粉煤灰型水性密封涂料中界面相容性的非稳态时变规律及其机理研究

Waterborne sealing coating containing coal fly ash is one of the safeguards for blocking harmful gases and coal mining safety. However, the recrystallization of the Ca-based components destroyed the interfacial compatibility of fly ash in coating, which is the main reason for coating losing the sealing ability. Exogenous disturbance could cause the unsteady time-varying regularity of the interfacial compatibility of fly ash. The project features the dynamic influence of calcium salt on surface properties of fly ash, and the innovation of this project lies in investigating the time-varying surface based on the physical and chemical principle of maturation. The time-varying regularity of calcium salt, dynamic compatibility mechanism of surface of fly ash, strengthen of boundary layer and the optimization of preparing coating are to be investigated in detail. Through appropriate adjustment and control the interaction potential energy of calcium salt and fly ash, the compatibility between the surface functional groups of fly ash and the emulsion molecules is to be strengthened at the micro level, and the compactness and sealing performance of the coating will be improved at the macro level. It is expected that a new method of unsteady time-varying film forming mechanism of coating and new scientific principles for interfacial properties of fly ash loaded coating will be developed for innovation of sealing coating in coal mine tunnel.

粉煤灰型水性密封涂料是巷道中风排瓦斯的封堵防漏和安全采煤的保障手段之一，但其中微溶含钙组分的重结晶破坏了粉煤灰在涂料中的界面相容性，成为涂料在凝结时出现裂隙而失去密封能力的一个重要原因。针对粉煤灰界面相容性的非稳态时变规律这一科学问题，本项目拟研究体系中的微溶钙盐对粉煤灰表面特性的动态影响及涂料体系的时变特性，借鉴颗粒熟化等物化原理来考察粉煤灰表面/界面的动态相容规律及机理，基于界面规律调控涂料性能等。通过研究并实时调控钙质组分和粉煤灰颗粒的交互作用势能等参量，有针对性地在微观上强化固液界面的相容状态、在宏观上达到优化涂料结构和密封性能的目的。面向粉煤灰型采煤巷道涂料在制备和应用环节的时变/非稳性问题，研究工作有望形成新的非稳态时变性成膜机理的研究方法，获取新的表面/界面物化性质研究的原理和基础数据。

煤矿爆炸事故屡屡频发，造成大量的人员伤亡以及严重的环境污染问题，而瓦斯气体泄露则是煤矿爆炸的原因之一，瓦斯还是一种严重的温室气体。在巷道喷涂密封涂料既可以避免瓦斯爆炸，还可以使被封堵的瓦斯气体进行回收再利用。煤矿开采过程中常因爆破、钻孔等引起墙体振动而使涂层易开裂，因此需要提升密封涂料的结构致密性、强韧性及粘结强度。本项目通过钙盐在涂料体系中原位自生长来强化涂料的性能。揭示了钙盐的时变性、颗粒间相互作用关系、液相各离子的浓度变化规律及钙盐的作用机制，同时借助分子动力学模拟阐释时变环境中的界面相容性机理。凝练出如下结论：1）硫酸钙具有一定的时变性，通过硫酸钙在涂料体系中的定向生长，对涂料内部孔隙可以起到一定的填充作用，使内部结构更加致密。2）硫酸钙的时变性使涂料内部结构增强，通过对涂料体系的流变行为以及性能进行检测，结果表明硫酸钙可以增强体系的屈服点，相较于原始涂料体系屈服点增加了48.49%，同时体系的粘结强度、耐弯曲性均有一定的提升。3）借助分子模拟建立了涂料体系的结构模型，并对硫酸钙存在时体系间的界面相容机理进行探究，依据结合能、均方位移以及力学性能的计算，明确了硫酸钙的增强机理。4）建立了50 L/h的一体化涂料生产装置，并在华晟荣煤矿3108综采工作面回风顺槽进行了喷涂示范，结果表明，喷涂后巷道中的瓦斯平均浓度比喷涂前下降了20.8％，对于减缓瓦斯涌出有明显效果。通过项目的实施，本项目共取得41项成果，包括17篇期刊论文和1篇会议论文，出版1部学术专著，申请8项发明专利，其中授权3项中国发明专利和1项国际专利，参编1项团体标准，荣获国家科技进步二等奖1项，获批建设黄河流域资源增效减碳教育部工程研究中心，培养5名硕士按期毕业。利用钙盐的时变性对粉煤灰基密封涂料的界面相容性进行强化，同时粉煤灰基密封涂料对于煤矿井下施工安全性以及减污降碳有一定的潜力。