CN115947889A - 一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，将亲水性单体、引发剂、增强填料、交联剂与水配制成预聚液；亲水性单体为丙烯酰胺与2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸二者的混合物，引发剂为过硫酸铵，增强填料为纳米黏土、纳米凹凸棒土、氧化石墨烯中的一种，交联剂为甲叉双丙烯酰胺；将预聚液置于开盖式电加热反应釜中引发聚合反应得到聚合物水凝胶，烘干后通过工业研磨机研磨至过70～100目筛，得到高强度微凝胶颗粒材料，该产品具有高力学强度，在80％的应变条件下压缩强度可达40MPa，能够其在20秒内完成固水封堵。本发明具有原材料易得、生产成本低、制备工艺简单、力学性能好、能够实现高强度与快速固水封堵完美结合。
Description
技术领域
本发明属于环境治理高分子材料技术领域，具体涉及一种用于漏水封堵微凝胶材料的制备方法，特别适合在矿山尾矿库、冶金固废渣场(库)中用于快速堵漏止水，也可以用于水库、江河堤坝等水利工程堵漏止水。
背景技术
水凝胶是一种高亲水的三维网络高分子材料，其通过化学交联后通常形成纳米级的网络结构，但是其高含水量以及网络的不均匀性决定了水凝胶的力学强度普遍较低，这大大限制了水凝胶在对力学强度有较高要求的领域中得到广泛的应用(ChemicalEngineering Journal,2021,426:131900)。微凝胶虽然在尺寸上与本体水凝胶的有很大不同，但是其在化学组成以及纳米级的结构特征并无太多的区别。而传统的微凝胶由于其高的化学交联度，使得微凝胶的力学性能普遍表现出脆的特性，并且高的化学交联度会大大的限制微凝胶的吸水率。
水凝胶在生态环境治理中已经有了广泛的应用，并且由于水凝胶独特的理化性质，例如高吸水性、优异的孔结构以及灵活的侧链可设计性等(EnvironmentalTechnology&Innovation,2020,20:101107.)。而在固定水方面，水凝胶经脱水后得到干凝胶可以重新吸水，因此其在快速吸水固水方面同样具有很好的应用价值。在矿山发生废水外泄(防渗层失效、导排系统失灵下管涌)的初始阶段，如何快速地对泄漏口进行封堵对预防大规模的渗水事故具有非常重要的意义，可以为防止大规模的废水外泄起到重要的防护作用。而往往在紧急状态下，废水外泄发生突然，这就要求在应急状态下，封堵材料具有快速地封堵性能，以达到即用即封堵的要求。而水压较高的时候，其对材料的力学性能又有具体的要求，高的力学强度可以耐受更大的水压冲击。因此利用以水堵水的理念，则对所用的水凝胶材料在应急状态下具有快速封堵以及力学性能具有较高的要求。
在矿山含矿渣废水的固定中，由于需要固水封堵的废水往往是流动的或者其存在一定强度的渗出压力，这种工况条件则对材料的力学性能提出了更高的要求，因此提升微凝胶的力学性能将在更为苛刻的矿山含矿渣废水防控中表现出更为优异的性能，开发类似的材料也具有重要的实际意义。
增强水凝胶的方法有很多，其中较为典型的是在水凝胶网络中引入牺牲键，在抵抗外力的时候通过牺牲键的断裂达到耗散能量的目的，常用的牺牲键有氢键(Macromolecularrapid communications,2006,27(13):1023-1028)、配位键(AdvancedMaterials,2015,27(12):2054-2059)以及疏水效应(Macromolecules,2011,44(12):4997-5005)等，收到传统微凝胶的制备方法的限制，这些牺牲键在微凝胶制备过程中不易引入。为了解决该问题，本方法考虑到制备成本、简化制备过程等因素，拟利用通过先强化本体水凝胶力学强度再进行机械破碎的方法来制备高强度水凝胶的力学性能，并兼顾材料的吸水率等重要特性，提出苛刻条件下废水固定的材料解决方法，以在实际工况中得到更好的应用。
发明内容
本发明的目的就是针对传统反相法制备微凝胶材料过程繁琐、力学强度差、原材料价格高、生产成本高、需要特殊设备进行生产、难以满足高强度与快速固水封堵有机统一等技术难题，而提供一种原材料易得、生产成本低、制备工艺简单、力学性能好、能够实现高强度与快速固水封堵完美结合的用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料。
为实现本发明的上述目的，本发明一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，按照以下组份、质量百分含量配制成预聚液：
所述亲水性单体为丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的混合物，所述的引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为甲叉双丙烯酰胺，所述的增强填料为纳米黏土、纳米凹凸棒土、氧化石墨烯中的一种；
其制备工艺为：将预聚液置于开盖式电加热反应釜中在75～85℃的温度条件下引发聚合反应得到聚合物水凝胶；将制备的聚合物水凝胶置于90～115℃的烘干机中烘干至聚合物含水量≤5％，然后通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过70～100目筛，得到快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料。
配制成的预聚液中，各组份质量百分含量优选为：
配制成的预聚液中，各组份质量百分含量进一步优选为：
上述技术方案中，所述的亲水性单体中，丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的质量量比为1:0.7至1:1.2，以1:0.7至1:1.0为优。
上述技术方案中，所述的开盖式电加热反应釜的温度控制在78～82℃范围，聚合反应时间≥1h。
上述技术方案中，所述的烘干机的温度为95～105℃，以100℃为佳；通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过75～85目筛，以过80目筛为佳。
与现有技术相比，本发明一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料具有以下积极效果：
(1)本发明方法制备出的高强度微凝胶颗粒以高强度的本体水凝胶为来源，其具有高力学强度，在80％的应变条件下压缩强度可达40MPa，特别是在“亲水性单体24.0％～28.0％，引发剂0.49％～0.57％，交联剂0.03％～0.06％，增强填料4.4％～6.0％，水65.5％～70.0％，其中亲水性单体中，丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的质量量比为1:0.7至1:1.0”条件下，取得了80％应变下压缩强度>46.0MPa以上、封堵时间<18s的意想不到的技术效果。
(2)试验表明，本发明方法制备出的高强度微凝胶颗粒具有凝结时间短、早期强度高的性能，能够其在20秒内完成固水封堵的目标，实现了高强度与快速固水封堵的性能统一。
(3)本发明所需全部原料皆已工业化生产，廉价易得。
(4)试验研究表明，本发明制备的高强度微凝胶颗粒，在保持较高吸水率的前提下，大大提高了微凝胶的力学强度，并能够在苛刻的环境下对含矿渣废水、尾矿库泄漏、江河湖堤管涌等进行快速、高效的固水封堵，解决了本领域技术人员多年来一直想解决而未解决的技术难题。
(5)本发明不需要任何特殊生产设备，制备的过程仅涉及聚合反应、干燥以及机械破碎等过程，与市场同类产品相比较，并无特殊额外需要的工艺设备，可以实现大规模制备，体现了实现性能提升而不增加额外成本的优势。
具体实施方式
为描述本发明，下面结合实施例对本发明一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料做进一步详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明实施例按照以下组份、质量百分含量配制成预聚液：亲水性单体22.0％～40.0％，引发剂过硫酸铵0.4％～0.6％，交联剂甲叉双丙烯酰胺0.03％～0.06％，增强填料1.5％～8.5％，水55.0％～75.0％。所述亲水性单体为丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的混合物，所述的增强填料为纳米黏土、纳米凹凸棒土、氧化石墨烯中的一种。其制备工艺为：将预聚液置于开盖式电加热反应釜中在75～85℃的温度条件下引发聚合反应得到聚合物水凝胶；将制备的聚合物水凝胶置于90～115℃的烘干机中烘干至聚合物含水量≤5％，然后通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过70～100目筛，得到快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料。
对比例1
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.50Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75Kg过硫酸铵以及0.056Kg甲叉双丙烯酰胺溶于100Kg水，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例1
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.5Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75Kg过硫酸铵、0.056Kg甲叉双丙烯酰胺以及2.75Kg纳米黏土溶于100Kg水中，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例2
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.5Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75Kg过硫酸铵、0.056Kg甲叉双丙烯酰胺以及5.5Kg纳米黏土溶于100Kg水，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例3
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.5Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75Kg过硫酸铵、0.056Kg甲叉双丙烯酰胺和8.25Kg纳米黏土溶于100Kg水，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例4
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.5Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75Kg过硫酸铵、0.056Kg甲叉双丙烯酰胺和8.25Kg氧化石墨烯溶于100Kg水，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例5
(1)称取20Kg丙烯酰胺、17.5Kg 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、0.75g过硫酸铵、0.056g甲叉双丙烯酰胺和8.25Kg凹凸棒土溶于100Kg水，在开盖式电加热反应釜中混合均匀后得到预聚液，控制温度至80℃，聚合反应1个小时。
(2)将(1)中得到的水凝胶取出放置在烘干机中100℃温度下烘干到含水量小于5％，后通过工业研磨机研磨至过80目筛，得到最终产品。
实施例6～16及对比例2、3的原材料配方、制备工艺条件如表1所示。
表1实施例6～16及对比例2、3的原材料配方、制备工艺
性能测试
将对比例1、2、3与实施例1～16所制备的样品在保持相同的测试条件下，测试各样品的耐压缩性能、80％应变条件下的压缩应力、溶胀度以及封堵时间等性能指标，测试结果如表2所述。
表2对比例1、2、3与实施例1～16制备样品性能测试指标
从表2可以出，对比例样品与实施例样品在性能方面的比较中可以看出，对比例1的压缩强度以及封堵性能远低于所有实施例。从实施例1～5中可以看出，材料的压缩强度随着增强填料含量的增加而逐渐增加，而不同的填料对样品的增强效应略有不同，最优的为纳米黏土，其中实施例3中制备的样品其本体水凝胶的压缩强度超过40MPa，表现出优异的力学强度。而微凝胶颗粒是由相应的本体水凝胶通过烘干破碎得到的，这说明所制备的微凝胶颗粒的力学强度依然优异。此外，在提高强度的同时封堵性能同样得到了大幅度的提升，所有实施例的封堵时间在5～30s之间，明显优于对比例。
力学强度的提升是由于填料的增加会增加材料内部牺牲键的密度，其在抵抗外界载荷的时候会体现出更好的能量耗散过程，使得其力学强度大幅度提升。而增加了纳米填料后，微凝胶的网络变得更为致密，网络分子嵌段之间的相互作用力大幅度提升，使得网络吸收水的能力逐渐下降，使得材料溶胀度有所下降。但是其较慢的溶胀速度，使得水可以快速的跨颗粒渗透，大幅度提升了材料的封堵性能。通过对比例性能的测试数据，可以看出，本发明提出的实施方案制备的样品具有优异的力学性能以及快速的水封堵性能，在提升材料的封堵效果的同时大幅度提升了封堵速度，具有重要的应用价值。
从表2可以看出，对比例2、3尽管也加入了增强填料，80％应变下压缩强度也有所提高，但是对比例2亲水性单体仅用丙烯酰胺，对比例3亲水性单体仅用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，尽管其它条件与实施例15相同，但对比例2、3的封堵时间比实施例5要大10倍以上，但比例2、380％应变下压缩强度也比实施例15低得多，仅为实施例15的约1/9，说明亲水性单体必须采用丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸复配，且二者的质量量比在1:0.7至1:1.0之间效果最好。
从表2还可以看出，实施例9、12、15、16取得了意想不到的技术效果，80％应变下压缩强度>46.0MPa以上，封堵时间<18s。即是说，在“亲水性单体24.0％～28.0％，引发剂0.49％～0.57％，交联剂0.03％～0.06％，增强填料4.4％～6.0％，水65.5％～70.0％，其中亲水性单体中，丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的质量量比为1:0.7至1:1.0”，取得的80％应变下压缩强度、封堵时间组合最优。这一现象表明，本发明原料中各组份优化配置、协同作用，出现了“1+1>2的效果”。例如，在一定配比下，微凝胶颗粒材料的压缩强度随着增强填料含量的增加而增加，但并不是一直随着增强填料含量的增加而增加，对原料中不同组份、不同组份含量进行优化组合、配置，出现了增强填料含量在4.4％～6.0％范围内80％应变下压缩强度最大、但封堵时间却很小的现象。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料通过对组分的优化纳米填料的添加，在保持较高吸水率的前提下提高微凝胶的力学强度，并能够在苛刻的环境下对含矿渣废水的进行快速高效的固水封堵。
Claims (8)
1.一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于按照以下组份、质量百分含量配制成预聚液：
所述亲水性单体为丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的混合物，所述的引发剂为过硫酸铵，所述交联剂为甲叉双丙烯酰胺，所述的增强填料为纳米黏土、纳米凹凸棒土、氧化石墨烯中的一种；
其制备工艺为：将预聚液置于开盖式电加热反应釜中在75～85℃的温度条件下引发聚合反应得到聚合物水凝胶；将制备的聚合物水凝胶置于90～115℃的烘干机中烘干至聚合物含水量≤5％，然后通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过70～100目筛，得到快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料。
2.如权利要求1所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于配制成的预聚液中，各组份质量百分含量为：
3.如权利要求1所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于配制成的预聚液中，各组份质量百分含量为：
4.如权利要求1、2或3所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于：所述的亲水性单体中，丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的质量量比为1:0.7至1:1.2。
5.如权利要求4所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于：所述的亲水性单体中，丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸二者的质量量比为1:0.7至1:1.0。
6.如权利要求5所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于：所述的开盖式电加热反应釜的温度控制在78～82℃范围，聚合反应时间≥1h。
7.如如权利要求6所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于：所述的烘干机的温度为95～105℃，通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过75～85目筛。
8.如权利要求7所述的一种用于快速封堵工程设施漏水的高强度微凝胶颗粒材料，其特征在于：所述开盖式电加热反应釜的温度控制在80℃；所述烘干机的温度控制为100℃，通过工业研磨机将烘干后的聚合物水凝胶研磨至过80目筛。
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