CN112225523B - 一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料及其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料及其制备方法及应用，在不影响加固材料强度的前提下，降低了加固材料的反应温度并且遇水不发泡；相较于传统聚氨酯加固材料，减少了储能放热物料多亚甲基多苯基多异氰酸酯用量减少，在不影响加固材料强度的前提下，加固材料的反应最高温度大大降低，避免加固材料内部出现阴燃，进一步引发严重的煤矿火灾等严重的灾害事故的情况；本发明硅酸盐改性聚氨酯加固材料中硅酸钠溶液与多亚甲基多苯基多异氰酸酯在遇水后产生的二氧化碳气体发生固化反应，因此本发明的加固材料遇水不会发泡，说明本发明的加固材料即使遇水也能达到标准要求，并且不会出现局部片帮、冒顶等事故的发生，保证井下作业人员的安全性。

Description

一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料及其制备方法及应用
技术领域
本发明属于加固材料技术领域，具体属于一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料及其制备方法及应用。
背景技术
复杂的地质条件使得在煤矿作业施工过程中，经常受到煤岩体片帮、工作面或巷道顶板冒顶、火灾、瓦斯等灾害的影响，严重威胁到井下作业人员的安全以及生产效率。为了解决这一系列突出的问题，煤矿注浆加固技术应运而生且发展迅速。然而近年来，普通注浆加固类材料在井下应用过程中由于单孔注浆量大，且内部环境封闭，大量的浆液聚集，固化反应放热量过大，材料芯部聚热持续升温，最高反应温度可达200℃以上，材料内部出现阴燃，由此引发严重的煤矿火灾等严重的灾害事故。此外，传统的高分子加固材料在井下施工过程中遇水容易发泡膨胀，发泡后的材料力学强度大幅下降，远远不能达到最低标准要求；并且遇水发泡的固结体材料会在一些裂缝断层处产生额外的膨胀压力，极易再次导致局部片帮、冒顶等事故。
因此，为了解决传统煤矿用聚氨酯注浆材料的固有的问题，提高井下作业人员的安全，研发一种低放热、遇水不发泡且高强度的注浆加固材料迫在眉睫。
发明内容
为了解决现有技术中高分子注浆加固材料固化反应放热量高、遇水发泡强度变低等技术问题，本发明提供一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料及其制备方法及应用，在不影响加固材料强度的前提下，降低了加固材料的反应温度并且遇水不发泡。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，包括A组分和B组分，其中A组分由以下质量份数的物质组成：硅酸钠溶液200-300份、催化剂0.1-3份、聚醚多元醇3-5份、环氧树脂70-90份、环氧稀释剂30-50份和促溶剂5-10份；B组分由以下质量份数的物质组成：稀释剂10-30份，预聚体200-300份，所述预聚体由除水的聚丙二醇和多亚甲基多苯基多异氰酸酯反应得到。
进一步的，所述硅酸钠溶液的模数为2.5-3.0、波美度为40°Be-50°Be。
进一步的，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、异辛酸锌、三乙醇胺、三乙烯二胺、三亚乙基二胺、三乙胺、DMP-30和有机锡中至少一种。
进一步的，所述聚醚多元醇的型号为DL-2000、DL-1000和GE220中至少一种。
进一步的，所述环氧树脂型号为E-54、E-51、E-44、E20中至少一种；所述环氧稀释剂的型号为AGE、501、669中至少一种。
进一步的，所述促溶剂为聚氧乙烯十八醇、聚氧乙烯油基醚、聚氧乙烯十六烷基醇中至少一种。
进一步的，所述稀释剂为碳酸二甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯中至少一种；所述聚丙二醇的分子量为400。
本发明还提供一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将环氧树脂加入到环氧稀释剂中，混合均匀即得到环氧树脂组分；
S2：将促溶剂加入到硅酸钠溶液中混合均匀得到硅酸钠混合溶液，向硅酸钠混合溶液中依次加入聚醚多元醇、催化剂和步骤S1制得的环氧树脂组分，混合均匀即得到A组分；
S3：将除水的聚丙二醇加入到多亚甲基多苯基多异氰酸酯中，在惰性气体保护下升温搅拌，即得到预聚体，向所述预聚体中加入稀释剂进行反应，即得到组分B；
S4：将步骤S2制得的组分A与步骤S3制得的组分B按照体积1:1混合，反应即得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
进一步的，所述步骤S3中，所述预聚体由50g-150g的除水的PPG400和100g-300g多亚甲基多苯基多异氰酸酯在氮气气氛保护下，升温至85℃时搅拌1h-2h得到预聚体；在预聚体中加入所述稀释剂继续反应3h-4h，即得到组分B。
本发明还提供一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料在煤矿加固领域的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明硅酸盐改性聚氨酯加固材料，相较于传统聚氨酯加固材料，由于B组分中的预聚体的合成采用聚丙二醇PPG400和多亚甲基多苯基多异氰酸酯，在得到的加固材料中储能放热物料多亚甲基多苯基多异氰酸酯用量减少，在没有影响到本发明得到的加固材料强度的前提下，加固材料的反应最高温度大大降低，达到了低放热的目的，避免加固材料内部出现阴燃，进一步引发严重的煤矿火灾等严重的灾害事故的情况。
本发明硅酸盐改性聚氨酯加固材料中存在大量的硅酸钠溶液，当通过注浆泵注射使在A组分和B组分混合均匀后，B组分中的多亚甲基多苯基多异氰酸酯在遇水后会产生的大量的二氧化碳气体，但本发明的A组分中含有硅酸盐，大量的二氧化碳气体与硅酸盐会发生固化反应，因此本发明的加固材料在井下应用遇水不会发泡，也就不会影响材料本身的强度，也不会出现局部片帮、冒顶等事故的发生，保证井下作业人员的安全性。
本发明所述的硅酸盐改性聚氨酯加固材料相较于传统聚氨酯加固材料，加入价格较低的硅酸钠，大大降低了材料成本，具有较高的商业价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，本发明的实施例用于阐释本发明的原理而不用于限定本发明的范围。
以下实施例中各组分均以质量份数计。
实施例1
A组分的制备：首先将85份环氧树脂E-44加入到30份环氧稀释剂AGE中，搅拌30min得到粘度适中的环氧树脂组分。然后在210份硅酸钠溶液中加入5份促溶剂聚氧乙烯十八醇，搅拌20min至均匀状态得到硅酸钠混合溶液；向硅酸钠混合溶液中依次加入上述所得全部环氧树脂组分、5份聚醚多元醇DL-2000、1.6份的复合催化剂，搅拌60min得到A组分，复合催化剂包括1份催化剂三亚乙基二胺和0.6份DMP-30。
B组分的制备：将30份的除水的聚丙二醇PPG400加入到200份多亚甲基多苯基多异氰酸酯中混合均匀，在氮气保护下将温度升至85℃，搅拌2h，即得到预聚体；在210份预聚体中加入20份稀释剂碳酸二甲酯，继续反应4h，得到透明的棕褐色预聚体，即为B组分。
将A、B组分按照体积1:1混合均匀，既可得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
实施例2
A组分的制备：首先将70份环氧树脂E-51加入到40份环氧稀释剂501中，搅拌30min得到粘度适中的环氧树脂组分。在200份硅酸钠溶液中加入10份促溶剂聚氧乙烯油基醚，搅拌10min至均匀状态得到硅酸钠混合溶液；向硅酸钠混合溶液中依次加入上述所得的全部环氧树脂组分、3份聚醚多元醇DL-1000、1.5份的复合催化剂，搅拌40min得到A组分；复合催化剂包括1份催化剂三乙醇胺和0.5份异辛酸锌。
B组分的制备：将50份的除水的聚丙二醇PPG400加入到300份多亚甲基多苯基多异氰酸酯中混合均匀，在氮气保护下将温度升至80℃，搅拌2h，即得到预聚体；向300份的预聚体中加入30份稀释剂乙酸乙酯，继续反应3h，得到透明的棕褐色预聚体，即B组分。
将A、B组分按照体积1:1混合均匀，既可得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
实施例3
A组分的制备：首先将90份环氧树脂E54加入到50份环氧稀释剂669中，搅拌30min得到粘度适中的环氧树脂组分。在300份硅酸钠溶液中加入7份促溶剂聚氧乙烯十六烷基醇，搅拌10min至均匀状态；再依次加入上述所得的全部环氧树脂组分、5份聚醚多元醇GE220、1.5份的复合催化剂，搅拌40min得到A组分，复合催化剂为1份三乙烯二胺和0.5份有机锡。
B组分的制备：将100份的除水的聚丙二醇PPG400加入到100份多亚甲基多苯基多异氰酸酯中混合均匀，在氮气保护下将温度升至85℃，搅拌1h，即得到预聚体；在200份的预聚体中加入10份稀释剂乙酸丁酯，继续反应3h，得到透明的棕褐色预聚体，即得到B组分。
A、B组分按照体积1:1混合均匀，既可得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
实施例4
A组分的制备：首先将85份E-20和E-44混合的环氧树脂加入到30份501和AGE混合的环氧稀释剂中，搅拌30min得到粘度适中的环氧树脂组分。然后在210份硅酸钠溶液中加入5份聚氧乙烯十八醇和聚氧乙烯十六烷基醇复合促溶剂，搅拌20min至均匀状态得到硅酸钠混合溶液；向硅酸钠混合溶液中依次加入上述所得全部环氧树脂组分、5份DL-2000和GE220混合的聚醚多元醇、0.1份二月桂酸二丁基锡，搅拌60min得到A组分，
B组分的制备：将30份的除水的聚丙二醇PPG400加入到200份多亚甲基多苯基多异氰酸酯中混合均匀，在氮气保护下将温度升至85℃，搅拌2h，即得到预聚体；在200份预聚体中加入20份碳酸二甲酯和乙酸乙酯混合稀释剂，继续反应4h，得到透明的棕褐色预聚体，即为B组分。
将A、B组分按照体积1:1混合均匀，既可得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
实施例5
A组分的制备：首先将70份E-51和E-54混合环氧树脂加入到40份669和AGE混合环氧稀释剂中，搅拌30min得到粘度适中的环氧树脂组分。在200份硅酸钠溶液中加入10份聚氧乙烯油基醚和聚氧乙烯十六烷基醇复合促溶剂，搅拌10min至均匀状态得到硅酸钠混合溶液；向硅酸钠混合溶液中依次加入上述所得的全部环氧树脂组分、3份DL-1000和DL-2000混合的聚醚多元醇、3份复合催化剂，搅拌40min得到A组分，复合催化剂包括1份三乙烯二胺和2份三乙胺；
B组分的制备：将50份的除水的聚丙二醇PPG400加入到300份多亚甲基多苯基多异氰酸酯中混合均匀，在氮气保护下将温度升至80℃，搅拌2h，即得到预聚体；向300份的预聚体中加入30份乙酸丁酯和碳酸二甲酯混合稀释剂，继续反应3h，得到透明的棕褐色预聚体，即得到B组分。
将A、B组分按照体积1:1混合均匀，既可得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
上述实施例中使用的聚醚多元醇DL-2000和DL-1000为山东蓝星东大有限公司生产，聚醚多元醇GE220为上海高桥石化有限公司生产。
根据标准AQ 1089-2011煤矿加固煤岩体用高分子材料对实施例得到的加固材料进行性能测试，结果如表1所示：
表1硅酸盐改性聚氨酯加固材料性能
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
最高反应温度/℃ 93 89 90 92 90
抗压强度/MPa 62 55 56 56 61
抗拉强度/MPa 27 24 24 25 23
抗剪强度/MPa 38 41 37 40 38
粘接强度/MPa 6.5 6.9 7.2 6.6 7.1
膨胀倍率/倍 1.1 1.1 1.05 1.2 1.1
传统有机加固材料最高反应温度高达140℃，从表1可以看出，相较于传统有机加固材料(AQ 1089-2011)，本发明的硅酸盐改性聚氨酯加固材料最高反应温度降低了近50℃，即表明本发明得到的加固材料具有低放热的性能。
表1检测到的膨胀倍率为本发明的硅酸盐改性聚氨酯加固材料遇水后的膨胀倍率，此时膨胀率最低只有1.05倍，远低于传统的有机加固材料，当加固材料遇水时，多亚甲基多苯基多异氰酸酯遇水产生的二氧化碳气体被硅酸钠吸收并与硅酸钠发生固化反应，因此本发明得到的固化材料不会发泡。

Claims (9)

1.一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，包括A组分和B组分，其中A组分由以下质量份数的物质组成：硅酸钠溶液200-300份、催化剂0.1-3份、聚醚多元醇3-5份、环氧树脂70-90份、环氧稀释剂30-50份和促溶剂5-10份；B组分由以下质量份数的物质组成：稀释剂10-30份，预聚体200-300 份，所述预聚体由除水的聚丙二醇和多亚甲基多苯基多异氰酸酯反应得到；所述促溶剂为聚氧乙烯十八醇、聚氧乙烯油基醚、聚氧乙烯十六烷基醇中至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，所述硅酸钠溶液的模数为2.5-3.0、波美度为40°Be -50°Be。
3.根据权利要求1所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、异辛酸锌、三乙醇胺、三乙烯二胺、三亚乙基二胺、三乙胺、DMP-30和有机锡中至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，所述聚醚多元醇的型号为DL-2000、DL-1000和GE220中至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，所述环氧树脂型号为E-54、E-51、E-44、E20中至少一种；所述环氧稀释剂的型号为AGE、501、669中至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料，其特征在于，所述稀释剂为碳酸二甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯中至少一种；所述聚丙二醇的分子量为400。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：将环氧树脂加入到环氧稀释剂中，混合均匀即得到环氧树脂组分；
S2：将促溶剂加入到硅酸钠溶液中混合均匀得到硅酸钠混合溶液，向硅酸钠混合溶液中依次加入聚醚多元醇、催化剂和步骤S1制得的环氧树脂组分，混合均匀即得到A组分；
S3：将除水的聚丙二醇加入到多亚甲基多苯基多异氰酸酯中，在惰性气体保护下升温搅拌，即得到预聚体，向所述预聚体中加入稀释剂进行反应，即得到组分B；
S4：将步骤S2制得的组分A与步骤S3制得的组分B按照体积1:1混合，反应即得到硅酸盐改性聚氨酯加固材料。
8.根据权利要求7所述的一种硅酸盐改性聚氨酯加固材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述预聚体由50g-150g的除水的PPG400和100g-300g多亚甲基多苯基多异氰酸酯在氮气气氛保护下，升温至85℃时搅拌1 h -2h得到预聚体；在预聚体中加入所述稀释剂继续反应3 h -4h，即得到组分B。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的硅酸盐改性聚氨酯加固材料在煤矿加固领域的应用。
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