Полимерные составы, промысловые элементы, содержащие их, и способы их использования в промысловых приложениях

Полимерные составы, промысловые элементы, содержащие их, и способы их использования в промысловых приложениях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки изобретения

1. Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится, в целом, к области разведки, эксплуатации и тестирования нефтяного месторождения и, в частности, к составам из полимерных материалов и расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, полезным в таких предприятиях.

2. Предшествующий уровень техники

Полимерные материалы, используемые в промысловых службах и, в частности, в скважине, должны обладать высокой устойчивостью к диффузии/проникновению пластовых флюидов (газов и жидкостей). Ненаполненные полимеры обычно имеют низкую устойчивость к диффузии химических веществ, существующих в средах ствола скважины, и являются более проницаемыми для пластовых флюидов. Для снижения проницаемости полимеров к необработанным полимерам добавляются такие наполнители, как сажа, кварц, тальк и т.п. Эти наполнители имеют непластинчатую структуру и/или имеют низкую анизотропию (форматное соотношение), вследствие чего обеспечивают ограниченное снижение проницаемости конечного состава. Расширенные/расслоенные графитовые наночешуйки и нанопластинки существуют в форме пластинок, имеющих форматное соотношение свыше 100 и предпочтительно свыше 200.

В патентной заявке США 20040127621, опубликованной 1 июля 2004 г., раскрыты способы производства расширенного графита с высоким форматным соотношением и полимерных составов, созданных с использованием раздробленных версий расширенного графита с высоким форматным соотношением. В ссылке описано использование расширенного графита и его продуктов, например наночешуек и/или нанопластинок, в качестве наполнителей в полимерах. В этой заявке раскрыты способы расширения/расслаивания графита и информация о поверхностной обработке, например прививке аминов и прививке акриламидов. Эта ссылка также обеспечивает информацию об улучшении механических свойств и электропроводности конечного полимерного состава. В ссылке заявлено использование полимерных составов для топливных элементов, батарей и каталитических дожигателей выхлопных газов. Рассмотрено большое количество типов полимеров, и расширенный графит должен иметь длину менее 200 микрон или менее 200000 нанометров, и толщину менее 0,1 микрон или менее 100 нанометров. Хотя форматное соотношение как таковое не рассматривается, исходя из указанных длины и толщины, форматное соотношение может составлять 2000 или более.

Нанокомпозиты представляют собой сравнительно новый класс составов, которые являются полимерами, наполненными частицами, для которых, по меньшей мере, один размер рассеянных частиц находится в нанометровом диапазоне (10^-9 метра). Ввиду размера рассеянных частиц некоторые нанокомпозиты могут проявлять улучшенные механические, тепловые, оптические и электрические свойства по сравнению с чистыми полимерами или традиционными составами. Во многих ссылках раскрыты нанокомпозиты из различных полимерных материалов и графита и рассмотрены одно или несколько свойств, например, степень кристаллизации, электрические и механические свойства, свойства дисперсии, свойства подавления горения/пламени, и т.п. В других ссылках рассмотрены аналогичные свойства составов на основе графенов, включая барьерные свойства. Графен - это листообразная структура, представляющая собой гексагональную решетку атомов углерода. Углеродная нанотрубка содержит графеновый лист, свернутый в виде пустотелой формы. В некоторых ссылках описано применение составов на основе графенов для радиационной и электромагнитной защиты, покрытий, устойчивых к усушке и коррозии. Zheng et al., J. Appl. Polym. Sci., 91:2781 (2004) и ссылки 18-24, перечисленные здесь, описывают использование полимеров на основе графена для барьерных приложений. Насколько известно авторам настоящего изобретения, использование графитовых наночешуек и/или нанопластинок, имеющих форматное соотношение свыше 200, рассеянных в полимерной матрице, или использование в качестве барьерных материалов не описано. Использование графитовых наночешуек и/или нанопластинок в полимерах, когда наночешуйки и/или нанопластинки имеют форматное соотношение свыше 200, для использования в промысловых приложениях не описано.

Многие промысловые элементы и инструменты используют полимерные материалы. Например, электрические погружные насосы используются для искусственного подъема флюида из скважины или резервуара. Эти насосы обычно содержат электрический погружной двигатель, уплотнительную секцию (иногда именуемую в технике защитным приспособлением), которая призвана выравнивать давление между внутренней частью системы и внешней частью системы, а также играет роль резервуара для компенсации внутреннего расширения масла из двигателя; и насос, имеющий одну или несколько ступеней насоса внутри кожуха. Защитное приспособление может быть выполнено из металла, как в сильфоновом устройстве, или эластомера, в каковом случае защитное приспособление иногда называется защитным чехлом. Эластомеры и другие полимеры могут также использоваться в пакерах, элементах блока защиты от выдувания, уплотнительных кольцах, уплотнительных прокладках, электрических изоляторах, герметизирующих элементах для флюидов и во многих других промысловых элементах.

Общим для всех этих вариантов использования полимеров является пребывание в агрессивных средах, например агрессивных химических и механических подземных средах, которые обуславливают неприемлемое сокращение срока службы и прочности полимеров. В области разведки, эксплуатации и тестирования природных ресурсов остается потребность в повышении прочности и долговечности, а также, в некоторых случаях, электрических свойств полимерных компонентов, используемых в условиях эксплуатации нефтяного месторождения, например защитных чехлов, элементов пакера, герметичных уплотнений, клапанов, компонентов блока защиты от выдувания, экранировки и оплетки кабелей и т.п.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению описаны устройство, промысловые элементы, содержащие устройство, и способы использования промысловых элементов, которые сглаживают или устраняют проблемы ранее известного устройства, промысловых элементов и способов. Благодаря комбинированию свойств полимеров со свойствами расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок устройства, отвечающие изобретению, иногда именуемые здесь нанокомпозитами в силу размера наночешуек и/или нанопластинок, могут действовать совместно для улучшения барьерных, механических и/или электрических свойств промысловых элементов, которые содержат одно или несколько устройств, отвечающих изобретению. В частности, расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки могут обеспечивать повышенную устойчивость к проникновению пластовых флюидов, будучи включены в полимеры. Эти пластинки могут обеспечивать устойчивость к диффузии и снижать проницаемость полимерных нанокомпозитов в отношении пластовых флюидов (газов и жидкостей). Использование расширенных графитовых материалов, в частности расширенного графита, обеспечивает коммерчески выгодный способ создания недорогих полимерных нанокомпозитов с хорошими барьерными и механическими свойствами. Расширенные графитовые нанонаполнители, по меньшей мере, в 500 раз дешевле углеродных нанотрубок и могут обеспечивать сравнимые улучшения механических свойств лишь за часть стоимости углеродных нанотрубок.

Первый аспект изобретения предусматривает устройство, содержащее полимерную матрицу, сформированную в промысловый элемент, и множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных (случайным или неслучайным образом) в полимерной матрице.

Используемый здесь термин "расширенный графитовый" означает состав, имеющий графитовую структуру, в целом известную как структура sp², сформированную из одного или нескольких элементов второй строки Периодической таблицы элементов, например, бора, углерода и азота, слои которой разделены одним или несколькими термическими, химическими и/или физическими методами. Примеры включают в себя расширенный графит, расслоенный графит (который известен в технике просто как разновидность расширенного графита), составы на основе бора и азота, например, нитрид бора (также известный как гексагональный BN или "белый графит"), и т.п. Нитриды бора имеют высокую теплопроводность и являются электрическими изоляторами (диэлектрическая постоянная ~4) в отличие от графита, который является проводником. Нитриды бора также обладают низким тепловым расширением, легко окрашиваются и химически инертны. Расширенный графит является расширенным графитовым согласно изобретению, содержащим углерод в главной пропорции, полученным из графита, замещенного графита или аналогичного состава. Различие в электропроводности расширенного графита и расширенных нитридов бора может обеспечивать способ регулировки электропроводности полимерной матрицы без значительного изменения барьерных свойств.

Термин "наночешуйка" появился в патентной литературе, например патенте США № 6916434, в связи с тем, что авторы настоящего изобретения называют наночешуйчатыми углеродными нанотрубками. Наночешуйчатые углеродные нанотрубки определены здесь как углеродные трубки, состоящие из группы графитовых листов, которые выглядят как выполненные из множества (обычно большой) чешуйкообразных графитовых листов, образующих структуру в виде лоскутного одеяла или папье-маше. Заметим, что наночешуйчатые углеродные трубки представляют собой трубчатые углеродистые материалы, которые совершенно отличаются по структуре от одностенных углеродных нанотрубок, в которых один графитовый лист свернут в виде цилиндра, или от концентрических цилиндрических или вложенных многостенных углеродных нанотрубок, в которых каждый из совокупности графитовых листов свернут в виде цилиндра.

Аналогично, термин "нанопластинка" использовался в патентной литературе, например в патенте США № 6672077, применительно к хранилищу водорода. По меньшей мере, в этом контексте авторы настоящего изобретения отличают "нанопластинки" от треугольной решетки, нановолокна, одностенной нанотрубки, многостенной нанотрубки, наноклетки, нанококона, нановеревки, нанотора, нанокатушки, наностержня, нанопроволоки, и фуллереновых структур. Описаны нанопластинки, например, тонкие нанопластинки, толстые нанопластинки, вставные нанопластинки, имеющие толщину примерно от 0,3 нм до 100 нм и поперечный размер примерно от 5 нм до 500 нм. Даже без ограничения этими размерами, которые приведены здесь лишь в качестве полезного примера, эти формы и размеры могут быть полезны в различных аспектах настоящего изобретения.

В настоящем изобретении выражение "расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки" не означают нанотрубки, хотя не обязательно, чтобы расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки исключали искривленные контуры; другими словами, некоторые или все расширенные графитовые наночешуйки (или участки каждой наночешуйки) могут иметь трехмерные формы, отличные от плоской. Например, расширенные графитовые наночешуйки, полезные в изобретении, могут иметь форму седла, полуседла, четверти седла, полусферы, четверти сферы, конуса, полуконуса, колокола, полуколокола, рога, четверти рога и т.п., хотя основная часть каждой наночешуйки и большая часть наночешуек, как целого, может быть плоской.

В устройстве согласно изобретению расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки могут иметь форматное соотношение свыше 100 и могут превышать 200. Изобретение предусматривает использование расширенных и/или расслоенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок с форматным соотношением менее 200, и все же может обеспечивать повышенную устойчивость к проникновению по сравнению с традиционными нанопластинчатыми наполнителями, например глинами, хотя степень повышения может быть меньше.

В устройстве согласно изобретению полимерная матрица может включать в себя расширенные графитовые пластинки с форматным соотношением как менее 200, так и свыше 200, причем расширенные нанопластинки, имеющие форматное соотношение менее 200, служат, по меньшей мере, наполнителем в полимерной матрице для использовании в промысловых приложениях. Размеры наночешуек и/или нанопластинок могут сильно разниться, но в целом могут иметь шестиугольную, круглую, эллиптическую или прямоугольную форму. Форматное соотношение и формы, которые наиболее выгодно использовать, зависят от конечной цели использования. Устройство, отвечающее изобретению, можно использовать в промысловых приложениях для повышения устойчивости к проникновению и повышения устойчивости к диффузии газов и жидкостей в условиях скважины.

Различные наночешуйчатые и нанопластинчатые структуры, применяемые в изобретении, могут принимать неоднородные формы. Неоднородные формы включают в себя структуры, где одна часть структуры имеет один химический состав, а другая часть структуры имеет другой химический состав. Примером может служить наночешуйка, имеющая два или более химических состава или фазы на разных участках наночешуйки. Неоднородные формы могут включать в себя разные формы, соединенные друг с другом, например, когда более чем одна из вышеперечисленных форм соединены в более крупную нерегулярную структуру. Например, "летающий диск", основная часть которого является плоской, а край искривлен по периметру. Кроме того, все наночешуйки и нанопластинки могут иметь трещины, дислокации, ответвления или другие неправильности.

Полимерная матрица содержит один или несколько полимеров, выбранных из природных и синтетических полимеров, в том числе перечисленных в документах Американского общества по испытанию материалов (АОИМ) D1600-92, "Standard Terminology for Abbreviated Terms Relating to Plastics", и D1418 для нитрильных каучуков, смесей природных и синтетических полимеров и многослойных версий полимеров, в которых отдельные слои могут быть одинаковыми или разными по составу и толщине. Термин "матрица" не предполагает исключения какой-либо конкретной формы или морфологии полимерного компонента и используется лишь как термин, удобный при описании устройства, отвечающего изобретению. Термин включает в себя композитные полимерные материалы, например, но без ограничения, полимерные материалы, имеющие наполнители, пластификаторы и волокна, отличные от расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок. Полимерная матрица может содержать один или несколько термопластичных полимеров, например, полиолефины, полиамиды, полиэфиры, термопластичные полиуретаны и полимочевинные уретаны, сополимеры и их смеси, и т.п.; один или несколько термореактивных полимеров, например фенолальдегидные полимеры, эпоксидные смолы, и т.п., и/или один или несколько эластомеров (включая природные и синтетические каучуки), и их комбинации.

В устройстве согласно изобретению, по меньшей мере, часть расширенных графитовых наночешуек и/или пластинок подвергаются поверхностной модификации для повышения устойчивости к проникновению при рассеянии в полимерной матрице. В порядке конкретного примера, присоединение функциональных групп к графитовым наночешуйкам и/или нанопластинкам может увеличить содержание связей каучука/полимера в конечной полимерной матрице, что может повысить устойчивость к проникновению конечного промыслового элемента. Функциональные группы, которые могут увеличивать содержание полимерных связей, зависят от типа полимера или полимеров, содержащих полимерную матрицу. Например, в полимерах, содержащих нитрильные группы, ввод карбоксильных и/или гидроксильных групп может увеличивать содержание полимерных связей. В устройстве согласно изобретению полимерная матрица может содержать расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки, имеющие высокое форматное соотношение и поверхностную модификацию.

Нефтепромысловый элемент согласно изобретению может быть выбран из элементов пакера, защитных чехлов мотора погружного насоса, защитных приспособлений датчиков, элементов блока защиты от выдувания, насосных штанг, уплотнительных колец, Т-образных кольцевых уплотнителей, уплотнительных прокладкок, уплотнителей вала насоса, трубных уплотнителей, уплотнителей клапанов, уплотнителей и изоляторов, используемых в электрических компонентах, например, полупроводящих экранов и/или оплеток проводов и кабелей, которые могут подавлять диффузию газов, например метана, диоксида углерода и сульфида водорода из ствола скважины, через кабель на поверхность, покрытий, уплотнений и распределительных блоков силовых кабелей, например, используемых в оптоволоконных соединениях и других инструментах, и герметизирующих элементов для флюидов (газа, жидкости или их комбинаций). Нефтепромысловый элемент может представлять собой защитное устройство двигателя погружного насоса, которое может составлять или не составлять единое целое с двигателем, и может включать в себя встроенное оборудование, предназначенное для измерения одного или нескольких параметров скважины.

Другой аспект изобретения предусматривает промысловую установку для разведки углеводородов, тестирования на углеводороды или их добычи, содержащую один или несколько промысловых элементов и один или несколько промысловых элементов, содержащих полимерную матрицу, имеющую множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных в ней, согласно описанному в первом аспекте изобретения.

Еще один аспект изобретения предусматривает способ разведки углеводородов, бурения на углеводороды или их добычи, при котором выбирают один или несколько промысловых элементов, имеющих компонент, содержащий полимерную матрицу, имеющую множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных в ней, согласно описанному в первом аспекте изобретения, и используют промысловый элемент при эксплуатации нефтяного месторождения, тем самым помещая его в условия эксплуатации нефтяного месторождения.

Способ согласно изобретению может включать спуск одного или нескольких промысловых элементов в ствол скважины с использованием одного или нескольких наземных промысловых элементов, и/или извлечение его из ствола скважины. Условия эксплуатации нефтяного месторождения при запуске и извлечении могут быть такими же или отличными от условий эксплуатации нефтяного месторождения при использовании в стволе скважины или в устье скважины.

Открытые поверхности полимерной матрицы устройства могут иметь полимерное покрытие, которое может быть конденсированной фазой, сформированной одним или несколькими процессами. Покрытие может быть конформным (т.е. покрытие согласуется с поверхностями полимерной матрицы, которая служит подложкой для покрытия), хотя это может быть не обязательно во всех промысловых приложениях, или для всех промысловых элементов, или на всех поверхностях полимерной матрицы. Покрытие может быть сформировано из испаряемого или осаждаемого и полимеризуемого мономера, а также полимерных материалов с порошковым наполнителем. Полимер покрытия может обладать или не обладать способностью склеивать покрытие с полимерной матрицей, хотя изобретение не исключает адгезионные добавки, дополнительно рассмотренные ниже. Основная часть полимерного покрытия может содержать карбоцепной или гетероцепной полимер. Полезные карбоцепные полимеры можно выбрать из политетрафторэтилена, полихлортрифторэтилена, полициклических ароматических углеводородов, например, полинафталина, полиантрацена и полифенантрена и различных полимерных покрытий, известных под общим названием париленов, например, Parylene N, Parylene C, Parylene D и Parylene Nova HT.

Устройство согласно изобретению, содержащее один или несколько полимеров полимерной матрицы, в которой рассеяны расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки, должно подавлять диффузию и проникновение флюидов при использовании в скважине и в других приложениях промысловых служб, где существует одно или несколько из следующих условий: перепад давления, которому подвергается полимерный компонент; высокая температура; высокое давление; наличие молекул с низкой молекулярной массой и таких газов, как метан, диоксид углерода, и сульфид водорода, и т.п. Кроме того, добавление расслоенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок с высоким форматным соотношением (>200) либо низким форматным соотношением может одновременно повышать электропроводность и барьерные свойства полимерной матрицы, а следовательно, промысловых элементов. В результате можно создавать промысловые установки, включающие в себя полупроводящие и непроницаемые экраны в проводных и кабельных приложениях, и во всех остальных электрических и электронных компонентах в промысловых приложениях, которые отвечают одному или более из этих требований. Некоторые примеры включают в себя электронные устройства, например датчики, модули из нескольких микросхем и т.п.

Различные аспекты изобретения явствуют из нижеследующих краткого описания чертежей, подробного описания изобретения и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В нижеследующем описании и прилагаемых чертежах поясняется, каким образом можно решить задачи изобретения и добиться других нужных характеристик, при этом на чертежах показано следующее:

фиг. 1 изображает вид спереди в вертикальной проекции иллюстративного электрического погружного насоса, расположенного в стволе скважины;

фиг. 2 - схематический вид в поперечном сечении насоса, показанного на фиг. 1, имеющего защитный мешок из композита полимерной матрицы/нанопластинок, согласно изобретению, для отделения пластового флюида от двигательной жидкости, которая находится под положительным давлением в кожухе двигателя;

фиг. 3 - схематический вид сбоку в вертикальной проекции, частично в разрезе, пакера, имеющего элементы пакера из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению;

фиг. 4A и 4B - схематические виды в разрезе двух ловильных инструментов, меняющих направление вращения, в которых используются компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению;

фиг. 5A и 5B - схематические виды сбоку в вертикальной проекции двух установок низа бурильной колонны, в которых могут использоваться компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению; и

фиг. 6A и 6B - схематические виды в разрезе клапана управления расходом, который может использоваться для управления расходом добываемой нефти или пластовых флюидов из конкретных зон в скважине или коллекторе, или закачкой флюида в конкретные зоны, причем в клапане используются компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению.

Однако следует заметить, что прилагаемые чертежи не выполнены в масштабе и иллюстрируют только типичные варианты осуществления данного изобретения, поэтому не должны рассматриваться в порядке ограничения его объема, поскольку изобретение может предусматривать другие, столь же эффективные варианты осуществления.

Подробное описание

В нижеследующем описании многочисленные детали изложены для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение можно осуществлять на практике без этих деталей, и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.

Все используемые здесь выражения, производные, словосочетания и многословные выражения, в частности в нижеследующей формуле изобретения, отчетливо не ограничены существительными и глаголами. Очевидно, что значения не выражаются просто существительными и глаголами или отдельными словами. Языки используют различные средства выражения содержания. Существование идей изобретения и пути их выражения зависят от языковых культур. Например, многие лексиколизованные конструкции в германских языках часто выражаются в виде комбинаций прилагательное-существительное, существительное-предлог-существительное или производными в романских языках. Возможность включать в себя выражения, производные и словосочетания в формуле изобретения существенна для высококачественных патентов, давая возможность сократить выражения до их концептуального содержания, и все возможные концептуальные комбинации слов, которые совместимы с таким содержанием (либо в языке, либо между языками), подлежат включению в используемые фразы.

Изобретение описывает компоненты из композитов полимерная матрица/нанопластинка и/или наночешуйка, полезные в промысловых приложениях, включая действия разведки, бурения, тестирования, заканчивания и добычи. Используемый здесь термин "промысел" включает в себя сухопутные (наземные и подземные) и поддонные приложения, и в некоторых случаях морские приложения, как-то оборудование для разведки, бурения или добычи, развертываемое в морской воде. Используемый здесь термин "промысел" включает в себя нефтяные или газовые коллекторы и пласты или участки пластов, где предполагается наличие нефти или газа, но в действительности могут содержать только воду, морскую воду или какой-либо другой состав. Обычно компоненты из композитов полимерная матрица/нанопластинка используется в скважинных приложениях, например, для выкачивания флюидов из ствола скважины или закачивания их туда, хотя изобретение этим не ограничивается.

Расширенные графитовые наночешуйки и нанопластинки

В резиновой промышленности общеизвестно, что использование наполнителей может приводить к снижению набухания и проницаемости полимерных материалов. В общем случае снижение набухания и проницаемости усиливается по мере увеличения концентрации наполнителя. Проницаемость полимерных материалов может также зависеть от формы и форматного соотношения частиц наполнителя. Пластинчатые наполнители, например, наноглины, предпочтительно, имеют малую толщину (<0,1 микрона) и длину менее 200 микрон и при выравнивании могут создавать затруднение для диффузии молекул флюида, и, таким образом, могут улучшать барьерные свойства конечных материалов по сравнению с барьерными свойствами необработанного полимера того же состава и морфологии. Когда отдельные наночастицы рассеяны таким образом, что частицы делятся на очень тонкие отдельные пластинки или слои с высоким форматным соотношением (> приблизительно 200), этот процесс называется расслаиванием. Расслаивание традиционных наполнителей на основе глины затруднительно и может происходить при примешивании глинистого наполнителя к полимеру.

В случае графитовых наночешуек и/или нанопластинок, полезных в настоящем изобретении, частицы могут быть поверхностно обработаны и расширены/расслоены путем нагрева до или после их смешивания с полимером или полимерами, образующими полимерную матрицу. Использование расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок облегчает смешивание и расслоение наночешуек и/или нанопластинок в данном полимере по сравнению с наноглинистыми наполнителями. Это обеспечивает коммерчески выгодный способ, предусматривающий смешивание в расплаве или механическое смешивание полимера с расширенными графитовыми нанопластинками без использования растворителей или с очень малым количеством растворителя.

Подходящие графитовые наночешуйки и нанопластинки в надлежащих условиях определены здесь как материалы, состоящие в основном из элементов второй строки, имеющие по меньшей мере один размер в нанометровом диапазоне. Нанометр (нм) - это 10^-9 метра, поэтому нанометровый диапазон охватывает примерно от 1 до 999 нм. Графитовые наночешуйки и нанопластинки, использующиеся в изобретении, могут быть природными, модифицированными или синтетическими, а также иметь комбинированную природу.

Расширенные графитовые наночешуйки и/или пластинки, полезные в изобретении, можно приготовлять путем расширения расширяемых графитовых материалов с коэффициентом расширения примерно от 40:1 до 300:1. Когда коэффициент объемного расширения меньше 40:1, можно не добиться достаточного рассеяния нанопластинок и/или наночешуек, тогда как при расширении свыше 300:1 нужная структура (если существует) графитовых наночешуек и/или нанопластинок может быть разрушена. Размер частицы может колебаться примерно от 44 до 300 микрон до примешивания к полимеру или полимерам, образующим полимерную матрицу. Размер (длина) частицы может изменяться в течение процесса смешивания с полимером/эластомером. Толщина отдельных пластинок в полимерной матрице может составлять примерно от 10 нм до 50 нм.

Материалы для полимерной матрицы

Материалы для полимерной матрицы, полезные в изобретении, можно выбирать из природных и синтетических полимеров, смесей природных и синтетических полимеров и многослойных версий полимеров, в которых отдельные слои могут быть одинаковыми или разными по составу и толщине. Термин "полимерная матрица" включает в себя композитные полимерные материалы, например, но без ограничения, полимерные материалы, имеющие наполнители, пластификаторы и волокна "ненанометровых размеров", где "ненанометровые размеры" означают 1000 нм (1 микрон) или более. Полимерная матрица может содержать один или несколько термопластичных полимеров, один или несколько термореактивных и/или термически отверждаемых полимеров, один или несколько эластомеров, композитные материалы и их комбинации.

Один класс полезных материалов для полимерной матрицы представляет собой эластомеры. Используемый здесь термин "Эластомер" - это общее название веществ, имитирующих природный каучук в том, что они растягиваются при натяжении, имеют высокий предел прочности при растяжении, быстро сжимаются и, по существу, восстанавливают свои исходные размеры. Это понятие включает в себя природные и искусственные эластомеры, и эластомер может быть термопластичным эластомером или нетермопластичным эластомером. Термин включает в себя смеси (физические смеси) эластомеров, а также сополимеры, тройные сополимеры и мультиполимеры. Примеры включают в себя полимер этилен-пропилен-диена (ЭПД), различные нитрильные каучуки, которые являются сополимерами бутадиена и акрилонитрила, например, Buna-N (также известный как стандартный нитрил и NBR). Изменяя содержание акрилонитрила, можно получить эластомеры с улучшенными характеристиками набухания нефтью/топливом или с улучшенными низкотемпературными характеристиками. Особые версии карбоксилированных сополимеров бутадиена с высоким содержанием акрилонитрила (эластомерный сополимер акрилонитрила бутадиена и карбоксисодержащего мономера) обеспечивают повышенную устойчивость к истиранию, и гидрогенизированные версии этих сополимеров (HNBR) обеспечивают эластомеры с повышенной устойчивостью к химикатам и озону. Известен также карбоксилированный HNBR. Другие полезные каучуки включают в себя смеси поливинилхлорид-нитрила и бутадиена (PVC-NBR), хлорированный полиэтилен (CM), хлорированный сульфонат-полиэтилен (CSM), алифатические полиэфиры с хлорированными боковыми цепочками, например гомополимер эпихлоргидрина (CO), сополимер эпихлоргидрина (ECO) и тройной сополимер эпихлоргидрина (GECO), полиакрилатовые каучуки, например сополимер этилен-акрилата, тройные сополимеры этилен-акрилата (AEM), EPR, эластомеры этилена и пропилена, иногда с третьим мономером, например сополимер этилен-пропилена (EPM), сополимеры этиленвинилацетата (EVM), полимеры фтороуглерода (FKM), сополимеры поли(винилиден-фторид)а и гексафторопропилена (VF2/HFP), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, гексафторопропилена и тетрафтороэтилена (VF2/HFP/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, поливинилметилового эфира и тетрафторэтилена (VF2/PVME/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, гексафторопропилена и тетрафтороэтилена (VF2/HPF/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, тетрафтороэтилена и пропилена (VF2/TFE/P), перфтороэластомеры, например тетрафторэтиленовые перфтороэластомеры (FFKM), сильно фторированные эластомеры (FEPM), бутадиеновый каучук (BR), полихлорпреновый каучук (CR), полиизопреновый каучук (IR), … (IM), полинорборнены, полисульфидные каучуки (OT и EOT), полиуретаны (AU) и (EU), силиконовые каучуки (MQ), винил-силиконовые каучуки (VMQ), фторометил-силиконовый каучук (FMQ), фторовинил-силиконовые каучуки (FVMQ), фенил-метил-силиконовые каучуки (PMQ), стирол-бутадиеновые каучуки (SBR), сополимеры изобутилена и изопрена, известные как бутиловые каучуки (IIR), бромированные сополимеры изобутилена и изопрена (BIIR) и хлорированные сополимеры изобутилена и изопрена (CIIR).

Подходящими примерами используемых фтороэластомеров являются сополимеры винилиден-фторида и гексафторопропилена и тройные сополимеры винилиден-фторида, гексафторопропилена и тетрафторэтилена. Фтороэластомеры, пригодные для использования в раскрытом изобретении, это эластомеры, которые содержат одну или несколько структурных единиц винилиден-фторида (VF₂ или VdF), одну или несколько структурных единиц гексафторопропилена (HFP), одну или несколько структурных единиц тетрафторэтилена (TFE), одну или несколько структурных единиц хлортрифторэтилена (CTFE), и/или одну или несколько структурных единиц перфторалкил-винилового эфира (PAVE), например, перфторометил-винилового эфира (PMVE), перфторэтилвинилового эфира) (PEVE), и перфторопропил-винилового эфира (PPVE). Эти эластомеры могут быть гомополимерами или сополимерами. В частности, пригодны фтороэластомеры, содержащие структурные единицы винилиден-фторида, структурные единицы гексафторопропилена и, в необязательном порядке, структурные единицы тетрафторэтилена и фтороэластомеры, содержащие структурные единицы винилиден-фторида, структурные единицы перфторалкил-перфторвинилового эфира и структурные единицы тетрафторэтилена, например, фтороэластомер винилиден-фторидного типа, известный под торговой маркой Aflas®, доступный от Asahi Glass Co., Ltd. Особо пригодны сополимеры из структурных единиц винилиден-фторида и гексафторопропилена. Если фторополимеры содержат структурные единицы винилиден-фторида, предпочтительно, полимеры содержат до 40 молярных % структурных единиц VF₂, например, 30-40 молярных %. Если фторополимеры содержат структурные единицы гексафторопропилена, предпочтительно, полимеры содержат до 70 молярных % структурных единиц HFP. Если фторополимеры содержат структурные единицы тетрафторэтилена, предпочтительно, полимеры содержат до 10 молярных % структурных единиц TFE. Когда фторополимеры содержат хлортрифторэтилен, предпочтительно, полимеры содержат до 10 молярных % структурных единиц CTFE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфторометил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PMVE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфтороэтил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PEVE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфторопропил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PPVE. Фторополимеры, предпочтительно, содержат 66%-70% фтора. Один пригодный имеющийся в продаже фтороэластомер известен под торговой маркой Technoflon FOR HS®, продаваемый компанией Ausimont, США. Этот материал содержит Bisphenol AF, производимый компанией Halocarbon Products Corp. Другой имеющийся в продаже фтороэластомер известен под торговой маркой Viton® AL 200 от DuPont Dow, который является тройным сополимером мономеров VF₂, HFP и TFE, содержащим 67% фтора. Еще один пригодный имеющийся в продаже фтороэластомер это Viton® AL 300 от DuPont Dow. Также можно использовать смесь тройных сополимеров, известных под торговыми марками Viton® AL 300 и Viton® AL 600, (например, одну треть AL-600 и две трети AL-300). Другие полезные эластомеры включают в себя продукты, известные под торговыми марками 7182B и 7182D от Seals Eastern, Red Bank, Нью-Джерси; продукт, известный под торговой маркой FL80-4, доступный от Oil States Industries, Inc., Арлингтон, Техас; и продукт, известный под торговой маркой DMS005, доступный от Duromould, Ltd., Лондондерри, Северная Ирландия.

Термопластичные эластомеры обычно являются продуктами реакции полифункционального мономера с низкой эквивалентно