CN103724581A - 一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料及其制备方法。本发明的封孔材料由A、B和C三个组分组成，A组分是异氰酸酯，占材料总质量的35~55%；B组分是聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的5~55%，聚醚多元醇占B组分质量的60~84.9%，催化剂占B组分质量的0.1~5%，阻燃剂占B组分质量的10~30%，匀泡剂占B组分质量的0~15%，发泡剂占B组分质量的5~20%，扩链剂占B组分质量的0~10%；C组分是水玻璃，占材料总质量的10~50%；其制备方法是按照A、B、C三组分的比例配料，充分混合得到封孔材料。本发明的封孔材料是一种价格低廉、粘度低、膨胀倍数大、密封性好、粘结力强、阻燃性能好的瓦斯封孔材料，能够大大提高煤矿井下瓦斯封孔的安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料及其制备方法。
背景技术
目前常用的瓦斯封孔材料主要有粘土封孔材料、水泥砂浆封孔材料和聚氨酯封孔材料，其中，粘土封孔材料的软硬不易控制、封孔长度短，不能很好的达到封孔效果；水泥砂浆封孔材料的可塑性小、易产生漏气、凝结时间长、操作复杂。而聚氨酯封孔材料由于具有膨胀性大、密封好、粘结力强、不收缩、抗静电等特点，被越来越多的应用到矿井下瓦斯抽采的治理中。
但是现有的聚氨酯瓦斯封孔材料的成本较高，而且未添加阻燃剂的聚氨酯封孔材料在媒体本身存在自燃隐患的环境下极易燃烧，且燃烧过程中放出大量有害气体和烟尘，危害人类健康和社会安全，因此，降低聚氨酯封孔材料成本的同时提高其阻燃性能尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明提供一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料及其制备方法，通过采用水玻璃溶液作为聚氨酯瓦斯封孔材料的第三组分，得到的聚氨酯瓦斯封孔材料具有成本低、阻燃性能好、膨胀倍数大、抗压强度高等优点。
实现本发明目的的用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，A、B和C三个组分组成，所述的A组分是异氰酸酯，占材料总质量的35~ 55%；B组分是聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的5~55%，其中聚醚多元醇占B组分质量的60~84.9%，催化剂占B组分质量的0.1~5%，阻燃剂占B组分质量的10~30%，匀泡剂占B组分质量的0~15%，发泡剂占B组分质量的5~20%，扩链剂占B组分质量的0~10%； C组分是水玻璃，占材料总质量的10~50%。
其中，A组分所述的异氰酸酯包括二异氰酸酯单体、多亚甲基多异氰酸酯和多异氰酸酯，具体是：甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、苯二甲基二异氰酸酯、多亚甲基多异氰酸酯中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
B组分中所述的聚醚多元醇的平均官能度为2~5，分子量为 400~2000，羟值为35~500mgkOH/g，包括三羟甲基丙烷—氧化丙烯聚醚三醇、季戊四醇聚醚、聚氧化丙烯聚醚三醇中的一种或多种以任意比例混合的混合物，具体牌号包括但不限于3050、3030、3000、N-330、3031、4063、4110、5601、5163、ZS-2802。
所述的催化剂是N,N—二甲基环己胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、五甲基二乙烯三胺、二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的阻燃剂是甲基磷酸二甲酯、磷酸三苯酯、磷酸三乙酯、三（2—氯乙基）磷酸酯或三（2—氯丙基）磷酸酯中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的匀泡剂包括聚硅氧烷—氧化乙烯的嵌段共聚物（俗称硅油），主要牌号有SD-102，XH-295，055，5511。
所述的发泡剂是聚硅氧烷—多烷氧基醚共聚物、环戊烷、正己烷、二氯乙烯或水中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
所述的扩链剂是1,4—丁二醇、1,6—己二醇、新戊二醇或三甘醇中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
C组分中所述的水玻璃水溶液是钠水玻璃、钾水玻璃中的一种或两种以任意比例混合的混合物。
本发明的用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）按照以下比例进行配料，A组分：异氰酸酯占原料总质量的35~ 55%；B组分：聚醚多元醇及辅料，占原料总质量的5~55%，其中聚醚多元醇占B组分质量的60~84.9%；催化剂占B组分质量的0.1~5%，阻燃剂占B组分质量的10~30%，匀泡剂占B组分质量的0~15%， 发泡剂占B组分质量的5~20%，扩链剂：占B组分质量的0~10%；C组分：水玻璃占原料总量的10~50%。
（2）向聚醚多元醇中加入催化剂、阻燃剂和发泡剂，或者还加入匀泡剂或扩链剂中的一种或两种，混合均匀得到B组分。
（3）将A、B和C组分充分混合，得到用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
（1）本发明的聚氨酯瓦斯封孔材料特别适用于煤矿井下的瓦斯治理，解决煤矿安全问题；
（2）本发明的聚氨酯瓦斯封孔材料与其他传统的瓦斯封孔材料相比，主要区别是在异氰酸酯与聚醚多元醇的两组分中加入水玻璃溶液作为第三组分，水玻璃溶液与异氰酸酯反应发泡，水玻璃溶液中的硅酸盐在加阻燃剂的基础上起到一定的阻燃作用，从而在瓦斯封孔的同时保证煤矿的安全性，避免煤矿井下火灾的发生；
（3）本发明的聚氨酯瓦斯封孔材料是一种价格低廉、粘度低、膨胀倍数大、密封性好、粘结力强、阻燃性能好的瓦斯封孔材料，其可操作性强，使用简洁方便，能够大大提高煤矿井下瓦斯封孔的安全性和经济性。
具体实施方式
下面结合实施例说明该发明的具体实施方式，并且选取不含本发明的C组分水玻璃的聚氨酯封孔材料作为对比例，进一步说明本发明技术方案的技术效果，本发明的实施方式不仅限于实施例所述内容。
本发明实施例与对比例的封孔材料的阻燃性能是采用HC-2C型氧指数测定仪，参照阻燃性GB/T2406-1993标准进行的，本实验氧指数试样尺寸定为100mm×6mm×3mm，仪器上显示的读数为氧指数；
膨胀倍数是指密封材料试样在膨胀前后体积变化的倍数，用来衡量密封材料密封前后的膨胀情况，即发泡前的体积/发泡后的体积=膨胀倍数 由于密封材料发泡体积不规则，所以发泡后的体积采用排水法测定；本发明实施例与对比例的封孔材料的膨胀倍数测定是将发泡后的密封材料放入盛满水的容器中，利用排出水的体积计算试样发泡后体积。
对比例1
（1）称取甲苯二异氰酸酯25克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取4063聚醚多元醇21克，在其中加入催化剂三乙烯二胺0.1克，阻燃剂甲基磷酸二甲酯2克，匀SD-102泡剂0.5克，发泡剂水1克，扩链剂1,4—丁二醇1克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）将配好的B组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到聚氨酯封孔材料作为空白样对比例。
实施例1
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是甲苯二异氰酸酯，占材料总质量的49.2%；B组分是4063聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的31%，其中4063聚醚多元醇占B组分质量的69.6%，催化剂三乙烯二胺B占组分质量的1.9%，阻燃剂甲基磷酸二甲酯占B组分质量的12.6%，匀泡剂SD-102占B组分质量的3.2%，发泡剂水占B组分质量的6.3%，扩链剂1,4—丁二醇占B组分质量的6.3%； C组分是钠水玻璃，占材料总质量的19.8%。
其制备方法是：
（1）称取甲苯二异氰酸酯25克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取4063聚醚多元醇11克，在其中加入催化剂三乙烯二胺0.3克，阻燃剂甲基磷酸二甲酯2克，SD-102匀泡剂0.5克，发泡剂水1克，扩链剂1,4-丁二醇1克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钠水玻璃10克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
实施例2
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多异氰酸酯，占材料总质量的41.2%；B组分是4110聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的25.8%，其中4110聚醚多元醇占B组分质量的70.4%，催化剂N,N-二甲基环己胺占B组分质量的0.77%，阻燃剂磷酸三苯酯占B组分质量的12.8%，匀泡剂XH-295占B组分质量的3.2%，发泡剂环戊烷和正己烷占B组分质量的6.4%，扩链剂1,6-己二醇占B组分质量的6.4%； C组分是钾水玻璃，占材料总质量的33%。
其制备方法是：
（1）称取多亚甲基多异氰酸酯12克，二苯基甲烷二异氰酸酯13g，得到封孔材料的A组分；
（2）称取4110聚醚多元醇11克，在其中加入催化剂N,N-二甲基环己胺0.12克，阻燃剂磷酸三苯酯2克，XH-295匀泡剂0.5克，发泡剂环戊烷和正己烷1克，扩链剂1,6-己二醇1克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钾水玻璃20克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
实施例3
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是六亚甲基二异氰酸酯，占材料总质量的35.2%；B组分是3050聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的53.5%，其中3050聚醚多元醇占B组分质量的60%，催化剂四甲基乙二胺和五甲基二乙烯三胺占B组分质量的0.1%，阻燃剂磷酸三乙酯占B组分质量的10%，匀泡剂055占B组分质量的15%，发泡剂二氯乙烯占B组分质量的5%，扩链剂新戊二醇占B组分质量的10%； C组分是水玻璃，占材料总质量的11.3%。
其制备方法是：
（1）称取六亚甲基二异氰酸酯25克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取3050聚醚多元醇22.8克，在其中加入催化剂四甲基乙二胺0.019克、五甲基二乙烯三胺0.019克，阻燃剂磷酸三乙酯3.8克，匀泡剂055 5.7克，发泡剂二氯乙烯1.9克，扩链剂新戊二醇3.8克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钠水玻璃8克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
实施例4
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是苯二甲基二异氰酸酯，占材料总质量的55%；B组分是3030、3000和3031聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的5%，其中3030、3000和3031聚醚多元醇占B组分质量的65%，催化剂二月桂酸二丁基锡占B组分质量的5%，阻燃剂三（2-氯乙基）磷酸酯占B组分质量的20%，匀泡剂5511占B组分质量的1%，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物占B组分质量的8%，扩链剂三甘醇占B组分质量的1%； C组分是水玻璃，占材料总质量的39.25%。
其制备方法是：
（1）称取苯二甲基二异氰酸酯40克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取3030、3000和3031聚醚多元醇共3.25克，在其中加入催化剂二月桂酸二丁基锡0.25克，阻燃剂三（2-氯乙基）磷酸酯1克，匀泡剂5511 0.05克，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物0.4克，扩链剂三甘醇0.05克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钠水玻璃29克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
实施例5
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是苯二甲基二异氰酸酯，占材料总质量的40%；B组分是5601和5163聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的10%，其中5601和5163聚醚多元醇占B组分质量的69.6%，催化剂辛酸亚锡占B组分质量的2.7%，阻燃剂三（2-氯丙基）磷酸酯占B组分质量的18.2%，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物占B组分质量的9.1%，扩链剂三甘醇占B组分质量的9.1%； C组分是钾水玻璃，占材料总质量的50%。
其制备方法是：
（1）称取苯二甲基二异氰酸酯25克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取5601和5163聚醚多元醇3.75克，在其中加入催化剂辛酸亚锡0.03克，阻燃剂三（2-氯丙基）磷酸酯1.9克，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物0.38克，扩链剂三甘醇2.2克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钾水玻璃31.25克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
实施例6
用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，由A、B和C三个组分组成，所述的A组分是苯二甲基二异氰酸酯，占材料总质量的35%；B组分是N-330和ZS-2802聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的50%，其中5601和5163聚醚多元醇占B组分质量的80%，催化剂辛酸亚锡占B组分质量的1.5%，阻燃剂三（2-氯丙基）磷酸酯占B组分质量的12%，匀泡剂5511硅油占B组分质量的1.5%，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物占B组分质量的95 %；C组分是钾水玻璃，占材料总质量的15%。
其制备方法是：
（1）称取苯二甲基二异氰酸酯35克，得到封孔材料的A组分；
（2）称取N-330和ZS-2802聚醚多元醇共40克，在其中加入催化剂辛酸亚锡1.5克，阻燃剂三（2-氯丙基）磷酸酯6克，匀泡剂5511 硅油0.75克，发泡剂聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物2.5克，将这几种物料混合均匀，得到封孔材料的B组分；
（3）称取钾水玻璃15克，得到封孔材料的C组分；
（4）将配好的B、C组分倒入A组分中，充分搅拌均匀，即可得到成本低、阻燃性能好的聚氨酯封孔材料。
将本实施例1-6所制备的聚氨酯封孔材料与对比例作的阻燃性能和膨胀倍数作比较，具体数据见表1，从表1中可以看出本发明的聚氨酯封孔材料阻燃性能明显优于现有材料，同时膨胀倍数也达到了技术指标要求。
表1对比例与实施例1-6的聚氨酯瓦斯封孔材料组分反应后的材料的主要性能指标
| 试样 | 水玻璃含量/% | 阻燃性能（氧指数/%） | 膨胀倍数 |
| 对比例1 | 0 | 23 | 17 |
| 实施例1 | 19.8 | 29 | 17 |
| 实施例2 | 33 | 31 | 18 |
| 实施例3 | 11.3 | 27 | 17 |
| 实施例4 | 39.25 | 31 | 18 |
| 实施例5 | 50 | 32 | 18 |
| 实施例6 | 15 | 28 | 17 |
Claims (10)
1.一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于A、B和C三个组分组成，所述的A组分是异氰酸酯，占材料总质量的35~ 55%；B组分是聚醚多元醇及辅料，占材料总质量的5~55%，其中聚醚多元醇占B组分质量的60~84.9%，催化剂占B组分质量的0.1~5%，阻燃剂占B组分质量的10~30%，匀泡剂占B组分质量的0~15%，发泡剂占B组分质量的5~20%，扩链剂占B组分质量的0~10%； C组分是水玻璃，占材料总质量的10~50%。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的A组分的异氰酸酯包括二异氰酸酯单体、多亚甲基多异氰酸酯和多异氰酸酯，具体是：甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、苯二甲基二异氰酸酯、多亚甲基多异氰酸酯中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的B组分中的聚醚多元醇的平均官能度为2~5，分子量为 400~2000，羟值为35~500mgkOH/g，具体包括三羟甲基丙烷—氧化丙烯聚醚三醇、季戊四醇聚醚、聚氧化丙烯聚醚三醇中的一种或多种以任意比例混合的混合物，牌号是3050、3030、3000、N-330、3031、4063、4110、5601、5163、ZS-2802。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的催化剂是N,N—二甲基环己胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、五甲基二乙烯三胺、二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的阻燃剂是甲基磷酸二甲酯、磷酸三苯酯、磷酸三乙酯、三（2—氯乙基）磷酸酯或三（2—氯丙基）磷酸酯中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的匀泡剂是硅油，主要牌号有SD-102，XH-295，055，5511。
7.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的发泡剂是聚硅氧烷—多烷氧基醚共聚物、环戊烷、正己烷、二氯乙烯或水中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的扩链剂是1,4—丁二醇、1,6—己二醇、新戊二醇或三甘醇中的一种或多种以任意比例混合的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料，其特征在于所述的C组分中的水玻璃水溶液是钠水玻璃、钾水玻璃中的一种或两种以任意比例混合的混合物。
10.一种如权利要求1所述的用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）按照以下比例进行配料，A组分：异氰酸酯占原料总质量的35~ 55%；B组分：聚醚多元醇及辅料，占原料总质量的5~55%，其中聚醚多元醇占B组分质量的60~84.9%；催化剂占B组分质量的0.1~5%，阻燃剂占B组分质量的10~30%，匀泡剂占B组分质量的0~15%， 发泡剂占B组分质量的5~20%，扩链剂：占B组分质量的0~10%；C组分：水玻璃占原料总量的10~50%；
（2）向聚醚多元醇中加入催化剂、阻燃剂和发泡剂，或者还加入匀泡剂或扩链剂中的一种或两种，混合均匀得到B组分；
（3）将A、B和C组分充分混合，得到用于煤矿井下的聚氨酯瓦斯封孔材料。
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