石墨烯增强的弹性体定子的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种增强的弹性体定子组件和其制备方法。可通过掺入石墨烯颗粒、可交联聚合物、延伸交联的偶联剂和通过减少填料材料在结构上、热和/或化学上增强所述弹性体定子。所述石墨烯颗粒可以官能化或非官能化形式或以其组合掺入，官能化石墨烯增加在整体结构中的交联的数目，从而增强所述弹性体定子的结构稳健性。化合物可经调配以具有相对较低的粘度和允许材料流过模腔的其它特征。
【专利说明】
石墨烯増强的弹性体定子
技术领域
[0001 ]本发明涉及改进的弹性体定子组件。
【背景技术】
[0002]具有弹性体定子组件的推进腔式栗已经在钻井操作中使用一些时间。在井下钻井操作中，推进腔式马达通过使在定子组件内的转子自旋来栗送流体。具体来说，用于泥浆马达的功率部分已发现推进腔式栗在反向应用中广泛使用，其中钻井流体用于转动在定子内的转子。常常，推进腔式马达配置有在由具有高碳黑填料含量的橡胶构成的弹性体定子内转动的螺旋金属凸角转子。高碳黑橡胶提供合适的又有成本效益的材料，所述材料具有一定压缩模量和耐磨性特性。在转子的金属凸角压靠弹性体定子内壁时，形成密封线并且流体因此被栗送通过空腔，因为它们在转子的金属凸角与弹性体定子内壁之间形成。
[0003]生产高功率、高扭矩和高速功率部分定子的挑战是制造设备和经济的加工材料需要能够流过紧密模腔长距离同时维持其未固化状态的低粘度未固化弹性体化合物。如果化合物太粘，那么它不能流动适当的距离以填充模具。如果化合物在填充模具之前开始硫化反应，那么化合物的粘度将以指数方式增大，可能产生未被填充的模具，或将填充有以分离基质形成的交联的模具。分别形成的基质在弹性体产物中产生不可检测的晶粒边界，这将常常由于撕裂强度的显著损耗、模量的损耗和或促进周围弹性体基质的快速物理劣化的内部摩擦点而过早地失效。传统地，功率部分弹性体的设计者已在配方中使用补强和半补强碳黑、低粘度低分子量基础NBR和HNBR聚合物以及加工助剂来寻求解决这些问题。虽然此类组合有利于可制造性，但是所得配方不利地影响弹性体的最终固化状态特性，常常使调配物更软并且更不动力稳定。举例来说，在制造期间塑化剂油可用于降低粘度，但是在成品中，它在高温下当暴露于不同钻井流体时具有从弹性体中浸出的倾向，这可引起产品收缩或橡胶与金属粘结剂的脱粘，并且还促进从钻井流体中吸附化学物质。通过使聚合物链之间润滑和帮助碳黑分散，塑化剂用于降低未固化橡胶化合物的粘度。一旦在固化状态中，塑化剂持续使聚合物链润滑，产生降低的模量的效果。另外，塑化剂(比聚合物的分子量显著低)可从化合物中迀移出。控制塑化剂的迀移是对于特定化合物选择具有合宜的分子量/支化和碳与氧比率的塑化剂的功能。塑化剂的越支化，塑化剂对在油中流体萃取的抗性越大。将酯类塑化剂反应到聚合物基质中的可能将基本上增大对萃取的抗性。如果塑化剂可过氧化交联到聚合物，那么相同塑化剂可交联到官能化石墨烯颗粒，将塑化剂永久地锁闭到聚合物基质中。通过使塑化剂反应到聚合物和石墨烯颗粒中，高于传统负载的塑化剂可复合到配方中而没有塑化剂从化合物中浸出到定子的橡胶与金属粘结或从内径表面浸出的缺点。较高负载的塑化剂抵消在化合物中纳米颗粒引起的高粘度影响。较高负载的塑化剂还通过帮助填料材料(比如碳黑和纳米粒子)的胶溶和分散降低未固化化合物的混合时间。通过降低混合时间和剪切速率，在混合过程中较少聚合物被破坏，这将提高物理特性和动力学特性如:模量、拉伸强度、撕裂强度、tan5、剪切模量、压缩模量和硬度。
[0004]如在美国专利申请公开第US 2008/0050259号中提到，弹性体化合物已掺入酚醛树脂，这以降低撕裂强度为代价降低化合物的未固化粘度并且增大固化状态产物的硬度。
[0005]弹性体化合物也已发现纳米粒子的一些使用;然而，由于异常表面积与颗粒体积(即高宽比)，仅少量添加纳米粒子，这些化合物就可大大增大弹性体的粘度。这意味着它们功率部分定子化合物中的可能性需要这样的低负载(以维持可制造性)，即固化状态物理特性在可负担的、满意的可再生水平下不可达到的低负载。
[0006]另外，虽然推进腔式马达的螺旋金属转子耐热、耐磨并且一般具有长的使用寿命，但是推进腔式马达的定子远不可靠并且常常失效，需要维护或在之前替换其转子对应部分。碳黑增强的定子内衬当暴露于研磨材料时往往会磨损，可在空腔之间出现渗漏。当暴露于恶劣温度时，橡胶化合物将软化并且可导致密封线不能处理高差压，这可导致扭矩损失。高温还可引起在内衬中的橡胶热膨胀，这可导致过热。长期暴露于此类条件可引起橡胶变脆并且导致低撕裂强度。失效可以由研磨渗漏的部分磨损和不提供对金属转子凸角的恰当密封压力的形式出现;还可出现内衬的物理撕裂并且引起整个系统的立即关断。举例来说，当定子失效时，转子可将撕破的橡胶片栗送通过空穴并且损坏井下组件的其它部件或全部一起停止旋转。暴露于某些化学物质或井下流体可另外引起定子内壁的降解。苛性钻井流体可被吸附到橡胶内衬中，引起溶胀，这导致在操作中橡胶内衬过热。流体还可从橡胶萃取化学物质从而使其降解。
[0007]因此将期望具有提高的耐热性、耐磨性、撕裂强度和其它有益特性的更稳健弹性体定子组件。另外，期望提供提高的在失效之间的平均时间、提高的安全性以及延长运行井下弹性体定子组件的操作运行时间的期望。这将允许更大的钻井时间和安装、获取和维护弹性体定子组件以及由于定子故障可失效的相关联井下组件的其它部件的降低的花费时间。另外期望提高在弹性体定子组件的需要维护之间的预测时间间隔。
【发明内容】
[0008]本发明涉及石墨烯增强的弹性体定子组件和其制备方法。可通过掺入石墨烯颗粒、可交联聚合物、延伸交联的偶联剂和通过减少填料材料在结构和热上增强弹性体定子。石墨烯颗粒可以官能化或非官能化形式或以其组合掺入。石墨烯颗粒可在弹性体定子的整体结构中增大聚合物与填料相互作用，从而通过提供附加结构和热耗散益处而增强定子结构并且延长定子的使用寿命。掺入石墨烯颗粒还可为橡胶化合物提供较低的热膨胀系数，这可降低破坏热积累并且延长功率部分的使用寿命。
[0009]可交联塑化剂可集成到石墨烯增强的弹性体定子调配物中，以另外增强化合物以及因此弹性体定子的结构刚度和热特征。一般通过在交联的化合物中具有更多的材料来增大化合物结构刚度。通过合并可交联塑化剂和官能化石墨烯，如在优选实施例中，在给定面积上进一步增大化合物之间的交联密度。另外，石墨烯具有未在传统用于定子中的材料发现的导电性特性、可通过定子以快速并且有效的方式转移、分散和耗散热的特性。另外，在实施例中，可通过使用可交联塑化剂调配石墨烯增强的弹性体定子化合物以具有相对较低粘度，并且还具有允许材料流过模腔长距离的其它特征，类似当前弹性体定子如何制备。在调配物中，可交联塑化剂可共价结合到橡胶聚合物链、官能化石墨烯颗粒、助剂或其组合，这将对抗在钻井流体中的塑化剂的萃取。
【附图说明】
[0010]以下附图和图用来示出本发明的各种实施例但是不意味为限制的。
[0011]图1描绘了根据本发明的实施例的弹性体定子组件的透视横截面图。
[0012]图2描绘了根据本发明的实施例的弹性体定子组件的侧视横截面图。
[0013]图3描绘了根据本发明的实施例的弹性体定子组件的顶视横截面图。
[0014]图4描绘了包含橡胶和碳黑填料内含物的现有技术化合物的图示。
[0015]图5描绘了根据本发明的实施例的在橡胶和非官能化石墨烯颗粒之间的范德华结合力的图示。
[0016]图6描绘了根据本发明的实施例的在橡胶中具有过氧化/氧官能化石墨烯的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0017]图7a到图7c描绘了过氧化交联如何在石墨烯增强的定子化合物中形成的逐步图不O
[0018]图8描绘了根据本发明的实施例的在橡胶中具有过氧化/氧官能化石墨烯的石墨烯增强的弹性体定子化合物的替代图示。图8示出了过氧化/氧官能化石墨烯颗粒可交联到聚合物中和/或彼此交联。
[0019]图9描绘了根据本发明的实施例的具有酚官能化石墨烯与六甲基甲胺(“六”或“HMT” )的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0020]图10描绘了根据本发明的实施例的在橡胶中具有酚官能化石墨烯与六的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0021]图11描绘了根据本发明的实施例的在橡胶中具有酚官能化石墨烯与六和过氧化物的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0022]图12描绘了根据本发明的实施例的在橡胶中具有过氧化/氧官能化石墨烯与三官能化甲基丙烯酸酯的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0023]图13描绘了具有硫交联的腈丁二烯的图示。
[0024]图14描绘了具有聚合物与硫官能化的石墨烯交联的石墨烯增强的弹性体定子化合物的图示。
[0025]图15描绘了借助于有机过氧化物交联到三官能助剂的过氧化/氧官能化的石墨烯的图示。
【具体实施方式】
[0026]在推进腔式马达中的弹性体定子常常配置有硬金属管状外套管和内弹性体定子内衬，其通常通过在模具心轴上注塑成型内衬形成。图1到图3描绘了弹性体定子组件10的实施例的多个视图。存在关于弹性体定子的形状、大小和尺寸的许多变化，并且图1到图3仅示出了弹性体定子组件的例示性实施例，如可配置有本文所述的各种石墨烯增强的弹性体定子化合物实施例中的任一种或如本文所述的多个实施例的任何组合。
[0027]参考图1到图3，在实施例中，石墨烯增强的弹性体定子组件10示出具有金属外管表面20和连接到外管表面20的石墨烯增强的弹性体定子内衬30。弹性体定子内衬内壁32可以改变长度和尺寸的重复螺旋图案形成，并且对于各种井下操作具有多种不同特征。
[0028]参考图4，示出现有技术弹性体定子100，其包含大部分碳黑110和聚合物120橡胶材料。碳黑氢原子130和聚合物氢原子140主要通过在整个化合物中存在的有吸引力的范德华力150结合，这是关于整体弹性体定子化合物100的结构完整性的关键组分。
[0029]弹性体可通过使用硫和/或有机过氧化物通过将聚合物连接到其它聚合物的化学硫化反应而交联。传统地，硫用于其中模量和耐高温为较低优先级的应用中。另一方面，有机过氧化物具有更短和具有更负电性共价键的优点。这些“更难”过氧化物诱导的碳碳交联还具有以下几个缺点:所得橡胶化合物可更脆，其中撕裂强度较低即使模量超常;硫化反应可为较高能并且难以减缓；以及不断再现弹性体聚合物交联到粘结剂聚合物涂层(粘合剂)更具挑战。
[0030]添加包括碳纳米管、石墨稀颗粒、纳米粘土、布基球(bucky balls)和其它三维设计的碳结构(补强填料充剂)的纳米颗粒，其提供大表面积与重量比率，可有益于通过利用高表面积颗粒产生聚合物和填料颗粒之间的范德华吸引力的增大来补强弹性体聚合物。薄片形状的颗粒还可通过产生停止钻井液化学物质进行渗入的惰性阻挡层影响弹性体的耐化学性。
[0031]用于泥浆马达功率部分不断地推动运行和井下钻井安全性。石墨烯增强的弹性体定子化合物的一个优点为较高模量的材料能够在弹性体凸角上维持由金属转子凸角密封的更大差压。如果定子弹性体具有足够高以不偏斜的模量，那么在转子和定子之间的空腔仅可维持差压并且有效地赋予扭矩，因此阻止流体前向进行到后续空腔。在转子和定子界面之间的流体滑动可引起立体流体压力到扭矩效率的损失。较高模量材料的另一益处为弹性体凸角可承受差压越大，将赋予越大扭矩到金属转子。在功率部分中，流过与对于给定标准几何的转子的偏心旋转速度成比例，并且功率部分定子可充当转子与其相互作用的动力学密封界面。不仅弹性体化合物必须维持模量进行密封，而且粘弹性动力学特性必须维持在高温钻井环境中在高频率上的主要弹性响应。凸角“搭扣”回的能力为关于功率部分的最大评级流速的频率和差别的模量的弹性动力学衰减的功能。较小弹性衰减响应更大差压，功率部分定子可在较高流速下处理，并且更强大和可靠的功率部分可能在钻井环境中具有挑战。
[0032]石墨烯颗粒和碳的其它纳米级片不通过在石墨材料中常见的强界面范德华力结合在一起或彼此结合。其它纳米级片可代替石墨烯用于某些调配物。另外，并且如此前提到的，石墨烯颗粒可借助反应性官能团共价键合到颗粒而化学地变化。官能团可包括酚环结构、硫原子或硫链、有机过氧化物基团、甲醛官能团、异氰酸酯、异氰尿酸酯、四甲基甲胺(TMTM)、六甲基甲胺(“六”、HMT)和/或脂肪酸基团/羟基。
[0033]下表I列举具有官能化或非官能化石墨烯颗粒的石墨烯增强的弹性体定子化合物的实施例，所述石墨烯颗粒分散在NBR、HNBR、XNBR、XHNBR或FKM(氟/全氟弹性体)的聚合物基质中，用于需要超常固化状态拉伸模量、撕裂强度、剪切模量、压缩模量、弹性动力学稳定性、高温耐聚合物链断裂、对钻井液固体表面耐磨性和/或耐转子金属修饰和流体溶胀性(当暴露于各种水基、油基或合成的油基钻井流体以及其它类似流体时)的功率部分钻井定子。
[0034]表1-石墨烯增强的弹性体定子化合物的实例实施例
[0035]■非官能化石墨烯颗粒可为单个单碳层片厚度。
[0036]■非官能化石墨烯颗粒可为2个到30个碳片厚。
[0037]■官能化石墨烯颗粒可为单个单碳层片厚度。
[0038]■官能化石墨烯颗粒可为2个到30个碳片厚，其中I个或更多个片具有共价键合到一个或多个碳原子的官能团。多层石墨烯颗粒可仅具有外大多数层的官能化，不必具有全部层的官能团。
[0039]■官能团可为单键sP3杂化或与张紧碳键sp2杂化，因此使碳石墨烯片略变形，具有“弯折”。非官能团也可具有“弯折”。
[0040]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的NBR中ο
[0041 ] ■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的NBR中。
[0042]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的HNBR中。
[0043]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范围内的HNBR中。
[0044]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XNBR中。
[0045]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范围内的XNBR中。
[0046]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XHNBR中。
[0047]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在丙烯腈含量在25%到65%范围内的XHNBR 中。
[0048]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在在100 0C下门尼粘度为20到150门尼单位的氟弹性体基础聚合物中。
[0049]■石墨烯颗粒可均匀和/或无定形分散在氟或全氟支化的聚合物含量在15%到80%范围的XHNBR中。
[0050]下表2列举实例实施例非官能团和官能团，在石墨烯增强的弹性体定子化合物的实施例中其包括反应性基团或橡胶化学常见的基团，并且需要极少或不需要特殊处理以反应到填料-聚合物-交联网中。
_1]表2-反应到石墨烯增强的弹性体定子化合物中的基团的实例实施例
[0052]■石墨烯颗粒不含有官能团但是具有可通过离子、有机盐或共价化合物添加剂改进的分散体，其“浸透”碳表面化学反应而基本上不影响聚合物到聚合物的剪切力，剪切力在混合过程中是必需的将碳填料材料物理地素炼成聚合物基质(例如，高分子(大于8个碳原子)脂肪酸)。
[0053]■石墨烯官能团可为酚环结构、硫原子或硫链、有机过氧化物基团、甲醛官能团、异氰酸酯、异氰尿酸酯、四甲基甲胺(TMTM)、六甲基甲胺(“六”、HMT)、六亚甲基甲胺(“六”、HMM)和/或脂肪酸基团
[0054]■具有与以上多种聚合物中的一种或多种直接交联的过氧化/氧官能化石墨烯颗粒的化合物。
[0055]■具有与以上多种聚合物中的一种或多种直接交联的过氧化/氧官能化石墨烯颗粒和/或通过使用助剂桥接过氧化物诱导的交联的其它石墨烯颗粒的化合物。助剂可包括马来化聚丁二烯、金属甲基丙烯酸酯有机盐、三官能丙烯酸酯、非亚硝基官能化助剂单体、二甲基丙烯酸I，3丁二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
[0056]■具有与以上多种聚合物直接和间接交联的过氧化/氧官能化石墨烯颗粒和/或通过使用可交联反应性酯塑化剂的其它石墨烯颗粒的化合物，以降低化合物的未固化粘度、最小化在高温和不同流体条件下的浸出，同时通过硫化反应将石墨烯颗粒化学锁闭到聚合物基质提高动力学性能。
[0057]■使用过氧化物相容的助剂以将过氧化/氧官能化的石墨烯颗粒交联到作为可交联塑化剂的聚合物和反应性酯的化合物。
[0058]■使用三烯丙基氰脲酸酯、三烯丙基异氰脲酸酯和/或多元醇单体作为助剂以将异氰脲酸酯、氨基甲酸酯和/或氰尿酸酯官能化的石墨烯颗粒化学地交联到自身和交联到硫和/或过氧化物固化的基础弹性体聚合物链的化合物。
[0059]■在来自具有以上列举的基础聚合物弹性体配方中，使用交联到混炼氨基甲酸酯添加剂的异氰脲酸酯、氨基甲酸酯和/或氰尿酸酯官能化的石墨烯颗粒的化合物。
[0060]■在来自具有以上列举的基础聚合物弹性体配方中，使用交联到酚醛树脂的酚、过氧化物、氧官能化的石墨烯颗粒或其组合的化合物，其中通过使用乙氧基化双酚A 二丙烯酸酯作为助剂而交联。
[0061]■使用交联到基础聚合物的酚官能化石墨烯颗粒的化合物，其中通过使用乙氧基化双酚A 二丙烯酸酯借助甲醛反应而交联，其中六亚甲基四胺或六亚甲基甲胺作为硫化反应的亚甲基供给活化剂。
[0062]石墨烯增强的弹性体定子可以将石墨烯颗粒或片分散到未固化橡胶化合物中开始。在实施例中，在分散之前，对于给定调配物石墨烯配置有理想尺寸的石墨烯颗粒或片。可优化石墨烯颗粒的尺寸，同时记住所述工艺的稍后步骤，其可进一步分裂或分解一些石墨烯颗粒。可替代地，优化具有相同石墨烯浓度和可变石墨烯粒度的化合物的群组的撕裂强度可更经济。石墨烯增强的弹性体的化学蚀刻断裂表面可在电子显微镜下查看以确定颗粒大小、颗粒密度和实现的优化水平。另外，在实施例中，石墨烯可在分散之前官能化，以增大将变成石墨烯增强的弹性体定子的交联密度。
[0063]在实施例中，半补强和高度补强的碳黑可用于帮助石墨烯和石墨烯的聚合物分散体进入聚合物基质中。
[0064]参考图5，示出键合的石墨烯颗粒210和聚合物200。类似于图4上文所论述的现有技术，石墨烯颗粒210主要通过范德华力250键合到聚合物200氢原子240。石墨烯颗粒将其形状维持在几何平面中的倾向可允许甚至更强的范德华力存在，从而在弹性体定子中仅通过添加石墨烯颗粒而产生附加的结构刚度，并且在制造过程中不过度破坏颗粒。
[0065]图6示出石墨烯增强的弹性体定子化合物300的实施例。在此实施例中，石墨烯颗粒310通过过氧化物/氧原子360官能化，并且与320交联。此类颗粒的交联密度被增大超过标准弹性体定子化合物，从而为由所述化合物构成的弹性体定子提供结构刚度和热耗散特性。图7a到图7c示出过氧化交联如何形成，图7c示出增强的弹性体定子化合物的实施例。参考图8，示出过氧化/氧官能化石墨烯化合物的替代图示，其示出在石墨烯颗粒之间和在石墨烯颗粒与聚合物之间过氧化交联可如何形成。与传统的定子弹性体相比，由所述实施例产生的化合物可在更广范围的应变频率和操作温度上具有改进的模量和/或迟滞动态响应。由所述实施例产生的高度交联的化合物可具有较低热膨胀系数，这将可能允许在整个更广范围的操作温度中定子维持优化的转子到定子组装(而在传统的定子弹性体中50°F为正常组装区间)。
[0066]参考图9，在实施例中，示出石墨烯增强的弹性体定子化合物400，其具有酚官能化石墨烯颗粒410。苯酚470可键合到石墨烯颗粒并且与六甲基甲胺或可替代地六甲基四胺(“六”或“HMT”)480交联。图10示出了在图9中描述的弹性体定子化合物与橡胶聚合物分子420混合的实施例。图11示出在图9到图10中示出的弹性体定子化合物的替代实施例，通过添加过氧化物诱导的交联460，从而进一步增大整体化合物的交联密度。利用酚醛树脂通常增大固化状态硬度并且降低化合物的应变模量，同时降低未固化状态的粘度(许多工业实例存在)。将热固性酚醛树脂与石墨烯补强的弹性体合并可将化合物的未固化粘度降低到导致更容易制造而不损害如传统塑化剂损害的固化状态特性的范围中。
[0067]参考图12，在实施例中，示出石墨烯增强的弹性体定子化合物500，其具有弹性体定子颗粒510、聚合物分子520、过氧化物诱导的交联560、三官能化甲基丙烯酸酯560。三官能甲基丙稀酸酯充当在聚合物和官能化石墨稀颗粒之间的三向桥接。以这种方式，提高过氧化物效率，允许聚合物到聚合物到石墨烯交联亚结构和/或石墨烯到石墨烯到聚合物交联亚结构。在所述实施例中，在相对低固化温度下硫可延迟过氧化物固化反应，这通过将化合物保持在未固化状态直到定子模具完全填充而帮助定子的加工。如果过氧化物反应具有较高亲和力以与石墨烯颗粒反应，那么硫还可补充聚合物到聚合物交联密度。总体结果为模量的增大和可能较高撕裂强度，因为化合物的亚结构将打破在聚合物和聚合物到石墨烯边界之间的天然撕裂边界。图13示出了具有硫交联604的腈丁二烯602的实例。图13(a)到图13(d)示出了聚合物的硫硫化的逐步过程。图13(d)示出了本实例的较大规模的硫硫化最终结果。图14示出了具有聚合物到硫官能化的石墨烯交联610的石墨烯增强的弹性体定子化合物的实例实施例。聚合物到聚合物交联620示出硫化聚合物NBR 630或另选HNBR(未示出)。参考图15，示出612过氧化/氧官能化的石墨烯借助于有机过氧化物交联到三官能助剂的实施例。可采用三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯614或类似的三官能化助剂可用于增大化合物的交联密度。示出616通过过氧化物硫化交联到聚合物的助剂的亚乙基，但可使用其它三官能助剂。
[0068]部分由于提高的耐热性、更快的热耗散和增强的结构刚度，石墨烯增强的弹性体定子比之前设计允许在井下失效之间的更长运行时间。更具体来说并且此外，石墨烯增强的定子可具有超常的固化状态拉伸模量、撕裂强度、剪切模量、压缩模量、弹性动力学稳定性、高温耐聚合物链断裂、对钻井液固体表面耐磨性和耐转子金属修饰和流体溶胀。这些特性中的每个可提供协同作用，当相比于在所述行业中的之前设计时，其允许大得多的井下性能和长寿命。
[0069]虽然已经结合实践其优选的形式和对其的修改形式描述本文公开的概念，但是本领域普通技术人员将理解可对其进行许多其它修改。因此，不旨在通过以上说明以任何方式限制这些概念的范围。
【主权项】
1.一种推进腔式功率部分，其包含: 转子，以及 定子，其包含金属外管和石墨烯增强的弹性体定子内衬，所述内衬的弹性体材料包含: 石墨烯颗粒和橡胶。2.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 非官能化石墨烯颗粒，其基本上具有单个单碳层片厚度。3.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 非官能化石墨烯颗粒，其基本上具有二到三十层片厚度。4.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 官能化石墨烯颗粒，其基本上具有单个单碳层片厚度。5.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 官能化石墨烯颗粒，其基本上具有二到三十层片厚度。6.根据权利要求5所述的弹性体材料，其包含: 一个或多个石墨烯片，其具有共价键合到在每个石墨烯片中的一个或多个碳原子的官能团。7.根据权利要求5所述的弹性体材料，其包含: 官能团，其具有单键sp3杂化或与张紧碳键sp2杂化，因此使碳石墨烯片略变形。8.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的NBR中的石墨烯颗粒。9.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的NBR中的石墨烯颗粒。10.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到在100°c下门尼粘度为20到75门尼单位的NBR中的石墨烯颗粒。11.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的NBR中的石墨烯颗粒。12.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范围内的NBR中的石墨稀颗粒。13.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的HNBR中的石墨烯颗粒。14.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的HNBR中的石墨烯颗粒。15.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的HNBR中的石墨烯颗粒。16.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的HNBR中的石墨烯颗粒。17.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的HNBR中的石墨烯颗粒。18.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范围内的HNBR中的石墨稀颗粒。19.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的HNBR中的石墨烯颗粒。20.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到在100°c下门尼粘度为20到75门尼单位的XNBR中的石墨烯颗粒。21.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XNBR中的石墨烯颗粒。22.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XNBR中的石墨烯颗粒。23.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的XNBR中的石墨烯颗粒。24.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到丙稀腈含量在25 %到65 %范围内的XNBR中的石墨稀颗粒。25.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的XNBR中的石墨烯颗粒。26.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XHNBR中的石墨烯颗粒。27.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XHNBR中的石墨烯颗粒。28.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到75门尼单位的XHNBR中的石墨烯颗粒。29.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的XHNBR中的石墨烯颗粒。30.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的XHNBR中的石墨烯颗粒。31.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到丙烯腈含量在25 %到65 %范围内的XHNBR中的石墨烯颗粒。32.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到在100°C下门尼粘度为20到100门尼单位的氟弹性体基础聚合物中的石墨稀颗粒。33.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到100门尼单位的氟弹性体基础聚合物中的石墨稀颗粒。34.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到在100°C下门尼粘度为20到100门尼单位的氟弹性体基础聚合物中的石墨烯颗粒。35.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀分散到丙烯腈含量在25%到65%范围内的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀颗粒。36.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 无定形分散到丙烯腈含量在25%到65%范围内的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨稀颗粒。37.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 均匀并且无定形分散到丙烯腈含量在25%到65%范围内的具有羧酸官能化的聚合物的XHNBR中的石墨烯颗粒。38.根据权利要求1所述的弹性体材料，其包含: 以过氧化物诱导的交联间接交联到聚合物和石墨烯颗粒的过氧化/氧官能化石墨烯颗粒。39.—种形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述方法包括以下步骤: 形成所述定子的金属外管，以及 形成石墨烯增强的弹性体定子内衬，其中所述内衬的弹性体材料的形成包含将助剂添加到弹性体材料混合物以桥接过氧化物诱导的交联。40.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含马来化聚丁二烯。41.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含金属甲基丙烯酸酯有机盐。42.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含三官能丙烯酸酯。43.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含非亚硝基官能化助剂单体。44.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含二甲基丙烯酸丁二醇酯。45.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。46.根据权利要求39所述的形成石墨烯增强的弹性体定子的方法，其中所述助剂包含乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
【文档编号】F01C1/107GK106029565SQ201580008822
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月18日
【发明人】J·A·西西里恩
【申请人】雷米技术有限责任公司