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矿用充填堵漏风新型复合泡沫的研制

胡相明  
【摘要】:煤炭自燃是影响矿井安全开采的主要灾害之一,控制漏风是防治煤炭自燃的关键手段。有机固化泡沫依靠其施工速度快,密封效果好等特点在国内外广泛应用于煤矿充填堵漏风。然而,现有的有机固化泡沫都存在不同程度的缺陷,如聚氨酯泡沫成本高、易燃、且燃烧释放出有毒烟气,酚醛泡沫脆性大、成本较高,脲醛泡沫的抗压强度低等。本文针对现有矿用有机固化泡沫的不足,研制了一种充填堵漏风新型复合泡沫,该泡沫具有密闭性好、抗压强度高、难燃、成本低等优点。 本文以苯酚、脲素和多聚甲醛为聚合单体通过一步法创新性的合成了酚-脲-醛树脂。采用正交试验分析了脲素用量、催化剂用量、反应温度、反应时间对树脂发泡性能的影响规律,得出了酚-脲-醛树脂合成的最佳条件。通过红外光谱和核磁共振碳谱分析了酚-脲-醛树脂的化学结构,揭示了酚-脲-醛共聚树脂的合成机理。 为优化酚-脲-醛树脂的催化体系,论文研究了不同固化剂、表面活性剂、发泡剂等对泡沫固化行为、力学性能和微观结构的影响规律,找出了最优的固化剂、表面活性剂、发泡剂配比及用量,揭示了固化剂和表面活性剂对泡沫的作用机理,探讨了酚-脲-醛树脂的成泡和固化机制。 针对酚-脲-醛泡沫韧性差的问题,通过添加聚乙二醇(PEG)对酚-脲-醛泡沫进行改性,研究了不同分子量的PEG对酚-脲-醛泡沫的基本性能、力学特性、燃烧性能的影响规律,揭示了聚乙二醇的增韧机理,找到了聚乙二醇的最优添加量。PEG中的-OH与树脂中的-OH能够形成部分氢键,在树脂中导入长的柔性醚链,从而提高了泡沫的韧性和冲击强度,降低了粉化率。 为了提高泡沫的阻燃性和承压强度,通过玻璃纤维与纳米粘土对酚-脲-醛泡沫进行改性,制备了玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫,研究了玻璃纤维和纳米粘土对泡沫的力学特性、密封性能、热稳定性和阻燃性的影响规律,探讨了玻璃纤维与纳米粘土对酚-脲-醛泡沫的阻燃、增强机理。玻璃纤维与纳米粘土表现出良好的协同作用,能显著提高泡沫的压缩强度、热稳定性和阻燃性,降低泡沫的粉化率和收缩率,并改善复合泡沫的泡孔结构,提高泡沫的密封性能。 为了验证实验室制备复合泡沫的性能,本文对比分析了酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、脲醛泡沫与复合泡沫的综合性能。实验表明:四种泡沫中复合泡沫具有最低的发泡温度和收缩率,最高的抗压强度、阻燃性和热稳定性,但是,其发泡倍数和粉化率略低于聚氨酯泡沫。煤矿井下的工程实践表明,复合泡沫具有充填密闭效果好、施工简单、安全可靠、成本低等特点,极具广泛的应用前景。


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