MMT和Ekonol增强UHMWPE复合材料的制备及性能研究

论文摘要

近年来,随着油田开采进入注水开采期,油井中油管和抽油杆的偏磨现象日益严重。扶正器的使用是减缓管杆偏磨的有效途径之一,但随着采油条件的苛刻,常规所用的金属扶正器和尼龙扶正器已经不能满足使用要求,本文选用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）为基体材料,纳米蒙脱石和聚苯酯为填料,分别增强UHMWPE,研究了一种高耐磨的新型扶正器材料。研究表明:干摩擦条件下,nano-MMT和Ekonol两种填料均能改善UHMWPE的摩擦磨损性能,其中,改善效果最佳的nano-MMT和Ekonol的含量分别为10%和20%,耐磨性较纯UHMWPE分别提高了356%和374%。与干摩擦相比,在油田污水条件下,UHMWPE复合材料磨损率明显增大,但和扶正器常用尼龙材料相比,UHMWPE复合材料仍表现出较低的摩擦系数和较高的耐磨性,其中,10%MMT-UHMWPE和20%Ekonol-UHMWPE复合材料的耐磨性比尼龙材料高出161%和241%。UHMWPE的表面硬度均随nano-MMT和Ekonol含量的提高而增加;在本文配方范围内,随着两种填料含量的增加,拉伸强度出现先增大后减小的现象,冲击强度则表现了一直下降趋势,但只要nano-MMT≤10%、Ekonol≤20%,复合材料仍然保持了UHMWPE基体较高的强度,不影响其作为工程结构件的使用要求。nano-MMT和Ekonol均提高了UHMWPE的结晶度和维卡软化温度,其中结晶度最大提高幅度分别为23%和21%,维卡软化温度最高分别提高10℃和12℃;此外,摩擦温度表明,两种填料均在一定程度上提高了UHMWPE的导热性。此外,UHMWPE基复合材料比尼龙扶正器材料具有较高的冲击强度和较小的吸水率,因此,在温度≤100℃的油井中,本文研究的UHMWPE基复合材料更能满足扶正器的使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 聚合物复合材料的摩擦学理论
• 1.2.1 聚合物基复合材料的摩擦磨损理论
• 1.2.2 国内外聚合物基复合材料摩擦磨损的研究概况
• 1.3 固体润滑材料
• 1.3.1 国内外固体润滑的发展概况
• 1.3.2 固体润滑材料的分类及应用
• 1.3.3 聚合物基固体润滑材料
• 1.4 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）基固体润滑材料的研究现状
• 1.4.1 UHMWPE 的性能
• 1.4.2 UHMWPE 的发展历史及应用
• 1.4.3 UHMWPE 改性的研究现状
• 1.5 NANO-MMT 和EKONOL 的特性及研究现状
• 1.5.1 MMT 的结构与性能
• 1.5.2 MMT 的研究概述
• 1.5.3 Ekonol 的性能与应用
• 1.5.4 Ekonol 的研究近况
• 1.6 本文的主要工作内容与研究方案
• 1.6.1 研究思路的提出
• 1.6.2 本文研究的主要内容
• 1.6.3 研究方案
• 第二章 UHMWPE 基复合材料的制备
• 2.1 UHMWPE 复合材料的成型工艺
• 2.1.1 UHMWPE 成型加工面临的困难
• 2.1.2 模压成型
• 2.1.3 其他成型方法
• 2.2 试验原材料
• 2.3 试验仪器与设备
• 2.4 无机填料的表面处理
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 纳米蒙脱石的偶联处理
• 2.5 复合材料的制备
• 2.6 UHMWPE/ NANO-MMT 复合材料的微观结构分析
• 2.6.1 XRD 测试
• 2.6.2 TEM 测试
• 2.6.3 SEM 分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 UHMWPE 基复合材料摩擦磨损性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 摩擦试验
• 3.2.2 磨损试验
• 3.2.3 磨损表面SEM 形貌观察
• 3.3 试验结果及讨论
• 3.3.1 干摩擦条件下的摩擦磨损性能
• 3.3.2 油田污水条件下的摩擦磨损性能
• 3.3.3 UHMWPE 基复合材料与尼龙材料摩擦磨损性能比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 UHMWPE 基复合材料热性能研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 高聚物的晶态与非晶态结构
• 4.1.2 聚合物的耐热性
• 4.1.3 聚合物的导热性
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 DSC 测试
• 4.2.2 维卡软化点测试
• 4.2.3 导热性
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 填料对结晶度的影响
• 4.3.2 填料对维卡软化点的影响
• 4.3.3 填料对复合材料导热性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 UHMWPE 基复合材料力学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 试样的制备
• 5.2.2 硬度测试
• 5.2.3 拉伸试验
• 5.2.4 冲击试验
• 5.2.5 断口形貌的SEM 分析
• 5.3 试验结果与讨论
• 5.3.1 填料对硬度的影响
• 5.3.2 填料对拉伸强度的影响
• 5.3.3 填料对冲击韧性的影响
• 5.3.4 断口形貌SEM 分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文