低密度泡沫玻璃制備及影響因素研究

0引言泡沫玻璃是以碎玻璃為主要原料，配以一定含量的發(fā)泡劑、促進(jìn)劑、穩(wěn)泡劑和助溶劑等，經(jīng)破碎、篩分、裝模、燒結(jié)、發(fā)泡、退火等工藝流程制備而成的多孔輕質(zhì)玻璃材料。性能良好的泡沫玻璃孔隙率為80%～95%，氣泡尺寸0.5～3mm，且分布均勻；根據(jù)原料、制備工藝和使用領(lǐng)域不同，其表觀密度通常為120～1000kg/m3，具有輕質(zhì)、絕熱、比強(qiáng)度高等特點。泡沫玻璃根據(jù)氣泡的連通與否，可分為閉孔泡沫玻璃和開孔泡沫玻璃。熱量的傳輸依賴于傳導(dǎo)，在0℃普通鈉鈣硅玻璃的熱導(dǎo)率約為0.93W/（m·K），而空氣的熱導(dǎo)率為0.024W/（m·K），通過在玻璃基質(zhì)中引入大量閉孔氣泡，使得以傳導(dǎo)方式進(jìn)行的熱傳輸效率大大降低，因此，閉孔泡沫玻璃通常用作保溫隔熱材料，廣泛用于建筑節(jié)能、化工保溫保冷等領(lǐng)域。2017年我國人均住房面積已達(dá)40.8m2，而目前全國建筑全生命期碳排放總量占全國碳排放的比重達(dá)到51.3%，泡沫玻璃作為A級不燃綠色墻體保溫材料潛在市場巨大。然而采用工業(yè)廢料所得微晶玻璃表觀密度較大，一般大于300kg/m3，難以在高層建筑等對密度要求較高的情況下使用。本文以降低泡沫玻璃的表觀密度為目的，采用廢棄普通鈉鈣硅玻璃為原料，通過調(diào)整發(fā)泡劑含量、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間、穩(wěn)泡溫度等工藝參數(shù)，研究上述因素對獲得低密度泡沫玻璃的影響規(guī)律。1實驗過程所用原料主要有鈉鈣硅玻璃、發(fā)泡劑碳黑、助溶劑硼酸或硼砂等。鈉鈣硅玻璃的化學(xué)組成如表1所示。表1鈉鈣硅玻璃化學(xué)組成2結(jié)果與討論（1）發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間對表觀密度的影響首先研究發(fā)泡溫度和發(fā)泡時間對泡沫玻璃表觀密度的影響，所用原料粉末組成為0.2%碳黑、3%硼酸、0.5%其他添加劑，其余為玻璃粉。發(fā)泡溫度和發(fā)泡時間如表2所示。表2發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間發(fā)泡溫度主要考察820℃和860℃兩個溫度點。若發(fā)泡溫度太低，達(dá)不到充分發(fā)泡的目的；溫度太高，玻璃黏度過小，產(chǎn)生的氣體容易溢出，導(dǎo)致氣泡坍塌，孔隙率降低。發(fā)泡保溫時間定為30min、60min和90min。所得結(jié)果如圖1所示。保溫時間為30min時，820℃和860℃對應(yīng)的表觀密度分別為505kg/m3和389kg/m3。較高的發(fā)泡溫度下，玻璃黏度低，碳黑燃燒產(chǎn)生的氣體更易于促進(jìn)氣泡體積變大，因而泡沫玻璃的表觀密度變小。而在同樣的發(fā)泡溫度下，隨著發(fā)泡保溫時間從30min到60min、90min，對應(yīng)的樣品表觀密度分別為389kg/m3、362kg/m3和309kg/m3。這是因為隨著發(fā)泡時間延長，所加發(fā)泡劑碳黑得到充分燃燒，產(chǎn)生更多的氣體。圖2為樣品B和D的照片，隨著碳黑充分燃燒，樣品顏色變淺。圖1樣品A、B、C、D的密度圖2樣品B、D的照片（2）發(fā)泡劑含量改變發(fā)泡劑碳黑的含量，研究其對發(fā)泡后樣品表觀密度的影響規(guī)律。實驗條件：發(fā)泡溫度860℃、發(fā)泡時間90min、穩(wěn)泡溫度600℃、穩(wěn)泡時間30min。發(fā)泡劑碳黑的含量分別為0.2%、0.3%、0.4%和0.5%。隨著碳黑含量升高，樣品表觀密度分別為309、177、173和209kg/m3。隨著碳黑增多，產(chǎn)生的氣體變多，使玻璃充分發(fā)泡；從0.2%增至0.3%，密度明顯減??；而從0.3%增至0.4%，密度變化不大；增至0.5%，密度反而變大。通過觀察碳黑含量為0.4%和0.5%的樣品，發(fā)現(xiàn)后者氣孔尺寸稍大于前者，但樣品呈現(xiàn)大的裂縫，氣孔之間處于連通狀態(tài)；后者產(chǎn)生較多的氣體，氣泡壁變薄、破裂，氣體通過裂縫逸出，從而造成氣泡坍塌，這是發(fā)泡劑含量變大后密度反而增加的主要原因。較適宜的碳黑含量應(yīng)為0.4%。（3）穩(wěn)泡溫度對表觀密度的影響為了使發(fā)泡溫度下氣泡的形狀和尺寸得以保持，需要快速冷卻使其固化；但快速冷卻會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致樣品強(qiáng)度下降；為了解決這一矛盾，通常采用把泡沫玻璃快速冷卻至一定溫度下，然后保溫一定時間進(jìn)行退火以消除應(yīng)力，這一溫度即為穩(wěn)泡溫度。發(fā)泡溫度和時間分別為860℃和90min，碳黑含量為0.4%；圖3中的穩(wěn)泡溫度從高到低依次為650℃、600℃、550℃、520℃、500℃和450℃，保溫30min，其所得表觀密度分別為180、173、171、164、160kg/m3和145kg/m3。圖3密度與穩(wěn)泡溫度之間的關(guān)系由圖3可知，隨著穩(wěn)泡溫度的降低，樣品表觀密度逐漸降低；退火溫度越低，泡沫玻璃固化的越徹底，因此更好地保留了高溫時的氣泡尺寸；但退火溫度太低會導(dǎo)致應(yīng)力過大，力學(xué)強(qiáng)度降低。所用鈉鈣硅玻璃的最高退火溫度為538℃，玻璃的實際退火溫度通常低于最高退火溫度20～30℃；從實驗結(jié)果可知，本實驗較適宜的穩(wěn)泡溫度范圍為450～520℃，所得泡沫玻璃的表觀密度低于170kg/m3，且隨退火溫度降低而下降。（4）助溶劑硼酸、硼砂對表觀密度的影響選用硼酸（H3BO3）或硼砂（Na2B4O7·10H2O）作為助溶劑，研究了兩者的摻入量對泡沫玻璃表觀密度的影響。根據(jù)前文實驗結(jié)果，實驗條件設(shè)定為發(fā)泡劑含量0.4%、發(fā)泡溫度860℃、發(fā)泡時間90min、穩(wěn)泡溫度450℃、穩(wěn)泡時間30min。硼酸或硼砂的摻入量及所得結(jié)果如表3所示。表3硼酸、硼砂含量對表觀密度的影響在含量為0～6%范圍內(nèi)，隨著硼酸增加，表觀密度先減少后增加；隨著硼砂含量的增加，表觀密度單調(diào)下降；而摻入6%硼酸和3%硼砂的樣品表觀密度與只摻入6%硼酸的樣品表觀密度相差不多。從結(jié)果可知，硼酸在其含量為0～3%范圍內(nèi)對減小樣品表觀密度作用明顯，之后則表觀密度上升；而硼砂在其含量大于3%時對減小樣品表觀密度作用明顯。助溶劑含量對晶相的影響見圖4。

圖4助溶劑含量對晶相的影響從圖4可知，泡沫玻璃中的析晶相主要為石英、鱗石英和鈣長石。隨著硼酸含量的增加，晶相種類和衍射峰的強(qiáng)度沒有明顯變化。而添加硼砂的泡沫玻璃XRD顯示，隨著其含量的增加，衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，結(jié)晶相含量減少，說明硼砂的加入對析晶起到抑制作用。硼酸和硼砂均起到助熔的作用，但前者在加熱過程中于180℃時失去結(jié)晶水，分解為B2O3，B2O3于450℃熔化，出現(xiàn)液相；而硼砂熔點為880℃；即在相同溫度下，含有硼酸的玻璃粉體的黏度比含有硼砂的玻璃粉體小，有利于晶體相的析出。由于黏度較低，有利于氣體發(fā)泡，因此硼酸作為助溶劑的泡沫玻璃具有更低的表觀密度；但隨著硼酸含量增加，黏度愈小，導(dǎo)致氣體溢出，氣泡坍塌，密度反而變大。（5）抗壓強(qiáng)度和吸水率根據(jù)（4）中設(shè)定的實驗條件，考察表3中各個樣品的抗壓強(qiáng)度，1#～6#樣品抗壓強(qiáng)度分別為1.21、0.82、1.45、0.67、1.58和1.40MPa。如2.4所述，隨著硼酸含量增加，結(jié)晶體發(fā)育更加完整，晶粒尺寸更大，當(dāng)晶粒尺寸與孔壁尺寸相當(dāng)時，晶粒與玻璃基體之間的界面貫穿孔壁，在力作用下形成裂紋，所以2#和4#樣品抗壓強(qiáng)度較低；以硼砂為助溶劑時，隨著硼砂增加，衍射峰減弱，晶粒尺寸變小，晶粒在泡沫玻璃孔壁之中起到顆粒彌散增強(qiáng)作用，氣孔均為封閉氣孔，因此3#和5#樣品在保持較低表觀密度的情況下仍保持一定的抗壓強(qiáng)度。3結(jié)論本文以普通鈉鈣硅和碳黑為原料制備低密度泡沫玻璃，研究了發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間、穩(wěn)泡溫度、發(fā)泡劑含量及助溶劑種類和含量等因素對泡沫玻璃密度的影響規(guī)律，并對玻璃中的結(jié)晶相進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：較適宜的工藝參數(shù)為發(fā)泡溫度860℃、發(fā)泡時間90mi