一种防灭火凝胶制备方法及煤矿防灭火方法

摘要

本发明属于煤矿防灭火技术领域，公开了一种防灭火凝胶制备方法及煤矿防灭火方法，按质量百分比由1％‑2％的羧甲基纤维素、4％‑5％的交联剂、4％‑5％的碳酸氢钠、4％‑5％的水玻璃稀释溶液，0.1％‑0.3％的pH调节剂和水组成。将羧甲基纤维素溶于蒸馏水中，加热并充分搅拌，然后向溶液中加入柠檬酸铝并通入氮气进行保护，反应得到第一溶液；将温度升高，向第一溶液中继续加入葡萄糖酸内脂，持续搅拌并反应，得到第二溶液；将碳酸氢钠加入到第二溶液中搅拌均匀，加入pH剂，调节得到第三溶液；将水玻璃溶于蒸馏水中，待混合后，滴加到第三溶液中，反应，得到最终产物。本发明延长了煤的存放时间，提高了煤矿的安全生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿防灭火技术领域，尤其涉及一种防灭火凝胶制备方法及煤矿防灭火方法。

背景技术

目前，煤炭自燃是煤矿安全的主要威胁之一。由此引发的火灾会造成人员伤亡和重大财产损失，以及严重的环境污染。近年来，世界煤炭平均年产量已达到约75亿吨。煤炭自燃引起的瓦斯、煤尘爆炸时有发生，每年因煤炭自燃造成的直接经济损失达数十亿美元，而诸如生态环境退化和大气污染等间接损失难以估计。目前防治煤炭自燃的防灭火技术有压力注浆凝胶、注浆泡沫、喷洒抑制剂、惰性气体(CO

水凝胶是具有三维网络结构的聚合物，由亲水性大分子化合物构成。与纯水相比，它们在结合水以及冷却和密封方面具有明显的优势。目前，水凝胶广泛应用于森林和煤矿防火。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的防灭火凝胶使用后，只对当时的明火起到防治作用，无法继续对正在煤炭开采、储存、装卸及运输过程中产生的煤炭自燃进行捕捉，难以达到理想的效果。

(2)目前煤矿防灭火凝胶没有选用天然高分子材料。

解决以上问题及缺陷的难度为：在制备防灭火凝胶时，水玻璃溶液不易与之反应，必须控制好前期羧甲基纤维素在反应时的加入量、起始液体的粘度、搅拌的速度和反应温度，不然会对防灭火凝胶的成胶速度与强度有影响。因此，控制好反应条件、选择合适的制备工艺参数制备出性能最佳的防灭火凝胶是以上的难度。

解决以上问题及缺陷的意义为：有效解决以上问题，进一步提高了防灭火凝胶的制备工艺，为防灭火凝胶的广泛应用提供了有效的技术支撑，本发明制备防灭火凝胶，以具有绿色、无污染的材料，采用化学接枝共聚与物理团聚技术作为制备工艺，在一定程度上可以提高材料利用率。这种有机无机杂化防灭火凝胶，具有广阔的发展前景。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种防灭火凝胶制备方法及煤矿防灭火方法。

本发明是这样实现的，一种防灭火凝胶，所述防灭火凝胶按质量百分比由 1％-2％的羧甲基纤维素、4％-5％的交联剂、4％-5％的碳酸氢钠、4％-5％的水玻璃稀释溶液，0.1％-0.3％的pH调节剂和水组成，余量为水，补足至100％。本发明防火凝胶的制备方法采用的是化学接枝共聚与物理团聚法，在羧甲基纤维素溶液中依次加入柠檬酸铝溶液、葡萄糖酸内脂，碳酸氢钠溶液，充分搅拌至反应完全，之后加入水玻璃溶液，当反应完全后，经过过滤和干燥后，可以得到具有良好灭火性能的防灭火凝胶。

进一步，所述交联剂为柠檬酸铝，引发剂为葡萄糖酸内酯。

进一步，所述pH调节剂为碳酸氢钠或氢氧化钠中的一种或其混合物。

本发明的另一目的在于提供一种所述防灭火凝胶的制备方法，所述防灭火凝胶的制备方法包括以下步骤：

第一步，将羧甲基纤维素溶于蒸馏水中，加热并充分搅拌，然后向溶液中加入柠檬酸铝并通入氮气进行保护，反应得到第一溶液；

第二步，将温度升高，向第一溶液中继续加入葡萄糖酸内脂，持续搅拌并反应，得到第二溶液；

第三步，将碳酸氢钠加入到第二溶液中搅拌均匀，加入pH剂，调节得到第三溶液；

第四步，将水玻璃溶于蒸馏水中，待混合后，滴加到第三溶液中，反应，得到最终产物。

进一步，所述第一步在45℃下，反应1h，得到第一溶液；

所述第二步将温度升高到60℃，向第一溶液中继续加入葡萄糖酸内脂，持续搅拌并反应1h，得到第二溶液。

进一步，所述第三步加入pH剂，调节至4-5得到第三溶液。

进一步，加入pH剂，调节至4。

进一步，所述第四步待混合后，滴加到第三溶液中，反应1h。

进一步，第四步设置反应温度为40℃，在600rmp下搅拌3h挥发。

本方案中设置的pH、温度、搅拌速度、时间与用量，是根据单因素试验进行并优化选出的、皆为最佳参数；从而制备出的防火凝胶最佳、形态最好、性能最高。

本发明的另一目的在于提供一种煤矿防灭火方法，所述煤矿防灭火方法使用所述的防灭火凝胶。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明适用于煤矿防灭火凝胶的制备方法，以羧甲基纤维素为原材料，加入葡萄糖酸内脂和柠檬酸铝，与C＝C、-COOH、和-OH等基团，形成自由基，然后通过交联作用，发生交联反应进一步强化固尘剂的空间结构。其中，羧甲基纤维素原有的-OH具有较好的吸水性和保水性，反应生成的铝离子可增强产物与煤尘之间的粘附性，而加入的润湿剂和无机盐，不仅减小了水的表面张力，还可以增加产物的润湿性和成壳硬度。制备的产物可有效地渗透到煤颗粒之间，与煤粉进行良好的粘合，形成致密的固化层，大大提高了防灭火效率，既避免了扬尘，又隔绝了氧气，且由于产物空间结构的复杂性，产物具有一定的重复使用效果。另外，产物具备羧甲基纤维素的生物降解性，具有很好的环保效果，避免了二次污染。

本发明以天然高分子有机材料为基体，以柠檬酸和聚合氯化铝混合反应制备出交联剂柠檬酸铝；制备的防灭火凝胶，延长了煤的存放时间，提高了煤矿的安全生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的防灭火凝胶的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的防灭火凝胶的制备方法的实现流程图。

图3是本发明实施例提供的防灭火凝胶的制备机理图。

图4是本发明实施例提供的凝胶的保水性能示意图。

图5是本发明实施例提供的凝胶的力学性能示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种防灭火凝胶制备方法及煤矿防灭火方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供的防灭火凝胶按质量百分比由1％-2％的羧甲基纤维素、4％-5％的交联剂、4％-5％的碳酸氢钠、4％-5％的水玻璃稀释溶液，0.1％-0.3％的pH调节剂和水组成，余量为水，补足至100％。

所述交联剂为柠檬酸铝，引发剂为葡萄糖酸内酯；pH调节剂为碳酸氢钠或氢氧化钠中的一种或其混合物。

如图1所示，本发明提供的防灭火凝胶的制备方法包括以下步骤：

S101：将羧甲基纤维素溶于蒸馏水中，加热并充分搅拌，然后向溶液中加入柠檬酸铝并通入氮气进行保护，反应得到第一溶液；

S102，将温度升高到60℃，向第一溶液中继续加入葡萄糖酸内脂，持续搅拌并反应1h，得到第二溶液；

S103：将碳酸氢钠加入到第二溶液中搅拌均匀，加入pH剂，调节至4-5左右得到第三溶液；

S104：将水玻璃溶于蒸馏水中，待充分混合后，将其滴加到第三溶液中，反应1h，得到最终产物。

本发明，在45℃下，反应1h，得到第一溶液。设置反应温度为40℃，在 600rmp下搅拌3h挥发。加入pH剂，设定溶液的pH为4-5左右，其中pH为4 最佳。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1

本发明提供的防灭火凝胶的制备方法包括称取3g羧甲基纤维素在85℃的条件下溶于200ml水里，氮气保护下，充分均匀搅拌糊化20min后，待糊化完全后将温度调至65℃，向溶液中加入0.1g葡糖糖酸内脂，恒温搅拌30min，然后向烧杯中缓慢加入3g柠檬酸铝，恒温搅拌30min，然后加入碳酸氢钠，继续加热搅拌1h，得到最终产物,然后，加入适量NaOH，调节pH值至4，得到耐高温高吸水性防灭火凝胶G1，测试相关性能。

实施例2

本发明提供的防灭火凝胶的制备方法包括称取2.5g羧甲基纤维素在85℃的条件下溶于200ml水里，氮气保护下，充分均匀搅拌糊化20min后，待糊化完全后将温度调至65℃，向溶液中加入0.1g葡糖糖酸内脂，恒温搅拌30min，然后向烧杯中缓慢加入3g柠檬酸铝，恒温搅拌30min，然后加入碳酸氢钠，继续加热搅拌1h，得到最终产物,然后，加入适量NaOH，调节pH值至4，得到耐高温高吸水性防灭火凝胶G2，测试相关性能。

实施例3

本发明提供的防灭火凝胶的制备方法包括称取2g羧甲基纤维素在85℃的条件下溶于200ml水里，氮气保护下，充分均匀搅拌糊化20min后，待糊化完全后将温度调至65℃，向溶液中加入0.1g葡糖糖酸内脂，恒温搅拌30min，然后向烧杯中缓慢加入3g柠檬酸铝，恒温搅拌30min，然后加入碳酸氢钠，继续加热搅拌1h，得到最终产物,然后，加入适量NaOH，调节pH值至4，得到耐高温高吸水性防灭火凝胶G3，测试相关性能。

下面结合实施例1-实施例3所制耐高温高吸水性防灭火凝胶G1、G2、G3 进行性能评价。

1.表面张力与润湿性

使用JK99c型全自动表面张力仪和DSA100接触角分析仪对水和防火凝胶的表面张力和润湿性进行评价。表1为水和耐高温高吸水性防灭火凝胶的表面张力评价表，可以看出，水的表面张力很高，且接触角为78.6°；耐高温高吸水性防灭火凝胶的表面张力在20mN/m以下，接触角小于30°，说明耐高温高吸水性防灭火凝胶具有良好的润湿性，可以很好地渗透到煤颗粒之间，抑制氧气进入煤粉，防止煤炭自燃。

表1本发明表面张力评价表

2.在一定温度下不同浓度基体的凝胶保水率

在高温条件下，防灭火凝胶要在室外堆放，需经历自然环境的高温炙烤、低温冷冻、风吹雨淋等各种情况。只有高温和低温环境下的性能保持不变，防火凝胶才能在各种情况下使用。探究不同浓度的基体在一定温度下保水率的情况。本实验使用干燥箱模拟装置来对不同浓度的基体在一定温度下保水率进行评价。

3.凝胶的力学性能

使用电子万能试验机测试防治煤自燃凝胶的力学性能，与另外不同的两种凝胶对比，发现在20Mpa的力作用下，SA-Al

4.环保性

材料的研发要向着环保的方向发展，如果研发的防灭火凝胶的降解能为不强很可能对环境造成二次污染。因此，在自然条件下，对防灭火凝胶的降解能力进行了分析。下表为防灭火凝胶的环保性评价表，可以得出，在自然条件下，经过60天的降解处理后，防灭火凝胶的质量减少了将近一倍，降解率达到50％左右，说明该防灭火凝胶具有很好的可降解性，对周围环境友好，具有较好的生态环保性

表2本发明防灭火凝胶的环保性评价

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。