一种固体自润滑涂层及其制备方法与流程

本发明属于自润滑涂层材料，具体的，涉及一种固体自润滑涂层及其制备方法。

背景技术：

1、磨损失效是工程应用中材料和零件失效的主要原因，采用先进的润滑材料和技术是减小磨损的有效办法。

2、油套管是石油开采工程中的专用管材，在钻井结束后套管支撑井壁，油管则将原油和天然气输送到地表，最终完成油气开采。这个过程中油管和油管之间以及套管与套管之间需要通过螺纹接头实现连接，利用螺纹接头将油管及套管串联成管柱完成油气开采任务。

3、油管及套管串联成管柱过程中，螺纹之间会产生摩擦，现有油套管螺纹涂层技术润滑市场需求；目前主要采用普通丝扣油（螺纹脂）为润滑油，再加19%到25%的铅、锌、锂和石墨等无机填料，螺纹脂会污染环境；并且在海洋（北海、地中海）、巴西热带雨林等环保要求高的地方开发，不允许使用螺纹脂；在允许使用螺纹脂的地区，若在钻台上涂抹螺纹脂过多，则可能多余的螺纹脂挤进油套管，掉入井底后污染储层，影响出产的石油品质。

4、因此，迫切需要一种能应用于油套管螺纹摩擦部件表面以降低其摩擦磨损给予油套管螺纹有效的防护的工艺技术来解决以上问题并寻求更可行的解决方案。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种固体自润滑涂层及其制备方法，用于满足油套管螺纹的润滑需求；并克服现有螺纹脂挤进油套管，掉入井底后污染储层，影响出产的石油品质的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：一种固体自润滑涂层，各组分以重量份计，包括以下成分：苯乙炔封端聚酰亚胺40-50份、5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯5-15份、颜填料5-8份、助溶剂4-6份、消泡剂2-6份；

3、所述苯乙炔封端聚酰亚胺，各组分以重量份计，包括以下成分：双酚a型二酐4-10重量份、4-苯乙炔苯酐1重量份、4，4’-二氨基二苯醚10重量份、n，n-二甲基甲酰胺20重量份、三乙胺3重量份、乙酸酐3重量份。

4、苯乙炔封端聚酰亚胺的制备：在带有机械搅拌的反应容器中加入4，4’-二氨基二苯醚和n，n-二甲基甲酰胺，在室温下充分搅拌，待溶解后，缓慢加入双酚a型二酐与4-苯乙炔苯酐的均匀混合物；混合均匀后，将反应容器置于冰水浴中，反应5h；得到中间产物苯乙炔封端聚酰胺酸溶液；将三乙胺和乙酸酐按照1:1的质量比，缓慢加入苯乙炔封端聚酰胺酸溶液中，并将反应容器置于60摄氏度水浴中，反应3h；随后将反应后的混合物倒入至足量无水乙醇中析出，获得淡黄色的沉淀，对制备得到的沉淀进行多次的洗涤过滤后，将其置于120摄氏度烘箱中烘干至恒重，即制备获得苯乙炔封端聚酰亚胺。

5、5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯的制备：称取氟化石墨加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，进行超声分散随后将超声分散后的溶液进行高速机械剪切搅拌，搅拌完成后；将溶液进行离心处理，取上层清液，抽滤洗去过量的聚乙烯吡咯烷酮，之后将其放入真空干燥箱中干燥，得到黑色沉淀；随后将黑色沉淀和5-氨基邻甲酚研磨混合均匀后，将混合物加入反应容器中，于氩气保护条件下充分反应；然后加入蒸馏水至反应容器中，随后抽滤获得黑色试样，最后将黑色试样用蒸馏水和乙醇溶液反复多次洗涤后，即制备得到5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯。

6、固体自润滑涂层的制备方法：按配方称取5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯与助溶剂，利用超声将两者混合均匀，得到混合物a；按配方称取苯乙炔封端聚酰亚胺、颜填料加入分散罐中，在转速300-600r/min的搅拌条件下搅拌分散均匀，得到混合物b；最后将混合物a加入到混合物b中，再添加消泡剂，在转速800-1200r/min的搅拌条件下，搅拌分散均匀后，即制备得到固体自润滑涂层。

7、一种应用于油套管螺纹的固体自润滑涂层的制备方法：首先对螺纹接头油管接箍处进行脱脂处理，采用硅酸钠和磺酸盐的混合溶液，充分喷淋在螺纹处，反应10min后，用无水乙醇和脱脂棉擦拭掉螺纹表面可能存在的碎屑和灰尘；最后用等离子水冲洗，擦干后用喷枪沿螺纹表面来回均匀喷涂，喷涂的压力为0.5-0.8mpa；喷枪嘴与螺纹表面的距离为120-150mm，涂层厚度控制在20-35μm；将喷涂完成后的试样放入电热鼓风干燥箱中，于260摄氏度下烧结10min，并随炉冷却，待冷却到常温后，即完成应用于油套管螺纹的固体自润滑涂层的制备。

8、本发明具有的有益效果：

9、1、本发明通过引进封端改性后的聚酰亚胺，其发生交联反应无需其他助剂或交联剂，交联反应过程中无挥发性副产物逸出，不会污染储层，影响出产的石油品质；并且封端改性后的聚酰亚胺相较于未改性的聚酰亚胺，其基本的力学性能拉伸强度和微观硬度得到了提升，在摩擦过程中，优异的力学性能使得其更难被对偶材料剥离；微观硬度的提升有利于材料抵抗负载所带来的破坏和降低相应的磨损变形；

10、2、固体自润滑涂层中氟原子的引入，使得氟化石墨烯相较原始石墨烯拥有了更大的层间距和更弱的层间剪切力，因此具备了较原始石墨烯表现出更好的润滑性能；

11、3、本发明通过亲核取代反应将氨基表面修饰在氟化石墨烯上，使得其不仅具有良好的分散性，能均匀分散在聚酰亚胺基体中，还赋予了氟化石墨烯和酰亚胺分子间形成氢键作用力，使得涂层的拉伸强度和耐磨损性能得到了提升；含氨基小分子链段的引入，使得氨基化氟化石墨烯在涂层中均匀取向的分散，而且构建了相容性和热稳定性好的共价键作用界面，提高涂层的化学稳定性。

技术特征：

1.一种固体自润滑涂层，各组分以重量份计，包括以下成分：苯乙炔封端聚酰亚胺40-50份、5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯5-15份、颜填料5-8份、助溶剂4-6份、消泡剂2-6份。

2.根据权利要求1所述的固体自润滑涂层，其特征在于，各组分以重量份计，包括以下成分：苯乙炔封端聚酰亚胺42份、5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯8份、颜填料6份、助溶剂4份、消泡剂4份。

3.根据权利要求1所述的固体自润滑涂层，其特征在于，各组分以重量份计，所述苯乙炔封端聚酰亚胺包括以下成分：4-10份双酚a型二酐、1份4-苯乙炔苯酐、10份4，4’-二氨基二苯醚、20份n，n-二甲基甲酰胺、3份三乙胺、3份乙酸酐。

4.根据权利要求1所述的固体自润滑涂层，其特征在于，所述颜填料为钛白粉、氧化铝、亲水性二氧化硅中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的固体自润滑涂层，其特征在于，所述助溶剂为乙二醇、乙二醇乙醚中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的固体自润滑涂层，其特征在于，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷、高碳醇和磷酸三丁酯中的一种或多种。

7.如权利要求1-6任一项所述的固体自润滑涂层，其特征在于，所述苯乙炔封端聚酰亚胺的制备方法为：在带有机械搅拌的反应容器中加入4，4’-二氨基二苯醚和n，n-二甲基甲酰胺，在室温下充分搅拌，待溶解后，缓慢加入双酚a型二酐与4-苯乙炔苯酐的均匀混合物；混合均匀后，将反应容器置于冰水浴中，反应5h；得到中间产物苯乙炔封端聚酰胺酸溶液；将三乙胺和乙酸酐按照1:1的质量比，缓慢加入苯乙炔封端聚酰胺酸溶液中，并将反应容器置于60摄氏度水浴中，反应3h；随后将反应后的混合物倒入至足量无水乙醇中析出，获得淡黄色的沉淀，对制备得到的沉淀进行多次的洗涤过滤后，将其置于120摄氏度烘箱中烘干至恒重，即制备获得苯乙炔封端聚酰亚胺。

8.如权利要求1-6任一项所述的固体自润滑涂层，其特征在于，所述5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯的制备方法为：称取氟化石墨加入到聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液中，进行超声分散随后将超声分散后的溶液进行高速机械剪切搅拌，搅拌完成后；将溶液进行离心处理，取上层清液，抽滤洗去过量的聚乙烯吡咯烷酮，之后将其放入真空干燥箱中干燥，得到黑色沉淀；随后将黑色沉淀和5-氨基邻甲酚研磨混合均匀后，将混合物加入反应容器中，于氩气保护条件下充分反应；然后加入蒸馏水至反应容器中，随后抽滤获得黑色试样，最后将黑色试样用蒸馏水和乙醇溶液反复多次洗涤后，即制备得到5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯。

9.如权利要求1-6任一项所述的固体自润滑涂层的制备方法，其特征在于，所述固体自润滑涂层的制备方法：按配方称取5-氨基邻甲酚改性氟化石墨烯与助溶剂，利用超声将两者混合均匀，得到混合物a；按配方称取苯乙炔封端聚酰亚胺、颜填料加入分散罐中，在转速300-600r/min的搅拌条件下搅拌分散均匀，得到混合物b；最后将混合物a加入到混合物b中，再添加消泡剂，在转速800-1200r/min的搅拌条件下，搅拌分散均匀后，即制备得到固体自润滑涂层。

10.一种如权利要求1-6任一项所述的固体自润滑涂层在油套管螺纹上的应用，其特征在于，所述应用于油套管螺纹的固体自润滑涂层的制备方法为：首先对螺纹接头油管接箍处进行脱脂处理，采用硅酸钠和磺酸盐的混合溶液，充分喷淋在螺纹处，反应10min后，用无水乙醇和脱脂棉擦拭掉螺纹表面可能存在的碎屑和灰尘；最后用等离子水冲洗，擦干后用喷枪沿螺纹表面来回均匀喷涂，喷涂的压力为0.5-0.8mpa；喷枪嘴与螺纹表面的距离为120-150mm，涂层厚度控制在20-35μm；将喷涂完成后的试样放入电热鼓风干燥箱中，于260摄氏度下烧结10min，并随炉冷却，待冷却到常温后，即完成应用于油套管螺纹的固体自润滑涂层的制备。

技术总结
本发明公开了一种固体自润滑涂层及其制备方法，属于表面处理技术领域；按重量份数计，涂层包括以下组分：苯乙炔封端聚酰亚胺40‑50份、5‑氨基邻甲酚改性氟化石墨烯5‑15份、颜填料5‑8份、助溶剂4‑6份、消泡剂2‑6份。本发明通过亲核取代反应将氨基表面修饰在氟化石墨烯上，使得其不仅具有良好的分散性，能均匀分散在聚酰亚胺基体中，还赋予了氟化石墨烯和酰亚胺分子间形成氢键作用力，使得涂层的拉伸强度和耐磨损性能得到了提升；含氨基小分子链段的引入，使得氨基化氟化石墨烯在涂层中均匀取向的分散，而且构建了相容性和热稳定性好的共价键作用界面，提高涂层的化学稳定性。

技术研发人员：何毅,范毅,郭睿,顾香,李新锐
受保护的技术使用者：成都石大力盾科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15