CN101481452A - 一种钻井用聚氨酯自封胶芯及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种钻井用聚氨酯自封胶芯及生产工艺，涉及一种钻井用聚氨酯自封胶芯的配方设计及其制作工艺。其特征在于包括甲组分和乙组分，甲组分与乙组分以质量比计：甲组分∶乙组分＝100∶6－100∶600；甲组分包括以质量百分比计占0－76.4％的A组分和23.6－100％的B组分，乙组分包括以质量百分比计占0－90％的A组分和10－100％的C组分；A组分包括多元醇，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，B组分采用多异氰酸酯，C组分包括三羟甲基丙烷，二醇或乙二醇，无机填料，能助剂，消泡剂，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，催化剂。本发明所述生产工艺降低了生产过程中的操作温度，减少了化工气体的散发，减少了电的使用，降低了操作人员的危害。

Description

一种钻井用聚氨酯自封胶芯及生产工艺

技术领域

本发明属于有机合成物领域，具体涉及一种钻井用聚氨酯自封胶芯的配方设计及其制作工艺。

背景技术

国内现有的钻井用自封胶芯材料以橡胶为主，近几年也不断有聚氨酯材料出现。二者的制作过程都是高温高压成型，期间容易发生人员被烫伤及模具被压坏等现象。其中传统的橡胶自封胶芯，由于橡胶本身物理机械性能较差，耐磨性能不佳等，导致自封胶芯使用寿命都不长。而普通的聚氨酯自封胶芯耐磨性能虽然得到了改善，但是在特殊环境下，尤其在强酸强碱高水温及高速运转的情况下，聚氨酯的分子链被破坏，聚氨酯本身的物理机械性能大幅度下降，最终导致自封胶芯的使用寿命也不长，限制了聚氨酯在钻井自封胶芯方面的使用。

发明内容

针对上述现有的技术不足，本发明的主要目的在于提供一种聚氨酯自封胶芯，能耐强酸强碱、耐高水温、耐疲劳、耐油、耐磨等性能，降低聚氨酯材料的内生热。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：研发一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于包括甲组分和乙组分，甲组分与乙组分以质量比计：甲组分:乙组分＝100:6—100:600；甲组分包括以质量百分比计占0-76.4％的A组分和23.6-100％的B组分，乙组分包括以质量百分比计占0-90％的A组分和10—100％的C组分；A组分包括多元醇，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，B组分采用多异氰酸酯，C组分包括三羟甲基丙烷，二醇或乙二醇，无机填料，能助剂，消泡剂，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，催化剂，C组分中的各原料以质量百分比计：

醇或乙二醇+三羟甲基丙烷　　　　　　　　50％-100％，

无机填料                               0-50％，

能助剂                                 0-1％，

消泡剂                                 0-1.5％，

苯甲酰氯或磷酸或盐酸                   0-0.5％，

催化剂                                 0-0.5％。

本发明中的多元醇采用聚碳酸酯多元醇，聚己内酯多元醇，聚四氢呋喃醚多元醇，以质量百分比计：聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚四氢呋喃醚多元醇的总含量≥99.9％。B组分采用二异氰酸酯。甲组分与乙组分混合制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

制备钻井用聚氨酯自封胶芯的基本反应机理为：

第一步先由多元醇与多异氰酸酯反应生成异氰酸酯封端的聚氨酯预聚物；

(n+1)NCO-R1-NCO+nOH-R2-0H-------nNCO-R3-NCO

第二步再由聚氨酯预聚物与小分子多元醇进行扩炼交联反应。

nNCO-R3-NCO+nOH-R4-0H---------聚氨酯高分子材料

本发明中，无机填料可以采用白碳黑、沸石、滑石粉、碳酸钙、石英粉中的一种。催化剂可采用辛酸亚锡、二丁基锡二月桂酸、有机铋中的一种。

为了能简单安全地制得钻井用聚氨酯自封胶芯，本发明采用的生产工艺，其特征在于按如下步骤依次进行：

(1)将喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具装配好，打开上盖，放置在平板硫化机上；

(2)将配制好的甲乙两组分进行真空脱泡；

(3)将真空脱泡后的甲乙两组分按照比例充分混合后再次进行真空脱泡；

(4)将脱泡后的混合物取出，沿模具内壁缓慢倒入，盖好上盖后在平版硫化机上加压成型；

(5)将成型后的聚氨酯自封胶芯从模具中取出，修理边角，进行表面处理；

(6)将修整好的聚氨酯自封胶芯放入烘箱中进行硫化处理后制成聚氨酯自封胶芯。

本发明所具有的有益效果为：

1.本发明采用对苯二异氰酸酯作为异氰酸酯组分得到的聚氨酯弹性体，其物理机械性能优良，回弹性、耐磨性、抗疲劳性、耐热性和耐湿性好，动态力学性能佳。

2.本发明采用聚碳酸酯多元醇，聚己内酯多元醇，聚四氢呋喃醚多元醇作为发明体系中的多元醇组分得到的聚氨酯弹耐磨性，其回弹性、压缩变形以及耐温耐耐化学药品等的综合性能较优。

3.本发明在乙组分中加入了经过活化剂处理的无机填料，引入了络合粒子。无机填料与多元醇等经过充分的混和，络合粒子便无序的分布在各个分子间，形成了新的化学键，首先起到了增强补韧的作用，提高了聚氨酯自封胶芯的力学性能。其次，由于无机粒子填充了大量的分子空间，增加了空间阻尼，所以当其他介质在进入聚氨酯分子间时首先与络合粒子发生物理交换，在一定程度上减缓了其他介质对聚氨酯自封胶芯的影响。此外，加入无机填料还可以减少聚氨酯自封胶芯的收缩。降低聚氨酯自封胶芯的成本。

4.本发明采用小分子多元醇作为扩链交联剂，区别于普通聚氨酯使用的氨类扩链交联剂，在使用过程中更安全，更环保。

5.本发明的反应体系得到的聚氨酯产品在耐强酸强碱、耐高水温、耐疲劳、耐油、耐磨等方面都有很大的提高，并且降低了聚氨酯材料的内生热。本发明制备的聚氨酯自封胶芯相比橡胶自封胶芯的使用寿命提高了两倍以上，比较普通的聚氨酯自封胶芯的使用寿命提高了三倍以上。

本发明在制造工艺上的有益效果集中表现为以下几个方面：

1.本发明在聚氨酯自封胶芯的制作工艺上采用中温操作，中温反应，中温成型。普通聚氨酯制品的操作一般原料的混合温度在80℃以上，模具温度以及平版硫化机在100℃以上。本发明甲乙两个组分的混合温度，模具温度以及平版硫化机都在60℃左右，大大降低了生产过程中的操作温度，减少了化工气体的散发，减少了电的使用，降低了操作人员的危害。

2.本发明使用的模具为喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具。区别于普通钢制模具，喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具在生产过程中不需要涂抹脱模剂就可以将聚氨酯制品顺利的取出，减少了操作步骤，减少了制品的污染，降低了制品的制作成本。

具体实施方式

实施例1

一、聚氨酯自封胶芯配方的配制。

1.第一步，所选用原材料的第一次混合反应：

(1)A组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量聚己内酯多元醇(1000Mw)1000g，与1g苯甲酰氯或磷酸或盐酸的混合物在110℃的环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

(2)配制B组分，采用苯二异氰酸酯；

(3)C组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

2.第二步，所选用原材料的第二次混合反应

(1)甲组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分1000g，在115±5℃的环境下真空脱水2.5小时，脱水真空度在-0.095-0.001mpa之间。将脱水后的混合物料的料温降低为80℃以下，加入320g的B组分，缓慢加热到80±5℃，保温2.5小时，即为制得的预聚体。分析预聚体的NCO百分含量，室温放置24小时后即可使用。

(2)乙组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下，搅拌大于0.5小时后，混合物料开始降温，小于80的℃后即可使用。

(3)将甲组分与乙组分混合反应，甲组分与乙组分以质量比例计为：

甲组分:乙组分＝100:6

(4)甲组分与乙组分混合反应制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

二、聚氨酯自封胶芯的制造工艺

1.将喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具装配好，打开上盖，放置在平板硫化机上。硫化机温度保持在55℃之间。

2.将配制好的甲乙两组分进行真空脱泡。甲乙两组分料温保持在20-80℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。甲乙两组分料温为60±5℃。

3.将真空脱泡后的甲乙两组分按照比例充分混合后再次进行真空脱泡。甲乙两组分的混合温度保持在55-65℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。

4.将脱泡后的混合物取出，沿模具内壁缓慢倒入，盖好上盖后在平版硫化机上加压成型。加压时模具的温度保持在55-65℃之间之间。

5.将成型后的聚氨酯自封胶芯从模具中取出，修理边角，进行表面处理。

6.将修整好的聚氨酯自封胶芯放入烘箱中进行硫化。烘箱温度保持在110℃之间，硫化时为16-20小时。

7.将硫化好的聚氨酯自封胶芯入库。

实施例2

一、聚氨酯自封胶芯配方的配制。

1.第一步，所选用原材料的第一次混合反应：

(1)A组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量聚己内酯多元醇(1000Mw)300g，聚四氢呋喃醚多元醇(1000Mw)700g，与1g苯甲酰氯或磷酸或盐酸的混合物在110℃的环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

(2)配制B组分，采用苯二异氰酸酯；

(3)C组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

2.第二步，所选用原材料的第二次混合反应

(1)甲组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分1000g，在115±5℃的环境下真空脱水2.5小时，脱水真空度在-0.095-0.001mpa之间。将脱水后的混合物料的料温降低为80℃以下，加入320g的B组分，缓慢加热到80±5℃，保温2.5小时，即为制得的预聚体。分析预聚体的NCO百分含量，室温放置24小时后即可使用。

(2)乙组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下，搅拌大于0.5小时后，混合物料开始降温，小于80的℃后即可使用。

(3)将甲组分与乙组分混合反应，甲组分与乙组分以质量比例计为：

甲组分:乙组分＝100:6.4

(4)甲组分与乙组分混合反应制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

二、聚氨酯自封胶芯的制造工艺

1.将喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具装配好，打开上盖，放置在平板硫化机上。硫化机温度保持在60℃之间。

2.将配制好的甲乙两组分进行真空脱泡。甲乙两组分料温保持在20-80℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。甲乙两组分料温为60±5℃。

3.将真空脱泡后的甲乙两组分按照比例充分混合后再次进行真空脱泡。甲乙两组分的混合温度保持在55-65℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。

4.将脱泡后的混合物取出，沿模具内壁缓慢倒入，盖好上盖后在平版硫化机上加压成型。加压时模具的温度保持在55-65℃之间之间。

5.将成型后的聚氨酯自封胶芯从模具中取出，修理边角，进行表面处理。

6.将修整好的聚氨酯自封胶芯放入烘箱中进行硫化。烘箱温度保持在115℃之间，硫化时为16-20小时。

7.将硫化好的聚氨酯自封胶芯入库。

实施例3

一、聚氨酯自封胶芯配方的配制。

1.第一步，所选用原材料的第一次混合反应：

(1)A组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量聚己内酯多元醇(1000Mw)300g，聚四氢呋喃醚多元醇(1000Mw)700g，与1g苯甲酰氯或磷酸或盐酸的混合物在110℃的环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

(2)配制B组分，采用苯二异氰酸酯；

(3)C组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

2.第二步，所选用原材料的第二次混合反应

(1)甲组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分500g，在115±5℃的环境下真空脱水2.5小时，脱水真空度在-0.095-0.001mpa之间。将脱水后的混合物料的料温降低为80℃以下，加入320g的B组分，缓慢加热到80±5℃，保温2.5小时，即为制得的预聚体。分析预聚体的NCO百分含量，室温放置24小时后即可使用。

(2)乙组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分500g，将混合物在110℃的环境下，搅拌大于0.5小时后，混合物料开始降温，小于80的℃后即可使用。

(3)将甲组分与乙组分混合反应，甲组分与乙组分以质量比例计为：

甲组分:乙组分＝100:64。

(4)甲组分与乙组分混合反应制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

二、聚氨酯自封胶芯的制造工艺

1.将喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具装配好，打开上盖，放置在平板硫化机上。硫化机温度保持在65℃之间。

2.将配制好的甲乙两组分进行真空脱泡。甲乙两组分料温保持在20-80℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。甲乙两组分料温为60±5℃。

3.将真空脱泡后的甲乙两组分按照比例充分混合后再次进行真空脱泡。甲乙两组分的混合温度保持在55-65℃之间，脱泡的真空度保持在-0.095-0.001mpa之间。

4.将脱泡后的混合物取出，沿模具内壁缓慢倒入，盖好上盖后在平版硫化机上加压成型。加压时模具的温度保持在55-65℃之间之间。

5.将成型后的聚氨酯自封胶芯从模具中取出，修理边角，进行表面处理。

6.将修整好的聚氨酯自封胶芯放入烘箱中进行硫化。烘箱温度保持在120℃之间，硫化时间为16-20小时。

7.将硫化好的聚氨酯自封胶芯入库。

实施例4

一、聚氨酯自封胶芯配方的配制。

1.第一步，所选用原材料的第一次混合反应：

(1)A组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量聚己内酯多元醇(1000Mw)300g，聚四氢呋喃醚多元醇(1000Mw)700g，与1g苯甲酰氯或磷酸或盐酸的混合物在110℃的环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

(2)配制B组分，采用苯二异氰酸酯；

(3)C组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇84.6g，苯甲酰氯0.1g，有机锌0.02g，将混合物在110℃的环境下环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

2.第二步，所选用原材料的第二次混合反应

(1)甲组分的配制：

甲组分全部采用B组分，

(2)乙组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分1000g，将混合物在110℃的环境下搅拌，混合物料开始降温，小于80的℃后即可使用。

(3)将甲组分与乙组分混合反应，甲组分与乙组分以质量比例计为：

甲组分:乙组分＝100:304。

(4)甲组分与乙组分混合反应制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

聚氨酯自封胶芯的制造工艺与实施例1相同，不再赘述。

实施例5

一、聚氨酯自封胶芯配方的配制。

1.第一步，所选用原材料的第一次混合反应：

(1)A组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇60，三羟甲基丙烷24.6g，白碳黑40g，功能助剂0.1g，消泡剂1g，苯甲酰氯0.1g，二丁基锡二月桂酸0.1g，混合后在110℃的环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

(2)配制B组分，采用苯二异氰酸酯；

(3)C组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量丁二醇60g，三羟甲基丙烷24.6g，白碳黑40g，功能助剂0.1g，消泡剂1g，苯甲酰氯0.1g，二丁基锡二月桂酸0.1g，混合物在110℃的环境下环境下搅拌2小时后，混合物料开始降温，小于80℃后即可使用。

2.第二步，所选用原材料的第二次混合反应

(1)甲组分的配制：

甲组分全部为B料

(2)乙组分的配制：

在带有搅拌器的密闭容器中称量A组分500g，B组分125g，将混合物在110℃的环境下搅拌，混合物料开始降温，小于80的℃后即可使用。

(3)将甲组分与乙组分混合反应，甲组分与乙组分以质量比例计为：

甲组分:乙组分＝100:600

(4)甲组分与乙组分混合反应制成钻井用聚氨酯自封胶芯。

聚氨酯自封胶芯的制造工艺与实施例2相同，不再赘述。

Claims (8)

1.一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于包括甲组分和乙组分，甲组分与乙组分以质量比计：甲组分:乙组分＝100:6—100:600；甲组分包括以质量百分比计占0-76.4％的A组分和23.6-100％的B组分，乙组分包括以质量百分比计占0-90％的A组分和10—100％的C组分；A组分包括多元醇，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，B组分采用多异氰酸酯，C组分包括三羟甲基丙烷，二醇或乙二醇，无机填料，能助剂，消泡剂，苯甲酰氯或磷酸或盐酸，催化剂，C组分中的各原料以质量百分比计：

醇或乙二醇+三羟甲基丙烷    50％-100％，

无机填料                   0-50％，

能助剂                     0-1％，

消泡剂                     0-1.5％，

苯甲酰氯或磷酸或盐酸       0-0.5％，

催化剂                     0-0.5％。

2.根据权利要求1所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于多元醇采用聚碳酸酯多元醇，聚己内酯多元醇，聚四氢呋喃醚多元醇，以质量百分比计：聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚四氢呋喃醚多元醇的总含量≥99.9％。

3.根据权利要求1或2所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于B组分采用二异氰酸酯。

4.根据权利要求1或2所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于无机填料采用白碳黑或沸石或滑石粉或碳酸钙或石英粉。

5.根据权利要求1或2所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯，其特征在于催化剂采用辛酸亚锡或二丁基锡二月桂酸或有机铋。

6.根据权利要求1所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯的生产工艺，其特征在于按如下步骤依次进行：

(1)将喷涂有聚四氟乙烯涂层的钢制模具装配好，打开上盖，放置在平板硫化机上；

(2)将配制好的甲乙两组分进行真空脱泡；

(3)将真空脱泡后的甲乙两组分按照比例充分混合后再次进行真空脱泡；

(4)将脱泡后的混合物取出，沿模具内壁缓慢倒入，盖好上盖后在平版硫化机上加压成型；

(5)将成型后的聚氨酯自封胶芯从模具中取出，修理边角，进行表面处理；

(6)将修整好的聚氨酯自封胶芯放入烘箱中进行硫化处理后制成聚氨酯自封胶芯。

7.根据权利要求6所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯的生产工艺，其特征在于硫化机温度保持在55-65℃之间。

8.根据权利要求6所述的一种钻井用聚氨酯自封胶芯的生产工艺，其特征在于烘箱温度保持在110-120℃之间。