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CN107057016B - 矿用堵水材料及制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子材料领域。目的是提供一种安全环保、阻燃性能优异的矿用堵水材料及制备装置。采用的技术方案是：矿用堵水材料包括A、B两种组分，所述A组分按重量计由阻燃聚醚多元醇48～52份、阻燃聚酯多元醇36～43份、异氰酸酯45～55份、纳米碳酸钙5～8份和硅油2～3份组成；所述B组分按重量计由聚醚多元醇25～35份、催化剂0.5～0.8份、丙二醇碳酸酯8～12份、氧化锑3～4份、氢氧化镁2～3份和二乙胺基乙醇1～2份组成。本发明安全环保，具有优异的阻燃性能和固化性能，有利于施工安全和保护施工人员的身体健康。

Description

矿用堵水材料及制备装置
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及矿用堵水材料及制备装置。
背景技术
目前，矿山巷道、竖井、隧道、海底隧道、地铁等地下工程开挖时，常出现渗漏现象，尤其在岩石中构筑的地下工程中，有时会遇到大量的地下水涌出，地下水通过岩石裂隙对地下工程可造成严重的危害，需要采用聚氨酯堵水材料控制涌水或防渗堵漏。坝体坝基的防渗，基坑周边渗水和基底涌水涌砂也可以采用聚氨酯注浆法处理。
聚氨酯化学堵水材料是继丙烯酰胺与环氧树脂类浆材之后研究出的一种新的防渗堵漏固结材料，聚氨酯灌浆材料活性大，防渗堵漏能力强，可带水施工，可满足不同要求，是使用范围广、性能很好的一种堵水材料。聚氨酯堵水材料遇水以后能立即与水发生扩链、支化及交联反应，造成体积膨胀并最终生成一种不溶于水的，有一定强度的无毒凝胶状固结体。聚氨酯堵水材料可以凭借其膨胀性、渗透性和密封性优良的特点实现冒落孔洞的迅速填充，阻止冒落的进一步恶化 ；可实现动水的迅速堵漏，与细小岩缝的填充，阻止透水事故的发生。
在现有技术中，常用的聚氨酯堵水材料常采用甲苯二异氰酸酯成分，其蒸气压较高，挥发毒性大，会刺激眼睛、皮肤和呼吸系统，可能致癌，严重影响了施工人员的身体健康。同时，现有聚氨酯堵水材料中含有大量的有机溶剂，如丙酮、二甲苯、甲苯、丁酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯等，这些溶剂在使用过程中不但对环境污染严重，对施工人员的健康不利，且对在煤矿井下安全生产威胁严重，溶剂挥发至空气中，易发生燃烧爆炸事故。虽然普通的聚氨酯材料在固化时会产生二氧化碳，具备一定的阻燃性，但阻燃效果远远不够，如果产生增加二氧化碳的量会使发泡后的浆材固结体失去原有的力学强度，易导致注浆失败。因此，如何协调聚氨酯堵水材料的粘度、固化性能、环保性和安全性是近些年国内同行对聚氨酯堵水材料研究重点。
此外，聚氨酯堵水材料的制备装置为具备搅拌、加热功能的反应釜，使物料在反应釜中充分混合反应和聚合。但合成聚氨酯材料的物料粘度较大，现有的制备装置大多将搅拌叶设置在反应釜底部，难以达到理想的搅拌效果，且加热装置多分布在反应釜的外围，搅拌效果也会影响物料温度的一致性，容易导致外部物料温度过高而中心物料温度较低的现象。同时，聚氨酯堵水材料的制备对反应的气体环境也有一定要求，需要制备装置配以更换反应釜内气体的结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全环保、阻燃性能优异的矿用堵水材料及制备装置。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：矿用堵水材料及制备装置，所述矿用堵水材料包括A、B两种组分，所述A组分按重量计由阻燃聚醚多元醇48～52份、阻燃聚酯多元醇36～43份、异氰酸酯45～55份、纳米碳酸钙5～8份和硅油2～3份组成；所述B组分按重量计由聚醚多元醇25～35份、催化剂0.5～0.8份、丙二醇碳酸酯8～12份、氧化锑3～4份、氢氧化镁2～3份和二乙胺基乙醇1～2份组成。
所述阻燃聚醚多元醇为含磷聚醚多元醇，所述含磷聚醚多元醇中磷的质量分数为10%～12%，羟值为150～230mgKOH/g；所述阻燃聚酯多元醇的羟值为200～395 mgKOH/g，粘度为2000～4000mPa·s/25℃；所述异氰酸酯采用4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或两种以任意比例混合；所述聚醚多元醇的官能度为3，粘度为180～380 mPa·s/25℃。
优选的：所述阻燃聚酯多元醇为PF-3805或PF-2011中的一种或两种以任意比例混合。
优选的：所述的阻燃聚酯多元醇为PF-3805与PF-2011按3:2的比例混合。
优选的：所述的纳米碳酸钠的粒径为65～75nm。
优选的：所述的催化剂是二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、三乙烯二胺中的一种或两种以任意比例混合。
优选的：所述的催化剂是二月桂酸二丁基锡和三乙烯二胺按5:2的比例混合。
优选的：所述的聚醚多元醇为NJ-305、NJ-310中的一种或两种以任意比例混合。
优选的：所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将阻燃聚醚多元醇和阻燃聚酯多元醇加入制备装置中，在102～112℃条件下真空脱水2～3h，然后停止加热并加入纳米碳酸钙在氮气保护下搅拌20～30min；待温度冷却至45～55℃，向制备装置中加入异氰酸酯，反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌150～200min；再加入硅油搅拌均匀，得到A组分。
将聚醚多元醇、催化剂、丙二醇碳酸酯、氧化锑、氢氧化镁、二乙胺基乙醇按比例投入制备装置中，室温下搅拌均匀，得到组分B。
使用时，将A组分与B组分按1:0.8～1.2的比例混合注浆即可。
优选的：所述矿用堵水材料采用的制备装置为反应釜，所述反应釜包括机体，所述机体中设置搅拌机构，所述搅拌机构由设置在机体顶部的电机驱动；所述机体的顶部设有进料管、底部设有出料管、中部设有真空抽气口，所述进料管和出料管上设有控制阀门，所述机体侧壁上设置加热管；所述进料管下方固定有物料盘，所述物料盘由机体侧壁斜向下倾斜向机体中央；所述真空抽气口设置在最高液位上方；所述搅拌机构包括搅拌轴、横杆和搅拌叶，所述横杆固定在搅拌轴上并与搅拌轴相垂直，所述搅拌叶为两根，所述两个搅拌叶相互对称以反向螺旋状固定在横杆的端面上；机体底部设置支脚。
优选的：所述机体的内侧壁正对真空抽气口的部位安装有挡板。
本发明具有以下有益效果：安全环保，具有优异的阻燃性能和固化性能，有利于施工安全和保护施工人员的身体健康。具体来说，本发明采用阻燃聚醚多元醇和阻燃聚酯多元醇作为原料，大大提高了产品的阻燃性能，避免了地下施工作业过程中出现燃烧爆炸事故的情况。A组分中采用纳米碳酸钙对聚氨酯材料进行改性，提高了聚氨酯材料固化后的压缩强度，也使聚氨酯材料固化后形成的泡孔结构完整、尺寸较小、分布均匀。且在不添加有机溶剂的情况下，产品粘度小，可灌性强，安全环保，施工方便。本发明堵水材料的制备装置结构简单，在物料盘和螺旋状搅拌叶的作用下搅拌混合效果好，且具备抽真空换气结构，能够满足矿用堵水材料制备的反应条件。
附图说明
图1为本发明制备装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的矿用堵水材料的制备装置，包括机体1，所述机体1中设置搅拌机构，所述搅拌机构由设置在机体1顶部的电机2驱动，所述电机2与搅拌机构之间为轴向密封连接，这样可以确保机体1内的密封性能，有利于控制机体1内的气体环境。所述机体1的顶部设有进料管3、底部设有出料管4、中部设有真空抽气口5，所述进料管3和出料管4上设有控制阀门，所述机体1侧壁上设置加热管6。所述进料管3下方固定有物料盘7，所述物料盘7由机体1侧壁斜向下倾斜向机体1中央，这样可以起到分散物料的作用，避免物料在机体1底部的一侧堆积，有利于物料达到更好的搅拌混合效果，使物料的温度和混合具有较高的一致性。所述真空抽气口5设置在最高液位上方，即真空抽气口5位于机体1中部较高的位置，如图1所示，真空抽气口5位于机体1右侧的中上部，贯穿机体1的侧壁与机体1内部连通。进一步的，为了防止物料溅入真空抽气口5，堵塞抽气管道，所述机体1的内侧壁正对真空抽气口5的部位安装有挡板11，挡板11能够防止物料进入真空抽气口5内。
为了增强搅拌效果，所述搅拌机构包括搅拌轴8、横杆9和搅拌叶10，所述横杆9固定在搅拌轴8上并与搅拌轴8相垂直，横杆9的数量可以设置多个，至少为三个，这样搅拌叶10才能形成螺旋状结构。所述搅拌叶10为两根，所述两个搅拌叶10相互对称以反向螺旋状固定在横杆9的端面上，这里的端面是指横杆9的径向截面，如图1所示，横杆9的端面为左右两端的径向截面。机体1底部设置支脚12，支脚12对机体1起支撑作用。
本发明的制备装置在使用时，先将阻燃聚醚多元醇和阻燃聚酯多元醇按比例投入机体1中，将真空抽气口5连通真空泵，并开启加热管6将温度控制在102～112℃，进行真空脱水。脱水结束后关闭加热管6，向机体中加入纳米碳酸钙，并将真空抽气口5连通氮气罐，向机体1内通入氮气保护，开启电机2驱动搅拌机构进行搅拌。待机体1中温度降至45～55℃后，再加入异氰酸酯，开启加热管6控制温度维持在75～85℃，维持氮气保护进行搅拌，3h后加入硅油搅拌均匀即可得到A组分。制备B组分时则将原料按比例投入机体1中，开启电机2驱动搅拌机构将其搅拌均匀即可。
下面具体提供优选的实施例，以使本领域技术人员更加清楚本发明的技术方案和效果。
实施例一
所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将5kgFR-1830（万华化学）和4kgPF-3805（羟值380 mgKOH/g，粘度3500 mPa·s/25℃）加入反应釜中。将真空抽气口5连通真空泵并开启加热管6，在102～112℃条件下真空脱水2.5h，然后关闭真空泵和加热管6并加入0.6kg粒径为70nm的纳米碳酸钙。将真空抽气口5与氮气罐连接，在氮气保护下搅拌25min。待温度冷却至45～55℃，向反应釜中加入5kg异佛尔酮二异氰酸酯，再次打开加热管6将反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌180min；再加入0.2kg硅油搅拌均匀，得到A组分。
将3kgNJ-305（官能度3，粘度280 mPa·s/25℃）、0.05kg二月桂酸二丁基锡、0.02kg三乙烯二胺、1kg丙二醇碳酸酯、0.3kg氧化锑、0.2kg氢氧化镁、0.1kg二乙胺基乙醇投入反应釜中，室温下搅拌均匀，得到B组分。
将A组分与B组分分装保存，使用时，A组分与B组分按1:1的比例混合注浆即可。
实施例二
所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将4.8kg FR-2026（万华化学）和4kg PF-2011（羟值220 mgKOH/g，粘度2000 mPa·s/25℃）加入反应釜中。将真空抽气口5连通真空泵并开启加热管6，在102～112℃条件下真空脱水2h，然后关闭真空泵和加热管6并加入0.5kg粒径为70nm的纳米碳酸钙。将真空抽气口5与氮气罐连接，在氮气保护下搅拌20min。待温度冷却至45～55℃，向反应釜中加入4.5kg4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯，再次打开加热管6将反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌150min；再加入0.2kg硅油搅拌均匀，得到A组分。
将2.5kg NJ-310（官能度3，粘度240 mPa·s/25℃）、0.04kg二月桂酸二丁基锡、0.01kg辛酸亚锡、0.8kg丙二醇碳酸酯、0.3kg氧化锑、0.2kg氢氧化镁、0.1kg二乙胺基乙醇投入反应釜中，室温下搅拌均匀，得到B组分。
将A组分与B组分分装保存，使用时，A组分与B组分按1:0.8的比例混合注浆即可。
实施例三
所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将5.2kg FR-2026（万华化学）、1.8kgPF-3805（羟值380 mgKOH/g，粘度3500 mPa·s/25℃）和2kg PF-2011（羟值220 mgKOH/g，粘度2000 mPa·s/25℃）加入反应釜中。将真空抽气口5连通真空泵并开启加热管6，在102～112℃条件下真空脱水3h，然后关闭真空泵和加热管6并加入0.8kg粒径为70nm的纳米碳酸钙。将真空抽气口5与氮气罐连接，在氮气保护下搅拌30min。待温度冷却至45～55℃，向反应釜中加入5.5kg4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯，再次打开加热管6将反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌200min；再加入0.3kg硅油搅拌均匀，得到A组分。
将3.5kg NJ-310（官能度3，粘度240 mPa·s/25℃）、0.05kg二月桂酸二丁基锡、0.03kg辛酸亚锡、1.2kg丙二醇碳酸酯、0.4kg氧化锑、0.3kg氢氧化镁、0.2kg二乙胺基乙醇投入反应釜中，室温下搅拌均匀，得到B组分。
将A组分与B组分分装保存，使用时，A组分与B组分按1:1.2的比例混合注浆即可。
实施例四
所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将5kg FR-1830（万华化学）、2.4kgPF-3805（羟值380 mgKOH/g，粘度3500 mPa·s/25℃）和1.6kg PF-2011（羟值220 mgKOH/g，粘度2000 mPa·s/25℃）加入反应釜中。将真空抽气口5连通真空泵并开启加热管6，在102～112℃条件下真空脱水2.5h，然后关闭真空泵和加热管6并加入0.7kg粒径为70nm的纳米碳酸钙。将真空抽气口5与氮气罐连接，在氮气保护下搅拌25min。待温度冷却至45～55℃，向反应釜中加入5kg异佛尔酮二异氰酸酯，再次打开加热管6反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌180min；再加入0.2kg硅油搅拌均匀，得到A组分。
将1.5kg NJ-310（官能度3，粘度240 mPa·s/25℃）、1.8kgNJ-305（官能度3，粘度280 mPa·s/25℃）、0.05kg二月桂酸二丁基锡、0.02kg三乙烯二胺、1kg丙二醇碳酸酯、0.3kg氧化锑、0.2kg氢氧化镁、0.2kg二乙胺基乙醇投入反应釜中，室温下搅拌均匀，得到B组分；将A组分与B组分分装保存，使用时，A组分与B组分按1:1的比例混合注浆即可。
实施例五
所述的矿用堵水材料按以下步骤制备：
将5kg FR-2026（万华化学）、2kgPF-3805（羟值380 mgKOH/g，粘度3500 mPa·s/25℃）和2.2kg PF-2011（羟值220 mgKOH/g，粘度2000 mPa·s/25℃）加入反应釜中。将真空抽气口5连通真空泵并开启加热管6，在102～112℃条件下真空脱水2.5h，然后关闭真空泵和加热管6并加入0.8kg粒径为70nm的纳米碳酸钙。将真空抽气口5与氮气罐连接，在氮气保护下搅拌30min。待温度冷却至45～55℃，向反应釜中加入5kg4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯，再次打开加热管6将反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌200min；再加入0.3kg硅油搅拌均匀，得到A组分。
将2kg NJ-310（官能度3，粘度240 mPa·s/25℃）、1.5kgNJ-305（官能度3，粘度280mPa·s/25℃）、0.05kg二月桂酸二丁基锡、0.02kg辛酸亚锡、1.2kg丙二醇碳酸酯、0.4kg氧化锑、0.3kg氢氧化镁、0.2kg二乙胺基乙醇投入反应釜中，室温下搅拌均匀，得到B组分。
将A组分与B组分分装保存，使用时，A组分与B组分按1:0.8的比例混合注浆即可。
产品检测
对实施例一到实施例五（简称例一到例五）制备得到的产品进行性能检测，检测内容包括密度、粘度、包水性、发泡率、固化时间、抗压强度和氧指数。测定方法如下：
密度按GB/T8077-2000中的5.3规定进行，粘度按GB/T2794-1995中的5.1规定进行。
包水性：将测定试样与10倍质量的水混合，测定从开始混合至容器中倒不出水时的时间，所用水符合GB/T6682-2008要求的三级水。
发泡率：按实施例中给出的比例将A、B组分混合，测定固化后泡沫体体积与原A、B组分体积的比例。
固化时间：按实施例中给出的比例将A、B组分混合开始计时，待泡沫体不再上升且手触泡沫体无粘手现象，停止计时。
抗压强度：按实施例中给出的比例将A、B组分混合固化后，放置168h，按GB/T1041-1992进行抗压强度测试。
氧指数值：按GB/T8624-2012的规定进行。得到检测结果如下表所示：
表一 例一到例五产品的性能参数
上表中的氧指数为材料在氮氧混合气流中进行有焰燃烧所需的最低浓度，氧指数高表示材料不易燃烧。本发明的堵水材料氧指数值均在27%以上，例三到例五的产品甚至超过了30%，属于难燃产品，具备优越的阻燃性能。同时，本发明堵水材料的压缩强度较现有技术得到很大提高，这说明本发明的固化体结构强度大，固化形成的泡孔结构稳定。此外，本发明产品具有低粘度、高包水性和高发泡率，综合性能良好，较现有技术更加适应矿用需要，能够减少地下施工的安全事故。

Claims (10)

1.一种矿用堵水材料，其特征在于：所述矿用堵水材料包括A、B两种组分，所述A组分按重量计由阻燃聚醚多元醇48～52份、阻燃聚酯多元醇36～43份、异氰酸酯45～55份、纳米碳酸钙5～8份和硅油2～3份组成；所述B组分按重量计由聚醚多元醇25～35份、催化剂0.5～0.8份、丙二醇碳酸酯8～12份、氧化锑3～4份、氢氧化镁2～3份和二乙胺基乙醇1～2份组成；
所述阻燃聚醚多元醇为含磷聚醚多元醇，所述含磷聚醚多元醇中磷的质量分数为10％～12％，羟值为150～230mgKOH/g；所述阻燃聚酯多元醇的羟值为200～395mgKOH/g，粘度为2000～4000mPa·s/25℃；所述异氰酸酯采用4,4′-二环己基甲烷二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或两种以任意比例混合；所述聚醚多元醇的官能度为3，粘度为180～380mPa·s/25℃。
2.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述阻燃聚酯多元醇为PF-3805或PF-2011中的一种或两种以任意比例混合。
3.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的阻燃聚酯多元醇为PF-3805与PF-2011按3:2的比例混合。
4.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的纳米碳酸钙的粒径为65～75nm。
5.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的催化剂是二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、三乙烯二胺中的一种或两种以任意比例混合。
6.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的催化剂是二月桂酸二丁基锡和三乙烯二胺按5:2的比例混合。
7.根据权利要求1所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的聚醚多元醇为NJ-305、NJ-310中的一种或两种以任意比例混合。
8.根据权利要求1到7中任意一项所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述的矿用堵水
材料按以下步骤制备：
将阻燃聚醚多元醇和阻燃聚酯多元醇加入制备装置中，在102～112℃条件下真空脱水2～3h，然后停止加热并加入纳米碳酸钙在氮气保护下搅拌20～30min；待温度冷却至45～55℃，向制备装置中加入异氰酸酯，反应温度控制在75～85℃，维持氮气保护搅拌150～200min；再加入硅油搅拌均匀，得到A组分；
将聚醚多元醇、催化剂、丙二醇碳酸酯、氧化锑、氢氧化镁、二乙胺基乙醇按比例投入制备装置中，室温下搅拌均匀，得到组分B；
使用时，将A组分与B组分按1:0.8～1.2的比例混合注浆即可。
9.根据权利要求8所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述矿用堵水材料采用的制备装置为反应釜，所述反应釜包括机体(1)，所述机体(1)中设置搅拌机构，所述搅拌机构由设置在机体(1)顶部的电机(2)驱动；所述机体(1)的顶部设有进料管(3)、底部设有出料管(4)、中部设有真空抽气口(5)，所述进料管(3)和出料管(4)上设有控制阀门，所述机体(1)侧壁上设置加热管(6)；所述进料管(3)下方固定有物料盘(7)，所述物料盘(7)由机体(1)侧壁斜向下倾斜向机体(1)中央；所述真空抽气口(5)设置在最高液位上方；所述搅拌机构包括搅拌轴(8)、横杆(9)和搅拌叶(10)，所述横杆(9)固定在搅拌轴(8)上并与搅拌轴(8)相垂直，所述搅拌叶(10)为两根，所述两个搅拌叶(10)相互对称以反向螺旋状固定在横杆(9)的端面上；机体(1)底部设置支脚(12)。
10.根据权利要求9所述的矿用堵水材料，其特征在于：所述机体(1)的内侧壁正对真空抽气口(5)的部位安装有挡板(11)。
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