CN111087649A - 一种煤岩体加固复合增塑剂及应用 - Google Patents
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Abstract
一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料专用复合增塑剂,组成如下:10‑80wt%脂肪酸甲酯、5‑50wt%丁醚醋酸酯、2‑5wt%烷基磺酸苯酯、0.5‑2wt%二甘醇二苯甲酸酯。所述增塑剂不仅能提高硅酸盐改性聚氨酯加固材料力学性能、降低反应温度、降低黏度,有限减少安全事故的发生,同时能降低加固材料使用成本。
Description
技术领域
本发明属于煤岩体注浆加固材料技术领域,具体涉及针对聚氨酯类煤岩体加固材料开发的一种专用复合增塑剂。
背景技术
根据中国的能源资源条件、技术经济发展水平,在未来30~50年内,中国以煤炭为主的能源结构不会有大的改变。随着矿井开采规模的扩展和开采纵深方向的延伸,巷道围岩越来越多地呈现出软岩的特性。软围岩体岩性脆,且产生了许多裂隙、节理和断层。这类岩体在实际工程中,一旦被粘土矿物充填或挤压破碎之后,就可能形成力学性能最差的软弱夹层和破碎带,严重影响了煤矿的安全生产。对煤岩体进行注浆加固不仅有效解决松软破碎围岩冒顶片帮等问题,而且能大幅降低回采期间的巷道维护成本。
岩体注浆就是通过液压、气压或电动化学的方法把某些能凝固的浆液注入到煤岩体的裂隙或孔隙中,使煤岩体形成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体,从而赋予煤岩体较高的强度(固结作用);或者使煤岩体获得较低的渗透性(抗渗作用),或者兼而有之。
聚氨酯加固材料为聚醚/聚酯多元醇和异氰酸酯构成的新型加固材料,具有粘度低、凝胶时间可调、抗压强度高、韧性好以及粘结强度高等突出特点,在注浆加固材料中逐步占据领先地位。这类注浆材料是国内外应用最多的一类加固材料,也是目前研究的最为广泛的一类注浆加固材料,但这类材料最大的缺陷是反应温度高、阻燃性差。近年来,利用硅酸盐对聚氨酯进行改性得到的有机-无机复合加固材料逐渐得到青睐,该材料具有本质阻燃、反应温度低、成本低廉等显著优点。
硅酸盐改性聚氨酯加固材料是一种典型的复合材料,该类注浆液固化后,固结体由氨基甲酸酯、碳酸钠和二氧化硅颗粒三相构成。相分布的均匀性严重影响材料的物化和力学等综合性能,如果不能很好的解决有机无机两相间存在的界面差异,会造成浆料互溶性差,黏度和可注性变差、力学性能降低、易出碱等。这些性能缺陷引发了一系列安全事故,严重威胁井下人员的生命安全。增塑剂可克服大分子间直接的滑动摩擦和范德华力产生的黏附力,增加两相互溶性,还可增加物质可塑性和柔韧性。但目前针对硅酸盐改性聚氨酯加固材料体系还没有高效的增塑剂,常规DOP等增塑剂效果较差。因此,研制硅酸盐改性聚氨酯加固材料专用增塑剂已势在必行。
CN101691289A公开了一种新型的用于煤岩体加固的丁苯胶乳改性水泥基注浆加固材料及其制备方法。高性能丁苯胶乳水泥基注浆材料,由普通硅酸盐水泥、丁苯胶乳、减水剂、消泡剂、调凝剂等按一定的质量配比组成。该注浆材料具有较高的水灰比、强的保水性、良好的流动性和可灌性、很好的体积稳定性、浆体凝结时间可控。可保持长时间输送不泌水、施工简单、操作方便。该材料与煤岩体有良好的粘结能力、加固煤岩体具有合适的强度、浆液无毒、价格低廉,可广泛用于各类破碎煤岩体的加固。
发明内容
由于硅酸盐改性聚氨酯体系中的硅酸盐和聚氨酯之间存在巨大的界面差异,因此硅酸盐改性聚氨酯体系普遍存在固结体泛碱,硅酸盐容易出现团聚和应力集中等问题,容易造成固结体机械性能不均匀。为了解决上述问题,本发明开发出了针对该体系的专用多功能复合增塑剂,该复合增塑剂主要优势是:(1)显著提高有机(聚氨酯相)、无机(硅酸盐相)两相间的相容性,降低两相间的表面张力,避免固结体出现裂隙、泛碱、应力集中等现象,大幅提高加固材料固结体的力学强度;(2)显著降低复合体系的运动黏度,从而增加可注性,注浆加固效果更显著;(3)该增塑剂可同时作为活性稀释剂使用,通过简单调整添加比例即可改变反应温度。总之,该增塑剂不仅能提高硅酸盐改性聚氨酯加固材料力学性能、降低反应温度、降低黏度,有限减少安全事故的发生,同时能降低加固材料使用成本。
为了实现上述目的,本发明提供一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料专用复合增塑剂,组成如下:10-80wt%脂肪酸甲酯、5-50wt%丁醚醋酸酯、2-5wt%烷基磺酸苯酯、0.5-2wt%二甘醇二苯甲酸酯。
所述脂肪酸甲酯是氯代脂肪酸甲酯、环氧脂肪酸甲酯中的至少一种。
所述丁醚醋酸酯是丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯中的至少一种。
本发明所述硅酸盐改性聚氨酯加固材料专用增塑剂制备方法如下:
1)按设定的质量百分比称取丁醚醋酸酯、烷基磺酸苯酯和甘醇二苯甲酸酯在室温下搅拌10min直至混匀得到A组分;
2)将A组分加入到设定量的脂肪酸甲酯,室温下搅拌10min-20min,混合均匀即可得到所述增塑剂;
利用本发明所述增塑剂对煤岩体进行硅酸盐改性聚氨酯加固的方法,步骤如下:直接将专用增塑剂加入到异氰酸酯与聚醚多元醇反应后预聚体中,其中预聚体中异氰酸酯和聚醚多元醇的质量比为30-80:5-25,更优选是50-60:10-15;增塑剂与预聚体的质量混合比为0.1-0.8:1,搅拌混合均匀构成B组分;利用注浆泵将B组分与硅酸盐溶液按照体积比0.5-3:1混合后注入煤岩体。
所述增塑剂在B组分中的用量每增加预聚体质量的10%,最高反应温度降低1-5℃。
优选的,在所述硅酸盐改性聚氨酯加固的应用中,还可以加入阻燃剂,所述阻燃剂是磷系或卤素化合物阻燃剂,优选是三氯丙基磷酸酯、三氯乙基磷酸酯、甲基磷酸二甲酯中的一种或多种。
所述硅酸盐溶液是硅酸钠溶液,其质量浓度为20-45wt%,优选是35-40wt%。
本发明的有益效果:不仅能提高硅酸盐改性聚氨酯加固材料力学性能、降低反应温度、降低黏度,有限减少安全事故的发生,同时能降低加固材料使用成本。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
实施例1
准确称量71质量份脂肪酸甲酯、25质量份丁基卡必醇醋酸酯、3.5质量份烷基磺酸苯酯、0.5质量份二甘醇二苯甲酸酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:5混合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与30wt%硅酸钠溶液C等体积混合。
实施例2
准确称量61质量份脂肪酸甲酯、30质量份丁基卡必醇醋酸酯、7.5质量份烷基磺酸苯酯、1.5质量份二甘醇二苯甲酸酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:4合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与35wt%硅酸钠溶液C组分等体积混合。
实施例3
准确称量55质量份脂肪酸甲酯、35质量份丁基卡必醇醋酸酯、7.5质量份烷基磺酸苯酯、2.5质量份二甘醇二苯甲酸酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:3合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与40wt%硅酸钠溶液C组分等体积混合。
对比例1
准确称量71质量份脂肪酸甲酯、25质量份丁基卡必醇醋酸酯、3.5质量份烷基磺酸苯酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:5混合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与30wt%硅酸钠溶液C等体积混合。
对比例2
准确称量71质量份脂肪酸甲酯、25质量份丁基卡必醇醋酸酯、0.5质量份二甘醇二苯甲酸酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:5混合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与30wt%硅酸钠溶液C等体积混合。
对比例3
准确称量71质量份脂肪酸甲酯、3.5质量份烷基磺酸苯酯、0.5质量份二甘醇二苯甲酸酯,室温搅拌20min,混合均匀,即得专用复合增塑剂A组分;将该增塑剂与异氰酸酯预聚体以质量比1:5混合,室温下搅拌30min,制得加固材料B组分;与30wt%硅酸钠溶液C等体积混合。
对实施例1制备的加固材料进行性能评价,主要考察加固材料的黏度,最高反应温度,及固结体抗压强度和粘结强度,其中最高反应温度、抗压强度和粘结强度等均是按照AQ1089-2011《煤矿加固煤岩体用高分子材料》标准测定,具体性能结果见下表所示。
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
B组分黏度/mp.s | 120 | 115 | 104 | 156 | 183 | 177 |
最高反应温度/℃ | 95 | 92 | 88 | 102 | 107 | 106 |
抗压强度/MPa | 52 | 53 | 51 | 47 | 38 | 42 |
粘结强度/MPa | 4.2 | 4.0 | 4.1 | 3.1 | 2.8 | 2.7 |
从实施例1-3和对比例1-3的对比性能测试结果可以看出,所述复合增塑剂有很强的协同作用,在抗压强度、粘结强度、最高反应温度、粘度四个指标都取得了很好的效果,这是单一组分无法得到的技术效果。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料专用复合增塑剂,组成如下:10-80wt%脂肪酸甲酯、5-50wt%丁醚醋酸酯、2-5wt%烷基磺酸苯酯、0.5-2wt%二甘醇二苯甲酸酯。
2.如权利要求1所述的增塑剂,其特征在于所述脂肪酸甲酯是氯代脂肪酸甲酯、环氧脂肪酸甲酯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的增塑剂,其特征在于所述丁醚醋酸酯是丁基卡必醇醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯中的至少一种。
4.如权利要求1-3任一项所述的增塑剂的制备方法,包括以下步骤:
1)按质量百分比称取丁醚醋酸酯、烷基磺酸苯酯和甘醇二苯甲酸酯在室温下搅拌10min直至混匀得到A组分;
2)将A组分加入到设定量的脂肪酸甲酯,室温下搅拌10min-20min,混合均匀即可得到所述增塑剂。
5.利用如权利要求1-3任一项所述增塑剂对煤岩体进行硅酸盐改性聚氨酯加固的方法,包括以下步骤:将所述增塑剂加入到异氰酸酯与聚醚多元醇反应后得到的预聚体中,增塑剂与预聚体的质量混合比为0.1-0.8:1,搅拌混合均匀构成B组分;利用注浆泵将B组分与硅酸盐溶液按照体积比0.5-3:1混合后注入煤岩体。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述预聚体中异氰酸酯和聚醚多元醇的质量比为30-80:5-25,更优选是50-60:10-15。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述硅酸盐溶液的浓度为20-45wt%,优选是35-40wt%。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述增塑剂在组分B中的用量每增加预聚体质量的10%,最高反应温度降低1-5℃。
9.如权利要求5所述的方法,其特征在于注入煤岩体前还可以加入阻燃剂,所述阻燃剂是磷系或卤素化合物阻燃剂,优选是三氯丙基磷酸酯、三氯乙基磷酸酯、甲基磷酸二甲酯中的一种或多种。
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