隨行振動膠塞用芳綸纖維布復合材料的制備及摩擦磨損性能*

于 洋 景卜卜 楊廣元 徐桂鵬 原晨康 李爭光

(西安科技大學機械工程學院 陜西西安 710054)

在石油鉆井、固井中，使用隨行振動膠塞進行固井作業時，振動膠塞與套管進行共頻振動，與井壁進行自上而下的振動接觸，并與井下的巖石、水泥漿等產生劇烈的摩擦磨損，因此要求振動膠塞具有較好的耐磨性。此外，隨行振動膠塞在套管里長期工作，環境溫度高，要求膠塞材料有較高的耐熱性；隨行振動膠塞在鉆井、固井時，井下的水泥漿呈堿性，要求隨行振動膠塞具有較強的耐堿性。因此，對振動膠塞進行改性，增強振動膠塞的耐磨性，不僅可延長其使用壽命，減少振動膠塞的更換頻率，而且可在固井時使得水泥漿固化更加密實，開采油氣的安全性大幅提高，從而提高社會效益與經濟效益[1-2]。

芳綸纖維具有各種優良性能，例如高強度、高模量、耐堿性、密度小和耐磨損等，且芳綸纖維不污染環境、對人體無害，因此，芳綸纖維是一種較為理想的橡膠增強材料。研究人員通過試驗對影響芳綸纖維的耐磨性因素進行了研究。李鑫陵等[3]實驗研究了影響芳綸織物撕破強力的因素，結果表明：高密度平紋機織物，織物撕破強力與織物經緯密度成正比關系；中低密度平紋機織物，織物撕破強力與織物經緯密度成反比關系。劉旭軍等[4]對芳綸纖維在不同負荷和速度條件下的摩擦磨損情況進行了實驗分析，實驗結果表明：當負荷增大，芳綸纖維織物的摩擦因數降低，磨損率增大；摩擦速度對芳綸纖維織物的摩擦磨損情況影響不是很大；通過對織物擠壓變形和填充磨屑作用可改變摩擦時實際接觸面積，從而改善磨損現象。楊戰厚等[5]總結分析了芳綸纖維在復合摩擦材料中的應用，認為芳綸纖維較玻璃纖維、碳纖維等強度高、密度小、耐熱、穩定性好，是作為增強易磨損材料耐磨性的首選增強材料；在摩擦材料添加40%(體積分數)以上凱夫拉纖維時，摩擦材料的磨損率會降到最低。陳東和魯亮[6]對芳綸纖維在制動摩擦過程中摩擦表面變化和制動摩擦過程中的作用進行了分析，得出：在制動摩擦過程中，芳綸表面出現了局部過熱、軟化現象，從而形成了黏著磨損，加劇了芳綸纖維的摩擦磨損，降低了摩擦因數；芳綸纖維在制動摩擦過程中并不適合單獨作為耐磨性材料，應和其他耐磨材料一起作為復合耐磨材料，才能達到在高強度的制動摩擦條件下使摩擦材料的損耗減小。上述研究表明，研究人員已通過各種試驗對影響纖維織物的耐磨性因素進行了研究分析，而目前國內外針對影響芳綸纖維織物耐磨性的因素研究相對較少，并且在研究織物不同經緯密度對其耐磨性影響過程中并沒有提出如何試織不同經緯密度的試驗織物，因此研究影響芳綸纖維耐磨性的因素和提出試織不同經緯密度織物的方法可為摩擦材料的研發提供參考。

目前國內外研究表明，芳綸纖維是非常適合用于增強易摩擦材料的復合纖維材料。本文作者提出采用芳綸纖維來提高隨行振動膠塞的耐磨性，探討影響芳綸纖維耐磨性的主要因素，從摩擦轉速和芳綸織物的經緯密度2個方面分析對芳綸纖維耐磨性的影響，得出最合適的摩擦轉速和最優經緯密度；以最優的經緯密度來試織芳綸纖維織物，然后將試織好的芳綸纖維粘附于隨行振動膠塞，研究其耐磨性。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

李鑫陵等[3]實驗研究指出：當纖維織物的經緯密度相等時織物的各種性能比較強；宋孝浜[7]實驗研究指出：加捻的纖維織物耐磨性比退捻的纖維織物耐磨性高。因此在研究芳綸織物經緯密度對其耐磨性能影響時，采用浙江軒泰新材料有限公司生產的6股21tex加捻芳綸1414長絲為原料。

采用YG020A-30kg型單紗強力機(常州市雙固頓達機電科技有限公司生產，如圖1所示)測得6股21tex加捻芳綸1414長絲的斷裂伸長率為15.33%，斷裂強力為7.35 N；采用YG155B型電子紗線捻度機(常州市雙固頓達機電科技有限公司生產)測得紗線的捻度為764 T/m，紗線回潮率為5.11%。

圖1 YG020A-30kg型單紗強力機

1.2 試樣制備

根據Bnierley經驗公式計算出芳綸織物最大的上機密度：

(1)

式中：Pmax為織物最大等經緯密度，根/(10 cm)；K為紗線織物類別常數，芳綸1414長絲纖維紗取35.0；f為織物組織平均浮長，平紋組織取1；m為經驗法組織常數，平紋組織取1；Nt為紗線線密度，Nt=21tex。

由式(1)得：

Pmax=240根/(10 cm)

因此，根據Bnierley經驗公式計算出芳綸織物最大的上機密度為240根/(10 cm)，則試驗試樣織物的經緯密度可設計為每10 cm 240根×240根、220根×220根、200根×200根、180根×180根、160根×160根、140根×140根。將試樣分別標號為FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、FL6。

根據設計的6種等經緯密度織物，在寧波慈星股份有限公司生產的CX1-52EC橫機上(如圖2所示)進行自動制織試驗樣品，每個樣品規定制織約100 mm×200 mm。

圖2 CX1-52EC橫機

1.3 主要設備與試驗方法

采用中國臺灣高鐵檢測儀器公司生產的GT-7012-D DIN磨耗試驗機(如圖3所示)對6種試樣進行摩擦磨損試驗。磨耗機的滾筒、摩擦測試示意圖分別如圖4、5所示。試驗前后試樣質量由電子天平測得。試驗前，將制備的芳綸試樣粘貼于萬能磨耗機的摩擦基板表面，摩擦基板隨摩擦滾筒轉動[8-11]。試驗載荷設為45 N，摩擦滾筒轉速設為100 r/min，摩擦時間設為30 min。

圖3 DIN磨耗試驗機

圖4 DIN磨耗試驗機滾筒

圖5 DIN磨耗試驗機摩擦測試示意

由于摩擦因數在實驗過程中是不斷變化的，因此，當摩擦處于相對穩定狀態后選取幾個摩擦因數，取平均值。

摩擦因數計算公式為

(2)

式中：μ為摩擦因數；M為摩擦力矩(N·m)；F為試驗載荷(N)；L為試樣摩擦表面的有效長度(cm)。

試樣磨損率計算公式為

(3)

式中：Δw為試樣的磨損率；m1為試驗前試樣質量(g)；m2為試驗后試樣質量(g)；ρ為試樣密度(g/cm3)；F為試驗載荷(N)；L為試樣摩擦表面的有效長度(cm)。

試驗前后試樣質量m1、m2均由EX124ZH型電子天平測得，分別測試3次取平均值。試樣密度ρ為由芳綸生產廠家提供，制備的6種試樣的ρ均取1.44 g/cm3。

2 結果與討論

2.1 不同織物經緯密度對耐磨性的影響

根據振動膠塞工作條件，設定載荷為45 N，摩擦滾筒轉速為100 r/min，摩擦時間為30 min，對制備的6種試樣進行了摩擦磨損試驗，結果如表1所示。

表1 不同經緯密度織物的摩擦因數和磨損率

由表1可得出不同經緯密度織物試樣與摩擦因數變化曲線和擬合曲線如圖6所示，不同經緯密度織物試樣與磨損率變化曲線和擬合曲線，如圖7所示。在復合材料進行磨損試驗時，纖維織物經緯紗線的上表層受壓，經緯紗線的下表層則受拉，如圖8所示[12-15]。

由圖6可分析出，在相同摩擦轉速(100 r/min)和載荷(45 N)條件下，隨著芳綸纖維的經緯密度的增加，織物的摩擦因數呈下降的趨勢。其中從試樣FL1(每10 cm 140根×140根)到試樣FL2(每10 cm 200根×200根)摩擦因數下降趨勢最大，從試樣FL4(每10 cm 200根×200根)到試樣FL6(每10 cm 240根×240根)摩擦因數下降趨勢趨于穩定。

由圖7可分析出，隨著織物經緯密度不斷增加，芳綸纖維的磨損率在不斷減小。其中從試樣FL1(每10 cm 140根×140根)到試樣FL4(每10 cm 200根×200根)的磨損率減小較大，從試樣FL4(每10 cm 200根×200根)到試樣FL6(每10 cm 240根×240根)的磨損率減小較小。

圖7 不同經緯密度試樣的磨損率曲線

由圖8可分析出纖維的經紗受力大小與屈曲角有關，當纖維的緯紗密度增加時，纖維的經紗與水平的夾角α增大，當夾角α增大會使垂直于在經紗上的分力Fcosα而減小，所以作用在復合材料上的彈性模量會隨緯密的增加而增大。

圖8 芳綸纖維布經緯截面與受力

由圖6、7可總結出：芳綸纖維布紡織的密度越大，紗線間的間隙越小，則耐磨性越強。這是因為紗線越粗，在擠壓作用下纖維間的抱合力越大，承受摩擦的纖維根數也越多，紗線耐磨壽命增加，織物的磨損率降低，所以耐磨性越好。即6股21tex加捻芳綸1414織物經緯密度在每10 cm 240根×240根時耐磨性可達最佳狀態。

圖6 不同經緯密度試樣的摩擦因數曲線

2.2 不同摩擦轉速下芳綸纖維的耐磨性

采用耐磨性最好的試樣FL6(每10 cm 240根×240根)，設定試驗載荷為45 N，摩擦時間為30 min，在不同摩擦轉速下考察芳綸纖維的耐磨性[16-18]。試驗摩擦轉速分別設為80、90、100、110、120、130 r/min，結果如表2所示。

表2 不同摩擦轉速下織物的摩擦因數和磨損率

由表2可得出織物不同摩擦轉速與摩擦因數變化曲線和擬合曲線，如圖9所示，織物不同摩擦轉速與磨損率變化曲線和擬合曲線，如圖10所示。

由圖9可分析出：芳綸纖維織物經緯密度不變時，其摩擦因數隨著摩擦轉速的增加呈先減小后增加的變化規律；在轉速為110 r/min時摩擦因數最小，為0.42。由圖10可分析出：芳綸纖維織物經緯密度不變時，其磨損率隨著摩擦轉速的提高呈先降低后升高的變化規律；在轉速為110 r/min時磨損率最小，為1.4×10-3mm3/(N·m)。

圖10 不同摩擦轉速下試樣的磨損率曲線

由圖9、10可總結出：織物經緯密度(每10 cm 240根×240)一定的條件下，在一定摩擦轉速范圍內，織物耐磨性可達到最佳狀態；當摩擦轉速過高時，摩擦運動就會過于劇烈，紗線的摩擦因數和磨損率就會提高；當摩擦速度為110 r/min時，6股21tex加捻芳綸1414織物的耐磨性可達到最佳狀態。

圖9 不同摩擦轉速下試樣的摩擦因數曲線

3 結論

(1)芳綸復合材料的耐磨性與芳綸織物的經緯密度有很大的關系，隨著芳綸纖維織物經緯密度的增大，復合材料的摩擦因數和磨損率減小。這是因為隨芳綸復合材料經緯密度的增大，芳綸織物的間隙逐漸減小，致密性則越來越好，紗線越粗，在擠壓作用下纖維間的抱合力越大，承受摩擦的纖維根數越多，從而提高了材料的抗拉、抗彎曲性能，增加了材料的接觸面積，進而提高了織物的抗磨損性能。

(2)摩擦轉速影響芳綸復合材料的耐磨性，隨著摩擦轉速的提高，芳綸復合材料的摩擦因數和磨損率呈先減小后增加的變化規律，存在一個最佳摩擦轉速范圍，可使芳綸復合材料的耐磨性達到最佳狀態。即當摩擦速度為110 r/min時，6股21tex加捻芳綸1414織物的耐磨性可達到最佳狀態。

(3)當摩擦速度過高時，芳綸織物運動劇烈，其摩擦因數和磨損率增大，導致其抗磨損性能下降。考慮到速度過高會對芳綸織物造成劇烈損傷，所以隨行振動膠塞在下井時必須控制在一定轉速范圍之內。