CN103224701A - 一种高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料及其制备方法，其中阻燃注浆加固材料由组份A和组份B两种低粘度液态物混合固化得到，组份A由异氰酸酯预聚体60-80份、阻燃剂10-38份、抗静电剂2-3份混合得到；组份B由聚醚多元醇30-40份、催化剂0.1-0.5份、稀释剂10-25份、环氧树脂10-30份和酚醛树脂10-25份混合得到。本发明阻燃注浆加固材料固化时具有反应放热低的优点，最高反应温度低于110℃，固结体的强度高，与煤岩体的粘结性好，粘接强度≥30MP，固砂强度≥8MPa，抗压强度≥60MPa，阻燃性相比单纯的聚氨酯注浆材料显著提高。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料及其制备方法，特别适用于厚松散含水层下的煤岩体加固。
二、背景技术
我国华东、华北等矿区许多煤矿的第四系厚表土层的底部存在一层以非胶结砂土、砂砾岩为骨架组成的松散含水层，其特点为：一是直接赋存在煤系基岩顶部界面上，二是水压高。受采动矿山压力和高水压共同作用，采煤工作面易发生压架、突水等致灾事故。目前煤矿行业主要采用化学注浆加固技术，利用气压将化学注浆材料均匀注入到具有裂隙的煤岩体中，浆液把煤岩体胶结成一个整体，从而达到煤岩加固的目的，被广泛地应用于煤岩体的加固。常用的煤岩体加固用注浆材料主要有聚氨酯类、环氧树脂类、酚醛树脂类、丙烯酸盐类、脲醛树脂类等。其中环氧树脂类加固剂具有良好的粘接性，固化收缩率小，在固化中不产生气体，但浆体僵硬，柔韧不足；丙烯酸盐类可灌性好，浆液胶凝时间可控，但抗压强度较低。聚氨酯类注浆材料虽凝固时间可调，相比于有机类的其他注浆材料在粘接性能、抗压强度等方面都有很大优势，但其在含水层下异氰酸酯遇水反应剧烈发泡导致固结体强度低，反应放热量大，导致最高反应温度较高，阻燃性降低；并且过高的反应放热会使井下矿层中的水气化形成水雾，影响正常生产操作；还会使煤炭的理化性质产生变化，甚至变质。
三、发明内容
本发明提出一种适用于厚松散含水层下煤岩体加固用的高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料及其制备方法，将环氧树脂、酚醛树脂以一定比例与聚氨酯固化体系并用形成三元互穿网络体系，可以显著提高注浆加固材料的强度，降低反应放热温度，改善阻燃性能等，从而更好地满足在厚松散含水层下的岩层和煤层加固需求。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料的原料按质量份数构成为：
组份A：异氰酸酯预聚体 60-80份；
阻燃剂 10-38份；
抗静电剂 2-3份；
组份B：聚醚多元醇 30-40份，
催化剂 0.1-0.5份，
稀释剂 10-25份，
环氧树脂 10-30份，
酚醛树脂 10-25份。
所述异氰酸酯预聚体为多亚甲基多苯基多异氰酸酯或/和二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯与聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204反应得到的预聚体。
所述阻燃剂为磷酸三（β-氯乙基）酯。
所述抗静电剂为季铵盐类聚氨酯抗静电剂，优选抗静电剂catafor PU。
所述聚醚多元醇为聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204，若为两种时比例任意。
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或/和辛酸亚锡，若为两种时，比例任意。
所述稀释剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚和/或聚丙二醇二缩水甘油醚，若为两种时，比例任意。
所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，环氧值为0.51-054。
所述酚醛树脂为数均分子量600-1500的液态酚醛树脂预聚体。
组份A各原料混合后得到的混合料A与组份B各原料混合后得到的混合料B之间的体积比为1:1。
本发明注浆加固材料是按以下步骤制备的：
1）异氰酸酯预聚体的制备：将聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204加入反应釜中，升温到110-120℃，在真空度5mmHg下脱水2个小时，得到脱水聚醚多元醇；降温到60℃，解除真空，将多亚甲基多苯基多异氰酸酯或/和二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯加入到脱水聚醚多元醇中，多亚甲基多苯基多异氰酸酯或/和二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯中异氰酸根的物质的量与聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204中羟基的物质的量之比为1.05:1-0.95:1之间，控制反应在50-70℃进行，1.5-2小时停止反应，即得到异氰酸酯预聚体。
2）混合料A的制备：将配比量的异氰酸酯预聚体、阻燃剂和抗静电剂依次加入反应釜中，室温下搅拌0.5-1小时，得到混合料A；
3）混合料B的制备：将配比量的聚醚多元醇、稀释剂和酚醛树脂依次加入反应釜中，室温下搅拌0.5-1小时，然后向反应釜中加入环氧树脂，室温下继续搅拌0.5-1小时，再向反应釜中加入催化剂，室温下搅拌0.5-1小时后得到混合料B；
4）在3-5MPa压力下将混合料A和混合料B按照体积比1:1的比例混合注浆，控制注浆温度为20-40℃，固化时间3-20分钟。
本发明的注浆加固材料，其两组分初始粘度小，在300-600mPa s左右，具有较大的扩散半径。
环氧树脂具有优良的粘结力和机械强度，但缺乏韧性，往往呈脆性状态。而聚氨酯则具有极佳的柔韧性和弹性。酚醛树脂则具有良好的机械性能和耐热性能，遇火难燃、自熄、低烟雾,耐火焰穿透,无滴落物。利用聚氨酯、环氧树脂和酚醛树脂三种物质固化后形成的三元互穿网络不仅可以显著提高固结体的强度和阻燃性，同时大幅降低两组份固化时的最高反应温度，有效解决了通用型聚氨酯类注浆加固材料用于厚松散含水层下煤层加固时遇水发泡，强度降低，固化时反应大量放热导致局部温度过高从而加速煤体氧化、引起煤自燃等问题。通过本发明可以实现在厚松散含水层下煤矿开采过程中对煤岩体的安全加固，实际操作方便，安全。
本发明注浆加固材料由两组分低粘度液态组分组成，初始粘度小，两组份的粘度在300-600mPa s范围内，浆液流动性好，渗透半径大。本发明阻燃注浆加固材料固化时具有反应放热低的优点，最高反应温度低于110℃，聚氨酯、环氧树脂和酚醛树脂固化时形成三元互穿网络，因此固结体的强度高，与煤岩体的粘结性好，粘接强度≥30MP，固砂强度≥8MPa，抗压强度≥60MPa，阻燃性相比单纯的聚氨酯注浆材料显著提高。
四、具体实施方式
下面结合案例说明本发明的具体实施方式，但不作为对发明内容的限制。
原料：
聚醚多元醇，N303，南京市栖霞区钟燕化工厂；
聚醚多元醇，N204，南京市栖霞区钟燕化工厂；
多亚甲基多苯基多异氰酸酯，Wannate PM-2025，烟台万华聚氨酯股份有限公司；
酚醛树脂，型号2130，无锡光明化工有限公司；
双酚A型环氧树脂，E-52D，蓝星化工新材料股份有限公司；
抗静电剂，catafor PU，上海亚杜润滑材料有限公司。
实施例1：
1）异氰酸酯预聚体的制备：将28质量份的聚醚多元醇N303加入反应釜中，升温到110-120℃，在真空度5mmHg下脱水2个小时，得到脱水后的聚醚多元醇N303；降温到60℃，解除真空，将690质量份的多亚甲基多苯基多异氰酸酯Wannate PM-2025加入到脱水聚醚多元醇N303中，在50-70℃下反应1-1.5小时，停止预聚反应，得到异氰酸酯预聚体。
2）混合料A的制备：将步骤1）中的63质量份的异氰酸酯预聚体、35质量份的阻燃剂磷酸三（β-氯乙基）酯、2质量份的抗静电剂catafor PU投入到反应釜中搅拌半小时出料，搅拌速度150-250r/min，得到混合料A，待用。
3）混合料B的制备：将40质量份的聚醚多元醇N303、15质量份的2130型酚醛树脂以及15质量份的稀释剂丁二醇二缩水甘油醚加入反应釜中混合搅拌半个小时，再向其中加入30质量份的双酚A型环氧树脂E-52D，搅拌半小时后，再加入0.5质量份的二月桂酸二丁基锡催化剂，混合搅拌半个小时出料，得到混合料B，待用。
4）利用化学注浆泵，混合料A和混合料B按照体积比1:1，在常温、4MPa压力条件下注入煤、岩体中，等其固化即可。
根据GB/T1041-1992对本实施例制备的注浆加固材料进行抗压强度测试；根据GB/T1041-1992对其阻燃性能进行测试；最高温度的测试，取混合料A和混合料B按照体积比1:1的比例混合，总体积不低于200mL，将温度计插在中心部位，测浆液凝固时的最高反应温度。具体测试数据见表1。
实施例2：
1）异氰酸酯预聚体的制备：将28质量份的聚醚多元醇N204加入反应釜中，升温到110-120℃，在真空度5mmHg下脱水2个小时，得到脱水聚醚多元醇；降温到60℃，解除真空，将287质量份的多亚甲基多苯基多异氰酸酯Wannate PM-2025加入到脱水聚醚多元醇N204中，在50-70℃下反应1.5小时停止预聚反应，得到异氰酸酯预聚体。
2）混合料A的制备：将步骤1）中70质量份的异氰酸酯预聚体、28质量份的阻燃剂磷酸三（β-氯乙基）酯和2质量份的抗静电剂catafor PU投入到反应釜中搅拌半小时出料，搅拌速度150-250r/min，得到混合料A，待用。
3）混合料B的制备：将40质量份的聚醚多元醇N303、25质量份的2130型酚醛树脂以及10质量份的稀释剂丁二醇二缩水甘油醚加入反应釜中混合搅拌半小时，再向其中加入25质量份双酚A型环氧树脂E-52D，搅拌半小时后，再加入0.5质量份的催化剂二月桂酸二丁基锡，混合搅拌半个小时出料，得到混合料B，待用。
4）将混合料A和混合料B按照体积比1：1的比例加入注浆泵中，混合均匀后注入煤层中，固化时间6分钟。
根据GB/T1041-1992对本实施例制备的注浆加固材料进行抗压强度测试；根据GB/T1041-1992对其阻燃性能进行测试；根据GB/T7124-2008对粘接性能进行测试；最高温度的测试，取混合料A和混合料B按照体积比1：1的比例混合，总体积不低于200mL，将温度计插在中心部位，测浆液凝固时的最高反应温度。具体测试数据见表1。
实施例3：
1）异氰酸酯预聚体的制备：将40质量份聚醚多元醇N204加入反应釜中，升温到110-120℃，在真空度5mmHg下脱水2个小时，得到脱水聚醚多元醇；降温到60℃，解除真空，将327质量份的多亚甲基多苯基多异氰酸酯Wannate PM-2025加入到脱水聚醚多元醇N204中，在50-70℃下反应1.5小时停止预聚反应，得到异氰酸酯预聚体。
2）混合料A的制备：取68质量份步骤1中的异氰酸酯预聚体、30质量份的阻燃剂磷酸三（β-氯乙基）酯、2质量份的抗静电剂catafor PU投入到反应釜中搅拌半小时出料，搅拌速度150-250r/min，得到混合料A，待用。
2）混合料B的制备：将40质量份的聚醚多元醇N303、20质量份的2130型酚醛树脂以及15质量份的稀释剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚加入反应釜中混合搅拌半小时，再向其中加入25质量份的双酚A型环氧树脂E-52D，搅拌半小时后，再加入0.5质量份的催化剂二月桂酸二丁基锡，混合搅拌半小时出料，得到混合料B，待用。
3）将混合料A和混合料B按照体积比1:1的比例加入注浆泵中，混合均匀后注入煤层中，固化时间8分钟。
根据GB/T1041-1992对本实施例制备的注浆加固材料进行抗压强度测试；根据GB/T1041-1992对其阻燃性能进行测试；最高温度的测试，取混合料A和混合料B按照体积比1:1的比例混合，总体积不低于200mL，将温度计插在中心部位，测浆液凝固时的最高反应温度。具体测试数据见表1。
表1实施例1-3制备的注浆加固材料的性能测试结果
从表1可以看出，当A、B两组份混合体积比为1：1的时候，抗压强度，氧指数都达到了较好的性能。三组实施例的最高反应温度均在100℃左右，相比于市售的其他材料，此发明的材料反应放热低，阻燃效果好，且强度较高。
Claims (9)
1.一种高强度低放热矿用阻燃注浆加固材料，其特征在于其原料按质量份数构成为：
组份A：异氰酸酯预聚体 60-80份，
阻燃剂 10-38份，
抗静电剂 2-3份；
组份B：聚醚多元醇 30-40份，
催化剂 0.1-0.5份，
稀释剂 10-25份，
环氧树脂 10-30份，
酚醛树脂 10-25份。
2.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述异氰酸酯预聚体为多亚甲基多苯基多异氰酸酯或/和二苯基甲烷-4,4′-二异氰酸酯与聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204反应得到的预聚体。
3.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述阻燃剂为磷酸三（β-氯乙基）酯。
4.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述抗静电剂为季铵盐类聚氨酯抗静电剂。
5.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述聚醚多元醇为聚醚多元醇N303或/和聚醚多元醇N204。
6.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或/和辛酸亚锡；
所述稀释剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚和/或聚丙二醇二缩水甘油醚。
7.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，环氧值为0.51-0.54；
所述酚醛树脂为数均分子量600-1500的液态酚醛树脂预聚体。
8.根据权利要求1所述的注浆加固材料，其特征在于：
组份A各原料混合后得到的混合料A与组份B各原料混合后得到的混合料B之间的体积比为1:1。
9.一种权利要求1所述的注浆加固材料的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：
1）将配比量的异氰酸酯预聚体、阻燃剂和抗静电剂依次加入反应釜中，于10-20℃搅拌0.5-1小时，得到混合料A；
2）将配比量的聚醚多元醇、稀释剂和酚醛树脂依次加入反应釜中，于10-20℃搅拌0.5-1小时，然后向反应釜中加入环氧树脂，继续于10-20℃搅拌0.5-1小时，再向反应釜中加入催化剂，于10-20℃搅拌0.5-1小时后得到混合料B；
3）在3-5MPa压力下将混合料A和混合料B按照体积比1:1混合注浆，控制注浆温度为20-40℃，固化时间3-10分钟。
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