一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶及其制备方法

本发明属于防灭火材料，主要涉及防灭火材料及其制备方法，具体为一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、在煤矿开采过程中90％以上的矿井火灾是由煤自燃引起的。煤在有氧环境中会与氧气发生氧化反应并积蓄热量，导致煤温缓慢上升，当煤温超过临界温度后煤温将剧烈上升并发生自燃。煤自燃不仅损坏煤炭资源，更会引发矿井火灾、瓦斯爆炸等重大事故，对井下工作人员生命安全和设备安全造成巨大威胁。为营造安全的开采环境，必须对煤自燃问题采取有效的防治措施。

2、矿井采空区的空洞区垮落后形成的冒落空隙与离层裂隙为采空区遗煤提供了大量的漏风通道，导致采空区成为煤矿最易发生煤炭自燃的区域，60％的自燃火灾发生在采空区。对于矿井火灾或者煤田火灾，煤自燃不是均衡发展的，而是存在高温点。火区高温点可能在火区的任何地方形成和发展，并且高温点随着煤矿回采、裂隙漏风逐渐发生变化；如果火区高温点得不到有效的防治，最终会演变为煤自燃事故。复杂的井下环境为煤自燃提供了良好的条件，增加了高温点位置的探测难度，因此急需开发一种能够自动识别火区高温点，利用火区温度顺序释放并靶向驻留的材料。目前的材料有温敏相变凝胶，利用温敏材料低温下的流动性较好和高温成胶的特点，但仍存在相变前初始黏度过大，相变时失去水分较多并且成胶缓慢的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，提供一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶及其制备方法，制备的凝胶材料初始状态为流动性很好的液体，经过火区高温点时微胶囊破裂会形成凝胶黏度增加，实现了火区高温点的靶向识别和驻留，且材料无毒，成本较低，应用前景广阔。

2、为实现上述技术目的，本发明公开一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，先通过复凝聚法制备微胶囊，微胶囊为壁材包裹芯材的结构，之后在将微胶囊加入硅酸钠溶液形成悬浮液；在常温下悬浮液中微胶囊芯材与硅酸钠溶液基材分离，当遇到高温后两者自动混合灭火；

3、步骤如下：

4、s1、分别利用固态的多糖和明胶制备明胶溶液和多糖溶液，混合均匀，得壁材溶液；固态多糖和明胶的质量比为1:6～1:2，制备的明胶的浓度为1～3wt％，制备的多糖溶液与明胶溶液溶剂量相同，以此质量比来确定浓度比；

5、s2、向所述壁材溶液中加入作固体颗粒状的酸性物质，酸性物质与s1制备壁材溶液使用的固态多糖和明胶总量的质量比为0.75:1～1.2:1；均质后调节壁材溶液ph值至3.6～4.4，反应析出胶体包裹作为芯材的酸性物质，调节ph值后得到聚合物乳液；

6、s3、向聚合物乳液中加入固化剂水溶液，交联固化，由于多糖和明胶带相反电荷，使明胶从溶液中凝聚出来，从而包裹住作为芯材的酸性物质，冷冻干燥后即可获得颗粒状的微胶囊；固化剂为35％甲醛水溶液，酸性物质与35％甲醛水溶液的用量比为1:6～1:15；

7、s4、将微胶囊加入浓度为10wt％的硅酸钠溶液中混合均匀，得所述基于温控释放的矿用防灭火凝胶。

8、进一步，步骤s1中，所述多糖和明胶的质量比优选为1:3。

9、进一步，步骤s2中，壁材溶液中加入酸性物质均质的转速为600r/min～1200r/min，均质的时间为5min～8min。

10、进一步，酸性物质包括醋酸、乳酸、氯化铵、硫酸铵、硫酸氢钠、硫酸氢铵水溶液的一种或多种；多糖包括阿拉伯胶、羧甲基纤维素、海藻酸钠、琼脂糖、环糊精或淀粉中至少一种。

11、进一步，调节ph值时的温度为30℃～60℃，调节搅拌时间为30min～40min。

12、进一步，向聚合物乳液中加入固化剂水溶液交联固化的时间为30min～50min。

13、进一步，冷冻干燥的温度为-40℃～-50℃，冷冻干燥的时间为10h～16h。

14、一种权利要求1所述基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法制备的基于温控释放的矿用防灭火凝胶。

15、进一步，由硅酸钠溶液和微胶囊组成，微胶囊包括酸性试剂组成的囊芯和包覆于所述囊芯外部的囊壁，其中囊芯为酸性物质，囊壁壁材为明胶和多糖的共聚物，微胶囊的囊壁壁材在高温下熔化释放出囊芯与硅酸钠溶液反应生成凝胶。

16、一种使用权利要求8所述基于温控释放的矿用防灭火凝胶的应用：在采空区疑似高温区的上游喷洒或注入基于温控释放的矿用防灭火凝胶，使矿用防灭火凝胶流经疑似高温区，如果凝胶遇到真正的高温区，则矿用防灭火凝胶中的微胶囊壁材熔化，被壁材包裹的酸性物质与硅酸钠溶液发生相变生成硅酸凝胶，形成的硅酸凝胶黏度增加，流动性减弱，在高温处堆积，完成真正高温区域的识别和驻留。

17、有益效果

18、与现有技术相比，本发明所提供的一种防治煤炭自燃的无机温敏相变凝胶材料及其制备方法和应用，具体有以下优势：

19、本发明防治煤炭自燃的无机温敏相变凝胶材料，无毒无害，不会污染环境，来源广泛，价格低廉可控，制作工艺简单高效。凝胶硅酸钠是一种水溶性硅酸盐，可作为纸板，木材，耐火材料的粘合剂，用于玻璃制造使玻璃更具有耐火、抗腐蚀等特性，也能用于制造可生物降解的环保材料，能与酸性物质反应形成硅酸凝胶。本发明通过微胶囊温控释放，使得硅酸钠水溶液形成硅酸凝胶，可实现凝胶材料初始状态为流动性较好的液体，经过火区高温点时会形成凝胶黏度增加，实现火区的靶向驻留。微胶囊粒径在几十微米左右，体积小，可以均匀分布在煤块的缝隙中，覆盖范围广，能在较小的尺度下稳定形成凝胶。相比于有机温敏相变凝胶，本发明提供的无机硅酸钠凝胶成胶速度快，初始流动性好，价格低廉，安全环保。

技术特征：

1.一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，先通过复凝聚法制备微胶囊，微胶囊为壁材包裹芯材的结构，之后在将微胶囊加入硅酸钠溶液形成悬浮液；在常温下悬浮液中微胶囊芯材与硅酸钠溶液两者基材分离，当遇到高温后两者自动混合灭火；

2.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述多糖和明胶的质量比优选为1:3。

3.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s2中，壁材溶液中加入酸性物质均质的转速为600r/min～1200r/min，均质的时间为5min～8min。

4.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，酸性物质包括醋酸、乳酸、氯化铵、硫酸铵、硫酸氢钠、硫酸氢铵水溶液的一种或多种；多糖包括阿拉伯胶、羧甲基纤维素、海藻酸钠、琼脂糖、环糊精或淀粉中至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，调节ph值时的温度为30℃～60℃，调节搅拌时间为30min～40min。

6.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，向聚合物乳液中加入固化剂水溶液交联固化的时间为30min～50min。

7.根据权利要求1所述的一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法，其特征在于，冷冻干燥的温度为-40℃～-50℃，冷冻干燥的时间为10h～16h。

8.一种权利要求1所述基于温控释放的矿用防灭火凝胶的制备方法制备的基于温控释放的矿用防灭火凝胶。

9.根据权利要求8所述的基于温控释放的矿用防灭火凝胶，其特征在于：由硅酸钠溶液和微胶囊组成，微胶囊包括酸性试剂组成的囊芯和包覆于所述囊芯外部的囊壁，其中囊芯为酸性物质，囊壁壁材为明胶和多糖的共聚物，微胶囊的囊壁壁材在高温下熔化释放出囊芯与硅酸钠溶液反应生成凝胶。

10.一种使用权利要求8所述基于温控释放的矿用防灭火凝胶的应用，其特征在于：在采空区疑似高温区的上游喷洒或注入基于温控释放的矿用防灭火凝胶，使矿用防灭火凝胶流经疑似高温区，如果凝胶遇到真正的高温区，则矿用防灭火凝胶中的微胶囊壁材熔化，被壁材包裹的酸性物质与硅酸钠溶液发生相变生成硅酸凝胶，形成的硅酸凝胶黏度增加，流动性减弱，在高温处堆积，完成真正高温区域的识别和驻留。

技术总结本发明公开一种基于温控释放的矿用防灭火凝胶及其制备方法，属于防灭火材料技术领域，矿用防灭火凝胶包括硅酸钠溶液和微胶囊，微胶囊包括酸性试剂组成的囊芯和包覆于所述囊芯外部的囊壁，囊芯为酸性试剂，囊壁为明胶和多糖的共聚物，矿用防灭火凝胶流经疑似高温区，如果凝胶遇到真正的高温区，则矿用防灭火凝胶中的微胶囊壁材熔化，被壁材包裹的酸性物质与硅酸钠溶液发生相变生成硅酸凝胶，形成的硅酸凝胶黏度增加，流动性减弱，在高温处堆积，完成真正高温区域的识别和驻留，解决了传统温敏相变凝胶相变前初始黏度过大，相变时失去水分较多并且成胶缓慢的问题，实现了火区高温点的靶向识别和驻留，且材料无毒，成本较低，应用前景广阔。技术研发人员：邵昊,陶奕帆,裴晓东,蒋曙光,吴征艳,张卫清,袁玉洁受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19