CN113125518B - 一氧化碳气敏微胶囊、制备方法及识别采空区火源的方法 - Google Patents

一氧化碳气敏微胶囊、制备方法及识别采空区火源的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一氧化碳气敏微胶囊，一氧化碳气敏微胶囊，气敏微胶囊呈“核‑壳”结构，气敏微胶囊包括芯核以及包覆在芯核外部的壁壳；壁壳为苯乙烯聚合物和二氯化钯组成的复合壳体，芯核材料为能够挥发出无毒无害气体的易挥发物质；气敏微胶囊利用悬浮聚合法制得；壁壳接触CO气体后破裂，位于壁壳内部的芯核释放无毒无害气体。本发明还公开了一氧化碳气敏微胶囊的制备方法和采用一氧化碳气敏微胶囊识别采空区火源的方法。本发明气体微胶囊壁壳中添加二氯化钯，在一氧化碳气体环境中，气敏微胶囊的外壳因二氯化钯与一氧化碳反应而破裂，释放出芯核材料挥发的气体，通过检测芯核材料气体就能判断采空区是否发生遗煤自燃。

Description

一氧化碳气敏微胶囊、制备方法及识别采空区火源的方法
技术领域
本发明属于矿井煤自燃灾害防治技术领域，具体涉及一种一氧化碳气敏微胶囊、制备方法及识别采空区火源的方法。
背景技术
采空区内遗煤自燃能够产生有毒有害气体，并且可以作为点火源，引起瓦斯与煤尘爆炸，严重威胁煤矿的安全开采。煤自燃存在缓慢氧化阶段(一般在70℃之前)，在这一阶段煤温上升缓慢。超过70℃之后，煤进入快速氧化阶段，煤温会呈指数形式快速升高。因此，煤自燃灾害发生后，需要及时的发现并采取措施治理，一旦进入快速氧化阶段，将会难以控制。此外，采空区是充满破碎煤岩、工作人员不能进入的巨大空间，采空区内遗煤发生自燃后，难以准确判定发生遗煤自燃的位置，造成采空区遗煤自燃灾害治理的盲目性，制约了灾害治理的有效性。因此，发明采空区遗煤自燃灾害监测预警以及快速判别自燃灾害发生区域的有效方法至关重要。
采空区内充满导热性低的破碎煤岩，温度、电、磁等信号难以在采空区远距离传播，煤自燃信号主要以气体为载体从采空区内部向外部(采煤工作面)传递。CO是煤自燃灾害的标志性气体，目前煤矿主要通过是否在工作面上隅角监测到CO气体或者监测到CO气体浓度持续升高来判断采空区是否发生煤自燃灾害。但是，CO气体容易被采空区内的漏风稀释，以及被采空区内的遗煤吸附，经常无法准确监测到CO气体的产生及其浓度变化，造成不能及时发现遗煤自燃灾害。
微胶囊技术是利用天然或合成的高分子材料将固体、液体或者气体经包裹而形成的一种具有半透性或密封囊膜的微型胶囊技术，在特定条件下，如温度、pH、水溶性等，使微胶囊外壳分解，从而芯材发挥应有的作用。目前，研发的温敏微胶囊居多，但是气敏微胶囊的报道少之又少。在煤自燃初期火源温度低、体积小，并且煤岩的导热系数低，与火源距离很近的温敏微胶囊也往往不能感应到火源的温度，因而不能快速的做出反应。
但是，在煤自燃初期就会产生大量CO气体，并且CO气体的产生会伴随煤自燃的整个过程，因此研发针对CO气体的气敏微胶囊具有重要意义。
基于此，本申请提出一种一氧化碳气敏微胶囊，在一氧化碳气氛中，本申请微胶囊的外壳会与一氧化碳反应而破裂，释放出芯核，芯核会快速蒸发成气体，气体被工作面上隅角的监测分析仪检测到后，就能迅速判断发生了遗煤自燃。此外，如果将不同类型芯核的一氧化碳气敏微胶囊喷洒在采空区的不同区域，就能根据检测到的芯核气体种类判断出发生遗煤自燃的区域。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一氧化碳气敏微胶囊、制备方法及识别采空区火源的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一氧化碳气敏微胶囊，气敏微胶囊呈“核-壳”结构，气敏微胶囊包括芯核以及包覆在芯核外部的壁壳；
所述壁壳为苯乙烯聚合物和二氯化钯组成的复合壳体，所述壁壳材料包括苯乙烯、二氯化钯、分散剂、交联剂、引发剂；所述芯核材料为能够挥发出无毒无害气体的易挥发物质；所述气敏微胶囊利用悬浮聚合法制得；
所述壁壳接触CO气体后破裂，位于壁壳内部的芯核释放无毒无害气体。
优选的，所述分散剂为聚乙烯醇，所述交联剂为二乙烯基苯，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
本发明还公开一种一氧化碳气敏微胶囊的制备方法。
一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
步骤11：称取一定质量的聚乙烯醇放入第一烧杯内并加热，待聚乙烯醇由白色颗粒状固体变为无色透明的粘稠状液体之后，往第一烧杯中加入蒸馏水；之后将第一烧杯及其内部混合物转移到超声波清洗机中进行加热超声溶解，使聚乙烯醇完全均匀分散于蒸馏水中形成水相溶液；
步骤12：称取一定质量的苯乙烯、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈、二氯化钯、芯核材料一起加入到第二烧杯中，对第二烧杯中的混合物进行搅拌使其充分混合形成有机相溶液；
步骤13：将第一烧杯内的水相溶液、第二烧杯内的有机相溶液分别倒入位于恒温油浴锅内的三口烧瓶内，并搅拌使其进行悬浮聚合；
步骤14：悬浮聚合结束后，将所得的固液混合物倒入第三烧杯中静置，之后进行抽滤得到固体颗粒；再将所得固体颗粒采用甲醇离心洗涤三次，将固体颗粒表面残留的有机物洗掉；最后进行干燥，得到没有水分残留的微胶囊；
步骤15：对步骤14得到的微胶囊进行筛选得到一氧化碳气体微胶囊。
优选的，所述步骤11中，聚乙烯醇与蒸馏水的质量比为1：500。
优选的，所述步骤11中，采用恒温水浴锅对位于第一烧杯内的聚乙烯醇进行加热，加热温度为80℃；
第一烧杯及其内部混合物在超声波清洗机中进行加热超声溶解的时间为10h。
优选的，所述步骤12中，
所述聚乙烯醇与芯核材料的质量比为0.1～0.14：1；
所述苯乙烯与芯核材料的质量比为1.6～2.4：1；
所述二乙烯基苯与芯核材料的质量比为0.08～0.12：1；
所述偶氮二异丁腈与芯核材料的质量比为0.4～0.8：1；
所述二氯化钯与芯核材料的质量比为0.1～0.2：1。
优选的，所述步骤12中，采用磁力搅拌器对第二烧杯中的混合物进行搅拌，搅拌时间为2～4h。
优选的，所述步骤13中，恒温水浴锅的温度为80℃；
采用机械搅拌器对三口烧瓶内的混合物搅拌5h；所述机械搅拌器的搅拌速度为300r/min。
优选的，所述步骤15中，筛选出的一氧化碳气体微胶囊的粒径范围为120微米～250微米。
本发明还公开一种采用一氧化碳气敏微胶囊识别采空区火源的方法。
一种采用一氧化碳气敏微胶囊识别采空区火源的方法，包括以下步骤：
步骤21：采用不同的芯核材料制备能够释放不同种类气体的一氧化碳气敏微胶囊；
步骤22：随着采煤工作面的向前推进，在工作面后方采空区划分区域，在划分的区域内洒放由不同芯核材料制备的一氧化碳气敏微胶囊，每个区域的宽度为10-20米；
步骤23：在工作面上隅角设置检测仪器，采集上隅角位置采空区内部的气体，检测气体的种类；一旦检测到含有一氧化碳气敏微胶囊芯核释放的气体，会立即发出警报；
步骤24：工作人员根据检测到的芯核气体种类，判断采空区中发生煤自燃灾害的区域。
本发明的有益效果是：
本发明一氧化碳气敏微胶囊利用悬浮聚合法制得，壁壳材料包括苯乙烯、聚乙烯醇、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈、二氯化钯，其中苯乙烯作为壁材的单体，聚乙烯醇为分散剂，二乙烯基苯为交联剂，偶氮二异丁睛为引发剂，聚合时壁壳材料聚合成球并将芯核材料包裹在内；而壁壳中的二氯化钯能够与CO气体发生反应；在一氧化碳气体环境中，本申请气敏微胶囊的壁壳因二氯化钯与一氧化碳反应而破裂，释放出芯核材料挥发的气体，通过检测芯核材料气体就能判断采空区是否发生遗煤自燃；
通过将不同类型芯核材料的一氧化碳气敏微胶囊喷洒在采空区的不同区域，就能根据检测到的芯核气体种类判断出发生遗煤自燃的区域。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明一氧化碳气敏微胶囊位于耐高压多孔圆球内的示意图；
图2是实施例4中采空区内一氧化碳气敏微胶囊的喷洒布置图；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
水相制备：称取0.5g聚乙烯醇放入第一烧杯内，用80℃恒温水浴锅进行加热，使其由白色颗粒状固体转为无色透明的粘稠状液体，再量取250ml的蒸馏水加入第一烧杯中，将第一烧杯转移到超声波清洗机中，进行加热超声溶解10h，直至聚乙烯醇完全均匀分散于水中形成水相溶液；
有机相制备：称取8g苯乙烯、0.4g二乙烯基苯、2g偶氮二异丁腈、0.5g二氯化钯和5g柠檬烯一起加入第二烧杯中，并用磁力搅拌器搅拌3h，使其充分混合均匀；
聚合反应：将500ml的三口烧瓶置入恒温油浴锅中，温度设置为80℃，再将制备好的水相和有机相倒入500ml三口烧瓶中，并进行搅拌聚合反应5h；
产物处理：反应结束后，将所得的固液混合物倒入第三烧杯中静置，进行抽滤，得到固体颗粒，再将所得固体颗粒用甲醇离心洗涤三次，将固体颗粒表面残留的有机物洗掉，最后进行干燥，直至没有水分残留；筛选出粒径范围为120微米～250微米的作为一氧化碳气体微胶囊。
将实施例1中得到的一氧化碳气敏微胶囊放入装有检测仪器的密闭容器中，检测仪器用于检测柠檬烯挥发出的气体；
向密闭容器通入气体，通入气体速率为0.2L/min；当通入空气时，检测仪器未检测到柠檬烯挥发出的气体，一氧化碳气敏微胶囊未发生破裂；当通入一氧化碳气体时，检测仪器7.2分钟内检测到柠檬烯挥发的气体，一氧化碳气敏微胶囊发生破裂。
因此，实施例1中所得到的一氧化碳气敏微胶囊能够检测一氧化碳气体。
实施例2：
水相制备：称取0.6g聚乙烯醇放入第一烧杯内，用80℃恒温水浴锅进行加热，使其由白色颗粒状固体转为无色透明的粘稠状液体，再量取300ml的蒸馏水加入第一烧杯中，将第一烧杯转移到超声波清洗机中，进行加热超声溶解10h，直至聚乙烯醇完全均匀分散于水中形成水相溶液；
有机相制备：称取10g苯乙烯、0.5g二乙烯基苯、3g偶氮二异丁腈、0.75g二氯化钯和5g柠檬烯一起加入第二烧杯中，并用磁力搅拌器搅拌3h，使其充分混合均匀；
聚合反应：将500ml的三口烧瓶置入恒温油浴锅中，温度设置为80℃，再将制备好的水相和有机相倒入500ml三口烧瓶中，并进行搅拌聚合反应5h；
产物处理：反应结束后，将所得的固液混合物倒入第三烧杯中静置，进行抽滤，得到固体颗粒，再将所得固体颗粒用甲醇离心洗涤三次，将固体颗粒表面残留的有机物洗掉，最后进行干燥，直至没有水分残留；筛选出粒径范围为120微米～250微米的作为一氧化碳气体微胶囊。
将实施例2中得到的一氧化碳气敏微胶囊放入装有检测仪器的密闭容器中，检测仪器用于检测柠檬烯挥发出的气体；
向密闭容器通入气体，通入气体速率为0.2L/min；当通入空气时，检测仪器未检测到柠檬烯挥发出的气体，一氧化碳气敏微胶囊未发生破裂；当通入一氧化碳气体时，检测仪器5.5分钟内检测到柠檬烯挥发的气体，一氧化碳气敏微胶囊发生破裂。
因此，实施例2中所得到的一氧化碳气敏微胶囊能够检测一氧化碳气体。
实施例3：
水相制备：称取0.7g聚乙烯醇放入第一烧杯内，用80℃恒温水浴锅进行加热，使其由白色颗粒状固体转为无色透明的粘稠状液体，再量取350ml的蒸馏水加入第一烧杯中，将第一烧杯转移到超声波清洗机中，进行加热超声溶解10h，直至聚乙烯醇完全均匀分散于水中形成水相溶液；
有机相制备：称取12g苯乙烯、0.6g二乙烯基苯、4g偶氮二异丁腈、1g二氯化钯和5g柠檬烯一起加入第二烧杯中，并用磁力搅拌器搅拌3h，使其充分混合均匀；
聚合反应：将500ml的三口烧瓶置入恒温油浴锅中，温度设置为80℃，再将制备好的水相和有机相倒入500ml三口烧瓶中，并进行搅拌聚合反应5h；
产物处理：反应结束后，将所得的固液混合物倒入第三烧杯中静置，进行抽滤，得到固体颗粒，再将所得固体颗粒用甲醇离心洗涤三次，将固体颗粒表面残留的有机物洗掉，最后进行干燥，直至没有水分残留；筛选出粒径范围为120微米～250微米的作为一氧化碳气体微胶囊。
将实施例3中得到的一氧化碳气敏微胶囊放入装有检测仪器的密闭容器中，检测仪器用于检测柠檬烯挥发出的气体；
向密闭容器通入气体，通入气体速率为0.2L/min；当通入空气时，检测仪器未检测到柠檬烯挥发出的气体，一氧化碳气敏微胶囊未发生破裂；当通入一氧化碳气体时，检测仪器4分钟内检测到柠檬烯挥发的气体并发出警报，一氧化碳气敏微胶囊发生破裂。
因此，实施例3中所得到的一氧化碳气敏微胶囊能够检测一氧化碳气体。
采用同样的方法将薄荷油、薄荷脑或者其他能够挥发出无毒无害气体的挥发性物质作为芯核材料制成能够释放相应气体的一氧化碳气敏微胶囊，其中释放的气体均能采用现有的气体检测仪或者现有手段(例如气相色谱仪)检测到。另外，如果芯核材料为固体，则将芯核材料研磨之后再加入到第二烧杯中。
其中，本申请中，芯核材料可以采用柠檬烯、薄荷油、薄荷脑或其他能够挥发出无毒无害气体的挥发性物质。
实施例4：
一种采用一氧化碳气敏微胶囊识别采空区火源的方法，包括以下步骤：
步骤21：采用不同的芯核材料制备能够释放不同种类气体的一氧化碳气敏微胶囊；
步骤22：随着采煤工作面的向前推进，在工作面后方采空区划分区域，在划分的区域内洒放由不同芯核材料制备的一氧化碳气敏微胶囊，每个区域的宽度为20米，如图2所示，图2中微胶囊1、微胶囊2、微胶囊3为由不同芯核材料制备的一氧化碳气敏微胶囊；其中一氧化碳气敏微胶囊在洒放到采空区之前，先储存到耐高压多孔圆球中，如图1所示，耐高压多孔圆球的耐压为30～40MPa，外径是25000～45000μm；之后将储存有一氧化碳气敏微胶囊的耐高压多孔圆球洒放至采空区内的不同区域；
步骤23：在工作面上隅角设置检测仪器，采集上隅角位置采空区内部的气体，检测气体的种类；一旦检测到含有一氧化碳气敏微胶囊芯核释放的气体，会立即发出警报；
煤矿开采过程中，采煤工作面进风巷的风流会从工作面漏入工作面后方的采空区，然后携带采空区内的气体由上隅角等区域返回工作面，即携带有采空区内气体的气流会通过工作面的上隅角，因此在工作面上隅角能够采集到采空区内的气体。
而对于气体的采集采用现有技术就能实现，在此不再赘述具体方式。
步骤24：工作人员根据检测到的芯核气体种类，判断采空区中发生煤自燃灾害的区域。
本发明一氧化碳气敏微胶囊利用悬浮聚合法制得，壁壳材料包括苯乙烯、聚乙烯醇、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈、二氯化钯，其中苯乙烯作为壁材的壳体，聚乙烯醇为分散剂，二乙烯基苯为交联剂，偶氮二异丁睛为引发剂，聚合时壁壳材料聚合成球并将芯核材料包裹在内；而二氯化钯能够与CO气体发生反应；在一氧化碳气体环境中，本申请气敏微胶囊的壁壳因二氯化钯与一氧化碳反应而破裂，释放出芯核材料挥发的气体，通过检测芯核材料气体就能判断采空区是否发生遗煤自燃；
通过将不同类型芯核材料的一氧化碳气敏微胶囊喷洒在采空区的不同区域，就能根据检测到的芯核气体种类判断出发生遗煤自燃的区域。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一氧化碳气敏微胶囊，其特征在于，气敏微胶囊呈“核-壳”结构，气敏微胶囊包括芯核以及包覆在芯核外部的壁壳；
所述壁壳为苯乙烯聚合物和二氯化钯组成的复合壳体，所述壁壳材料包括苯乙烯、二氯化钯、分散剂、交联剂、引发剂；所述芯核材料为能够挥发出无毒无害气体的易挥发物质；所述气敏微胶囊利用悬浮聚合法制得；
所述分散剂为聚乙烯醇，所述交联剂为二乙烯基苯，所述引发剂为偶氮二异丁腈；
所述聚乙烯醇与芯核材料的质量比为0.1～0.14：1；
所述苯乙烯与芯核材料的质量比为1.6～2.4：1；
所述二乙烯基苯与芯核材料的质量比为0.08～0.12：1；
所述偶氮二异丁腈与芯核材料的质量比为0.4～0.8：1；
所述二氯化钯与芯核材料的质量比为0.1～0.2：1；
所述壁壳接触CO气体后破裂，位于壁壳内部的芯核释放无毒无害气体。
2.如权利要求1所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤11：称取一定质量的聚乙烯醇放入第一烧杯内并加热，待聚乙烯醇由白色颗粒状固体变为无色透明的粘稠状液体之后，往第一烧杯中加入蒸馏水；之后将第一烧杯及其内部混合物转移到超声波清洗机中进行加热超声溶解，使聚乙烯醇完全均匀分散于蒸馏水中形成水相溶液；
步骤12：称取一定质量的苯乙烯、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈、二氯化钯、芯核材料一起加入到第二烧杯中，对第二烧杯中的混合物进行搅拌使其充分混合形成有机相溶液；
步骤13：将第一烧杯内的水相溶液、第二烧杯内的有机相溶液分别倒入位于恒温油浴锅内的三口烧瓶内，并搅拌使其进行悬浮聚合；
步骤14：悬浮聚合结束后，将所得的固液混合物倒入第三烧杯中静置，之后进行抽滤得到固体颗粒；再将所得固体颗粒采用甲醇离心洗涤三次，将固体颗粒表面残留的有机物洗掉；最后进行干燥，得到没有水分残留的微胶囊；
步骤15：对步骤14得到的微胶囊进行筛选得到一氧化碳气体微胶囊。
3.如权利要求2所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤11中，聚乙烯醇与蒸馏水的质量比为1：500。
4.如权利要求2所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤11中，采用恒温水浴锅对位于第一烧杯内的聚乙烯醇进行加热，加热温度为80℃；
第一烧杯及其内部混合物在超声波清洗机中进行加热超声溶解的时间为10h。
5.如权利要求2所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤12中，采用磁力搅拌器对第二烧杯中的混合物进行搅拌，搅拌时间为2～4h。
6.如权利要求2所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤13中，恒温油浴锅的温度为80℃；
采用机械搅拌器对三口烧瓶内的混合物搅拌5h；所述机械搅拌器的搅拌速度为300r/min。
7.如权利要求2所述的一氧化碳气敏微胶囊的制备方法，其特征在于，所述步骤15中，筛选出的一氧化碳气体微胶囊的粒径范围为120微米～250微米。
8.采用一氧化碳气敏微胶囊识别采空区火源的方法，其特征在于，一氧化碳气敏微胶囊采用如权利要求2～7任一所述的制备方法制得，识别采空区火源的方法包括以下步骤：
步骤21：采用不同的芯核材料制备能够释放不同种类气体的一氧化碳气敏微胶囊；
步骤22：随着采煤工作面的向前推进，在工作面后方采空区划分区域，在划分的区域内洒放由不同芯核材料制备的一氧化碳气敏微胶囊，每个区域的宽度为10-20米；
步骤23：在工作面上隅角设置检测仪器，采集上隅角位置采空区内部的气体，检测气体的种类；一旦检测到含有一氧化碳气敏微胶囊芯核释放的气体，会立即发出警报；
步骤24：工作人员根据检测到的芯核气体种类，判断采空区中发生煤自燃灾害的区域。
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