CN104558514A - 一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用，涉及一种以碱金属硅酸盐为原料的注浆加固材料。其目的是为了提供一种成本低、制备简单、反应温度低、环保性能好的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用。本发明高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料包括：A组分和B组分，其中A组分包括：硅酸钠溶液和催化剂；B组分包括聚合MDI、聚醚多元醇和促溶剂。本发明的应用，为将A组分和B组分等体积混合浇注。本发明的注浆加固材料制备方法简单，易于操作。本发明的注浆加固材料反应温度低，无高温安全隐患；同时不含阻燃剂成分，减少环境污染。本发明用于煤层地质、水利水电、地下工程、地铁隧道等领域的岩土加固。

Description

一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种以碱金属硅酸盐为原料的注浆加固材料，特别是涉及一种用于地质加固的聚氨酯改性硅酸盐为原料的注浆加固材料。
背景技术
水玻璃注浆加固材料是目前使用最广的化学注浆加固材料之一，尤其是其绿色环保性受到世界各国的重视。随着水玻璃注浆加固技术发发展，目前开发出系列水玻璃注浆加固技术。如通过向水玻璃、乙酸乙酯中加入两种不同的乳化剂，混合形成水玻璃-乙酸乙酯微乳化学注浆加固材料，其具有较高强度、低成本、无污染、凝胶时间可控等优点，尤其适合钻井护臂堵漏中使用；又如通过使用十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，提高水玻璃浆料渗透性，使水玻璃注浆加固材料能灌注0.5mm以下裂隙。
水玻璃注浆加固材料的最大优点是成本低，而不足之处是水玻璃注浆加固料固结后强度偏低，在某些特定环境无法解决工程技术问题，还无法替代某些化学注浆加固材料。另外，水玻璃浆材的耐久性低，水玻璃凝胶固化后，未反应的水玻璃在凝胶后析出，引起脱水收缩，造成抗渗性降低，从而耐久性降低。
现有技术制备的产品也可用于各种通风不良的煤矿、隧道、隧洞中破碎煤层、岩层的加固和封堵处理中，但其通常都是用改性的MDI，材料性能不够稳定，受复配因子影响大，从而影响材料强度，如名称为硅酸盐改性聚氨酯高分子材料及其制备方法(201210508913.5)和名称为一种无机改性聚氨酯灌浆材料及其制备方法(201310237745.5)中所述的产品。或者为了安全，加入阻燃剂，如名称为煤岩体加固用低温安全型聚氨酯注浆材料及其制备方法(201210508997.2)的专利，阻燃剂的添加对环境造成污染。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题，而提供的一种成本低、制备简单、反应温度低、环保性能好的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用。本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料以水玻璃为主体，通过聚氨酯的改性作用，使得水玻璃注浆加固材料既继承了传统水玻璃注浆加固材料成本低廉、环境影响小等优点，同时又具有反应速度快、强度高、粘接力高的特点。同时，利用硅酸钠溶液成分为无机材料，在不外加任何阻燃成分亦能达到良好的阻燃效果，在对材料阻燃性要求较高的行业非常适用。为保证材料性能稳定，使用无预聚成分，又可以降低能耗，还提高生产效率。
本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，包括：体积比为1:1的A组分和B组分；其中，所述的A组分按质量份数包括：80-120份的硅酸钠溶液和1-15份的催化剂；所述的B组分按质量份数包括：80-120份的聚合MDI、10-20份的聚醚多元醇和8-10份的促溶剂。
本发明中所述的聚合MDI为二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯(MDI)、多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)中的一种或多种。
进一步，本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，所述的硅酸钠溶液其波美度为45-55，模数为2.5-3.0。
进一步，本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，所述的催化剂为三亚乙基二胺、二甲基环己胺、五甲基二亚乙基三胺、二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、异辛酸钾和油酸钾中的一种或多种。
进一步，本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，所述的聚合MDI为美国亨斯迈(Huntsman)公司的Rubinate 9257、烟台万华聚氨酯股份有限公司的PM300、美国陶氏化学公司的PAPI 135、德国Bayer(拜耳)公司的44V10L、日本三井产业集团的Cosmonate PZ601中的一种或多种。
本发明中所述的美国亨斯迈(Huntsman)公司的Rubinate 9257、烟台万华聚氨酯股份有限公司的PM300、美国陶氏化学公司的PAPI 135、德国拜耳(Bayer)公司的44V10L为多亚甲基多苯基异氰酸；所述的日本三井产业集团的Cosmonate PZ601为液化MDI。
进一步，本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，所述的聚醚多元醇为聚醚二元醇、聚醚三元醇中的一种或多种。
进一步，本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，所述的促溶剂为蓖麻油甲酸酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。
本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的制备方法，采用上述原料按以下步骤制备：
一、A组分的制备：向反应釜内加入硅酸钠溶液，搅拌过程中加入催化剂，搅拌30-60min，即得到注浆加固材料A组分；
二、B组分的制备：向反应釜内加入聚合MDI，然后在搅拌过程中加入聚醚多元醇、促溶剂，混合均匀后，即得到加固材料B组分。
本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的应用，其采用双液化学注浆泵将上述方法中的A组分和B组分按体积比为1:1混合注浆
本发明一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的应用，其用于煤层地质、水利水电、地下工程、地铁隧道等领域的岩土加固。
本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固生产方法简便，所用聚氨酯原料无需预聚，从而降低成本和能耗。
2、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的配方原材料中未使用改性MDI，材料性能比较稳定，受复配因子影响小。材料强度可达到55MPa以上，非常适用于要求较高的岩层地质加固。
3、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，在水玻璃中加入醇类物质，改善材料韧性，材料抗拉强度可大于20MPa，加入催化剂，方便调节反应速度，材料固化时间甚至可控制在1min以内。
4、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的配方原材料中不含有机阻燃剂成分，环保性能好。
5、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料A、B组分在混合反应过程中，不与水反应，能在水下亦能凝结成型，强度受影响较小，能够加固有水裂隙。
6、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料A、B组分在混合反应过程中，反应温度低，无高温安全隐患，完全克服了传统聚氨酯加固材料反应温度高的不足，因此，特别适用于高温高瓦斯煤矿的加固处理。
7、本发明的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料制备方法简单，易于操作。
具体实施方式
结合以下实施例和验证试验对本发明的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用作进一步的说明。
实施例1
本实施例一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料按以下步骤制备：
一、A组分的制备：向反应釜内加入硅酸钠溶液，搅拌过程中加入催化剂，搅拌30min，即得到注浆加固材料A组分；
二、B组分的制备：向反应釜内加入聚合MDI，然后在搅拌过程中加入聚醚多元醇、促溶剂，混合均匀后，即得到加固材料B组分。
实施例2
本实施例一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料按以下步骤制备：
一、A组分的制备：向反应釜内加入硅酸钠溶液，搅拌过程中加入催化剂，搅拌60min，即得到注浆加固材料A组分；
二、B组分的制备：向反应釜内加入聚合MDI，然后在搅拌过程中加入聚醚多元醇、促溶剂，混合均匀后，即得到加固材料B组分。
实施例3
本实施例一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料按以下步骤制备：
一、A组分的制备：向反应釜内加入硅酸钠溶液，搅拌过程中加入催化剂，搅拌45min，即得到注浆加固材料A组分；
二、B组分的制备：向反应釜内加入聚合MDI，然后在搅拌过程中加入聚醚多元醇、促溶剂，混合均匀后，即得到加固材料B组分。
按照实施例1-3的操作步骤，制备表1-2中原料参数的产品，然后将制得的A组分和B组分按体积比为1:1混合浇注，并对所得产品的指标进行检测，所得数据见表3。
表1实施例1-3中制备产品的原料中的A组分
表2实施例1-3中制备产品的原料中的B组分
表3实施例1-3制得产品的指标
表3中CK1为传统水玻璃注浆材料，CK2为煤矿用聚氨酯加固注浆材料。
由上表可知，以上实施例中硅酸钠溶液的波美度为45-55，模数为2.5-3时，固结体强度与抗拉强度较高。本发明制得产品在水下亦能凝结成型，强度受影响较小。传统的水泥-水玻璃双液灌浆所得材料的抗压强度能达到18MPa，而双组份水玻璃灌浆材料如将丙烯酸、醋酸酯、乙二醛、弱酸等化合物配制成另一组分，与水玻璃混合灌浆，所得灌浆料性能均远低于本发明制得产品的性能指标。聚氨酯注浆加固材料反应温度非常高(≥130℃)，在煤矿井下使用容易造成安全生产事故，且其遇水发泡的特性，严重降低其固化物性能。本发明的注浆加固材料既克服了传统水玻璃注浆材料的固结体强度和拉伸强度低的问题，也解决了现有煤矿用聚氨酯加固注浆材料反应温度高，在使用过程中带来的危险。本发明所得材料的固化时间可以通过催化剂及其他原料的量来调节，通过增加催化剂的量来加快固化时间。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：包括体积比为1:1的A组分和B组分；其中，所述的A组分按质量份数包括：80-120份的硅酸钠溶液和1-15份的催化剂；所述的B组分按质量份数包括：80-120份的聚合MDI、10-20份的聚醚多元醇和8-10份的促溶剂。
2.根据权利要求1所述的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：所述的硅酸钠溶液其波美度为45-50，模数为2.5-3.0。
3.根据权利要求1所述的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：所述的催化剂为三亚乙基二胺、二甲基环己胺、五甲基二亚乙基三胺、二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、异辛酸钾和油酸钾中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：所述的聚合MDI为美国亨斯迈公司的Rubinate 9257、烟台万华聚氨酯股份有限公司的PM300、美国陶氏化学公司的PAPI 135、德国拜耳公司的44V10L、日本三井产业集团的CosmonatePZ601中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：所述的聚醚多元醇为聚醚二元醇、聚醚三元醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于：所述的促溶剂为蓖麻油甲酸酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。
7.一种权利要求1所述的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的制备方法，其特征在于使用权利要求1中所述的原料，按以下步骤制备：
一、A组分的制备：向反应釜内加入硅酸钠溶液，搅拌过程中加入催化剂，搅拌30-60min，即得到注浆加固材料A组分；
二、B组分的制备：向反应釜内加入聚合MDI，然后在搅拌过程中加入聚醚多元醇、促溶剂，混合均匀后，即得到加固材料B组分。
8.一种权利要求1所述的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的应用，其特征在于：用双液化学注浆泵将:A组分和B组分按体积比为1:1混合注浆。
9.根据权利要求8所述的高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料的应用，其特征在于：用于煤层地质、水利水电、地下工程、地铁隧道领域的岩土加固。
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