Водонабухающая эластомерная композиция
WATER-SWELLABLE ELASTOMERIC COMPOSITION

Изобретение относится к водо- и нефтенабухающим эластомерным материалам и может быть использовано при изготовлении резиновых набухающих уплотнительных элементов пакерного оборудования для высокотемпературных скважин.
Известна применяемая при изготовлении пакеров водонабухающая эластомерная смесь на основе бутадиен-нитрильного каучука, содержащая 7,0 - 10,0 масс.ч. вулканизующей группы, 250,0 - 451,0 масс.ч. сополимера акриламида и акрилата натрия со степенью сшивки в пределах m=0,01-0,05%, 35,0 масс.ч. наполнителя, 15,0 - 36,0 масс.ч. минерального волокна и 15,0 масс.ч. пластификатора (Пат. RU №2580564, МПК E21B33/12, F16J15/02, опубл. 10.04.2016).
2
Недостатками данного изобретения является максимальное увеличение объема при набухании до 250 %, а также низкий уровень прочностных свойств эластомерного материала, который находится в пределах 15-35 кгс/см.
Известна водонефтенабухающая термопластичная эластомерная композиция (Пат. RU №2690929, МПК C08L23/06, C08L23/12, C08L31/04, C09K3/10, E21B33/12, опубл. 06.06.2019) на основе этиленпропиленового каучука, содержащая полиолефиновый термопластичный полимер, сополимер этилена с винилацетатом с содержанием звеньев винилацетата от 33 до 70% и вулканизующую систему - комбинацию органического пероксида с триалилизоциануратом.
Недостатком такой эластомерной композиции является невысокие значения степени набухания в дистиллированной воде – 78 % по истечении 200 ч. экспозиции (пример №10).
Известна водонефтенабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-α-метилстирольного каучука, содержащая вулканизующий агент серу, ускорители вулканизации меркаптанового ряда, оксид цинка, диспергирующие агенты стеарин и глицерин, наполнитель коллоидную кремнекислоту и водонабухающий реагент натрий-карбоксиметилцеллюлозу (Пат. RU № 2685350, МПК C08L1/00, C08L9/06, E21B33/12, C08К3/04, C08К3/06, C08К3/22, C08K5/09, опубл. 06.06.2019).
Недостатком эластомерной композиции является невысокая степень набухания эластомерного материала в пресной воде (не более 79 %).
Известен высокотемпературный водонабухающий эластомер на основе бутадиен-нитрильного каучука (Набухание резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков в водных растворах хлорида натрия при повышенной температуре / С.С. Лопатина, М.А. Ваниев, Н.В. Сычев, Я.Ю. Савченко, А.Д. Брук // Промышленное производство и использование эластомеров. – 2019, № 4. - С.20-24), включающий серу, 2-меркаптобензотиазол и дибензотиазолилдисульфид, оксид цинка, стеариновую кислоту, глицерин, наполнители белую сажу и технический углерод, модифицированный комбинацией натрий-карбоксиметилцеллюлозы и сополимера акриламида с акрилатом калия.
Согласно данному техническому решению такой эластомер при температуре 80 °С за 7 суток экспозиции в воде способен увеличиваться в объеме на 250 %, что для некоторых условий эксплуатации не является достаточным.
Наиболее близкой к предлагаемой композиции является резиновая смесь для водонефтенабухающих при 70 °С уплотнительных элементов (Пат. RU № 2700604, МПК C08L9/02, C08L31/04, E21B33/12, C09К3/10, C08К3/011, C08К3/013, C08K3/014, C08K3/22, C08K3/28, C08K5/09, C08K5/40, опубл. 18.09.2019), включающая каучук, вулканизующий агент - серу, диспергатор наполнителей - стеариновую кислоту, гидросорбционную добавку - полиакрилат натрия, наполнитель - технический углерод, активатор вулканизации оксид цинка, сополимер этилена с винилацетатом - сэвилен 11808-340, ускорители вулканизации - 2,2'- дибензтиазолдисульфид, гуанид Ф, противостаритель - ацетонанил Н, пластификатор - канифоль, наполнители - росил 175, тальк, тонкомолотый минеральный порошок из шунгита, гидросорбционные добавки - полиакриламид АК 639 и реагент «Комета-Р».
При температуре 70 °С за 10 суток данный эластомерный материал обладает повышенной способностью набухать в воде (до 330 об.%, пример 3), но его недостатком является невысокая исходная твердость резины, что затрудняет токарную обработку собранного пакера на заключительной стадии его изготовления с целью придания необходимого диаметра.
Задачей заявляемого изобретения является создание эластомерного материала с высокой способностью набухать в воде при повышенной температуре.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение степени набухания эластомерного материала в воде при повышенной температуре, а также увеличение его исходной твердости для улучшения способности к точению собранного и свулканизованного пакера.
Технический результат достигается за счет того, что водонабухающая эластомерная композиция, включающая этилен-пропиленовый каучук, оксид цинка, стеариновую кислоту, наполнитель технический углерод, водонабухающие добавки и вулканизующий агент, при этом в качестве наполнителя дополнительно содержит коллоидную кремнекислоту, в качестве диспергирующего агента дополнительно содержит глицерин, в качестве водонабухающего полимера композиция содержит натрий-карбоксиметилцеллюлозу и сополимер акриламида с акрилатом калия, а в качестве вулканизующего агента –ди-(трет-бутилпероксиизопропил)бензол с содержанием на носителе 40 масс. %, при следующем соотношении компонентов, масс. ч.: этилен-пропиленовый каучук СКЭПТ-50– 100,0; коллоидная кремнекислота БС-120 – 10,0; технический углерод П-234 – 30,0; оксид цинка – 5,0; стеарин – 1,0; глицерин – 2,0; ди-(трет-бутилпероксиизопропил)бензол с содержанием на носителе 40 масс. % – 7,0; натрий-карбоксиметилцеллюлоза –100,0; сополимер акриламида с акрилатом калия –100,0.
Согласно заявляемому изобретению в основе водонабухающей эластомерной композиции используют этилен-пропиленовый каучук, например, СКЭПТ-50 (ТУ 38.103252-92), полученный сополимеризацией этилена, пропилена и дициклопентадиена.
В качестве вулканизующего агента используют органический пероксид, например, пероксимон F-40 или его аналоги, содержащие 40 масс. % основного вещества ди-(трет-бутилпероксиизопропил)бензола на носителе, которым, как правило, выступает карбонат кальция в количестве 60 масс. %. В качестве диспергирующего агента используют стеариновую кислоту (ГОСТ 6484-96) и глицерин (ГОСТ 6259-75).
Роль усиливающего наполнителя в рецептуре выполняет коллоидная кремнекислота марки БС-120 (ГОСТ 18307-78) и технический углерод ТУ П234 (ГОСТ 7885-86).
В качестве водонабухающих реагентов используют натрий-карбоксиметилцеллюлозу (ТУ 2231-001-53535770-01) и сополимер акриламида с акрилатом калия (кажущаяся плотность 85-90 %; рН 8,1; емкость катионного обмена 4.6 мэкв/г; максимум абсорбции в деионизированной воде 400 г/г; влагоудерживание при рF1 980 мл/л), например, торговой марки AQUASORB 3005.
Образцы вулканизованного эластомерного материала подвергают экспозиции в воде при температуре 70 °С. Степень объемного набухания определяют в соответствии с ГОСТ 9.030-74.
Сущность изобретения заключается в совершенствовании рецептуры композиции на основе неполярного этилен-пропиленового каучука полярными гидрофильными реагентами, каковыми являются натрий-карбоксиметилцеллюлоза и сополимер акриламида с акрилатом калия. Заявляемые количественно-качественные соотношения ингредиентов обеспечивают повышенную твердость исходной резины и возможность получения эластомерного материала, обладающего повышенной способностью к набуханию в воде до 70 °С.
Рецептура композиции по заявляемому изобретению приведена в таблице 1.
Таблица 1
Ингредиенты композиций
Содержание ингредиентов, масс.ч.
заявляемая композиция
композиция по прототипу
Этилен-пропиленовый каучукСКЭПТ-50
100,0
-
Этилен-пропиленовый каучукСКЭПТ-40
-
40,0
Бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-20%
-
10,0
Бутадиен-метилстирольный каучук СКМС-30АРК
-
50,0
БС-120
10,0
-
ТУ П 234
30,0
-
ТУ П 514
-
10,0
Сэвилен 11808-340
-
25,0
Оксид цинка (цинковые белила)
5,0
3,0
Стеариновая кислота (стеарин)
1,0
1,0
Глицерин
2
-
Ди-(трет-бутилпероксиизопропил)бензол с содержанием на носителе 40 масс.%
7
-
Сера
-
2,5
2,2´-дибензтиазолдисульфид
-
2,0
Гуанид Ф
-
1,0
Натрий-карбоксиметилцеллюлоза
100
-
Сополимер акриламида с акрилатом калия
100
-
Ацетонанил Н
-
1,0
Росил 175
-
10,0
Тальк
-
10,0
Тонкомолотый минеральный порошок из шунгита
-
10,0
Канифоль
-
5,0
Полиакриламид АК 639
-
50,0
Полиакрилат натрия
-
65,0
Реагент «Комета-Р»
-
5,0
Изготовление водонабухающей эластомерной композиции осуществляют с использованием высокоскоростного смесителя типа «Брабендер» и лабораторных вальцев по общепринятой в резиновой промышленности технологии.
Водонабухающий эластомерный материал изготавливают вулканизацией полученной композиции в гидравлическом прессе по оптимальному температурно-временному режиму, предварительно выявленному с помощью реометра. Физико-механические свойства стандартных образцов определяют на разрывной машине в соответствии с ГОСТ 270-75. Измерение твердости проводят по ГОСТ 263-75. Определение степени объемного набухания эластомеров в воде при 70 °С осуществляют в соответствии с ГОСТ 9.030-74.
Полученные значения по изменению степени набухания эластомерной композиции за время экспозиции 10 суток, представлены в таблице 2.
Анализ численных значений таблицы 2 свидетельствует о том, что по сравнению с прототипом полученный из заявленной водонабухающей композиции эластомерный материал характеризуется более высоким показателем исходной твердости, а также значениями степени набухания практически с самого начала экспозиции в воде. По истечении 10 суток степень объемного набухания указанного материала практически в 2 раза выше степени набухания резины по прототипу.
Таблица 2
Шифр образцаПоказатель
Заявляемая композиция
Композиция по прототипу (пример 3)
Свойства вулканизатов
Условная прочность при растяжении, МПа
5,7
6,9
Относительное удлинение при разрыве, %
266
580
Твердость, усл. ед. Шор А
87
64
Степень объемного набухания в воде при 70 °С, %
в течение 1 суток
223,0
100,6
в течение 3 суток
386,0
172,1
в течение 7 суток
492,2
268,5
в течение 10 суток
502,0
329,8
Таким образом, эластомерный материал, полученный из водонабухающей эластомерной композиции, включающей этилен-пропиленовый каучук, оксид цинка, стеариновую кислоту, наполнители технический углерод и коллоидную кремнекислоту, водонабухающий полимер – комбинацию натрий-карбоксиметилцеллюлозы и сополимера акриламида с акрилатом калия, диспергирующий агент глицерин, вулканизующий агент ди-(трет-бутилпероксиизопропил)бензол с содержанием на носителе 40 масс. %, при заявленных соотношениях, обладает твердостью 87 усл.ед. Шор А и способностью набухать в воде при 70 °С более чем на 500 %. Это предопределяет практические преимущества материала из заявляемой композиции на заключительной стадии изготовления пакера, а также при эксплуатации в условиях высокотемпературных скважин.