CN103881282B - 一种防治煤炭自燃的智能凝胶材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防治煤炭自燃的智能凝胶材料，所述的智能凝胶材料是由高吸水温敏胶体、可膨胀骨料和发泡剂组成。其中，高吸水温敏胶体是由壳聚糖、淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺中的几种或一种在引发剂、交联剂的作用下，在碱性环境、高温条件下聚合制备而成；可膨胀骨料为可膨胀石墨；发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵或碳酸钠中的一种或几种。本发明的智能凝胶材料对温度具有极高的敏感性，其物理性能和化学结构能随温度变化而变化；相对传统凝胶，其对高温火源能够准确定位，并快速释放体内水分，起到降温灭火的功能；其失水后粘度剧增，能黏附在高温火源表面起到隔绝氧气的作用；智能凝胶完全失水后，在高温条件下能够实现二次膨胀，起到堵漏风效果。
Description
技术领域
本发明涉及防灭火材料技术领域，尤其涉及一种防治煤炭自燃的智能凝胶材料。
背景技术
煤炭自燃是威胁我国煤矿安全生产的重大隐患之一。煤炭自燃引发的火灾不但造成大量的人员伤亡和严重的经济损失，还会引起大面积的环境污染，植被破坏，土壤沙漠化等问题。为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、喷洒阻化剂、注惰性气体、注胶体、注三相泡沫、气雾阻化剂、均压防灭火、固化泡沫堵漏风等技术。在灌浆材料方面，主要是黄泥、粉煤灰，此外还有矸石、砂子、水泥砂浆、石膏、高水材料等。这些技术对保证矿井安全生产起到重要作用，但还存在一些问题：如黄泥灌浆会消耗大量农田，粉煤灰堵漏效果差，矸石制浆成本高；水玻璃-铵盐凝胶产生有毒有味的氨气，高分子胶体流动性差，渗透范围较小；三相泡沫强度低，稳定性较差，无法保证封堵的持久性；有机泡沫材料成本高，反应过程放热，存在不安全因素；惰性气体易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内。
由此可见，现有的防灭火材料均存在不同程度的缺陷，为加快现有火区的治理速度和遏制新火区的发生，迫切需要研发矿井防灭火的新材料，跳出现有理论和技术框架，寻找更为有效的防灭火材料和技术。
发明内容
为了解决目前防止煤炭自然的灭火材料存在的问题，本发明创新性的提出“智能凝胶防治煤炭自燃”的新概念。智能凝胶是指水溶性高分子经适度交联形成三维交联网络与水组成的多元体系，其对环境刺激(如温度、pH值等)具有较强的响应性。
本发明采取的技术方案是：
本发明的防治煤炭自燃的智能凝胶材料是由高吸水温敏胶体、可膨胀骨料和发泡剂组成。
所述智能凝胶材料的重量百分比组成是：高吸水温敏胶体70-90％、可膨胀骨料10-20％、发泡剂5-10％。
所述的高吸水温敏胶体是由壳聚糖、淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺中的几种或一种在引发剂、交联剂的作用下，在碱性环境、高温条件下聚合制备而成。
所述的高吸水温敏胶体的具体制备方法如下：首先称取丙烯酸100重量份，丙烯酰胺40-80重量份，壳聚糖10-30重量份，混合均匀，再往上述混合物中加入质量浓度为2％的醋酸溶液，醋酸溶液的体积与上述混合物的重量比为0.2-1ml/g，再加入0.5-2重量份的过硫酸钾为和0.5-2重量份的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混匀后，放入水域中，水浴温度为70℃，蒸馏水400重量份，在氮气保护条件下反应60-120分钟。
所述的可膨胀骨料为可膨胀石墨。可膨胀石墨是一种利用物理或化学的方法将非碳质反应物插入石墨层间，形成的晶体化合物。可膨胀石墨在遇到高温时，层间化合物分解，开始膨胀，在1000℃时膨胀完全，膨胀倍数可达200倍以上。膨胀后的石墨形成了一个非常好的绝热层，能有效隔热，在火灾中具有热释放率低，质量损失小，产烟量少特点。目前，该材料已被广泛的用作密封材料、阻燃材料等。
所述的发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵或碳酸钠中的一种或几种。
本发明的智能凝胶具有自生气发泡性，温度智能性和高温膨胀性，可以实现快速扑灭高温火源。其防灭火的优势主要体现在以下几个方面：
(1)在催化剂的作用下，智能凝胶能够通过自身反应放出气体，体积膨胀，在采空区可以向高出堆积，对高、低浮煤形成覆盖；
(2)在常温下，智能凝胶为中粘度流体，并融合了气相介质，能被输送到更远的地方，克服了普通胶体的流动性差，扩散范围小等缺点；
(3)如果遇到高温火源，智能凝胶就会表现出优异的温度智能性，快速释水，起到精准降温冷却的作用；同时，凝胶粘度剧增，可黏附在高温火源表面起到隔绝氧气的作用；
(4)当智能凝胶中水分完全蒸发后，凝胶中的“骨料”在高温条件下会迅速膨胀，从而将高温火源紧密包裹起来，对漏风裂隙进行二次封堵。
综上所述，“智能凝胶”不同于传统的“凝胶”，其流动性好、智能性强且高温膨胀，是一种的理想防灭火材料。
本发明的防治煤炭自燃的智能凝胶材料对温度具有极高的敏感性，其物理性能和化学结构能随温度变化而变化；相对传统凝胶，其对高温火源能够准确定位，并快速释放体内水分，起到降温灭火的功能；其失水后粘度剧增，能黏附在高温火源表面起到隔绝氧气的作用；智能凝胶完全失水后，在高温条件下能够实现二次膨胀，起到堵漏风效果。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
1.实施例一：
首先称取丙烯酸100重量份，丙烯酰胺40重量份，壳聚糖10重量份，混合均匀，再往上述混合物中加入质量浓度为2％的醋酸溶液，醋酸溶液的体积与上述混合物的重量比为0.2ml/g，再加入0.5重量份的过硫酸钾和0.5重量份的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混匀后，搅拌混匀后，放入水域中，水浴温度为70℃，蒸馏水400重量份，在氮气保护条件下反应60分钟。在真空干燥箱烘干，粉碎，制备智能凝胶。
在1000kg水中加入150kg黄土形成黄泥浆液，在该浆液中加入8kg高吸水智能胶体，搅拌5分钟，在稠化泥浆中加入1kg的可膨胀石墨和1kg的碳酸氢钠发泡剂，形成含智能凝胶浆液；通过铁管输送智能凝胶浆液，将其喷洒在燃烧的煤堆上。在煤堆温度的作用下，智能凝胶中添加的发泡剂碳酸氢钠分解，释放出CO2，从而导致凝胶膨胀，产生白色泡沫状胶体，这种含大量水的泡沫状凝胶不仅可以迅速降低火场温度，使木垛内的温降低到其燃点以下，同时在发泡的动力作用下有利于覆盖煤体，有效地隔绝周围空气与煤进一步接触，增强了窒息效果。由于煤堆温度远远高于智能水凝胶的相变温度(60℃)，使得智能水凝胶快速失水，加速煤火进度。当智能凝胶温度超过180℃时，智能凝胶中添加的可膨胀石墨在高温条件下体积膨胀，起到堵漏风效果。
2.实施例二：
首先称取丙烯酸100重量份，丙烯酰胺50重量份，壳聚糖17重量份，混合均匀，再往上述混合物中加入质量浓度为2％的醋酸溶液，醋酸溶液的体积与上述混合物的重量比为0.3ml/g，再加入0.8重量份的过硫酸钾和0.8重量份的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混匀后，搅拌混匀后，放入水域中，水浴温度为70℃，蒸馏水400重量份，在氮气保护条件下反应50分钟。在真空干燥箱烘干，粉碎，制备智能凝胶。
在1000kg水中加入150kg黄土形成黄泥浆液，在该浆液中加入8kg高吸水智能胶体，搅拌5分钟，在稠化泥浆中加入2kg的可膨胀石墨和2kg的碳酸氢铵发泡剂，搅拌形成含智能凝胶浆液；通过铁管输送智能凝胶浆液，将其喷洒在燃烧的煤堆上。在煤堆温度的作用下，智能凝胶中添加的发泡剂碳酸氢铵分解，释放出CO2，从而导致凝胶膨胀，产生白色泡沫状胶体，快速覆盖煤体，增强窒息效果。此智能水凝胶的相变温度(65℃)，当火场温度高于此温度时，智能水凝胶快速失水，有效降低火场温度，加速灭火进度。当智能凝胶温度超过180℃时，智能凝胶中添加的可膨胀石墨在高温条件下体积膨胀，起到堵漏风效果。
3.实施例三：
首先称取丙烯酸100重量份，玉米淀粉60重量份，壳聚糖20重量份，混合均匀，再往上述混合物中加入质量浓度为2％的醋酸溶液，醋酸溶液的体积与上述混合物的重量比为0.2ml/g，再加入1重量份的过硫酸钾和0.6重量份的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混匀后，搅拌混匀后，放入水域中，水浴温度为70℃，蒸馏水500重量份，在氮气保护条件下反应60分钟。在真空干燥箱烘干，粉碎，制备智能凝胶。
在1000kg水中加入200kg黄土形成黄泥浆液，在该浆液中加入8kg高吸水智能胶体，搅拌5分钟，在稠化泥浆中加入2kg的可膨胀石墨和1.5kg的碳酸钠发泡剂，搅拌形成含智能凝胶浆液；通过铁管输送智能凝胶浆液，将其喷洒在燃烧的煤堆上。在煤堆温度的作用下，智能凝胶中添加的发泡剂碳酸钠分解，释放出CO2，形成凝胶泡沫，快速覆盖煤体，增强窒息效果。此智能水凝胶的相变温度(55℃)，当火场温度高于此温度时，智能水凝胶快速失水，有效加速灭火进度。当智能凝胶温度超过180℃时，智能凝胶中添加的可膨胀石墨在高温条件下体积膨胀，起到堵漏风效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种防治煤炭自燃的智能凝胶材料，其特征在于：所述的智能凝胶材料是由高吸水温敏胶体、可膨胀骨料和发泡剂组成，所述智能凝胶材料的重量百分比组成是：高吸水温敏胶体 70-90％、可膨胀骨料 10-20％、发泡剂 5-10％，所述的高吸水温敏胶体的具体制备方法如下：首先称取丙烯酸100重量份，丙烯酰胺40-80重量份，壳聚糖10-30重量份，混合均匀，再往上述混合物中加入质量浓度为2％的醋酸溶液，醋酸溶液的体积与上述混合物的重量比为0.2-1ml/g，再加入0.5-2重量份的过硫酸钾和0.5-2重量份的N，N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混匀后，放入水浴中，水浴温度为70℃，在混合物中添加蒸馏水400重量份，在氮气保护条件下反应60-120分钟，所述的可膨胀骨料为可膨胀石墨。
2.如权利要求 1 所述的智能凝胶材料，其特征在于：所述的发泡剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵或碳酸钠中的一种或几种。
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