本發明涉及氣密性測試裝置及氣密性測試方法技術領域，尤其涉及一種煤壁涂料的氣密性測試裝置及其氣密性測試方法。

背景技術：

我國是一個產煤大國，煤礦開采過程中巷道瓦斯涌出會造成瓦斯資源浪費嚴重、井下安全作業等問題。除了通風之外，眾多企業以涂料噴涂煤壁的方式降低并減緩瓦斯排放。煤壁涂料的核心指標是氣密性能。

目前市面上有不少用于氣密性測試的裝置，如專利201520074737.8和201520055291.4公開了用于包裝材料的透氣性測試裝置；GB/T7755-2003公開了一種用于硫化橡膠或熱塑性橡膠透氣性的測定方法和裝置；GB/T 1038-2000公開了一種用于塑料薄膜和薄片的氣體透過性試驗方法；濟南蘭光機電技術有限公司開發了用于薄膜試樣氣體透過性的系列測試儀。現有技術在對煤壁涂料的氣密性進行測試時，往往使用用于測試薄膜或片層材料氣密性的裝置來實現。然而，由于煤礦井下煤壁涂料材質及檢測環境的不同，因此，通過這些裝置來對煤壁涂料的氣密性進行測試時，使得測試結果可能并不準確。

技術實現要素：

本發明的目的是解決目前用薄膜或片層材料氣密性的裝置來測試煤壁涂料的氣密性，容易導致測試結果不準確的技術問題，提供一種煤壁涂料的氣密性測試裝置及其氣密性測試方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種煤壁涂料的氣密性測試裝置，包括空氣鋼瓶和U型玻璃管壓差計，它還包括氣密性測試筒；所述氣密性測試筒包括法蘭、螺栓、墊片、螺母、煤粒、氣體分布器、筒體和壓力計；所述氣體分布器設置于筒體的底部且氣體分布器的進氣口與筒體的進氣口連接；所述煤粒均勻填充在筒體內并位于氣體分布器的上面；所述法蘭設在筒體的頂部，并通過螺栓、墊片和螺母將所述筒體與法蘭密封連接；所述壓力計設在筒體的側壁上；法蘭上設置的出氣口與U型玻璃管壓差計的進氣口通過第二軟管連接；所述空氣鋼瓶的出氣口通過第一軟管和進氣閥與筒體的進氣口連接。

可選地，所述筒體為圓柱形，其直徑為133mm，高度為125mm，厚度為4mm。

可選地，所述筒體中填充煤粒的高度為115mm，煤粒的粒徑為1-5mm。

一種應用于上述煤壁涂料的氣密性測試裝置的氣密性測試方法，其包括以下步驟：

第一步，噴涂涂料：將待測涂料樣本噴涂于煤粒上表面，并使待測涂料樣本的厚度達到2-5mm，待待測涂料樣本固化、表面無裂縫，并與筒體內壁貼合后，形成涂料層；

第二步，在涂料層上放置一個或多個與筒體橫截面積相同或小于筒體橫截面積的鐵片，所述鐵片上設置有至少一個孔；將法蘭蓋在筒體上，所述法蘭與鐵片緊密貼合，用螺栓、墊片和螺母將法蘭與筒體密封連接；

第三步，打開空氣鋼瓶和進氣閥，對筒體迅速充氣至筒體初始壓強P₀，關閉空氣鋼瓶和進氣閥，其中P₀＝mP₁，m的值為1.5-3，P₁表示U型玻璃管壓差計左管的初始壓強，其值為大氣壓；記錄U型玻璃管壓差計左管的初始液面刻度H₁；根據U型玻璃管壓差計左管的空氣高度和直徑計算U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M；根據筒體體積和煤粒體積確定筒體內的氣體體積N，其中，筒體內的氣體體積N與U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M之間的比值為10:1-18:1，以保證涂料層兩側的壓差；

第四步，筒體內的氣體通過涂料層向與法蘭上設置的出氣口連接的第二軟管中滲透，等U型玻璃管壓差計中的液面高度穩定后，記錄U型玻璃管壓差計左管的最終液面刻度H₂和滲透時間t'，并通過公式ΔH'＝H₁-H₂計算U型玻璃管壓差計左管的液面刻度變化量ΔH'；

第五步，多次重復上述第一步至第四步，獲得多個U型玻璃管壓差計左管的液面刻度變化量ΔH'、多個U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M、多個筒體內的氣體體積N和多個滲透時間t'；

第六步，計算多個液面刻度變化量ΔH'的平均值，得到液面刻度變化量的平均值ΔH；計算多個初始體積M的平均值，并將其平均值作為初始體積V₁；計算多個筒體內的氣體體積N的平均值，并將該平均值作為筒體內的氣體體積V₀；計算多個滲透時間t'的平均值，并將該平均值作為滲透時間t；

第七步，通過公式V₁'＝V₁+ΔHA計算U型玻璃管壓差計左管空氣的最終體積V₁'，A表示U型玻璃管壓差計左管的橫截面積；通過公式P₁'＝P₁+2ρgΔH計算U型玻璃管壓差計左管的最終壓強P₁'，ρ表示U型玻璃管壓差計中的液體密度；g表示重力加速度；

第八步，通過公式計算氣體滲透增加空氣的摩爾數Δn，R表示摩爾氣體常數；T表示溫度；

第九步，通過公式計算筒體壓降ΔP，并根據公式P₀'＝P₀-ΔP計算筒體最終壓強P₀'；

第十步，通過公式計算滲透過程中的平均壓差ΔP_mean；

第十一步，通過公式計算溫度T下的氣體滲透系數k，N_A表示阿伏伽德羅常數；d表示涂料層的厚度；S表示涂料層能透氣面積，即涂料層上方的鐵片上設置的至少一個孔的面積及鐵片未覆蓋涂料層的面積之和。

本發明采用上述技術方案，提供一種可以用于模擬煤礦井下瓦斯氣體從煤壁涌出后通過涂料層向巷道內滲透過程的煤壁涂料的氣密性測試裝置及方法。本發明相對背景技術而言，所用氣密性測試裝置體積小、設備投入低、操作簡單。另外，與現有的通過薄膜/片層材料氣密性測試裝置測試煤壁涂料氣密性的方法相比，測試費少，檢測成本很低，非常適合煤壁涂料氣密性的實驗室測試研究。另外，本發明通過在筒體內填充煤粒，使得測試過程能夠模擬礦井實際情況，從而通過該煤壁涂料的氣密性測試裝置測試煤壁涂料的氣密性的測試結果比較準確，確保可以為煤礦井下巷道壁面提供其適合使用的涂料。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例中的煤壁涂料的氣密性測試裝置，包括空氣鋼瓶1和U型玻璃管壓差計13，其中，它還包括氣密性測試筒；所述氣密性測試筒包括法蘭4、螺栓6、墊片7、螺母8、煤粒9、氣體分布器10、筒體11和壓力計14；所述氣體分布器10設置于筒體11的底部且氣體分布器10的進氣口與筒體11的進氣口連接；所述煤粒9均勻填充在筒體11內并位于氣體分布器10的上面；所述法蘭4設在筒體11的頂部，并通過螺栓6、墊片7和螺母8將所述筒體11與法蘭4密封連接；所述壓力計14設在筒體11的側壁上；法蘭4上設置的出氣口與U型玻璃管壓差計13的進氣口通過第二軟管12連接，所述空氣鋼瓶1的出氣口通過第一軟管2和進氣閥3與筒體11的進氣口連接。

可選地，所述筒體11為圓柱形，其直徑為133mm，筒體11的高度為125mm，筒體的厚度為4mm，筒體11中填充煤粒9的高度為115mm，所述煤粒9的粒徑為1-5mm。

上述煤壁涂料的氣密性測試裝置測試煤壁涂料氣密性的方法，包括以下步驟：

第一步，噴涂涂料：將待測涂料樣本噴涂于煤粒上表面，并使待測涂料樣本的厚度達到2-5mm，待待測涂料樣本固化、表面無裂縫，并與筒體內壁貼合后，形成涂料層(即圖1中的5)；

第二步，在涂料層上放置一個或多個與筒體橫截面積相同或小于筒體橫截面積的鐵片，所述鐵片上設置有至少一個孔；將法蘭蓋在筒體上，所述法蘭與鐵片緊密貼合，用螺栓、墊片和螺母將法蘭與筒體密封連接；

第三步，打開空氣鋼瓶和進氣閥，對筒體迅速充氣至筒體初始壓強P₀，關閉空氣鋼瓶和進氣閥，其中P₀＝mP₁，m的值為1.5-3，P₁表示U型玻璃管壓差計左管的初始壓強，其值為大氣壓；記錄U型玻璃管壓差計左管的初始液面刻度H₁；根據圓柱形U型玻璃管壓差計左管的空氣高度和直徑計算U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M，其中，U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M通過U型玻璃管壓差計左管的橫截面積與U型玻璃管壓差計左管的空氣高度相乘得到；根據筒體體積和煤粒體積確定筒體內的氣體體積N，其中，筒體內的氣體體積N與U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M之間的比值為10:1-18:1，以保證涂料層兩側的壓差，具體筒體內的氣體體積N的計算方法為筒體體積減去煤粒體積；

其中，煤粒體積確定方法為：將筒體內填充的煤粒倒入標有刻度的容器中，然后向容器中加水直至水沒過煤粒上表面并達到指定刻度，用該指定刻度減去加入水的體積即為煤粒體積；例如，將填入筒體內一定高度的煤粒倒入標有刻度的200ml的燒杯中，向燒杯中加水直至水沒過煤粒上表面并達到200ml，如果這個過程加入了150ml水，則可以確定煤粒體積為50ml；

第四步，筒體內的氣體通過涂料層向與法蘭上設置的出氣口連接的第二軟管中滲透，等U型玻璃管壓差計中的液面高度穩定后，記錄U型玻璃管壓差計左管的最終液面刻度H₂和滲透時間t'，并通過公式ΔH'＝H₁-H₂計算U型玻璃管壓差計左管的液面刻度變化量ΔH'；

第五步，多次重復上述第一步至第四步，獲得多個U型玻璃管壓差計左管的液面刻度變化量ΔH'、多個U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M、多個筒體內的氣體體積N和多個滲透時間t'；

第六步，計算多個液面刻度變化量ΔH'的平均值，得到液面刻度變化量的平均值ΔH；計算多個初始體積M的平均值，并將其平均值作為初始體積V₁；計算多個筒體內的氣體體積N的平均值，并將該平均值作為筒體內的氣體體積V₀；計算多個滲透時間t'的平均值，并將該平均值作為滲透時間t；

第七步，通過公式V₁'＝V₁+ΔHA計算U型玻璃管壓差計左管空氣的最終體積V₁'，A表示U型玻璃管壓差計左管的橫截面積；通過公式P₁'＝P₁+2ρgΔH計算U型玻璃管壓差計左管的最終壓強P₁'，ρ表示U型玻璃管壓差計中的液體密度；g表示重力加速度；

第八步，通過公式計算氣體滲透增加空氣的摩爾數Δn，R表示摩爾氣體常數；T表示溫度；

第九步，通過公式計算筒體壓降ΔP，并根據公式P₀'＝P₀-ΔP計算筒體最終壓強P₀'；

第十步，通過公式計算滲透過程中的平均壓差ΔP_mean；

第十一步，通過公式計算溫度T下的氣體滲透系數k，N_A表示阿伏伽德羅常數；d表示涂料層的厚度；S表示涂料層能透氣面積，即涂料層上方的鐵片上設置的至少一個孔的面積及鐵片未覆蓋涂料層的面積之和。

實施例2

本實施例中的煤壁涂料的氣密性測試裝置與實施例1中的相同。

本實施例中的測試煤壁涂料氣密性的方法，包括以下步驟：通過上述實施例1中所述的方法對上述氣密性測試方法進行實驗。在實驗時，本實施例以待測涂料樣本為60％超細粉涂料為例進行說明。

第一步，噴涂涂料：將粒徑為2.18μm的超細粉煤灰60g、標號為325的礦渣硅酸鹽水泥20g、氯化石蠟8g、氫氧化鋁4g、硼酸鋅3g、石墨3g、導電炭黑2g混勻即為粉料，取S400F型苯丙乳液50g和水25g在燒杯中低速攪拌2min后，再加入上述粉料，繼續以600r/min的轉速勻速攪拌15min后即制備得到待測涂料樣本；將制備好的待測涂料樣本均勻地倒在煤粒表面，并使待測涂料樣本的厚度達到2.8mm，待待測涂料樣本固化、表面無裂縫，并與筒體內壁貼合緊密貼合后，形成涂料層。

第二步，在涂料層上放置一個與筒體橫截面積相同或小于筒體橫截面積的鐵片，所述鐵片上設置有至少一個孔；將法蘭蓋在筒體上，所述法蘭與鐵片緊密貼合，用螺栓、墊片和螺母將法蘭與筒體密封連接。

其余步驟采用與實施例1中的步驟相同，其中，筒體內的氣體體積N與U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M之間的比值為15:1。

本實施例測試過程中得到的各參數及計算結果見表一。

表一

有表一可知，該實施例中測得的待測涂料樣本的氣體滲透系數k為6.29×10¹³m^-1s^-1Pa^-1，根據表一中P與k之間的換算公式，將k換算為P的值為3.12×10^-10cm²s^-1cmHg^-1，該計算結果與山東濟南蘭光機電技術有限公司包裝安全檢測中心的測試數據P為3.84×10^-10cm²s^-1cmHg^-1基本接近。

實施例3

本實施例中的煤壁涂料的氣密性測試裝置與實施例1中的相同。

本實施例中的測試煤壁涂料氣密性的方法，包括以下步驟：

第一步，噴涂涂料：將標號為325的礦渣硅酸鹽水泥80g、氯化石蠟8g、氫氧化鋁4g、硼酸鋅3g、石墨3g、導電炭黑2g混勻即為粉料，取S400F型苯丙乳液50g和水25g在燒杯中低速攪拌2min后，再加入上述粉料，繼續以600r/min的轉速勻速攪拌15min后即制備得到待測涂料樣本；將制備好的待測涂料樣本均勻地倒在煤粒表面，并使待測涂料樣本的厚度達到2.1mm，待待測涂料樣本固化、表面無裂縫，并與筒體內壁貼合緊密貼合后，形成涂料層；

第二步，在涂料層上放置三個與筒體橫截面積相同或小于筒體橫截面積的鐵片，所述鐵片上設置有至少一個孔；將法蘭蓋在筒體上，所述法蘭與鐵片緊密貼合，用螺栓、墊片和螺母將法蘭與筒體密封連接。

其余步驟采用與實施例1中的步驟相同，其中，筒體內的氣體體積N與U型玻璃管壓差計左管空氣的初始體積M之間的比值為16:1。

本實施例測試過程中得到的各參數及計算結果見表二。

表二

由表二可知，該實施例中測得的待測涂料樣本的氣體滲透系數k為1.92×10¹⁴m^-1s^-1Pa^-1，根據表二中P與k之間的換算公式，將k換算為P的值為9.54×10^-10cm²s^-1cmHg^-1，該計算結果與山東濟南蘭光機電技術有限公司包裝安全檢測中心的測試數據P為10.67×10^-10cm²s^-1cmHg^-1基本接近。