[发明专利]一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶及其制备方法，本发明所用的原料价格低廉，可获取方便；制备方法简单，可用于矿井下大面积防灭火工程与煤层露头的煤自燃防治；所使用的成胶体系胶凝效果良好，成胶时间可控，泡沫间形成的凝胶壁，极大地提高了泡沫的稳定性和保水性，形成的泡沫持久保水，泡沫半衰期可达12h以上；能够有效解决传统无机硅凝胶流动性差、渗透性低、可堆积性差，以及水基泡沫在灭火过程中存在的降温效果差等问题。可以覆盖在煤体裂隙，达到很好的堵漏、降温、隔氧效果。阻化效果好，可显著降低CO的释放量。当覆盖于着火区时，泡沫凝胶中的磷硅协同作用能显著降低火源温度，快速灭火，不会复燃。

技术领域

本发明涉及煤矿井防灭火与煤层自燃防治技术领域，具体涉及一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶及其制备方法。

背景技术

煤层自燃严重威胁着煤矿的安全生产，会造成人员伤亡，财产损失，环境污染等问题。为防治煤炭自燃，国内外广泛采用采空区灌浆、喷洒阻化剂、注惰性气体、注泡沫及注凝胶等防灭火技术。这些技术在防治煤炭自燃过程中发挥着重要作用，但仍然存在一些尚未解决的问题。例如，灌浆防灭火技术注入的浆液积聚于地势较低部位，浆液不能均匀地覆盖浮煤，对中、高及顶板煤体起不到防治作用；物理阻化剂价格便宜，但是阻化时间短，化学阻化剂价格比较昂贵；惰性气体防灭火技术注入的惰性气(CO₂、N₂等)易随漏风扩散，不易滞留在注入的区域内；普通水基泡沫稳定性差，难以实现固化，不能长期封闭火区；注凝胶灭火存在很大的局限性，凝胶在采空区中的流动性较差，渗透范围小，不适合扑灭大范围的火灾，凝胶的使用成本较高；水玻璃泡沫凝胶虽然能在一定程度上解决上述问题，但仍存在泡沫稳定性较差，堵漏效果和灭火效果不理想的缺陷。因此，迫切需要研发一种新型的防灭火材料来解决当前煤矿防灭火技术的不足之处。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是提供一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶；本发明的另一目的是提供一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶的制备方法。所采用的成胶体系为硅胶前驱体和胶凝剂，并引入水溶性含磷添加剂，通过发泡剂制成泡沫凝胶，成本低，具有良好的经济效益。所得到的泡沫凝胶在成胶前将保持水基泡沫流动性强、堆积性好的优点，成胶后又保持水凝胶降温效果突出、堵漏风效果好的优点。在危险火区，泡沫凝胶中的磷硅元素发挥协同效应，阻化和灭火效果良好，可显著降低火源温度和CO的产生量，灭火稳定，不会出现复燃现象。

本发明采用以下的技术方案：

一种磷硅协同防灭火泡沫凝胶，按重量份由下述组分组成：

所述含磷添加剂为磷酸三乙酯、磷酸铵、磷酸二氢铵中的一种或多种。

上述技术方案中，将磷硅元素同时引入泡沫凝胶，在灭火过程中，含磷基团在高温下会分解形成聚偏磷酸(HPO₃)_n，这种酸可以催化促进具有高热稳定性的保护膜的形成，该保护膜将煤与氧气隔绝，阻止可燃气体的扩散与煤的进一步燃烧分解。而含硅基团受热分解会生成热稳定的二氧化硅，它倾向于迁移到保护膜表面，从而提高保护膜的热稳定性并防止其在高温下分解。增强后的保护膜富含-P(＝O)-O-Si-结构，该保护膜可以抑制可燃物扩散到火焰中并将煤与热、空气隔绝，从而产生磷-硅协同灭火阻燃效果。

进一步地，所述胶凝剂为盐酸、硫酸、醋酸、柠檬酸中的一种或多种。

上述技术方案中，采用酸性胶凝剂，可以促进硅胶前驱体的水解缩合，从而在泡沫壁中形成稳定的Si-O-Si立体网络结构。

进一步地，所述硅胶前驱体为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸钠、硅酸钾中一种或多种。

进一步地，所述硅胶前驱体为正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯。

上述硅胶前驱体水解后形成正硅酸，酸性环境中可以缩合形成稳定的Si-O-Si立体网络结构。