一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属防灭火材料技术领域，提供一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料及其制备方法和应用，柠檬酸铝溶液中加入羧甲基纤维素钠水溶液和葡萄糖酸

【技术实现步骤摘要】
一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于防灭火材料
，具体涉及一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在“双碳”目标背景下，煤炭企业必须坚持创新发展理念。煤炭作为我国能源结构的主体，据统计，2022年煤炭消耗量在能源总消耗中的比重为56.2%。而在总煤矿火灾事故中，煤层自燃占比约75%，严重影响煤炭企业乃至社会的稳定发展。
[0003]目前，在众多防灭火技术当中，凝胶防灭火技术因具有优异的防灭火性能而被广泛应用，但单一凝胶存在网络结构受热易分解，稳定性较差，防灭火效果不佳等问题，已经有不少学者通过把俩类具有不同空间结构的单网络凝胶相结合，来提高凝胶的力学性能，但将双网络凝胶作为防灭火材料的研究报道尚很少见。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料及其制备方法和应用，该凝胶空间网状结构紧密，表现出良好的力学性能、自恢复性能，保证低毒性，应用范围广，使用寿命长，节省成本；凝胶成胶时间可控，稳定性好，堵漏性强，阻化性能优良，灭火效果好且稳定。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料，聚氯化铝与柠檬酸反应生成柠檬酸铝，以羧甲基纤维素钠CMC和聚丙烯酰胺为主料，蒙脱土MMT和柠檬酸铝为辅料，引入两种物理相互作用来构筑双交联网络结构，柠檬酸铝溶液中加入羧甲基纤维素钠水溶液和葡萄糖酸
‑
δ
‑
内酯，以柠檬酸铝中Al
3+
与羧甲基纤维素钠分子链上的羧基之间的配位作用为第一交联点，形成的Al
3+
‑
羧甲基纤维素钠网络作为第一网络，以蒙脱土纳米粒子与聚丙烯酰胺链间的氢键相互作用为第二交联点，形成的蒙脱土
‑
聚丙烯酰胺网络作为第二网络，采用两步法制备具备紧密三维网状Al
3+
‑
羧甲基纤维素钠/蒙脱土
‑
聚丙烯酰胺双网络防灭火凝胶；其中：所述羧甲基纤维素钠：聚丙烯酰胺：蒙脱土：聚氯化铝：柠檬酸：葡萄糖酸
‑
δ
‑
内酯的质量比为2
‑
3：1
‑
3：1
‑
3：0.8
‑
1.25：0.4
‑
0.625：1.5
‑
2.5。
[0006]制备所述全物理交联双网络凝胶防灭火材料的方法，包括以下步骤：（1）配制质量浓度为2～3%的羧甲基纤维素钠水溶液，置于室温环境下，备用；（2）蒙脱土均匀分散在去离子水中，250r
∙
min
‑1搅拌24h，再超声处理1h，使其充分溶解于去离子水中，再将聚丙烯酰胺加入蒙脱土溶液中，磁力搅拌10min，至完全溶解于溶液中，备用；该溶液中蒙脱土的质量浓度为1
‑
3%，聚丙烯酰胺的质量浓度为1
‑
3%；（3）按照柠檬酸与聚氯化铝的质量比为2:1的比例，将柠檬酸加入到聚氯化铝溶液中，快速搅拌充分反应，形成质量浓度为10%的柠檬酸铝溶液；（4）将质量浓度为5%的氢氧化钠溶液缓慢滴入柠檬酸铝溶液中，并监测其pH至6.3
‑
6.7时，停止滴定；
（5）将步骤（4）所得溶液与步骤（1）所制备的羧甲基纤维素钠溶液混合，然后添加葡萄糖酸
‑
δ
‑
内酯，葡萄糖酸
‑
δ
‑
内酯添加量为羧甲基纤维素钠溶液体积的1.5
‑
2.5%，搅拌均匀；（6）将步骤（2）所得溶液与步骤（5）所得溶液按比例混合，即得所述全物理交联双网络凝胶防灭火材料。
[0007]步骤（3）中聚氯化铝溶液的质量浓度为20%。
[0008]全物理交联双网络凝胶防灭火材料在煤自燃防灭火中的应用，全物理交联双网络凝胶防灭火材料为上述全物理交联双网络凝胶防灭火材料或由所述方法制备而成，所述全物理交联双网络凝胶防灭火材料通过喷枪喷洒或高压压注应用于煤自燃防灭火。
[0009]上述各步骤均在常温常压下进行，羧甲基纤维素钠溶液和聚丙烯酰胺溶液浓度均比较高，柠檬酸铝、葡萄糖酸
‑
δ
‑
内酯以及蒙脱土在其内的扩散或分散较困难，混合时需强力搅拌，防止局部高浓度的聚合物与高浓度的交联剂接触而迅速发生交联反应导致凝胶的不均匀性。
[0010]通过本专利技术的制备方法制备的防灭火双网络凝胶，主要通过喷枪喷洒或高压压注的形式应用在煤自燃防灭火中。
[0011]本专利技术所述全物理交联双网络凝胶防灭火材料引入两种相互作用来构筑全物理交联双网络结构，其中以三价铝离子(Al
3+
)与羧甲基纤维素钠分子链上的羧基之间的配位作用为第一交联点,形成羧甲基纤维素钠
‑
Al
3+
网络作为第一网络，以钠基蒙脱土纳米粒子与聚丙烯酰胺链段间通过氢键相互作用为第二交联点，形成蒙脱土
‑
聚丙烯酰胺网络作为第二网络，采用“两步法”制备Al
3+
‑
羧甲基纤维素钠/蒙脱土
‑
聚丙烯酰胺双网络防灭火凝胶。在酸性条件下，H
+
率先使与Al配位的羧基发生断裂，之后Al
3+
开始与CMC的含羧基钠官能团产生交联聚合，线状CMC在与Al
3+
的交联络合作用下逐渐呈现团状。蒙脱土MMT纳米颗粒作为聚丙烯酰胺凝胶网络的辅助交联剂以及改性剂，利用MMT表面丰富的活性位点和官能团来提升凝胶的交联度，进而增加凝胶网络密度，另外，蒙脱土填充于双网络结构孔隙中，使凝胶体系内分子密度增大、分子排列更加紧密。
[0012]凝胶处于30
‑
120℃的高温环境中时，其网络结构依然能够保持不被破坏，说明通过全物理交联的双网络凝胶具备优异的热稳定性；经凝胶处理的煤样与原煤对比，会发现经凝胶处理的煤样在水分蒸发及脱附、吸氧增重、受热分解阶段的质量均低于原煤，后期燃烧阶段与原煤的变化基本相同，凝胶处理煤样的DSC曲线的前三个阶段的温度跟原煤相比，均有一定程度的延迟；充填双网络凝胶后两端相对压力可达152 kPa，约为未充填时的13倍，堵漏性能优异；注入凝胶50min时煤堆由800℃下降至412℃，120min时下降至134℃，随后煤温基本保持不变，可见双网络凝胶的加入使得火源温度显著降低、灭火稳定。
[0013]双网络凝胶具备十分紧密的三维网状空间结构，表现出良好的力学性能、自恢复性能，保证低毒性，应用范围广，使用寿命长，节省成本；凝胶成胶时间可控，稳定性好，堵漏性强，阻化性能优良，灭火效果好且稳定，适用于煤自燃防治。
[0014]本专利技术采用双重物理可逆交联的方式，用非共价相互作用完全取代传统的共价交联，获得综合性能较为突出的全物理交联双网络凝胶防灭火材料，对煤自燃防治具有重要意义。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全物理交联双网络凝胶防灭火材料，其特征在于：聚氯化铝与柠檬酸反应生成柠檬酸铝，以羧甲基纤维素钠和聚丙烯酰胺为主料，蒙脱土和柠檬酸铝为辅料，引入两种物理相互作用来构筑双交联网络结构，柠檬酸铝溶液中加入羧甲基纤维素钠水溶液和葡萄糖酸
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δ
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内酯，以柠檬酸铝中Al
3+
与羧甲基纤维素钠分子链上的羧基之间的配位作用为第一交联点，形成的Al
3+
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羧甲基纤维素钠网络作为第一网络，以蒙脱土纳米粒子与聚丙烯酰胺链间的氢键相互作用为第二交联点，形成的蒙脱土
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聚丙烯酰胺网络作为第二网络，采用两步法制备具备紧密三维网状Al
3+
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羧甲基纤维素钠/蒙脱土
‑
聚丙烯酰胺双网络防灭火凝胶；其中：所述羧甲基纤维素钠：聚丙烯酰胺：蒙脱土：聚氯化铝：柠檬酸：葡萄糖酸
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δ
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内酯的质量比为2
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3：1
‑
3：1
‑
3：0.8
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1.25：0.4
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0.625：1.5
‑
2.5。2.制备权利要求1所述全物理交联双网络凝胶防灭火材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）配制质量浓度为2～3%的羧甲基纤维素钠水溶液，置于室温环境下，备用；（2）蒙脱土均匀分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：周春山，田雅琪，陈鹏燕，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：