新型礦用防滅火凝膠泡沫制備及阻化性能研究

付 偉，宋海洲，陳 軍，張 朋，張心靜

(1.兗礦能源有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤礦火災(zāi)是威脅安全生產(chǎn)和井下職工生命安全的重大災(zāi)害之一，近年來，隨著煤礦開采深度日益增加這也導(dǎo)致煤炭的自燃風(fēng)險進(jìn)一步加大[1，2]。煤自燃不僅會使大量煤炭資源被燒毀，還極易產(chǎn)生大量有毒有害氣體，造成環(huán)境污染的同時還會危及井下工作人員的生命安全[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，我國有25個主要產(chǎn)煤省區(qū)，其中有超過70%的產(chǎn)煤省區(qū)深受煤自燃困擾，有煤自燃發(fā)火傾向的礦井?dāng)?shù)量占全國重點煤礦的50%以上[6，7]。目前，防治煤自燃措施主要有注漿、注惰氣、注阻化劑、注凝膠等技術(shù)[8-10]。上述技術(shù)在煤自燃的防治工作中都曾發(fā)揮了重要的作用，但也都存在不同程度的缺點，例如注漿可以對明確的火源地點起到治理作用，但其漿液覆蓋面積小且覆蓋高度有限；注惰氣可以降低氧氣濃度，但惰氣容易擴(kuò)散無法長時間留存在采空區(qū)；物理阻化劑會腐蝕灌注設(shè)備甚至造成環(huán)境污染，而化學(xué)阻化劑成本較高不適合大范圍應(yīng)用；注凝膠技術(shù)具有優(yōu)良的保水性能，但其流動性較差，容易堵塞注膠管道且成本較高；泡沫防滅火材料雖然具有覆蓋范圍廣、堆積型強(qiáng)等優(yōu)點，但以往的水基泡沫、三相泡沫等防滅火材料在現(xiàn)場應(yīng)用時仍然存在容易破裂、水分流失快、耐熱性能差、無法長期覆蓋煤體隔絕氧氣等問題，無法滿足現(xiàn)場實際防滅火的要求[11-15]。

為了更好地防治煤自燃，專家學(xué)者們針對目前防滅火技術(shù)的不足，提出了凝膠泡沫防滅火技術(shù)。凝膠泡沫防滅火材料具有高效、節(jié)水、穩(wěn)定、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，可以防治不同種類的井下火災(zāi)，這使得它受到廣泛的關(guān)注[16，17]。但是現(xiàn)有的凝膠泡沫仍然存在一些缺陷，如凝膠泡沫存在的發(fā)泡倍數(shù)低、泡沫穩(wěn)定性差等缺陷和不足[18]?；诖?，本文根據(jù)現(xiàn)有防滅火材料的不足，將膠體材料與泡沫材料相結(jié)合，以離子交聯(lián)的方式制備出了一種新型礦用防滅火凝膠泡沫材料，并對其熱穩(wěn)定性、阻化煤自燃的效果展開研究。

1 凝膠泡沫的基本特性

凝膠泡沫主要是由發(fā)泡劑、膠凝劑、交聯(lián)劑等其他助劑組成，且具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性、良好的防滅火性能、優(yōu)異的封堵性能[19]。凝膠泡沫的形成機(jī)制主要包括兩個階段，分別是：發(fā)泡劑分子在氣-液界面形成泡沫；膠凝劑和交聯(lián)劑通過交聯(lián)作用形成凝膠。

2 凝膠泡沫的制備實驗

2.1 高倍發(fā)泡劑的選取及復(fù)配實驗

2.1.1 實驗方法及材料

發(fā)泡實驗的常規(guī)發(fā)泡方法主要有：Waring-Blender法、ROSS-Miles法、改進(jìn) ROSS-Miles法、壓氣氣流法等[20]。綜合考慮實驗儀器等因素，文中的篩選發(fā)泡劑、發(fā)泡劑復(fù)配等發(fā)泡實驗均采用Waring-Blender法，這種方法設(shè)備簡單且易操作，實驗結(jié)果準(zhǔn)確。設(shè)置攪拌器的轉(zhuǎn)速為1200 r/min，時間為2 min，攪拌完畢后立即讀取容器中的泡沫體積，以此來表征發(fā)泡劑的發(fā)泡性能。按照表面活性劑的離子類型進(jìn)行分組，選擇比較常用的陰離子型：十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、α-烯基磺酸鈉(AOS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)和月桂醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(SLES)；陽離子型：十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)；兩性離子型：月桂酰胺丙基氧化胺(LAO)、月桂酰胺丙基甜菜堿(LAB)和椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)；非離子型：脂肪醇聚氧乙烯醚9(AEO-9)和月桂基葡糖苷(APG)。共12種表面活性劑進(jìn)行單一篩選，篩選出3種綠色環(huán)保、發(fā)泡體積大、價格低廉的發(fā)泡劑，再進(jìn)行兩兩復(fù)配實驗，得出泡沫材料的最佳組合。

2.1.2 單一發(fā)泡劑的篩選

設(shè)置發(fā)泡溶液的濃度為0.1%，0.2%，0.3%，…，1.5%，對12種表面活性劑進(jìn)行發(fā)泡實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同表面活性劑、不同濃度的同一表面活性劑其發(fā)泡體積均不相同，實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，同一表面活性劑的發(fā)泡體積與發(fā)泡溶液濃度呈正比關(guān)系，當(dāng)泡沫體積增加到一定值后，便不再增加并保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。原因是發(fā)泡劑是通過改變水的表面張力來實現(xiàn)發(fā)泡，而其改變張力的作用是有限的，通常稱這個限度為臨界膠束濃度。當(dāng)溶液的濃度大于臨界膠束濃度后，發(fā)泡劑將無法改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩?，而是在溶液表面形成排列緊密的膠束，因此，進(jìn)一步增加溶液濃度并不能再降低表面張力。通過實驗可知SDBS、SDS、AOS、AES與SLES單一發(fā)泡劑達(dá)到最大發(fā)泡體積的濃度分別為0.7%，0.7%，0.7%，0.7%，0.8%；CTAB與CTAC達(dá)到最大發(fā)泡體積的濃度均為1.1%；LAO、LAB與CAB達(dá)到最大發(fā)泡體積的濃度分別為0.7%，0.7%，0.8%；AEO-9與APG達(dá)到最大發(fā)泡體積的濃度分別為0.7%，0.6%。以發(fā)泡體積為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選出SDS、AES、LAO三種發(fā)泡劑。

圖1 12種表面活性劑的發(fā)泡體積隨濃度變化曲線

2.1.3 發(fā)泡劑的復(fù)配

由于煤礦火災(zāi)的防治要求凝膠泡沫具有更大的發(fā)泡體積，僅靠單一的發(fā)泡劑，其發(fā)泡體積遠(yuǎn)達(dá)不到需求。因此對優(yōu)選出的SDS、AES、LAO三種表面活性劑進(jìn)行兩兩復(fù)配，以更好地提高發(fā)泡體積。

1)確定復(fù)配發(fā)泡劑的復(fù)配比例。選用SDS、AES和LAO三種表面活性劑，設(shè)置三組復(fù)配實驗，其總復(fù)配濃度為0.7%，進(jìn)行不同比例的發(fā)泡劑復(fù)配實驗。不同復(fù)配比例下復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積變化如圖2所示。由圖2可知，復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積隨著復(fù)配比例的改變也隨之發(fā)生了變化，當(dāng)達(dá)到最佳復(fù)配比例時，發(fā)泡體積最大，且均優(yōu)于單一發(fā)泡劑的發(fā)泡能力。原因是復(fù)配發(fā)泡溶液中含有的兩種表面活性劑離子所帶的電荷相反，相反電荷之間產(chǎn)生一種相互作用增加了兩個離子之間的締合概率，從而推進(jìn)了膠束在溶液中形成的進(jìn)程。這也是有效降低溶液表面張力和提高發(fā)泡倍數(shù)的原因之一。但是，當(dāng)復(fù)配發(fā)泡劑達(dá)到最佳復(fù)配比例后，發(fā)泡體積就會降低，這表明復(fù)配比例高于臨界值時，就會限制復(fù)配發(fā)泡劑降低溶液表面張力的作用。因此確定SDS∶AES、SDS∶LAO和AES∶LAO三種復(fù)配發(fā)泡劑的最佳復(fù)配比例分別為5∶5，6∶4，7∶3。

圖2 復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積隨復(fù)配比例的變化

2)確定復(fù)配發(fā)泡劑的濃度。在確定好三種復(fù)配發(fā)泡劑SDS∶AES、SDS∶LAO和AES∶LAO的最佳發(fā)泡配比為5∶5，6∶4，7∶3之后，為了使復(fù)配發(fā)泡劑達(dá)到最佳的發(fā)泡體積，在此配比之下進(jìn)行了復(fù)配發(fā)泡劑的濃度影響實驗，進(jìn)行了濃度為 0.1%，0.2%，0.3%，…，1.5%時的發(fā)泡實驗。實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積隨著復(fù)配發(fā)泡劑濃度的升高而增大，在增大到某一臨界值后便趨于平穩(wěn)，變化規(guī)律與單一表面活性劑情況下類似。這是因為當(dāng)復(fù)配發(fā)泡劑濃度較低時，其濃度還未達(dá)到臨界值，此時溶液表面的發(fā)泡劑分子數(shù)量不多，發(fā)泡溶液的表面張力變化不明顯，逐漸增加復(fù)配發(fā)泡劑的濃度，溶液表面的發(fā)泡劑分子慢慢充斥在氣液界面的空白處，發(fā)泡溶液的表面張力顯著降低，發(fā)泡體積隨之迅速增加。隨著繼續(xù)增加溶液濃度，此時復(fù)配發(fā)泡劑濃度已達(dá)到臨界值，發(fā)泡體積不再隨著發(fā)泡劑濃度的增加而升高，無法進(jìn)一步降低溶液的表面張力，發(fā)泡體積不再發(fā)生明顯變化。造成此現(xiàn)象的原因是發(fā)泡劑分子已經(jīng)充分覆蓋了發(fā)泡劑的表面，新的發(fā)泡劑分子無法繼續(xù)分散在溶液表面上，只能在發(fā)泡溶液內(nèi)部形成膠束。由圖3可以確定出SDS∶AES、SDS∶LAO和AES∶LAO三種復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積分別在濃度0.7%，0.6%，0.6%時達(dá)到最大。

圖3 復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

最終，在綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡體積、成本和環(huán)保問題基礎(chǔ)之上，選用復(fù)配比例為5∶5、復(fù)配濃度為0.7%的SDS∶AES作為最佳復(fù)配發(fā)泡劑。

2.2 凝膠泡沫合成實驗研究

膠凝劑和交聯(lián)劑是凝膠泡沫的主要成膠體系，選擇羧甲基纖維素鈉(膠凝劑)和檸檬酸鋁(交聯(lián)劑)作為新型凝膠泡沫防滅火材料成膠體系的原材料。為了確定膠凝材料的最佳配比，設(shè)置膠凝劑濃度為0.6%，0.7%，0.8%，交聯(lián)劑的濃度為1%，2%，3%，進(jìn)行兩兩配比實驗。

首先將一定濃度的膠凝劑加入到燒杯中，放置到水浴鍋中充分加熱到使其全部溶解，將配制好的發(fā)泡劑溶液加入到燒杯中，使用攪拌器快速攪拌至其完全發(fā)泡；然后緩慢加入制備好的交聯(lián)劑溶液，攪拌均勻后，移入一次性塑料杯中；每隔30 s觀察塑料杯中凝膠泡沫的狀態(tài)，直到晃動塑料杯，凝膠泡沫不再流動時，記錄凝膠泡沫的膠凝時間。每組測試3次，取平均值。不同配比下凝膠泡沫的成膠時間及狀態(tài)見表1。

表1 不同配比下凝膠泡沫的成膠時間及狀態(tài)

由表1可知，固定膠凝劑濃度不變，凝膠泡沫的成膠時間隨著交聯(lián)劑濃度的增大而減小。這是因為膠凝劑濃度不變時，交聯(lián)劑濃度越高，能與膠凝劑反應(yīng)的分子越多，所以膠凝時間越短。膠凝劑濃度為0.6%時，實驗選用的三種交聯(lián)劑濃度下，其成膠時間都大于20 min或者不膠凝，這是因為膠凝劑濃度較小時，能與交聯(lián)劑反應(yīng)的分子較少，反應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致不能快速形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；膠凝劑濃度為0.7%時，成膠時間隨著交聯(lián)劑濃度的增大而減小，且形成的膠體為果凍狀凝膠，性能較好；膠凝劑濃度為0.8%時，三種交聯(lián)劑濃度的成膠時間均小于10 min且有液體析出，這是由于膠凝劑濃度過大時，有部分膠凝劑分子不能與交聯(lián)劑反應(yīng)，未形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致析水。體系5、體系6符合成膠時間以及狀態(tài)的要求。綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，本文選用0.7%膠凝劑濃度、2%交聯(lián)劑濃度進(jìn)行后續(xù)實驗。

2.3 凝膠泡沫的配方的優(yōu)化

為了減小凝膠泡沫各組分之間的不良影響，使凝膠泡沫達(dá)到最優(yōu)的性能，通過正交試驗對凝膠泡沫各個組分的配比進(jìn)行了優(yōu)化。

將復(fù)配發(fā)泡劑、膠凝劑、交聯(lián)劑這三個試驗因素分別記作A、B、C，各因素均取三個濃度水平，開展試驗研究復(fù)配發(fā)泡劑、膠凝劑、交聯(lián)劑及各組分對應(yīng)的不同濃度對凝膠泡沫發(fā)泡體積的影響。正交試驗的因素和水平設(shè)置見表2。

表2 凝膠泡沫正交試驗因素水平

正交試驗結(jié)果見表3。對泡沫體積影響大小依次為：膠凝劑>復(fù)配發(fā)泡劑>交聯(lián)劑。這是因為發(fā)泡劑溶液濃度達(dá)到一定的值之后，發(fā)泡能力不再發(fā)生明顯變化，而膠凝劑影響最大的原因主要是加入膠凝劑會導(dǎo)致泡沫體系的黏度變大，使泡沫的形成更加困難。k1、k2、k3為表2中三種水平下各因素對應(yīng)的平均值，在1水平下膠凝劑對泡沫的發(fā)泡體積影響最小，即膠凝劑的濃度為0.65%，此時對凝膠泡沫的發(fā)泡能力影響最小。由于交聯(lián)劑的黏度較小且試驗選用的膠凝劑和交聯(lián)劑為延遲交聯(lián)反應(yīng)，與泡沫的發(fā)泡時間錯開，所以在初始階段交聯(lián)劑濃度對發(fā)泡能力影響較小。

表3 凝膠泡沫正交試驗結(jié)果分析

復(fù)配發(fā)泡劑對于體系發(fā)泡能力的影響小于膠凝劑，這是因為復(fù)配發(fā)泡劑改變體系發(fā)泡能力的原理就是通過產(chǎn)生帶有相反電荷的離子，使它們之間的相互作用加強(qiáng)，而膠凝劑可以直接改變?nèi)芤旱臐舛?，增加改變表面張力的難度。根據(jù)正交試驗結(jié)果，確定復(fù)配發(fā)泡劑SDS和AES比例為1∶1，總濃度為0.8%；膠凝劑濃度為0.65%；交聯(lián)劑濃度為2.5%作為凝膠泡沫防滅火材料的最終配比。

3 凝膠泡沫的熱穩(wěn)定性研究

凝膠泡沫防滅火性能的優(yōu)劣與其熱穩(wěn)定性息息相關(guān)，通過抗溫性實驗和恒溫失水率實驗對凝膠泡沫的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3.1 實驗方法

凝膠泡沫的抗溫性實驗設(shè)置了普通泡沫、只加穩(wěn)泡劑泡沫以及凝膠泡沫三組實驗，實驗采用集熱式磁力攪拌器油浴加熱作為加熱源，設(shè)置加熱溫度為300 ℃，利用溫度計對泡沫溶液的溫度變化情況進(jìn)行測量，以泡沫溶液溫度達(dá)到100 ℃且完全破滅的時間作為抗溫時間。凝膠泡沫的失水率實驗采用實驗室配備的恒溫鼓風(fēng)干燥箱作為加熱源，設(shè)置干燥箱的溫度分別為40 ℃，50 ℃，…，130 ℃，共10個溫度梯度；將制備好的凝膠泡沫置于干燥箱中進(jìn)行恒溫加熱，設(shè)置恒溫時間為10 h，每隔1 h取出凝膠泡沫并用電子天平進(jìn)行稱重，計算凝膠泡沫每1 h的失水率。

3.2 凝膠泡沫抗溫性實驗

制備出400 mL復(fù)配發(fā)泡劑溶液、400 mL加入穩(wěn)泡劑的泡沫和400 mL凝膠泡沫，共三份材料，得到三種不同泡沫溶液溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，不同泡沫材料的抗溫性變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 三種不同泡沫材料的抗溫性變化曲線

由圖4可以看出，普通泡沫、加穩(wěn)泡劑泡沫以及凝膠泡沫的抗溫時間分別為40，55，85 min。在這三種泡沫中，凝膠泡沫達(dá)到100 ℃的時間及持續(xù)時間均要遠(yuǎn)高于其余兩種泡沫，凝膠泡沫的抗溫性最好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是凝膠泡沫中的膠凝劑和交聯(lián)劑通過延遲交聯(lián)形成一種可以提高泡沫穩(wěn)定性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以大大提高凝膠泡沫的抗溫性能；而普通水基泡沫中的主要成分仍舊是水，溶液粘度很低，溶液表面的分子排列也很松散，所以其穩(wěn)定性非常差。溫度的升高加劇了溶液間的分子熱運動，導(dǎo)致泡沫快速消散。加入穩(wěn)泡劑的泡沫增加了溶液的粘度，所以其比普通泡沫的抗溫時間要長，但是其根本上還是水基泡沫，在外界溫度的持續(xù)加熱狀態(tài)下，仍然對分子之間的作用力影響較大，所以其抗溫時間低于凝膠泡沫。綜上可以確定出凝膠泡沫的抗溫性最優(yōu)。

3.3 凝膠泡沫恒溫失水率實驗

在確定出凝膠泡沫的抗溫性最優(yōu)之后，進(jìn)行了不同溫度條件下凝膠泡沫的失水率實驗，結(jié)果如圖5所示。凝膠泡沫的失水率與恒溫時間成正比關(guān)系。在溫度為40～70 ℃時，凝膠泡沫的失水率隨著溫度的升高而增大，凝膠泡沫在較低的恒溫狀態(tài)下，其水分子運動能量隨著恒溫時間的增大也不斷增大，但是在低溫狀態(tài)下，凝膠泡沫的水分子運動能量不能使其發(fā)生劇烈蒸發(fā)，所以在此階段，凝膠泡沫處于緩慢蒸發(fā)狀態(tài)。

圖5 不同溫度下凝膠泡沫的失水率變化

分析凝膠泡沫在80～130 ℃時的失水率數(shù)據(jù)可以得到：凝膠泡沫的失水率在恒溫加熱5 h后其失水率變化規(guī)律發(fā)生了變化。前5個小時，失水率與恒溫時間大致呈正比，恒溫5 h后，失水率不再發(fā)生劇烈波動。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是高溫可以加快水分子的蒸發(fā)。新鮮制備的凝膠泡沫內(nèi)含有大量水分，實驗的前5個小時，凝膠泡沫在恒溫環(huán)境下，隨著時間的增長，水分子的平均運動能量不斷增加，水分子發(fā)生巨大的變化并蒸發(fā)，在這段時間中，凝膠泡沫的失水率增長比較快。5 h后，凝膠泡沫內(nèi)的水分子已經(jīng)大量減少，水分子不再產(chǎn)生相變，因此凝膠泡沫的失水率不再發(fā)生巨大的變化。

為進(jìn)一步分析凝膠泡沫溫度與失水率的規(guī)律，對失水率的散點圖進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)采空區(qū)溫度較高時，注入的凝膠泡沫所含的水分會逐漸蒸發(fā)。失水后的凝膠泡沫會減弱它降低煤層溫度的效果，并且有可能破壞凝膠泡沫的空間結(jié)構(gòu)。由圖6可知，隨著溫度的升高，凝膠泡沫的失水率呈現(xiàn)出先上升然后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。在50～80 ℃的溫度下將凝膠泡沫恒溫加熱5 h，仍然有36.5%～88.5%的含水率。綜上，凝膠泡沫具備防治煤自燃所需的熱穩(wěn)定性，能夠有效避免采空區(qū)自然發(fā)火。

圖6 凝膠泡沫溫度與失水率的變化關(guān)系

4 凝膠泡沫防滅火材料的阻燃性能

為了考察凝膠泡沫防滅火材料對煤自燃的阻化效果，分析凝膠泡沫對煤樣燃燒時的影響，使用Setaram Labsys Evo熱重分析儀對原煤樣和阻化煤樣的質(zhì)量隨溫度的變化情況進(jìn)行測定。

4.1 實驗過程

選取新鮮煤塊進(jìn)行機(jī)械研磨處理，選取40～60目煤顆粒作為實驗用的煤樣。首先，稱取100 g煤樣置于40 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h，作為原煤樣用于實驗研究。然后，根據(jù)所確定的凝膠泡沫配方，制備出50 g凝膠泡沫，將100 g煤樣加入到新鮮制備的凝膠泡沫材料中，充分?jǐn)嚢?，待其完全反?yīng)后，將樣品置于40 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h，得到凝膠泡沫處理煤樣，并與原煤樣對照。最后，取5～10 mg樣品，設(shè)定反應(yīng)溫度從30 ℃升溫至800 ℃，升溫速率為10 K/min，通入空氣，流速50 mL/min。

4.2 阻化效果分析

經(jīng)過熱重分析儀檢測，得到TG(質(zhì)量)、DTG(質(zhì)量損失速率)隨溫度變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 TG、DTG隨溫度的變化規(guī)律

1)煤的燃燒主要經(jīng)歷失水減重、氧化增重、燃燒減重這三個階段。通過對兩種煤樣的質(zhì)量隨溫度變化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，原煤樣和凝膠泡沫處理煤樣的TG和DTG曲線的趨勢基本一致。

2)由圖7(a)對原煤樣和凝膠泡沫處理煤樣的TG曲線進(jìn)行分析可以看出，凝膠泡沫處理煤樣在462.3 ℃時進(jìn)入到劇烈的燃燒減重階段，比原煤樣提高了59.3 ℃。這表明凝膠泡沫可以阻化煤自燃的進(jìn)程。

3)由圖7(b)對原煤樣和凝膠泡沫處理煤樣的DTG曲線進(jìn)行分析可以看出：DTG1為原煤樣的最大失重速率，DTG2為凝膠泡沫處理煤樣的最大失重速率；T1、T2分別是其達(dá)到最大失重速率所對應(yīng)的溫度點。通過分析圖中高溫階段的數(shù)據(jù)可以得到，凝膠泡沫處理煤樣的最大失重速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原煤樣的最大失重速率。原煤和凝膠泡沫處理煤樣的最大失重速率分別為DTG1：-0.87%/min，DTG2：-0.77%/min，其最大失重速率對應(yīng)的溫度T1、T2分別為563.9 ℃和576.02 ℃。經(jīng)凝膠泡沫處理后的煤樣最大失重速率DTG降低了0.1%/min，達(dá)到最大失重速率的溫度升高了12.12 ℃。這是因為凝膠泡沫在失水后，會形成一種致密的網(wǎng)狀薄膜覆蓋在煤體表面，隔絕了煤與氧的接觸，減緩了煤氧反應(yīng)速率，對煤的燃燒有明顯的抑制作用。

5 結(jié) 論

1)采用Waring Blender攪拌法，從12種發(fā)泡劑中優(yōu)選出了3種成本較低、發(fā)泡性能較好的發(fā)泡劑，并對其進(jìn)行了復(fù)配，研制出了一種發(fā)泡倍數(shù)較高的復(fù)配發(fā)泡劑；分別對交聯(lián)劑和膠凝劑設(shè)置3個濃度梯度，通過測定其成膠時間和成膠狀態(tài)，優(yōu)選出羧甲基纖維素鈉0.7%、檸檬酸鋁2%的成膠體系配比；通過設(shè)計各組分正交試驗，最終確定了凝膠泡沫防滅火材料的配比為復(fù)配發(fā)泡劑SDS和AES比例1∶1，總濃度0.8%；膠凝劑濃度0.65%；交聯(lián)劑濃度2.5%。

2)通過抗溫性實驗發(fā)現(xiàn)，凝膠泡沫的抗溫性要優(yōu)于普通泡沫及加入穩(wěn)泡劑的泡沫；不同恒溫狀態(tài)下凝膠泡沫失水率變化情況。在較低的溫度狀態(tài)下，凝膠泡沫的失水率與溫度呈正比關(guān)系；在80～130 ℃的恒溫狀態(tài)下，凝膠泡沫的失水率呈現(xiàn)出先上升后保持穩(wěn)定的狀態(tài)；對凝膠泡沫在恒溫5 h的溫度與凝膠泡沫失水率關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)凝膠泡沫在50～80 ℃的溫度下加熱5 h，仍然有36.5%～88.5%的含水率，凝膠泡沫具有良好的熱穩(wěn)定性能。

3)利用熱重分析儀分析了凝膠泡沫防滅火材料對煤燃燒過程的影響。結(jié)果表明：凝膠泡沫處理煤樣進(jìn)入到燃燒減重階段的溫度比原煤樣提高了59.3 ℃；凝膠泡沫處理后的煤樣最大失重速率DTG降低了0.1%/min；達(dá)到最大失重速率的溫度升高了12.12 ℃。說明凝膠泡沫防滅火材料能有效延遲煤的氧化自燃。