防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种灭火材料，具体是一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料及其制备方法，属于煤矿防灭火的煤火防治技术领域。
背景技术
矿井火灾危害严重，一方面会产生高温有毒有害气体，严重威胁井下人员的生命安全；另一方面还会诱发瓦斯、煤尘爆炸，造成重大的人员伤亡，限制了开采效率，火区封闭带来重大经济损失。
近年来，矿山对防灭火材料的需求量剧增，普通的凝胶防灭火技术已经成为国内外煤矿自燃火灾防治的一项基本技术，凝胶材料可以弥补其他常规灭火技术的不足，能够快速降低煤层温度隔绝火源，并且具有良好的耐高温性和稳定性。但胶体在应用中还存在着不足，如：成胶材料用量大，井下运输比较困难，制作工艺复杂；在采空区扩散一定范围后就会凝固，因而无法大面积填充；胶体容易被高温快速融化等缺点。因此，需要开发更优质的新型凝胶材料来弥补这些不足。
气凝胶是在不改变凝胶本身三维网络结构的条件下，将其中的液体溶剂用气体置换得到的一种纳米多孔固体凝胶。气凝胶是世界上密度最小的固体，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录，其具有超轻的质量，而且非常坚固耐用，可以承受相当于自身质量几千倍的压力。气凝胶是目前世界上热导率最小的固体材料，具有很好耐高温性能，在温度达到1200摄氏度时才会熔化，它的导热性和折射率也很低，因此可以起到很好的隔热性能，气凝胶涂料可以达到建筑防火等级A级。
中国发明专利2017年1月11日公开的一种公开号为CN106310577A的“含气凝胶材料的高效液态组合物灭火剂、其制法及应用”，其公开的灭火剂可以很好的覆盖在基体表面，有效的阻隔热量传递，防止火焰的蔓延和热量的传播，但是起不到很好的灭火效果。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料及其制备方法，成本低、原料来源丰富、制作流程简单、井下运输方便，且能够将降低煤块表面温度和内部温度相结合，进而快速高效的灭掉煤炭火灾。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，各原料组分及含量按重量百分比计为：二氧化硅气凝胶粉1％-2％、丙三醇3％-6％、丙烯酰胺单体0.5％-2％、十二烷基硫酸钠2％-3％、水85.5％-92％、凹凸棒土0.5％-1.5％、交联剂0.001％-0.02％、引发剂0.04％-0.06％。
本发明中二氧化硅气凝胶粉的平均粒径为10nm-80nm，导热率为0.010W/(m·K)-0.025W/(m·K)，耐热温度为1000℃-1600℃。
本发明中丙三醇的纯度高于99.0％，色度超过10黑曾。
本发明中水为自来水、纯净水、去离子水中的一种，水的PH在6.5-8.5。
本发明中凹凸棒土的单晶直径为10nm-100nm。
本发明中交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯、二丙烯酸-1、4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、丙烯酸丁酯、硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲氧基硅烷中的一种。
本发明的引发剂为无机过氧化物引发剂，所述无机过氧化物引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种。
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料的制备方法，包括以下步骤：
⑴称取配方量的二氧化硅气凝胶粉、丙三醇、丙烯酰胺单体，加入配方量的水中，使用搅拌设备搅拌均匀，得到分散液；
⑵向上述分散液中加入十二烷基硫酸钠、凹凸棒土，继续使用搅拌设备搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入交联剂和引发剂，并持续搅拌，待分散液稳定均匀后，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
为了能够将液体搅拌均匀，本发明的搅拌设备选用磁力搅拌器。
与现有技术相比，本发明的灭火材料主要利用纳米级二氧化硅气凝胶优异的隔热效果，通过加入丙烯酰胺单体、凹凸棒土，利用交联剂和引发剂与丙烯酰胺单体进行反应，从而形成纳米聚合的气凝胶灭火材料，通过上述合理配方使得灭火材料具有高吸水性，强粘结性，灭火时能有效覆盖在煤体表面，包裹住煤体，从而实现隔氧降温的效果，可以快速降低煤块表面温度；通过加入十二烷基硫酸钠，可以增加灭火材料的发泡性能，同时纳米聚合气凝胶灭火材料中添加的丙三醇在灭火时受热发生化学反应析出聚合物质，该聚合物具有抑制自由基产生的作用，能够破坏燃烧链，阻断燃烧，从而降低煤块内部温度，本发明的灭火材料能够将降低煤块表面温度和内部温度相结合，进而快速高效的灭掉煤炭火灾，同时具有成本低、原料来源丰富、制作流程简单的优点。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
实施例中所用原料均为常规市售产品，所用设备均为常规设备。
本发明实施例1-7中所有技术特征的取值均在权利要求1的保护范围内，以实施例1举例说明，将体积单位均换成重量单位，则技术特征水在灭火材料中的百分比为：91/(91+1.2+6+1.5+3+0.5+0.01+0.05)＝88.1％，其中水：91ml＝91g，丙三醇：1ml＝1.2g左右，本发明取值为1.2g，其它技术特征的百分比值可以按照上述计算。
实施例1
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取91ml自来水，加入1.2g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径10nm，导热率0.010W/(m·K)，耐热温度1000℃)，5ml丙三醇，1.5g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入3g十二烷基硫酸钠，0.6g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.01g交联剂季戊四醇三丙烯酸酯和0.05g引发剂过硫酸铵，并持续搅拌10min钟左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称取重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例2
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取90ml自来水，加入1.5g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径20nm，导热率0.015W/(m·K)，耐热温度1100℃)，5ml丙三醇，1.4g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入2.8g十二烷基硫酸钠，0.65g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.015g交联剂亚甲基双丙烯酰胺和0.055g引发剂过硫酸钾，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称取重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例3
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取88ml自来水，加入2g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径40nm，导热率0.018W/(m·K)，耐热温度1200℃)，5ml丙三醇，1.6g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入2.5g十二烷基硫酸钠，0.55g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.02g交联剂二丙烯酸-1和0.06g引发剂过硫酸铵，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称量重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例4
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取87ml自来水，加入1.5g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径50nm，导热率0.020W/(m·K)，耐热温度1300℃)，5ml丙三醇，1.5g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入3g十二烷基硫酸钠，1g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.01g交联剂4-丁二醇酯和0.05g引发剂过硫酸钠，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称量重量约为200g的煤块，然后用高温节能式炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例5
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取86ml自来水，加入1.5g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径30nm，导热率0.021W/(m·K)，耐热温度1400℃)，4ml丙三醇，1.5g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入3g十二烷基硫酸钠，0.5g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.02g交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯和0.05g引发剂过硫酸铵，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称取重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例6
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取85.5ml自来水，加入1g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径60nm，导热率0.023W/(m·K)，耐热温度1500℃)，3ml丙三醇，0.5g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入2g十二烷基硫酸钠，0.5g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.015g交联剂硅酸乙酯和0.04g引发剂过硫酸铵，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称取重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
实施例7
一种防治高温煤火的纳米聚合气凝胶灭火材料，首先取92ml自来水，加入2g二氧化硅气凝胶粉(平均粒径80nm，导热率0.025W/(m·K)，耐热温度1600℃)，4.7ml丙三醇，2g丙烯酰胺单体，使用磁力搅拌器搅拌，搅拌均匀后，加入3g十二烷基硫酸钠，1.5g凹凸棒土，继续使用磁力搅拌器搅拌至均匀状态，搅拌过程中依次加入0.02g交联剂丙烯酸丁酯和0.06g引发剂过硫酸铵，并持续搅拌10min左右，得到纳米聚合气凝胶灭火材料。
取杨柳煤矿贫煤作为实验煤样，称取重量约为200g的煤块，然后用节能式高温炉将煤块加热至燃烧，取出后，用100ml上述灭火材料对其进行灭火实验，用红外热成像仪测定不同时间段时的煤块表面温度以及煤块内部温度，记录实验数据，比较其灭火效果。
对比例：
对比例主要分为三个：(1)空白实验；(2)水；(3)普通的水基灭火剂。
如表1所示，实验选用实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、水、普通的水基灭火器九组灭火材料，以及一组空白实验进行对比，研究本发明的纳米聚合气凝胶灭火材料对煤火扑灭的效果。
表1不同灭火材料对煤块灭火后煤块随时间变化的温度
在对同样的煤矿、相同质量的煤块进行试验时，可以看出，空白实验和使用水灭火的煤块温度变化很小，煤块温度显示持续高温；使用了普通的水基灭火剂的煤块，起到了短暂对煤块降温的作用，并不能从根本上消灭煤炭火源，20min时的煤块温度仍然较高；而使用了本发明的纳米聚合气凝胶灭火材料的煤块温度下降明显，并且实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例7在20min时煤块表面温度基本降为室温，且煤块内部温度都下降到较低的温度。
本发明主要利用纳米级二氧化硅气凝胶优异的隔热效果，通过加入丙烯酰胺单体、凹凸棒土，利用交联剂和引发剂与其进行反应，从而形成纳米聚合的气凝胶灭火材料，使得灭火材料具有高吸水性，强粘结性，灭火时能有效覆盖在煤体表面，包裹住煤体，从而实现隔氧降温的效果，可以快速降低煤块表面温度；通过加入十二烷基硫酸钠，可以增加灭火材料的发泡性能，同时纳米聚合气凝胶灭火材料中添加的丙三醇在灭火时受热发生化学反应析出聚合物质，该聚合物具有抑制自由基产生的作用，能够破坏燃烧链，阻断燃烧，从而降低煤块内部温度，本发明的灭火材料能够将降低煤块表面温度和内部温度相结合，进而快速高效的灭掉煤炭火灾，同时具有成本低、原料来源丰富、制作流程简单的优点，进而实现煤自燃火区的持续高效防治。
