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矿用充填堵漏风新型复合泡沫的研制

作　者: 胡相明
导　师: 王德明
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 煤自燃充填堵漏风有机固化泡沫酚-脲-醛树脂复合泡沫
分类号: TD75
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

煤炭自燃是影响矿井安全开采的主要灾害之一，控制漏风是防治煤炭自燃的关键手段。有机固化泡沫依靠其施工速度快，密封效果好等特点在国内外广泛应用于煤矿充填堵漏风。然而，现有的有机固化泡沫都存在不同程度的缺陷，如聚氨酯泡沫成本高、易燃、且燃烧释放出有毒烟气，酚醛泡沫脆性大、成本较高，脲醛泡沫的抗压强度低等。本文针对现有矿用有机固化泡沫的不足，研制了一种充填堵漏风新型复合泡沫，该泡沫具有密闭性好、抗压强度高、难燃、成本低等优点。本文以苯酚、脲素和多聚甲醛为聚合单体通过一步法创新性的合成了酚-脲-醛树脂。采用正交试验分析了脲素用量、催化剂用量、反应温度、反应时间对树脂发泡性能的影响规律，得出了酚-脲-醛树脂合成的最佳条件。通过红外光谱和核磁共振碳谱分析了酚-脲-醛树脂的化学结构，揭示了酚-脲-醛共聚树脂的合成机理。为优化酚-脲-醛树脂的催化体系，论文研究了不同固化剂、表面活性剂、发泡剂等对泡沫固化行为、力学性能和微观结构的影响规律，找出了最优的固化剂、表面活性剂、发泡剂配比及用量，揭示了固化剂和表面活性剂对泡沫的作用机理，探讨了酚-脲-醛树脂的成泡和固化机制。针对酚-脲-醛泡沫韧性差的问题，通过添加聚乙二醇（PEG）对酚-脲-醛泡沫进行改性，研究了不同分子量的PEG对酚-脲-醛泡沫的基本性能、力学特性、燃烧性能的影响规律，揭示了聚乙二醇的增韧机理，找到了聚乙二醇的最优添加量。PEG中的-OH与树脂中的-OH能够形成部分氢键，在树脂中导入长的柔性醚链，从而提高了泡沫的韧性和冲击强度，降低了粉化率。为了提高泡沫的阻燃性和承压强度，通过玻璃纤维与纳米粘土对酚-脲-醛泡沫进行改性，制备了玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫，研究了玻璃纤维和纳米粘土对泡沫的力学特性、密封性能、热稳定性和阻燃性的影响规律，探讨了玻璃纤维与纳米粘土对酚-脲-醛泡沫的阻燃、增强机理。玻璃纤维与纳米粘土表现出良好的协同作用，能显著提高泡沫的压缩强度、热稳定性和阻燃性，降低泡沫的粉化率和收缩率，并改善复合泡沫的泡孔结构，提高泡沫的密封性能。为了验证实验室制备复合泡沫的性能，本文对比分析了酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、脲醛泡沫与复合泡沫的综合性能。实验表明：四种泡沫中复合泡沫具有最低的发泡温度和收缩率，最高的抗压强度、阻燃性和热稳定性，但是，其发泡倍数和粉化率略低于聚氨酯泡沫。煤矿井下的工程实践表明，复合泡沫具有充填密闭效果好、施工简单、安全可靠、成本低等特点，极具广泛的应用前景。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
Extended Abstract  8-11
目录  11-15
图清单  15-23
表清单  23-25
变量注释表  25-26
1 绪论  26-33
  1.1 研究目的及意义  26
  1.2 国内外矿用堵漏风材料的研究现状  26-30
  1.3 研究目标及内容  30-31
  1.4 研究方案及技术路线  31-33
2 酚-脲-醛发泡树脂的合成实验  33-54
  2.1 实验材料与方法  34-38
  2.2 酚-脲-醛树脂的影响因素  38-46
  2.3 酚-脲-醛树脂的化学结构分析  46-50
  2.4 酚-脲-醛树脂的合成机理  50-52
  2.5 酚-脲-醛树脂的发泡效果  52
  2.6 本章小结  52-54
3 酚-脲-醛树脂催化体系的优化实验  54-79
  3.1 实验材料与方法  55-60
  3.2 固化剂对泡沫特性的影响规律  60-67
  3.3 表面活性剂对泡沫特性的影响规律  67-73
  3.4 发泡剂对泡沫特性的影响规律  73-78
  3.5 本章小结  78-79
4 酚-脲-醛泡沫的增韧实验  79-94
  4.1 增韧泡沫的制备与性能测试  79-81
  4.2 增韧泡沫的发泡行为及基本性能  81-83
  4.3 增韧泡沫的力学性能与微观结构  83-86
  4.4 增韧泡沫的热稳定性与燃烧性能  86-93
  4.5 本章小结  93-94
5 玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫的阻燃增强实验  94-111
  5.1 玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫的制备与性能测试  95-96
  5.2 玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫的发泡行为和基本性能  96-99
  5.3 玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫的力学特性和微观结构  99-103
  5.4 玻璃纤维/纳米粘土复合泡沫的阻燃与热稳定性  103-110
  5.5 本章小结  110-111
6 复合泡沫与常用充填堵漏泡沫的对比实验及应用研究  111-125
  6.1 常见有机固化泡沫的筛选与性能测试  111-112
  6.2 几种常用充填堵漏泡沫的性能对比  112-119
  6.3 新型复合泡沫在煤矿井下的工程应用  119-123
  6.4 本章小结  123-125
7 全文结论  125-128
  7.1 主要结论  125-126
  7.2 主要创新点  126-127
  7.3 研究展望  127-128
参考文献  128-138
作者简历  138-141
学位论文数据集  141

矿用充填堵漏风新型复合泡沫的研制

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