油田用磁流變彈性體室內研究

季一輝，許金樓，李外，王坤，趙雄虎

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249;2.南京理工大學 教育部軟化學和功能材料重點實驗室，江蘇 南京 210094)

磁流變彈性體(MRE)作為智能材料的新分支，是由磁流變液發展而來，用聚合物彈性體代替磁流變液的液態母體，克服了磁流變液的易沉降、易磨損和穩定差等缺點［1-2］。在外加磁場下，MRE 的模量、剛度等力學性能發生急劇變化。在橡膠硫化過程中，未施加磁場制備的樣品為各向同性MRE。在施加磁場情況下，使磁性粒子按磁場方向移動排列成鏈狀，硫化成型的樣品為各向異性MRE。與各向同性相比，各向異性MRE 具有更好的磁流變性能。MRE 因其可逆、可控和響應快等優點，在航空航天、汽車行業、石油工業和醫藥衛生等領域有著廣泛的應用前景［3-4］。

在石油鉆采領域，為了工程作業及安全防護，隔振器有著諸多的應用。隨著油氣勘探作業不斷向復雜地層深入，定向井、水平井、分支井以及大位移井等特殊鉆井作業廣泛實施，許多精密隨鉆測量裝置投入應用。目前，隨鉆測量裝置大都安裝在靠近鉆頭的鉆具內，鉆遇軟硬交錯地層會發生憋跳，產生劇烈的振動。這些振動會影響隨鉆測量裝置收集井下數據，在工況惡劣的情況下會直接損壞隨鉆測量裝置和鉆具甚至引發安全事故。使用隔振裝置隔振后的鉆柱，可以避免發生共振現象，提高鉆井效率、保護鉆具，及隨鉆測量裝置、提高設備的使用壽命和測量精度，對減少井場事故和提高鉆采作業的成功率有著重要的意義［5-7］。但是傳統的隔振器模量無法改變和控制，不能適應多種場合下的安全防護。MRE 因其力學性能在外加磁場下能發生剛度、阻尼等性能的可逆變化，因而在石油工業隔振器中有著廣泛的應用前景。本文制備了以天然橡膠(NR)作為基體的MRE，并研究了其磁流變性能、力學性能和耐油性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1#煙片膠，天津橡膠廠;羰基鐵粉(直徑3 ～5 μm)，德國BASF 公司;氧化鋅、硬脂酸為分析純;硫磺、古馬隆、促進劑CZ、防老劑RD、0#柴油均為工業品。

MZ-2000C 型萬能拉力機;XLB-D(Y)350 ×350×2 型平板硫化機:XK-160 型開煉機;Phenom G2 型掃描電鏡(SEM);Q50 型差熱分析儀(TG)。

1.2 NR-MRE 制備

MRE 主要由彈性體材料和磁性粒子組成，按照結構可以分為各向同性(Iso)和各向異性(Aniso)。前者硫化中不加磁場，磁性粒子在基體中分散均勻;后者硫化中施加磁場，磁性粒子在基體中遷移鏈狀排列。膠料的基本配方(質量份):100 份NR、4 份氧化鋅、2 份硬脂酸、1 份促進劑CZ、3 份防老劑RD、2 份古馬隆和2 份硫磺，再加入不同比例的羰基鐵粉，制得鐵質量分數分別為30% (50 份)、40%(85 份)、50%(110 份)的MRE。

圖1 不同鐵含量NR-MRE 的SEM 圖Fig.1 The SEM micrographs of NR-MRE with different iron contents

制備NR-MRE，使用XK-160 開煉機先塑煉10 min，然后進行混煉操作。依次將氧化鋅、硬脂酸、促進劑、防老劑、古馬隆、鐵粉和硫磺加到橡膠中，混煉均勻，薄通下片。混煉膠停放24 h 后，在硫化儀上于143 ℃測定正硫化時間(t90)，最后在平板硫化機上進行硫化。在制備各向異性MRE 時，硫化使用線圈加磁裝置施加磁場，磁場強度為1 T。

1.3 性能測試

1.3.1 磁流變效應 使用自制裝置，通過改變線圈中電流的大小，測試彈性體在不同磁感應強度下的磁致彈性模量，表征相對磁流變效應和絕對磁流變效應［8］。

1. 3. 2 TG 分 析 氮 氣 氣 氛，升 溫 速 率 為10 ℃/min，室溫～600 ℃。

1.3.3 硫化性能 按照國標GB/T 16584—1996 測試了3 種不同含量樣品的硫化性能。

1.3.4 物理機械性能 采用萬能拉力機測試，按照GB/T 528—2009 測試拉伸性能，按GB/T 529—2008 測試撕裂強度，按照GB/T 7757—2009 測試彈性模量。

1.3.5 耐油性能 按照國標GB/T 1690—2010 測試。

2 結果與討論

2.1 MRE 的微觀結構

3 種不同鐵含量的各向同性及各向異性NRMRE 的微觀形貌(SEM)見圖1。

由圖1 可知，3 種樣品的鐵含量逐漸增大，各向 同性的MRE 磁性粒子(1#，3#，5#)均勻的分布在天然橡膠基體中，各向異性MRE(2#，4#，6#)可以看到明顯的鏈狀，后者比前者具有更高的磁流變效應。30%和40%的樣品鏈狀長而稀疏，50%MRE 的鏈狀短而密集，這是由于磁性粒子含量的增多，在磁場作用下其在基體中遷移阻力更大，不容易形成較長的鏈狀。

2.2 熱穩定性能

圖2 是3 種不同鐵含量MRE 樣品的熱重曲線。

圖2 3 種不同鐵含量NR-MRE 樣品TG 曲線Fig.2 The TG curves of NR-MRE with three different iron contents

由圖2 可知，隨著鐵含量增加，殘留量增大。一般用材料失重率為5%時的分解溫度(T5)或者最大失重速率溫度(Tmax)來表征其熱穩定性能。如表1所示，50%含量的MRE 樣品T5和Tmax最大，羰基鐵粉含量的增加，提高了材料的熱穩定性能。

表1 3 種不同鐵含量NR-MRE 樣品TG 數據Table 1 The TG data of NR-MRE with three different iron contents

2.3 硫化性能

一般最大轉矩(MH)與最小轉矩(ML)的差值(MH－ML)與交聯密度成正比，隨著鐵粉含量上升，鐵離子促進了樣品的交聯硫化，從而交聯密度也隨之增大。此外，焦燒時間則隨著鐵粉含量的增加而減小，這也是因為羰基鐵粉中含有的金屬鐵離子對硫化反應起催化作用。

表2 不同鐵含量NR-MRE 的硫化性能Table 2 The curing characteristics of NR-MRE with different iron contents

2.4 物理機械性能

測試了30%，40%，50%以及空白樣的物理機械性能，結果見表3。

表3 不同鐵含量NR-MRE 硫化膠的物理機械性能Table 3 The mechanical properties of NR-MRE with different iron contents

由表3 可知，鐵粉的含量對NR-MRE 的物理機械性能有較大影響，除硬度外，其他性能均有下降。這是由于鐵粉的加入，破壞了天然橡膠的內部結構，但是物理機械性能仍優于硅橡膠等基體。

2.5 磁流變效應

在外加磁場下，彈性體的力學性能發生變化，表現為剛度、模量的改變，即為磁流變效應［9］。常用相對磁流變效應和絕對磁流變效應描述磁流變效應的大小。

相對磁流變效應:

絕對磁流變效應:

式中 Gmax——磁場下彈性模量的最大值，MPa;

G0——零場下的初始彈性模量，MPa;

△G——磁致彈性模量，MPa。

利用改裝的萬能拉力機在不同的外加磁場強度(100，200，300，400，500 mT)下，測試3 種不同鐵粉含量的iso-MRE 和aniso-MRE 樣品的初始彈性模量和磁致彈性模量，各樣磁流變效應性能見圖3。

圖3 不同鐵含量NR-MRE 的磁流變效應Fig.3 The MR effect curves of NR-MRE with different iron contents

表4 不同鐵含量NR-MRE 的磁流變性能參數Table 4 The magnetorheological parameters of NR-MRE with different iron contents

由表4 可知，鐵粉含量的增加，提升了初始彈性模量，而磁流變效應與外加磁場強度、磁性粒子的含量成正比。各向異性的試樣磁流變效應較各向同性的高，這是因為磁性粒子形成了鏈狀結構，雖然提升了初始彈性模量，但在磁場作用下，其磁耦合作用更大，磁流變效應也更強［10-11］，磁流變效應最大的為50%各向異性樣品(0.61 MPa，26.87%)。

2.6 耐油性能

重量變化率是減振器耐油膠料的耐油的關鍵指標，浸油后的重量變化率大小可以反映膠料的物理性能的變化［12］。進行耐油性能測試，將試樣裁剪成25 mm×50 mm ×2.0 mm 的薄片，使用市售0#柴油作為試驗液體，置于30 ℃恒溫箱中72 h。計算質量變化百分率(△m100)，結果見圖4。

式中 m0——浸泡前試樣在空氣中的質量，mg;

mi——浸泡后試樣在空氣中的質量，mg。

由圖4 可知，隨著天然橡膠中鐵粉含量的上升，耐油性能也得到改善。主要因為羰基鐵粉的加入，在一定程度上提高了NR 基體的極性，降低了其在非極性油溶劑中的溶脹速率。鐵粉含量到達50%的MRE 較未加入鐵粉的橡膠耐油性能提升了40.3%。

圖4 不同鐵含量NR-MRE 質量變化百分率Fig.4 The mass changes of NR-MRE with different iron contents

3 結論

以天然橡膠和羰基鐵粉為原料，研制了鐵含量30%，40%，50%的各向同性及各向異性NR-MRE樣品，考察了樣品的磁流變性能、硫化性能、力學性能、熱穩定性和耐油性能，結果表明:

(1)磁流變效應與磁性粒子的含量和排布密切相關，鐵粉含量的增加、外加磁場的結構化，提高了NR-MRE 的磁流變性能。50%NR-MRE 磁流變性能最好，相對磁流變效應為26.87%，絕對磁流變效應為0.61 MPa。

(2)各向異性NR-MRE 的磁流變性能比各向同性更高，這是由于硫化中施加磁場形成鏈狀結構，磁耦合作用增強。通過SEM 表征，發現磁性粒子含量增多阻礙了鐵粉的移動，30%、40%的樣品鏈狀結構更明顯。

(3)羰基鐵粉的加入，提高了MRE 的交聯密度、熱穩定性和耐油性能，但是物理機械性能有所下降。50%NR-MRE 樣品交聯密度提升了56.4%，熱穩定性能最好(T5=355 ℃，Tmax=391.2 ℃)，耐油性能上升了40.3%。

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