CN116041797A - 一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，包括如下重量份的组分：基料4～10份、引发剂0.3～1.5份、交联剂0.3～2份、成膜剂6～15份、阻燃剂0.3～2份，所述基料由基料A和基料B重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料A包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料B包括如下重量份的组分：1～3份N‑异丙基丙烯酰胺、1～1.5份N‑乙基丙烯酰胺和0.5～1份N,N‑二乙基丙烯酰胺，所述交联剂为N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺，引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾，具有灭火迅速、灭火效率高、批量化生产等优点。
Description
技术领域
本发明属于防治矿井煤自燃技术领域，具体涉及一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶及其制备方法。
背景技术
煤炭自燃又称煤炭自然发火，是指在没有外来热源的情况下，由于煤炭自身氧化积热，使煤的温度升高而发生的燃烧现象。煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO2和SO2,等有毒有害气体，污染环境，危害人的健康和生命，还能诱发瓦斯、煤尘***事故，造成重大的经济损失等。
凝胶材料因其成胶前良好的流动性、渗透性,成胶后极佳的保水性、堵漏隔氧特性等特点越来越受到国内外学者的关注。无机温敏性水凝胶具有成本低、流动性大、成胶速度快等优点，但是无机凝胶也存在保水能力差、不易降解、产生刺激性气体等显著缺点，而有机温敏性水凝胶虽然来源广泛、绿色环保和易降解，但是有机凝胶的成本高、流动性差、不易输送。所以单独的无机温敏性水凝胶和有机温敏性水凝胶对于矿井煤自燃防治来说存在一定局限性，如果将传统凝胶运用于矿井煤阻燃灭火，凝胶在输送过程中管道易淤堵，无法最快速度输送凝胶至灭火点进行灭燃。
发明内容
本发明旨在提供一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶及其制备方法，灭火效率高、防范火区复燃，解决无机温敏性水凝胶和有机温敏性水凝胶对于矿井煤自燃防治来说存在一定局限性，传统凝胶在输送过程中管道易淤堵无法最快速度输送凝胶至灭火点进行灭燃的问题。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，包括如下重量份的组分：基料4～10份、引发剂0.3～1.5份、交联剂0.3～2份、成膜剂6～15份、阻燃剂0.3～2份，所述基料由基料A和基料B重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料A包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料B包括如下重量份的组分：1～3份N-异丙基丙烯酰胺、1～1.5份N-乙基丙烯酰胺和0.5～1份N,N-二乙基丙烯酰胺，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾。
作为上述方案的优选，所述成膜剂包括氯化钠、聚乙二醇。
进一步优选为，所述阻燃剂包括三聚氰胺甲醛树脂、硼酸、碳酸氢钠、氢氧化镁、氢氧化铝。
一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将基料、引发剂、交联剂按照重量比4～10：0.3～1.5：0.3～2混合于60℃～80℃的溶剂中，所述基料由基料A和基料B重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料A包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料B包括如下重量份的组分：1～3份N-异丙基丙烯酰胺、1～1.5份N-乙基丙烯酰胺和0.5～1份N,N-二乙基丙烯酰胺；
步骤S2、然后在700r/min～1000r/min的转速下搅拌1h～2.5h，使引发剂和交联剂充分扩散到高分子材料的分子网络中，从而得到充分混合溶液；
步骤S3、向混合溶液中加入6～15份成膜剂和0.3～2份阻燃剂，搅拌均匀后静置12h～24h，使其充分反应后得到温敏复合水凝胶材料。
本发明的有益效果：
(1)通过以温敏性高分子材料为基料，加入有机和无机添加剂，综合无机凝胶和有机凝胶的优点，通过自由基聚合反应，搅拌混合后制得具有温度敏感特性的凝胶，即常温下在采空区内呈液态具有较强的流动性能，接触到高温区域后自动发生相变，由液态变为固态，对高温区域进行快速封堵，灭火迅速，有效避免煤炭自燃范围扩大导致产生的大量CO、CO2和SO2等有毒有害气体，污染环境、危害人的健康和生命、诱发瓦斯、煤尘***事故，造成重大的经济损失等情况发生。
(2)传统凝胶的制备方法中，通常是直接加入基料和所有添加剂，而在凝胶基料尚未完全反应成胶的前提下，添加剂的加入会影响水凝胶的内部结构。本方法先将基料、引发剂、交联剂加水混合均匀，使其充分进行自由基聚合反应制成凝胶后再加入其他阻燃剂，更有利于提高温敏性复合水凝胶的保水性。
(3)基料A所用材料均属于纤维素基聚合物，这类聚合物具有低毒性、良好的生物相容性和生物降解性。纤维素是世界上蕴藏最丰富的天然高分子化合物，而纤维素基聚合物均是是纤维素的疏水改性产物，在水中表现出温度敏感特性。
(4)添加的成膜剂均是具有良好水溶性且无毒的材料，由无机材料和有机材料复配而成。成膜剂可以通过温度诱导桥接作用加速基料的凝胶化过程，同时通过盐析作用使分子链趋向于三维网状结构，进而促使基料成胶，同时增大凝胶的强度。
(5)本方法以由过硫酸铵和过硫酸钾为引发剂，以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，引发剂内部的过氧基(-O-O-)受热断裂，引发相应的单体自由基，从而引发自由基聚合反应，交联剂连接单体自由基以及聚合物的单链，促使分子链间多次反应发生交联，形成具有主链、侧链和交联度的三维网状结构，最终形成温敏性聚合物凝胶。
(6)加入引发剂和交联剂的前提下，又加入大量阻燃剂，使其既从物理方面抑制煤自燃又从化学方面起到抑制作用。煤自燃过程是一系列的链式反应，这些链式反应中会产生大量自由基，而这些自由基能够促进煤自燃，阻燃剂的加入能够抵消自由基的数量，进一步阻止煤表面的自由基反应，降低煤氧化的速率。
(7)温敏复合凝胶可以固结水分子，保水性优良，在隔绝氧气的基础上，能够持久保持煤体湿润、降低煤温，防止火区复燃，有效优化煤自燃的防灭火效果，提高灭火效率。
(8)温敏复合凝胶的制备过程无任何强酸、强碱等有害物质的添加，保证制作过程的工作人员身体安全与健康，也无高温、高压等实验环境的苛刻要求，制备环境要求简单，可进行工业化生产、批量化生产。
综上所述，具有灭火迅速、灭火效率高、批量化生产等优点。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1：
一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，由如下重量份的组分组成：基料4份、引发剂0.3份、交联剂0.3份、成膜剂6份、阻燃剂0.3份。
基料由基料A和基料B重量比按照1：0.5混合而成。
基料A由如下重量份的组分混合制成：1份甲基纤维素(MC)、1份羧甲基纤维素钠(CMC)和0.5份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：1份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和0.5份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
引发剂由过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)混合制成。
成膜剂由氯化钠(NaCl)、聚乙二醇(PEG)混合制成。
阻燃剂由三聚氰胺甲醛树脂(MF)、硼酸(E284)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(MDH)、氢氧化铝(ATH)混合制成。
对应的一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶的制备方法，具体实施步骤如下：
步骤S1、将基料、引发剂、交联剂按照重量比4：0.3：0.3混合于60℃的溶剂中。
基料由基料A和基料B重量比按照1：0.5混合而成，基料A由如下重量份的组分混合制成：1份甲基纤维素(MC)、1份羧甲基纤维素钠(CMC)和0.5份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：1份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和0.5份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
步骤S2、然后在700r/min的转速下搅拌1h，使引发剂和交联剂充分扩散到高分子材料的分子网络中，从而得到充分混合溶液。
步骤S3、向混合溶液中加入6份成膜剂和0.3份阻燃剂，搅拌均匀后静置12h，使其充分反应后得到温敏复合水凝胶材料。
最后通过试管倒置法来测定胶凝时间。
实施例2：
一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，由如下重量份的组分组成：基料10份、引发剂1.5份、交联剂2份、成膜剂15份、阻燃剂2份。
基料由基料A和基料B重量比按照5：5混合而成。
基料A由如下重量份的组分混合制成：3份甲基纤维素(MC)、1.5份羧甲基纤维素钠(CMC)和1份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：3份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1.5份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和1份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
引发剂由过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)混合制成。
成膜剂由氯化钠(NaCl)、聚乙二醇(PEG)混合制成。
阻燃剂由三聚氰胺甲醛树脂(MF)、硼酸(E284)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(MDH)、氢氧化铝(ATH)混合制成。
对应的一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶的制备方法，具体实施步骤如下：
步骤S1、将基料、引发剂、交联剂按照重量比10：1.5：2混合于80℃的溶剂中。
基料由基料A和基料B重量比按照5：5混合而成，基料A由如下重量份的组分混合制成：3份甲基纤维素(MC)、1.5份羧甲基纤维素钠(CMC)和1份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：3份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1.5份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和1份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
步骤S2、然后在1000r/min的转速下搅拌2.5h，使引发剂和交联剂充分扩散到高分子材料的分子网络中，从而得到充分混合溶液。
步骤S3、向混合溶液中加入15份成膜剂和2份阻燃剂，搅拌均匀后静置24h，使其充分反应后得到温敏复合水凝胶材料。
最后通过试管倒置法来测定胶凝时间。
实施例3：
一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，由如下重量份的组分组成：基料7份、引发剂0.9份、交联剂0.9份、成膜剂10份、阻燃剂1.1份。
基料由基料A和基料B重量比按照2.5：3混合而成。
基料A由如下重量份的组分混合制成：2份甲基纤维素(MC)、1.25份羧甲基纤维素钠(CMC)和0.75份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：2份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1.25份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和0.75份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
引发剂由过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)混合制成。
成膜剂由氯化钠(NaCl)、聚乙二醇(PEG)混合制成。
阻燃剂由三聚氰胺甲醛树脂(MF)、硼酸(E284)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氢氧化镁(MDH)、氢氧化铝(ATH)混合制成。
对应的一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶的制备方法，具体实施步骤如下：
步骤S1、将基料、引发剂、交联剂按照重量比7：0.9：0.9混合于70℃的溶剂中。
基料由基料A和基料B重量比按照2.5：3混合而成，基料A由如下重量份的组分混合制成：2份甲基纤维素(MC)、1.25份羧甲基纤维素钠(CMC)和0.75份羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
基料B由如下重量份的组分混合制成：2份N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、1.25份N-乙基丙烯酰胺(EAM)和0.75份N,N-二乙基丙烯酰胺(DEA)。
步骤S2、然后在850r/min的转速下搅拌1.75h，使引发剂和交联剂充分扩散到高分子材料的分子网络中，从而得到充分混合溶液。
步骤S3、向混合溶液中加入10.5份成膜剂和11.5份阻燃剂，搅拌均匀后静置18h，使其充分反应后得到温敏复合水凝胶材料。
最后通过试管倒置法来测定胶凝时间。
上述实施例中的保水时间测定方法均为:各取500g凝胶置于烧杯中，常温下静置于实验室阴凉通风处，每隔24小时称重一次，测试保持50％水分不流失的保水时间。
通过扫描该温敏复合凝胶防灭火处理过的煤样扫描电镜图，与其经水防灭火处理过的煤样扫描电镜图进行对比，判断本方案温敏复合凝胶的灭火效果。
Claims (4)
1.一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，其特征在于，包括如下重量份的组分：基料4～10份、引发剂0.3～1.5份、交联剂0.3～2份、成膜剂6～15份、阻燃剂0.3～2份，所述基料由基料A和基料B重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料A包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料B包括如下重量份的组分：1～3份N-异丙基丙烯酰胺、1～1.5份N-乙基丙烯酰胺和0.5～1份N,N-二乙基丙烯酰胺，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾。
2.根据权利要求1所述的一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，其特征在于：所述成膜剂包括氯化钠、聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶，其特征在于：所述阻燃剂包括三聚氰胺甲醛树脂、硼酸、碳酸氢钠、氢氧化镁、氢氧化铝。
4.一种防治矿井煤自燃的温敏复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将基料、引发剂、交联剂按照重量比4～10：0.3～1.5：0.3～2混合于60℃～80℃的溶剂中，所述基料由基料A和基料B重量比按照1～5：0.5～5混合而成，所述基料A包括如下重量份的组分：1～3份甲基纤维素、1～1.5份羧甲基纤维素钠和0.5～1份羟丙基甲基纤维素，所述基料B包括如下重量份的组分：1～3份N-异丙基丙烯酰胺、1～1.5份N-乙基丙烯酰胺和0.5～1份N,N-二乙基丙烯酰胺；
步骤S2、然后在700r/min～1000r/min的转速下搅拌1h～2.5h，使引发剂和交联剂充分扩散到高分子材料的分子网络中，从而得到充分混合溶液；
步骤S3、向混合溶液中加入6～15份成膜剂和0.3～2份阻燃剂，搅拌均匀后静置12h～24h，使其充分反应后得到温敏复合水凝胶材料。
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