ЭЛАСТОМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
ELASTOMERIC COMPOSITION

Изобретение относится к области промышленного производства резин и резиноподобных материалов, а именно к производству эластомерных материалов, используемых в нефтегазовой отрасли для изготовления различных резинотехнических деталей (РТД), подвергающихся воздействию высоких температур, агрессивных сред, многократным деформациям растяжения, абразивному износу. Изобретение также может быть использовано в машиностроении, строительстве и других отраслях.
Конструкционным материалом для ряда изделий являются резины, основное преимущество которых по сравнению с другими материалами -высокая эластичность. При этом резины обладают высокой прочностью, водо-, нефте- и маслостойкостью, что позволяет применять их в качестве РТД различного типа, в частности, для нефтяной и газовой промышленности. Такие РТД как подшипники, центраторы и пульсаторы (сильфоны) помимо термостойкости и стойкости к агрессивным средам, должны обладать повышенной устойчивостью к истиранию, что в серийно-выпускаемых резинах не всегда достижимо. При износе РТД требуется проведение дорогостоящих и трудоемких мероприятий, таких как разборка колонн труб в скважине и замена вышедших из строя уплотнительных деталей.
Существующие серийные резины, разработанные в XX веке, такие как, например, ИРП-3012, ИРП-1175 и 51-2090 по ТУ 38 005924-2002, 51-2130 по ТУ 381051280-2013 хорошо зарекомендовали себя в процессе изготовления и эксплуатации РТД в различных областях техники. Однако, в связи с изменением в последнее время качества компонентов, входящих в рецептуру этих резин, участились случаи ухудшения реологических и технологических свойств резин, появляются включения и микротрещины в РТД, снижается устойчивость к воздействию многократных деформаций растяжения-сжатия.
Это связано с концентрацией напряжения в процессе изготовления резиновых смесей вследствие:
- нестабильности характеристик, ухудшения качества бутадиен-нитрильных каучуков, в частности, СКН-18, СКН-26 и СКН-40, а также отсутствия их равноценных аналогов;
- использования импортного низкокачественного технического углерода, в частности, марки К-354, а также прекращения выпуска российскими заводами К-354.
Одновременно наблюдается снижение теплостойкости и стойкости к истиранию, что делает невозможным применение таких резин для вновь разрабатываемого оборудования, в том числе в нефтегазовой сфере.
Известна резиновая смесь на основе бутадиен-нитрильных каучуков по патенту РФ №2499806 с повышенной атмосферо- и маслобензостойкостью при повышенных температурах, содержащая бутадиен-нитрильный каучук, перекисную вулканизующую систему, технический углерод, антиоксидант, карбоксилированный бутадиен-нитрильный каучук и пластификатор. Однако эта резиновая смесь не предназначена для изготовления деталей, работающих под воздействием агрессивных сред, высоких температур и многократных циклических деформаций растяжения.
В качестве прототипа выбрана резиновая смесь по патенту РФ №2380386, содержащая гидрированный бутадиен-нитрильный каучук, вулканизующий агент, наполнитель - технический углерод, пластификатор, стеариновую кислоту, антиоксидант, причем в качестве вулканизующего агента она содержит хиноловый эфир ЭХ-1 при следующих соотношениях компонентов, мас. ч.:
гидрированный бутадиен-нитрильный каучук - 100;
хиноловый эфир ЭХ-1 - 3÷7;
наполнитель - технический углерод - 40÷50;
пластификатор - 6÷10;
стеариновая кислота - 1÷2;
антиоксидант - 1÷3.
Однако при эксплуатации этой резиновой смеси отмечены некоторые недостатки, а именно: она плохо работает в условиях высоких температур и имеет низкое сопротивление истиранию.
Задачей заявленного изобретения является разработка износостойких эластомерных композиций с различным диапазоном твердости для РТД, используемых в нефтегазовой отрасли.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании РТД из заявляемой композиции, является улучшение их эксплуатационных характеристик при работе в условиях одновременного воздействия высоких температур, агрессивных сред, давлений и абразивного износа.
Таким образом, заявленная эластомерная композиция позволит изготовлять РТД, работоспособные в интервале температур от минус 20°C до плюс 160°C при воздействии нефти, масел, воды и газа, в том числе сероводорода.
Указанный результат достигается за счет рецептурного состава заявленной эластомерной композиции, содержащей в качестве полимерной основы синтетический гидрированный бутадиен-нитрильный каучук, в качестве наполнителя - технический углерод, а также вулканизующую систему, антиоксидант. Кроме того, она содержит модифицирующую добавку в виде оксида алюминия сферической формы с размером частиц от 50,0 до 150,0 мкм и технологическую добавку в виде смеси жирных кислот, причем в качестве вулканизующей системы используют ди(трет-бутилперокси-изопропил)бензол и оксид цинка; в качестве антиоксиданта - 4-(1-метил-1-фенилэтил)-N-[4-(1-метил-1-фенилэтил)фенил]анилин; в следующих соотношениях компонентов, мас. ч:
синтетический гидрированный бутадиен-нитрильный каучук
100,0
вулканизующая система
13,0÷13,6
антиоксидант
1,0÷2,0
модифицирующая добавка
1,0÷10,0
наполнитель (технический углерод)
60,0÷70,0
смесь жирных кислот
0,5÷3,0.
Основную массу заявленной композиции составляют синтетический гидрированный бутадиен-нитрильный каучук и наполнители, которые в основном определяют технологические и эксплуатационные свойства эластомерных композиций. Вся совокупность компонентов и соотношение их массовых частей, установленное в основном экспериментальным путем, позволяет получить не только повышенные физико-химические и трибологические характеристики эластомерной композиции, но и обеспечить качество изготовляемых из них РТД.
Эксперименты проводились с учетом того, что большинство компонентов заявленной эластомерной композиции многофункциональны. Поэтому для гидрированного бутадиен-нитрильного каучука для получения вулканизатов с малыми остаточными деформациями сжатия и для сохранения механических и свойств при высоких температурах в качестве вулканизующей системы была выбрана перекисная система на основе ди(трет-бутилпероксиизопропил)бензол и оксид цинка.
4-(1-метил-1-фенилэтил)-N-[4-(1-метил-1-фенилэтил)фенил]анилин, применяемый в эластомерной композиции в качестве антиоксиданта, эффективно защищает от теплового старения и повышает сопротивление эластомерных композиций разрушению при многократных деформациях.
В качестве наполнителя в эластомерных композициях применяется сочетание технических углеродов Т900, П324, N326 и П514, обладающих различной структурой, дисперсностью, усиливающей способностью и способностью проникать в микроструктуру полимера, что позволяет достигнуть оптимального уровня физико-механических характеристик эластомерной композиции.
Модифицирующая добавка (сферический оксид алюминия) применяется для значительного повышения сопротивления истиранию резины. При этом, сопротивление истиранию увеличивается в 6-9 раз по сравнению с эластомерными композициями без модифицирующих добавок.
Характеристики заявленной эластомерной композиции приведены в таблицах 1 и 2.
В процессе изготовления эластомерной композиции все указанные компоненты смешивались на вальцах Пд 630 315/315.