一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料及其制备方法与应用

本发明属于有机高分子材料，尤其涉及一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、我国每年的煤炭产量和消费量大，占全球总量的比重高。近年来，为加快能源结构转型，大力降低煤炭资源的消费量，这为煤炭的安全生产提出了更高的要求。数据显示，超过60％的国有大型煤矿都存在自燃灾害，这其中60％以上的煤自燃灾害是因为漏风为采空区遗煤提供充足的氧气，使得煤炭氧化蓄热引起的。

2、利用堵漏材料封堵漏风地点，从而减少漏风量是降低煤炭自燃灾害风险的有效手段，煤矿常用堵漏材料主要包括无机材料和有机材料两大类。无机堵漏材料包括如灌浆、凝胶、三相泡沫等均存在一定不足，例如：泥浆容易渗流堆积、无法封堵裂隙；水泥喷浆等材料消耗大量水泥、胶凝时间不可控；铵盐凝胶释放有毒有害气体；三相泡沫没有强度、无法承压、稳定时间短、8-12h即可破坏、不能达到固化的目的。相比之下，高分子泡沫材料具有一定的强度，粘结性密封性好，对保障煤炭高效、安全生产具有重要意义，其中聚氨酯泡沫材料是井下高分子泡沫材料中使用最为广泛的一种。

3、聚氨酯泡沫(puf)用于矿井堵漏具有许多优点，例如在反应过程中与煤体粘结性强，固化后泡沫稳定性好；气泡为闭孔结构，不易出现开裂脱落等问题；填充孔隙的能力强、密封效果好、能够有效阻止空气运移；具有一定的压缩强度，能够承载地层运动，防震抗压等。但聚氨酯的反应原料异氰酸酯组分和聚醚多元醇组分在发泡过程中会释放大量的热量，且聚氨酯泡沫材料导热性差、极易燃烧，燃烧过程中会产生有毒烟雾，甚至加快煤的氧化进程，为矿井火灾的发生提供了一定的条件。

4、因此如何提供一种在使用过程中反应放热量小、阻燃性能好的聚氨酯泡沫是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料及其制备方法与应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，以聚醚多元醇和异氰酸酯为基体材料，以软脂酸为相变材料；

4、其中，所述相变材料为所述基体材料的5-8wt.％。

5、优选的，所述相变材料在所述基体材料中的添加量为5％。

6、优选的，包括以下重量份数的原料：

7、聚醚多元醇组分57份、软脂酸5份、异氰酸酯组分43份。

8、聚氨酯泡沫材料反应过程中热量的来源主要有两个：一是异氰酸酯和水的发泡反应，另一方面是异氰酸酯与聚醚多元醇的凝胶反应。释放的热量是形成聚氨酯泡沫结构过程中必不可少的反应，对于泡沫成型也具有重要作用，可以形成更加稳定的泡沫结构。因此利用相变材料软脂酸对其改性的主要目的是吸收反应过程中产生的过多的热量而不改变聚氨酯的其他性能。

9、软脂酸(iupac)吸收、释放热量的过程如图1所示，在加热阶段，当物质温度升高到相变温度时，材料的温度保持稳定不变，但依然能够通过固相向液相的转变吸收热量，即为潜热，潜热越大，相变潜热越大，材料在相变时吸收或释放的热量就越多，因此当温度达到相变点时，相变材料的温度会比普通材料更低。

10、在相变过程中，吸收的热量和释放的热量分别为q1和q2，而相变材料的相变潜热为δs，它们之间的关系可以近似认为相等，如式(1)所示：

11、q1＝q2＝δs(1)

12、软脂酸的相变温度为64℃，相变潜热为185kj/kg，在聚氨酯泡沫材料基体中加入软脂酸后，当达到相变温度后，利用其相变储能效应吸收掉聚氨酯基体反应过中产生的多余的热量，该过程中是等温或近似等温的，即在反应前期体系升温时吸热熔融，储存了部分能量。只有储存完全后温度才会继续升高，达到了降低最高反应温度的效果。反应完成后，不再产生热量，由于与空气的热传递，材料的温度下降，此时相变材料会释放热量，有助于形成更稳定的泡孔结构。并且整个过程中，软脂酸的体积变化较小，不会出现泡沫成型后收缩的现象。

13、一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

14、将所述聚醚多元醇组分与软脂酸混合后，再加入异氰酸酯组分搅拌均匀并进行自然发泡，再经静置，即得到所述低放热矿用聚氨酯泡沫材料。

15、优选的，所述搅拌的时间为10-30s。

16、优选的，所述静置的温度为室温，时间为5min。

17、一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料在矿井堵漏中的应用。

18、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

19、本发明通过添加软脂酸可以达到降低聚氨酯泡沫材料最高反应温度的目的。其最高反应温度可以降低到100℃以下，即可符合中华人民共和国应急管理部发布的《aq 1116-2020煤矿加固、堵水、充填和喷涂用高分子材料通用安全技术规范》中在煤矿井下使用聚氨酯泡沫材料的要求。

20、其次，软脂酸会与过量的异氰酸酯反应和聚醚多元醇反应，增加与聚氨酯基体的相容性和稳定性。软脂酸的添加量过多会影响聚氨酯泡沫材料的泡孔结构，泡孔变小，并出现并泡、塌泡现象。此外，本发明中添加软脂酸后，改性聚氨酯泡沫材料的压缩强度总体呈现先增加后减小的趋势，压缩强度最大为152kpa。另外，不同软脂酸添加量对聚氨酯泡沫的极限氧指数loi影响较小，均有0.1％左右的降低，可以忽略其影响。

21、最后，本发明在聚氨酯泡沫材料中加入软脂酸可以对其热稳定性产生显著影响。一方面，软脂酸的加入可以提高聚氨酯泡沫材料的初始分解温度；另一方面，当聚氨酯泡沫材料遭受热分解时材料的分解速率出现不同程度的提高。但是，这种提高并不会导致聚氨酯泡沫材料的热稳定性下降，相反，软脂酸的加入还可以提高聚氨酯泡沫材料在800℃的残炭率，进一步提高了材料的热稳定性。

技术特征：

1.一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，其特征在于，以聚醚多元醇和异氰酸酯为基体材料，以软脂酸为相变材料；

2.根据权利要求1所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，其特征在于，所述相变材料在所述基体材料中的添加量为5％。

3.根据权利要求2所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

4.如权利要求1-3任一项所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，其特征在于，所述搅拌的时间为10-30s。

6.根据权利要求4所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料，其特征在于，所述静置的温度为室温，时间为5min。

7.如权利要求1-3任一项所述的一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料在矿井堵漏中的应用。

技术总结
本发明公开了一种低放热矿用聚氨酯泡沫材料及其制备方法与应用，属于有机高分子材料技术领域，本发明以聚醚多元醇组分和异氰酸酯组分为基体材料，以软脂酸为相变材料。其中，所述相变材料为所述基体材料的5‑8wt.％。其制备方法包括以下步骤：将所述聚醚多元醇组分与软脂酸混合后，再加入异氰酸酯组分混合均匀并进行自然发泡，再经静置，即得到所述低放热矿用聚氨酯泡沫材料。本发明首先利用软脂酸相变吸热的特性吸收聚氨酯泡沫材料反应过程中释放的热量，从而达到降低最高反应温度的效果，并考察了IUPAC添加量对泡沫化学结构、压缩强度、极限氧指数、热稳定性的影响，为其在煤矿领域应用奠定基础。

技术研发人员：林亿超,秦波涛,辛海会,唐俊,郭凯月,宋廷奎,韩伟康
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：2024/1/15