Композиция на основе поливинилиденфторида

Изобретение относится к композициям высокомолекулярных соединений, в частности к композициям гомополимеров винилиденфторида. Описана композиция на основе поливинилиденфторида, содержащая поливинилиденфторид, а также эластомер, представляющий собой бутадиен-стирольный термоэластопласт, в количестве 15-30 мас.% и дополнительно дисперсный полиэтилен высокого давления, облученный в кислородсодержащей среде до поглощенной дозы 100-400 кГр, в количестве 3-8 мас.%. Техническим результатом изобретения является повышение триботехнических характеристик, прежде всего снижение коэффициента трения и повышение износостойкости композиции на основе поливинилиденфторида. 2 табл.

 

Изобретение относится к композициям высокомолекулярных соединений, в частности к композициям гомополимеров или сополимеров винилиденфторида.

Среди свойств фторсодержащих гомополимеров и сополимеров хорошо известны такие их особенности, как хорошая термическая устойчивость, высокая химическая стойкость, в частности, по отношению к растворителям, устойчивость по отношению к разнообразным атмосферным воздействиям и воздействиям различных излучений, в частности устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения, непроницаемость этих полимеров для газов и жидкостей, а также хорошие электроизоляционные свойства. Такие полимеры используются, в частности, для изготовления труб, предназначенных для транспортировки углеводородов, извлекаемых из нефтяных месторождений, и уплотнений различных узлов нефтегазопромыслового оборудования. Добываемые из этих месторождений углеводороды в ряде случаев приходится транспортировать при достаточно высоких температурах (порядка 135°С) и под высоким давлением (которое может достигать 70 МПа). Функционирование нефтедобывающих или газодобывающих установок в таких условиях остро ставит проблемы термической и химической стойкости используемых в технологическом процессе материалов, а также их достаточной механической прочности. К этим упомянутым выше требованиям могут быть добавлены и другие требования, в частности материалы могут подвергаться воздействию ударов и усилий изгиба, которым они также должны успешно противостоять, причем зачастую при весьма низких температурах (например, при температурах порядка минус 35°С).

Для того чтобы выполнить эти требования, были предложены различные типы материалов на основе фторсодержащих полимеров, в частности на основе полукристаллического поливинилиденфторида (ПВДФ), пластифицированного для повышения гибкости и упругости. Известна композиция, содержащая полимер типа ПВДФ, частицы эластомера до 25% и пластификатор, составляющий по меньшей мере 10% от общего веса смеси /Патент FR №2592655, C08L 27/16, опубл. 1987/. Данная композиция обладает одновременно высокой гибкостью и устойчивостью к ударам. Однако при использовании композиции в качестве материала различных узлов нефтегазопромыслового оборудования происходит более или менее быстрое извлечение введенных в нее пластификаторов потоком углеводородов. Данное явление приводит к постепенной потере материалом свойств, которые были приданы ему пластификатором (гибкость, упругость и т.п.), и соответственно снижению продолжительности срока службы изготовленных на его основе деталей.

Наиболее близкой по составу и достигаемому положительному эффекту являются полимерные композиции /Патент EP №0714944 A1, C08L 27/16, опубл. 1996 - прототип/, содержащие матрицу из ПВДФ, в которой рассеяны мелкие включения вулканизированных эластомеров в количестве 26,6 или 50 вес.ч. на 100 вес.ч. ПВДФ. Эти композиции характеризуются очень высокими физико-механическими характеристиками, однако содержание эластомеров является столь значительным, что они утрачивают такое достоинство ПВДФ, как низкий коэффициент трения и связанная с ним высокая износостойкость. В то же время при использовании композиций в качестве материала уплотнительных элементов подвижных узлов нефтегазопромыслового оборудования, в частности плунжерных насосов, это крайне нежелательно.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение триботехнических характеристик и прежде всего снижение коэффициента трения и повышение износостойкости композиции на основе поливинилиденфторида с целью использования ее в качестве материала уплотнительных элементов подвижных узлов нефтегазопромыслового оборудования.

Задача решается за счет того, что композиция на основе поливинилиденфторида, содержащая поливинилиденфторид и эластомер, дополнительно содержит дисперсный полиэтилен высокого давления, облученный в кислородсодержащей среде до поглощенной дозы 100-400 кГр, а эластомер представляет собой бутадиен-стирольный термоэластопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

бутадиен-стирольный термоэластопласт	15-30
дисперсный полиэтилен высокого давления,
облученный в кислородсодержащей среде
до поглощенной дозы 100-400 кГр	3-8
поливинилиденфторид	остальное

Композиция может дополнительно содержать известные для поливинилиденфторида добавки различного назначения. Поливинилиденфторид может представлять собой как российский фторопласт-2М марок А, Ж, Л (ТУ 6-05-1781-84), так и его зарубежные аналоги фирм Elf Atofina (например, Kynar-5200) или Solvay (например, Solef-11010). Бутадиен-стирольный термоэластопласт может представлять собой как российский термоэластопласт марок ДСТ-30Р-01, ДСТ-30РМ, ДСТ-20Р-01 (ТУ 38.40327-98) или ДСТ-30-01 (ТУ 38.103267-99), так и его зарубежные аналоги, например бутадиен-стирольные каучуки фирмы Dynasol. Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) может представлять собой базовые марки, выпускаемые по ГОСТ 16337-77 или его зарубежные аналоги.

Изобретение основано на обнаружении того факта, что введение в композицию на основе поливинилиденфторида и бутадиен-стирольного термоэластопласта дисперсного полиэтилена высокого давления, облученного в кислородсодержащей среде до поглощенной дозы 100-400 кГр, в вышеуказанных количествах обеспечивает оптимальный уровень ее физико-механических и триботехнических характеристик для использования в качестве материала уплотнительных элементов подвижных узлов нефтегазопромыслового оборудования.

Композицию на основе поливинилиденфторида готовили путем смешения компонентов в смесителе тяжелого типа в расплаве поливинилиденфторида при 190±5°С в течение 3-5 минут с последующим экструдированием и гранулированием полученной композиции. Облучение дисперсного полиэтилена высокого давления (дисперсность до 100 мкм) осуществляли на воздухе и в среде кислорода излучением изотопа ⁶⁰Со на радиационно-химической установке РХМ-γ-20 (мощность поглощенной дозы около 1 Гр/с). Материал с целью обеспечения отвода генерируемого в нем в процессе облучения тепла размещали в виде слоев толщиной 3-4 мм.

Триботехнические характеристики ПВДФ определяли на специально разработанном стенде, предназначенном для испытания материалов в жидких средах. В рабочем узле стенда реализуется схема трения «палец - диск» с вращающимся диском. Испытуемые образцы - шесть расположенных по окружности цилиндров (диаметром 5 мм и высотой 10 мм). Контртело - металлический диск из нержавеющей стали 40Х13 (твердость - 52 HRC, шероховатость рабочей поверхности Ra=0,1-0,25). Обойма с образцами и контртело помещены в цилиндрический контейнер, содержащий жидкость. Нормальная нагрузка на образцы составляет 30,0 Н. Скорость скольжения - 0,5 м/с. В качестве испытательной среды использовали воду. Каждый комплект образцов перед началом испытаний предварительно прирабатывали в течение 3 часов. Путь трения для всех образцов - 100,0 км. После испытаний образцы промывали этиловым спиртом, высушивали до постоянной массы и взвешивали на аналитических весах ВЛР-200. По потере массы высчитывали убыль линейного размера образца. Среднюю величину износа определяли по результатам испытаний шести образцов, используя формулу

I_h=Δh/ΔL,

где I_h - линейный износ; Δh - убыль линейного размера образца, м; ΔL - путь трения, м.

Состав полимерных композиций и результаты испытания образцов, полученных из нее методом литья под давлением (режимы переработки: 210±10°С, 100-110 МПа), в сравнении с прототипом (примеры 1 и 2) представлены в таблицах 1 и 2.

Из таблиц следует, что введение в композицию на основе поливинилиденфторида и бутадиен-стирольного термоэластопласта дисперсного полиэтилена высокого давления, облученного в кислородсодержащей среде до поглощенной дозы 100-400 кГр, в вышеуказанных количествах обеспечивает значительное улучшение ее триботехнических характеристик (примеры 3 и 7 - контрольные). При этом физико-механические характеристики материала согласно проведенным испытаниям изменяются незначительно.

Таблица 1
Состав полимерных композиций
Наименование компонентов	Содержание компонентов, мас.%
1 прототип	2 прототип	3	4	5	6	7
Фторопласт-2М марки А ТУ 6-05-1781-84	75	67	78	77	70	67	65
Бутадиен-стирольный термоэластопласт ДСТ-З0Р-01 ТУ 38.40327-98	25	33	12	15	25	30	33
Полиэтилен высокого давления марки 10803-020 ГОСТ 16337-77, облученный указанной поглощенной дозой:			10	8	5	3	2
на воздухе						400 кГр	500 кГр
в кислороде			75 кГр	100 кГр	200 кГр
Таблица 2
Результаты испытаний полимерных композиций
Наименование показателей	Примеры
1 прототип	2 прототип	3	4	5	6	7
Линейный износ ×10-9	5	5	1	0,5	0,3	0,6	2
Коэффициент трения	0,1	0,3	0,1	0,05	0,04	0,05	0,1

Испытания полимерных композиций были осуществлены сотрудниками Института механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАН Беларуси.

Композиция на основе поливинилиденфторида, содержащая поливинилиденфторид и эластомер, отличающаяся тем, что дополнительно содержит дисперсный полиэтилен высокого давления, облученный в кислородсодержащей среде до поглощенной дозы 100-400 кГр, а эластомер представляет собой бутадиен-стирольный термоэластопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

бутадиен-стирольный термоэластопласт	15-30
дисперсный полиэтилен высокого давления,
облученный в кислородсодержащей среде
до поглощенной дозы 100-400 кГр	3-8
поливинилиденфторид	остальное