李佳怡(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤炭作为我国主要的一次性能源，在相当长时间内也仍然是我国的主要能源，在社会经济发展中起着重要作用[1-2]。然而我国90%以上煤层都属于自燃或易自燃煤层，每年因煤炭自燃造成的经济损失超过1 000亿元。煤自燃引发矿井火灾不仅造成煤炭资源的大量浪费、经济的巨大损失，同时还造成大量的人员伤亡。因此煤自燃的防治至关重要。针对煤自燃的防治，国内外学者们提出了许多技术措施，如：注水、注浆、注惰气、注阻化剂、注凝胶等[3-5]。这些技术在煤自燃防治方面起到了重要作用，但仍存在一些不足。如：注水、注浆等，水和浆料只能沿着低洼的地势流动，难以扑灭中高处火灾；惰性气体易随风漏散，难以保留在工作面；阻化剂成本较高，且难以均匀喷洒在煤表面；凝胶流动性能差、易开裂，在输送过程中易堵塞管道，难以大规模推广应用。

针对以上矿用防灭火材料存在的问题，泡沫因其流动性好、堆积能力强等优势被用于煤矿火灾并取得了良好的应用效果[6-7]。生物质泡沫材料因环保、无毒、易降解等特点备受专家学者们青睐，但这些泡沫材料仍然存在着稳定性差、泡沫破裂速度快等问题，不能对煤自燃起到持久有效的抑制作用，因此提高其稳定性对进一步扩大其应用十分重要。经研究，通过复配的方式可以一定程度上提高泡沫的发泡体积和稳定性。通过实验室探究，选用烷基糖苷(APG)和茶皂素(TS)进行复配，确定APG和TS的复配比为2∶1。复配发泡体系在泡沫体积和稳定性上均得到了一定提高。为了使其具有更好的稳定性，在复配的基础上引入了稳泡剂，利用表面活性剂和稳泡剂之间的协同效应来提高水溶液的黏度、强化气泡液膜，从而最终达到提高泡沫稳定性的目的。常用的稳泡剂包括丙烯酰胺聚合物[9]、天然高分子聚合物[10]、抗盐聚合物等。其中天然高分子聚合物以多糖类应用广泛，因其具有环保无毒、易降解、生物相容性好等特点，是一类很好的稳泡制。黄原胶是一种微生物高分子胞外多糖，具有良好的水溶性、增黏性和热稳定性，作为增稠剂和稳定剂被广泛用于多个行业。黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸的重复单元组成，其稳定的双螺旋结构，使它具有优于其他多糖的高稳定性[11-12]。因此，选用黄原胶作为稳泡剂提高泡沫的稳定性，探究不同浓度的黄原胶对生物质复合发泡剂(APG与TS的比例为2∶1)性能的影响，通过观察其对复合发泡体系发泡体积、黏度和半衰期的影响，确定了黄原胶的最佳添加量，并利用生物显微镜观察了泡沫的微观结构。与复合发泡体系相比，添加黄原胶的泡沫稳定性得到了明显提升。

1 实验

1.1 实验材料和仪器

黄原胶，从任丘市立体化工有限公司购入；茶皂素(TS，工业级)由西安植佰萃生物技术有限公司提供；烷基糖苷(APG，工业级)由上海精细化工有限公司提供；实验设备包括电动搅拌器、NDJ-8S旋转黏度计、XSP-300显微镜。

1.2 样品制备

用电子天平称取一定质量的黄原胶，将其缓慢均匀地加入水中，利用电动搅拌器以800 r/min的转速持续搅拌直至其没有明显的团块状时停止，放置10 h左右，待黄原胶完全溶解后方可使用。称取适量的黄原胶溶液作为A液。复合发泡剂筛选参见文献[8]，即按照APG与TS的比例为2∶1进行复配，称取相应质量的复合发泡剂，将其在水中溶解完全作为B液。将溶解完全的B液倒入A液后，用电动搅拌器以2 500 r/min的转速强力搅拌，使其充分发泡。发泡完全后，将泡沫移至烧杯中，观察泡沫体积和半衰期的变化。根据实验室预实验，选取黄原胶浓度分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。按照该比例分别加入复合发泡剂中，每组溶液均为100 mL，复合发泡剂的浓度均为0.3%。

2 测试方法

2.1 泡沫发泡体积

利用带刻度的塑料烧杯测量泡沫发泡体积(V)，当混合溶液在塑料烧杯中被搅拌至发泡完全时即泡沫体积不再发生明显变化时，停止搅拌。观察此刻泡沫在塑料烧杯中的位置，将泡沫液面与烧杯刻度线齐平的位置作为泡沫的发泡体积。

2.2 泡沫半衰期

将泡沫移至一次性塑料杯中，当泡沫的体积减少至最初一半时即为泡沫的半衰期(t1/2)，每组重复三次，取平均值。

2.3 泡沫黏度

利用NDJ-8S旋转黏度计测量泡沫的黏度。黏度测量时选用4号转子，转速设为60 r/min。泡沫发泡完成后即开始进行黏度的测量，以转子没入塑料杯2/3的位置为准，进行测量。比较不同浓度的黄原胶对复合发泡体系泡沫黏度的影响。

2.4 泡沫微观结构

利用XSP-300显微镜观察泡沫初始和1 h后的微观结构变化，各组放大倍数均为40倍。

3 结果与讨论

3.1 泡沫性能分析

不同浓度的黄原胶对复合发泡体系性能影响如表1所示。

表1 黄原胶浓度对复合发泡体系性能的影响

由表1可知，随着黄原胶浓度的增大，泡沫体积呈现明显的降低趋势，而半衰期和黏度则呈现出增长的趋势。当未添加黄原胶时，该体系的发泡体积可以达到1 100 mL，半衰期为 5 h，黏度为 724 mPa·s，制备完成即出现了析水。当黄原胶浓度为0.2%时，该体系发泡体积为 680 mL，半衰期为 7 h，黏度为 1 120 mPa·s，2 h 后开始析水。与未添加黄原胶的体系相比，泡沫的发泡体积减少了420 mL，呈现出较为明显的下降趋势。半衰期从原来的5 h增至7 h，黏度从原来的724 mPa·s增加至1 120 mPa·s，黏度涨幅较为明显，析水现象也推迟至2 h后开始。这归因于黄原胶良好的增稠能力和稳泡能力，在较低的浓度下就能使溶液黏度有明显的增加。这也与黄原胶分子结构相关，黄原胶在溶液中处于高度纠缠状态，其丙酮酸基团相互之间会形成氢键，并与邻近侧链的乙酰基产生氢键，通过这些氢键维系形成了稳定的棒状双螺旋结构，由于分子间的相互作用或分子间的强缠结作用，有效提高了混合溶液的黏度，一定程度上也提高了泡沫膜的强度，从

而提高体系的稳定性。因此随着黄原胶浓度的增加，引起泡沫黏度的持续增加，黏度越高，越容易使气泡保持稳定，泡沫液膜的排液速度随之降低，气泡间的气体交换速度也降低，泡沫稳定性变好。但随着黏度的增加起泡时需要克服的黏滞阻力增大，阻碍了气泡的形成，起泡能力显著降低。当黄原胶浓度达到0.4%时，泡沫的发泡体积为500 mL，半衰期为26 h，黏度为2 750 mPa·s，与0.2%的黄原胶添加量相比，其发泡体积继续减小，半衰期和黏度均得到大幅度提升，半衰期提高了3.7倍，黏度提高了2.4倍。但是随着黄原胶浓度的继续增大，当黄原胶浓度达到0.8%时，泡沫的体积仅180 mL。由表1可以看出随着黄原胶浓度的进一步增大，体系出现发泡困难的现象。持续增加的黏度会导致泡沫流动性能变差，溶液的黏度增大虽然提高了发泡体系的稳定性，但黏度过大、发泡倍数过低并不利于防灭火工作的进行。综合考虑矿用防灭火泡沫的需求，考察了不同浓度黄原胶对体系发泡体积、半衰期、黏度和析水时间的影响，确定当复合发泡剂APG与TS的比例为2∶1时，黄原胶作为稳泡剂的最佳添加量为0.4%。

3.2 泡沫的微观结构分析

利用XSP-300显微镜观察了泡沫的微观结构，对比了未添加黄原胶和黄原胶浓度为0.4%时泡沫的微观结构，如图1所示。

图1 泡沫微观结构图

由图1(a)可以看出，当未添加黄原胶时，泡沫初始状态下排列的较为均匀致密、泡沫尺寸大小不一。当黄原胶添加量为0.4%，如图1(b)所示，泡沫的尺寸明显变小，视野范围内气泡数量增多，泡沫排列均匀致密。黄原胶的加入对泡沫尺寸造成了明显的影响，这归因于加入黄原胶之后，体系黏度变大，随着体系黏度的变大，分子移动时消耗的能量随之增多，传递到液气表面的能量变低，气泡也随之变小。黄原胶浓度越大，越容易使小气泡稳定。因此，随着黄原胶浓度的增大，泡沫的稳定性得到提高。

4 结语

(1)针对生物质复合发泡体系(APG与TS的比例为2∶1)泡沫稳定性不足的问题，引入黄原胶作为稳泡剂改善其泡沫稳定性，最终研制出了高稳定性、环保的矿用防灭火泡沫，显著提高了该复合发泡体系的稳定性。

(2)通过实验探究在复合发泡剂中APG与TS的比例为2∶1的条件下，确定了黄原胶最佳添加量为0.4%。当黄原胶浓度为0.4%时，泡沫的发泡体积为500 mL,半衰期长达 26 h，黏度为 2 750 mPa·s。

(3)利用XSP-300显微镜观察了未添加黄原胶和黄原胶浓度为0.4%时泡沫的微观结构，结果表明：黄原胶浓度为0.4%时，泡沫尺寸变小，气泡数量增多，说明黄原胶的加入有效提高了该发泡体系的泡沫稳定性。