yàn)參照GB/T1690-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中，樣品質(zhì)量與體積使用MP3002電子天平進(jìn)行測(cè)量。采用電子掃描顯微鏡觀察不同樣品斷裂后的表面形貌，并測(cè)量樣品內(nèi)部PVC分散相的尺寸，樣品觀察前需進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVC添加量對(duì)NBR力學(xué)性能的影響

在橡膠制品中，填料的添加量極大地影響制品的性能，合適的填料添加量將對(duì)橡膠基體起到非常好的補(bǔ)強(qiáng)作用。在本文中，我們依次增大PVC的添加量，研究PVC添加量對(duì)共混體系力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)中，為避免填料與助劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，配方中只保留了生膠、PVC與硫化體系。

圖1 PVC含量對(duì)NBR強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，PVC添加量小于30份時(shí)，隨PVC加入量的增大，共混體系的拉伸強(qiáng)度一直增大，在30份時(shí)達(dá)到最高值19.5MPa。這說(shuō)明，PVC的加入可以對(duì)NBR基體起到較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，且PVC的添加量以30份為佳，此時(shí)PVC在基體中起到補(bǔ)強(qiáng)粒子的作用。其后，隨PVC添加量增大，體系強(qiáng)度一直減小，尤其是當(dāng)添加量超過(guò)35份時(shí)，體系強(qiáng)度下降非常明顯。這可能是因?yàn)楫?dāng)PVC添加量超過(guò)35份時(shí)，PVC在體系中分散困難。圖2顯示了PVC添加量分別為10份和40份時(shí)NBR橡膠的掃描電鏡照片。可以看出，當(dāng)添加量為40份時(shí)，PVC分散相的尺寸變大，且PVC在基體中產(chǎn)生了明顯的團(tuán)聚。仔細(xì)觀察添加量為40份時(shí)的電鏡照片，可以看出NBR的斷面上出現(xiàn)了許多細(xì)小的空穴(圖中圓圈處)，這說(shuō)明PVC的團(tuán)聚導(dǎo)致與基體結(jié)合部位出現(xiàn)缺陷，這必然會(huì)引起基體強(qiáng)度下降。

圖2 PVC添加量為10份和40份時(shí)NBR的掃描電鏡照片

此外，當(dāng)PVC添加量40份時(shí)，可明顯觀察到塑料韌性斷裂(圖中橢圓圈處)的現(xiàn)象，這說(shuō)明PVC逐漸形成少量的連續(xù)相。當(dāng)硫化膠被拉伸時(shí)，少量的PVC連續(xù)相由于具有更高的彈性模量，會(huì)成為其周?chē)鷤鬟f載荷的主要部分，這也會(huì)在基體中形成導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域。拉伸發(fā)展到一定階段，這種應(yīng)力集中區(qū)域就會(huì)先一步斷裂，形成裂紋，導(dǎo)致橡膠基體提前斷裂。所以，當(dāng)PVC添加量超過(guò)40份時(shí)，硫化膠的強(qiáng)度下降，而斷裂伸長(zhǎng)率(圖3)也下降。

圖3 PVC含量對(duì)NBR斷裂伸長(zhǎng)率和硬度的影響

圖3展示了PVC加入后NBR斷裂伸長(zhǎng)率和硬度的變化?？梢钥闯?，PVC加入后斷裂伸長(zhǎng)率略有下降，其后基本不變，當(dāng)PVC添加量大于40份時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率急劇下降。NBR的硬度隨著PVC添加量的增大近似呈直線增大。

由季札的評(píng)論我們可知《唐風(fēng)》的特點(diǎn)：一是思深； 二是憂遠(yuǎn)； 三是有傳統(tǒng)，有歷史感。 思深和憂遠(yuǎn)意思相近，故杜預(yù)概括為憂深思遠(yuǎn)，而有傳統(tǒng)、有歷史感又是和憂深思遠(yuǎn)相聯(lián)系著的。 因此，若從風(fēng)格上講，可以說(shuō)是厚重感。 若從思想上來(lái)講，可以說(shuō)是計(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)。 對(duì)于《唐風(fēng)》，可以如此把握之。

2.2 PVC對(duì)NBR耐介質(zhì)性能的影響

前兩章的實(shí)驗(yàn)中我們探索了PVC添加量對(duì)NBR力學(xué)性能的影響，確定PVC添加量為30份對(duì)NBR基體補(bǔ)強(qiáng)效果最好。在實(shí)際使用中，丁腈橡膠不可避免地經(jīng)常接觸水、油、酸、堿等環(huán)境。因此，研究NBR/PVC體系的耐水、耐油、耐酸和耐堿性能，對(duì)于探索共混體系的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。選取性能最優(yōu)異的共混體系即PVC添加量為30份的體系為代表，與純NBR3350體系做對(duì)比，測(cè)試共混體系在幾種老化介質(zhì)中的腐蝕情況。

將上述兩種樣品，分別置于裝有去離子水、92#汽油、10% HCl溶液、10% NaOH溶液的水熱釜中，老化溫度為120℃，老化時(shí)間為48h。計(jì)算腐蝕后樣品質(zhì)量變化率和體積變化率，對(duì)腐蝕后樣品做力學(xué)性能測(cè)試，與腐蝕前相比較，評(píng)價(jià)其耐介質(zhì)老化性。

2.2.1 PVC對(duì)NBR耐水性的影響

丁腈橡膠NBR與NBR/PVC體系在120℃水中腐蝕48h，結(jié)果如表1所示。

表1 NBR橡膠在水中腐蝕后性能

由表1中可以看出， NBR橡膠在高溫水中的腐蝕并不嚴(yán)重，兩者的質(zhì)量變化和體積變化都不是很大，NBR/PVC體系略低。NBR/PVC腐蝕后有較高的強(qiáng)度保持率，硬度下降也較小。說(shuō)明，添加30份PVC，有利于提高NBR在120℃水中的耐蝕性。

2.2.2 PVC對(duì)NBR耐油性的影響

丁腈橡膠在92#汽油中腐蝕48h后性能如下：

表2 NBR橡膠在92#汽油中腐蝕后性能

2.2.3 PVC對(duì)NBR耐酸性的影響

丁腈橡膠在120℃、10%的鹽酸溶液中腐蝕48h后性能如下：

表3 NBR橡膠在鹽酸溶液中腐蝕后性能

鹽酸對(duì)NBR橡膠的腐蝕性比水、92#汽油嚴(yán)重的多，在經(jīng)過(guò)120℃×48h后，NBR橡膠的強(qiáng)度下降較多，強(qiáng)度保持率只有33%左右。有意思的是，加入PVC后體系的耐酸性并沒(méi)有提高，反而下降了。加入30份PVC后體系的質(zhì)量變化和體積變化變大了2倍多，且強(qiáng)度保持率也下降較多。對(duì)比表1中NBR在純水中的變化，說(shuō)明鹽酸加入后增大了水在NBR橡膠基體中的擴(kuò)散(質(zhì)量變化率與體積變化率變大)，使得NBR橡膠中存在大量因水分子聚集形成的孔穴，這可能是體系強(qiáng)度下降的原因。

2.3 PVC對(duì)NBR耐堿性的影響

丁腈橡膠在10%的氫氧化鈉溶液中經(jīng)過(guò)120℃×48h腐蝕后性能如下：

表4 NBR橡膠在氫氧化鈉溶液中腐蝕后性能

對(duì)比鹽酸對(duì)NBR的腐蝕結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉溶液腐蝕后的NBR橡膠質(zhì)量變化和體積變化都很小，只有1%左右。對(duì)比表1，發(fā)現(xiàn)這比NBR在水中的質(zhì)量變化和體積變化都小，說(shuō)明氫氧化鈉的存在可以阻止水對(duì)NBR基體的擴(kuò)散。然而，體系的強(qiáng)度卻下降較大，兩種體系的強(qiáng)度保持率都只有20%左右，NBR/PVC體系的強(qiáng)度保持率略高。由此猜測(cè)，氫氧化鈉的存在破壞了NBR分子鏈結(jié)構(gòu)，從而使得體系強(qiáng)度降低。

3 小結(jié)

本文研究了NBR/PVC體系中，PVC添加量對(duì)體系的力學(xué)性能的影響，通過(guò)觀察樣品斷面的電鏡照片，初步解釋了體系力學(xué)性能變化的原因。并對(duì)體系的耐水、耐油、耐酸、耐堿性做了初步探索。結(jié)果如下：

(1)當(dāng)PVC的添加量少于30份時(shí)，PVC的加入有助于提高NBR的力學(xué)性能；當(dāng)添加量超過(guò)35份時(shí)，NBR的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率明顯下降。電鏡照片顯示，當(dāng)添加量超過(guò)35份時(shí)，PVC在NBR中團(tuán)聚所引起的缺陷是導(dǎo)致NBR性能下降的主要原因。

(2)PVC的加入有助于提高NBR在水、汽油和堿中的耐蝕性，不利于其在鹽酸中的耐蝕性。NBR在酸和堿中的破壞形式可能不同，在酸中橡膠質(zhì)量變化較大即水對(duì)其擴(kuò)散性較大；而在堿中NBR質(zhì)量和體積基本不變，但強(qiáng)度下降。

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(本文文獻(xiàn)格式：黨 磊，吳 偉，任 偉，等.針對(duì)螺桿泵定子丁晴橡膠的PVC改性對(duì)其力學(xué)性能及耐介質(zhì)性能的影響[J].山東化工，2016，45(02)：19-21.)

2015-12-02

黨 磊(1987—)，陜西西安人，在讀碩士。

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1008-021X(2016)02-0019-03