CN107118560A - 一种煤矿用密闭填充材料的制备方法 - Google Patents

一种煤矿用密闭填充材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，属于密封材料制备技术领域。本发明以乙烯基三甲氧基硅烷为原料反应，得到有机硅树脂，再将炭黑用偶联剂处理后，引入巯基和钴元素，催化树脂和炭黑在燃烧时炭化形成炭层，增强阻燃性，再将硅酸钠、偏高岭土等球磨，最后与助剂等搅拌反应即可得煤矿用密闭填充材料，本发明所得填充材料不含强酸性、残留甲醛等有毒物质，不会对施工人员及井下环境造成损害，同时材料力学性能良好，且材料阻燃性能优异，避免了传统填充材料反应时聚热，会引起发烟、自燃现象的问题，具有广阔的使用前景。

Description

一种煤矿用密闭填充材料的制备方法
技术领域
本发明公开了一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，属于密封材料制备技术领域。
背景技术
煤矿井下采掘施工过程中，高冒区煤岩空峒、各种裂缝、漏风通道、采空区容易成为井下瓦斯气体的涌出通道及聚集区域，瓦斯超限引起的瓦斯爆炸产生的有毒有害气体、高温火焰、以及高压气体形成的冲击波，不仅造成大量人员伤亡，严重还会摧毁井巷等设施。治理瓦斯超限最有效的措施是进行瓦斯抽放。瓦斯抽放的技术很多，如底板穿层钻孔瓦斯抽放技术、高位瓦斯抽放巷道抽放技术和高位钻孔瓦斯抽放技术等，但各种瓦斯抽采技术在高瓦斯及突出矿井应用后，遗留了大量的钻场，如果不对这些钻场进行充填，很容易造成瓦斯积聚同时也可能引起煤炭自燃，形成安全隐患。因此，困扰煤矿安全生产的主要安全问题之一，是密闭墙的构建和破碎煤岩体的密闭以及采空区充填等难题。煤矿用填充材料具有良好的隔气性和发泡性，广泛应用于煤矿和隧道的永久（临时）密闭，特别适用于填充高冒区煤岩空峒、各种裂隙及漏风通道，以及封堵工作面上下隅角防治漏风及采空区瓦斯气体涌出。
对于井下空穴填充，上下隅角封堵，防瓦斯密闭墙的填充制作等需要，传统技术普遍存在效率低下、费工费时等问题。虽然酚醛类及聚氨酯类材料能够较好解决这些问题，但酚醛类填充材料中的固化剂为强酸性物质，在使用过程中容易给施工人员带来一定伤害，比如漏料粘到皮肤上可引起红肿、发痒，接触到眼睛严重可导致失明，另外，酚醛材料的力学性能较差容易被风化，而聚氨酯类填充材料的阻燃性较差，反应时容易聚热，在一定条件下甚至会发烟、自燃。因此，亟待开发一种具有优异力学性能和阻燃效果的煤矿用密闭填充材料。
发明内容
本发明主要解决的技术问题：针对现有的填充材料阻燃性不佳、力学性能较差易被风化的缺陷，提供一种煤矿用密闭填充材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）称取3～5g乳化剂与200～300mL水混合后，再加入30～40g乙烯基三甲氧基硅烷，在30～80℃下搅拌反应50～90min，反应结束后，再加入15～20mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合后，得到乳液；
（2）称取15～20g纳米炭黑与80～100mL水混合，再加入5～8g硅烷偶联剂，在60～70℃下搅拌反应60～90min后，加入0.1～0.3g引发剂、3～5mL巯基乙酸和8～12g醋酸钴，升温至85～95℃，反应2～3h后，过滤，得到滤渣；
（3）称取800～1000g硅酸钠、100～150g氢氧化钠和100～150g纳米二氧化硅球磨30～40min后，再加入50～60g偏高岭土、10～15g硅灰和100～150g硅酸盐水泥，继续球磨60～90min，得到混合物；
（4）按重量份数计，取40～50份混合物、60～70份乳液、8～12份滤渣、3～5份三异丙醇胺、1～3份十二烷基苯磺酸钠、0.5～0.8份过氧化二异丙苯、1～3份木质素磺酸钠、5～8份茶皂素和3～5份二乙胺基丙胺加入到烧杯中，在60～70℃下搅拌反应50～60min，即可得到煤矿用密闭填充材料。
所述的乳化剂为乳化剂OP-10、仲辛基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
所述的乳化剂与水混合过程中还可以加入3～5g氢氧化钠。
所述的反应温度为70～80℃，反应时间为70～90min。
所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560中的一种或两种。
所述的引发剂为过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在乙烯基三甲氧基硅烷水解、缩聚过程中加入氢氧化钠，可催化水解和缩聚反应的速率，并且随温度的升高，乙烯基三甲氧基硅烷的水解程度增大，还可促进水解产物缩聚反应的进行，制备的乙烯基硅树脂具有有机聚合物和无机硅化合物的双重特性，因而其具有优异的耐热性和阻燃性；
（2）本发明以具有阻燃性能和高比表面的炭黑为原料，首先用偶联剂进行处理，使炭黑表面具有偶联剂，然后再与巯基乙酸进行反应，从而向炭黑表面引入巯基，
再利用巯基的吸附性能，将改性炭黑与醋酸钴反应，从而引入钴元素，燃烧过程中，钴元素能够捕捉自由基，终止燃烧连锁反应，并且钴元素可催化乙烯基硅树脂和炭黑脱氢成炭，分解得到的含Si-O-C键的稳定炭层，能够起到隔热、隔氧、抑烟和阻燃的作用；
（3）本发明中偏高岭土和硅灰在碱激发剂作用下固化时形成具有三维网状无机聚合物，可增强密闭填充材料的耐久性和力学性能。
具体实施方式
称取1～3g乳化剂和3～5g氢氧化钠加入到盛有200～300mL水的烧杯中，搅拌混合3～5min后，再向烧杯中加入30～40g乙烯基三甲氧基硅烷，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为70～80℃，转速为400～500r/min的条件下搅拌反应70～90min后，再向烧杯中加入15～20mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合10～15min，得到乳液，同时称取15～20g纳米炭黑加入到盛有80～100mL水的烧杯中，再向烧杯中加入5～8g硅烷偶联剂，将烧杯置于水浴锅中，控制温度在60～70℃，搅拌反应60～90min后，向烧杯中加入0.1～0.3g引发剂、3～5mL巯基乙酸和8～12g醋酸钴，升温至85～95℃，继续搅拌反应2～3h后，停止加热，将产物过滤，得到滤渣，同时称取800～1000g硅酸钠、100～150g氢氧化钠和100～150g纳米二氧化硅加入到球磨机中球磨30～40min后，再向球磨机中加入50～60g偏高岭土、10～15g硅灰和100～150g硅酸盐水泥，继续球磨60～90min，得到混合物，最后按重量份数计，称取40～50份混合物、60～70份乳液、8～12份滤渣、3～5份三异丙醇胺、1～3份十二烷基苯磺酸钠、0.5～0.8份过氧化二异丙苯、1～3份木质素磺酸钠、5～8份茶皂素和3～5份二乙胺基丙胺，加入到烧杯中，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为60～70℃，转速为350～400r/min的条件下搅拌反应50～60min后，即可得到煤矿用密闭填充材料。所述的乳化剂为乳化剂OP-10、仲辛基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560中的一种或两种。所述的引发剂为过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
实例1
称取1g乳化剂OP-10和3g氢氧化钠加入到盛有200mL水的烧杯中，搅拌混合3min后，再向烧杯中加入30g乙烯基三甲氧基硅烷，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为70℃，转速为400r/min的条件下搅拌反应70min后，再向烧杯中加入15mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合10min，得到乳液，同时称取15g纳米炭黑加入到盛有80mL水的烧杯中，再向烧杯中加入5g硅烷偶联剂KH-550，将烧杯置于水浴锅中，控制温度在60℃，搅拌反应60min后，向烧杯中加入0.1g过硫酸铵、3mL巯基乙酸和8g醋酸钴，升温至85℃，继续搅拌反应2h后，停止加热，将产物过滤，得到滤渣，同时称取800g硅酸钠、100g氢氧化钠和100g纳米二氧化硅加入到球磨机中球磨30min后，再向球磨机中加入50g偏高岭土、10g硅灰和100g硅酸盐水泥，继续球磨60min，得到混合物，最后按重量份数计，称取40份混合物、60份乳液、8份滤渣、3份三异丙醇胺、1份十二烷基苯磺酸钠、0.5份过氧化二异丙苯、1份木质素磺酸钠、5份茶皂素和3份二乙胺基丙胺，加入到烧杯中，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为60℃，转速为350r/min的条件下搅拌反应50min后，即可得到煤矿用密闭填充材料。
首先将本发明制得的煤矿用密闭填充材料倒入搅拌器中，以200r/min搅拌发泡2min，随后将搅拌后的密闭填充材料倒入长为0.6m，宽为0.4m，厚为0.2m的浇注模板中，并不停敲打振动模板，使密闭填充材料密实，待浇注完成后，静置凝结成型，再根据煤岩空峒体积尺寸，将成型的填充材料切割成合适形状后放入空峒中压紧密实即可。经检测，本发明制得的煤矿用密闭填充材料具有凝结速度快、膨胀倍数高、力学性能好的特点，其凝结时间仅需3min，较传统密闭填充材料缩短了5min，同时密闭填充材料的膨胀倍数高达25倍，且本发明密闭填充材料具有较好的力学性能，其7天抗压强度达7.2MPa，28天抗压强度达18.6MPa。
实例2
称取2g仲辛基酚聚氧乙烯醚和4g氢氧化钠加入到盛有250mL水的烧杯中，搅拌混合4min后，再向烧杯中加入35g乙烯基三甲氧基硅烷，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为75℃，转速为450r/min的条件下搅拌反应80min后，再向烧杯中加入18mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合13min，得到乳液，同时称取18g纳米炭黑加入到盛有90mL水的烧杯中，再向烧杯中加入7g硅烷偶联剂KH-560，将烧杯置于水浴锅中，控制温度在650℃，搅拌反应75min后，向烧杯中加入0.2g过氧化苯甲酰、4mL巯基乙酸和10g醋酸钴，升温至90℃，继续搅拌反应2h后，停止加热，将产物过滤，得到滤渣，同时称取900g硅酸钠、125g氢氧化钠和125g纳米二氧化硅加入到球磨机中球磨35min后，再向球磨机中加入55g偏高岭土、13g硅灰和125g硅酸盐水泥，继续球磨75min，得到混合物，最后按重量份数计，称取45份混合物、65份乳液、10份滤渣、4份三异丙醇胺、2份十二烷基苯磺酸钠、0.7份过氧化二异丙苯、2份木质素磺酸钠、7份茶皂素和4份二乙胺基丙胺，加入到烧杯中，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为65℃，转速为375r/min的条件下搅拌反应55min后，即可得到煤矿用密闭填充材料。
首先将本发明制得的煤矿用密闭填充材料倒入搅拌器中，以300r/min搅拌发泡2min，随后将搅拌后的密闭填充材料倒入长为0.7m，宽为0.5m，厚为0.3m的浇注模板中，并不停敲打振动模板，使密闭填充材料密实，待浇注完成后，静置凝结成型，再根据煤岩空峒体积尺寸，将成型的填充材料切割成合适形状后放入空峒中压紧密实即可。经检测，本发明制得的煤矿用密闭填充材料具有凝结速度快、膨胀倍数高、力学性能好的特点，其凝结时间仅需4min，较传统密闭填充材料缩短了7min，同时密闭填充材料的膨胀倍数高达30倍，且本发明密闭填充材料具有较好的力学性能，其7天抗压强度达7.8MPa，28天抗压强度达19.4MPa。
实例3
称取3g月桂醇聚氧乙烯醚和5g氢氧化钠加入到盛有300mL水的烧杯中，搅拌混合5min后，再向烧杯中加入40g乙烯基三甲氧基硅烷，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为80℃，转速为500r/min的条件下搅拌反应90min后，再向烧杯中加入20mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合15min，得到乳液，同时称取20g纳米炭黑加入到盛有100mL水的烧杯中，再向烧杯中加入8g硅烷偶联剂KH-560，将烧杯置于水浴锅中，控制温度在70℃，搅拌反应90min后，向烧杯中加入0.3g偶氮二异丁腈、5mL巯基乙酸和12g醋酸钴，升温至95℃，继续搅拌反应3h后，停止加热，将产物过滤，得到滤渣，同时称取1000g硅酸钠、150g氢氧化钠和150g纳米二氧化硅加入到球磨机中球磨40min后，再向球磨机中加入60g偏高岭土、15g硅灰和150g硅酸盐水泥，继续球磨90min，得到混合物，最后按重量份数计，称取50份混合物、70份乳液、12份滤渣、5份三异丙醇胺、3份十二烷基苯磺酸钠、0.8份过氧化二异丙苯、3份木质素磺酸钠、8份茶皂素和5份二乙胺基丙胺，加入到烧杯中，将烧杯移入数显恒温测速磁力搅拌器中，于温度为70℃，转速为400r/min的条件下搅拌反应60min后，即可得到煤矿用密闭填充材料。
首先将本发明制得的煤矿用密闭填充材料倒入搅拌器中，以400r/min搅拌发泡3min，随后将搅拌后的密闭填充材料倒入长为0.8m，宽为0.6m，厚为0.4m的浇注模板中，并不停敲打振动模板，使密闭填充材料密实，待浇注完成后，静置凝结成型，再根据煤岩空峒体积尺寸，将成型的填充材料切割成合适形状后放入空峒中压紧密实即可。经检测，本发明制得的煤矿用密闭填充材料具有凝结速度快、膨胀倍数高、力学性能好的特点，其凝结时间仅需5min，较传统密闭填充材料缩短了8min，同时密闭填充材料的膨胀倍数高达35倍，且本发明密闭填充材料具有较好的力学性能，其7天抗压强度达8.4MPa，28天抗压强度达20.3MPa。

Claims (6)

1.一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取3～5g乳化剂与200～300mL水混合后，再加入30～40g乙烯基三甲氧基硅烷，在30～80℃下搅拌反应50～90min，反应结束后，再加入15～20mL质量分数为10%醋酸溶液，搅拌混合后，得到乳液；
（2）称取15～20g纳米炭黑与80～100mL水混合，再加入5～8g硅烷偶联剂，在60～70℃下搅拌反应60～90min后，加入0.1～0.3g引发剂、3～5mL巯基乙酸和8～12g醋酸钴，升温至85～95℃，反应2～3h后，过滤，得到滤渣；
（3）称取800～1000g硅酸钠、100～150g氢氧化钠和100～150g纳米二氧化硅球磨30～40min后，再加入50～60g偏高岭土、10～15g硅灰和100～150g硅酸盐水泥，继续球磨60～90min，得到混合物；
（4）按重量份数计，取40～50份混合物、60～70份乳液、8～12份滤渣、3～5份三异丙醇胺、1～3份十二烷基苯磺酸钠、0.5～0.8份过氧化二异丙苯、1～3份木质素磺酸钠、5～8份茶皂素和3～5份二乙胺基丙胺加入到烧杯中，在60～70℃下搅拌反应50～60min，即可得到煤矿用密闭填充材料。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的乳化剂为乳化剂OP-10、仲辛基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的乳化剂与水混合过程中还可以加入3～5g氢氧化钠。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的反应温度为70～80℃，反应时间为70～90min。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-560中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿用密闭填充材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的引发剂为过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
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