[发明专利]一种矿用水玻璃改性聚氨酯注浆材料专用复合催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种矿用水玻璃改性聚氨酯注浆材料专用复合催化剂及其制备方法。所述复合催化剂，由以下质量百分比的物质组成：四甲基亚烷基二胺30％‑60％、反应型醇胺25％‑55％、4‑[2‑(二甲氨基)乙基]吗啉5％‑15％、2,4,6‑(二甲氨基甲基)苯酚1.5％‑3％。本发明通过选择合适的催化剂组成及各成分的含量，制得的催化剂活性高，将所得催化剂加入水玻璃溶液中，与异氰酸酯为主的B组分等体积混合后注入煤岩体，所得加固材料的抗压强度高，最高可达到57MPa，且反应过程中无出水、发泡现象，满足实际生产的需求。

技术领域

本发明涉及一种矿用水玻璃改性聚氨酯注浆材料专用复合催化剂及其制备方法，属于煤矿注浆加固材料技术领域。

背景技术

由于受到“三高一扰动”的影响，煤矿井下采煤环境越来越恶劣，煤岩体中经常出现大量裂隙和断层，煤岩体稳定性较差。在巷道掘进和综采工作面作业中，煤岩体经常出现冒顶、片帮等问题。这不仅严重影响了采煤效率，而且极大威胁着井下工作人员的人身安全。通过锚杆支护或联合支护，往往可有效控制巷道变形和顶板冒落。但针对松散破碎煤岩体，由于没有足够的锚固力，锚固效果较差。这种情况下，注浆加固技术具有不可替代的作用。注浆加固就是利用气动注浆泵将浆液压入煤岩体裂隙，浆液反应后将破碎煤岩体固结为一体，显著提高了煤岩体的完整性和承载力。注浆加固效果主要是注浆材料在裂隙中发挥了网络骨架、充填压密和粘结补强等作用。由于固化时间短、力学强度增长快等优势，化学注浆材料在采掘工作面中使用量最大。

随着注浆实践和材料的发展，在井下采掘工作面应用较早、效果较好的化学注浆材料是聚氨酯材料。但该材料最大的缺点是反应温度高、阻燃性差，且燃烧后产生毒害气体。近年来，由于不当使用引发了数起安全事故。为此，学者逐渐开发了水玻璃改性聚氨酯材料(WG/PU)，由于引入了约一半的水玻璃，注浆材料克服了聚氨酯可燃的缺点，且大幅降低了反应温度，同时保留了聚氨酯较高的强度和韧性。WG/PU材料综合性能优异，如材料阻燃、反应放热少、早期强度高、弹性模量大等。该材料非常适用于煤岩体加固，尤其是易自然煤层。

WG/PU材料是一种有机无机复合的双组分注浆材料，其中一组分几乎完全是无机水玻璃溶液，另一组分主要是异氰酸酯。体系涉及的主要反应包括：异氰酸酯与水反应生成CO₂(发泡反应)、水玻璃溶液吸收释放的CO₂生成碳酸盐、异氰酸酯与硅酸聚合物反应(凝胶反应)。这些反应同时进行、相互影响，最终形成固结物。固结物的形成过程十分复杂，包含有机和无机结构互穿、耦合和相变等过程。因此，体系反应过程稳定、平衡是具有优良性能的前提。但目前，WG/PU材料无专用催化剂，仍在用聚氨酯领域常规单一催化剂，使得WG/PU双组分反应过程中经常出现发泡、出水、泛碱等异常固化现象，这种现象往往伴随抗压强度大幅衰减，最大降幅甚至高达95％，抗压强度不足5MPa。一旦出现这种情况，井下注浆基本丧失了加固作用。因此，研制WG/PU体系专用催化剂已势在必行。

发明内容

鉴于WG/PU体系与聚氨酯体系存在较大结构差异，为了解决改性体系在催化剂方面存在的技术难题，本发明目的主要是开发出了该体系专用复合催化剂，该催化剂主要优势是：(1)与水玻璃组分具有较好的配伍性，不易造成体系凝胶；无毒、无刺激性气味，反应活性高；(2)针对WG/PU体系研制，可同时催化发泡反应和凝胶反应；且具有平衡因子，使两反应在化学动力学上达到平衡，避免因过程失调出现异常固化现象；同时，微观上，平衡反应有利于使结构中相分布更均匀、更规律，可显著提高材料在宏观上的力学强度；(3)复合催化剂中具有后期凝胶触发剂(4-[2-(二甲氨基)乙基]吗啉)，使得WG/PU材料在注浆过程中具有较好的流动性，浆液一旦充满煤岩体裂隙立即凝胶，避免施工中出现返奖现象；(4)添加三聚催化组分，未反应的NCO活性基团可形成六元环状自聚体，该结构内聚能较高，可增加体系中硬段含量，进一步增加体系抗压强度。

为了实现上述目的，本发明提供一种矿用WG/PU材料专用复合催化剂。

本发明所提供的矿用WG/PU材料专用复合催化剂，由以下质量百分比的物质组成：