油田密封件用耐碱氟橡胶

选择一种适用于油田密封应用的材料，需要在各种要求中寻求平衡点。氟橡胶用于含有阻蚀剂和硫化氢的环境中，但是成本偏高或者牺牲耐芳香烃和低温等密封性能。直到近期，全氟橡胶被开发出来。

这种技术可赋予材料耐芳香烃、耐油以及耐低温等性能。本文将讨论此材料组成、耐流体性、耐硫化氢性以及用于油田应用的混炼配方示例。

氟化橡胶
氟橡胶的基本单体几乎都是VF2、HPF、TFE或PMVE。由VF2和HFP生成的共聚物，一般被定为第1类FKM，并且一般氟含量大约在66%。在第2类FKM为三元聚合物，TFE作为第3种单体参与聚合，用于提高氟含量。根据不同的牌号，氟含量可达到67%到70%。三元聚合物和二元聚合物各有优势。

三元聚合物具有更好的耐化学性，但是耐低温性变差。这就要求一种同时具有较好耐化学性和耐低温性的FKM。在聚合物的碳架上加入PMVE能够改善耐低温性，针对此目的一系列FKM被生产出来。此外可以通过两种硫化体系来定义氟橡胶
离子硫化（双酚AF、BAF）和过氧化物硫化FKM是*常用的硫化体系。BAF硫化体系几乎是二元胶专有的硫化体系，因为这种硫化体系提供了*好的耐热性能以及优异的压缩长久变形性。当聚合物碳架上氟含量和PMVE含量升高，有效的硫化点减少，这样就要求使用另一种硫化体系来达到要求的硫化状态。一般来说，在聚合物的链端添加含卤素原子的交联单体。交联单体(CSM)用于与三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)进行交联。过氧化物硫化体系比双酚硫化体系具有更好的耐化学性。

FEPM类的氟化橡胶，组成单体包括丙稀和TFE，或丙稀、TFE以及PMVE。

全氟橡胶
材料的选择

每种橡胶相比都有各自的优势和劣势。在密封应用中，需要通过考虑多种性质来选择合适的橡胶
双酚硫化FKM具有很好的耐芳香烃和耐油性能，但是耐碱、耐高温水、耐硫化氢的性能较差。过氧化物硫化的FKM 橡胶
基于TFE/P的FEPM橡胶耐芳香烃性能差，在含有芳香类物质的流体中体积溶胀很大。由于Tg高于0℃，所以即使是耐低温牌号的TFE/P也不适用于多种低温应用。FEPM橡胶
全氟橡胶可用于几乎所有的油田流体环境，包括含有硫化氢的流体。将FFKM用于通常的密封应用是可行的，但是可能因为性能超过了实际工程需要而导致不必要的成本损失。与基于TFE/P的橡胶制品。橡胶定义为第5类氟橡胶
耐碱性氟化橡胶
由于汽车工业和油田工业发展的需要，大量的研发力量用于开发耐碱性的氟化橡胶通过两种不同结构的传统氟化橡胶
不含VF2的氟化橡胶
不含HFP的氟化橡胶
这些材料，由于完全不含有碱敏感点，所以表现出优异的耐碱性能。显然，不含有VF2的系列橡胶在不含有HFP的氟化橡胶
为了达到价格与性能的平衡，一种新的方法被用于开发耐碱型的材料：这种方法被定义为“保护单体方法”。主要设计思想是在不去除VF2和HFP的情况下，通过严格控制的聚合手段，在共聚物中引入一种特殊的单体，从而减少对碱敏感单体的总量。为了达到这种效果，需要引入一种对氟化自由基的反映活性尽可能高的单体。此外，这种单体需要具有较好的电负性，以减轻来自于含有碱敏感点的CH2单元上的HFP的电子进攻效应。氢化烯烃(尤其乙烯)能够满足这些要求，用作保护单体。聚合物在不锈钢高压锅中通过微乳聚合得到。聚合在间歇式条件下进行，也就是说持续加入气相的单体蒸汽，以保证在整个聚合过程中聚合物的组成保持稳定。引发剂为水溶性的(NH4)2S2O8（过硫酸铵）。链转移剂，名为全氟烷基碘(I-(CF2)n-I)，用于在聚合物中引入碘原子，实现自由基硫化。通过一种有机过氧化物和不饱和交联剂（例如三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)）的相互作用，得到*终硫化成品。

通过这种方法，Tecnoflon?BR9151通过5种不同单体的共聚得到，VF2、HFP、TFE、PMVE和乙烯；然而，所谓的保护基团作用并不局限于这种特殊的聚合物。实际上，通过在单体分布平衡性很好的聚合物中加入特殊的单体，可以开发很多新的牌号。拥有良好的耐碱性，并具有各种温度下的回弹性能。

讨论

这种新材料（FKM-BR 9151）的相关性能显示如下，并且下文将着重于油田市场情况。列举了不同类型橡胶
如表1所示，二元FKM具有良好的耐芳香烃和耐油性，但是耐蒸汽、耐胺、耐甲醇、耐硫化氢性能较差。As FKM-P959由于具有较高的氟含量，所以耐甲醇性能较好，并且由于使用过氧化物硫化体系，耐蒸汽性能也较好。使用保护单体方法的FKM-BR9151除了具有二元FKM和FKM-P 959的特性以外，还具有很好的耐胺性和耐硫化氢性。

以下将对上述的每一个性能指标，通过对各个类型材料的数据比较进行详细叙述。

在烃类中的体积溶胀

类似于传统的FKM，由于内在的极性结构，FKM BR9151表现出优异耐脂肪烃和耐芳香烃性此外，由于TFE/P聚合物的非极性以及使用丙稀作为共聚单体，导致在烃类物质中的溶胀强烈。

在硫化氢中的体积溶胀

与TFE/P聚合物和FFKM相比，FKM-BR9151表现出优异的耐H2S性能。并且比传统双酚硫化和过氧化物硫化的FKM要好。

耐胺类性能

同样对于胺类物质，例如苯胺，与TFE/P聚合物和FFKM相比，FKM-BR9151表现优异。并且比传统双酚硫化和过氧化物硫化的FKM要好。

耐低温

进一步研究各种类型橡胶在动态密封应用中的一个温度指标。二元FKM，过氧化物硫化FKM和FKM BR9151的TR-10值都低于0℃，可使用于深水和北方海洋应用。而TFE/P和FFKM的TR-10值高于0℃，这就限制了它们在低温应用中的使用。对比可选的材料，FKMBR 9151比TFE/P 或FFKM 在低温环境中有更多的设计选择。

物理机械性能

标准硬度75的FKM-BR9151的拉伸强度大约比双酚硫化的二元FKM要高出大约40%。强度增加是使用微乳聚合以及过氧化物硫化的结果。就扯断伸长率而言，与拉伸强度类似，微乳聚合过氧化物硫化的FKM要比二元FKM性能好。这些性能使开发高硬度并且伸长率高的混炼胶成为可能，并且这是很多密封件设计所期望的性能。

配方

表2显示了典型的FKM BR 9151 混炼胶配方。邵氏硬度分别为75和90，挤出和耐爆发性减压型混炼胶。

使用碳黑填料的混炼胶表现出高强度和扯断伸长率。由上可见，FKM-BR9151不需要长时间的二段硫化来达到优异的物理性质或良好的抗压性能。一般不超过4小时的二段硫化即可达到*佳物理性能。

FKM-BR 9151的聚合技术和硫化技术使之可胜任于高温环境的油田密封应用。FKM-BR9151的起始强度和伸长率越高，则在高温应用的使用范围就越广，因为其中物理性能是关键。

耐爆发性减压性能

FKM-BR 9151可被复合，其耐爆发性减压结果表明于附图中。

上图显示了一个经过E.D.测试的O型圈截面图。参考NACE TM192-2003,AS568-325O型圈样品，100％CO2，750psi,在23℃下24小时，减压时间<1分钟，在减压结束10分钟后测量结果。截面图为10倍放大比例，但图中未标明尺寸。

结论：ASTM D1418-05标准说明了几种含氟聚合物，包括FKM、FEPM和FFKM。在FKM中，根据单体组成可分为5类。FKM BR9151，对应 ASTM D1418-05中描述的第5类单体组成，使用“保护单体方法”，使链上单体严格排序以产生耐碱性能，并使用过氧化物硫化来提高耐化学性能。使用微乳聚合来严格控制聚合过程，使生成的聚合物具有平衡的性能以满足包括油田市场的广泛应用要求。现在市场上可用的技术的优势在于允许客户在更广的应用环境中提高他们的密封件质量。FKM和基于TFE/P的聚合物在油田应用中的局限性通过另一种聚合物得到解决。FKMBR 9151的耐碱技术满足了更广的耐流体性以及更好的物理机械性能，这在油田应用中是很重要的。该技术给予了聚合物优异的物理机械性能，耐硫化氢、耐芳香烃、耐油、耐蒸汽以及耐胺性能，并改善了耐低温密封性能。这种多功能并改进的性能使得油田工程人员能够简单地选择适合多数油田应用得材料。

由于与高价材料、二元氟胶以及FEPM相比，FKM BR9151具有较好的性价比，并且对于密封应用不会性能过低，也不会因应用环境发生改变而产生问题，可作为油田应用材料的**选择。对于通常密封材料的使用，出于节约成本和方便要求，不需要存储多种密封材料制成的各种部件。
www.seafar.cn专业生产油田密封件用耐碱FKM四丙氟橡胶