4.3.2 复合胶体添加剂FHJ16的配方选择
亲水性高分子材料可分为体型材料和线性材料两类。许多亲水性高分子材料都能形成有机凝胶。像蛋白质、明胶、经表面处理增强了亲水性的淀粉、纤维素等大然高分子材料，都能够形成水凝胶。近年来人工合成的高吸水树脂也越来越多，它们也能吸收大量水分而形成凝胶。常用的人工合成及改性吸水高分子材料有水性聚氨酯树脂、乙烯醇、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酞胺、马来酸酐的聚合物，改性淀粉(如羧甲基淀粉、羧烷基淀粉、乙酸脂淀粉、接枝共聚淀粉等)、纤维素醚(如羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、水溶性乙基羟乙基纤维素等)和黄原胶等。用作矿井灭火胶体基料的亲水高聚物材料必须无毒无害，对环境无污染；必须有较大的吸水系数和较好的耐盐性。少量添加材料就能吸水形成大量的凝胶；应尽量选择原料来源广泛，合成工艺简单的材料，以降低添加材料的成本。
矿井防灭火胶体一般采用自来水或水质较差的矿井水制备。所用水的矿化度较高，含有大量金属离子。一些由一种单体合成的亲水高分子材料对蒸馏水的吸收能力很强，但是由于这种吸水树脂中亲水官能团比较单一，其吸水性受介质条件影响很大，用含有大量离子的矿井水或自来水和这种树脂来制备胶体效果不理想。因此，常用多种单体共聚，形成含有多种亲水官能团的吸水高分子材料作为胶体防灭火材料的基料。
根据以上原则，我们合成了A， B， C， D四种高分子材料，对其性质进行对比研究，以选择作为添加材料中主要成分的高分子原料：
A是一种白色粉状的体型高分子材料，其结构骨架是C－C键组成的三维网状结构，交联度较低，但不能溶解，只能溶胀。A中含有大量亲水基团，在水中能与水发生溶剂化作用，生成含水量很高的胶块，长时间溶解可形成透明液体。用手触摸液体可感觉到其不均匀性，说明每一个微小的A粉料在水中可形成一个胶团。由于交联键较少，A的胶团刚性较差，可发生有限的形变。用玻璃棒在A形成的胶中蘸一不，可以粘到大量肉眼可以看见的胶体团块。A的胶体团块在重力作用下局部变形，形成拖着较长尾巴的团块状透明体。
B，呈白色粉状，是一种由天然高分子材料表面改性和接枝形成的。材料B是交联高分子材料，在水中不能溶解。但这种材料的亲水性很好，能够很快吸水
溶胀，这样每一小块粉状材料在水中可吸收大量水分形成无色透明的胶块。胶块的刚性较好，具有一定的形状，在较小的外力作用不发生弹性形变，撤去外力后其形状可以恢复，外力较大时可将胶块撕碎。
C是一种分子链很长的线性高分子材料，它在水中能很快溶解，成为高分子溶液。该溶液在浓度很低的情况不具有较高的粘度，在较小的剪切外力作用下，这种溶液可发生流动，但阻力很大。随着剪切速度增加，阻力降低，最终稳定在一个较低值，也就是说，该材料表现出明显的触变性。撤去外力后，较浓溶液的形变可局部恢复，即它还具有粘弹性。
D是一种线性高分子材料，其结构与C相似，但水解度比C小，合成工艺与C也不相同。
FHJ16复合胶体添加剂原料组成： (1)主要组分
A，B与C，D的差异在于A和B是交联高分子材料，在水中只能发生溶胀，而不能溶解，充分溶胀的时间较长。粒状交联高分子材料吸水后，仍然是分散的颗粒，只有当溶液中大部分自由水分子被吸收后，水的粘稠度明显增加。因此这类材料成胶用量较大。A或B的胶体附着力大，一般固体表面都能附一着一层小胶粒。C和D是线性高分子材料，它们在水中可无限溶胀最终形成溶液。水中加入少量这种材料，其粘度即可大幅增加，由于链段间的物理交联形成凝胶，因而成胶用量少。B和D的胶体分别是优良的体型和线型高分子胶体。FHJ 16复合胶体添加剂的主要组成就是用粒度小于0.6mm的B， D的混合物，D占其有机成分的80%以上，B占有机成分的5%－10% 。另外还加有少量能调节表面张力和具有阻化性的组分。FHJ 16胶体的总体性能超过了A、B、C、D四种材料的胶体。
(2)胶体润湿性的改善
在胶体性能实验中，还开展了B、D两种材料的胶体对木材、纺织品等可燃物的润湿性方面的研究。研究发现B在水中由于呈两相混合态，它们与木材等的润湿性主要取决于水，而D由于自聚力很强，表面张力很大，因此B、D混合物的水胶体与可燃物的润湿性不很好。为改善这一情况，在复合胶体中还加入了极少量的表面活性剂S、B、D混合物中加入少量表面活性剂S后，其内聚力
有所降低，与可燃固体表面的润湿性明显增加。复合胶体的粘性大，低剪切速率不在固体表面流动阻力大，因而能在固体表面停留较长时间，因而复合胶体的粘度是其主要性能。向胶体中添加其它材料必须以不影响胶体粘度或对粘度影响较小为原则。
为研究表面活性剂S对B、D的水胶体粘度的影响，向B、D的混合物(B与D的重量比为8：1)中加入不同比例的S，制成各种添加材料样品。将各样品与水制成胶体，并对胶体的粘度进行测试。实验过程中，固体添加剂浓度为0.2%，采用旋转粘度计4号转子测其粘度，实验转速为60r/min。粘度实验数据如表4-1和图4-2。从表4-1和图4-2可见，加入少量S后，表观粘度增加，随S添加量增加，表观粘度也增大。直到S添加量为固体物的10%时，达到最大值。加入S后的添加剂形成的胶体容易在固体表面形成一层液膜，因而更利于灭火。从胶体综合性能考虑，S占添加剂中有机成分的7%左右。
表4-1 B、D混合中S添加量与所成胶体的粘度关系
添加剂组成（总重量100%） A+B（%） 100 97 95 93 90 85 80 75 120.0100.080.060.040.020.00.00357101520S占固体添加剂重晕百分比/%添加剂 添加量 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% S（%） 0 3 5 7 10 15 20 25 实验粘度系数 49.0 56.5 57.5 61.0 99.5 39.0 36.0 35.0 加0.2%添加剂时的粘度/MPa·s
图4-2 S含量与胶体粘度的关系曲线图
(3) FHJ16复合胶体添加剂中的无机组分
为了提高胶体的灭火消烟性和阻化性，对各种阻燃剂进行对比，选择了具有一定消烟性和阻燃效果的F作为其中的主要无机组分。F是一种粒度极小的无机物，它在高温不能迅速膨胀，促使物体表面惰化，从而终止燃烧反应。F在水中不能溶解，只能以微小颗粒悬浮在水中。在复合胶体中，F不与胶体间发生任何化学作用，只能有限的改变大分子间发生物理交联，从而引起流动阻力增加。为研究F对B，D，S的混合物的胶体的影响，向胶体中加入不同浓度的F，并在旋转粘度计上观察粘度的变化。图4-3反映了F的浓度与复合胶体粘度之间的关系。从图可以看出，在F浓度为0.2%以不时，F的加入量对胶体的粘度几乎没有影响。随着F的继续加入粘度略有不降。F浓度为1%时(为有机物添加总量的三信多)，粘度不降量约为3%。因而F与其有机成分有很好的相容性，对材料粘度影响极有限。
粘度（mPa·s）37036536035535000.10.20.30.4F浓度（% W/W）1
图4-3 F浓度对复合胶体粘度的影响
根据上述研究，选择D， B， S， F为FHJ16复合胶体添加剂的主要成分。根据各自所起的作用及其对性能的贡献，确定各用量为：D占到添加剂的80%－85%左右，B约占5%，S约占5%－10%，F约占3%－5%。由于各组分均为粉状固体，所形成的复合胶体添加剂亦为粉状。粉状添加材料的容重为1.3－1. 5g/cm3，在干燥的条件下复合胶体添加剂不团聚，胶体材料略有吸潮现象，干燥的添加剂在80℃以上可局部缓慢分解，从而使其性能有所降低，因此应在低温干燥环境中保存。
4.3.3 稠化胶体FCXF12的配方选择 (1)稠化胶体的制备
灌浆是常用的矿井防灭火技术之一。一般情况下泥浆浓度越大则防灭火效果越好。但是泥浆浓度过大，则流动性很差，容易堵塞管路。并且由于制浆时需要大量粉煤灰或黄土，有一定运输成本，故浆液浓度越大成本越高。向水或泥浆中加入少量增稠剂和分散剂，即形成粘稠的稠化胶体。稠化胶体中固体物浓度虽不高，但在低切变下的表观粘度高，注胶效果比相同浓度的泥浆更好。稠化胶体具有触变性，管道输送时其流动阻力不大，而且其分散性较好，不会堵塞管路。 稠化胶体和假凝胶都是粘稠的分散系，从结构上看少{无很大区别，但假凝胶难以自然流动，而稠化胶体仍有一定的流动性。高聚物基料与泥浆制各的稠化胶体分散性好、不易沉降、具有触变性，因而防灭火效果较好，应用也比较广泛。 影响稠化胶体悬浮性的因素一般有3种：①基料与浆液颗粒的结合方式，嵌段共聚物和接枝聚合物基料分子的一端可“锚”在胶粒表面上，另一端伸向溶液，形成空间位垒，阻碍胶粒聚在一起，因而悬浮性好；②高聚物基料形成的吸附一层厚，一般厚度越大越稳定；③基料与分散介质的关系，亲水性越好的基料效果越好，否则容易导致胶体絮凝。上面阐述了胶粒吸附—高聚物的情况，若胶粒对高聚物是负吸附，胶粒表面层内的高聚物浓度低于体相中的浓度，导致胶粒表面生成空位层，使胶体变得不稳定。 (2)几种稠化胶体基料的材料性能对比
为了研究各种稠化添加剂对粉煤灰和黄泥浆液悬浮性的贡献，选取PA，PD， PE，PH，PL，PO和WS九种高分子增稠剂进行实验。实验时，先将粉煤灰在烘箱中，1100℃下加热6h，使之干燥。然后称取一定量烘干的粉煤灰，置于1000mL的烧杯中，量取300mL自来水，倒入有粉煤灰的烧杯中，搅拌使之混合均匀。用电子天平称取一定量的添加剂，加入到粉煤灰浆液中，注意边加添加剂边搅拌，防止添加剂在水中结成团块。待添加剂在浆液中溶解开后，再搅拌1 min，然后终止搅拌，开始记时。停止搅拌后，浆液中的粉煤灰逐步沉淀，上层出现清液。记录上层清液(或清液不混浊层)高度的变化。实验结果如表4-2所示。