一种矿用抑尘-抑爆剂、制备方法及应用与流程

1.本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种矿用抑尘-抑爆剂、制备方法及应用。


背景技术：

2.目前，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，这是由我国富煤、少气、缺油的资源条件所决定的，煤炭资源是我国主要消费能源，约占一次能源消费总量的60％以上，随着煤矿机械化、自动化程度的不断提高，采掘工作面作业空间产尘量不断增大，对机器设备的正常运行和工作人员的生命健康造成了极大的危害；同时，煤尘浓度过高易引发爆炸危险，一旦发生，将造成巨大的经济损失。
3.目前，基于化学方法的粉尘抑制是控制粉尘的主要方法，目前开发的抑尘剂大多基于润湿性控制，主要通过表面活性剂的组成来实现，但此类抑尘剂也有明显的缺点，包括团聚能力较差，不易降解，容易造成地下污染。因此，迫切需要研发一种高效环保的抑尘剂。磷酸二氢铵是在实际生产实践中应用广泛的一种粉末抑尘剂，能够有效抑制煤尘爆炸，但是磷酸二氢铵在空气中易吸水受潮结块，不易储存，因此需研制出一种具有高效抑爆功能同时又具有防潮抗结块性能的新型抑爆剂。此外，煤尘传播发生在煤矿产业的各个环节，粉尘浓度过高就会有较大的爆炸危险性，因此需研制出一种集抑爆和抑尘功能于一体的新型矿用产品。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)目前开发的抑尘剂大多基于润湿性控制，主要通过表面活性剂的组成来实现，但此类抑尘剂也有明显的缺点，包括团聚能力较差，不易降解，容易造成地下污染。
6.(2)现有磷酸二氢铵粉末抑尘剂在空气中易吸水受潮结块，不易储存。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：
8.(1)选择合适的实验材料，对抑尘剂产品进行接枝共聚改性，改良该类产品中普遍存在的团聚能力较差，不易降解，容易造成地下污染等缺点，研制出对环境污染小、易降解的环保型抑尘剂。
9.(2)选在合适的改性材料对磷酸二氢铵进行表面改性，以改良其易受潮结块的缺点。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：
11.(1)能够有效改善抑尘剂产品普遍存在的团聚能力较差，不易降解，容易造成地下污染等缺点，在实际应用中能够有效降低对井下环境的污染，提高抑尘效率。
12.(2)能够有效改善磷酸二氢铵易受潮结块的不足，便于产品的运输和储存，在实际应用中能够充分发挥磷酸二氢铵的抑爆作用，降低井下的粉尘爆炸危险性，在一定程度上促进煤矿安全生产、保障职工生命财产安全，营造和谐安全的煤矿生产环境。


技术实现要素：

13.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿用抑尘-抑爆剂、制备方法及应用。
14.本发明是这样实现的，一种矿用抑尘-抑爆剂的制备方法，所述矿用抑尘-抑爆剂的制备方法包括以下步骤：
15.步骤一，将羧甲基壳聚糖cmcs、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸amps、n，n
’-
亚甲基双丙烯酰胺mba通过接枝共聚反应形成中间产物cmcs-amps。
16.步骤二，将干燥后的cmcs-amps粉碎，并加入磷酸二氢铵adp和由二氧化硅和碳酸钙组成的惰性组分，并搅拌混合，得混合溶液。
17.步骤三，采用甲基含氢硅油和无水乙醇对混合溶液进行表面改性。
18.进一步，步骤一中，所述将羧甲基壳聚糖cmcs、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸amps、n，n
’-
亚甲基双丙烯酰胺mba通过接枝共聚反应形成中间产物cmcs-amps的方法，包括：
19.(1)将2g cmcs加入到装有200ml蒸馏水的烧瓶中，根据cmcs难溶于水，易溶于有机溶剂的性质，在烧瓶中加入1％的乙酸并置于50℃的恒温水浴锅内，使用聚四氟乙烯转子搅拌2-3h直到完全溶解。
20.(2)用反口橡皮塞塞紧瓶口，并从瓶塞中心处插入医用针头，通入氮气，排除氧气，使溶液不被氧化。
21.(3)待完全溶解后，依次加入0.1g引发剂aps和6g单体amps，置于50℃水浴锅中搅拌1h，再加入0.2g交联剂mba，搅拌1h，得到中间产物cmcs-amps。
22.进一步，步骤二中，所述将干燥后的cmcs-amps粉碎，并加入磷酸二氢铵和由二氧化硅和碳酸钙组成的惰性组分，二氧化硅具有耐高温、电绝缘性好等特点，添加少量的二氧化硅能够大幅度提改善粉体的抗结块性能，碳酸钙作为惰性组分加入到溶液中，能够改善抑爆剂粉体的流动性、弥散性和电绝缘性等物理性能，并且能够调节抑爆剂的松密度等，并搅拌混合，得混合溶液的方法，包括：
23.(1)将cmcs-amps在室温下干燥至块状，使用球磨机粉碎至75μm粒径。
24.(2)分别将磷酸二氢铵、二氧化硅和碳酸钙加入到粉碎后的cmcs-amps中，并混合均匀，得混合溶液。
25.进一步，步骤二中，所述磷酸二氢铵、二氧化硅和碳酸钙的比例为8：1：1。
26.进一步，步骤三中，所述采用甲基含氢硅油和无水乙醇对混合物进行表面改性的方法，包括：
27.(1)制备甲基含氢硅油和无水乙醇的混合溶液。甲基含氢硅油中作为斥水基的甲基，其结构可占据较大的立体空间，增大了分子间距，斥水性强；作为活性基的氢原子，其氢键作用使分子间易交联，所以选择甲基含氢硅油作为改性剂。根据甲基含氢硅油不溶于乙醇的性质，采用无水乙醇作为改性溶剂，为改性操作提供液体环境。
28.(2)当恒温水浴的温度达到55℃时，通过进料口缓慢加入制备的混合溶液，并增加搅拌器的转速，搅拌器在恒温下运行10min。
29.(3)硅油完全分散在粉末表面后，水浴的温度设定为70℃，粉末在恒温下搅拌40min，硅油涂在粉末表面。
30.(4)40min后，停止搅拌和加热；材料稍微冷却后，用200目准筛过筛。
31.(5)将过筛的材料放入60℃的烘箱中干燥6h，改性完成，得到最终产物cmcs-amps-madp。
32.进一步，步骤三中，所述甲基含氢硅油含氢量为1.58-1.6％，加入的甲基含氢硅油质量为磷酸二氢铵质量的3％，无水乙醇质量为磷酸二氢铵质量的3倍，在此条件下，磷酸二氢铵的包覆性和分散性最好。
33.进一步，步骤三中，所述改性成膜温度为70℃，成膜时间为40min。
34.本发明的另一目的在于通过一种应用所述的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法制备得到的矿用抑尘-抑爆剂，所述矿用抑尘-抑爆剂按质量百分比计，由30％-40％羧甲基壳聚糖(cmcs)、30％-40％2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、0.02％-0.04％n，n
’-
亚甲基双丙烯酰胺(mba)、0.1％乙酸、4％-6％磷酸二氢铵、0.5％-0.6％二氧化硅、0.5％-0.6％碳酸钙、12％-18％无水乙醇和0.12％-0.18％甲基含氢硅油组成。
35.岩粉、重碳酸钙、重碳酸钠、重碳酸钾等碳酸盐或磷酸盐粉体均对爆炸有较好的抑制作用。其中岩粉是通过物理机制消除火焰能量起到抑制作用，而粉状的有机酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐等一类的化学物质是利用火焰的能量发生化学反应，产生二氧化碳抑制爆炸的进一步发展。其中，磷酸盐或碳酸盐等粉体抑爆剂具有较高的抑爆效率。磷酸盐中的磷酸二氢铵兼具物理抑爆和化学抑爆双重抑爆性能，在自身分解反应中吸热并吸附自由基，是一种效果很好的爆炸抑制剂。
36.本发明的另一目的在于通过一种煤矿粉尘控制方法，所述煤矿粉尘控制方法使用所述的矿用抑尘-抑爆剂。
37.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法，工艺简单，创新性的采用接枝共聚和表面改性相结合的方法研制出抑尘抑爆效果优良、绿色环保、防潮抗结块性能强的矿用产品，在一定程度上促进煤矿安全生产、保障职工生命财产安全，营造和谐安全的煤矿生产环境。
38.同时，本发明能够制备出一种集抑制煤尘传播与爆炸于一体的新型矿用产品，工艺简单，对矿井粉尘传播与爆炸均具有较强的抑制作用，在一定程度上促进煤矿安全生产、保障职工生命财产安全，营造和谐安全的煤矿生产环境。
附图说明
39.图1是本发明实施例提供的所得产品的样品图。
40.图2是本发明实施例提供的所得产品的电镜扫描图。
41.图3是本发明实施例提供的所得产品的tg-dsc图谱示意图。
42.图4(a)是本发明实施例提供的所得产品的疏水性实验效果图。
43.图4(b)是本发明实施例提供的所得产品的溶解性实验效果图。
44.图5(a)是本发明实施例提供的所得产品的加入5g煤粉和0gcmcs-amps-madp的爆炸压力与时间的关系曲线示意图。
45.图5(b)是本发明实施例提供的所得产品的加入4.5g煤粉和0.5gcmcs-amps-madp的爆炸压力与时间的关系曲线示意图。
46.图5(c)是本发明实施例提供的所得产品的加入4.0g煤粉和1.0gcmcs-amps-madp的爆炸压力与时间的关系曲线示意图。
47.图5(d)是本发明实施例提供的所得产品的加入3.5g煤粉和1.5gcmcs-amps-madp的爆炸压力与时间的关系曲线示意图。
48.图6是本发明实施例提供的所得产品的吸水率曲线图。
49.图7是本发明实施例提供的所得产品的抑尘性能效果图。
50.图8是本发明实施例提供的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法流程图。
具体实施方式
51.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
52.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿用抑尘-抑爆剂、制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
53.如图8所示，本发明实施例提供的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法包括以下步骤：
54.s101，将羧甲基壳聚糖cmcs、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸amps、n，n
’-
亚甲基双丙烯酰胺mba通过接枝共聚反应形成中间产物cmcs-amps。
55.s102，将干燥后的cmcs-amps粉碎，并加入磷酸二氢铵adp和由二氧化硅和碳酸钙组成的惰性组分，并搅拌混合，得混合溶液。
56.s103，采用甲基含氢硅油和无水乙醇对混合溶液进行表面改性。
57.本发明提供的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的矿用抑尘-抑爆剂的制备方法仅仅是一个具体实施例而已。
58.本发明实施例提供的矿用抑尘-抑爆剂按质量百分比计，由30％-40％羧甲基壳聚糖(cmcs)、30％-40％2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、0.02％-0.04％n，n
’-
亚甲基双丙烯酰胺(mba)、0.1％乙酸、4％-6％磷酸二氢铵、0.5％-0.6％二氧化硅、0.5％-0.6％碳酸钙、12％-18％无水乙醇和0.12％-0.18％甲基含氢硅油组成。
59.图1为本发明所得产品的样品图。
60.图2为本发明所得产品的电镜扫描图：晶体颗粒间有较大的间隔，表面光滑，没有出现集聚团簇现象，表明颗粒表面覆盖一层硅油膜，改性成功，从宏观上表明抑爆剂粉末具有强的分散性并且不容易团聚。
61.图3为本发明所得产品的热重图谱：在室温至180℃之间，产品的质量几乎不变，只是蒸发了少量水分。在180-380℃内，失重率为25％，当温度升至800℃时，失重率达到39％，表明该产品具有较好的热稳定性，能够承受较高的环境温度。
62.下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
63.实施例1
64.向培养皿中加入过量样品后，用刮刀刮去表面。在粉末样品表面的三个不同点，用1毫升注射器滴加0.3毫升蒸馏水。将培养物置于含有饱和氯化钠(75％相对湿度)的干燥器中，温度为25℃，时间为1小时。取出培养皿，观察水滴现象。
65.如图4(a)所示，在加入水滴之后，粉末没有溶解，并且水滴形成在粉末表面上并与粉末完全分离。当使用药物勺将液滴从培养皿中取出时，液滴没有破裂。
66.如图4(b)所示，粉末漂浮在水面上，没有溶解。经过表面改性后，颗粒表面涂有一层含有甲基的硅油膜，甲基是一种疏水基团，从而提高了粉末颗粒的疏水性能，并防止其吸水结块，便于运输和储存。
67.实施例2
68.使用20l球形爆炸系统进行实验。将5g煤粉加入储粉箱中，化学点火头通过导线与点火电极相连。点火电极由质量比为4：3：3的锆粉、硝酸钡和过氧化钡制成。点火头的能量为10kj。在试验过程中，20l球罐预抽真空至-0.06mpa，粉尘喷入压力设定为2mpa。整个装置处于完全关闭状态。当电磁阀被触发时，样品被喷入由2mpa压缩空气驱动的20l球罐中，形成粉尘云。点火延迟时间设定为60ms。爆炸发生时，压力传感器检测压力信号，得到爆炸压力与时间的关系曲线。
69.经测定，如图5(a)所示，最大爆炸压力为0.56mpa，达到最大压力所用时间为243ms。
70.实施例3
71.使用20l球形爆炸系统进行实验。将4.5g煤粉和0.5g cmcs-amps-madp混合后加入储粉箱中，化学点火头通过导线与点火电极相连。点火电极由质量比为4：3：3的锆粉、硝酸钡和过氧化钡制成。点火头的能量为10kj。在试验过程中，20l球罐预抽真空至-0.06mpa，粉尘喷入压力设定为2mpa。整个装置处于完全关闭状态。当电磁阀被触发时，样品被喷入由2mpa压缩空气驱动的20l球罐中，形成粉尘云。点火延迟时间设定为60ms。爆炸发生时，压力传感器检测压力信号，得到爆炸压力与时间的关系曲线。
72.经测定，如图5(b)所示，最大爆炸压力为0.44mpa，达到最大压力所用时间为384ms。
73.实施例4
74.使用20l球形爆炸系统进行实验。将4g煤粉和1g cmcs-amps-madp混合后加入储粉箱中，化学点火头通过导线与点火电极相连。点火电极由质量比为4：3：3的锆粉、硝酸钡和过氧化钡制成。点火头的能量为10kj。在试验过程中，20l球罐预抽真空至-0.06mpa，粉尘喷入压力设定为2mpa。整个装置处于完全关闭状态。当电磁阀被触发时，样品被喷入由2mpa压缩空气驱动的20l球罐中，形成粉尘云。点火延迟时间设定为60ms。爆炸发生时，压力传感器检测压力信号，得到爆炸压力与时间的关系曲线。
75.经测定，如图5(c)所示，最大爆炸压力为0.32mpa，达到最大压力所用时间为421ms。
76.实施例5
77.使用20l球形爆炸系统进行实验。将3.5g煤粉和1.5gcmcs-amps-madp混合后加入储粉箱中，化学点火头通过导线与点火电极相连。点火电极由质量比为4：3：3的锆粉、硝酸钡和过氧化钡制成。点火头的能量为10kj。在试验过程中，20l球罐预抽真空至-0.06mpa，粉尘喷入压力设定为2mpa。整个装置处于完全关闭状态。当电磁阀被触发时，样品被喷入由2mpa压缩空气驱动的20l球罐中，形成粉尘云。点火延迟时间设定为60ms。爆炸发生时，压力传感器检测压力信号，得到爆炸压力与时间的关系曲线。
78.经测定，如图5(d)所示，最大爆炸压力为0.17mpa，达到最大压力所用时间为484ms。
79.实施例6
80.使用hy 16428哈特曼管进行实验。实验前将1g煤粉混合均匀后倒入扩散器中。实验中，首先将储能电压调节至1000v，按照从小到大的测试顺序选择合适的电容值，然后打开压力阀门，待压力升至0.2mpa时，按下启动键，观察石英管中的煤粉是否被点燃，并记录数据。
81.经测定，如表1所示，最小点火能量为13.5j。
82.实施例7
83.使用hy 16428哈特曼管进行实验。实验前将0.9g煤粉和0.1g产品混合均匀后倒入扩散器中。实验中，首先将储能电压调节至1000v，按照从小到大的测试顺序选择合适的电容值，然后打开压力阀门，待压力升至0.2mpa时，按下启动键，观察石英管中的煤粉是否被点燃，并记录数据。
84.经测定，如表1所示，最小点火能量为15.7j。
85.实施例8
86.使用hy 16428哈特曼管进行实验。实验前将0.8g煤粉和0.2g产品混合均匀后倒入扩散器中。实验中，首先将储能电压调节至1000v，按照从小到大的测试顺序选择合适的电容值，然后打开压力阀门，待压力升至0.2mpa时，按下启动键，观察石英管中的煤粉是否被点燃，并记录数据。
87.经测定，如表1所示，最小点火能量为18.3j。
88.实施例9
89.使用hy 16428哈特曼管进行实验。实验前将0.7g煤粉和0.3g产品混合均匀后倒入扩散器中。实验中，首先将储能电压调节至1000v，按照从小到大的测试顺序选择合适的电容值，然后打开压力阀门，待压力升至0.2mpa时，按下启动键，观察石英管中的煤粉是否被点燃，并记录数据。
90.经测定，如表1所示，最小点火能量为22.5j。
91.表1
92.各组分含量最小点火能(j)1g煤粉，0g产品13.50.9g煤粉，0.1g产品15.70.8g煤粉，0.2g产品18.30.7g煤粉，0.3g产品22.5
93.实施例10
94.取2g纯化后cmcs-amps-madp，让其在蒸馏水中自然吸水达到平衡，测量抑尘剂质量随时间的变化，并计算吸水率。
95.抑尘剂的吸水率(q)计算公式如下：
96.q＝(m
2-m1)/m1；
97.其中，m1和m2分别是吸水前的样品的质量和吸水平衡后样品的质量。q表示每克抑尘剂吸收液体的质量(g/g)。
98.经测定，如图6所示，在0-3h内吸水率迅速增加，在3h以后达到平衡，吸水率最大可达425g/g。
99.实施例7
100.取10g纯化后的cmcs-amps-madp粉末，与100ml水混合后水浴加热至溶解。取100g褐煤堆成圆锥状，并将cmcs-amps-madp均匀喷洒在煤堆表面。作为对比，在同样的实验条件下将水均匀喷洒在煤堆上。将煤堆置于50℃恒温箱中干燥24小时后取出，观察煤表面的凝结情况。
101.经测定，如图7所示，本产品具有较好的抑尘性能，经过干燥蒸发后形成一层薄膜覆盖在煤尘表面，在润湿和团聚作用下，煤堆由原来的松散结构转变为紧密胶状结构，覆盖在煤表面不易蒸发，起到良好的抑尘效果。
102.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。