一种胶体防火材料的制备方法及煤矿防火材料

摘要

本发明提供了一种防火材料的制备方法及其在煤矿防火材料中的应用，该防火材料以秸秆为主要原料，通过自由基聚合法将秸秆与2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)接枝共聚制备耐盐水系灭火剂。该耐盐灭火剂可以与粘土、粉煤灰、水混合，制备复合胶体，用于煤矿井下防灭火。本发明制备的煤矿防灭火材料成本低、耐高温、抗盐性好、再吸水能力强，灭火性好，具有较好的重复使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及防火材料技术领域，尤其涉及一种胶体防火材料的制备方法及其在煤矿防火材料中的应用。

背景技术

煤炭自燃是威胁煤矿安全生产的重大隐患之一。为防治煤炭自燃，国内外广泛采用灌浆、注胶体、喷洒阻化剂等措施。胶体由于其较好的吸水性、保水性、耐高温等特点，已被广泛应用于矿井防灭火。目前，使用的胶体主要有水玻璃凝胶、高分子凝胶等。其中，水玻璃凝胶在空气中易失水、收缩，然后干裂，并逐渐粉化，受压破碎后这种现象尤其严重，其预防煤炭自燃的功效随之消失。高分子凝胶主要由亲水单体(丙烯酸或丙烯酰胺)接枝共聚而成，这类材料生产成本高，难降解，对环境危害大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种胶体防火材料，为由磺酸基纤维素和中和的丙烯酸经交联剂交联聚合而成的聚合物；

所述磺酸基纤维素由碱性纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体聚合得到；

所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或几种。

所述磺酸基纤维素和中和后丙烯酸的质量比0.1～10：1，所述交联剂的质量为中和后丙烯酸的质量的0.2％～2％。

本发明还提供了一种胶体防火材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以秸秆粉末为原料提取得到纤维素。

(2)将所述步骤(1)得到纤维素经碱性溶液进行碱化处理，得碱性纤维素；

(3)将所述步骤(2)中得到的碱性纤维素与水和引发剂混合后进行活化，将所述活化后的纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体在惰性气体保护下进行聚合反应，得磺酸基纤维素；

(4)将所述步骤(3)中得到的磺酸基纤维素与水在氮气保护的环境中进行糊化反应；将得到的糊化产物与引发剂和中和后的丙烯酸混合后，在交联剂的作用下进行聚合反应，得磺酸基纤维素-丙烯酸高分子防灭火材料。

所述的秸秆包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高梁秸秆和棉花秸秆中的一种或几种。

所述步骤(2)中碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，所述碱性溶液的浓度为15～45wt％；所述碱化处理的温度为45～65℃，所述碱化处理的时间为2～4h。

所述步骤(3)中活化反应的温度为30～60℃，所述活化反应的时间为10～40min。

所述步骤(3)中碱性纤维素、水与引发剂的质量比为0.6～2:100:0.01～0.18。

所述步骤(3)中聚合反应的温度为30～50℃，聚合反应的时间为3～5h。

所述步骤(3)中活化后的纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体的质量比为0.5～3：1。

所述步骤(4)中糊化反应的温度为70～80℃，糊化反应的时间为10～30min。

所述步骤(4)中引发剂为过硫酸盐。

所述步骤(4)中聚合反应的温度为40～60℃，聚合反应的时间为20～30min。

所述步骤(4)中聚合反应时，所述糊化产物与中和的丙烯酸、引发剂的质量比为0.5～3:1～10:0.01～0.05。

所述步骤(4)中交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或几种；所述交联反应的温度为40～60℃。

所述步骤(4)中交联剂的质量为丙烯酸质量的0.2％～2％。。

本发明还提供了一种煤矿防火材料，包含以下质量份数的组分:

本发明所述磺酸基纤维素-丙烯酸高分子防灭火材料1～5份；

黄土1～200份；

粉煤灰1～150份；

水150～1500份。

技术效果：本发明以秸秆为原料，引入了耐盐性很好的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体(AMPS)，吸水效果好的丙烯酸(AA)，通过自由基聚合将秸秆纤维素与AMPS、AA接枝共聚制备耐盐性高分子防火材料。本发明提供的胶体防火材料吸水性能强，耐高温(在0-200℃比较稳定)、抗盐性、重复吸水性好，灭火能力强。

本发明将所述高分子防火材料与黄土、粉煤灰固体材料混合、用水搅拌，制成煤矿防灭火材料。

本发明利用作物秸秆制备防灭火材料，从源头上杜绝了秸秆焚烧产生的环境污染,对实现秸秆的综合利用具有巨大的社会效益、环境效益和经济效益。

本发明提供的高分子防火材料克服了传统高分子凝胶成本高、难降解、对环境危害大等缺陷。

附图说明：

图1为秸秆-AMPS-AA接枝共聚的反应机理图；

图2为实施例2中未处理秸秆、NaOH和H₂O₂处理后的秸秆、高分子防火材料的红外光图谱；

图3为实施例2中高分子防火材料在不同盐溶液中的吸水率变化规律；

图4为实施例3中未处理秸秆、经NaOH和H₂O₂处理后的秸秆以及高分子防火材料的XRD曲线；

图5为实施例3中高分子防火材料在冷冻干燥后的微观结构；

图6为实施例3中高分子防火材料的溶胀动力学曲线；

图7为实施例3中高分子防火材料的热稳定性曲线；

图8为实施例3中高分子防火材料饱和吸水后的保水率变化；

图9为实施例3中高分子防火材料的储能模量G’的变化规律；

图10为反应条件对高分子防火材料粉末吸水倍率的影响。

具体实施方式

本发明提供了一种高分子防火材料，为由磺酸基纤维素和中和的丙烯酸经交联剂聚合而成的聚合物；

在本发明中所述磺酸基纤维素由碱性纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体聚合而成；

在本发明中所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或几种。

在本发明中，所述磺酸基纤维素和中和的丙烯酸的质量比优选为0.1～10：1，更优选为2～8：1；所述聚合反应的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃；聚合反应的时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h；

在本发明中，所述交联剂优选为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇双丙烯酸酯。所述交联剂与中和的丙烯酸的质量比优选为1:50～500，更优选为1:50～150。所述交联聚合反应的温度优选为40～60℃，更优选为45～55℃。

本发明还提供了上述技术方案所述胶体防火材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以秸秆粉末为原料提取得到纤维素。

(2)将所述步骤(1)得到纤维素经碱性溶液进行碱化处理；

(3)将所述步骤(2)中得到的碱性纤维素与水和引发剂混合后进行活化，将所述活化后的纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体在惰性气体环境中进行聚合反应，得磺酸基纤维素；

(4)将所述步骤(3)中得到的磺酸基纤维素在氮气保护的环境中进行糊化反应；将得到的糊化产物与引发剂和中和后的丙烯酸混合，在交联剂的作用下进行聚合反应，得磺酸基纤维素-丙烯酸高分子防灭火材料。

本发明以秸秆粉末为原料提取得到纤维素，在本发明中优选将秸秆粉末先进行碱化，再进行氧化漂白得到纤维素。

在本发明中优选将秸秆粉末与碱性溶液混合后进行碱化

在本发明中所述的秸秆优选为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、高梁秸秆和棉花秸秆中的一种或几种，更优选为玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆中的一种或几种；

所述碱性溶液优选为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，更优选为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述碱性溶液的浓度优选为10～30wt％，更优选为20～30wt％；所述碱性溶液与秸秆粉末的质量比优选为9～12：1，更优选为10：1；所述碱化温度优选为45～65℃，更优选为50～60℃；所述碱化的时间优选为2～4h，更优选为2.5～3.5h。

本发明将碱化后的产物与过氧化氢混合进行氧化漂白，得到纤维素。

在本发明中所述过氧化氢与秸秆粉末的质量比优选为3～5：1，更优选为4：1；所述漂白氧化的温度优选为45～55℃，更优选为50～55℃。所述漂白氧化的时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h。

得到纤维素后，本发明将得到纤维素经碱性溶液处理，得碱性纤维素；

在本发明中所述碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水溶液，所述碱性溶液的浓度优选为15～30wt％，更优选为20～30wt％；所述碱化处理的温度优选为20～40℃，更优选为35℃；所述碱化处理的时间优选为2～4h，更优选为3～4h。

得到碱性纤维素后，本发明将得到的碱性纤维素与水和引发剂混合后进行活化反应。

在本发明中所述活化反应的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃；所述活化反应的时间为10～30min，更优选为15～20min；所述碱性纤维素、水与引发剂的质量比为0.6～2:100:0.01～0.18，更优选为1～1.5：100：0.1～0.15。所述引发剂优选为过硫酸盐，更优选为过硫酸钾、过硫酸铵和过硫酸钠中的一种或几种。

活化反应后，本发明将所述活化后的纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体在惰性气体环境中进行聚合反应，得磺酸基纤维素。

在本发明中所述聚合反应的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃；聚合反应的时间优选为3～5h，更优选为3.5～4.5h；所述活化后的纤维素与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体的质量比优选为1～3：1～2，更优选为1～2:1。惰性气体的优选为氮气。

得到磺酸基纤维素后，本发明将所述磺酸基纤维素与水在氮气保护的环境中进行糊化反应得糊化产物。

在本发明中所述糊化反应的温度优选为70～80℃，更优选为75℃；所述糊化反应的时间优选为10～30min，更优选为15～25℃。所述磺酸基纤维素与水的质量比优选为1～3:50～500，更优选为1:50～100。

得到糊化产物后，本发明将得到的糊化产物与引发剂和中和后的丙烯酸在交联剂的作用下进行聚合反应，得高分子胶体材料。

在本发明中所述引发剂优选为过硫酸盐，更优选为过硫酸钾、过硫酸铵；丙烯酸用20％的氢氧化钠中和；聚合反应的温度优选为40～60℃，更优选为50～60℃；聚合反应的时间优选为20～30min，更优选为25min；所述中和后丙烯酸的中和度优选为30～80％，更优选为50～70％；所述糊化产物与引发剂、中和的丙烯酸的质量比优选为1～3:0.0001～0.003：1～9，更优选为1～2:0.001～0.002：4～6。

得到聚合产物，本发明所述聚合产物与交联剂进行交联聚合反应，得胶状防火材料。

在本发明中，所述交联剂优选为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇双丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯中的一种或几种；更优选为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或乙二醇双丙烯酸酯；所述交联聚合反应的温度优选为40～60℃，更优选为45～55℃；所述交联剂与中和后丙烯酸的质量比优选为0.4～2.4％，更优选为0.8～1.2％。

本发明还提供了一种煤矿防火材料，包含以下质量份数的组分:

本发明磺酸基纤维素-丙烯酸高分子防灭火材料1～5份；

黄土1～200份；

粉煤灰1～150份；

水150～1500份。

在本发明中所述胶体防火材料的质量份数优选为2～4份；所述胶体防火材料优选为将胶体防火材料切成碎块，在80～110℃下干燥24h后粉碎后得到粉的末状材料

本发明提供的煤矿防火材料优选包括50～150份黄土，更优选为80～120份，最优选为90～110份；

本发明提供的煤矿防火材料优选包括50～200份的粉煤灰，更优选为80～120份，最优选为90～100份；

粉煤灰的包含以下质量百分含量的组分：SiO₂>2O₃>2O₃>3>

所述水的质量份数优选为500～1000，更优选为600～900。

下面结合实施例对本发明提供的一种胶体防火材料的制备方法及煤矿防火材料进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将干燥的玉米秸秆粉碎后，过80目筛子分选；在55℃水浴条件下用质量份数为15％的NaOH溶液搅拌碱化玉米秸秆粉末2.5h，加入H₂O₂氧化漂白，烘干粉碎即得到纤维素。将纤维素浸入17.5％的氢氧化钠水溶液中，搅拌1h，浸泡3h，取出纤维素后用去离子水将其洗涤至中性，抽滤，烘至恒重，制得碱性纤维素。在250mL三口烧瓶中加入1.6g碱性纤维素和100mL去离子水，通氮气保护，在40℃下搅拌10min，加入适量过硫酸钾，反应20min后加入AMPS单体4.8g，反应4h后从三口烧瓶中取出产物，经冷却、水洗、乙醇洗，烘至恒重，即得磺酸基纤维素。称取上述制备的磺酸基纤维素1g，在80℃下氮气保护溶于10mL水，糊化10min。降温至40℃，加入过硫酸钾0.09g，然后加入6g中和度70％的丙烯酸(AA)，反应20min后，添加0.048gN-N亚甲基双丙烯酰胺，继续反应至胶状材料生成。将制备的胶状材料切碎，放在烘干箱中在80℃下干燥24小时，然后粉碎、过筛，得到粉末状材料。该粉末材料的吸水率为300g/g，在0.1％NaCl溶液的吸水率为72g/g，可重复利用4次，在80℃下干燥40min的保水率55％。

称取上述的粉末状材料，按粉末状材料：黄土：水＝1：15：400混合，制备煤矿防灭火胶体材料，通过管道输送到采空区或煤矿井下发火地点，用于井下防灭火。

实施例2：

将干燥的玉米秸秆粉碎后，过80目筛子分选；在55℃水浴条件下用质量份数为20％的NaOH溶液搅拌碱化玉米秸秆粉末2h，加入H₂O₂氧化漂白，烘干粉碎即得到纤维素。将纤维素浸入20％的氢氧化钠水溶液中，搅拌、浸泡3h，取出纤维素后用去离子水将其洗涤至中性，抽滤，烘至恒重，制得碱性纤维素。在250mL三口烧瓶中加入1.6g碱性纤维素和100mL去离子水，通氮气保护，在40℃下搅拌15min，加入适量过硫酸钾，反应20min后加入AMPS单体4.8g，反应4h后从三口烧瓶中取出产物，经冷却、水洗、乙醇洗，烘至恒重，即得磺酸基纤维素。称取上述制备的磺酸基纤维素1g，在75℃下氮气保护溶于10mL水，糊化15min。降温至40℃，加入过硫酸钾0.09g，然后加入4g中和度70％的丙烯酸(AA)，反应20min后，添加0.048gN-N亚甲基双丙烯酰胺，继续反应至胶体防火材料生成。将制备的高分子防火材料切碎，放在烘干箱中在80℃下干燥24小时，然后粉碎、过筛，得到粉末状材料。该粉末材料的吸水率为210g/g，在0.1％NaCl溶液的吸水率为70g/g，可重复利用5次，在80℃下干燥40min的保水率75％。

称取上述的粉末状材料，按粉末状材料：粉煤灰：水＝1：15：250混合，制备煤矿防灭火胶体材料，通过管道输送到采空区或煤矿井下发火地点，用于井下防灭火。

性能测试：

1)将实施例2中得到的胶状材料和未处理的秸秆进行红外光谱分析，分析结果如图2所示，图中表明胶状材料中玉米秸秆与丙烯酸发生了接枝共聚。

2)对实施例2中得到的秸秆的胶体粉末状材料在不同盐溶液中的吸水率变化规律进行测试，测试结果如图3所示。由图可知该防灭火材料的耐盐性较好。

实施例3：

经NaOH和H₂O₂处理后的秸秆与丙烯酸(AA)的配比、过硫酸钾(KPS)与丙烯酸(AA)的配比、交联剂与丙烯酸的配比、丙烯酸的中和度、以及聚合体系的反应温度如表1所示，其余条件与实施例2相同。

表1高分子防火材料配比和化学反应条件

性能测试：

1)对未处理秸秆、实施例3中经NaOH和H₂O₂处理后的秸秆以及实施例3中基于秸秆的高分子防火材料的X射线衍射实验，所得XRD曲线如图4所示。由图可知经NaOH和H₂O₂处理后纤维素的结晶度降低，合成的基于秸秆的高分子防火材料为非晶体结构。

2)将实施例3中得到的高分子材料冷冻干燥(真空冷冻干燥机常压-40℃初冻48小时，-70℃冻干48小时，气压10Pa)，高分子材料样品表面镀金，通过Quanta250扫描电镜(FEI Company,USA)观察高分子材料的结构。其结构如图5所示。从图中可以看出，经NaOH和H₂O₂处理后的玉米秸秆粉的纤维结构变得松散，纤维素的比表面积增加，部分纤维延展表面有微孔，纤维的结晶度有所降低，这些都有利于增加纤维素对试剂的湿润度，改善其反应性能。

3)对实施例3中编号为SH-0，SH-7，SH-5的高分子防灭火材料进行溶胀力学测定，测定结果如图6所示。由图可知，随着秸秆含量的增加(增加至总质量的15％左右)，接枝点数目相应增多，有利于接枝反应的进行，并形成比较完善的三维网络结构，有利于吸水快速进行。

4)对实施例3中得到的编号为SH-2和SH-7的高分子灭火材料进行热重分析，得如图7所示的热稳定性分析曲线。图中看出高分子防火材料的热稳定性较好。

5)对实施例3中编号分别为SH-0、SH-10、SH-2、SH-7的高分子防火材料饱和吸水后的保水率变化进行测试。测试结果如图8所示，随着经NaOH和H₂O₂处理后的玉米秸秆含量的增加，高分子灭火材料的保水率逐渐增加，当玉米秸秆质量占丙烯酸质量的25％左右时，高分子防火材料的保水率最好。

6)对实施例3中编号分别为SH-0、SH-7、SH-9、SH-10、SH-11进行吸水后流变性能测试，测定样品的储能模量G’的变化规律如图9所示。从图中可以看出，随着角频率的增加，高分子灭火材料的储能模量逐渐增加，且在角频率相同的情况下，高分子防火材料的储能模量随丙烯酸用量的增加先增加后降低，丙烯酸用量8g左右最佳。

7)对实施例3中编号分别为SH-0、SH-1、SH-2、SH-3、SH-4…….SH-26进行吸水率测试，如图10所示。由图可以看出，高分子防灭火材料的吸水倍率随着反应体系中交联剂、引发剂、反应温度、丙烯酸中和度和用量的增加先增加后降低；高分子防灭火材料的吸水倍率随着溶液pH值的增加先增加后降低。

实施例4

将干燥的玉米秸秆粉碎后，过80目筛子分选；在55℃水浴条件下用质量份数为15％的NaOH溶液搅拌碱化玉米秸秆粉末2h，加入H₂O₂氧化漂白，烘干粉碎即得到纤维素。将纤维素浸入18％的氢氧化钠水溶液中，搅拌、浸泡2.5h，取出纤维素后用去离子水将其洗涤至中性，抽滤，烘至恒重，制得碱性纤维素。在250mL三口烧瓶中加入1.6g碱性纤维素和100mL去离子水，通氮气保护，在40℃下搅拌15min，加入适量过硫酸钾，反应25min后加入AMPS单体4.8g，反应4h后从三口烧瓶中取出产物，经冷却、水洗、乙醇洗，烘至恒重，即得磺酸基纤维素。称取上述制备的磺酸基纤维素1g，在80℃下氮气保护溶于10mL水，糊化20min。降温至40℃，加入过硫酸钾0.09g，然后加入7g中和度70％的丙烯酸(AA)，反应20min后，添加0.048gN-N亚甲基双丙烯酰胺，继续反应至胶体防火材料生成。将制备的胶体防火材料切碎，放在烘干箱中在80℃下干燥24小时，然后粉碎、过筛，得到粉末状材料。该粉末材料的吸水率为390g/g，在0.1％NaCl溶液的吸水率为65g/g，可重复利用4次，在80℃下干燥40min的保水率50％。

称取上述的粉末状材料，按粉末状材料：黄土：水＝1：12：400混合，制备煤矿防灭火胶体材料，通过管道输送到采空区或煤矿井下发火地点，用于井下防灭火。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。