泡沫玻璃（共7篇）
泡沫玻璃 篇1
鲍德炉料公司担负着济钢冶金渣加工处理的重要使命, 如何有效地利用现有矿渣资源, 充分发挥资源的潜力, 不断寻求新的发展空间和新的经济增长点, 是我们公司所面临的一个长期而重要的课题。泡沫玻璃是一种新型的环保节能材料, 其容重轻、导热系数小、不透湿、吸水率小、不燃烧、不霉变、机械强度高、加工方便、本身无毒, 被广泛用于石油、化工、地下工程等隔热保冷工程。国内外利用多种工业废渣, 采用半干压成型的方法来制备泡沫玻璃。本文对利用济钢的矿渣微粉, 经研磨混合、压制成型、烧成发泡制备矿渣泡沫玻璃进行了介绍。
1 各添加剂的作用机理
1.1 硼砂的作用
硼砂在加热过程中脱去结构水, 并在740 ℃开始熔融, 因而硼砂具有助熔作用, 但由于B2O3的作用, 硼砂对泡沫玻璃粘度作用是两方面的, 即用量少时降低粘度, 用量多时增加粘度。实验发现, 用量很少时, 发泡不充分, 效果较差, 但随着用量的增加, 发泡效果逐渐变好, 并在7%时达到最高值, 随后泡沫玻璃性能下降, 发泡较差。
1.2 碳黑的作用
碳黑不仅作为发泡剂, 而且也起到稳泡剂的作用, 因为没有参加反应的碳黑和液态玻璃的亲和力很小, 它们集中在气、液相的相界表面, 几乎不被玻璃所润湿, 这些未起作用的碳黑颗粒附在玻璃泡穴的表面, 使相界面的界面能降低, 从而使泡穴稳定。
1.3 Na3PO4的作用机理
Na3PO4是作为稳泡剂引入的, 除起稳泡作用外, 还有助熔作用。Na3PO4在高温下发生下列分解反应:2Na3PO4=3Na2+P2O5, 分解产生的Na2O起破坏Si—O键的作用, 起助熔作用, 降低发泡温度。分解产生的P2O5中的P5+是网络形成离子, 可形成[PO4]四面体, [PO4]四面体可与[SiO4]四面体一起构成连续网络, 提高高温下的熔体粘度, 有利于泡穴的稳定。
2 实验过程
2.1 实验原料
实验所用主要原料化学成分见表1。
2.2 泡沫玻璃配合料的制备
将收集来的废玻璃用清水冲洗, 除去灰尘、污物, 再将干净的碎玻璃放入烘干箱中烘干, 用球磨机将碎玻璃进行粉碎。玻璃粉的粒度要适中, 若颗粒过粗, 膨胀性差, 形成粗大的泡沫玻璃;反之, 膨胀性好, 但不利于发泡剂的均匀混合。一般要求玻璃粉的粒度全部通过140目筛 (粒径为100 μm) 。以不同配比的废玻璃粉和矿渣为主要原料, 外加适量的发泡剂和外加剂, 充分混合研磨, 放入不锈钢模具中。
2.3 配方设计
根据原料的化学成分和各添加剂的作用机理, 设计以下矿渣泡沫玻璃配方, 如表2。
2.4 泡沫玻璃的烧成
泡沫玻璃的烧成包括预热、烧结、发泡和退火。
2.4.1 预热
坯体的导热性较差, 直接高温烧结、发泡, 会造成表面碳的氧化和表面层玻璃粉过早地熔融, 造成坯体内外层产生较大温差, 使发泡不均匀。为此, 在室温至350 ℃之间, 升温50 min;在350 ℃, 保温30 min。
2.4.2 烧结
将预热后的坯体迅速加热到烧结温度700 ℃, 使坯体烧结。快速升温的目的是将随着坯体升温而急剧增加的气相包裹在坯体内而不让逸出, 从而能够得到气相较多、密度较低的泡沫玻璃。烧结温度由试样的差热分析确定。
2.4.3 发泡
烧结后的坯体以10 ℃/min的升温速度加热到发泡温度 (860 ℃左右) 进行发泡。影响发泡质量的因素除发泡温度外, 还有发泡时间、发泡剂和稳泡剂的用量, 需将各影响因素综合考虑进行实验。
2.4.4 稳泡与退火
当发泡结束时, 迅速将试样冷却至610 ℃左右, 其目的是将产生的气孔结构迅速固定下来。否则就会形成越来越大的孔穴, 气孔的分布也不均匀, 而且会出现连通孔。由于试样迅速冷却, 将产生应力, 并且烧成好的泡沫玻璃, 其本身就是隔热材料, 为了消除应力, 在610 ℃左右进行保温退火, 保温30～35 min, 然后以2 ℃/min 的速度冷却到400 ℃, 关掉电源, 电炉门不打开, 让其冷却到室温。
2.5 结果分析和讨论
在不同的温度下进行热处理, 得到泡沫玻璃试样。观察样品的外部特征、气孔结构以及进行密度、强度等方面的测量。
将试样切磨成正规的长条形状, 然后用直尺量出长、宽、高, 计算出体积, 将磨好的试样用分析天平称出质量, 计算出试样的密度。
图1是矿渣微粉掺入量与泡沫玻璃密度的关系曲线。由图可以看出随着矿渣微粉含量的增加, 泡沫玻璃的密度是升高的。矿渣微粉主要成分是SiO2、CaO、Al2O3, 它们主要以玻璃体的形式存在。由于这些玻璃体中, CaO含量很高, 从而使其熔融温度和软化温度较高, 熔体的粘度也很大, 在烧成时要有较高的发泡温度, 随着矿渣微粉掺入量的增加, 发泡温度逐渐升高, 当矿渣微粉的掺入量较高达到某一值时, 气泡结构开始变差, 矿渣微粉掺入量为20%时, 气泡结构相对较完整, 无连通孔出现。
而当矿渣微粉掺入量大于25%的时候, 由于此时液相粘度大, 玻璃液不易包裹住发泡剂, 导致连通孔开始出现, 孔型由原来的圆形变得较不规则, 气孔与气孔之间开始连通, 当矿渣微粉掺入量达到40%时, 由于液相粘度过大, 样品表面无玻化层产生, 产生的气体逸出, 样品成一致密的块状物, 所以, 将矿渣微粉的掺入量控制在20%为最佳。
3 结论
(1) 通过实验, 我们用矿渣微粉、废玻璃为主要原料, 添加适量的发泡剂、稳泡剂, 经研磨混合、压制成型、烧成发泡, 制备出气泡均匀、容重为0.2～0.5克/立方厘米的泡沫玻璃。
(2) 确定泡沫玻璃从预热、烧结、发泡到退火的合理的热工处理工艺制度。
(3) 通过实验, 从节约原料成本、能耗等多方面综合考虑, 矿渣微粉的添加量不能太多, 确定了矿渣泡沫玻璃中矿渣微粉的最佳添加量为20%。
高强度均匀泡沫玻璃制备 篇2
泡沫玻璃的研制开始于20世纪30年代, 法国St.Gubain公司成功研制了泡沫玻璃, 其原料为玻璃粉, 用碳酸钙作为发泡剂, 将混合料放置在耐火模具中加热, 制成轻质石状材料, 并于1935年申请了世界上第1个制造泡沫玻璃的专利[1]。废弃玻璃是家居建筑行业的边角料或日常生活中的破碎玻璃, 由于玻璃难以降解, 变口锋利, 以前只能进行填埋处理, 占用了宝贵的土地资源, 增加了环境负担。据估计, 我国每年生产的废玻璃有320万吨, 占生活垃圾的2%左右[2]。将废玻璃等主要原料, 添加辅料, 发泡剂, 改性剂经过细碎, 粉磨、混合均匀装入模具, 在炉中加热到发泡温度, 混合料开始熔融, 形成一种具有粘弹性物质, 此时发泡剂发生反应生成气体, 刚好被熔融的玻璃体所包裹, 形成闭气泡, 保温一段时间后, 使其快速冷却, 让熔融的玻璃体固化, 则气体被包裹在其中, 形成了泡沫玻璃[3]。泡沫玻璃是由许多球状密封的或相互连接的微孔结构组成, 属多孔玻璃的一个品种。其表面呈结晶状, 十分坚硬, 但不透明, 内部充满无数微小气孔, 也就是均匀的气相和固相体系。气孔占总体积的80~90%, 气孔大小为0.5~5 mm, 也有小到几微米[4,5]。具有保水吸水保温隔热隔音作用, 在花卉、植物种植过程中的保水, 干旱地区的雨水储存防霉变, 污水处理等领域有广泛的应用前景。
我国泡沫玻璃的研发和生产于20世纪90年代, 主要以碳粉或碳酸钙为发泡剂[6,7]。由于配料过程控制存在问题, 目前市售气孔率90%左右的产品抗压强度较低, 约为0.8 MPa, 无法承受较大的应力。产品在建筑保温、高速公路、高速列车沿线的隔音领域无法推广。本文较系统研究了发泡温度、发泡剂含量、发泡剂粒径和保温时间对泡沫玻璃结构和力学性能的影响。通过调整配料比、发泡条件, 从而改变气孔直径分布, 发泡玻璃抗压强度有所提高。
1 实验部分
1.1 泡沫玻璃的制备
将普通建筑用废弃玻璃 (成分以氧化物计算, 列于表1) 用清水冲洗, 去除玻璃表面的杂质, 晒至干透, 用破碎机粉碎成3 mm以下的颗粒, 再球磨至中位粒径7μm左右, 过200目不锈钢筛网。按照实验设计将废玻璃磨成的粉体与发泡剂-碳酸钙 (造粒过80目筛) 混合均匀, 装填于涂有脱模剂的模具中, 于马弗炉中, 采用阶梯式的升温方式进行烧结发泡。条件为[8,9]:以5℃/min的升温速率从室温升温至400℃并在此温度下保温30 min, 然后以10℃/min升温至700℃, 再15℃/min升温至设定温度, 并适当保温, 冷却后脱模, 制得发泡材料。
1.2 泡沫玻璃的性能测试
运用FA2104J液体静力天平通过浸液-比重瓶测定玻璃粉体的真密度和泡沫玻璃的吸水率、气孔率、体积密度, 用WDT-5微机控制材料试验机测定样品的抗压强度[10,11,12], D/max-2500X射线衍射仪对试样进行物相分析和JSM6360LA扫描电镜测试样品的微观结构。孔径测试方法[13]:将试样加工成长方体形, 在一个面上随机划一条直线, 统计被直线穿过的气泡数目, 孔径为直线长度与孔径数的比值 (忽略孔壁厚度) 。
2 结果与讨论
2.1 发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃性能的影响
2.1.1 发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃气孔大小的影响
图1为不同发泡剂含量和不同发泡温度制备的泡沫玻璃照片。ABCDE分别为发泡温度800℃、810℃、820℃、830℃、840℃的泡沫玻璃。每张照片中从左到右发泡剂含量分别为2%、3%、4%、5%、6%。从照片中可以看出当发泡温度不变时, 随着发泡剂含量的增加试样的孔径逐渐变大, 且连通孔增多, 在发泡剂过多时, 气孔的均匀性会较差。当Ca CO3含量不变, 温度升高时, 泡沫玻璃的孔径也是逐渐变大, 但温度过高时, 会出现局部大孔的现象, 不利于气孔的均匀性。
图2为不同条件制备的发泡玻璃气孔直径的统计结果, 可以直观地看出:发泡剂含量相同时, 随着发泡温度的升高, 泡沫玻璃的孔径在不断地增大。这是由于提高发泡温度, 孔内气体受热膨胀趋势增大, 气孔内气压增大, 高温使玻璃料的粘度逐渐减小, 气孔长大的阻力减小, 大气孔数量增多, 样品的孔径增大。发泡温度相同时, 随着发泡剂含量的升高, 泡沫玻璃的孔径逐渐增大, 随着发泡剂含量的增加, 分解产生的CO2气体量增多, 气孔内气压增大, 样品内各气孔膨胀长大的趋势增大, 小气孔结合为大气孔的趋势增大, 导致孔径不断地增大。
2.1.2 发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃体积密度的影响
图3为发泡玻璃体积密度随发泡温度和发泡剂含量的变化图。可以看出, 发泡剂含量相同时, 随着发泡温度的升高, 泡沫玻璃的体积密度在不断地减小。其原因是气泡孔径增大导致泡沫玻璃的单位体积气孔率增大, 由密度公式可知, 泡沫玻璃的体积密度减小。发泡温度相同时, 随着发泡剂含量的升高, 泡沫玻璃的体积密度逐渐减小, 这也归因于随着发泡剂含量的增加, 气体量增多, 泡沫玻璃的体积增大, 密度减小。但实验发现, 当发泡剂含量超过一定极限时, 导致气体泄漏, 上述规律即被破坏。对于中位径为7μm的玻璃粉体而言, 碳酸钙含量的极限值约为15%。
2.1.3 发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃体气孔率的影响
图4为泡沫玻璃总气孔率随发泡剂含量及发泡温度的变化图, 图5给出发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃显气孔率的影响。通过4和图5可以看出:当发泡剂含量相同时, 随着发泡温度的升高, 泡沫玻璃的总气孔率和显气孔率呈现增大趋势, 这与上述的气孔直径以及密度变化规律一致。其原因也是提高发泡温度, 发泡剂的分解以及与二氧化硅的反应更彻底, 气体总量提高;另外, 熔融玻璃粘度的降低也有利于气孔膨胀。气孔所占的体积与泡沫玻璃粉体所占的体积之比增大, 总气孔率增大, 但进一步升高温度会导致部分薄壁气孔的破裂和融合, 大气孔数量增多, 气孔总数减少。温度升高, 气孔在孔壁薄弱处易破裂, 气孔之间连通的趋势增大, 也导致样品的显气孔率增大。当发泡温度相同时, 提高发泡剂含量, 分解产生气体量增多, 气孔总量增多, 导致样品总气孔率增大。气孔数量的增多, 气孔之间挤破的趋势增大, 连通性增大, 导致泡沫玻璃开气孔率增大。闭气孔率是通过阿基米德原理测量发泡玻璃的密度再结合玻璃原料的密度计算而得, 显气孔是通过测量泡沫玻璃的保水能力得到的。可以看出, 发泡剂含量4 wt%以上, 发泡温度在820~830℃之间出现最大值, 这是由于温度高导致表面开孔在熔融玻璃的表面张力作用下的收缩, 甚至消失, 减弱了其保水能力。
2.1.4 发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃抗压强度影响
图6为发泡剂含量及发泡温度对泡沫玻璃抗压强度的影响规律。如图所示, 发泡剂含量相同时, 随着发泡温度的升高, 泡沫玻璃的抗压强度减小。这归因于提高发泡温度, 泡沫玻璃孔径变大, 孔壁变薄, 导致泡沫玻璃抗压强度减小;发泡温度相同时, 随着发泡剂含量的升高, 气孔数量增多, 泡沫玻璃的孔壁变薄, 泡沫玻璃的抗压强度减小。
2.1.5 泡沫玻璃XRD分析
图7中可以看出, 发泡温度为840℃保温时间30min碳酸钙含量为5%时, 试样在2θ=21.83°时出现一个峰, 有少量晶体析出, 其他地方没有明显的晶相尖锐峰。利用相关软件进行分析, 发现是Ca2Si O4峰 (PDF#832457) 。其晶胞参数为a=5.081, b=11.22, c=6.778。属于正交晶系, 生成Ca2Si O4的主要原因是:由于发泡剂颗粒大, 发泡过程未搅动, 局域发泡剂量较多一部分生成了Ca Si O3与发泡剂分解所产生的未参与形成网络结构的Ca O反应生成了Ca2Si O4晶体。涉及的反应为:
2.1.6 泡沫玻璃SEM显微结构分析
图8是发泡温度为840℃保温时间30 min碳酸钙含量为5%时, 不同倍数下泡沫玻璃的扫描电镜截断面形貌, 可以看气孔大小不一, 有很多微孔, 有的局部还没有发泡, 孔径在0.5~3 mm之间, 且以闭气孔居多。
2.2 保温时间对泡沫玻璃性能的影响
保温时间主要影响发泡过程中产生气体的化学反应进度和气泡的稳定性, 从而影响泡沫玻璃物理性能。表2仅列出发泡温度为840℃发泡剂含量3%的数据。可以看出, 泡沫玻璃保温时间为10 min时, 样品的体积密度和抗压度较大, 总气孔率和孔径较小;随着保温时间的延长, 样品的体积密和抗压度变小, 总气孔率和孔径增大。这充分说明, 保温时间较短, 分解生成的气体量较少, 样品气孔和体积膨胀较小, 泡沫玻璃的气孔率和体积密度较小。气孔向外张力较小, 孔径变小, 气孔壁相对较厚, 泡沫玻璃的抗压强度增大。而随着保温时间延长, 化学反应更加彻底, 分解生成的气体量增加, 样品气孔和体积膨胀较大, 泡沫玻璃的气孔率和体积密度较大, 气孔孔壁变薄, 泡沫玻璃的抗压强度减小。因此保温30 min碳酸钙基本反应完全。另外保温时间过长会造成气泡破裂, 融合, 塌陷, 最后直至全部排出, 这对于发泡玻璃生产不利。
3 结论
关于高性能泡沫玻璃探究 篇3
1 高性能泡沫玻璃的概述
泡沫玻璃作为一种新型的节能环保材料,它是以废平板玻璃和瓶罐玻璃为原料,经高温发泡成型的多孔无机非金属材料。具有防火、防水,无毒、耐腐蚀、防蛀,不老化,无放射性、绝缘,防磁波、防静电,机械强度高等特点,是一种性能稳定的建筑外墙和屋面隔热、隔音、防水材料[1]。根据泡沫玻璃的各种性能,它可以作为隔热材料应用于建筑工程的各个部门,也用于造船、化工、低温及高温技术。白色和彩色玻璃还被用做吸音和装饰材料使用。泡沫玻璃它本身是无毒的,是一种节能环保的材料,将这种新型材料应用于我国当代社会发展过程中有助于促进我国经济的可持续发展。
2 高性能泡沫玻璃的制作
2.1 泡沫玻璃原料的选择
在泡沫玻璃制作过程中,泡沫玻璃的原料都是一些废玻璃,而这些废玻璃的性质直接影响到了泡沫玻璃成品的质量。为此,在选择原料的时候,就必须选择性能合格的废玻璃。首先,废玻璃尽量使用废平板玻璃或者瓦罐玻璃;其次,在发泡温度范围内,要尽量减小玻璃的粘度变化率以及控制烧成温度范围,这样做的目的就是获得泡径均匀的泡沫玻璃成品。另外,在原料选择是,废玻璃还必须含有适量的供养组分,以便泡沫玻璃更好的发泡膨胀。如图1所示。
2.2 原料的清洗与粉碎
为了达到高性能泡沫玻璃的标准,所选用的废玻璃必须无杂质、粉尘。为此,在选择好原料后,要及时地将废玻璃用清水进行冲洗,去除废玻璃表面的粉尘、杂质,然后将洗净的废玻璃放入烘箱烘干。待废玻璃表面水渍烘干后,利用打磨机将这些废玻璃进行粉碎,要控制好玻璃粉的粒度,不能过粗,也不能过细,一般要求玻璃粉的粒度能全部通过140目筛(粒径为100 um)。过粗的颗粒要进行再次粉碎,过细的颗粒要及时清理出来。磨好的玻璃粉要一直放在烘箱里保持干燥,以备使用;否则,潮湿的玻璃料粉不利于均匀发泡。
2.3 发泡剂的使用
在泡沫玻璃制作过程中,发泡剂的作用就是确保分玻璃颗粒能够充分起泡,发泡剂通过硫化升温,通过分解而释放出大量气体,并在受热条件下形成无数微小的泡孔,使原来的实心材料变成多孔海绵。用于泡沫玻璃的发泡剂有碳黑。碳化硅、碳酸钙、白云石粉、金云母、石墨、二氧化锰等。不同的发泡剂要求的发泡温度和发泡时间不同,所制成的泡沫玻璃的孔径和孔壁的薄厚也不同。另外,发泡剂与玻璃粉必须充分均匀混合,并防止原料中混入有机物或粉尘,进而确保泡沫玻璃性能稳定。
2.4 助熔剂和改性剂
助溶剂和改性剂是制作高性能泡沫玻璃不可或缺的一部分,助溶剂能够使发泡后的废玻璃颗粒更好的溶合,在制作泡沫玻璃过程中,要根据配方不同,选择是否采用助熔剂。如果要求的熔融温度较高,则可适当加入助熔剂,而常用的助溶剂有碳酸钠、乙二氨盐等。
3 高性能泡沫玻璃在建筑中的应用
伴随着我国现代建筑行业的发展,对节能建筑的需求也越来越大,高性能泡沫材料与目前在建筑工程中使用的保温材料相比较,它具有独特的特点,用于屋面,能形成永久性的保温隔热层,而且,由于其优良的耐候性,尤其适合于倒置式屋面的保温隔热层。
4 结语
随着现代社会的进步与发展,高性能泡沫玻璃在我国当前社会中的应用越来越广泛。高性能泡沫玻璃有着防潮、防火、防腐,耐高温、吸声、绝热等特点,它符合了我国经济可持续发展的内在要求,并将随着科技的不断发展,其应用也会越来越广泛。
参考文献
[1]沈承金,赵宇龙,张生辉.玻璃混合料改性对泡沫玻璃发泡质量影响研究[J].中国矿业大学材料学院,2012,(5):135-136.
利用工业废渣制备泡沫玻璃的研究 篇4
泡沫玻璃是内部充满无数均匀气孔的多孔材料。气孔约占总体积的80%~90%, 气孔大小为0.5mm~5mm, 也有小到几微米的。它通常是以废玻璃为主要原料, 添加适量的发泡剂和助熔剂等添加剂, 经破碎、磨细和混合形成配合料, 放置在模具中经预热、烧结、发泡、稳泡和退火等工艺制备而成。泡沫玻璃具有表观密度小、导热系数低、热膨胀系数低、耐腐蚀性强、不燃烧、不变形、易加工和施工方便等许多特殊优良性能, 泡沫玻璃在工程中可作为保温隔热材料、吸声材料、轻质填充材料、轻质混凝土集料和绿化用保水材料使用。
1935年, 法国St.Gubain公司成功地研制出了泡沫玻璃, 随后, 美国、前西德、等国也发表了许多有关泡沫玻璃专利和研究报告。20世纪70年代中期泡沫玻璃在我国进行小批量生产, 经过几十年的发展, 国内生产的泡沫玻璃供不应求, 目前部分产品已出口国外。随着建筑保温节能技术越来越受到人们的关注, 泡沫玻璃在建筑工程中的应用越来越广泛, 这些将给泡沫玻璃的发展带来更大的发展机遇。
泡沫玻璃的原料多数采用废弃物, 如废玻璃、粉煤灰、炉渣或天然矿物等, 发泡剂可以选择碳酸盐或炭黑等。以废玻璃、矿渣和粉煤灰为主要原料的泡沫玻璃对于工业废弃物利用, 节约资源和改善环境具有重要意义, 是世界上鼓励发展的方向。本文以废玻璃、矿渣和粉煤灰作为主要原材料进行了泡沫玻璃制备的试验研究, 并研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响, 并对泡沫玻璃泡沫化进行优化设计。
1 原材料及研究方法
1.1 原材料
基础原料采用高炉矿渣, 粉煤灰、废玻璃;发泡剂分别采用碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行研究, 同时加入适量的助熔剂和稳泡剂等。
1.2 研究方法
1.2.1 发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究
通过试验固定原材料废玻璃、矿渣和粉煤灰的比例为6:3:1, 并按图1所示的烧成曲线进行泡沫玻璃制备, 通过改变发泡剂种类及掺量进行对比研究。
1.2.2泡沫玻璃泡沫化的优化设计
由于影响泡沫玻璃性能的因素较多, 不仅与添加剂的种类及其用量有关, 而且与烧成的温度制度有密切的关系。通过试验找出影响泡沫玻璃质量的主要因素, 对制备泡沫玻璃的工艺参数进行优化设计。
1.2.3 质量和性能评定
用表观密度、抗压强度和孔径等指标来评定泡沫玻璃的质量和性能。
2 实验结果与讨论
2.1 发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究
为保证泡沫玻璃的质量, 配合料坯体的软化温度应与发泡剂生成气体的温度相匹配, 由于在基础原料中引入了矿渣和粉煤灰, 从而使配合料的软化温度和发泡温度升高, 所以要选择合适的发泡剂种类。
本研究选取碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行了对比研究, 其中基础原料中矿渣、粉煤灰和废玻璃的比例分别为30%、10%和60%。三种发泡剂掺量变化对泡沫玻璃性能的影响见表1。
试验结果表明:以碳酸钙为发泡剂, 当碳酸钙的掺量较大时, 试样中出现个别的大孔。由于玻璃体的表面张力, 使得气孔力求相互结合以减少相间界面, 所以在气孔形成过程中伴随着气孔间相互结合和气体的排出。当相邻气孔中的压力逐渐相等时, 相互结合的过程也随之减弱。逸出的气体在玻璃液相中形成气孔, 随着气孔直径的逐渐扩大, 软化状态的玻璃体积迅速增加, 当体积达到一定值时, 温度降低从而使玻璃固化, 玻璃的多孔结构保持下来。
以炭黑为发泡剂, 由于矿渣和粉煤灰的大量引入, 从而使得配合料的软化温度升高, 炭黑产生二氧化碳气体的最大量约在800℃左右, 而这时配合料还未完全软化, 发泡剂分解产生的气体将粉料吹成大孔, 致使试样异常发泡, 造成试样孔径不均匀的现象。
以二氧化锰为发泡剂的试样发泡效果好, 以封闭孔为主, 孔径在2mm~3mm之间均匀分布, 表面有光泽。随着发泡剂二氧化锰掺量的增加, 泡沫玻璃的表观密度变小, 抗压强度也随着降低。
通过以上对三种发泡剂的比较研究, 碳酸钙和炭黑的发泡效果一般, 都有个别大孔的出现, 二氧化锰的发泡效果好, 孔径均匀, 因此选用Mn O2进行研究, 掺量控制在2.5%~3.0%较好。
2.2 泡沫玻璃正交试验设计
为了简化实验, 尽快找出影响泡沫玻璃性能的主要因素, 减少重复性试验的次数, 在大量试验的基础上, 选择良好的因素水平, 对泡沫玻璃泡沫化进行正交试验设计。
2.2.1 选择因素水平
固定基础原料的配比, 高炉矿渣30%、粉煤灰10%和废玻璃60%, 以二氧化锰为发泡剂, 助熔剂氟硅酸钠为4.8%和硼砂为0.5%、稳泡剂磷酸三钠为1.1%。选择发泡剂掺量、发泡温度和发泡时间为三个影响因素, 每个因素选取3个水平, 按L9 (34) 进行泡沫玻璃的正交试验, 水平因素表见表2。
2.2.2 实验结果与分析
依据上述表2条件进行试验, 选择表观密度作为考核指标, 正交设计的直观性分析计算结果见表3。
泡沫玻璃表观密度的方差分析见表4。
注:临界值F0.10 (2, 2) =9.0, F0.05 (2, 2) =19.0
根据极差和方差分析可知, 在所选的3个因素中, 发泡剂Mn O2掺量为最主要的因素。在Mn O2掺量为2.5%时, 试样的表观密度的平均值为962kg/m3, Mn O2掺量为2.8%时, 试样的表观密度减少至926kg/m3;Mn O2掺量为3.0%时, 试样的表观密度减小至844kg/m3。这说明随着发泡剂Mn O2掺量的增加, 试样的表观密度减小, 分析其原因是:随着二氧化锰掺量的增加, 由化学反应产生的气体量也越多, 在配合料中产生的微细闭合气孔量亦越多, 泡沫玻璃的内部孔径变大, 体积增大、因此泡沫玻璃的表观密度降低。
以表观密度作为性能指标, 得到正交设计的优化方案为A3B3C3即:Mn O2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min。
2.2.3 泡沫玻璃的基本技术性能指标
采用以上研究中确立的优化方案A3B3C3, 在最佳温度制度下, 制得的泡沫玻璃试样的技术性能测试结果为:表观密度为892 kg/m3, 抗压强度为10.5/MPa, 吸水率为0.25%, 导热系数为0.19w/m·k。泡沫玻璃与粘土砖相比, 具有表观密度小, 吸水率低和强度高的特点, 它是一种新型的重墙体材料可以代替粘土砖作为非承重的墙体材料使用。
3 结论
1) 采用工业废渣制备泡沫玻璃, 固定基础原料的配比:高炉矿渣30%、粉煤灰%和废玻璃60%, 通过对碳酸钙、炭黑和二氧化锰三种发泡剂的比较研究, 碳酸钙和炭黑的发泡效果一般, 都有个别大孔的出现, 二氧化锰的发泡效果好, 孔径较均匀, 因此选用Mn O2进行研究, 掺量控制在2.5%~3.0%较好;
2) 由于泡沫玻璃泡沫化过程比较复杂, 影响因素较多, 采用正交试验方法可找出各因素对材料性能的影响, 并使工艺参数得到优化, 经正交试验所得工艺参数:发泡剂Mn O2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min;
3) 发泡剂Mn O2掺量对泡沫玻璃表观密度影响最显著, 发泡剂Mn O2掺量的增加, 样品的表观密度降低。经正交试验优化后制得的泡沫玻璃样品经测试, 样品孔孔径大多数在2mm~3mm之间均匀分布。
摘要：本文采用矿渣、粉煤灰和废平板玻璃为基础原料, 加入适量添加剂, 通过烧结法制备泡沫玻璃。研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响, 并采用正交试验优化设计的试验手段对泡沫玻璃泡沫化进行了优化。试验结果表明, 采用二氧化锰为发泡剂发泡效果好, 发泡剂掺量对泡沫玻璃性能的影响较大, 经正交试验所得工艺参数:发泡剂MnO2掺量为3.0%, 发泡温度为960℃, 发泡时间为50min。优化条件下制备的泡沫玻璃性能优良, 孔径大多数在2mm3mm之间均匀分布。
关键词：泡沫玻璃,发泡剂,优化设计
参考文献
[1]田英良.制造泡沫玻璃的方法与模具[J].玻璃与搪瓷, 2002, 30 (1) :33-35.
[2]张雄, 曾珍.泡沫玻璃在工程上的应用现状[J].建筑材料学报, 2006, 9 (2) :177-182.
[3]葛伟青, 杨静.国内泡沫玻璃的研究现状及发展趋势[J].唐山学院学报, 2008, 21 (2) :66-68.
[4]方荣立, 刘敏.影响粉煤灰泡沫玻璃质量的因素研究[J].矿产综合利用, 2003 (2) :44-48.
泡沫玻璃的研究现状及前景展望 篇5
近年来, 随着科技水平的不断提高, 人们的环保意识的不断增强, 尤其是自然资源的紧缺, 迫使人们逐渐改变了“秦砖汉瓦”作为墙体材料的基本格局。在此过程中, 对废弃玻璃和工业废渣的再利用也格外受到了重视。
泡沫玻璃是一种新型节能环保建筑材料, 其原料包括碎玻璃、发泡剂、发泡促进剂和改性添加剂等。这些原料在细粉碎和均匀混合后, 经过高温熔化、发泡、退火等处理工艺制成泡沫玻璃。其内部充满微小的 (直径为1~2 mm) 、均匀连通或封闭的气孔, 它是一种人工制造的多孔材料。
泡沫玻璃能在易潮、易燃、绝热等苛刻环境下使用, 是因为它是一种具有防潮、防火、防腐特点的新型材料, 并且玻璃材料能够长期使用而且保持性能不劣化。泡沫玻璃还被称为绿色环保型绝热材料, 由于其内部充满均匀连通或封闭的气孔, 能有效地吸收声波、阻隔热传递等, 因此可广泛应用于墙体保温、吸声降噪、绿化用保水材料等领域。
1 泡沫玻璃的研究现状
1.1 国外微晶泡沫玻璃的研究进展
1935年, 法国Saint-Gobain公司用粉碎的玻璃粉作为原料, 以碳粉和碳酸钙作为发泡剂, 成功研制了首例泡沫玻璃。其制备工艺是将粉碎的玻璃粉与碳粉、碳酸钙混合之后放在耐热模具中加热, 加热到850~860℃, 使之发泡膨胀, 然后退火, 便制成了轻石状的材料。但由于其外观和性能不均匀, 只能用作混凝土的轻骨料, 从那时起就将其称为泡沫玻璃。这种方法从装料到退火是在同一窑炉和同一模具中进行, 也被称为“一步法”。
泡沫玻璃研制成功之后, 美国、德国、英国、前苏联等国也相继发表了许多关于泡沫玻璃的专利和研究报告。1941年, 美国匹茨堡-康宁 (PittsburghCorning) 公司采用“二步法”研制成功了闭孔型泡沫玻璃。其制造方法是利用碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等, 经过细粉碎和均匀混合后, 再经过高温熔化、发泡、退火而成。其处理工艺相当于将发泡好的半成品脱模, 然后再进行退火处理, 制成了具有封闭气孔的低密度泡沫玻璃。
目前, “二步法”被广泛应用于泡沫玻璃的生产和冷保温墙体、管道等领域。“二步法”具有发泡过程和退火阶段分别独立控制, 相互不受牵制影响, 并且可以大大节省模具材料的优点。应用发泡后脱模再退火的“二步法”后, 模具不必再经过长时间的退火周期, 可以减少用模数量, 降低生产成本。
1.2 国内微晶泡沫玻璃发展状况
我国对泡沫玻璃的研究始于1955年, 相继建设了数十个工厂生产泡沫玻璃, 并在沈阳陶瓷厂最先开始试制。但由于技术、管理等种种因素的制约, 生产规模一直处在较低水平, 甚至有部分厂家开始走向破产重组。从20世纪70年代中期到90年代中后期, 经历了20余年的发展, 泡沫玻璃的产品逐渐增多, 生产规模逐步扩大, 泡沫玻璃的应用领域也更加广泛。并且产品质量达到了美国ASTM标准, 不仅可满足国内市场的基本需求, 而且有少量产品出口到东南亚国家。
2 泡沫玻璃生产工艺
目前, 泡沫玻璃的生产大多是采用美国匹茨堡-康宁 (Pittsburgh-Corning) 公司的“两步法”进行生产。
匹茨堡-康宁 (Pittsburgh-Corning) 公司采用特殊设计并在一定温度下熔化的玻璃, 由于这种玻璃更为纯净, 使得泡沫玻璃产品的品质更高。该工艺是将玻璃原料在粉磨车间内与发泡剂、助剂等混合并磨成细粉, 加入模具中经过压实后, 再在发泡炉内于850~860℃温度下进行烧结和发泡。生产中通常在500~600℃进行充分预热, 然后再快速地进行升温, 使配合料均匀发泡。泡沫玻璃经过发泡和定型后再脱模, 泡沫玻璃毛坯经退火消除其热应力后, 即可进行加工制成泡沫玻璃成品, 并进行检验和包装。
3 泡沫玻璃的应用
3.1 保温玻璃
由于闭孔泡沫玻璃具有较低的传热系数, 可用于建筑墙体、化工保温冷冻等, 是一种性能良好的绝热保温材料。建筑所用的保温隔热泡沫玻璃, 其99%的化学组成为无机玻璃, 具有不吸水、不燃烧、不变形、不老化、无毒、无辐射、耐腐蚀性强、防潮、防蛀、强度高、尺寸稳定性好等优点, 是一种新型的绿色环境友好型材料, 不仅适合建筑外墙体, 还可用于屋面顶棚、地下室保温等。
3.2 吸声防潮玻璃
开孔型泡沫玻璃的气孔互相连通, 有良好的吸声消音特性, 能起到降噪的作用, 可用作吸声材料。开孔型泡沫玻璃可以砌筑成大截面通风消声器, 用于大型商场、展厅、候机楼、火车站候车厅等人流较多的地方。此外, 开孔型泡沫玻璃还具有优良的防腐防水等特性, 可用于地铁、地下商场、游泳馆等防潮的建筑中。
3.3 轻质混凝土骨料
粒状泡沫玻璃是一种环保、节能、价格低廉且具有不燃性的新型建筑节能材料, 主要用于轻质混凝土骨料。轻质混凝土具有密度小、质量轻、抗震等优点, 将其应用于建筑工程中不仅可降低运输费用, 减轻工人的劳动强度, 还可以节约资源, 并减少对环境的污染。
3.4 绿化用保水材料
泡沫玻璃也可应用于绿化工程。由于泡沫玻璃是一种具有良好的吸水保水性能的多孔材料, 可以将泡沫玻璃板作为保水材料固定在岩石基的斜坡上。这种板具有轻质、保水性能优良的特点, 当坡面因失水变干时, 泡沫玻璃板中储存的水分可继续供给土壤和树根。另外, 由于这些泡沫玻璃板是交错拼接的, 能有效地阻止水土流失。
4 泡沫玻璃的研究前景
目前, 我国生产泡沫玻璃的技术工艺尚处于发展阶段, 还不够成熟。在发展过程中, 尤其要重视发挥泡沫玻璃优良的环保节能和安全可靠等作用。泡沫玻璃的发展趋势主要体现在以下几个方面:
(1) 对固体废弃物料的有效利用。例如可以利用废弃的电视机屏幕等制作显像管的玻璃来生产微晶泡沫玻璃, 这一技术可以充分利用废弃玻璃产品, 值得推广。
(2) 在泡沫玻璃的生产工艺过程中, 应该在保证产品质量的前提下尽量采用“一步法”生产工艺, 这样可以简化工艺, 有效地节约成本。
(3) 进一步拓展泡沫玻璃的应用领域, 例如应用于绿化保水材料、生物材料载体等领域。
(4) 需要研究如何改进工艺参数, 设计更加合理的工艺路线, 以提高成品率。
(5) 在制备新型微晶泡沫玻璃时, 可以作为成核剂等加入。
(6) 对使用工业废渣生产泡沫玻璃还需进一步加强试验研究, 其方向是如何实现低温发泡, 为未来工业化生产时减少燃料消耗、降低成本进行探索。
5 结语
在可持续发展、环保节能和环境友好的大背景下, 新型的泡沫玻璃将以其保温隔热、吸声、轻质等特性, 广泛应用于隔热材料、保温材料以及防火材料和建筑吸声材料等领域, 具有广阔的市场发展空间。尽管目前国内泡沫玻璃的发展还不够成熟, 但人们对泡沫玻璃的需求将会与日俱增。现在迫切需要解决的问题是加强试验研究, 做进一步探索, 改进工艺参数, 合理组织生产, 节约生产成本。对于废弃玻璃的利用, 在对其进行充分利用的前提下也应深入研究, 进一步改进生产工艺, 以生产出性能优良的泡沫玻璃产品, 促进泡沫玻璃的发展。
参考文献
[1]葛伟青, 杨静.国内泡沫玻璃的研究现状及发展趋势[J].唐山学院学报, 2008, 21 (2) :66-67, 86.
[2]张雄, 曾珍.泡沫玻璃在工程上的应用现状[J].建筑材料学报, 2006, 9 (2) :177-182.
[3]顾永成.低密度泡沫玻璃的研究与应用[J].中国陶瓷, 2007, 43 (9) :51-54.
[4]施其祥.泡沫玻璃的用途及其制造方法[J].中国玻璃, 1997 (2) :18-21, 25.
[5]沈琪, 陈克荣, 吴义军, 等.泡沫玻璃和微晶泡沫玻璃的研制[J].南京大学学报:自然科学版, 1999, 35 (3) :373-377.
[6]徐锦新.开拓应用领域发展泡沫玻璃[J].上海建材, 1992 (2) :20-23.
[7]田英良, 顾闻周, 李文彪, 等.泡沫玻璃在建筑节能中的应用[J].保温材料与建筑节能, 2002 (6) :41-43.
[8]吴义军, 陈克荣.微晶泡沫玻璃的研制及其展望[J].江苏建材, 1996 (4) :17-19.
[9]李卫东, 李月强, 刘艳改, 等.新型建材——泡沫玻璃的发展与应用前景[J].中国陶瓷工业, 2007, 14 (1) :36-38.
泡沫玻璃 篇6
煤粉炉渣是煤粉炉里的煤燃烧后一部分在炉膛中粘结并且由煤粉炉底排出的废渣[1],其排放量约为粉煤灰排放量的25%。因此,煤粉炉渣已成为一种仅次于粉煤灰的燃煤电厂工业废弃物[2]。但在我国煤粉炉渣仍大量地积存,占用大量土地并造成严重的环境污染。
微晶泡沫玻璃是一种在玻璃相中均匀分布着大量微小气孔和微晶体的新型环保建筑材料[3],具有隔热、耐腐蚀、吸声、防火、防潮、轻质高强及易加工等优越性能[4],解决了传统泡沫玻璃强度不够高及微晶玻璃价格过高、表观密度较大的缺点[5],因此被广泛应用作建筑装饰材料、墙体材料、隔音材料等。
研究利用煤粉炉渣为主要原料,采用粉末法烧成技术[6]制备微晶泡沫玻璃,既可变废为宝又能保护生态环境,具有重要的经济效益和社会意义,同时又为生产微晶泡沫玻璃寻找到新的原料来源,符合我国资源的可持续发展战略目标。
1 实验
1.1 实验原料
实验用的主要原料来广东省某火力发电厂的煤粉炉渣,其化学组成见表1。图1为煤粉炉渣的X-射线衍射图,可以看出,煤粉炉渣矿物组成主要为玻璃相、SiO2(石英)和Al6Si2O13(莫来石)等物质。另加入碳酸钙(Ca CO3)作为发泡剂、磷酸钠(Na3PO4)作为稳泡剂、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸镁(MgCO3)作为调节成分,为了防止发泡时微晶泡沫玻璃试样与坩埚粘结,以1∶3(质量比)的苏州土和石英砂作为脱模剂。
1.2 实验方法
首先将块状的煤粉炉渣粉碎至全部通过200目筛。然后与CaCO3、Mg CO3和Na2CO3按表2的配合比均匀混合,装入坩锅中,于1450℃熔融90min,将玻璃液倒入水中冷淬,制备得基础玻璃,其化学组成见表3.最后将基础玻璃球磨全部通过75μm筛备用。
将准备好的基础玻璃与Ca CO3和Na3PO4按适当比例配合,放入球磨机中混合均匀,然后装入刷好脱模剂的高温模具内并放入程控高温炉中,按图1所示的烧成曲线进行热处理:ABC为预热阶段,需要缓慢加热且需要保温一段时间使配合料中的水分脱去;CD为烧结阶段,为了防止发泡剂Ca CO3过多分解,升温速度尽可能快;DE为发泡阶段,发泡剂Ca CO3分解放出气体,软化的配合料发生体积膨胀,为了研究发泡时间对微晶泡沫玻璃的影响,分别取5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟、25分钟6组不同的发泡时间进行发泡。EFGH为稳泡和退火阶段,迅速将微晶泡沫玻璃试样冷却至600℃左右退火,使试样中产生的气孔固定,保温一段时间后随炉自然冷却至室温,以消除微晶泡沫玻璃试样中的自应力,然后将微晶泡沫玻璃试样从程控高温炉中取出并进行抛光、切割等,从而制备出微晶泡沫玻璃试样。
2 结果与分析
2.1 配合料的差热分析
图2为配合料的差热分析曲线图,从图中可以看出配合料在795℃有明显的吸热峰,对应配合料的软化温度,大约850℃的放热峰为玻璃析晶的出现,910℃时出现强烈的吸热峰,对应为碳酸钙的开始分解,990℃左右的放热峰为由碳酸钙分解产生的氧化钙与配合料中的氧化铝、氧化硅等再次反应产生新的晶相。因此可以初步确定配合料的发泡温度为940℃至1040℃之间。
2.2 发泡剂掺量对微晶泡沫玻璃性能的影响
根据微晶泡沫玻璃的用途不同,一般要求其泡径大小也不一样,微晶泡沫玻璃的泡径可在1~3mm之间选择[7,8],但通常形成2mm左右的泡径较符合微晶泡沫玻璃的要求[9,10]。
保持表3配合比不变,加入4%的稳泡剂,保持烧结制度和其他条件不变,改变发泡剂(Ca CO3)掺入量进行对比试验,分析发泡剂掺量对泡沫玻璃泡径、表观密度、抗压强度等性能的影响,测试结果见表4。
由上表可以看出,加入约4.5%碳酸钙时,发泡效果较好,当碳酸钙含量过少时,分解产生的二氧化碳量达不到发泡的效果,导致体积密度过大,孔径过小;当碳酸钙含量过多时,有个别大孔出现,还形成少量的连通孔,结构变得疏松,从而对微晶泡沫玻璃的性能产生不利影响。
2.3 稳泡剂对微晶泡沫玻璃的影响
稳泡剂的加入可以提高配合料高温条件下熔融体的粘度,降低其表面张力,预防生成小气泡相互连通形成大气泡,从而达到稳定产生的气泡结构,因此,稳泡剂的掺入量将会直接影响到微晶泡沫玻璃的性能。保持上表3配合比不变,加入4.5%的碳酸钙为发泡剂,保持烧结制度和其它条件不变,改变稳泡剂(Na3PO4)掺入量进行对比试验,其结果如下表5所示。
由表5可以看出,稳泡剂(Na3PO4)掺入量为2%、3%时,微晶泡沫玻璃体积密度较大,泡径较小,这是主要因为Na3PO4用量较少,此时软化体液粘度较大,生成的气体无法滞留,造成此时微晶泡沫玻璃试样体积密度较大,孔径较小。当稳泡剂(Na3PO4)掺量为4%至5%时,微晶泡沫玻璃试样的体积密度减至930kg/m3左右,泡径接近2mm,当稳泡剂(Na3PO4)掺入为6%时,虽然其表观密度降到903kg/m3,但微晶泡沫玻璃的泡径达2.56mm,抗压强度降至6.76MPa,再增加稳泡剂(Na3PO4)掺入量试样的表观密度和泡径都增大,抗压强度下降较明显,这是主要因为Na3PO4掺入量过多时,微晶泡沫玻璃试样玻璃液的粘度降低,产生的气体迅速地排出,从而导致微晶泡沫玻璃试样的表观密度增大,泡径变大。综合考虑,稳泡剂(Na3PO4)掺入量约为5%时发泡效果较为理想。
2.4 发泡温度及时间对微晶泡沫玻璃性能的影响
发泡温度和时间是影响微晶泡沫玻璃性能的关键因素之一,若发泡温度和发泡时间控制得当,配合料软化后的粘度与发泡剂产生的气体压力相平衡,则形成封闭的均匀分布小气孔,反之,如果发泡温度和时间控制不当,则可能造成产生的气体压力太大而形成开口或连通气孔,这将对材料的表观密度和泡径造成很大影响。保持上表3配合比不变,加入4.5%的碳酸钙为发泡剂,5%的Na3PO4为稳泡剂,表6为不同发泡温度对微晶泡沫玻璃性能的影响,表7为不同发泡时间对微晶泡沫玻璃性能的影响。
从上表6可以看出,随着发泡温度的升高,微晶泡沫玻璃的泡径逐渐变大,体积密度降低到932kg/m3的较低值后有所增加,这主要由于当发泡温度较低时,微晶泡沫玻璃中玻璃液相的粘度和表面张力较大,发泡比较困难,因而产生的气泡泡径较小;当发泡温度较高时,晶泡沫玻璃中玻璃相的粘度和表面张力变小,当玻璃液相不能将气体包裹时,不利于发泡剂碳酸钙分解产生的气泡滞留在玻璃液相中,这时就容易形成尺寸较大或连通的孔,因此发泡温度应合适才有利于微晶泡沫玻璃的性能,根据上述分析,本试验将发泡温度控制在1000℃左右。
从上表7可以看出,随着发泡时间的增大,微晶泡沫玻璃的表观密度先减小后增大,而产生的泡径一直增大,这是由于发泡过程是发泡时间比较短时,发泡不够充分,产生气泡泡径较小,表观密度也比较大;当发泡时间较长时,碳酸钙分解气体比较多,气泡内压力逐渐增大,从而突破微晶泡沫玻璃液相的包裹束缚,形成较大的气孔甚至连通的气孔,影响试样的性能。另外发泡时间过久,微晶泡沫玻璃析出的晶体较多,表观密度也会增大。因此,本试验发泡时间为20min。
2.5 微晶泡沫玻璃的性能及物相分析
以表3配合比配料,加入4.5%的碳酸钙为发泡剂,5%的Na3PO4为稳泡剂,发泡温度为1000℃,发泡时间为20min,根据1.2所述实验方法制备出微晶泡沫玻璃试样,其主要的技术性能如表8所示。
将微晶泡沫玻璃试样烘干,粉磨至通过200目方孔筛。采用D/max-IIIA型全自动X射线衍射仪测定微晶泡沫玻璃的晶相,结果如图4所示。
图4为微晶泡沫玻璃试样的XRD分析图谱,可以看出,经热处理工艺后,基础玻璃已经转化为微晶泡沫玻璃,其主晶相为β-硅灰石(β-Ca Si O3),次晶相为辉石(Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6)和钙长石(Ca Al2Si2O8)。
3 结论
(1)以煤粉炉渣为主要原料通粉末法烧成技术制备微晶泡沫玻璃技术上可行的,可以提高煤粉炉渣的利用率,为生产微晶泡沫玻璃寻找到新的原料来源。经过大量实验发现,煤粉炉渣添加量为质量分数70%,发泡剂碳酸钙掺入量为4.5%,稳泡剂磷酸钠的掺入量为5%,发泡温度为1000℃,发泡时间为20min时,可制备出性能优良的微晶泡沫玻璃。
(2)XRD研究表明,利用煤粉炉渣制备出微晶泡沫玻璃样品的主晶相为β-硅灰石(β-Ca Si O3),次晶相为辉石(Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6)和钙长石(Ca Al2Si2O8)。
参考文献
[1]苏达根,陆金驰.煤粉炉渣蒸压硅酸盐制品研究[J].粉煤灰综合利用,2004,(5):28-30
[2]陆金驰,陈智.熔融法制备煤粉炉渣微晶玻璃的研究[J].中国陶瓷,2010,46(12):33-35
[3]M.I.Ryshchenko,L.A.Mikheenko.Integrated Studyof Phase Composition and Structure of Porous GlassCeramics[J].Glass and Ceramics,2003,60(5-6):168-170
[4]王晴,涂欣等.硼硅酸盐微晶泡沫玻璃耐酸性研究[J].中国陶瓷.2011,47(3):44-46
[5]朱凯华,陆雷,陈莹等.热处理制度对微晶泡沫玻璃性能的影响[J].中国陶瓷,2012,48(4):47-49
[6]冯宗玉,薛向欣,李勇.利用油页岩渣制备微晶泡沫玻璃的研究[J].材料导报,2008,22(3):131-133
[7]Spiridonovl Yu A.Problems of Foam GlassProduction[J].Glass and Ceramics,2003,60(9/10):313-314
[8]高淑雅.利用废玻璃制备微晶泡沫玻璃[J].陕西科技大学学报,2005,23(6):61-64
[9]吴义军,陈克荣.泡沫玻璃与微晶泡沫玻璃的研制[J].江苏建材,2003,(2):9-10
泡沫玻璃 篇7
微晶泡沫玻璃是一种性能优良的隔热、吸声、防潮、防火、轻质高强的新型环保建筑材料, 具有机械强度高、导热系数小、热工性能稳定、不燃烧、不变形、使用寿命长、工作温度范围宽、耐蚀性强、无放射性、易加工等优点, 同时解决了泡沫玻璃机械强度不高和微晶玻璃造价过高的问题[1]。
在过去数十年里, 世界上已经发生了多次恐怖分子对一些国家政府建筑物的袭击事件, 这一切进一步强调了迫切需要开发和制造能够承受汽车炸弹爆炸和其它类似恐怖袭击所产生冲击波的建筑材料[2]。本文以废阴极射线管颈玻璃和氧化铅为主要原料, 加入一定量的碳化硅、三氧化二铁、氧化铋, 采用烧结法制备出可以吸收冲击波的高密度泡沫玻璃。研究了发泡保温时间、Pb O含量等对高密度泡沫玻璃性能的影响。
1 试验
1.1 原料及配比
(1) 高密度泡沫玻璃的主要原料
废阴极射线管颈玻璃:Pb O3含量2%, 陕西咸阳彩虹集团;氧化铅、氟化铅、碳化硅:化学纯;三氧化二铁、氧化铋:化学纯。
(2) 高密度泡沫玻璃的配比 (见表1)
%
1.2 试验过程
首先将阴极射线管颈玻璃粉碎, 经洗涤烘干后球磨 (过200目筛) , 然后按表1的配比配料, 将配好的原料放入球磨罐中磨15 min后, 过100目筛形成配合料, 再将配合料在10MPa的压力下进行干压成型, 最后将压制的试样放入马弗炉中按图1的升温曲线升温。图1中, 从A到D的升温速率逐渐增大, DE段为发泡保温阶段, FG段为退火保温阶段, GH段为缓慢退火阶段。其中, 各试样的发泡温度采用文献[2]的方法进行确定。
1.3 测试
用JXD-Ⅱ读数显微镜测量试样的泡径;用排水法测试试样的表观密度;用PT-1036PC万能材料试验机测试试样的抗折和抗压强度;用日本理学D/max2200PC X-射线仪确定试样中析出晶相的种类;用KYKY1000B型扫描电镜观察试样的表面形貌及气孔的分布。
2 结果与讨论
2.1 发泡保温时间对泡径的影响
试验中发现, 在发泡温度一定的条件下, 保温时间对试样泡径有明显的影响。图2为废玻璃加入量70%、发泡温度800℃下试样泡径随保温时间的变化曲线。
由图2可以看出, 随保温时间的延长, 泡径逐渐增大。其中, 保温10 min时, 泡径在0.35 mm左右, 且存在大量0.1 mm的小气孔, 试样密度大。保温时间在20~30 min时, 泡径在1~2 mm;保温40~50 min时, 泡径大于3 mm, 且密度比保温20~30 min的小。另外, 从锯开的截面可以清楚地看到, 当保温40~50 min时, 试样底部有个别大气孔, 而试样上部的气孔较小。这是因为, 在一般情况下, 气体的热膨胀系数比固体的大, 同时, 试样底部温度较表面高, 气孔长大速度较快, 随着气孔的长大, 试样的导热性能越来越差, 试样上部与下部的温差也越大, 所以试样下部会产生个别大气孔。
2.2 Pb O对发泡温度的影响
Pb O是一种密度较大的金属氧化物, 室温下其密度为9.375 g/cm3, 且形成玻璃的温度较低。试样中加入5%~30%的Pb O后, 发泡温度出现了不同程度的变化 (见图3) 。
由图3可以看出, 试样的发泡温度随Pb O加入量的增加而逐渐降低。当加入30%的Pb O时, 发泡温度降至800℃。这是因为室温下, Pb O的熔点为886℃, 沸点为1470℃;同时, 试样中加入了Pb F2、Bi2O3等熔点较低的物质, 在高温下易与Pb O形成低共熔物, 且随加入量的增加, 形成低共熔物的量越多, 因而发泡温度也越低。
2.3 Pb O对密度的影响
高密度的多孔材料有利于充分吸收爆炸时产生的冲击波。试验中通过在试样中加入一定量密度较高的Pb O制备出了高密度的泡沫玻璃。图4为加入Pb O与试样密度的关系曲线 (密度在试样平均泡径为1 mm时测量) 。
由图4可以看出, 试样的密度随Pb O加入量的增加逐渐增大, 且加入量越多, 增大幅度越大。这是因为当试样质量一定时, Pb O的用量增加, 废玻璃的用量将减少, 而Pb O的密度远大于废玻璃的密度, 因此, 试样密度随Pb O加入量的增加而大幅度提高。当Pb O加入量为30%时, 试样的密度为2.47g/cm3。
2.4 Pb O对力学性能的影响
吸收破坏性冲击波的材料, 不但要有高的密度, 高的气孔率, 而且必须具有良好的力学性能。图5为Pb O加入量与试样抗折和抗压强度的关系曲线 (强度是在试样平均泡径为1mm时测量) 。图6为高密度泡沫玻璃的XRD图。
由图5可以看出, 高密度泡沫玻璃的抗折和抗压强度随Pb O用量增加逐渐增大。这是由于试样在发泡过程中产生了大量高强度的晶体, 且随Pb O用量增加产生晶体的量也增加致。由图6可以看出, 加入20%Pb O, 在发泡温度为810℃下, 保温30 min, 试样中产生了3种晶体:Pb Fe O2F、Pb和Pb O。这是由于试样在发泡烧结过程中进行了如下反应:
试样中析出晶体后, 当受到外力作用时, 试样中产生的应力传递就不能走直线路径, 而必须绕过结晶颗粒迂回前进, 从而使裂纹的发展路径变长, 这一过程中应力往往会被吸收, 使材料的断裂韧性提高[1,3]。泡沫玻璃中析出的铅及其化合物可以长期稳定地存在于高密度泡沫玻璃中, 不会对环境造成污染[4]。
图7为高密度泡沫玻璃的SEM照片。
从图7可以看出, 试样中的气泡大都为开口气孔, 并且分布均匀[见图7 (a) ];另外在泡壁上均匀生长有大量的针状晶体, 其中部分晶体生长在较小的泡孔中[见图7 (b) ], 填充了泡孔, 因此试样的力学性能较好。另外, 所制备的高密度泡沫玻璃可以与水泥、钢筋或其它高强度建筑材料结合, 用在恐怖袭击高危险区建筑物内部和外部的立面, 具有刚性结构的优点, 当面临冲击破坏时, 该材料可以吸收大部分具有破坏性的能量。
3 结语
(1) 所制备的高密度泡沫玻璃随Pb O加入量的增加, 发泡温度逐渐降低, 密度及强度逐渐增大。
(2) Pb O加入量为20%时, 在发泡温度810℃下保温30min, 试样中产生了Pb Fe O2F、Pb、Pb O等3种针状晶体, 使高密度泡沫玻璃力学性能提高。
摘要：以废阴极射线管颈玻璃和氧化铅为主要原料, 加入一定量的碳化硅、氟化铅、三氧化二铁、氧化铋, 采用烧结法制备高密度泡沫玻璃。通过XRD、SEM等对泡沫玻璃的性能进行了研究。结果表明, 发泡温度越高, 制品密度越小;随PbO加入量的增加, 发泡温度逐渐降低, 制品密度和强度逐渐增大。试样在发泡温度810℃下保温30 min, 产生了PbFeO2F、Pb、PbO等3种针状晶体, 试样力学性能提高。
关键词：泡沫玻璃,高密度,冲击波
参考文献
[1]郭宏伟, 高档妮, 高淑雅.微晶泡沫玻璃的研制及性能研究[J].新型建筑材料, 2005 (9) :48-50.
[2]高淑雅, 郭宏伟, 刘新年.一种测定泡沫玻璃发泡温度的装置:中国, CN201152787Y[P].2008-11-19.
[3]西北轻工业学院.玻璃工艺学[M].北京:轻工业工业出版社, 1982:45-63.