КОМПОЗИЦИОННЫЙ НЕФТЕНАБУХАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE OIL-SWELLABLE MATERIAL

Изобретение относится к полимерному материаловедению, в частности к производству материалов, используемых для изготовления изделий различного функционального назначения, в том числе нефтенабухающих уплотнительных элементов, применяемых в нефтегазодобывающей промышленности.
Известен композиционный материал на основе бутадиен-нитрильного каучука марки БНКС-18АН, включающий, масс. %: бутадиен-нитрильный каучук марки БНКС-18АН - 34,51-38,48, серу - 09,-1,0, сульфенамид Ц - 1,04-1,15, N,N'-дифенилгуанидин - 0,07-0,12, белила цинковые - 1,04-1,15, диафен ФП - 0,35-0,36, ацетонанил Н - 0,69-0,77, канифоль - 0,69-0,77, стеарин - 0,35-0,38, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас. % природный углеродсодержащий материал - карбосил - 5,76-15,50, технический углерод П 803 - 27,61-30,79, технический углерод П 324 - 6,90-7,76, диоктилсебацинат - 10,35-11,54 (Патент RU 2437903, опубл. 27.12.2011).
Недостатком композиционного материала являются недостаточно высокие показатели условной прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве.
Наиболее близкой по технической сущности является резиновая смесь на основе комбинации бутадиен-нитрильных каучуков марок БНКС-18 АМН (с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-20%) и СКН-18 ПВХ30, включающая, масс. %: бутадиен-нитрильный каучук марки БНКС-18 АМН - 75,0, бутадиен-нитрильный каучук марки СКН-18 ПВХ 30-25,0, тиурам Д - 3,0-4,0, нафтам-2 - 2,0-3,0, фактис - 4,0-5,0, оксанол ЦС-100 - 4,0-5,0, технический углерод П 803 - 70,0-80,0, технический углерод Т 900 - 30,0-40,0, технический углерод П 324 - 10,0-20,0, оксид цинка - 3,0-4,0, серу - 0,3-0,5, воск ЗВП - 3,0-4,0, карбосил - 50,0-60,0, цинколет ВВ 222 - 1,5-2,5, трихлорэтилфосфат - 4-,0-50,0 (Патент RU 2485147, опубл. 20.06.2013).
Недостатком указанной резиновой смеси являются недостаточно высокие значения условной прочности при растяжении и практическое отсутствие показателя объемного набухания в среде нефти и продуктов нефтепереработки.
Задачей изобретения является создание композиционного материала с повышенными значениями условной прочности при растяжении и высокой степенью его объемного набухания в среде нефти, масла и топлива.
Технический результат - улучшение показателей условной прочности при растяжении композиционного материала на основе комбинации бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-20% и изопренового каучука, а также достижение степени его объемного набухания в среде нефти, масла и топлива.
Технический результат достигается путем подбора определенных каучуков и специальных ингредиентов в оптимальном соотношении компонентов, мас. ч.:
Бутадиен-нитрильный каучук с содержанием
нитрила акриловой кислоты 17-20%
40,0-50,0
Изопреновый каучук СКИ-3
50,0-60,0
Сера
0,5-0,9
Сульфенамид Ц
1,5-2,5
N,N'-Дитиодиморфолин
1,5-2,5
Тиурам Д
1,5-2,5
Антискорчинг «ЗПР»
0,3-0,5
Оксид цинка
2,5-3,5
Стеарат цинка
4,0-5,0
Стеариновая кислота
1,0-2,0
Нафтам-2
1,5-2,0
Технический углерод Н 220
25,0-30,0
Таурит ТС-Д
14,0-16,0
Смола «Шинпласт»
4,0-5,5
Оксанол ЦС-100
2,0-3,0
Дибутилфталат
3,0-4,0
Масло индустриальное И-12А
24,0-32,0
транс-Полинорборнен
6,0-8,0
Ведение ингредиентов выше или ниже предельных значений приводит к ухудшению выходных характеристик.
Новым в изобретении является не выявленное ранее сочетание известных ингредиентов, применяемых в аналогичном количественном соотношении и не используемого в рецептуре композиционного материала полимерного наполнителя - транс-полинорборнена. Это позволяет получить необходимый технический результат: повысить условную прочность при растяжении материала и объемное набухание в среде нефти, масла и топлива.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются дополнительные ингредиенты композиционного материала с применением полимерного наполнителя - транс-полинорборнена.
Заявляемый композиционный материал изготавливается из следующих компонентов:
Бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-20% (ТУ 38.30313-2006); изопреновый каучук СКИ-3 (ГОСТ 14925-79); сера (ГОСТ 127.2-93); сульфенамид Ц (ТУ 2491-055-05761637-2005); N,N'-дитиодиморфолин (ТУ 2478033-05807983-2002); тиурам Д (ГОСТ 740-76); антискорчинг «ЗПР» (ТУ 2494-001-98343855-2007); оксид цинка (ГОСТ 202-84); стеарат цинка (ТУ 2432-062-56856807-06); стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96); нафтам-2 (ГОСТ 39-79); технический углерод Н 220 (ТУ 2166-001-00149676-01); таурит ТС-Д (ТУ 2169-032-5481661-2006); смола «Шинпласт» (ТУ 2451-005-60928760-09); оксанол ЦС-100 (ТУ 6-36-1029-90); дибутилфталат (ГОСТ 8728-98); масло индустриальное И-12А (ГОСТ 20799-88); транс-полинорборнен (производство компании «Astron Industriebeteiligungs GmbH», Австрия). В предлагаемом композиционном материале могут использоваться аналоги каучуков и ингредиентов, выпускаемые различными фирмами.
Антискорчинг «ЗПР» повышает технологические свойства материала, используется в качестве замедлителя преждевременной вулканизации. Представляет собой кубовый продукт дистилляции фталевого ангидрида. Внешний вид - непылящий порошок от светло-серого до темно-серого цвета.
Таурит ТС-Д повышает упругопрочностные свойства композиционного материала, снижает «шубление» на вальцах в процессе производства, улучшает каландрируемость материала. Является сланцевым тонкодисперсным компонентом, выступает в роли активного наполнителя. Содержит в своем составе, масс. %: диоксид кремния - 49-64, мусковит - 13-26, доломит - 3-6, углеродистое вещество - 3-7, хлорит - <1, апатит - <1, гидроокислы сланца - 0,1, гидроокислы железа - 3-8,2, лейкоксен - 0,8.
Нефтеполимерная смола «Шинпласт» - пластификатор. Является эффективным смягчителем резиновых смесей. При этом увеличивается прочность резиновой смеси при нормальных условиях и после теплового старения, а также динамическая выносливость. Продукт термополимеризации углеводородного сырья, содержащего араматические углеводороды С8 и выше. Внешний вид: твердое вещество от темно-коричневого до черного цвета.
n
2n+1
2
2
m
Оксанол ЦС-100 используется в качестве технологической добавки для улучшения технологических свойств композиционного материала. Поверхностно-активное вещество, полученное оксиэтилированием первичных спиртов фракции С16-С20, эмпирическая формула CHO(CHCHO)H, где n=19-20, m=100. Внешний вид: твердые белые чешуйки. Водный раствор с массовой долей препарата 10% - прозрачная, почти бесцветная жидкость.
Транс-полинорборнен - аморфный гранулированный белый порошок, хорошо совмещается и совулканизуется с бутадиен-нитрильными и изопреновыми каучуками, придает вулканизатам повышенную эластичность, стойкость к истиранию, раздиру и термическому старению. Благодаря способности к ориентационной кристаллизации повышение степени наполнения техническим углеродом и пластификаторами мало влияет на основные упругопрочностные характеристики.
Непосредственное введение порошкообразного транс-полинорборнена в резиновую смесь, без предварительной технологической доработки, не создает необходимые условия для достижения технического результата по причине отсутствия совмещения его с матрицей каучука. Для устранения этого недостатка производится набухание порошкообразного транс-полинорборнена в комбинации пластификаторов (масло индустриальное марки И-12А и дибутилфталат) при массовом соотношении: транс-полинорборнен: масло индустриальное марки И-12А : дибутилфталат = 1:4:0,5 путем выдержки в течение 24 часов при комнатной температуре в специальной емкости с перемешивающим устройством. Полученный в результате набухания в пластификаторах каучукоподобный (набухший) транс-полинорборнен используется для изготовления маточной резиновой смеси. Полученный в результате перемешивания продукт используется для приготовления необходимого материала.
Композиционный материал готовится смешением каучуков с ингредиентами на вальцах ЛБ 320 150/150. Составы материала приведены в табл. 1. Физико-механические показатели вулканизатов приведены в табл. 2.
Из таблицы 2 следует, что варианты композиционного материала обладают высокими значениями условной прочности при растяжении по сравнению с прототипом, характеризуются высокой степенью объемного набухания в нефти, масла и топлива, что позволяет рекомендовать их для создания нефтенабухающих уплотнительных элементов, используемых в нефтегазодобывающей промышленности.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности серийного производства композиционного материала для нефтегазодобывающей промышленности можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.