[发明专利]一种抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供一种抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶及其制备方法，属于纳米凝胶技术。该纳米凝胶包括膨胀型阻燃剂、纳米阻燃剂、凝胶阻化剂。膨胀型阻燃剂包括聚磷酸铵、聚乙二醇、三聚氰胺；纳米阻燃剂为硅烷偶联剂法改性后的纳米二氧化硅；凝胶阻化剂为丙烯酰胺通过单体交联聚合法制备的高分子水凝胶。三种阻化材料采用原位聚合法复合成为膨胀型纳米阻化凝胶。该凝胶热稳定性好，高温阶段的阻化效果显著，阻化寿命长，兼具凝胶材料结构稳定、扩散范围大、保水性能好的特点，是一种高效、绿色无卤、低成本、稳定的环保阻化剂，且相比于传统的阻化剂，更能适应复杂的井下环境，为防治煤自燃领域的研究提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及纳米凝胶技术领域，特别是指一种抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶，即膨胀型阻燃剂/改性纳米二氧化硅/聚丙烯酰胺复合凝胶。

背景技术

如今煤矿常用的阻化剂主要有物理阻化剂、化学阻化剂和复合阻化剂。但是物理阻化剂中，卤盐阻化剂会对环境造成一定的污染，热稳定性也不高，在阻化后期容易失活；硅凝胶阻化剂成胶过程中释放出大量氨气，对人体造成一定的危害，其他凝胶阻化剂或者粘度、阻化效果不理想，成本相对较高、制备工艺复杂、程序繁琐等；高聚物阻化剂参与氧化反应，并且易热解，失去阻化作用，同时热解可能会释放出可燃气体，加剧矿井发生火灾的危险性；泡沫阻化剂中泡沫容易要破碎，液膜难以持久存在于煤的表面，稳定性不好。化学阻化剂中常用为氢氧化钙阻化剂，成本低，阻化率高，但由于其溶解度小而容易堵塞，影响了阻化效果；另外，氢氧化钙具有强腐蚀性，对设备材料要求高。

物理阻化剂和化学阻化剂复配形成复合阻化剂能够对煤氧复合的三个阶段进行综合阻化，从而作用于自燃的全部过程，并达到更好的阻化效果。膨胀型纳米阻化凝胶作为新型复合阻化剂，由聚丙烯酰胺凝胶、改性纳米二氧化硅和膨胀型阻燃剂(聚磷酸铵、聚乙二醇和三聚氰胺按比例制成)组成。在膨胀型阻燃剂中加入适量的改性纳米材料，可有效地提高聚合物的阻燃性能，降低聚合物燃烧的放热量和放热速率以及燃烧时的质量损失，提高聚合物的稳定性和燃烧后的剩炭量。纳米二氧化硅表面存在大量的活性硅羟基使纳米二氧化硅呈现亲水疏油的特性，分子之间容易产生团聚。将这种粒子直接添加到聚合物中，不仅不能够起到提高材料性能的效果，还可能使材料的性能下降。因此在应用纳米二氧化硅之前需要对其表面进行改性。

因此，提高阻化技术抑制煤自燃的效果，改善膨胀型纳米阻化凝胶材料的性能，对于煤矿井下抑制煤炭自燃，减少经济损失有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是制备出一种抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶，即膨胀型阻燃剂/改性纳米二氧化硅/聚丙烯酰胺复合凝胶。采用原位聚合法复合成膨胀型纳米阻化凝胶，通过将纳米材料与膨胀型阻燃剂相结合，对该材料各组分配比的优化，获得最佳的阻化效果，不仅抑煤自燃的效果较好，且各组分选材的成本较低，可改善传统抗氧化阻化剂和膨胀型材料的不足，获得更好的应用效果。

本发明抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶包括聚丙烯酰胺凝胶、改性纳米二氧化硅和膨胀型阻燃剂，其中改性纳米二氧化硅用量的取值范围按质量百分比为改性纳米二氧化硅/单体丙烯酰胺＝2％-4％，蒸馏水余量。

所述膨胀型阻燃剂包括聚磷酸铵、聚乙二醇、三聚氰胺，其质量比为21:5:4。

上述抑制煤自燃的膨胀型纳米阻化凝胶的制备方法，分三步进行，1)纳米二氧化硅改性；2)改性纳米二氧化硅/聚丙烯酰胺复合凝胶制备，由改性纳米二氧化硅、单体丙烯酰胺和引发剂制成；3)改性纳米二氧化硅/聚丙烯酰胺/膨胀型复合凝胶制备，配置膨胀型阻燃剂，得到膨胀型纳米阻化凝胶粉末。

步骤2)中改性纳米二氧化硅、单体丙烯酰胺和引发剂进行聚合反应，改性纳米二氧化硅用量的取值范围按质量百分比为改性纳米二氧化硅/单体丙烯酰胺＝2％-4％。

步骤2)中所述聚合反应温度的取值范围为65-75℃。

步骤2)中所述引发剂为过硫酸钾，用量的取值范围为过硫酸钾/丙烯酰胺＝0.4％-1.0％。