防治煤自燃的微胶囊化阻化剂的研究

李承越 沈扬

中国矿业大学孙越崎学院 江苏省徐州市 221000

摘要：阻化剂防灭火技术是较为常用的煤自燃防治方法之一，但常规阻化剂存在阻化效率较低、阻化剂流失严重等问题。本文以氯化镁—褪黑素复合阻化剂为芯材、以氯化石蜡混合物为壁材，采用微胶囊化技术进行表面改性，研制出一种新型微胶囊化阻化剂，该阻化剂的阻化效率和阻化寿命有了进一步提高，有助于提高煤自燃防治效率。

关键词：煤自燃；微胶囊；感温控制

1 研究背景和研究内容

阻化剂是煤矿用于阻止煤氧化自燃的化学药剂^[1]，由于煤矿井下阻化剂作用场所复杂多变，在潮湿且高温的条件下阻化剂在煤矿井下极易流失失效，因此做到有效地延长阻化剂的滞留时间、保护阻化剂在潮湿高温的条件下不失效，有利于煤矿井下防灭火工作。微胶囊技术最早出现于美国20世纪50年代，广泛应用在医药、农业、香精、食品、材料加工等各个领域，并且其应用范围与应用方法还在不断扩大^[2,3]，并在阻燃阻化领域的研究发挥了巨大用处^[4-7]。

本文将以目前常用微胶囊制备工艺技术为基础，选用高效的氯化镁—褪黑素复合阻化剂，利用微胶囊化工艺对新型复合阻化剂进行微胶囊化技术处理，提高复合阻化剂在复杂条件下的稳定性，延长阻化剂的滞留时间、提高阻化效率。

2 微胶囊壁材的选取与制备

2.1 微胶囊壁材料的选取

本文中微胶囊为温感释放类微胶囊，即在使用环境达到预定温度后微胶囊才会释放出芯材料，并且作为煤矿井下防灭火材料，材料本身应在具备一定的阻燃性能，本文将根据上述条件来选择、制备微胶囊材料。考虑本微胶囊阻化剂用于煤矿防灭火工作，因此应当选用不燃或者燃点较高的材料作为壁材料。且由于喷撒阻化剂粉末相比较于注浆效果较差，因此井下管路输送主要以水和浆体为载体，故本文以疏水的70#氯化石蜡为主要壁材料制备原料。

2.2 微胶囊壁材料的制备

2.2.1 壁材料的复配

70#氯化石蜡（简称CP-70）是一种价格低廉、使用广泛、无毒的高效无机阻燃阻化剂，适用于建筑和家具的防灭火涂料^[4,8]。首先向烧杯中加入10g 70#氯化石蜡，将油浴锅温度恒温在95℃即70#氯化石蜡的软化点温度，待其完全熔融变为蜡状液体后，向其中分别加入1g、1.5g、2g、2.5g、3g 52#氯化石蜡，充分搅拌均匀后进行缓慢降温，得到氯化石蜡混合物固体。

2.2.2 测试与表征

选取70#氯化石蜡和52#氯化石蜡质量比分别为10:1、10:1.5、5:1，将这三种比例混合制备得到的壁材料在70℃条件下恒温10min后，观察其物理状态。

图2-1 70℃下壁材混合物状态

a-10:1；b-10:1.5；c-10:2；

由图2-1可知，而当质量比为5:1时混合物完全变为蜡状液体，且具有一定的流动性，满足微胶囊在70℃时破裂释放的要求。根据不同比例壁材料在常温下和70℃条件下的状态可知，本文选取70#氯化石蜡和52#氯化石蜡质量比为5:1作为微胶囊壁材料的制备比。

3 微胶囊的制备与测试

3.1 微胶囊制备工艺选择

本实验选用的壁材料为70#氯化石蜡和52#氯化石蜡的混合物，选材本身性质稳定不易发生聚合反应，但可以被高温软化成为液态，因此本文采用熔化分散冷凝法。熔化分散冷凝法的制备工艺比较简单，环境的适应性和对于设备的依赖性也较好。对于制备得到的微胶囊固块采用机械破碎法，经筛网筛选所需粒径后得到所需要的微胶囊。

3.2 微胶囊化阻化剂的制备

根据前文中选择的微胶囊制备工艺，结合本文选用的制备材料的相关物理、化学性质以及使用要求，对传统的熔化分散冷凝法进行了改良。

3.2.1 MgCl₂—MT微胶囊制备步骤

经分析改良，本实验微胶囊制备步骤如下：

（1）用精密天平称取52#氯化石蜡5g、70#氯化石蜡25g，置于60℃程序升温箱中，在惰性气氛下加热搅拌；

（2）用精密天平称取MgCl₂ 56g，褪黑素14g，在15~20℃惰性气氛条件下经球磨机研磨至0.2~0.75mm粉末，并充分混合，得到混合芯材粉末；

（3）向壁材液态混合体系中逐次逐量加入芯材混合粉末，每次添加后搅拌，直至芯材被熔融态壁材充分包裹后再继续添加，直至芯材和壁材的质量比达到7:3，即微胶囊芯材质量占比为70%。

（4）向上述混合体系中加入0.5g明胶、0.5ml司盘80，充分混合均匀后对混合体系进行降温，降温速率为2℃/min，直至体系冷却为固态；

（5）对所制得的固体进行充分破碎，经标准筛筛选，得到目标微胶囊。

3.2.2 微胶囊隔水性测试

煤矿井下喷洒阻化剂后，极易通过水的流动而脱离煤体表面难以起到阻化效果而且容易造成地下水污染和设备腐蚀，因此微胶囊具有良好的隔水性保证了其能否按照设计目的发挥其阻化效果。制备得到的微胶囊隔水测试如下所示

图3-1 微胶囊隔水性测试

左图为向微胶囊阻化剂表面滴加水后的测试结果。表明复合阻化剂被完全包覆后制得的微胶囊具有很好的疏水性。微胶囊芯材料中氯化镁极易溶于水，且氯化镁溶解过程伴随大量放热，因此在复合阻化剂表面滴加水滴会有明显的水气化声音，并且有明显的放热，而向微胶囊阻化剂表面滴加水后没有出现水气化声音和放热现象，说明微胶囊壁成功将水与芯材料隔离。右图为将微胶囊阻化剂混合在水中后其能够在一定时间内均匀悬浮在水中不发生聚集沉淀，证明所制备的胶囊具有良好的悬浮特性，保证微胶囊阻化剂在井下输送过程中不会发生堵管等现象。

4 本文总结

本章基于对微胶囊制备工艺的研究，根据制备微胶囊材料的物理、化学性质以及微胶囊的使用条件和使用环境，设计出熔化分散冷凝—机械破碎法作为制备微胶囊阻化剂的制备工艺，该制备方法操作简单、对设备要求较低。根据文献调研，该制备工艺以芯材质量占比为70%左右时制备出的微胶囊阻化剂为优。

将制备得到的微胶囊阻化剂进行隔水性测试，微胶囊化前的阻化剂相比，微胶囊阻化剂表现出较好的隔水效果。本文微胶囊的制备达到了定温释放的目的，微胶囊阻化剂喷洒在井下后能够较长时间停留在煤体表面，并随着温度的升高微胶囊壁逐渐破裂释放出复合阻化剂，对芯材料确实起到了较好的保护作用，显著提高了阻化效率。

参考文献：

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[2] 宋健等, 微胶囊化技术及应用[M]. 北京: 化学工业出版社，2001: 406页.

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