[发明专利]一种聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料及其制备方法与应用。

背景技术

聚氨酯类灌浆材料于20世纪60年代在日本被开发出来，80年代开始在全世界推广，目前在各种建筑、水利、矿业工程中均有广泛的应用。聚氨酯灌浆材料的优点有：粘结力高，防渗性能好；固化速率易调节，施工工艺、设备简单；遇水反应快，不会因地下水冲刷而流失；可以与水反应发泡，产生二次压力，从而灌入更为细小的裂缝；化学稳定性高，具有很好的耐久性；强度和韧性优于一般的化学灌浆材料，可以处理伸缩缝等特殊情况。同时，由于聚氨酯灌浆材料有许多种类，因而在煤矿中有着许多不同的应用。国内一些大型煤矿，如河北开滦范各庄矿、河南煤化红岭矿、鸡西矿业集团等都应用过聚氨酯灌浆材料，取得了良好的经济和社会效益。

油性聚氨酯灌浆材料具有强度高、耐久性强等特点，适合用于进行煤层加固、提高巷道的支护强度等补强作业，其应用量正逐年增大。然而油性聚氨酯灌浆材料也存在一些缺陷与不足：纯聚氨酯灌浆材料抗静电性不足，容易在外界作用下产生静电，引发瓦斯爆炸、火灾等灾难性的事故；一些油性聚氨酯灌浆材料中含有有机溶剂，在灌浆施工和煤炭生产过程中遇热会起火，再加上聚氨酯本身阻燃性不足，导致火势易蔓延，并且在燃烧时会产生剧毒性气体，会造成严重的二次灾害；聚氨酯灌浆施工时反应温度过高，温度可以达到120℃甚至更高，存在一定的安全隐患；另外，对于煤矿生产，涉及范围广，灌浆材料需求量大，然而聚氨酯灌浆材料成本较大，其基本原料（异氰酸酯、聚醚）的价格就达到每吨1～2万，水泥、水玻璃这些传统的无机灌浆材料的价格则仅为十分之一甚至更低，因此聚氨酯灌浆材料的高成本限制了其自身的推广。所以对煤矿聚氨酯灌浆材料进行改性，对提高材料性能和煤炭生产安全均有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料。

本发明的另一目的在于提供上述聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料，由甲组分和乙组分按照1:1～1:2的重量比组成，其中：

甲组分包含以下按重量百分比计的组分：

乙组分包含以下按重量百分比计的组分：

水玻璃          99.2%～99.5%

抗静电剂        0.5%～0.8%。

优选的，甲组分中所述聚氨酯预聚体由以下制备方法得到：将聚醚多元醇在120℃下、真空度133.3Pa脱水2h后，将脱水后的聚醚多元醇、异氰酸酯和苯甲酰氯加入反应器，搅拌10～30min，然后于70～80℃反应2～3小时，得到所述聚氨酯预聚体。

更优选的，所述脱水后的聚醚多元醇的重量百分比为16.00%～38.64%，所述异氰酸酯的重量百分比为60.37%～82.04%，所述苯甲酰氯的重量百分比为0.99%～1.96%。

更优选的，所述聚醚多元醇为聚醚N204、聚醚N403和聚醚4110c中的一种以上；所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯。

更优选的，所述搅拌时间为20min，所述反应温度为75℃；所述反应时间为2.5小时。

优选的，甲组分中所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；所述表面活性剂为硬泡硅油SD-502；所述阻燃剂为磷酸三（2-氯丙基）酯或三(2-羧乙基)膦。

优选的，乙组分中所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃；所述抗静电剂为硬脂酰胺丙基二甲基-β-羟乙基铵二氢磷酸盐。

上述聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料的制备方法，包含以下步骤：

（1）将增塑剂、阻燃剂和表面活性剂加入聚氨酯预聚体混合，搅拌均匀，得到甲组分；

（2）将水玻璃与抗静电剂搅拌均匀，得到乙组分。

上述聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料在填充加固煤矿煤层中的应用，将甲组分和乙组分按重量比1:1～1:2混合搅拌60～120秒，得到聚氨酯-水玻璃复合灌浆材料。

优选的，所述搅拌时间为90秒。

本发明的固化机理：当聚氨酯预聚体与水玻璃混合后，聚氨酯预聚体中的-NCO基团与水玻璃中的水反应，扩链、交联，同时产生二氧化碳；二氧化碳会与水玻璃中的硅酸盐反应生成不稳定的硅酸，硅酸分子间失水生成二氧化硅网状结构，另一方面水玻璃胶体的稳定性也会被破坏；通过聚氨酯预聚体的交联和水玻璃的凝胶两方面的作用，使得体系固化。