泡沫玻璃發(fā)泡劑的差熱分析與實驗研究

泡沫玻璃發(fā)泡劑的差熱分析與實驗研究

1發(fā)泡劑進行化學反應生成氣體的影響泡沫玻璃也稱為多孔玻璃。首先，由于有玻璃基質(zhì)，它不吸收、不燃燒、防水、耐蟲、機械強度高。其次，由于其含有許多均勻的小直徑孔，直徑通常為0.5.5mm，具有低主導系數(shù)和良好的隔聲性。優(yōu)良的抗壓強度與隔熱、隔音、阻濕性能相結合,使泡沫玻璃在各種建筑物、管道、設備、地下設施方面用作保溫隔熱材料和隔音材料。泡沫玻璃是在玻璃配合料中加入適量發(fā)泡劑如碳酸鈣、碳黑、碳酸鈉等,當玻璃配合料坯體被加熱到軟化溫度時,加入的發(fā)泡劑由于發(fā)生化學反應生成一定量氣體:CaCO3→△CaO+CO2CaCΟ3→△CaΟ+CΟ2C+O2→△CO2C+Ο2→△CΟ2SiO2+Na2CO3→△Na2SiO3+CO2SiΟ2+Νa2CΟ3→△Νa2SiΟ3+CΟ2發(fā)泡劑進行化學反應,剛開始時生成的氣體量少,在軟化的玻璃配合料坯體中只能形成少量氣泡;隨著反應不斷進行,生成的氣體量不斷增加,在軟化的玻璃配合料坯體中形成大量氣泡,使配合料坯體體積不斷膨脹,冷卻后即形成多孔玻璃。在軟化的玻璃配合料坯體中能否形成氣孔結構,取決于:①發(fā)泡劑分解或進行化學反應生成氣體的溫度能否與玻璃配合料坯體軟化溫度相匹配;②在軟化的玻璃配合料坯體中所形成的氣孔結構是否穩(wěn)定;③玻璃配合料坯體軟化時間的長短、軟化溫度的高低及坯體中所形成的氣孔結構的塑性強度。為了得到優(yōu)良的粉煤灰泡沫玻璃,應當選擇合適的發(fā)泡劑及適宜的摻量,并控制好玻璃配合料坯體的發(fā)泡溫度與燒結溫度。為此,(1)應使玻璃配合料坯體軟化溫度與發(fā)泡劑生成氣體的溫度相匹配;(2)使玻璃配合料坯體內(nèi)能形成均勻分布的封閉氣孔;(3)玻璃配合料坯體內(nèi)所形成的氣孔結構應具有一定的塑性強度。發(fā)泡劑的種類、摻量、細度等對開始生成氣體的溫度、氣體量及氣體持續(xù)時間的長短均有影響,為獲得這些最佳參數(shù),對發(fā)泡劑進行較系統(tǒng)的研究具有重要意義。2主要原材料和實驗方法2.1主要原材料試驗用主要原材料包括粉煤灰渣、廢玻璃、發(fā)泡劑、白云石、碳黑、碳酸鈣。其化學組成示于表1。2.2dsc或dtg和tg差熱分析稱取一定量粉磨至一定細度的不同發(fā)泡劑及玻璃粉體,采用差熱分析法測定DSC(或DTA)和TG,根據(jù)DSC(或DTA)和TG差熱分析曲線確定不同發(fā)泡劑開始生成氣體時的溫度、生成最大量氣體時的溫度以及生成氣體的持續(xù)時間及玻璃的軟化溫度等。3影響最大氣體生產(chǎn)溫度的因素研究3.1碳酸鈉氣體溫度選用石灰石、碳黑、白云石、碳酸鈉作為粉煤灰泡沫玻璃的發(fā)泡劑,并對這些發(fā)泡劑進行差熱分析,結果示于圖1~4。從圖1~4可以看出:石灰石開始生成氣體的溫度為700℃~760℃,生成最大氣體量的溫度為900℃~940℃;白云石開始生成氣體的溫度為760℃,其中碳酸鎂分解生成最大氣體的溫度為800℃,碳酸鈣分解生成最大氣體量的溫度為900℃;碳黑開始生成氣體的溫度為500℃,到800℃左右生成二氧化碳的速度加速,在1000℃范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)最大氣體量生成的溫度;碳酸鈉由于化學反應開始生成氣體的溫度為720℃,生成最大氣體的溫度為860℃。實驗結果表明,石灰石、白云石、碳黑等發(fā)泡劑開始生成氣體的溫度、最大量氣體生成的溫度及氣體持續(xù)時間等均有顯著差異,應根據(jù)玻璃配合料坯體軟化溫度及與發(fā)泡劑相關的實驗數(shù)據(jù)選擇適宜的發(fā)泡劑。3.2生成最大氣體量的確定,c由于白云石與石灰石的礦物組成不同,造成白云石中碳酸鈣開始分解的溫度、最大氣體量生成時的溫度等與石灰石中碳酸鈣開始分解的溫度、最大氣體量生成時的溫度等均有顯著差異。受這一結果啟示,我們開始思考發(fā)泡劑碳酸鈣中碳酸鈣含量對開始生成氣體的溫度及生成最大氣體量時的溫度等的影響問題。為此,對分析純碳酸鈣、工業(yè)用碳酸鈣和石灰石分別進行了差熱分析,其結果示于圖5、6中。石灰石中含碳酸鈣量約85%,工業(yè)碳酸鈣中的碳酸鈣含量約90%,分析純碳酸鈣中碳酸鈣含量約99.0~99.9%。它們的碳酸鈣含量差異雖然較大,但開始生成氣體時的溫度和最大氣體量生成時的溫度都相差不大,表明發(fā)泡劑中的碳酸鈣含量對開始生成氣體時的溫度及最大氣體量生成時的溫度等影響不大,這可能是碳酸鈣開始生成氣體時的溫度及最大氣體量生成時的溫度僅取決于碳酸鈣的礦物結構,而與其碳酸鈣含量關系不大的緣故。由于石灰石中的碳酸鈣的礦物結構與工業(yè)用碳酸鈣、分析純碳酸鈣的礦物結構相同,故石灰石、工業(yè)用碳酸鈣和分析純碳酸鈣開始生成氣體時的溫度與最大氣體量生成時的溫度基本一樣。3.3發(fā)泡劑石灰細度的影響將石灰石粉磨至不同的細度,分別進行差熱分析,其結果示于圖7、8。從中可以看出,發(fā)泡劑石灰石細度對開始生成氣體時的溫度、最大氣體量生成時的溫度等均有一定影響,這可能由于碳酸鈣顆粒越細小,其晶體結構在粉磨過程中受損越嚴重,具有晶格缺陷的顆粒越多,致使開始生成氣體時的溫度及生成最大量氣體時的溫度均向低端移動。3.4玻璃面為復合膠凝劑的研制為保證泡沫玻璃配合料坯體軟化溫度與發(fā)泡劑生成氣體時的溫度相匹配,使坯體內(nèi)形成均勻分布的封閉氣孔,必須探明碎玻璃的軟化溫度,為選擇合適的發(fā)泡劑提供依據(jù)。為此,將磨碎的平板玻璃與瓶罐玻璃按1∶1配料進行差熱分析,結果示于圖9。從圖9可知,碎玻璃的軟化溫度約為700~900℃,高于900℃時玻璃中的低共熔混合物開始熔化。3.5初始溫度對初始發(fā)酵的影響稱取細度為80目的石灰石30mg,采用不同升溫速率(10℃/分及快速升溫至1000℃)加熱,進行差熱分析,結果示于圖10、11。從中可看出,采用不同升溫速率,發(fā)泡劑碳酸鈣開始生成氣體時的溫度及生成最大氣體量時的溫度均有顯著差異。這可能與碳酸鈣熱分解過程是由五個分過程構成有關:(1)氣流向顆粒表面?zhèn)鳠?傳熱分過程);(2)分解層導熱(傳熱分過程);(3)碳酸鈣分解(化學反應分過程);(4)二氧化碳穿過分解層(傳質(zhì)分過程);(5)二氧化碳進入氣流(傳質(zhì)分過程)。當升溫速率過大時,瞬間產(chǎn)生的二氧化碳過多,不能即時穿過分解層,在分解層內(nèi)形成較大的二氧化碳分解壓,阻止碳酸鈣分解。只有不斷加大碳酸鈣分解動力,即升高碳酸鈣分解溫度,才能保證碳酸鈣完全分解,這就造成升溫速率過大時,碳酸鈣分解溫度向高端移動。3.6碳酸鈣分解過程中顆粒的溫度變化分別稱取細度為80目的碳酸鈣30mg及170mg,按10℃/分升溫進行差熱分析,結果示于圖12、13。從中可以看出,不同量的碳酸鈣開始生成氣體時的溫度及生成最大氣體量時的溫度有一定差異,這可能與上述碳酸鈣分解過程由五個分過程構成有關。用量少的碳酸鈣,由于受熱均勻,各顆粒溫度基本一致,達到一定溫度后,各顆粒均開始分解;而用量多的碳酸鈣,由于熱傳遞差異致使各顆粒受熱不均勻,有的顆粒已達到分解溫度,有的顆粒仍未達到分解溫度,需要升至更高的溫度才能達到分解溫度,致使分解溫度向高端移動。4篩余量的影響按預定實驗設計,稱取一定量的粉煤灰、碎玻璃、發(fā)泡劑,混磨至細度為篩余量(4900篩孔)小于10%,成型,按10℃/分升溫至850℃,恒溫1小時,再升溫至950℃,恒溫1小時,冷卻后的應用效果示于表2。5發(fā)泡溫度的確定用差熱分析方法分別測定了石灰石、工業(yè)用碳酸鈣、分析純碳酸鈣、碳黑、碳酸鈉、白云石等發(fā)泡劑生成氣體時的溫度、氣體持續(xù)時間及最大氣體量生成時的溫度