凝胶泡沫防灭火材料的研制及应用

李克状

摘要：在煤矿井下存在很多具有自燃可能性的煤层，此类煤层对于采掘作业面的生产安全具有较大的影响，一旦发生自燃，将会造成非常严重的后果，所以防止煤层自燃成为井下生产的头等大事。凝胶泡沫以其自身所具备的诸多特点，在煤矿井下防灭火领域中得到广泛应用，为使凝胶泡沫的作用得以充分发挥，应当加大对其制备过程的研究力度，探寻出最为合适的配方。基于此，从凝胶泡沫的组成与特点分析入手，采取实验的方法得出凝胶泡沫的配方，最后对凝胶泡沫防灭火材料在实际应用效果进行分析，期望能够对凝胶泡沫的推广使用有所帮助。

关键词：凝胶泡沫；防灭火材料；矿用

引言

通过对煤矿井下火灾分析后发现，煤层自燃是引起火灾的主要原因，由于井下常常会有瓦斯涌出，一旦起火，极有可能造成瓦斯爆炸，后果非常严重。为有效解决这一问题，可将凝胶泡沫用于可能自燃的煤层，以此来达到防灭火的目的。下面重点对凝胶泡沫防灭火材料的研制及应用展开分析。

1凝胶泡沫的组成与特点

1.1组成

凝胶泡沫归属于混合材料的范畴，它是由多种不同的制剂，按一定的不利混合到一起后制成的一种具备防灭火功能的材料。在凝胶泡沫的组成成分中有以下几种物质：胶凝剂、交联剂、发泡剂和稳泡剂等。上述成分中，发泡剂能够使凝胶泡沫在外力搅拌及风吹的作用下产生出大量细腻的泡沫，泡沫刚刚形成后可在这种状态下保持一定时间，随后成胶物质会发生交联反应，进而形成凝胶，此时的凝胶泡沫中由于含有大量的气体，从而使其具备了较强的结构稳定性[1]。

1.2特点

1.2.1稳定性强

凝胶泡沫作为一种防灭火材料，超强的结构稳定性是其最为突出的一大特点。泡沫在成膜的过程中较为牢固，轻易不会出现破碎的现象，因大量的水分被封于泡沫所形成的网状结构内，从而使成型后的凝胶泡沫具备极强的稳定性。

1.2.2包裹性好

凝胶泡沫在尚未胶凝之前是以泡沫的形态存在，泡沫本身不但流动性好，而且扩散性也比较强。正因如此，使得凝胶泡沫可以在相对较短的时间内快速扩散到一定的范围，将目标区域内松散的煤炭包裹在内，使煤层与外界隔离开，进而达到防火的目的[2]。

1.2.3吸热降温

凝胶泡沫可以使95%以上的水分固结，进而形成凝胶层，在固结的过程中热交换效率非常高，由此使得凝胶泡沫在防灭火时，可以对环境中的热量快速吸收，达到降温的效果。

1.2.4防复燃

凝胶泡沫具有保湿、固水以及隔绝氧气等性能，可长时间吸热降温，与其它水性泡沫相比，凝胶泡沫在防止煤炭复燃方面的效果更佳。

1.2.5封堵性好

凝胶泡沫可以成膜，将之注入到煤层的缝隙中，能在较短的时间内形成一道屏障，可有效防止瓦斯气体向采掘作业面内大量涌入，给生产安全提供可靠保障。

2凝胶泡沫的实验制备

在上文中，介绍了凝胶泡沫的组成物质，下面利用这些物质，通过实验的方法，制备凝胶泡沫，据此确定出相应的配方。

2.1复配发泡剂

复配是提高表面活性剂较为有效的途径之一，经过复配后的表面活性剂能够更好的发挥出自身的作用，这是因为在复配的过程中，可以使表面活性剂产生出协同效应。多种表面活性剂按比例混合后形成的混合液，要比单独一种的发泡性能更优越。正常情况下，纯净水不会在搅拌振荡等外力作用下形成大规模的气泡，而向纯净水中加入适量的表面活性剂后，水的表面张力会进一步下降，形成处于临界状态且具有一定强度的表层，这个表层可以为两个气泡发生相互碰撞时提供缓冲，这样一来便可有效阻止消泡。随着表面活性剂浓度的持续增加，将会有数量庞大的分子以富集的方式呈现在纯净水的表面，此时的溶液会形成液膜，这个液膜异常的坚韧。然而，表面活性剂无法一直降低纯净水的表面张力，当溶液中的表面活性剂达到浓度上限后，表面张力将不会继续下降。对表面活性剂复配，能够在同等浓度的条件下，更好的降低水的表面张力[3]。

2.1.1选择实验方法

以发泡剂作为主要材料开展发泡实验时，可以采用的发泡方法有以下几种：高速搅拌法（Waring Blender）、压气气流法、孔盘打击法、改进型罗氏泡沫仪等。这些发泡方法各具特点，经过比较之后，最终决定选择高速搅拌法进行本次实验，之所以选择该方法是因为实验过程中使用的设备比较简易，而且操作简单、便捷，能够得到较为准确的实验结果。实验正式开始前，先配制出400ml的发泡剂溶液，用高速搅拌器进行搅拌，时间为2min，搅拌器的转速设定为1200r/min，当达到搅拌时间后，对量筒内的泡沫体积进行读取并如实记录，以此来表征其发泡能力。

2.1.2实验材料与仪器设备

（1）本次实验中，发泡剂选用三种离子类型不同的表面活性剂，共计12个品种，其中阴离子型7种、两性离子型4种、非离子型2种；实验中使用的水为自来水。

（2）实验中使用的仪器设备有电子搅拌器（数显顶置式）、电子天平、烧杯、量筒（容量从150ml-2000ml不等，数量若干）。

2.1.3单一发泡剂的筛选

对选用的三种离子类型12个品种的表面活性剂以1-12编号，分别配制成浓度为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、05%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%的发泡剂溶液，在此基础上开展发泡能力实验，以高速搅拌法对每种发泡剂的发泡能力进行测定。在实验的过程中发现，表面活性剂的品种不同，或是同一种表面活性剂的不同浓度，发泡能力均有所差别，具体的实验结果如表1所示。

浓度%	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
体积ml 编号
1	655	925	1150	1180	1170	1200	1210	1200	1160	1160
2	630	900	1100	1200	1185	1250	1250	1200	1180	1235
3	570	1040	1160	1200	1170	1125	1200	1100	1150	1155
4	450	790	1080	1190	1100	1100	1090	1125	1100	1035
5	450	630	950	1100	975	940	1020	1000	1080	1000
6	755	1020	1310	1290	1280	1300	1300	1270	1290	1260
7	565	620	675	705	720	700	685	680	660	665
8	1170	1340	1340	1320	1310	1380	1340	1370	1350	1380
9	1105	1470	1455	1420	1410	1350	1395	1395	1410	1400
10	950	1280	1325	1380	1385	1360	1365	1380	1320	1350
11	700	790	850	830	900	850	880	880	870	875
12	685	1390	1485	1400	1450	1480	1400	1380	1375	1325

表1 表面活性剂的发泡能力

发泡剂的发泡能力大小主要取决于发泡量的多少，通过观察图1可知，同一种发泡剂的泡沫体积会随着浓度的增大而增加，当浓度增大到一定值后，发泡量将会停滞，此时的泡沫体积会保持在一个相对稳定的状态。表面活性剂的浓度在0.4-0.5%这个范围时，大部分的发泡量会保持稳定。本次实验中，在同一个浓度下，发泡性能比较好的表面活性剂有9#、10#和12#，它们在0.4%的浓度时，发泡体积依次为1420ml、1380ml、1400ml；而在这个浓度下，7#和11#的发泡体积为705ml和830ml，之所以会出现这样的情况，是因为7#和11#的有效表面张力过高，不利于溶液表面能的降低，致使发泡体积较小。依据实验结果，选取9#、10#和12#进行复配实验[4]。

2.1.4复配实验

发泡剂经过复配后使用效果能够得到一定程度的提高，表面活性剂复配后其应用性能也将得到提升，即表面张力降低、发泡倍数增加。将筛选出来的9#、10#、12#三种表面发泡剂按不同的比例进行两两复配，并将总的复配浓度确定为0.4%，依据实验所得的结果，从中选取出最佳的复配方案。在所有的复配方案中，发泡体积最大的是10#和12#按照1:2的比例复配，发泡体积约为1500ml。

2.2稳泡剂的筛选

凝胶泡沫主要用于矿井防灭火，在这一过程中，泡沫存在的时间越久，灭火降温的效果就越好，而想要实现这一目标，就需要泡沫本身具有较高的稳定性。所以在制备凝胶泡沫时，要加入适量的稳泡剂，以此来提高泡沫的稳定性，从而满足实际应用需要。稳泡剂的主要作用是减小泡沫的析液率，延长泡沫留存的时间。按照作用效果的不同，可以将稳泡剂分为以下两类：一类是通过提高液膜强度达到稳泡效果，另一类是提高泡沫粘度延长泡沫的稳定时间。下面选用三种稳泡剂，分别为W1、W2、W3，测定复配后的表面活性剂稳泡效果，从中选取出稳泡效果最佳的一种作为凝胶泡沫制备的稳泡剂。对含有W1、W2、W3三种稳泡剂的混合溶液进行发泡实验，准确测出发泡体积，静置24后测出析液量。由实验结果可知，三种稳泡剂全都可以起到稳泡的效果，其中W2在稳泡方面的效果高于W1和W3，其24h的析液量仅为0.3ml。最终决定用W2作为稳泡剂，添加浓度为3%[5]。

2.3成胶体系制备

在泡沫凝胶中，构成成胶体系的物质有两种，分别为胶凝剂和交联剂，为满足凝胶泡沫在煤矿井下的实际应用需要，胶凝时间应当控制在10-25min以内。本次实验选取三种胶凝剂、十一种交联剂，开展交联反应实验，获取胶凝剂与交联剂的凝胶时间和形态。

2.3.1实验材料与仪器设备

（1）本次实验中使用的主要材料有胶凝剂（J1、J2、J3）、交联剂（L1-L11）、其它试剂、水等。

（2）实验过程中使用的主要仪器设备有电子搅拌器（数显顶置式）、电子天平、恒温加热磁力搅拌器（集热式）、量筒和烧杯、数字旋转粘度计等。

2.3.2筛选

用胶凝剂J1与交联剂L1、L2、L3、L5、L9；用胶凝剂J2与交联剂L6、L7；用胶凝剂J3与交联剂L4、L8、L10、L11，分别开展胶凝试验，对胶凝的时间准确的记录，并仔细观察胶凝后的状态。具体结果如表2所示。

表2 三种胶凝剂与十一种交联剂的实验结果

胶凝剂	交联剂	胶凝时间/min	凝胶状态
J1	L1	18	果冻状凝胶
	L2	--	不成胶
	L3	＞30	果冻状凝胶
	L5	--	不成胶
	L9	23	果冻状凝胶
J2	L6	--	不成胶
	L7	15	果冻状凝胶
J3	L4	立即胶凝	絮状沉淀
	L8	--	不成胶
	L10	立即胶凝	絮状沉淀
	L11	17	膏体状凝胶

根据表2所得的实验结果，在综合考虑各方面因素的情况下，包括凝胶时间、状态、成本等，最终决定选用J1和L1作为成胶体系。

2.3.3质量比

当胶凝剂与交联剂的质量比发生改变后，会对胶凝时间及状态产生一定程度的影响。为此，要确定出二者最佳的质量比。将总质量浓度固定为0.8%，按1:9-9:1的顺序对胶凝剂与交联剂的质量比进行设置，复配发泡剂的浓度选择0.4%，稳泡剂的浓度选择为3%，据此制作出400ml的混合溶液开展发泡实验，对胶凝时间准确记录，并在静置12h后仔细观察凝胶状态。由实验结果可知，胶凝剂与交联剂的质量比为4:6、5:5、6:4时，能够形成果冻性凝胶，其它质量比均无法形成凝胶。基于此，将质量比确定为5:5，在该比例下，胶凝剂与交联剂的浓度均为0.4%[6]。

2.4确定凝胶泡沫的配方

经过上述一系列实验，确定出凝胶泡沫的最终配方，具体如下：按1:2的比例、0.4%的总浓度复配发泡剂10#和12#；稳泡剂为W2，浓度3%；胶凝剂为J1，浓度0.4%；交联剂为L1，浓度0.4%。

3凝胶泡沫防灭火材料的应用实例

3.1应用场景

某煤矿井下存在可能发生自燃的煤层，经过现场调查后发现，该煤层有瓦斯爆炸的可能性。由于采掘期间断层位置处的顶煤无法全部放净，导致采空区内滞留了大量的煤炭。受断层的影响，留设45m的煤柱，煤柱在不断受压下，周围出现浮煤堆积，给自燃提供了条件。为解决煤层可能出现的自燃问题，确保井下生产的安全性，经过研究后，决定采用凝胶泡沫进行防灭火。

3.2应用效果

按照煤矿井下气体浓度的实时监测所得数据，结合数值模拟结果，对可能发生自燃的煤层灌注凝胶泡沫防灭火材料。灌注完毕后，在采空区内布设5个测点开展温度监测[7]。由监测结果可知，凝胶泡沫灌注后，在对该区域进行回采时，温度未发生异常变化，自燃问题得到解决。由此可见，凝胶泡沫在抑制煤矿井下采空区自燃方面效果显著，能够使采掘作业的安全性得到可靠保障，具有良好的推广使用价值。

3结论

综上所述，为制备出具有良好稳定性和阻燃性能的凝胶泡沫防灭火材料，可以通过实验的方法，探寻出最为适宜的配方，并按照配方对凝胶泡沫进行制备。未来一段时期，要加大凝胶泡沫的研究力度，通过不断的优化改进，使该材料的性能逐步完善，提高应用效果。

参考文献

[1]武薛强,聂士斌,韩超,戴广龙,杨威.防治煤矿火灾的凝胶泡沫材料制备及其性能研究[J].中国安全生产科学技术,2022,18(6):78-84.

[2]王毅泽.矿用CMC/ZrCit/GDL防灭火凝胶泡沫的制备和特性研究[D].太原理工大学,2022.

[3]巩亚文,刘应春,景明举,张英楠,张彬.二氧化硅凝胶泡沫材料制备及阻燃性能研究[J].中国安全科学学报,2022,32(5):127-133.

[4]武薛强.防治煤自燃的可膨胀凝胶泡沫制备及防灭火特性研究[D].安徽理工大学,2021.

[5]苏茹月,王馨博,栗丽,梁国杰,郑梓璇.炭气凝胶/泡沫炭复合热防护材料的制备及性能研究[J].炭素技术,2021,40(2):27-31.

[6]王志光.矿用防灭火凝胶泡沫流动特性及现场运用研究[J].同煤科技,2019(4):16-18.

[7]邓钟.煤矿防灭火凝胶泡沫的形成机理及阻化性能研究[D].湖南科技大学,2019.