二硫化钼/丁腈橡胶复合材料热氧老化与摩擦学性能研究

作     者：刘中强 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王世杰;张雪

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：丁腈橡胶 二硫化钼 分子动力学 热氧老化 摩擦学性能 

摘      要：潜油螺杆泵是海底石油开采行业中应用最为广泛的采油装置之一。其采油功能是由内部的金属转子与定子橡胶通过有机啮合实现的。然而在采油过程中,定子橡胶时常受高温、高压和强腐蚀介质等多种因素的耦合作用。这不仅使定子橡胶极易发生断裂和磨损等失效,还极大降低了潜油螺杆泵的工作效率。因此,提高定子橡胶的耐磨损、耐溶胀和耐高温等各项性能,具有十分重要的现实意义。丁腈橡胶(NBR)因具有出色的耐磨性、耐油性和粘弹性,常被选用作为定子橡胶的基体材料。但在采油过程中,NBR常受到高温、原油和泥沙等恶劣环境影响,导致纯NBR难以满足日益增长的生产需求。因此,亟需提升NBR的耐热氧老化和摩擦学等性能。由于传统补强材料具有难以降解和补强能力有限等缺点。同时,新型纳米补强材料价格昂贵且具有污染性。因此,选用比表面积大、润滑性和补强能力较优异的二硫化钼(MoS)作为补强材料。由于分子动力学(MD)模拟具有简洁高效等特点,且还能有效预测复杂体系的材料特性。因此,本文采用MD模拟,以NBR为基体,MoS作为补强材料,还添加了防老剂4020来提升NBR的耐热氧老化性能。目的是从微观角度研究MoS提升NBR的力学、摩擦学等性能。同时,从原子角度分析了防老剂4020对NBR的热氧老化机理。本文还通过实验研究,制备了多组MoS/4020/NBR复合材料。目的是探索不同质量份数的MoS对NBR力学和摩擦学等性能的影响。本文采用MD模拟,首先构建了4020/NBR和MoS/4020/NBR两组模型,研究了MoS对NBR力学、热氧老化和摩擦学性能的影响。结果表明,与4020/NBR相比,MoS/4020/NBR的杨氏模量提升了约28%,摩擦系数(μ)降低了约30%,磨损量(W)也降低了约5%。同时,MoS添加后,不但改善了填料间的相容性,还提升了NBR的耐热氧老化性能。然后采用MD模拟,在环己烷(CH)溶胀条件下,构建了Pure NBR、CH/NBR、MoS/CH/NBR三组模型,研究了MoS对NBR溶胀和摩擦学性能的影响。结果表明,CH使NBR分子链的运动速率加快,各项性能均下降。同时,与CH/NBR相比,MoS/CH/NBR的拉伸强度(TS)提升了约50%,μ减少了约20%。因此,添加MoS后,有效地限制了NBR分子链的移动,提高了NBR的耐溶胀性能。最后,通过实验制备了MoS/NBR复合材料,分析了不同质量份数(0、0.5、1、2、3phr)的MoS对NBR力学、热氧老化和摩擦学性能的影响。结果表明,在添加MoS后,TS呈现先增加后减小的趋势,μ呈现出先减小后增大趋势。且在添加2phr MoS时力学和摩擦学性能最好。通过电镜图发现,当添加2phr MoS时,NBR复合材料表面的孔洞和突起最小,表面相对平整。因此,本课题为潜油螺杆泵定子橡胶提供了一种新型NBR复合材料。