[發(fā)明專利]一種抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113150483B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高玉坤;李金洋;黃志安;田葉;張英華;尹義超;姬玉成
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C08L33/26
• 分類號: C08L33/26;C08L71/02;C08K9/06;C08K3/36;C08K3/32;C08K5/3492;E21F5/08;B01J13/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 朱艷華

本發(fā)明提供一種抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠及其制備方法，屬于納米凝膠技術(shù)。該納米凝膠包括膨脹型阻燃劑、納米阻燃劑、凝膠阻化劑。膨脹型阻燃劑包括聚磷酸銨、聚乙二醇、三聚氰胺；納米阻燃劑為硅烷偶聯(lián)劑法改性后的納米二氧化硅；凝膠阻化劑為丙烯酰胺通過單體交聯(lián)聚合法制備的高分子水凝膠。三種阻化材料采用原位聚合法復(fù)合成為膨脹型納米阻化凝膠。該凝膠熱穩(wěn)定性好，高溫階段的阻化效果顯著，阻化壽命長，兼具凝膠材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、擴散范圍大、保水性能好的特點，是一種高效、綠色無鹵、低成本、穩(wěn)定的環(huán)保阻化劑，且相比于傳統(tǒng)的阻化劑，更能適應(yīng)復(fù)雜的井下環(huán)境，為防治煤自燃領(lǐng)域的研究提供了新的思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米凝膠技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠，即膨脹型阻燃劑/改性納米二氧化硅/聚丙烯酰胺復(fù)合凝膠。

背景技術(shù)

如今煤礦常用的阻化劑主要有物理阻化劑、化學(xué)阻化劑和復(fù)合阻化劑。但是物理阻化劑中，鹵鹽阻化劑會對環(huán)境造成一定的污染，熱穩(wěn)定性也不高，在阻化后期容易失活；硅凝膠阻化劑成膠過程中釋放出大量氨氣，對人體造成一定的危害，其他凝膠阻化劑或者粘度、阻化效果不理想，成本相對較高、制備工藝復(fù)雜、程序繁瑣等；高聚物阻化劑參與氧化反應(yīng)，并且易熱解，失去阻化作用，同時熱解可能會釋放出可燃?xì)怏w，加劇礦井發(fā)生火災(zāi)的危險性；泡沫阻化劑中泡沫容易要破碎，液膜難以持久存在于煤的表面，穩(wěn)定性不好。化學(xué)阻化劑中常用為氫氧化鈣阻化劑，成本低，阻化率高，但由于其溶解度小而容易堵塞，影響了阻化效果；另外，氫氧化鈣具有強腐蝕性，對設(shè)備材料要求高。

物理阻化劑和化學(xué)阻化劑復(fù)配形成復(fù)合阻化劑能夠?qū)γ貉鯊?fù)合的三個階段進行綜合阻化，從而作用于自燃的全部過程，并達到更好的阻化效果。膨脹型納米阻化凝膠作為新型復(fù)合阻化劑，由聚丙烯酰胺凝膠、改性納米二氧化硅和膨脹型阻燃劑(聚磷酸銨、聚乙二醇和三聚氰胺按比例制成)組成。在膨脹型阻燃劑中加入適量的改性納米材料，可有效地提高聚合物的阻燃性能，降低聚合物燃燒的放熱量和放熱速率以及燃燒時的質(zhì)量損失，提高聚合物的穩(wěn)定性和燃燒后的剩炭量。納米二氧化硅表面存在大量的活性硅羥基使納米二氧化硅呈現(xiàn)親水疏油的特性，分子之間容易產(chǎn)生團聚。將這種粒子直接添加到聚合物中，不僅不能夠起到提高材料性能的效果，還可能使材料的性能下降。因此在應(yīng)用納米二氧化硅之前需要對其表面進行改性。

因此，提高阻化技術(shù)抑制煤自燃的效果，改善膨脹型納米阻化凝膠材料的性能，對于煤礦井下抑制煤炭自燃，減少經(jīng)濟損失有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是制備出一種抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠，即膨脹型阻燃劑/改性納米二氧化硅/聚丙烯酰胺復(fù)合凝膠。采用原位聚合法復(fù)合成膨脹型納米阻化凝膠，通過將納米材料與膨脹型阻燃劑相結(jié)合，對該材料各組分配比的優(yōu)化，獲得最佳的阻化效果，不僅抑煤自燃的效果較好，且各組分選材的成本較低，可改善傳統(tǒng)抗氧化阻化劑和膨脹型材料的不足，獲得更好的應(yīng)用效果。

本發(fā)明抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠包括聚丙烯酰胺凝膠、改性納米二氧化硅和膨脹型阻燃劑，其中改性納米二氧化硅用量的取值范圍按質(zhì)量百分比為改性納米二氧化硅/單體丙烯酰胺＝2％-4％，蒸餾水余量。

所述膨脹型阻燃劑包括聚磷酸銨、聚乙二醇、三聚氰胺，其質(zhì)量比為21:5:4。

上述抑制煤自燃的膨脹型納米阻化凝膠的制備方法，分三步進行，1)納米二氧化硅改性；2)改性納米二氧化硅/聚丙烯酰胺復(fù)合凝膠制備，由改性納米二氧化硅、單體丙烯酰胺和引發(fā)劑制成；3)改性納米二氧化硅/聚丙烯酰胺/膨脹型復(fù)合凝膠制備，配置膨脹型阻燃劑，得到膨脹型納米阻化凝膠粉末。

步驟2)中改性納米二氧化硅、單體丙烯酰胺和引發(fā)劑進行聚合反應(yīng)，改性納米二氧化硅用量的取值范圍按質(zhì)量百分比為改性納米二氧化硅/單體丙烯酰胺＝2％-4％。

步驟2)中所述聚合反應(yīng)溫度的取值范圍為65-75℃。

步驟2)中所述引發(fā)劑為過硫酸鉀，用量的取值范圍為過硫酸鉀/丙烯酰胺＝0.4％-1.0％。