CN114805661A - 水凝胶复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水凝胶复合材料及制备方法，其原料以重量份包括：丙烯酸溶液72‑73.89份、碱溶液24‑24.63份、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72‑0.74份、过硫酸钾溶液0.72‑0.74份、叶绿素铜钠盐0‑2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送剂100份。本发明有效解决了大流量突水工程中注浆材料难以留存的问题，且膨胀率可达到300左右，膨胀时间在120到240s之间可调节。本发明在所制备的水凝胶材料在遇水后迅速产生较大的膨胀，颗粒间相互挤压，从而有效解决隧道突涌水问题，而且制备方面简单，成本较低，且易于注入涌水通道。

Description

水凝胶复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料及制备，具体涉及一种水凝胶复合材料及制备方法。
背景技术
对于复杂地质环境区域，隧道开挖过程中常伴随着裂缝、溶洞和富水断层等不良地质构造，这使得地下工程建设过程中常面临着突涌水问题。突涌水问题不仅会延缓工期，甚至会造成隧道岩层失稳坍塌，从而造成较大的经济损失和人员伤亡。大流量突水问题一直是困扰地下工程建设的“卡脖子”问题。富水断层下的熔岩突水量较大，涌水管道复杂，采用常规注浆手段不能达到封堵效果。
目前，针对于隧道突水问题，最常见的解决方法为注入快速凝结的复合水泥浆体，但是复合水泥浆体的体积膨胀效果有限，易被快速流动的水流冲出；也有研究人员通过高铝水泥制备速凝高强膨胀性矿山封孔材料，但该材料膨胀率较低(10％左右)，较有机材料而言很难实现瞬时封堵。近期，以聚醚多元醇和多异氰酸酯制备得到的高膨胀率的高分子聚合材料也被开发使用，但其属于聚氨酯类灌浆材料，易在大流量下被稀释。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供水凝胶复合材料及制备方法，解决现有现有材料膨胀率较低，较有机材料而言很难实现瞬时封堵
技术方案：本发明所述的水凝胶复合材料，其原料以重量份包括：
丙烯酸溶液72-73.89份、碱溶液24-24.63份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72-0.74份、过硫酸钾溶液0.72-0.74份、叶绿素铜钠盐0-2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送剂100份。
优选的是，所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，所述碱溶液碱性物质的质量分数为30％。
所述丙烯酸溶液中溶质的质量分数为20％。
所述N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液是采用浓度为97％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺分析纯与去离子水配置而成的，溶质的质量分数为50％。
所述过硫酸钾溶液的溶质的质量分数为50％。
所述复合交联剂是通过丙三醇、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液配置而成，甘油：碳酸乙烯脂：硝酸银溶液的质量比为3:2:10。
所述导水剂为具有亲水性的纳米材料与去离子水配置而成的悬浮液，悬浮液浓度为1％。
所述泵送液由乙醇和丙三醇制备而成的。
本发明所述的水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
在冰水浴条件下，丙烯酸溶液和碱液均匀混合制得丙烯酸盐溶液，加入叶绿素铜钠盐得到溶液A；
将N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入溶液A中，均匀搅拌使其聚合；
过硫酸钾溶液加入上述溶液中，升温得到水凝胶材料；
水凝胶材料切割搅碎得到水凝胶颗粒；
复合交联剂均匀喷洒在水凝胶颗粒表面并烘干，继续喷洒纳米材料复合导水剂并烘干；多次重复后筛分出所需粒径的水凝胶材料颗粒；
将筛选的水凝胶材料颗粒与泵送剂均匀混合得到水凝胶复合材料。
优选的是，搅拌采用磁力搅拌水浴锅，温度范围5-100℃，转子旋转速度为500r/min；升温的具体过程为：在升温速率下由5℃升至80℃在2℃/min。
有益效果：本发明的膨胀率能达到300倍左右，且吸水速率可调，针对于不同的突水情况，可选择不同粒径、不同流速的水凝胶复合溶液，从而实现快速堵水的目的。
附图说明
图1为实施例1的材料水凝胶堵水材料的吸水曲线图；
图2为实施例1的材料吸水前后的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
下实施例中所用原料均为以下要求：
丙烯酸溶液的质量分数为20％。
碱溶液由氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙与去离子水配置而成的质量分数为30％碱性水溶液。
N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液的质量分数为50％。
过硫酸钾溶液的质量分数为50％。
叶绿素铜钠盐为纯度为98％的绿色固体粉末。
复合交联剂是由丙三醇、碳酸乙烯脂、硝酸银溶液按3:2:10的质量比配置而成的，其中丙三醇为无色透明粘性液体，碳酸乙烯脂的纯的大于99.0％，硝酸银溶液为质量分数为20g/L的标准滴定液。
纳米材料复合导水剂为浓度为1％的亲水性纳米二氧化硅溶液；
所述的泵送液为丙三醇和乙醇混合而成的；
使用的磁力搅拌冷水浴锅能够提供5℃的水浴环境和持续的搅拌。
实施例1
丙烯酸溶液72份、氢氧化钠溶液24份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72份、过硫酸钾溶液0.72份、叶绿素铜钠盐2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送液100份。
制备方法：
(1)按照所需的质量分数配置丙烯酸溶液、氢氧化钠溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液；在冰水浴条件下(5℃)，使得质量分数为20％的丙烯酸溶液和质量分数为30％的氢氧化钠溶液混合均匀，从而制备出中和度为60％的丙烯酸钠溶液，并添加叶绿素铜钠盐；
(2)将质量分数为50％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入上述溶液中，均匀搅拌1小时；
(3)将质量分数为30％的过硫酸钾溶液作为引发剂加入上述溶液中，并使水浴逐渐升温至80℃，升温速率为2℃/min；
(4)将上述步骤所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎1.5min，得到小尺寸的水凝胶材料；
(5)并将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时；
(6)将上述步骤所得的水凝胶材料表面喷洒纳米材料复合导水剂，将其放置在100℃的烘箱中1小时；两次重复(5)和(6)步，并筛分出50-100目的干燥水凝胶材料用于后续步骤；
(7)将上述步骤所得的水凝胶颗粒与泵送液均匀混合，从而制备出适用于隧道堵水的用于治理隧道突水的高流态、高膨胀率、高吸水速率的水凝胶复合材料。
实施例2
丙烯酸溶液72份、氢氧化钾溶液24份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72份、过硫酸钾溶液0.72份、叶绿素铜钠盐2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送液100份。
制备方法：
(1)按照所需的质量分数配置丙烯酸溶液、氢氧化钾溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液；在冰水浴条件下(5℃)，使得质量分数为20％的丙烯酸溶液和质量分数为30％的氢氧化钾溶液混合均匀，从而制备出中和度为60％的丙烯酸钾溶液，并添加叶绿素铜钠盐；
(2)将质量分数为50％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入上述溶液中，均匀搅拌1小时；
(3)将质量分数为30％的过硫酸钾溶液作为引发剂加入上述溶液中，并使水浴逐渐升温至80℃，升温速率为2℃/min；
(4)将上述步骤所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎1.5min，得到小尺寸的水凝胶颗粒；
(5)将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时；
(6)将上述步骤所得的水凝胶材料表面喷洒纳米材料复合导水剂，将其放置在100℃的烘箱中1小时；两次重复(5)和(6)步，并筛分出50-100目的干燥水凝胶材料用于后续步骤；
(7)将上述步骤所得的水凝胶颗粒与泵送液均匀混合，从而制备出适用于隧道堵水的高流态、高膨胀率、高吸水速率的水凝胶复合材料。
实施例3
丙烯酸溶液72份、氢氧化钙溶液24份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72份、过硫酸钾溶液0.72份、叶绿素铜钠盐2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送液100份。
制备方法：
(1)按照所需的质量分数配置丙烯酸溶液、氢氧化钙溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液；在冰水浴条件下(5℃)，使得质量分数为20％的丙烯酸溶液和质量分数为30％的氢氧化钙溶液混合均匀，从而制备出中和度为60％的丙烯酸钙溶液，并添加叶绿素铜钠盐；
(2)将质量分数为50％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入上述溶液中，均匀搅拌1小时；
(3)将质量分数为30％的过硫酸钾溶液作为引发剂加入上述溶液中，并使水浴逐渐升温至80℃，升温速率为2℃/min；
(4)将上述步骤所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎1.5min，得到小尺寸的水凝胶颗粒；
(5)将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时；
(6)将上述步骤所得的水凝胶材料表面喷洒纳米材料复合导水剂，将其放置在100℃的烘箱中1小时；两次重复(5)和(6)步，并筛分出50-100目的干燥水凝胶材料用于后续步骤；
(7)将上述步骤所得的水凝胶颗粒与泵送液均匀混合，从而制备出适用于隧道堵水的高流态、高膨胀率、高吸水速率的水凝胶复合材料。
实施例4
丙烯酸溶液73.89份、氢氧化钠溶液24.63份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.74份、过硫酸钾溶液0.74份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送液100份。
制备方法：
(1)按照所需的质量分数配置丙烯酸溶液、氢氧化钠溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液；在冰水浴条件下(5℃)，使得质量分数为20％的丙烯酸溶液和质量分数为30％的氢氧化钠溶液混合均匀，从而制备出中和度为60％的丙烯酸钠溶液；
(2)将质量分数为50％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入上述溶液中，均匀搅拌1小时；
(3)将质量分数为30％的过硫酸钾溶液作为引发剂加入上述溶液中，并使水浴逐渐升温至80℃，升温速率为2℃/min；
(4)将上述步骤所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎1.5min，得到小尺寸的水凝胶颗粒；
(5)将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时；
(6)将上述步骤所得的水凝胶材料表面喷洒纳米材料复合导水剂，将其放置在100℃的烘箱中1小时；两次重复(5)和(6)步，并筛分出50-100目的干燥水凝胶材料用于后续步骤；
(7)将上述步骤所得的水凝胶颗粒与泵送液均匀混合，从而制备出适用于隧道堵水的高流态、高膨胀率、高吸水速率的水凝胶复合材料。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于制备方法中不同如下：
步骤(5)中将步骤(4)中所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎1min，得到小尺寸的水凝胶材料；并将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时，并筛分出>100目的颗粒进行下一步处理。
实施例6
与实施例1基本相同，不同之处在于制备方法中不同如下：
步骤(5)中将步骤(4)中所得的水凝胶材料放入小型破碎机中破碎2min，得到小尺寸的水凝胶材料；并将甘油、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液按照3:2:10的质量比所得的复合交联剂均匀喷洒在水凝胶表面；将其放置在100℃的烘箱中1小时，并筛分出20-50目的颗粒进行下一步处理。
性能检测：
为了测量聚合物颗粒的膨胀率，每个实施例测试3个样品，每个样品取M0(1g)的水凝胶，放入茶包中，浸泡在100g去离子中，并测试随时间增长，样品的质量变化。测试时，用滤纸滤干水凝胶表面的水分，并记其质量为Mn；水凝胶的膨胀率由式(1)计算。
Figure BDA0003589708830000061
式中，S为水凝胶的膨胀率；M0为干燥水凝胶的质量，在本实施例中为1g；Mn为第n秒该水凝胶的质量，测试间隔为30秒。
膨胀时间为到达膨胀率平稳段所需的时间。对上述实施例1-6的水凝胶的膨胀率进行试验，结果如表1。
表1测试结果
Figure BDA0003589708830000062
Figure BDA0003589708830000071
由上表1结果可得，随着粒径的降低，水凝胶能够更快的吸水，其膨胀率处于298-310之间，到达该膨胀率所需要的时间为120-240s。此外，通过附图2的水凝胶吸水前后的图片可以看出，少量干燥的水凝胶就能通过膨胀封堵大体积的圆形通道，这说明本专利所制备的水凝胶复合材料具备封堵涌水通道的能力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种水凝胶复合材料，其特征在于，其原料以重量份包括：
丙烯酸溶液72-73.89份、碱溶液24-24.63份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液0.72-0.74份、过硫酸钾溶液0.72-0.74份、叶绿素铜钠盐0-2.56份、复合交联剂3份、导水剂1份、泵送剂100份。
2.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙，所述碱溶液碱性物质的质量分数为30％。
3.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述丙烯酸溶液中溶质的质量分数为20％。
4.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液是采用浓度为97％的N,N-亚甲基双丙烯酰胺分析纯与去离子水配置而成的，溶质的质量分数为50％。
5.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述过硫酸钾溶液的溶质的质量分数为50％。
6.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述复合交联剂是通过丙三醇、碳酸乙烯脂和硝酸银溶液配置而成，甘油：碳酸乙烯脂：硝酸银溶液的质量比为3:2:10。
7.根据权利要求1所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述导水剂为具有亲水性的纳米材料与去离子水配置而成的悬浮液，悬浮液浓度为1％。
8.根据权利要求7所述的水凝胶复合材料，其特征在于，所述泵送液由乙醇和丙三醇制备而成的，其中，乙醇：丙三醇的质量比为1：1。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在冰水浴条件下，丙烯酸溶液和碱液均匀混合制得丙烯酸盐溶液，加入叶绿素铜钠盐得到溶液A；
将N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液加入溶液A中，均匀搅拌使其聚合；
过硫酸钾溶液加入上述溶液中，升温得到水凝胶材料；
水凝胶材料切割搅碎得到水凝胶颗粒；
复合交联剂均匀喷洒在水凝胶颗粒表面并烘干，继续喷洒纳米材料复合导水剂并烘干；多次重复后筛分出所需粒径的水凝胶材料颗粒；
将筛选的水凝胶材料颗粒与泵送剂均匀混合得到水凝胶复合材料。
10.根据权利要求9所述的水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，搅拌采用磁力搅拌水浴锅，温度范围5-100℃，转子旋转速度为500r/min；升温的具体过程为：在升温速率下由5℃升至80℃在2℃/min。
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