3.表面活性剂对矿用充填泡沫发泡行为的影响
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表面活性剂对矿用充填泡沫发泡行为的影响
胡相明 1,2 王德明 1
(1.中国矿业大学安全学院，江苏 徐州 221008；2.滨州学院城市与环境系，山东 滨州 256603)
摘要：为了研究表面活性剂对矿用充填泡沫发泡行为的影响，本文选取了硅油和吐 温两种表面活性剂，分析了表面活性剂种类和用量对泡沫发泡特性的影响。研究结 果表明：发泡树脂的乳化时间和起泡时间随表面活性剂的增加先增加后减少，当表 面活性剂0.7 g时，树脂的乳化时间和起泡时间最长。泡沫的表干时间随表面活性剂 的增加而增加，过量的表面活性剂延迟了树脂间交联反应，延长了表干时间。泡沫 的发泡温度和发泡倍数随表面活性剂的增加先增加后减少，在表面活性剂0.7 g时， 发泡温度最高，膨胀倍数最大。两种表面活性剂相比较，硅油的发泡效果明显优于 吐温-80。泡沫的压缩强度、氧指数与泡沫的发泡倍数成反比。当吐温:硅油=0.5:0.2 复配时，树脂的乳化时间、起泡时间和表干时间比较合理，发泡倍数最高。 关键词：矿用充填泡沫；固化剂；固化行为；压缩强度；氧指数
表面活性剂的增加而增大，这是由于随着表面活性剂的增加，其在树脂表面优先吸附，阻碍 了树脂高分子间的交联反应，延迟了泡沫表面树脂的凝胶化，增加了表干时间。由图 5 可 以看出，表面活性剂 1.0 g 时，泡沫的表干时间突然剧增，接近 60 s，这说明过量的表面活 性剂对树脂的交联反应具有明显的抑制作用。当使用复合表面活性剂时，泡沫的表干时间明 显大于硅油-泡沫、吐温-泡沫的表干时间（图 6），特别当吐温-80:硅油=0.2:0.5 时，表干时 间最长，为 87s，这是由于两种表面活性剂的复配，增加了树脂-发泡剂体系的乳化程度，减 弱了树脂间交联反应，泡沫表面树脂的凝胶化反应所需时间延长。 2.4 表面活性剂对发泡温度的影响
为了比较不同表面活性剂对泡沫 发泡行为的影响，分 三种情况添加表面活 性剂：单一
基金项目：国家自然科学基金 -煤炭联合基金重点项目(51134020)；国家自然科学基金项目（50927403）；山东省自然科学基金 资助(ZR2011EL036)；山东省高等学校科技计划项目(J11LD53) 作者简介：胡相明（1981-），山东泰安人，主要从事矿井通风与防灭火工作，E-mail:xiangming0727@.
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 4 复合表面活性剂对起泡时间的影响 Fig.4 The effect of composite surfactant on
foaming time
2.3 表面活性剂对表干时间的影响 从图 5 可以看出，硅油-泡沫和吐温-泡沫的表干时间表现出了相同的变化趋势，即随
吐温-80（0.5 g, 0.6 g, 0.7 g, 0.8 g, 0.9 g, 1.0 g）；单一硅油（0.5 g, 0.6 g, 0.7 g, 0.8 g, 0.9 g, 1.0 g）；复合表面活性剂（吐温-80：硅油=0.2g：0.5 g；0.5 g：0.2 g）。为了描述方便期间， 我们将由表面活性剂硅油制备的泡沫简称“硅油-泡沫”， 将由表面活性剂吐温-80 制备的泡 沫简称“吐温-泡沫”，将由复合表面活性剂（吐温-80：硅油）制备的泡沫称为“复合-泡沫”。 1.4 矿用充填泡沫的发泡过程
surface drying time
发泡温度/℃
80
70
60
50
40
吐温-80
硅油
30
20
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 7 单一表面活性剂对发泡温度的影响 Fig.7 The effect of single surfactant on
foaming temperature
2.结果与分析
2.1 表面活性剂对乳化时间的影响 由图 1 可以看出，树脂的乳化时间随表面活性剂用量的增加先增加后减少，在 0.7-0.8g
时，乳化时间最长。这是由于当表面活 性剂较低时，树脂-发泡剂体系还未 充分乳化树脂间 的交联反应已经开始，树脂发泡，因此观察到的乳化时间较短；当表面活性剂继续增加时， 树脂-发泡剂复活体系的乳化速率大大提高，粘 度降低，形成了以发泡剂为 分散相、树脂为 连续相的均一乳状体系，这时树脂间的交联反应被表面活性剂抑制，表现出乳化时间较长； 当表面活性剂过量时，树脂-发泡体系能够较快 乳化形成均匀体系，乳化所 需时间降低。由 图 1 可以看出，硅油对树脂的乳化时间明显小于吐温-80 的乳化时间，这是由于硅油的乳化 效果优于吐温-80。由图 2 可知，当添加复合表面活性剂吐温-80：硅油=0.5：0.2 时，树脂的 乳化时间介于单独使用吐温-80 和硅油之间，而复合表面活性剂（吐温-80：硅油=0.2：0.5） 的乳化时间最长，为 185 s，这是由于该复合表面活性剂大大降低了树脂体系的反应活性， 抑制了树脂的发泡反应。 2.2 表面活性剂对起泡时间的影响
变化趋势，即发泡倍数随着表面活性剂的增加先增大后减少，在表面活性剂 0.7g 时，泡沫 的发泡倍数最高；随后逐渐降低，在表面活性剂 1g 时发泡倍数最低。这是由于添加表面活 性剂太少时，树脂发泡体系的粘度较大，发泡困难，形成的泡孔不均匀，发泡倍数较低；随 着表面活性剂的增加，树脂的粘度降低，易于发泡，且泡孔较均一，因此膨胀倍数增加；当 表面活性剂用量过高时，树脂的粘度太低，不易形成稳定的泡孔结构且易于塌泡，所以发泡 倍数又呈降低的趋势。从图 9 中还可以看出，硅油-泡沫的发泡倍数明显大于吐温-泡沫的发 泡倍数，当硅油 0.7 g 时，泡沫的发泡倍数最高，为 40 倍；而吐温-80 0.7 g 时，泡沫的发泡 倍数仅为 34 倍，这说明表面活性剂硅油对树脂体系的乳化作用和稳泡作用较吐温-80 优异。 图 10 表示添加等量表面活性剂（0.7 g）时，复合-泡沫、硅油-泡沫和吐温-泡沫的发泡倍数。 可以看出，当复合表面活性剂（吐温:硅油=0.5:0.2）时，泡沫的发泡倍数最大。
乳化时间/s
140
120
100
80
60
40
吐温-80
硅油
20
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 1 单一表面活性剂对乳化时间的影响 Fig.1 The effect of single surfactant on emulsifying time
乳化时间/s
200 180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 2 复合表面活性剂对乳化时间的影响 Fig.2 The effect of composite surfactant on
emulsifying time
起泡时间/s
45
40
35
30
25
20
15
10
吐温-80
随着煤矿开采深度的加大，随之 而来的生产安全问题 越来越严峻，如瓦斯 事故、采空 区自燃、顶板冒顶等直接影响煤矿井下 安全和高效生产[1-3]。传统的水泥， 水玻璃和普通的 注浆材料已很难适应现代安全高效生产的需要。高分子充填材料依靠其膨胀倍数高，施工方 便等优势，已被广泛用于井下高冒区充填防瓦斯积聚、井下密闭墙快速构筑、巷旁充填防止 有害气体渗入工作空间等[4 -7]。高分子泡沫材料 的泡孔大小和堵漏效果与表 面活性剂有着密 切关系。表面活性剂用量虽小，但可增加各原料的互溶性，降低树 脂的表面张力，稳定泡沫 结构，提高泡沫体的强度，形成均匀的微孔结构，防止发泡的薄气 泡壁破裂，在泡沫的成型 中起关键作用[8-10]。常用的表面活性剂有硅油系列及吐温系列，本文选取硅油和吐温-80 两 种表面活性剂，通过改变不同表面活性剂的用量制备了多种矿用高分子泡沫，分析表面活性 剂对泡沫的发泡时间、发泡倍数、发泡温度，压缩强度等方面的影 响，旨为矿用充填泡沫的 优化制备提供技术支撑。
surface drying time
表干时间/s
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 6 复合表面活性剂对表干时间的影响 Fig.6 The effect of composite surfactant on
首先称取 10.0g 树脂，然后在树脂中按比例依次加入表面活性剂，发泡剂，增韧剂， 固化剂等，均匀搅拌约 20 秒，在常温下发泡。 1.5 充填泡沫性质的测定
用秒表记录每组树脂的乳化时间 、起泡时间和表干时 间。乳化时间：从固 化剂加入树 脂开始搅拌到树脂开始发泡为止的时间；起泡时间：从树脂开始发泡到树脂发泡体积不再增 加的时间；表干时间：从发泡体积最大到所制备的泡沫表面固化，不粘手为准。用热电偶测 定泡沫的发泡温度；使用氧指数仪测定泡沫的阻燃性；将泡沫切割成 100mm*100mm*100mm 的立方体，通过微机控制万能试验机测量泡沫的压强。
发泡温度/℃
80 70 60 50 40 30 20 10
0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 8 复合表面活性剂对发泡温度的影响 Fig.8 The effect of composite surfactant on
foaming temperature
2.5 表面活性剂对发泡倍数的影响 由图 9 可以看出，硅油-泡沫与吐温-泡沫的发泡倍数随表面活性剂的变化表现出相同的
硅油
5
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 3 单一表面活性剂对起泡时间的影响 Fig.3 The effect of single surfactant on foaming time
胡相明 1,2 王德明 1
(1.中国矿业大学安全学院，江苏 徐州 221008；2.滨州学院城市与环境系，山东 滨州 256603)
摘要：为了研究表面活性剂对矿用充填泡沫发泡行为的影响，本文选取了硅油和吐 温两种表面活性剂，分析了表面活性剂种类和用量对泡沫发泡特性的影响。研究结 果表明：发泡树脂的乳化时间和起泡时间随表面活性剂的增加先增加后减少，当表 面活性剂0.7 g时，树脂的乳化时间和起泡时间最长。泡沫的表干时间随表面活性剂 的增加而增加，过量的表面活性剂延迟了树脂间交联反应，延长了表干时间。泡沫 的发泡温度和发泡倍数随表面活性剂的增加先增加后减少，在表面活性剂0.7 g时， 发泡温度最高，膨胀倍数最大。两种表面活性剂相比较，硅油的发泡效果明显优于 吐温-80。泡沫的压缩强度、氧指数与泡沫的发泡倍数成反比。当吐温:硅油=0.5:0.2 复配时，树脂的乳化时间、起泡时间和表干时间比较合理，发泡倍数最高。 关键词：矿用充填泡沫；固化剂；固化行为；压缩强度；氧指数
表面活性剂的增加而增大，这是由于随着表面活性剂的增加，其在树脂表面优先吸附，阻碍 了树脂高分子间的交联反应，延迟了泡沫表面树脂的凝胶化，增加了表干时间。由图 5 可 以看出，表面活性剂 1.0 g 时，泡沫的表干时间突然剧增，接近 60 s，这说明过量的表面活 性剂对树脂的交联反应具有明显的抑制作用。当使用复合表面活性剂时，泡沫的表干时间明 显大于硅油-泡沫、吐温-泡沫的表干时间（图 6），特别当吐温-80:硅油=0.2:0.5 时，表干时 间最长，为 87s，这是由于两种表面活性剂的复配，增加了树脂-发泡剂体系的乳化程度，减 弱了树脂间交联反应，泡沫表面树脂的凝胶化反应所需时间延长。 2.4 表面活性剂对发泡温度的影响
为了比较不同表面活性剂对泡沫 发泡行为的影响，分 三种情况添加表面活 性剂：单一
基金项目：国家自然科学基金 -煤炭联合基金重点项目(51134020)；国家自然科学基金项目（50927403）；山东省自然科学基金 资助(ZR2011EL036)；山东省高等学校科技计划项目(J11LD53) 作者简介：胡相明（1981-），山东泰安人，主要从事矿井通风与防灭火工作，E-mail:xiangming0727@.
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 4 复合表面活性剂对起泡时间的影响 Fig.4 The effect of composite surfactant on
foaming time
2.3 表面活性剂对表干时间的影响 从图 5 可以看出，硅油-泡沫和吐温-泡沫的表干时间表现出了相同的变化趋势，即随
吐温-80（0.5 g, 0.6 g, 0.7 g, 0.8 g, 0.9 g, 1.0 g）；单一硅油（0.5 g, 0.6 g, 0.7 g, 0.8 g, 0.9 g, 1.0 g）；复合表面活性剂（吐温-80：硅油=0.2g：0.5 g；0.5 g：0.2 g）。为了描述方便期间， 我们将由表面活性剂硅油制备的泡沫简称“硅油-泡沫”， 将由表面活性剂吐温-80 制备的泡 沫简称“吐温-泡沫”，将由复合表面活性剂（吐温-80：硅油）制备的泡沫称为“复合-泡沫”。 1.4 矿用充填泡沫的发泡过程
surface drying time
发泡温度/℃
80
70
60
50
40
吐温-80
硅油
30
20
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 7 单一表面活性剂对发泡温度的影响 Fig.7 The effect of single surfactant on
foaming temperature
2.结果与分析
2.1 表面活性剂对乳化时间的影响 由图 1 可以看出，树脂的乳化时间随表面活性剂用量的增加先增加后减少，在 0.7-0.8g
时，乳化时间最长。这是由于当表面活 性剂较低时，树脂-发泡剂体系还未 充分乳化树脂间 的交联反应已经开始，树脂发泡，因此观察到的乳化时间较短；当表面活性剂继续增加时， 树脂-发泡剂复活体系的乳化速率大大提高，粘 度降低，形成了以发泡剂为 分散相、树脂为 连续相的均一乳状体系，这时树脂间的交联反应被表面活性剂抑制，表现出乳化时间较长； 当表面活性剂过量时，树脂-发泡体系能够较快 乳化形成均匀体系，乳化所 需时间降低。由 图 1 可以看出，硅油对树脂的乳化时间明显小于吐温-80 的乳化时间，这是由于硅油的乳化 效果优于吐温-80。由图 2 可知，当添加复合表面活性剂吐温-80：硅油=0.5：0.2 时，树脂的 乳化时间介于单独使用吐温-80 和硅油之间，而复合表面活性剂（吐温-80：硅油=0.2：0.5） 的乳化时间最长，为 185 s，这是由于该复合表面活性剂大大降低了树脂体系的反应活性， 抑制了树脂的发泡反应。 2.2 表面活性剂对起泡时间的影响
变化趋势，即发泡倍数随着表面活性剂的增加先增大后减少，在表面活性剂 0.7g 时，泡沫 的发泡倍数最高；随后逐渐降低，在表面活性剂 1g 时发泡倍数最低。这是由于添加表面活 性剂太少时，树脂发泡体系的粘度较大，发泡困难，形成的泡孔不均匀，发泡倍数较低；随 着表面活性剂的增加，树脂的粘度降低，易于发泡，且泡孔较均一，因此膨胀倍数增加；当 表面活性剂用量过高时，树脂的粘度太低，不易形成稳定的泡孔结构且易于塌泡，所以发泡 倍数又呈降低的趋势。从图 9 中还可以看出，硅油-泡沫的发泡倍数明显大于吐温-泡沫的发 泡倍数，当硅油 0.7 g 时，泡沫的发泡倍数最高，为 40 倍；而吐温-80 0.7 g 时，泡沫的发泡 倍数仅为 34 倍，这说明表面活性剂硅油对树脂体系的乳化作用和稳泡作用较吐温-80 优异。 图 10 表示添加等量表面活性剂（0.7 g）时，复合-泡沫、硅油-泡沫和吐温-泡沫的发泡倍数。 可以看出，当复合表面活性剂（吐温:硅油=0.5:0.2）时，泡沫的发泡倍数最大。
乳化时间/s
140
120
100
80
60
40
吐温-80
硅油
20
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 1 单一表面活性剂对乳化时间的影响 Fig.1 The effect of single surfactant on emulsifying time
乳化时间/s
200 180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 2 复合表面活性剂对乳化时间的影响 Fig.2 The effect of composite surfactant on
emulsifying time
起泡时间/s
45
40
35
30
25
20
15
10
吐温-80
随着煤矿开采深度的加大，随之 而来的生产安全问题 越来越严峻，如瓦斯 事故、采空 区自燃、顶板冒顶等直接影响煤矿井下 安全和高效生产[1-3]。传统的水泥， 水玻璃和普通的 注浆材料已很难适应现代安全高效生产的需要。高分子充填材料依靠其膨胀倍数高，施工方 便等优势，已被广泛用于井下高冒区充填防瓦斯积聚、井下密闭墙快速构筑、巷旁充填防止 有害气体渗入工作空间等[4 -7]。高分子泡沫材料 的泡孔大小和堵漏效果与表 面活性剂有着密 切关系。表面活性剂用量虽小，但可增加各原料的互溶性，降低树 脂的表面张力，稳定泡沫 结构，提高泡沫体的强度，形成均匀的微孔结构，防止发泡的薄气 泡壁破裂，在泡沫的成型 中起关键作用[8-10]。常用的表面活性剂有硅油系列及吐温系列，本文选取硅油和吐温-80 两 种表面活性剂，通过改变不同表面活性剂的用量制备了多种矿用高分子泡沫，分析表面活性 剂对泡沫的发泡时间、发泡倍数、发泡温度，压缩强度等方面的影 响，旨为矿用充填泡沫的 优化制备提供技术支撑。
surface drying time
表干时间/s
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 6 复合表面活性剂对表干时间的影响 Fig.6 The effect of composite surfactant on
首先称取 10.0g 树脂，然后在树脂中按比例依次加入表面活性剂，发泡剂，增韧剂， 固化剂等，均匀搅拌约 20 秒，在常温下发泡。 1.5 充填泡沫性质的测定
用秒表记录每组树脂的乳化时间 、起泡时间和表干时 间。乳化时间：从固 化剂加入树 脂开始搅拌到树脂开始发泡为止的时间；起泡时间：从树脂开始发泡到树脂发泡体积不再增 加的时间；表干时间：从发泡体积最大到所制备的泡沫表面固化，不粘手为准。用热电偶测 定泡沫的发泡温度；使用氧指数仪测定泡沫的阻燃性；将泡沫切割成 100mm*100mm*100mm 的立方体，通过微机控制万能试验机测量泡沫的压强。
发泡温度/℃
80 70 60 50 40 30 20 10
0 0.7：0
0：0.7
0.5:0.2
吐温-80：硅油
0.2:0.5
图 8 复合表面活性剂对发泡温度的影响 Fig.8 The effect of composite surfactant on
foaming temperature
2.5 表面活性剂对发泡倍数的影响 由图 9 可以看出，硅油-泡沫与吐温-泡沫的发泡倍数随表面活性剂的变化表现出相同的
硅油
5
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
表面活性剂用量/g
图 3 单一表面活性剂对起泡时间的影响 Fig.3 The effect of single surfactant on foaming time
