針對螺桿泵定子丁晴橡膠的PVC改性對其力學性能及耐介質性能的影響

黨 磊，吳 偉，任 偉

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

針對螺桿泵定子丁晴橡膠的PVC改性對其力學性能及耐介質性能的影響

黨 磊，吳 偉，任 偉

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

橡塑共混改性是提高橡膠性能的重要方式。本文針對螺桿泵定子丁晴橡膠使用聚氯乙烯對其進行改性，研究了聚氯乙烯的加入量對丁腈橡膠力學性能的影響，確定了聚氯乙烯的最佳添加量。并通過對共混體系的耐水、耐油、耐酸、耐堿性能進行測試，為共混體系的實際應用提供了重要的數據基礎。

螺桿泵；丁腈橡膠；聚氯乙烯；力學性能；耐介質性能

螺桿泵是一種容積式轉子泵,它是依靠由螺桿(轉子)和襯套(定子)形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體的。通過閱讀文獻與調研發現，螺桿泵失效主要表現為定子失效，而定子內表面的疲勞失效占有相當比例，主要表現為螺桿泵的漏失。同時由于井下工況普遍較復雜，通常伴隨高溫、高壓、高含砂量、高油氣比、強腐蝕性介質等，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，常常用于石油工業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，丁腈橡膠還具有優良的耐水性、氣密性及粘結性能[3-4]。因此，丁腈橡膠至今仍是石油工業用橡膠的主要材料，其在石油工業中的應用涉及了勘探、開發、儲運、煉制等石油行業的方方面面[5-7]。為滿足不同環境的使用要求，需要開發性能各異的丁腈橡膠配方。在配方開發中，橡塑共混是對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]對其進行改性，研究了PVC用量對丁腈橡膠力學性能的影響，并探索了PVC的加入對丁腈橡膠耐油、耐酸、耐堿性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原材料

基礎配方(質量份)：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

將生膠投入開煉機中，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小輥距薄通，打三角包5～6次、下片，制成混煉膠。采用無轉子硫化儀測定正硫化時間，混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為150 ℃×Tc90，樣品厚度約為2mm。硫化完成后，使用國標2型裁刀在沖片機上將膠片裁為標準啞鈴試樣。

1.3 性能測試

使用電子拉伸試驗機按GB/T528-2009測試拉伸性能，拉伸速度為500 mm/min。硬度使用LX-A型橡膠硬度計，參照GB/T531-1999標準進行測量。樣品的耐介質實驗參照GB/T1690-2010標準進行，其中，樣品質量與體積使用MP3002電子天平進行測量。采用電子掃描顯微鏡觀察不同樣品斷裂后的表面形貌，并測量樣品內部PVC分散相的尺寸，樣品觀察前需進行噴金處理。

2 結果與討論

2.1 PVC添加量對NBR力學性能的影響

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橡膠基體起到非常好的補強作用。在本文中，我們依次增大PVC的添加量，研究PVC添加量對共混體系力學性能的影響，結果如圖1所示。本實驗中，為避免填料與助劑對實驗結果的影響，配方中只保留了生膠、PVC與硫化體系。

圖1 PVC含量對NBR強度的影響

由圖1可以看出，PVC添加量小于30份時，隨PVC加入量的增大，共混體系的拉伸強度一直增大，在30份時達到最高值19.5MPa。這說明，PVC的加入可以對NBR基體起到較好的補強效果，且PVC的添加量以30份為佳，此時PVC在基體中起到補強粒子的作用。其后，隨PVC添加量增大，體系強度一直減小，尤其是當添加量超過35份時，體系強度下降非常明顯。這可能是因為當PVC添加量超過35份時，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NBR橡膠的掃描電鏡照片。可以看出，當添加量為40份時，PVC分散相的尺寸變大，且PVC在基體中產生了明顯的團聚。仔細觀察添加量為40份時的電鏡照片，可以看出NBR的斷面上出現了許多細小的空穴(圖中圓圈處)，這說明PVC的團聚導致與基體結合部位出現缺陷，這必然會引起基體強度下降。

圖2 PVC添加量為10份和40份時NBR的掃描電鏡照片

此外，當PVC添加量40份時，可明顯觀察到塑料韌性斷裂(圖中橢圓圈處)的現象，這說明PVC逐漸形成少量的連續相。當硫化膠被拉伸時，少量的PVC連續相由于具有更高的彈性模量，會成為其周圍傳遞載荷的主要部分，這也會在基體中形成導致應力集中區域。拉伸發展到一定階段，這種應力集中區域就會先一步斷裂，形成裂紋，導致橡膠基體提前斷裂。所以，當PVC添加量超過40份時，硫化膠的強度下降，而斷裂伸長率(圖3)也下降。

圖3 PVC含量對NBR斷裂伸長率和硬度的影響

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

由季札的評論我們可知《唐風》的特點：一是思深； 二是憂遠； 三是有傳統，有歷史感。 思深和憂遠意思相近，故杜預概括為憂深思遠，而有傳統、有歷史感又是和憂深思遠相聯系著的。 因此，若從風格上講，可以說是厚重感。 若從思想上來講，可以說是計長遠。 對于《唐風》，可以如此把握之。

2.2 PVC對NBR耐介質性能的影響

前兩章的實驗中我們探索了PVC添加量對NBR力學性能的影響，確定PVC添加量為30份對NBR基體補強效果最好。在實際使用中，丁腈橡膠不可避免地經常接觸水、油、酸、堿等環境。因此，研究NBR/PVC體系的耐水、耐油、耐酸和耐堿性能，對于探索共混體系的實際應用具有重要意義。選取性能最優異的共混體系即PVC添加量為30份的體系為代表，與純NBR3350體系做對比，測試共混體系在幾種老化介質中的腐蝕情況。

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℃，老化時間為48h。計算腐蝕后樣品質量變化率和體積變化率，對腐蝕后樣品做力學性能測試，與腐蝕前相比較，評價其耐介質老化性。

2.2.1 PVC對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重，兩者的質量變化和體積變化都不是很大，NBR/PVC體系略低。NBR/PVC腐蝕后有較高的強度保持率，硬度下降也較小。說明，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NBR橡膠的腐蝕性比水、92#汽油嚴重的多，在經過120℃×48h后，NBR橡膠的強度下降較多，強度保持率只有33%左右。有意思的是，加入PVC后體系的耐酸性并沒有提高，反而下降了。加入30份PVC后體系的質量變化和體積變化變大了2倍多，且強度保持率也下降較多。對比表1中NBR在純水中的變化，說明鹽酸加入后增大了水在NBR橡膠基體中的擴散(質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，這可能是體系強度下降的原因。

2.3 PVC對NBR耐堿性的影響

丁腈橡膠在10%的氫氧化鈉溶液中經過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

對比鹽酸對NBR的腐蝕結果，可以發現氫氧化鈉溶液腐蝕后的NBR橡膠質量變化和體積變化都很小，只有1%左右。對比表1，發現這比NBR在水中的質量變化和體積變化都小，說明氫氧化鈉的存在可以阻止水對NBR基體的擴散。然而，體系的強度卻下降較大，兩種體系的強度保持率都只有20%左右，NBR/PVC體系的強度保持率略高。由此猜測，氫氧化鈉的存在破壞了NBR分子鏈結構，從而使得體系強度降低。

3 小結

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

(1)當PVC的添加量少于30份時，PVC的加入有助于提高NBR的力學性能；當添加量超過35份時，NBR的強度和斷裂伸長率明顯下降。電鏡照片顯示，當添加量超過35份時，PVC在NBR中團聚所引起的缺陷是導致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，在酸中橡膠質量變化較大即水對其擴散性較大；而在堿中NBR質量和體積基本不變，但強度下降。

[1] 廖俊杰, 陳福林, 岑 蘭,等. 丁腈橡膠的應用研究進展[J].特種橡膠制品, 2007, 28(5):41-46.

[2] Wang C, Huang Y D, Wang B. Study on heat-resistant property of adhesive/carbon-carbon composites joints[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2006, 26(4):206-211.

[3] 楊清芝.現代橡膠工藝學[M]. 中國石化出版社, 1997:538-539.

[4] 汪多仁.丁腈橡膠的合成與應用[J].世界橡膠工業, 2000 (1):42-43.

[5] 楊光海. 我國石油開采業可持續發展戰略研究[D].中國地質大學(北京), 2007.

[6] 李玉芳, 伍小明. 國內外丁腈橡膠的生產現狀和市場前景[J].橡膠科技, 2011, 9(2):7-12.

[7] 王立彥. 丁腈橡膠的應用[J]. 彈性體, 2000, 10(3):41-44.

[8] 趙光賢. 橡膠共混和橡塑共混[J]. 世界橡膠工業, 2007 (4):17-21.

[9] Sotiropoulou D D, Avramidou O E, Kalfoglou N K. Property-composition dependence of hydrogenated poly(butadiene-co-acrylonitrile)/poly(vinyl chloride) blends[J].Polymer, 1993, 34(11):2297-2301.

(本文文獻格式：黨 磊，吳 偉，任 偉，等.針對螺桿泵定子丁晴橡膠的PVC改性對其力學性能及耐介質性能的影響[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。

TQ333.7

A

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