全物理交联双网络凝胶的制备及防灭火特性研究

作     者：陈鹏燕 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周春山

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：煤自燃 全物理交联 双网络凝胶 基础性能 防灭火特性 

摘      要：在“双碳目标背景下,煤炭企业必须坚持创新发展理念。煤炭作为我国能源结构的主体,据统计,2022年煤炭消耗量在能源总消耗中的比重为56.2%。而在总煤矿火灾事故中,煤层自燃占比约75%,严重影响煤炭企业乃至社会的稳定发展。目前,在众多防灭火技术当中,凝胶防灭火技术因具有优异的防灭火性能而被广泛应用,但单一凝胶存在网络结构受热易分解,稳定性较差,防灭火效果不佳等问题,已经有不少学者通过把俩类具有不同空间结构的单网络凝胶相结合,来提高凝胶的力学性能,但将双网络凝胶作为防灭火材料的研究报道尚很少见。为此,本文采用双重物理可逆交联的方式,用非共价相互作用完全取代传统的共价交联,获得综合性能较为突出的双网络防灭火凝胶,结合成胶时间及实际需求选出最佳配比,通过实验测试及分析,来研究不同因素对双网络凝胶基础性能的影响,并对双网络凝胶进行宏细微观防灭火性能测试,主要内容如下。(1)通过引入两种物理相互作用来构筑双交联网络结构,其中以三价铝离子(Al)与羧甲基纤维素钠(CMC)分子链上的羧基之间的配位作用为第一交联点,形成的羧甲基纤维素钠-Al网络作为第一网络,以钠基蒙脱土(MMT)纳米粒子与聚丙烯酰胺(PAM)链间的氢键相互作用为第二交联点,形成的蒙脱土-聚丙烯酰胺网络作为第二网络,运用“两步法制备全物理交联Al-羧甲基纤维素钠/蒙脱土-聚丙烯酰胺双网络凝胶。采用滴漏法来测试各组分在不同浓度配比下的胶凝时间。测试结果表明:随原材料浓度的增加,成胶时间均缩短。另外,通过结合27种不同配比下成胶时间以及实际需求优选出7号(1%MMT+3%PAM+2%CMC)、16号(2%MMT+3%PAM+2%CMC)、17号(2%MMT+3%PAM+2.5%CMC)、25号(3%MMT+3%PAM+2%CMC)四种配比凝胶更适合应用于矿井防灭火中。(2)以7号、16号、25号凝胶为研究对象,考察双网络凝胶的热稳定性、强度、渗透性、粘度以及微观形貌等物理性能,并对凝胶基础性能的影响因素进行了分析。结果表明:蒙脱土浓度的增加能有效改善凝胶强度;温度在90℃和120℃条件下,凝胶的失水率前期快速增大、中后期增速迅速放缓、逐渐趋于不变,6 h是凝胶体系失水率接近最大值的时间拐点;随着蒙脱土浓度变大,成胶速度加快,黏度变大,渗透率逐渐减小;蒙脱土浓度从1%增加到3%的过程中,凝胶体系粘度逐渐增大,当MMT浓度为1%时,12min时出现突变点,浓度增加到3%时,突变时间点提前一半;MMT的加入形成大量纤维状网络结构,从而使得凝胶网络结构更为紧密,而且随着MMT量的进一步增加而呈现出层状孔隙结构。(3)以气煤和焦煤为研究对象,通过比表面积测定实验、傅里叶红外光谱实验以及扫描电镜(SEM)实验研究双网络凝胶的细微观防灭火性能。结果表明:不同温度下,凝胶处理煤样的-OH和-C=O含量始终低于原煤,C-H含量始终高于原煤;在相同放大倍数下观察,原煤的煤粒颗粒细小且分散,表面不规则,比表面积大,凝胶处理煤样的煤表面明显有一层附着物,且分布均匀;气煤比表面积大于焦煤,更容易自燃,经过凝胶处理的煤样比表面积均有所减小。(4)通过热重实验、程序升温氧化实验、堵漏风性能测试及灭火实验考察双网络凝胶的宏观防灭火性能。结果表明:同原煤相比,凝胶处理煤样失重率整体降低,总放热值明显下降,活化能均有不同程度的提高;整个温度段内,添加凝胶的实验组气体产出均小于原煤组,耗氧量减少,同温度段内平均阻化率大小排序为:16号凝胶17凝胶号25号凝胶,交叉点温度提高;充填双网络凝胶后两端相对压力可达152 k Pa,约为未充填时的13倍,双网络凝胶材料的堵漏能力较CMC单网络凝胶突出;凝胶具备优异的灭火性能,可以做到精准持续的隔氧降温、熄灭火灾,16号凝胶和25号凝胶相比,25号凝胶因为含有较多MMT颗粒,使得其网络结构能够在处于高温状态时,所遭受损坏的程度大幅降低,起到持续抑制煤氧反应的作用,灭火效果更好,得出了凝胶的阻化及灭火机理。