Полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсии

Полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсии

Реферат

Изобретение относится к области полимерных материалов, а именно к композиционным материалам на основе полипропилена, предназначено для изготовления методом литья под давлением коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии, и может быть использовано в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности, где требуется разделение нефтеводяных или масловодяных дисперсных систем.

В настоящее время нефтяная промышленность испытывает нарастающее ухудшение структуры запасов нефти. В составе сырьевой базы увеличивается количество добывающих скважин с высокой обводненностыо, поэтому отделение воды от сырой нефти является одной из первостепенных задач нефтедобывающей отрасли. Существует также проблема разделения масловодяных эмульсий, например, трансформаторного масла и воды. Для решения этих задач в мировой практике используют различные методы и устройства, в том числе с применением разнообразных полимерных материалов.

Известен ряд аппаратов для разделения нефтеводяных или масловодяных эмульсий, основным узлом которых является коалесцирующая перегородка (а.с. SU № 1837929, МПК В 01 D 17/028, опубл. 30,08.1993, Б.И. №32; перегородка изготовлена из гидрофобного углеродсодержащего материала) или коалесцирующий пакет в виде совокупности наклонных полок, смонтированных с образованием плоскостей волнообразной формы (а.с. SU № 1733038, МПК B 01 D 17/02, опубл. 15.05.1992, Б.И. №18; полки выполнены из фторопластовой пленки) или в виде пакета параллельных пластин, которые имеют выступы, поднимающиеся вдоль одной стороны и спускающиеся вдоль другой стороны пластин по направлению движения эмульсии (патент SU №2038113, МПК B 01 D 17/02, опубл. 27.06.1995, Б.И. №18; пластины выполнены из гидрофобного конструкционного материала) или в виде другого конструктивного исполнения, направленного на организацию движения скоагулированных частиц легкой (нефть или масло) и тяжелой (вода) фаз для обеспечения их раздельного движения.

Следует отметить, что обязательным условием работоспособности материалов, используемых для изготовления коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии, является гидрофобностъ, поскольку процесс укрупнения частиц идет за счет контактных взаимодействий составляющих эмульсии с поверхностью фильтрующих элементов. К материалам, используемым в нефтедобывающем и нефтеперерабатывающем производстве и контактирующим с агрессивной средой, каковой является сырая нефть, предъявляются также требования химической стойкости, механической прочности, термостабильности и экологической безопасности. Кроме того, полимерные материалы, предназначенные для изготовления изделий методом литья под давлением, должны иметь высокую текучесть в расплаве (низкую вязкость). Это необходимое условие при производстве коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя нефтеводяной или масловодяной смеси, которые являются тонкостенными изделиями, имеющими толщину 1,0-1,3 мм. Полимерный материал для пластин коалесцирующего пакета разделителя нефтеводяной или масловодяной смеси должен также обладать теплостойкостью, так как при эксплуатации пакета пространство между пластинами со временем забивается нефтью или маслом, а его очистку осуществляют с помощью острого пара, имеющего температуру 130-140°С.

В наибольшей степени степени вышеперечисленным требованиям могут отвечать наполненные композиции на основе полипропилена. Следует отметить, что применение наполнителей - наиболее широко используемый метод модификации свойств полипропилена, позволяющий увеличить прочность, твердость, жесткость, теплостойкость, морозостойкость, износостойкость при истирании, стабильность размеров и улучшить другие свойства, важные при использовании полипропилена в качестве конструкционного материала. Основными требованиями, предъявляемыми к наполнителям для пропилена, являются: низкая плотность, химическая чистота и высокая степень белизны, низкая абсорбционная способность, узкий диапазон размеров частиц (как правило, от 1 до 15 мкм), дешевизна (Иванюков Д.В, Фридман М.Л. Полипропилен /свойства и применение/. - М.: Химия, 1974, с. 125).

Известна полипропиленовая формовочная смесь для изготовления фасонных деталей с декоративной поверхностью (патент РФ №2154657, МПК⁷ C 08 L 23/12, опубл. 20.08.2000), включающая: а) 85-50 вес.% изотактического полипропилена или сополимеров пропилена с почти до 10 вес.% этилена; б) 5-30 вес.% каучукообразных, совместимых с полипропиленом сополимеров; в) 10-40 вес.% усиливающих наполнителей и 0,3-3 вес.% в расчете на а)+б)+в) углеродных волокон с длиной волокна 0,5-18 мм. В качестве усиливающих наполнителей предпочтительно используют тальк, мел, стекловолокна или стеклянные шарики.

Техническим результатом известного состава является создание материала, который путем литья под давлением приводит к фасонным деталям, обладающим подобным текстилю видом и предназначенным для применения в салоне автомобиля. Известный материал обладает повышенной термостойкостью, высокой прочностью, однако он не пригодендля изготовления коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии, так как присущие ему реологические свойства (высокая вязкость) не позволяют изготавливать из него тонкостенные изделия, а недостаточнаяхимическаястойкостьне даетвозможности использовать его в агрессивных средах в виду наличия в его составе волокон, межмолекулярное физическое взаимодействие которых с полипропиленом является недостаточным для предотвращения процесса межмолекулярной диффузии сырой нефти или масла, возникающей при эксплуатации изделия, и которая неизбежно приведет к физической деструкции, а как следствие - к потере материалом физико-механических и эксплуатационных свойств.

Известна полимерная композиция (патент RU №2030427, МПК⁶ С 08 L 23/12, С 08 К 13/02, опубл. 10.03.95), включающая: 52,0-72,5 мас.% полипропилена, 20-40 мас.% неорганического наполнителя, 3-5 мас.% полиэтилена высокого давления, 2,4-2,6 мас.% стеарата кальция, 0,4-0,6 мас.% полиэтилгидросилоксановой жидкости и предназначенная для изготовления изделий различного назначения (тара, мебель и т.п.) методом литья под давлением.

Известная композиция имеет сравнительно невысокие показатели физико-механических свойств, что наряду с присущими ей низкими показателями теплостойкости, химической стойкости и текучести расплава (ПТР), не позволяет использовать данную полимерную композицию для изготовления коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии.

Задачей предлагаемого изобретения является создание материала, пригодного для перерабатывания в изделия литьем под давлением и обладающего улучшенным комплексом физико-механических, теплофизических, химических и эксплуатационных свойств, позволяющих использовать его для изготовления коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии.

Поставленная задача достигается тем, что полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсии содержит полипропилен, имеющий показатель текучести расплава 3-6 г/10 мин, полипропилен, имеющий показатель текучести расплава 13-25 г/10 мин, мелкодисперсный неорганический наполнитель, представляющий собой мраморную муку, стабилизирующую добавку в виде эфира 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил пропионовой кислоты и пентаэритрита, и технологические добавки - стеарат цинка и вазелиновое масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полипропилен с показателем текучести

расплава 3-6 г/10 мин 50-60

полипропилен с показателем текучести

расплава 13-25 г/10 мин 20-30

мраморная мука 16-18

стеарат цинка 1,2-1,8

вазелиновое масло 1,0-1,3

эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил

пропионовой кислоты и пентаэритрита 0,8-1,0

Предлагаемый полипропиленовый композиционный материал имеет хорошие прочностные характеристики (прочность при растяжении 28-34 МПа, относительное удлинение 90-110%, твердость по Бринеллю 51-55 МПа), а также обладает повышенной теплостойкостью (теплостойкость по Мартенсу 105-111°С) и химической стойкостью (1 балл), высокой текучестью в расплаве (показатель текучести расплава /ПТР/ равен 11-14 г/10 мин при температуре T=230°C и нагрузке Р=21,2 Н), Его состав обеспечивает возможность получения материала на современном высокоэффективном и экономически целесообразном оборудовании по одностадийной технологической схеме, не приводит к износу пластикационного оборудования, не требует дорогостоящей формующей оснастки.

Обнаружено, что наличие в составе материала 50-60 мас.% полипропилена, имеющего ПТР 3-6 г/10 мин, и 20-30 мас.% полипропилена, имеющего ПТР 13-25 г/10 мин, обеспечивает при перемешивании их в расплаве формирование гомофазной структуры полимерной матрицы для мелкодисперсного наполнителя в виде мраморной муки, взятого в количестве 16-18 мас.%, что приводит к образованию монолитного композиционного материала, способного активно противодействовать энергетическому и химическому воздействию. Учитывая склонность полипропилена к термоокислительной деструкции, в заявляемый состав введен в качестве термостабилизатора эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил пропионовой кислоты и пентаэритрита в количестве 0,8-1,0 мас.%, способствующем увеличению стойкости материала к деструкции под нагрузкой при нагреве до температур, превышающих 120°С, то есть стойкости к физической деструкции. Технологические добавки: стеарат цинка в количестве 1,2-1,8 мас.% и вазелиновое масло в количестве 1,0-1,3 мас.% призваны обеспечить эффективную работу пластикационного оборудования при ведении технологического процесса формирования материала, так как предотвращают прилипание изделия к поверхности формующего инструмента.

При исследовании известного уровня техники не было обнаружено аналогичных составов полимерных материалов, которые характеризовались бы идентичной совокупностью существенных признаков с достижением такого же технического результата, какой получен в заявляемом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Предлагаемое техническое решение может быть выполнено промышленным способом из известных материалов с использованием известных технических средств, что говорит о его соответствии критерию "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1.

Полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсии изготавливают на двухчервячном смесителе-грануляторе фирмы "Вернер и Пфляйдер" производительностью 800 кг/ч, получая гранулы одинаковой геометрической формы в пределах одной партии, размер которых в любом направлении составляет 2-5 мм. Перед подачей в загрузочный бункер смесителя-гранулятора компоненты, входящие в состав материала, смешивают в необходимом соотношении в подходящей для смешения емкости и тщательно их перемешивают в течение 5-10 мин для гомогенизации смеси.

Для приготовления 100 кг смеси берут 60 кг (60 мас.%) полипропилена марки 21060 (ПТР=6 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21.2 Н) по ГОСТ 29996-86; 20 кг (20 мас.%) полипропилена марки 21130 (ПТР=13 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21.2 Н) по ГОСТ 29996-86; 16 кг (16 мас.%) мраморной муки марки AMИAKAP-2GU (производитель Финляндия) с размером частиц 2-6 мкм; 1,8 кг (1,8 мас.%) стеарата цинка (ТУ 6-09-17-279-88); 1,2 кг (1,2 мас.%) вазелинового масла (ГОСТ 3164-78) и 1,0 кг (1 мас.%) ирганокса марки 1010 (продукт фирмы СИБА, Швейцария), представляющего собой эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил пропионовой кислоты и пентаэритрита.

Примеры 2-5.

Технология получения материала аналогична примеру 1, отличия заключаются в количественном содержании компонентов материала, а также в том, что в примерах 2 и 4 использовали в качестве полипропилена с показателем текучести 3-6 г/10 мин полипропилен марки 21040 (ПТР=4 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21,2 Н) по ГОСТ 29996-86, в примерах 3 и 5 - полипропилен марки 21030 (ПТР=3 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21,2 Н) по ГОСТ 29996-86, а в качестве полипропилена с показателем текучести 13-25 г/10 мин в примерах 2 и 4 использовали полипропилен марки 21250 (ПТР=25 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21,2 Н) по ГОСТ 29996-86, в примерах 3 и 5 - полипропилен марки 21180 (ПТР=18 г/10 мин при температуре Т=230°С и нагрузке Р=21,2 Н) по ГОСТ 29996-86.

Составы полипропиленового материала по примерам 1-5 приведены в таблице 1.

Образцы полученного композиционного материала по примерам 1-5 подвергали стандартным испытаниям и определяли прочностные свойства (прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве) материала по ГОСТ 11262; твердость по Бринеллю по ГОСТ 4670; химическую стойкость по ГОСТ 12020-72; теплостойкость по Мартенсу (В.К.Крыжановский, В.В.Бурлов. Прикладная физика полимерных материалов. СПб, 2001, с. 149); показатель текучести расплава (ПТР) по ГОСТ 11645 с помощью капиллярного вискозиметра ИИРТ-М2 в стандартных для полипропилена условиях (Т=230°С, Р=21,2 Н). Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, полученный по примерам 1-3 полипропиленовый материал, обладает улучшенным комплексом свойств. При выходе из заявляемой области количественного содержания компонентов материала (примеры 4,5) свойства материала ухудшаются (ниже становится прочность, ухудшаются реологические свойства материала и его химическая стойкость).

Свойства полученного полипропиленового композиционного материала позволяют сделать вывод о пригодности заявляемого материала для изготовления методом литья под давлением коалесцирующих перегородок или пластин коалесцирующего пакета разделителя эмульсии, так как он характеризуется хорошей прочностью, повышенной теплостойкостью и химической стойкостью, высокой текучестью в расплаве. Его состав обеспечивает возможность получения материала на современном высокоэффективном и экономически целесообразном оборудовании по одностадийной технологической схеме, не приводит к износу пластикационного оборудования, не требует дорогостоящей формующей оснастки.

Таблица 1
СОСТАВ МАТЕРИАЛА
№ ПРИ ME PA	ПОЛИПРОПИЛЕН с показателем текучести расплава 3-6 г/10 мин, мас.%	ПОЛИПРОПИЛЕН с показателем текучести расплава 13-25 г/10 мин, мас.%	мелкодисперсный неорганический НАПОЛНИТЕЛЬ, мас.%	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОБАВКА, мас.%	СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ДОБАВКА, мас.%
1	60	20	мраморная мука16	стеарат цинка1,8	вазелиновое масло1,2	ирганокс 10101,0
2	52	26	мраморная мука18	стеарат цинка1,7	вазелиновое масло1,3	ирганокс 10101,0
3	50	30	мраморная мука17	стеарат цинка1,2	вазелиновое масло1,0	ирганокс 10100,8
4*	64	18	мраморная мука14	стеарат цинка1,1	вазелиновое масло1,4	ирганокс 10101,5
5*	45	32	мраморная мука20	стеарат цинка2,0	вазелиновое масло0,5	ирганокс 10100,5
* примеры вне заявляемой области

Таблица 2
	ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИПРОПИЛЕНОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
№ ПРИМЕРА	ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ, МПа	ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ ПРИ РАЗРЫВЕ, %	ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ, МПа	ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ ПО МАРТЕНСУ, °С	ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ, баллы	ПОКАЗАТЕЛЬ ТЕКУЧЕСТИ РАСПЛАВА (T=230°C, P=21,2 H) г/10 мин
1	28-30	110	51	105	1	11
2	29-31	100	52	111	1	12
3	32-34	90	55	108	1	14
4*	24-26	130	46	90	2	9
5*	20-24	90	60	98	3	16
*примеры вне заявляемой области

Полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсии, включающий полипропилен, имеющий показатель текучести расплава 3-6 г/10 мин, и полипропилен, имеющий показатель текучести расплава 13-25 г/10 мин, мелкодисперсный неорганический наполнитель, представляющий собой мраморную муку, стабилизирующую добавку в виде эфира 3,5-ди-третбутил-4-гидроксифенил пропионовой кислоты и пентаэритрита, и технологические добавки - стеарат цинка и вазелиновое масло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полипропилен с показателем текучести

расплава 3-6 г/10 мин 50-60

полипропилен с показателем текучести

расплава 13-25 г/10 мин 20-30

мраморная мука 16-18

стеарат цинка 1,2-1,8

вазелиновое масло 1,0-1,3

эфира 3,5-ди-третбутил-4-гидроксифенил

пропионовой кислоты и пентаэритрита 0,8-1,0