新型復(fù)合膠體防滅火材料的性能研究

新型復(fù)合膠體防滅火材料的性能研究

全國56%的煤礦存在煤層自燃和發(fā)芽的風(fēng)險(xiǎn)，但特別是厚煤層開采的自燃更為嚴(yán)重。煤炭自燃已成為中國煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)和發(fā)展的主要威脅之一。目前常規(guī)的灌漿、均壓、阻化劑、氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)在抑制煤層自燃火災(zāi)中起到了很大作用,但也存在著一定的局限性。復(fù)合膠體防滅火技術(shù)有著良好的防滅火性能,是一種高效、快捷、經(jīng)濟(jì),能大大提高水的滅火性能的防滅火材料和技術(shù),廣泛應(yīng)用于井下火災(zāi)的防治。1復(fù)合膠體密封性能(1)“膠體”煤體復(fù)合膠體與煤體間作用力較大,使二者間界面能降低,因而粘附力較強(qiáng),能粘附于煤體表面,形成一層較厚膠體,起到隔絕著火物體與氧接觸和提高冷卻吸熱效果。膠體在初始狀態(tài)能夠流動(dòng),可滲透到各種煤體的孔隙、裂隙中。膠體失去流動(dòng)性后,充填在這些孔隙、裂隙之中,起到阻止煤氧接觸和惰化煤體表面的作用。(2)煤與膠體的鍵合當(dāng)膠體固化后,在孔隙、裂隙、胞腔中會產(chǎn)生機(jī)械鍵合。這些機(jī)械鍵合非常廣泛地存在于煤與膠體的接觸面上。使膠體與煤之間存在強(qiáng)大的結(jié)合力,難以分開。膠體與煤之間的機(jī)械鍵合一方面增加了導(dǎo)熱,另一方面使煤的表面活性基團(tuán)被膠體覆蓋,阻止煤氧化放熱。(3)煤體溫度的影響復(fù)合膠體具有阻化性,能夠消除自由基。一般來說,煤自燃過程主要是煤氧化放熱引起煤體溫度升高,而煤體溫度升高又促使反應(yīng)加速,最終引起煤層著火的過程。在滅火過程中,復(fù)合膠體與有自由基的活性中心接觸后,會促使自由基向膠體內(nèi)部轉(zhuǎn)移,使自由基消亡,從而有效地降低煤氧復(fù)合氧化的速度,阻止煤自燃的發(fā)生。(4)水溫升溫加熱由于水占復(fù)合膠體總質(zhì)量的90%以上,水的比熱容很大,為4200J/(kg·℃),水溫升高能夠吸收大量熱能。膠體中的水分汽化也能吸收大量熱能,當(dāng)1L水汽化時(shí),需要吸收約2253J的熱量,從而使環(huán)境溫度降低,并且體積會擴(kuò)大1720倍,在水蒸汽占燃燒空間的30%或降溫至燃燒物質(zhì)閃點(diǎn)、燃點(diǎn)以下時(shí),燃燒自行停止。2溫度對四種有機(jī)材料的性能的影響2.1水的溫度對復(fù)合“水”的影響只要存在著溫度的差異,就必然存在熱量的傳遞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是研究復(fù)合膠體與水在130℃高溫環(huán)境中自身溫度的改變情況。它可以反映材料本身的比熱容、材料表面的換熱性能和溫度升高后,其中的水等揮發(fā)物氣化吸熱對溶液溫度的影響等綜合因素。實(shí)驗(yàn)在加熱爐箱中進(jìn)行(如圖1所示),將盛放已配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合膠體和水各200mL的兩只相同燒杯同時(shí)放入烘箱中,此時(shí)烘箱的溫度已經(jīng)預(yù)熱到130℃,并保持恒定;同時(shí)在每個(gè)燒杯的液體中放入溫度傳感器,且傳感器的導(dǎo)線的端點(diǎn)不能接觸到燒杯內(nèi)壁,導(dǎo)線與烘箱外的測度傳感器數(shù)顯表連接。然后關(guān)閉烘箱門,每隔固定時(shí)間記錄溫度表上的示數(shù),即各燒杯內(nèi)液體的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,復(fù)合膠體的溫度在30℃后一直比水的溫度高,且復(fù)合膠體的升溫速度總體來說比水大,最終溫度可達(dá)106℃左右,比水的沸點(diǎn)高。這說明在高溫環(huán)境里,大分子始終對溶劑有較強(qiáng)的束縛力,使水的蒸發(fā)比較緩慢,升溫速度相對較快。水在達(dá)到沸點(diǎn)后產(chǎn)生大量的水蒸汽,而復(fù)合膠體產(chǎn)生的較少。說明復(fù)合膠體的吸熱能力比單純的水有了一定程度的提高。2.2在高溫下，復(fù)合膠體和水的流失為研究溶液在高溫情況下的失水特點(diǎn),設(shè)計(jì)了以下3組實(shí)驗(yàn)。2.2.1復(fù)合膠體的故障反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程為:分別稱取15.0g已配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合膠體和水倒入兩個(gè)相同燒杯中,放入已預(yù)熱到180℃的烘箱中,保持恒溫并開始記時(shí);同時(shí)觀察各燒杯的失水情況,記下每個(gè)燒杯完全失水所用時(shí)間。結(jié)果見表1所示。由表1可知,復(fù)合膠體的完全失水所用的時(shí)間與水的相比提高了30%左右。由此說明此復(fù)合膠體的保水性較好,使溶劑的蒸發(fā)在高溫情況下減慢,也再次說明了高溫下大分子材料對溶劑仍有很好的束縛作用。這對于撲滅火場和保護(hù)火場中的可燃材料都是非常有利的。2.2.2溫度水平對失水雙標(biāo)失水率的影響不斷調(diào)節(jié)溫度水平,測量甲、乙、丙、丁四種材料的膠體與水在相同加熱時(shí)間內(nèi)、相同溫度下的質(zhì)量變化。實(shí)驗(yàn)步驟為:分別稱取30g已配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合膠體和水對應(yīng)放入兩個(gè)相同燒杯中;然后放入已預(yù)熱到100℃的烘箱中,在恒溫烘箱中靜置15min,然后迅速取出燒杯并稱其質(zhì)量。然后再把爐箱溫度分別調(diào)到120、150、170、190℃并保持恒溫,做同樣的加熱實(shí)驗(yàn),并記錄實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算失水率,見式(1)。失水率=膠體或水的蒸發(fā)質(zhì)量未蒸發(fā)時(shí)膠體或水的初始質(zhì)量×100%=膠體或水的蒸發(fā)質(zhì)量未蒸發(fā)時(shí)膠體或水的初始質(zhì)量×100%(1)結(jié)果如表2所示。從表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,復(fù)合膠體和水都隨著溫度的升高,其失水率逐漸增大。同時(shí)在不同溫度水平下水的蒸發(fā)量即失水率都是最大的,且溫度越高水的失水率超過復(fù)合膠體的部分也越多。因此可知復(fù)合膠體具有良好的保水性。2.2.3程序升溫過程中的保水性能首先配制一定體積且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合膠體,然后精確稱量復(fù)合膠體和水各250g并分別放入兩個(gè)相同燒杯中;接著將這兩個(gè)燒杯同時(shí)放入程序升溫的爐箱中。程序升溫過程為:首先將烘箱溫度調(diào)節(jié)到20℃,并保持恒定溫度10min,然后取出并迅速分別稱量各燒杯的總質(zhì)量,稱量結(jié)束后迅速將燒杯放回爐箱中,接著將爐箱快速升溫10℃,再在新的溫度水平下保持恒溫10min,采用同樣的方法再次稱重。如此測出復(fù)合膠體和水在程序升溫下的一組結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成每1g膠體(或水)在程序升溫過程中的剩余質(zhì)量,并根據(jù)轉(zhuǎn)化結(jié)果作出溫度-剩余質(zhì)量曲線,如圖3所示。由圖3可知,在程序升溫到100℃之前,復(fù)合膠體和水失水速率都較緩慢,在100℃之后,它們的失水速率明顯加快,并且在100～120℃時(shí),復(fù)合膠體和水的失水速率變化相對更快;同時(shí)復(fù)合膠體在程序升溫過程中的失水速率都比水慢,即每次稱重時(shí)它們剩余的質(zhì)量均大于水的相應(yīng)值。在升溫到170℃時(shí),盛水的燒杯首先被蒸發(fā)干,而盛復(fù)合膠體的燒杯內(nèi)仍有一部分膠體剩余。因此可知復(fù)合膠體在程序升溫時(shí)仍具有良好的保水性能?？傊?在高溫條件下,復(fù)合膠體的溫度可升高到100℃以上,超過水的沸點(diǎn)。同時(shí)在高溫和程序升溫情況下,復(fù)合膠體失水速率也都比水慢。說明復(fù)合膠體材料在防滅火方面具有比水更優(yōu)越的性能。3硬體阻滯性能實(shí)驗(yàn)3.1復(fù)合資金質(zhì)量與co體積分?jǐn)?shù)考慮到氧氣是煤炭自熱并發(fā)生自燃必不可少的條件,考察不同阻化劑對氧氣的阻緩效果。選擇復(fù)合膠體和無機(jī)阻化劑氯化鎂阻化劑,比較相同條件下它們與氧氣反應(yīng)放出CO的體積分?jǐn)?shù),放出CO體積分?jǐn)?shù)越大,說明對氧氣的阻緩效果越差;反之則說明形成的固結(jié)層對氧氣的阻緩效果越明顯。實(shí)驗(yàn)采用程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展開關(guān)于復(fù)合膠體和氯化鎂抑制煤炭氧化自燃性能的相關(guān)研究。采用程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置。在此基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)對裝置加以改善和優(yōu)化,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。3.2煤溫升對阻燃co效果的影響該環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)研究是在固定煤樣種類、粒徑等某些外部條件下,在常規(guī)氧濃度的漏風(fēng)環(huán)境中進(jìn)行煤樣自燃性測試,從而得出原煤樣和加入復(fù)合膠體的煤樣的氧化自燃過程中各參數(shù)的變化。在實(shí)驗(yàn)中,在保持與煤自燃性測試實(shí)驗(yàn)相同的升溫條件的同時(shí)保證較高的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和精度,進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5中曲線可以看出,隨著煤溫升高,各組試樣產(chǎn)生CO的體積分?jǐn)?shù)都是隨之上升。進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),各個(gè)曲線幾乎全部處于原樣曲線之下,這就說明阻化劑的存在使得煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO的量比未添加阻化劑的條件下減少。而且從圖中可以看到,復(fù)合膠體和氯化鎂(20%)均表現(xiàn)出很好的阻化效果,尤其在煤溫升到120℃以后,基本抑制住了CO的產(chǎn)生。對比圖5中曲線可以看出,原樣實(shí)驗(yàn)曲線是非常高的,特別是在100℃以上階段,這一趨勢極其明顯。說明隨溫度升高,CO隨溫度產(chǎn)生率是不斷增加的。添加阻化劑后的試驗(yàn)曲線,相應(yīng)溫度下這一比值均低于原樣,特別是在100℃以上階段,其值是遠(yuǎn)低于原樣的相應(yīng)值的,復(fù)合膠體和氯化鎂(20%)均表現(xiàn)出很好的阻化效果。對比圖5中復(fù)合膠體和氯化鎂曲線可以得出:可以發(fā)現(xiàn)加入復(fù)合膠體的煤樣曲線幾乎全部處于加入氯化鎂曲線之下,這就說明復(fù)合膠體可使得煤樣氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO的量更少,表現(xiàn)出更好的阻化效果,并且阻化率130℃之后,復(fù)合膠體的阻化率達(dá)到88%。4復(fù)合膠體的特點(diǎn)(1)復(fù)合膠體防滅火材料具有單一材料無法比擬的優(yōu)越的綜合性能,可提供任何單一材料所無法獲得的特性,提高防滅火的效率和安全性。(2)復(fù)合膠體防滅火材料具有良好的吸熱性能和保水性能。在高溫條件下,復(fù)合膠體的溫度可升高到100℃以上,超過水的沸點(diǎn)。同時(shí)在高溫情況下,復(fù)合膠體失水速率也都比水慢。(3)復(fù)合膠體滅火實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)