[发明专利]一种高强度高模量氟橡胶组合物及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高强度高模量氟橡胶组合物及其制备方法与应用，该高强度高模量氟橡胶组合物由以下重量份的原辅料制备而成：氟橡胶聚合物100份、石墨烯1‑8份、交联剂1‑5份、促进剂1‑5份、吸酸剂0‑15份、填料5‑43份、加工助剂0‑3份。将少量特定结构的石墨烯加入到氟橡胶聚合物中，大大提高了氟橡胶复合材料的硬度、定伸强度、抗挤出变形以及抗剪切性能，同时材料具有优异的抗气体快速释压性能；配方合理，工艺简单，将其用于制作耐高温高压的抗挤出密封件，大大提高了高温高压下井下工具及阀门阀座的密封和承压效果。

技术领域

本发明涉及高分子橡胶复合材料技术领域，具体地说是一种高强度高模量氟橡胶组合物及其制备方法与应用。

背景技术

随着油气钻采深度逐渐增加，油气体成份以及压力状况变得更为复杂，由此，油气钻采、传输以及加工工艺相关设备对相关橡胶密封材料技术提出了更高的要求。在高温高压强腐蚀工况下，橡胶材料除了耐受复杂介质外，更是提出了高硬度、高拉伸强度、高抗剪切变形、防爆或耐气体快速失压，以及橡胶材料抗挤出变形等性能要求。

在油气管线输送过程中，阀门是非常重要的部件。在阀门的非金属密封领域，非金属材料一般指塑料、橡胶以及柔性石墨等，而橡胶材料由于其弹性优异，补偿公差作用明显，对金属件加工精度要求低等特点，在阀门密封方面大量设计和使用。但现有的橡胶材料在高温高压下，特别是压力在15MPa以上，温度在200℃以上时，密封效果不理想，主要是由于耐磨性较差，硬度低，强度低，抗挤出变形大，易受高压剪切失效，同时在高温高压液体或气体环境下，橡胶密封件容易产生气体快速释压失效，并且在高温高压环境下(压力＞15MPa，温度＞200℃)，橡胶密封材料的硬度要求在90Shore A以上才能满足工作要求，硬度低于85Shore A的橡胶密封材料在高温高压的环境中不能使用，这是由于硬度在85Shore A以下的橡胶材料在高温高压下会产生严重挤出变形和剪切失效，从而导致设备密封失效，降低设备的使用寿命。因此，研发一种高硬度抗挤出变形、抗剪切以及抗气体快速释压的高性能橡胶材料十分必要，尤其是用于阀门阀座密封用高硬度橡胶材料，硬度要求90Shore A以上。

石墨烯(GNs)是一种没有能隙的半导体，具有优异的载流子特性及优异的电学质量，具有比硅高100倍、比砷化镓快20倍的载流子迁移率，且不随温度而变化。石墨烯的导热率是金刚石的3倍，拉伸强度高达130GPa，是优质钢的100倍，其拉伸弹性模量高达1.0TPa。单层石墨烯以二维晶体结构存在，是构成其它维度碳质材料的基本单元，包裹起来是零维的富勒烯，卷起来形成了一维的碳纳米管，层层堆积形成的是三维石墨，与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯价格低廉，原料易得。

中国专利(公开号：CN107603083A)公开了一种高导热氟橡胶预混胶及其制备方法，其将1-5份多层石墨烯与1-3份双酚AF以及0.2-1份硫化促进剂BPP混合熔融，并冷却得到块状固体并粉碎，然后再与氟橡胶生胶在密炼机中进行混炼，并得到含有石墨烯成分的氟橡胶母炼胶，在母炼胶中再添加适当比列PFPE衍生物、长链全氟丙烯酸酯、脂肪醇和硅烷偶联剂提高氟橡胶对导热填料的浸润性能，提供一种高导热氟橡胶。中国专利(公开号CN105255073A)公开了一种含石墨烯的耐磨氟橡胶及其制备方法，该专利将石墨烯、纳米金刚石粉、氟橡胶和填料通过机械共混的方法制备了一种耐磨氟橡胶，同时具有更好的气体阻隔性能和导热性能。上述两件中国专利均利用石墨烯的导热性及耐磨性制备了相应氟橡胶复合材料，但其力学性能低，无法应用于高温高压抗挤出的工况环境。中国专利(公开号CN106221079A)公开了一种石墨烯补强的氟橡胶配方，该专利在氟橡胶配方中添加0.5-2份的石墨烯，虽提高了压缩永久变形性能，但基本物性硬度、拉伸强度等依然太低，无法满足高温高压抗挤出工况中应用。