煤矿安全材料聚氨酯加固剂的制备及其性能研究

论文摘要

煤炭资源在我国的能源结构中要占将近70%的份额,因此煤炭的产量直接影响着我国经济发展的步伐。我国煤炭含量丰富,分布广泛,煤矿地域条件非常复杂,给煤炭的开采带来了很大的难度,再加上煤炭开采管理者安全意识薄弱,国家相关法律法规还不健全等各种因素,导致我国煤炭安全形势十分严峻,而随着近年来经济的快速发展,人们安全意识不断增强,社会的重视以及国家相关法律法规的不断完善,对煤炭安全的要求也越来越高,在这种背景下,煤炭安全产品应运而生,并且有着良好的发展势头。化学灌浆材料是目前应用于煤矿安全治理较多的材料之一,主要包含环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸盐、酚醛树脂、尿醛树脂及水玻璃等,其应用在煤矿安全治理的各个方面,如加固材料、堵水材料、充填密闭材料、防灭火材料及喷涂材料等,而聚氨酯是这些材料中应用最为广泛,使用量最大的材料之一。本研究中通过使用聚醚多元醇及催化剂、阻燃剂和泡沫稳定剂制备得到A组合料,通过和多亚甲基多苯基异氰酸酯反应得到聚氨酯加固材料。考察了多种因素对反应及产品性能的影响,首先考察了催化剂的影响,研究发现当催化剂①的量超过0.15%时,其固化速度加快平缓,因此催化剂①的最佳添加量确定为0.15%,此外考察了两种催化剂的协同效应,确定当催化剂②的添加量为0.06%时,具有合适的固化速度及产品力学性能,确定催化剂②的最佳添加量为0.06%；通过研究聚醚多元醇羟值的影响,确定了当聚醚羟值为370mgKOH/g时,材料具有较好的强度和断裂伸长率；研究异氰酸酯指数发现当异氰酸酯指数为1.05时,材料具有较好的综合性能；还研究了复合阻燃剂的影响,发现阻燃剂添加量过大会影响凝胶时间及力学性能,当添加量为15%-20%时为最佳值；通过研究料温发现,温度对凝胶时间和粘度有较大影响。实验还发现搅拌速度对制品的表观密度有很大影响,从而影响材料的力学性能,合适的混合速度为200/300r/min。通过对此材料发生冒顶事故的煤矿现场应用可以发现,此材料能有效的解决此类安全问题。利用现代分析测试手段如红外光谱、热重分析、扫描电镜、PU加固剂进行了表征。红外光谱分析表明,-NCO与-OH基团都很好的参与了反应,生成了氨基甲酸酯基团；对材料的热重分析表明,使用高羟值的聚醚多元醇和高异氰酸酯指数有利于提高玻璃化温度；通过扫描电镜对胶膜断面进行了表征,使用低羟值聚醚多元醇制得的制品断面纹路细而密,使用高羟值的聚醚多元醇制得的制品断面粗而疏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 煤矿的安全现状
• 1.3 安全与事故概述
• 1.4 我国煤矿事故频发的原因
• 1.5 国内外现状比较
• 1.6 化学灌浆材料
• 1.7 化学灌浆的分类
• 1.8 聚氨酯材料在煤矿安全中的应用
• 1.9 本课题的研究意义及背景、主要研究内容和创新点
• 2 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备
• 2.3 工艺流程图
• 2.4 操作过程
• 2.5 分析与测试
• 2.6 聚氨酯（PU）加固剂的合成化学
• 2.7 相关术语及计算
• 2.8 原材料的选择及合成工艺研究
• 3 PU加固剂的制备
• 3.1 催化剂的影响
• 3.2 水添加量的影响
• 3.3 聚醚多元醇羟值的影响
• 3.4 异氰酸酯指数（Ⅰ值）的影响
• 3.5 阻燃剂的影响
• 3.6 料温对粘度及凝胶时间的影响
• 3.7 温度随时间的变化关系
• 3.8 搅拌速率的影响
• 3.9 材料在煤矿上的应用研究
• 4 PU加固剂的表征及分析
• 4.1 傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 4.2 热重分析（TG）
• 4.3 扫描电镜（SEM）分析
• 5 主要结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献