温控胞衣复合材料力学性能和阻燃性能的研究

发布时间：2020-06-14 04:15

【摘要】：煤层自燃发火严重威胁煤矿的安全生产。国内外煤矿常用阻化剂进行煤自燃的防治工作,然而常规的阻化剂溶液存在寿命短、稳定性差、具有强腐蚀性等缺点。本课题在“温控胞衣阻化剂热释放技术”的基础上,研制了一种力学性能和阻燃性能良好的温控胞衣复合材料。本课题以石蜡、硬脂酸作为基体材料,探究了不同种类不同剂量的颗粒状添加材料与纤维状添加材料对基体力学性能及阻燃性能的影响,进而选取了较优异的添加材料,最后为使力学和阻燃性能显著,特对选取的添加材料进行复配实验。并对温控阻化剂胞衣的形状、大小、壁厚及阻化剂溶液释放温度进行了科学实验研究。取得的主要成果及结论如下:首先,为了体现“温控”这一特点,根据煤炭低温氧化阶段的临界温度及实际使用条件,最终确定基体材料为石蜡(80%wt)+硬脂酸(20%wt),通过理论分析得出温控阻化剂胞衣的最佳形状为球体。其次,探究不同种类不同剂量的添加材料对温控胞衣复合材料力学性能的影响,以抗压强度为主要指标。选用氢氧化铝、3.5水硼酸锌、氯化石蜡-70等颗粒添加材料以及短切玻璃纤维、短切聚丙烯纤维添加材料与基体材料单一复合后进行压缩强度测试。初步筛选出氯化石蜡-70、氢氧化铝、3.5水硼酸锌,短切玻璃纤维四种添加材料进一步开展阻燃性能的测试研究。并研究了不同球径及壁厚的温控胞衣球体的抗压强度,分析得出最优的球径和壁厚分别为15mm和1.4mm。再次,研究分析初步筛选出的四种添加材料单独作用于基体材料时温控胞衣复合材料的阻燃性能,以热释放速率、燃烧表现指数、残炭率等作为具体判断指标。实验结果表明:除氯化石蜡-70外,3.5水硼酸锌、氢氧化铝和短切玻璃纤维的加入均能加大石蜡-硬脂酸基体材料的阻燃效果及增强热稳定性。综合各组试样的力学性能和阻燃性能,可得出3.5水硼酸锌,氢氧化铝,短切玻璃纤维(1mm-2mm)的综合性能较为优异。最后,对其力学性能与阻燃性能进行优化,故对3.5水硼酸锌/氢氧化铝进行复配,并为增强温控胞衣复合材料的韧性,最终确定的配方是:氢氧化铝(15%wt)+3.5水硼酸锌(15%wt)+短切玻璃纤维(5%wt)+石蜡(52%wt)+硬脂酸(13%wt)。平均阻化液释放温度T_R是68.3℃,能够满足现场使用条件。本文研究成果不仅为后期温控阻化剂胞衣制备系统的深入研究及现场应用提供理论基础及实验依据,也能对相变材料的阻燃提供研究基础。 【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD752.2;TB33

【图文】：

过程图,煤炭自燃,过程,煤自燃

并释放内部包裹的阻化剂溶液，进而起到抑制煤题针对温控胞衣复合材料中“温控”的特点，所以选取一种能体状态熔融至便于阻化剂释放的状态的基体材料非常重要，本相变材料。料的相变区间应与阻化剂溶液释放温度一致，即煤层自燃的临相对封闭，破碎的煤炭及遗煤氧化生成的热量不能及时散出，温升高，当煤温超过煤自燃临界温度时，将导致煤自燃[48]。而是从煤升温开始，胞衣球体吸热直至发生相变至熔融释放出阻的热量降低煤层温度，达到抑制煤自燃的目的。根据图 2-1 煤9]。李林等提出由潜伏期到自热期过渡期间，有个临界温度 TC℃），一旦超过这个温度，煤自燃放热与散热就失去了平衡，导将导致燃烧[50,51]。只有在煤层温度达到临界温度时，温控胞衣相变释放高含水无机盐阻化剂溶液，进而抑制燃烧[52]。所以温度应该稍微低于煤自燃的临界温度，而作为温控胞衣复合材料点应该稍微低于煤自燃的临界温度。

硬脂酸,石蜡,凝固过程

害、无污染、绿色环保，有利于国家可持续发种，按熔点大致分为 52、54、56、58 号[55的需求，本课题选用 58 号半精炼石蜡。例的确定，而且石蜡从熔融状态到冷却凝固过程中容的抗压强度。汪灵等发现硬脂酸的加入，，能以硬脂酸的加入能增强石蜡的硬度。其中硬：50℃-62℃[56]，并研究发现当添加硬脂酸的蜡凝固过程中产生的气泡；当添加硬脂酸的蜡硬度的同时，又不明显降低石蜡的相变温蜡（80%wt）+硬脂酸（20%wt）。如图 2-2

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