1、第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0320前言煤自燃不仅会浪费大量的煤炭资源，还常诱发瓦斯、煤尘爆炸等安全生产事故，给矿井带来了巨大的灾难。因此，新型的防灭火材料的开发和利用成为煤自燃研究的热点领域。国内外研究发现，凝胶阻化材料主要防灭火机理为覆盖在煤的表面从而隔绝氧气、保持煤的湿润度、增加煤的活化能并且加速散热，从而抑制煤自燃。李帅龙等以羧甲基纤维素钠、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为原料，制备了一种高吸水性凝胶材料，然而在30室温条件下放置24 h后，保水
2、率仅达35%。Guolan Dou等以木质素、N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸为基体，制备了一种易合成的新型凝胶材料，将材料置于90烘箱仅3 h，保水率降至5%。王雪妮等以阿拉伯胶、丙烯酸、海泡石黏土为原料，合成了具有可逆性的凝胶材料，将材料置于80烘箱仅6 h，保水率降至25%。上述材料保水性、吸水性和阻化性能都存在一定缺陷，因此亟需研制出一种低成本、高保水、高吸水和高阻化性能的矿用凝胶材料。在此基础上，以聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和碱木质素（AL）为基体，硼砂（Borax）为交联剂，采用一锅法制备出高保水矿用凝胶阻化材料（PBSL），并通过正交试验确定其最佳配比，测试其阻化性能。*安徽
3、理工大学2021年研究生创新基金项目（2021CX2017）；国家自然科学基金项目（52074011）高保水矿用凝胶阻化材料的制备和性能研究*李洋1，2，戴广龙1，2，杨苗苗1，2（1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南232001；2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南232001）摘要：为防治煤自燃，以聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和碱木质素（AL）为基体，硼砂（Borax）为交联剂，采用一锅法制备出一种新型高保水矿用凝胶阻化材料（PBSL）。以PVA，SA，AL，硼砂浓度（w（Borax）和加热时间为影响因素，设计了正交实验L16（45），结果表明，PV
4、A，SA，AL分别为0.25、0.2、0.1 g，且w（Borax）=6%、加热时间为45 min时，材料的保水率和吸水率综合性能最佳，50加热30 h后保水率仍能达到38.52%，吸水率达到47.67%。通过分子结构分析，材料形成了硼酸酯键和氢键；阻化性能研究表明，PBSL凝胶阻化材料使煤样临界温度从80提高到100，200时材料阻化率高达55.28%，从而降低了煤的氧化活性。关键词：高保水；凝胶阻化材料；阻化性能；煤自燃；防灭火材料中图分类号：TD752.2文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 173 05Preparation and Performance Stu
5、dy of High Water Retention MineralHydrogel InhibitorsLI Yang1，2，DAI Guanglong1，2，YANG Miaomiao1，2(1.School of Safety Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China；2.Key Laboratory of Safe and Efficient Coal Mine Mining,Ministry of Education,Huainan 232001,Ch
6、ina)Abstract:To prevent spontaneous combustion of coal,a novel type of high water retention mineralhydrogel inhibitors(PBSL)was prepared by one-pot method using polyvinyl alcohol(PVA),sodiumalginate(SA),alkaline lignin(AL)and borax(Borax).The orthogonal experiment L16(45)was designedand the results
7、showed that when PVA 0.25 g,SA 0.2 g，AL 0.1 g,w(Borax)=6%and heating time was45 min，the comprehensive properties of water retention and water absorption were the best.Afterheating at 50 for 30 h,the water retention rate can still reach 38.52%and the water absorption ratecan reach 47.67%.The molecula
8、r structure analysis shows that the material forms borate ester bondsand hydrogen bonds;the inhibition performance study shows that the PBSL material increases thecritical temperature of coal samples from 80 to 100,and the inhibition rate can reach 55.28%at200.Key words:high water retention；mineral
9、hydrogel inhibitors；inhibition performance；coal spontaneouscombustion；fire prevention materials173第42卷第03期高保水矿用凝胶阻化材料的制备和性能研究李洋，等Vol.42 No.031实验部分1.1实验材料聚乙烯醇（PVA1799，100目）；海藻酸钠（SA）；碱木质素（AL）；硼砂（Borax，99.5%，100目）；去离子水（扬州中肯食品有限公司）；DF-101S恒温加热磁力搅拌器（上海仪昕科学仪器有限公司）；HH-S油浴锅（长沙永动新能源有限公司）；真空干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司
10、）；IRAffinity-1傅里叶变换红外光谱仪（上海纳锘实业有限公司）；煤自燃氧化程序升温-气相色谱连用实验仪器（北京东西分析仪器有限公司）。1.2凝胶阻化材料的制备取0.25 gPVA粉末溶解于装有4.65 mL的去离子水烧杯中，将烧杯置于90油浴锅中，磁力搅拌器设置为200 r/min反应10 min，直至PVA完全溶解。取出烧杯并加入0.05 gSA和0.05 gAL，于室温下充分混合搅拌后，加入5 g质量分数为6%的硼砂溶液，所得混合物置于90的油浴锅中加热30 min，即得PBSL凝胶阻化材料。PBSL凝胶阻化材料合成机理如图1所示。图1PBSL凝胶阻化材料合成机理1.3正交实验设
11、计经过查阅文献以及前期试验探究，聚乙烯醇、海藻酸钠、碱木质素、硼砂浓度和反应时间对PBSL凝胶阻化材料的保水性和吸水性均有影响。为了优化产物，本文以PVA，SA，AL，w（Borax）和加热时间为影响因素，每个因素选定4个水平，设计了五因素四水平正交实验L16（45），制备了16组PBSL样品。该实验的因素和水平如表1所示。表1正交实验因素水平表1.4PBSL凝胶阻化材料性能测试（1）保水率将达到吸水饱和的凝胶取出称重记为W1，并将其置于烧杯中，随后放入50恒温鼓风干燥箱内干燥，每隔1 h取出称重并记录其质量为Wt。计算其保水率=WtW1100%（1）式中Wt凝胶在干燥t时刻后的质量，g；W1
12、凝胶初始吸水饱和的质量，g。（2）吸水率为了研究凝胶的吸水性，将制备好的材料放入盛有足够去离子水的烧杯中，每隔1 h取出，用滤纸擦干表面水分后称重记为Wt，直至材料的质量不再发生变化。计算其吸水率SRWtW0W0100%（2）式中Wt凝胶在t时刻吸收水分的质量，g；W0凝胶干燥后的质量，g。（3）分子结构分析将制备好的PBS，PBSL凝胶阻化材料完全烘干后研磨成粉，与KBr混合后制成压片进行测试，每次扫描32次，分辨率为0.5 cm-1，扫描范围为4 000500 cm-1。（4）阻化性能实验选用淮北袁店二矿新鲜煤样，破碎后筛选出6080目粒径范围的煤样，分别制备出添加PBS，PBSL凝胶阻化
13、材料和氯化钙（CaCl2）阻化剂的阻化煤样。以原煤样为对照组，分别进行煤自燃氧化程序升温实验，对比分析上述3种材料的阻化性能。实验时，设置空气流量为100 mL/min，升温范围30200，升温速率1/min。温度每升高10，抽取出气口气体，通入气相色谱仪进行气体组分分析，记录原煤样和各阻化煤样在程序升温过程中产生的CO量。计算其阻化率E（T）=（C0CO-C1CO）/C0CO100%（3）式中C0COT内原煤样释放CO的总量，即原煤样产生CO体积分数曲线面积的积分，10-6；C1COT内阻化煤样释放CO的总量，即阻化煤样产生CO体积分数曲线面积的积分，10-6。2结果与讨论2.1PBSL凝胶
14、阻化材料的保水性能按照正交实验L16（45）合成16组样品，然后测水平1234PVA/g（A）0.250.300.350.40SA/g（B）0.050.100.150.20AL/g（C）0.050.100.150.20w（Borax）/%（D）6789T/min（E）30456075COONaOHHOBOH+SHHOOHOHOHOHOHHHHOOOOHHOHOHG+HCOONaSGSGGGHOOOOBOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOOBOOOOOOOOOOOOOOOHOHOHOHCOOHHOOHCOOHHOOCHOHOmmHOHOHOHOCOOHCOOHCOOHCOOHHOOCHOO
15、CHOOCOOOOOOOOOOOOOOOOnBBOOOOBOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHHOHOHOHOnSGSGSGGGHSGSGSGGGHn174定16组样品的保水率随时间变化情况，并取相同质量的水为对比样，结果如图2所示。干燥时间/h（a）1#4#组样干燥时间/h（b）5#8#组样干燥时间/h（c）9#12#组样干燥时间/h（d）13#16#组样图2PBSL凝胶阻化材料保水率随时间变化由图2可看出，同等干燥时间下，2#样品保水性能最差，7#、8#、16#样品保水性能最强。所有样品在前12 h保水率下降速率较大，这是由于表面水分迅速蒸发；随后，保水率下降速率变缓，说明凝胶阻化材料
16、的交联结构在一定程度上阻止了结构水的蒸发。相同质量的水12 h后已经完全蒸发，但凝胶阻化材料的保水率仍能保持35%以上，说明材料所形成的三维网络结构对吸附的水分具有较强的束缚力，从而使材料具有较高的保水性能。2.2正交实验结果16组样品的保水率、吸水率结果及极差分析如表2所示。表2中Ki为均值，是各因素实验结果平均值，极差R=Kmax-Kmin，反映因素影响的程度，其值越大表明对实验结果的影响越大。表2正交实验结果表以保水率为指标，5个影响因素对材料保水率影响程度由大到小为BDECA。通过比较各因素各水平的均值Ki，可以确定A4，B4，C3，D1，E4分别为各因素的最优水平，因此最佳配比方案为A4B4C3D1E4，即聚乙烯醇0.4 g、海藻酸钠0.2 g、碱木质素0.15 g、硼砂溶液质量分数为6%、加热时间75 min。此条件下所制备的材料保水率最佳高达40.12%。以吸水率为指标，A和B对样品吸水率影响最大，其次是C，E和D。由表2各因素各水平的均值Ki，可以确定A1，B1，C2，D2，E1分别为各因素的最优水平，因此，最佳配比方案为A1B1C2D2E1，即聚乙烯醇0.25 g、海