CN113877128B - 一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤炭防灭火技术应用领域，提供了一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法。其特征是，包括0.2‑0.8％的成胶基体、0.3％的发泡体系和0.41‑1.75％的双交联体系；所述成胶基体为褐藻类的天然多糖海藻酸钠；所述发泡体系由茶皂素和烷基糖苷构成；所述双交联体系分别由含多酚羟基结构的物质与含Ca2+的弱电解质构成。本发明一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法，通过构建凝胶泡沫的双交联体系，极大的提高了凝胶泡沫的稳定性，克服了传统凝胶泡沫稳定性差等问题，并且具有优异的抑制煤氧化和灭火的效果。同时本发明制备工艺简单，适合大规模生产。

Description

一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法
技术领域
本发明涉及煤矿井防灭火技术领域，具体涉及一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法技术领域。
背景技术
2020年世界能源统计年鉴显示，全球煤炭产量增长了1.5％，煤炭在能源结构中的占比达到27％，仅次于石油的33.1％。由此表明，煤炭资源对推动全球经济发展具有重大意义。然而对煤炭资源的大量需求，导致煤炭开采深度和强度逐渐增加，煤矿自然灾害也日益增多，其中由煤氧化引起的自燃导致了大量财产损失、人员伤亡和环境恶化等，对社会造成了恶劣的影响，同时也烧毁了这些不可再生资源。因此，对煤自燃进行有效的防治，有利于保证煤矿安全生产和促进社会稳定、高速发展。
目前，为防治煤自燃，已开发出多种防灭火技术，如注惰性气体、灌浆、洒阻化剂和注凝胶等。这些防灭火技术在煤矿日常火灾防治中发挥着重要作用，但对于中深部开采过程中的大倾角、高地温和高地压的复杂煤层，煤自燃发火因素相互影响，导致常规的防灭火技术手段作用有限，治理效果不理想。为了应对复杂条件下的防灭火工作，凝胶泡沫防灭火技术得到了广泛推广，其具有较好流动性、堆积能力和高保水性等特点，可有效抑制煤自燃。然而传统凝胶泡沫交联方式单一，形成的凝胶网络结构不稳定，易出现排液、粗化等现象，从而导致凝胶泡沫易破裂，稳定性差，最终降低了凝胶泡沫抑制煤自燃效果。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫及其制备方法，通过构建凝胶泡沫多酚羟基结构的双交联体系，极大的提高了凝胶泡沫的稳定性，克服了传统凝胶泡沫稳定性差等问题，并且具有优异的抑制煤氧化和灭火的效果。
本发明采用以下技术方案：
一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫，包括成胶基体、发泡体系和双交联体系；所述成胶基体的质量浓度为0.2-0.8％、发泡体系的质量浓度为0.3％、双交联体系的质量浓度为0.41-1.75％。
进一步地，所述成胶基体为褐藻类的天然多糖海藻酸钠；所述发泡体系由茶皂素和烷基糖苷构成；所述双交联体系分别由含多酚羟基结构的物质与含Ca2+的弱电解质构成。
进一步地，所述发泡体系中茶皂素和烷基糖苷复配的质量比为1：2。
进一步地，所述含有多酚羟基结构的物质为单宁酸、茶多酚、儿茶素中的一种或多种；所述含Ca2+的弱电解质为L-乳酸钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙中的一种或多种；所述双交联体系中含多酚羟基结构的物质与含Ca2+的弱电解质的质量比为2.67：1—160：1。
一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫的制备方法，包括以下步骤：
称取一定量的成胶基体充分溶解在水中，然后加入发泡体系，混合均匀后，添加双交联体系，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
本发明具有的有益效果是：
本发明的一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫，极大的提高了凝胶泡沫的稳定性，克服了传统凝胶泡沫稳定性差等问题，并且具有优异的抑制煤氧化和灭火效果。所制备基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫半衰期高达26天以上；与原煤相比，经双交联凝胶泡沫处理后的煤样在200℃时的CO释放量大幅度降低，从19574ppm降低到3494.9ppm，降幅高达82.1％，表明双交联凝胶泡沫对煤的氧化具有明显抑制作用。煤燃烧试验表明，原煤样燃烧140min后温度仍然高达670℃，而经双交联凝胶泡沫处理后的煤样在140min后仅为30℃，表明所制备的双交联凝胶泡沫具有优异的灭火效果。同时本发明工艺简单，适合大规模生产。
附图说明
图1对比例1中煤样程序升温氧化试验过程中CO释放量曲线图；
图2实施例3中双交联凝胶泡沫微观结构图；
图3实施例3中煤样程序升温氧化试验过程中CO释放量曲线图；
图4对比例3中煤体温度随时间的变化曲线图；
图5对比例2中无双交联结构的凝胶泡沫微观结构图；
图6实施例3中煤体温度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和对比例对本发明进行具体说明：
实施例1
称取0.8g的海藻酸钠充分溶解在98.35g的水中，然后按比例加入0.1g的茶皂素和0.2g的烷基糖苷，混合均匀后，加入0.15g的L-乳酸钙和0.4g的单宁酸，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
将制备的双交联凝胶泡沫倒入烧杯中，通过倒置法来测量凝胶泡沫的成胶时间，结果显示该双交联凝胶泡沫的成胶时间为1min。将经21.4g的双交联凝胶泡沫处理后的50g煤样放置在真空烘箱中，30℃的真空条件下处理24h，然后通过程序升温氧化试验与气象色谱仪分析，记录煤样程序升温过程中的CO产生量。结果表明，处理后的煤样在170℃之前CO释放速率较低，该温度下煤处于缓慢氧化阶段；170℃之后，CO释放速率明显加快，煤进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到3494.9ppm。
对比例1
取50g原煤样在真空烘箱中30℃真空条件下处理24h后，原煤样程序升温氧化试验过程中的CO释放量曲线图如图1所示，原煤样在120℃之前CO释放速率较低，该温度下煤处于缓慢氧化阶段；120℃之后，CO释放速率明显加快，煤进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到19574ppm。
实施例2
称取0.6g的海藻酸钠充分溶解在98.2g的水中，然后按比例加入0.1g的茶皂素和0.2g的烷基糖苷，混合均匀后，加入0.1g的L-乳酸钙和0.8g的单宁酸，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法测量成胶时间，结果表明双交联凝胶泡沫的成胶时间为10min。程序升温氧化试验结合气象色谱仪分析表明，经处理后的煤样在170℃之前CO释放速率较低，该温度下煤处于缓慢氧化阶段；170℃之后，CO释放速率明显加快，煤进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到5407.08ppm。
实施例3
称取0.4g的海藻酸钠充分溶解在98.05g的水中，然后按比例加入0.1g的茶皂素和0.2g的烷基糖苷，混合均匀后，加入0.05g的L-乳酸钙和1.2g的单宁酸，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法，成胶时间显示该双交联凝胶泡沫的成胶时间为15min；对双交联凝胶泡沫进行微观结构分析，结果如图2双交联凝胶泡沫微观结构图所示，从图中可以看出，形成的凝胶泡沫结构较为均匀、规整；通过静置法，测得该凝胶泡沫的半衰期为26天；双交联凝胶泡沫处理后的煤样程序升温氧化试验过程中CO释放量曲线图如图3所示，经处理后的煤样在170℃之前CO释放速率较低，该温度下煤处于缓慢氧化阶段；170℃之后，CO释放速率明显加快，煤进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到8675.32ppm；
如图4为双交联凝胶泡沫扑灭煤燃烧试验过程中煤体温度随时间的变化曲线图，从图中可知：煤体温度随时间的变化逐渐减低，其中在30min之前，煤体温度从965℃快速下降到80℃，此时明火基本熄灭；在30min之后，煤体温度下降速度变缓，最终在140min后达到30℃。
对比例2
称取0.4g的海藻酸钠充分溶解在99.25g的水中，然后按比例加入0.1g的茶皂素和0.2g的烷基糖苷，混合均匀后，加入0.05g的L-乳酸钙，通过机械搅拌，形成一种无双交联基体的凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法测试凝胶泡沫的成胶时间，结果显示该凝胶泡沫始终具有一定流动性。本对比例形成的无双交联结构的凝胶泡沫微观结构图如图5所示，其微观结构稀疏，泡沫液膜较薄，同时半衰期仅为0.4天；
对比例3
利用原煤样在自然状态下燃烧，如图6为原煤样燃烧试验过程中煤体温度随时间的变化曲线图，从图中可知：煤体温度呈缓慢下降，其中在30min之前，煤体温度从965℃快速下降到901℃，仅下降64℃；最终在140min后仍然高670℃。
实施例4
称取0.2g的海藻酸钠充分溶解在97.89g的水中，然后按比例加入0.1g的茶皂素和0.2g的烷基糖苷，混合均匀后，加入0.01g的L-乳酸钙和1.6g的单宁酸，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法，成胶状态显示该双交联凝胶泡沫始终具有流动性，未完全成胶。程序升温氧化试验结合气象色谱仪分析表明，经处理后的煤样在140℃之前CO释放速率较低，该温度下煤处于缓慢氧化阶段；140℃之后，CO释放速率明显加快，煤进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到10697ppm。
分析和结论：
从上述实施例3和对比例1可以看出：在氧化过程中，原煤样在120℃之后，CO的释放速率开始加快，煤样进入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的释放量达到19574ppm；经双交联凝胶泡沫处理后的煤样最高可在170℃之后，CO的释放速率才开始加快，并入快速氧化阶段，最终在200℃时，CO的最低释放量仅为3494.9ppm。与原煤相比，经双交联凝胶泡沫处理后的煤样在200℃时的CO释放量大幅度降低，从19574ppm降低到3494.9ppm，降幅高达82.1％，表明双交联凝胶泡沫对煤的氧化具有明显抑制作用。
从上述实施例3和对比例2可以看出：不含双交联体系的传统凝胶泡沫微观结构稀疏，液膜较薄，半衰期仅为0.4天；而具有双交联体系的凝胶泡沫微观结构致密、规整，半衰期达到26天。通过构建凝胶泡沫的双交联体系，极大的提高了凝胶泡沫的稳定性，使半衰期得到显著提高。
从上述实施例3和对比例3可以看出：经过双交联凝胶泡沫处理后的煤样在前30min煤样温度急剧下降，从965℃快速下降到80℃，下降了885℃，此时煤样明火基本熄灭，最终在140min后达到30℃。对比未经过双交联凝胶泡沫处理的原煤样自然状态下的燃烧，原煤样在前30min温度仅从965℃下降到901℃，最终在140min后仍然高达670℃。表明所制备的双交联凝胶泡沫具有优异的灭火效果。
利用本发明的一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫对地面煤火、建筑物火灾和森林火灾进行灭火时，与上述实施例中的具体做法基本相同。当然上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫，其特征在于：包括成胶基体、发泡体系和双交联体系；所述成胶基体的质量浓度为0.2-0.8％、发泡体系的质量浓度为0.3％、双交联体系的质量浓度为0.41-1.75％；
所述成胶基体为褐藻类的天然多糖海藻酸钠；所述发泡体系由茶皂素和烷基糖苷构成；所述双交联体系分别由含多酚羟基结构的物质与含Ca2+的弱电解质构成；
所述发泡体系中茶皂素和烷基糖苷复配的质量比为1：2；
所述含有多酚羟基结构的物质为单宁酸、茶多酚、儿茶素中的一种或多种；所述含Ca2+的弱电解质为L-乳酸钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙中的一种或多种；所述双交联体系中含多酚羟基结构的物质与含Ca2+的弱电解质的质量比为2.67：1—160：1；
所述基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫的制备方法包括以下步骤：称取一定量的成胶基体充分溶解在水中，然后加入发泡体系，混合均匀后，添加双交联体系，通过机械搅拌，形成一种基于多酚羟基结构的双交联凝胶泡沫。
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