一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂及其制备方法与流程

1.本发明属于煤矿瓦斯抑爆复合改性材料技术领域，涉及一种催化型复合粉体抑爆材料及其制备方法，具体为一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂及其制备方法。


背景技术：

2.瓦斯爆炸是煤矿采掘、工业生产以及日常生活中的重大灾害之一，严重影响安全生产效率和工人生命安全。矿井瓦斯爆炸是一种热
‑‑‑
链式反应(也叫链锁反应)。当爆炸混合物吸收一定能量(通常是引火源给予的热能)后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基(也叫自由基)。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。
3.瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究，投入大量的时间和精力试验研究经济高效的甲烷爆炸抑爆剂。目前，应用最广泛粉体抑爆剂有碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物、卤化物、sio2、二茂铁、尿素等。由于单体抑爆剂的抑制效果具有一定的局限性，不能满足实际应用对抑制效果的需求，因此众多学者开始采用一定的技术方法对单体抑爆剂进行改性和复配，制造出新型复合粉体抑爆剂。
4.聚磷酸铵(app)的通式为(nh4)
n 2
p
n
o
3n 1
当n足够大时,可写成(nh4po3)
n
，根据聚合度n的不同,其用途亦不一样。聚合度较低的产品是水溶性的,常用于纤维织物的阻燃处理或者作为肥料。聚合度高、水难溶性的长链app用作塑料和涂料的阻燃剂。聚磷酸铵含磷量大,含氮量高,热稳定性好,尤其是高聚合度水不溶性的聚磷酸铵,产品接近中性,分散性好,可与其它任何物质混合而不起化学变化，达到一定温度后app分解生成磷酸和氨气以及水起稀释可燃气体、降低火焰温度、隔绝空气的作用。一直被国内外的学者作为具有代表性的阻燃剂进行研究，但随着应用领域的不断开拓,也暴露出它的一些缺点,如与某些材料的相溶性差,有渗透、迁移现象的发生,在潮湿空气中容易吸湿，团聚粘连现象比较严重。针对其固有缺陷，现提出一种改性复配技术，弥补单体抑爆剂的不足。
5.高岭土是一种非金属矿产，呈洁白细腻、松软土状，具有良好的可塑性和耐火性，能够吸收大量的热，是作为抑爆粉体的良好的选择。cn 109736874a公开了一种新型复合瓦斯抑爆剂。其由无机填料、多孔矿物材料(高岭土、沸石、海泡石、蛭石、膨胀珍珠岩、蒙脱土、勃姆石粉体)、无机磷系物质(聚磷酸铵)等组成。将以上组分粉碎并均匀混合干燥后即可得到瓦斯抑爆剂。但通过进一步研究发现未经改性高岭土的抑爆剂仅具有简单的物理抑爆作用，抑爆效果并不优越。
6.因此，如何提高瓦斯抑爆剂的抑爆效果是本领域技术人员始终探寻的技术方向。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明目的在于针对现有粉体抑爆剂效果不好，或者抑爆效果好但存在易团聚缺陷的技术问题，提供一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂及其制备方法，所述方法可有效避免上述缺陷。
8.本发明所述技术方案如下：
9.1.一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂，所述复合抑爆剂由改性高岭土与聚磷酸铵混合研磨制备而成，所述改性高岭土为使用二甲基亚砜、醋酸钾、氨基磺酸铵的一种或几种对高岭土进行超声插层处理制得。
10.优选的，所述改性高岭土与聚磷酸铵的混合比例为1
‑
1.5:1。
11.进一步，所述改性高岭土的制备方法包括：将高岭土与二甲基亚砜置于去离子水溶液中进行超声反应，所得产物过滤干燥得改性高岭土a，标记为kln
‑
dmso。
12.进一步，所述高岭土与二甲基亚砜添加质量体积比范围为0.05
‑
0.12g/ml，超声功率为800
‑
1200w，反应时间为180
‑
360min，所得产物用无水乙醇洗涤于55
‑
80℃条件下干燥10
‑
16h。
13.进一步，在上述方案基础上，进一步使用醋酸钾对kln
‑
dmso进行处理，具体方法包括：将kln
‑
dmso置于饱和醋酸钾溶液中搅拌反应，对所得产物过滤干燥得改性高岭土b，标记为kln
‑
kac。
14.进一步，kln
‑
dmso与饱和醋酸钾溶液的质量体积比范围为0.03
‑
0.1g/ml，反应温度为40
‑
55℃，所得产物用无水乙醇洗涤，于55
‑
80℃条件下干燥10
‑
16h。
15.进一步，在上述方案基础上进一步使用氨基磺酸铵对kln
‑
kac进行处理，具体方法为：将kln
‑
kac置于氨基磺酸铵水溶液中搅拌反应，对所得产物过滤干燥得改性高岭土c，标记为kln
‑
as。
16.进一步，所述氨基磺酸铵水溶液浓度范围为6
‑
10mol/l，所述kln
‑
kac与氨基磺酸铵水溶液添加比例范围为0.03
‑
0.1g/ml，反应温度为40
‑
55℃，所得产物用无水乙醇洗涤于55
‑
80℃条件下干燥10
‑
16h。
17.2.一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂的制备方法，，包括如下步骤：
18.(1)将改性高岭土kln
‑
dmso,kln
‑
kac,kln
‑
as中的一种或几种，分别与聚磷酸铵按1：1复配得混合物；
19.(2)将步骤1)所述混合物放入行星式球磨机中充分研磨；
20.(3)筛选出粒径30μm
‑
50μm的粉体，即得改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂。
21.进一步，步骤(2)还包括加入助磨剂，所述助磨剂为工业级滑石粉，行星式球磨机的球体质量与抑爆粉体质量的比例为2.5:1。
22.本发明有益效果在于：
23.1)本发明运用高岭土改性复配制备一种催化型复合粉体抑爆剂，所使用原材料价格低廉，制备工艺操作简单，生产条件易于控制，该技术方案适合大规模的工业生产。
24.2)本发明所制备的催化型复合粉体抑爆剂具有粒径小、抗团聚、呈疏水性等优点，克服了现有抑爆剂固有的缺陷。
25.3)本发明所制备的催化型复合粉体抑爆剂，选用聚磷酸铵为添加剂，采用超声插层法处理高岭土，通过对高岭土的改性不仅减少了传统抑爆剂的用量，而且还提高了传统
抑爆剂的抑爆特性，经济高效，具有较高的应用价值。
26.本发明的其他优点、目的和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到指导。本发明的目的和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
28.图1中,(a)为实施例1普通高岭土的抑制剂单体的sem图像；(b)为实施例1高岭土，二甲基亚砜超声插层复合抑制剂的sem图像；(c)为实施例1高岭土，乙酸钾超声插层复合抑制剂的sem图像；(d)为实施例1高岭土，氨基磺酸铵超声插层复合抑制剂的sem图像；
29.图2为实施例1普通高岭土抑制剂和二甲基亚砜超声插层复合抑制剂不同波数下透过率对比图；
30.图3为实施例1乙酸钾超声插层复合抑制剂，氨基磺酸铵超声插层复合抑制剂不同波数下透过率对比图；
31.图4、图5、图6、图7为本发明实施例1各种上述各种高岭土抑制剂粒径分布图；
32.图8是高岭土以及超声插层处理后的复合粉体与空爆实验过程中测得的压力趋势曲线；
33.图9是高岭土以及超声插层处理后的复合粉体与空爆实验过程中最大爆炸压力曲线。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功能。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种调整或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想或效果。
35.实施例1
36.一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂的制备，具体步骤如下：
37.步骤一：量取4.5ml去离子水移至于含有40ml二甲基亚砜(简称dmso)三口瓶中，然后称取4g干燥之后的高岭土置于上述溶液中，放在超声波反应器中，设定超声功率为800w，反应时间240min，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，并于60℃干燥12h后得产物改性高岭土a，并标注为kln
‑
dmso；
38.步骤二：取2g步骤一所制得的kln
‑
dmso于三口烧瓶中，然后量取40ml饱和kac溶液，反应在50℃条件下连续搅拌l d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于60℃干燥12h后得产物改性高岭土b,并标注为kln
‑
kac；
39.步骤三：取2g步骤二所制得kln
‑
kac于三口烧瓶中，然后量取40ml的8mol/l as水溶液，反应在50℃条件下连续搅拌1d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于60℃
干燥12h后得产物改性高岭土c,并标注为kln
‑
as；
40.步骤四：分别使用上述制备的功能化高岭土(kln
‑
dmso,kln
‑
kac,kln
‑
as)，分别与传统抑制剂(app)按1：1的质量比例进行复配，放入行星式球磨机中,加入质量为所取功能化高岭土及app复合粉体质量的1/8份的助磨剂，将复合粉体进行筛分，制得粒径在30μm
‑
50μm的复配抑爆粉体，所制得复配抑爆粉体分别标记。
41.实施例2
42.一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂的制备，具体步骤如下：
43.步骤一：量取5ml去离子水移至于含有35ml二甲基亚砜(简称dmso)三口瓶中，然后称取3.5g干燥之后的高岭土置于上述溶液中，放在超声波反应器中，设定超声功率为900w，反应时间200min，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，并于58℃干燥14h后得产物改性高岭土a，并标注为kln
‑
dmso；
44.步骤二：取3g步骤一所制得的kln
‑
dmso于三口烧瓶中，然后量取35ml饱和kac溶液，反应在48℃条件下连续搅拌1.2d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于58℃干燥14h后得产物改性高岭土b,并标注为kln
‑
kac；
45.步骤三：取3g步骤二所制得kln
‑
kac于三口烧瓶中，然后量取35ml的9mol/l as水溶液，反应在48℃条件下连续搅拌1.2d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于58℃干燥14h后得产物改性高岭土c,并标注为kln
‑
as。
46.步骤四：分别使用上述制备的功能化高岭土(kln
‑
dmso,kln
‑
kac,kln
‑
as)，分别与传统抑制剂(app)按4:5的质量比例进行复配，放入行星式球磨机中,加入质量为所取功能化高岭土及app复合粉体质量的1/8份的助磨剂，将复合粉体进行筛分，制得粒径在30μm
‑
50μm的复配抑爆粉体，所制得复配抑爆粉体分别标记。
47.实施例3
48.一种改性高岭土瓦斯煤尘复合抑爆剂的制备，具体步骤如下：
49.步骤一：量取8ml去离子水移至于含有45ml二甲基亚砜(简称dmso)三口瓶中，然后称取4.5g干燥之后的高岭土置于上述溶液中，放在超声波反应器中，设定超声功率为750w，反应时间280min，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，并于65℃干燥10h后得产物改性高岭土a，并标注为kln
‑
dmso；
50.步骤二：取3g步骤一所制得的kln
‑
dmso于三口烧瓶中，然后量取45ml饱和kac溶液，反应在53℃条件下连续搅拌0.8d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于65℃干燥10h后得产物改性高岭土b,并标注为kln
‑
kac；
51.步骤三：取3g步骤二所制得kln
‑
kac于三口烧瓶中，然后量取45ml的7.2mol/l as水溶液，反应在53℃条件下连续搅拌0.8d，反应结束后，产物用无水乙醇洗涤3次过滤，置于65℃干燥10h后得产物改性高岭土c,并标注为kln
‑
as。
52.步骤四：分别使用上述制备的功能化高岭土(kln
‑
dmso,kln
‑
kac,kln
‑
as)，分别与传统抑制剂(app)按质量比5:6的质量比例进行复配，放入行星式球磨机中,加入质量为所取功能化高岭土及app复合粉体质量的1/8份的助磨剂，将复合粉体进行筛分，制得粒径在30μm
‑
50μm的复配抑爆粉体，所制得复配抑爆粉体分别标记。
53.通过将实施例1中普通高岭土以及得到的各种功能性高岭土进行观测，其中图1中(a)、(b)、(c)、(d)从左到右依次是普通高岭土、各种功能性高岭土放大5000、10000、20000
倍的微观图片。通过对比放大的微观图片，可以看出通过超声波插层的方法将有机物有效的插入了高岭土的内部，提高了高岭土的层间距和层间的表面积，增加了高岭土的化学活性。
54.图2为实施例1普通高岭土抑制剂和二甲基亚砜超声插层复合抑制剂不同波数下透过率对比图；图3为实施例1乙酸钾超声插层复合抑制剂，氨基磺酸铵超声插层复合抑制剂不同波数下透过率对比图；观察图2、3可以发现各种功能性高岭土在1550
‑
3450cm
‑
1波数段，声波的透过率显著降低，说明插入有机材料后，功能性高岭土相对于普通高岭土，绝热性能显著增强。
55.图4、5、6、7是对于每个样本做三种重复试验，统计了各个样本颗粒的平均值、标准差以及rsd，筛选出符合复配的颗粒粒径范围。
56.图8、9分别是实施例1高岭土以及超声插层处理后的复合粉体与空爆实验过程中测得的压力趋势曲线以及最大爆炸压力曲线，最终处理的复合高岭土最大爆炸压力下降率高达29.7％。
57.再分别将实施例2和3所得机制剂按上述方式进行测试实验，所呈现的实验结果与实施例1所述基本一致。以上实施例可说明本发明所制备的催化型复合粉体抑爆剂具有粒径小、抗团聚、呈疏水性等优点，克服了现有抑爆剂固有的缺陷。本发明所制备的催化型复合粉体抑爆剂，选用聚磷酸铵为添加剂，采用超声插层法处理高岭土，通过对高岭土的改性不仅减少了传统抑爆剂的用量，而且还提高了传统抑爆剂的抑爆特性，经济高效，具有较高的应用价值。
58.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。