一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料及其制备方法 (Polyurethane-based strip mine high-step slope reinforcing material and preparation method thereof ) 是由 李福平 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料及其制备方法,包括白料和黑料,按重量百分比计,白料包括：多元醇60～84％、稀释剂4～5％、二氧化碳吸收剂10～35％、催化剂0.01-3％、可溶性盐0.05-1％、表面活性剂0.01～2％、交联剂0.01～1.5％、扩链剂0.01～3％；黑料包括：异氰酸酯60-95％、稀释剂为4-38％、阻聚剂0.01-2％。本发明材料具有良好的力学性能及渗透性,经检测粘结强度达到3～10MPa,剪切强度达到3-10MPa,压缩强度达到20～70MPa,扩散半径为1～5m,适合的裂缝缝隙为0.1mm以上,特别适合高台阶边坡加固,因此,本发明有效解决了聚氨酯加固材料流动性、成本高以及遇水膨胀的问题。(The invention provides a polyurethane-based strip mine high-step slope reinforcing material and a preparation method thereof, wherein the polyurethane-based strip mine high-step slope reinforcing material comprises a white material and a black material, and the white material comprises the following components in percentage by weight: 60-84% of polyol, 4-5% of diluent, 10-35% of carbon dioxide absorbent, 0.01-3% of catalyst, 0.05-1% of soluble salt, 0.01-2% of surfactant, 0.01-1.5% of cross-linking agent and 0.01-3% of chain extender; the black material comprises: 60-95% of isocyanate, 4-38% of diluent and 0.01-2% of polymerization inhibitor. The material has good mechanical property and permeability, the bonding strength is 3-10MPa, the shearing strength is 3-10MPa, the compression strength is 20-70 MPa, the diffusion radius is 1-5 m, the suitable crack gap is more than 0.1mm, and the material is particularly suitable for reinforcing high-step slopes, so that the problems of high flowability, high cost and water swelling of the polyurethane reinforcing material are effectively solved.)
技术领域
本发明属于材料制备的技术领域，特别涉及一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料及其制备方法。
背景技术
随着我国露天煤矿产能与数量的不断增加，相应的边坡稳定性问题日益凸显，直接影响露天煤矿安全生产与经济效益。
露天矿高台阶边坡崩塌、滑坡等稳定性问题，是露天矿开采过程中的常见问题，处理不当易造成作业人员与设备损伤。在自重、降雨及爆破震动的作用下，片帮垮落现象频繁发生，严重危及高台阶顶部作业的钻机、底部电铲卡车及人员生命安全。随着开采深度增加，高台阶片帮问题愈发严重，越来越多的影响到开采效率以及开采安全。
高台阶边坡加固问题已经成为露天矿开采领域一项技术难题，而以往的治理方式如锚杆、锚索等造价高，时效性差，经济成本不理想。传统灌注水泥砂浆的方式尽管能够取到一定的加固效果，但由于水泥砂浆流动性差，扩散半径小，固化时间长，注浆实施难度较大，尤其不适合紧急情况的快速加固。若能够寻求一种有效提高破碎岩体整体强度(完整性)，且扩散性能好，加固速度快的，加固强度和水泥砂浆相当或超过水泥砂浆的化学加固材料，是有效抑制高台阶岩石垮落、保障未来露天煤矿安全平稳度过陷落带区域、缩短采煤周期提高开采效率的新途径。
在化学注浆材料中，聚氨酯注浆材料具有粘度适中、固结体抗压强度高、抗渗性能好等优点，并且聚氨酯注浆材料质量轻、导热系数低、耐化学腐蚀。因此，在环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酰胺等众多化学注浆材料中独占鳌头。目前聚氨酯注浆材料不但用于地下工程的渗漏缝处理，而且在井下煤矿工程中获得了广泛的使用。然而聚氨酯注浆材料在露天矿高台阶裂缝加固却几乎没有应用，这主要是基于以下三方面因素：一是露天矿高台阶裂缝属于开放空间，聚氨酯注浆材料粘度较高，不能保证足够的注浆压力，从而导致注浆扩散距离小；二是裂缝中不可避免的有水分的存在，聚氨酯材料遇水会产生二氧化碳发生膨胀，一旦发生膨胀可能带来裂缝宽度增大，促进滑坡进行而带来安全隐患；三是聚氨酯材料本身成本高不适合大规模注浆。
CN202010609031.2一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，原料分为A、B组分，组分A由以下质量份的原料组成：亲水低粘聚醚多元醇40～60份，渗透稀释剂35～55份，表面活性剂0.5～5份，催化剂0.1～2份；组分B由以下质量份的原料组成：异氰酸酯50～85份，渗透稀释剂5～30，阻燃剂5～35份。渗透胶结型聚氨酯注浆材料具有低粘度，强渗透性，力学强度高，耐化学腐蚀性强，固结效果好等优点，完全满足土层防渗加固应用。但其中需加入较多的阻燃剂，提高了成本，且其注浆扩散距离仍然不适合高台阶边坡加固。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料，包括白料和黑料，其中，按重量百分比计，
白料包括：多元醇60～84％、稀释剂4～5％、二氧化碳吸收剂10～35％、催化剂0.01-3％、可溶性盐0.05-1％、表面活性剂0.01～2％、交联剂0.01～1.5％、扩链剂0.01～3％；
黑料包括：异氰酸酯60-95％、稀释剂为4-38％、阻聚剂0.01-2％；
所述的多元醇为聚醚多元醇或者聚酯多元醇中的一种或者多种组合；
所述的稀释剂为酮类、芳香烃类、砜类、醚类、醋酸酯类、磷酸酯类中的一种或者几种的组合；
所述的二氧化碳吸收剂为碱性吸收剂和具有丰富微孔型吸附材料；
所述的催化剂为脂肪胺类、脂环胺类、芳香胺类和醇胺类及铵盐类，以及铅、锡、钛、锑、汞、锌、铋、锆、铝等的烷基化合物及羧酸盐中的一种或几种组合；
所述的可溶性盐为有机物可溶性盐。
所述的异氰酸酯为TDI、MDI、HDI和PAPI中的一种或几种组合。
进一步地，白料包括：多元醇60～84％、稀释剂5％、二氧化碳吸收剂10～34.91％、催化剂0.01-0.2％、可溶性盐0.05-0.4％、表面活性剂0.1～1％、交联剂0.2～1％、扩链剂0.1～1.5％；
优选地，黑料包括：异氰酸酯60-95％、稀释剂为4-38％、阻聚剂0.2-2％。
进一步地，所述的聚醚多元醇和聚酯多元醇官能度大于等于3。
进一步地，所述多元醇优选地羟值为300～500mgKOH/g，粘度为1500-12000mPa.s。
进一步地，所述的稀释剂优选乙酸乙酯、磷酸二甲酯、磷酸二乙酯、磷酸三氯乙酯、二甲亚砜、二氯甲烷、甲苯、乙二醇单乙醚、丙酮、甲乙酮中的一种或者几种组合。
进一步地，所述的二氧化碳吸收剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氧化镁、氧化钙、蒙脱土、硅藻土、活性炭、分子筛中的一种或者几种组合。
进一步地，所述的催化剂优选双吗啉二乙基醚、N-甲基吗啉、N-乙基吗啉、三甲基羟乙基乙二胺、辛酸亚锡、四甲基乙二胺、四甲基丙二胺、四甲基二丙烯三胺、羟乙基亚丙基二胺、双(二甲氨丙基)甲胺、三甲基羟乙基双氨乙基醚、二甲基哌嗪、三乙烯二胺、双(二甲氨基乙基)醚、N，N-二甲基乙醇胺、五甲基二乙烯三胺、双吗啉二乙基醚、二月桂酸二丁基锡、四甲基乙二胺中的一种或者几种组合。
进一步地，所述的可溶性盐优选六氟磷酸锂、六氟磷酸钠、高氯酸锂、高氯酸钠、苯甲酸钾、醋酸钾、醋酸钠、溴化四丁基铵、乙酸吡啶钠、甲基钠、甲磺酸四正丁胺、氯化四正丁胺、三乙基铵六氟磷酸钠中的一种或几种组合。
进一步地，所述的表面活性剂为离子型表面活性剂(包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂)、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂。优选为十二烷基硫酸钠、十六醇硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基二甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、脂肪醇羟乙基磺酸钠、椰子酰甲基牛磺酸钠、月桂醇聚氧乙烯醚羧酸钠、十二烷基磷酯酯三乙醇胺、脂肪醇醚硫酸钠、脂肪酸甲酯磺酸钠、吐温中的一种或几种组合。
进一步地，所述的交联剂为甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇、二乙醇胺、三乙醇胺、乙醇胺、双-2-(羟丙基)苯胺中的一种或几种组合。
进一步地，所述的扩链剂为乙二醇、1.3-丙二醇、1.4-丁二醇、2.3-丁二醇、1.4-丁二醇、1.4-二羟基丁烷、1.5-戊二醇、1,6-己二醇、1.4-四甲基乙二醇、一缩二乙二醇中的一种或几种的组合。
进一步地，所述的阻聚剂为无机酸(盐酸、硫酸、硝酸、磷酸)、有机酸(草酸、醋酸乙酸、苯磺酸、羟基乙酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸)或酰氯(乙酰氯、苯甲酰氯、草酰氯、氯乙酰氯、三氯乙酰氯)。
进一步地，所述白料与黑料体积比为1:1，有利于现场施工。
本发明聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料的制备方法，包括如下步骤：在搅拌状态下依次加入多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，搅拌2-5h，得到白料。
在搅拌状态下依次加入异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，搅拌2-5h，得到黑料。
最终将白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
按照上述顺序加料更有利于成分的互溶，减少搅拌时间。
本发明提供的方法具有以下的有益效果：
本发明的一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料，有效解决了聚氨酯加固材料流动性、成本高以及遇水膨胀的问题。
本发明的一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料制备方法简单，易于实现产业化，在露天矿边坡加固领域必将有广阔的应用前景。所采用的主要原料为工业化材料且为聚氨酯原材料中的廉价原料，资源丰富并且价格低廉。并且，本发明所采用的二氧化碳吸收剂能够解决因裂缝中不可避免的水的存在而引起的体积膨胀，且价格低廉，二氧化碳的吸附量大；本发明所采用的可溶性盐能够溶于有机溶剂中，形成溶剂化离子，有助于反应的进行，同时对加固材料的渗透性有一定的帮助；本发明所采用的表面活性剂有利于二氧化碳吸收剂和聚醚多元醇的相容性良好，有助于加固材料的进一步渗透。通过稀释剂、催化剂以及阻聚剂进行调控，可改善聚氨酯加固材料流动性。
本发明制备的一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料经检测粘结强度达到3～10MPa，剪切强度达到3-10MPa，压缩强度达到20～70MPa，扩散半径为1～5m，适合的裂缝缝隙为0.1mm以上，具有良好的力学性能及渗透性，特别适合高台阶边坡加固。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。
下述实施例可参照中华人民共和国安全行业标准，AQ1089-2011，其余未特别说明的均按国标或者本领域常规方式进行表征。
若无特殊说明，下述实施例中采用的原料均来源于市售工业级原料。
本发明实施例提供的一种聚氨酯基露天矿高台阶边坡加固材料，其制备包括如下步骤：
按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，边搅拌边添加，搅拌2-5h，得到白料；
其中，白料包括：多元醇60～84％、稀释剂4～5％、二氧化碳吸收剂10～35％、催化剂0.01-3％、可溶性盐0.05-1％、表面活性剂0.01～2％、交联剂0.01～1.5％、扩链剂0.01～3％；
按照顺序依次称量依次加入异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，搅拌2-5h，得到黑料；
其中，黑料包括：异氰酸酯60-95％、稀释剂为4-38％、阻聚剂0.01-2％；
再将上述白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
实施例1
白料包括：聚醚多元醇380，羟值为380mgKOH/g，粘度为11500mPa.s，质量为白料总质量的60％；
稀释剂乙酸乙酯为白料总质量的5％；
二氧化碳吸收剂氢氧化钾为白料总质量的34.91％；
催化剂双吗啉二乙基醚为白料总质量的0.01％；
可溶性盐六氟磷酸锂为白料总质量的0.05％；
表面活性剂十六醇硫酸钠0.01％；
交联剂甘油0.01％；
扩链剂乙二醇0.01％。
黑料包括：MDI为黑料总质量的60％；
稀释剂为黑料总质量的38％；
阻聚剂为黑料总质量的2％。
制备步骤为：白料按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、二氧化碳吸收剂、催化剂及可溶性盐，边搅拌边添加，搅拌3h。
黑料按照顺序依次称量异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
最终将上述白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
经检测本实施例加固材料粘结强度达到3MPa，剪切强度达到3MPa，压缩强度达到20MPa，扩散半径为4.5m。
实施例2
白料包括：聚醚多元醇4110，羟值为460mgKOH/g，粘度为7000mPa.s，质量为白料总质量的84％；
稀释剂磷酸二甲酯为白料总质量的5％；
二氧化碳吸收剂氢氧化钠为白料总质量的10％；
催化剂N-甲基吗啉为白料总质量的0.2％；
可溶性盐六氟磷酸钠为白料总质量的0.4％；
表面活性剂十二烷基苯磺酸钠为白料总质量的0.1％；
交联剂三羟甲基丙烷为白料总质量的0.2％；
扩链剂1.4-丁二醇为白料总质量的0.1％；
黑料包括：PAPI为黑料总质量的95％；
稀释剂磷酸二甲酯为黑料总质量的4.8％；
阻聚剂磷酸为黑料总质量的0.2％。
制备步骤为：白料按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
黑料按照顺序依次称量异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
最终将白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
经检测其粘结强度达到10MPa，剪切强度达到10MPa，压缩强度达到70MPa，扩散半径为2.5m。
实施例3
白料包括：聚醚多元醇480，羟值为460mgKOH/g，粘度为12000mPa.s，质量为白料总质量的70％；
稀释剂丙酮为白料总质量的5％；
二氧化碳吸收剂分子筛为白料总质量的20％；
催化剂二月桂酸二丁基锡为白料总质量的0.5％；
可溶性盐乙酸吡啶钠为白料总质量的1％；
表面活性剂十二烷基二甲基溴化铵为白料总质量的1％；
交联剂三乙醇胺为白料总质量的1％；
扩链剂1,6-己二醇为白料总质量的1.5％；
黑料包括：TDI为黑料总质量的85％；
稀释剂丙酮为黑料总质量的13％；
阻聚剂苯甲酰氯为黑料总质量的2％。
制备步骤为：白料按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
黑料按照顺序依次称量异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
最终将白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
经检测加固材料粘结强度达到6MPa，剪切强度达到8MPa，压缩强度达到40MPa，扩散半径为4m。
对比例1
白料包括：聚醚多元醇480，羟值为460mgKOH/g，粘度为12000mPa.s，质量为白料总质量的40％；
稀释剂丙酮为白料总质量的5％；
二氧化碳吸收剂分子筛为白料总质量的50％；
催化剂二月桂酸二丁基锡为白料总质量的1％；
可溶性盐乙酸吡啶钠为白料总质量的1％；
表面活性剂十二烷基二甲基溴化铵为白料总质量的1％；
交联剂三乙醇胺为白料总质量的1％；
扩链剂1,6-己二醇为白料总质量的1％；
黑料包括：TDI为黑料总质量的85％；
稀释剂丙酮为黑料总质量的13％；
阻聚剂苯甲酰氯为黑料总质量的2％。
制备步骤为：白料按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
黑料按照顺序依次称量异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
最终将白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
经检测其粘结强度达到2MPa，剪切强度达到1MPa，压缩强度达到10MPa，扩散半径为0.5m。
经对比，对比例1中聚醚多元醇与二氧化碳吸收剂不在本发明实施例优选的数值范围内，其各项强度变差，且扩散半径变小，由此可见，二氧化碳吸收剂的用量具有一定的限制范围，并不是越多越好，本发明实施例二氧化碳吸收剂和聚醚多元醇之间优选的比例范围使得两者之间具有较好的相容性。
对比例2
白料包括：聚醚多元醇480，羟值为460mgKOH/g，粘度为12000mPa.s，质量为白料总质量的70％；
稀释剂丙酮为白料总质量的5％；
二氧化碳吸收剂分子筛为白料总质量的20％；
催化剂二月桂酸二丁基锡为白料总质量的0.5％；
可溶性盐乙酸吡啶钠为白料总质量的2％；
表面活性剂十二烷基二甲基溴化铵为白料总质量的1％；
交联剂三乙醇胺为白料总质量的1％；
扩链剂1,6-己二醇为白料总质量的0.5％；
黑料包括：TDI为黑料总质量的85％；
稀释剂丙酮为黑料总质量的13％；
阻聚剂苯甲酰氯为黑料总质量的2％。
制备步骤为：白料按照顺序依次称量多元醇、稀释剂、表面活性剂、二氧化碳吸收剂、催化剂、可溶性盐、交联剂及扩链剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
黑料按照顺序依次称量异氰酸酯、阻聚剂及稀释剂，边搅拌边添加，搅拌3h。
最终将白料和黑料按照体积比1:1进行充分混合注浆，得到加固材料。
经检测加固材料粘结强度达到2.5MPa，剪切强度达到2MPa，压缩强度达到45MPa，扩散半径为0.9m。
对比例2中可溶性盐不在本发明实施例优选的数值范围内，其扩散半径较小，由此证明，可溶性盐及其用量优选对加固材料的渗透性有一定的帮助。
本发明的目的和/或方案将以优选实施方式的形式给出。对这些实施方式的说明是用于对本发明的理解，而非限制可行的其他实施方式，这些其他实施方式可由对本发明的实践得知。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种功能化水性聚氨酯材料及其制备方法