文章编号;1006-2874(2000)02-0004-04利用废玻璃研制泡沫玻璃李月明李华邹卓辰(景德镇陶瓷学院,333001)摘要利用回收的废玻璃为泡沫玻璃的主要原料,添加少量的发泡剂和一些其它化工原料,采用低温(760~810)发泡工艺,探讨了配合料的配方组成和不同的发泡工艺制度对泡沫玻璃性能的影响,通过比较,得出了合理的泡沫玻璃的配方及发泡工艺制度;试制出的泡沫玻璃具有容重低,抗压强度大,烧成周期短,易于控制的特点。关键词废玻璃,泡沫玻璃,发泡工艺中图分类号:TQ171.7文献标识码:B1前言泡沫玻璃是指玻璃体内充满无数开口或闭口气泡的一种玻璃材料,该种玻璃气孔直径大约0.5~5mm,具有良好的隔热、吸声、难燃等特点,是一种优良的低温超低温保冷、隔热和隔音材料。泡沫玻璃作为一种新型的轻质无机绝热材料,广泛应用于石油、化工、电子、冶金等部门的热力管线、反应罐、储油罐、地下输油管线的保温,冷藏工业的制冷等设施之上,也可作为寒冷地区的保温墙体材料,是一种具有广泛应用价值的节能材料。近年来,由于社会消费能力的提高,不可避免地产生废玻璃,这些废玻璃难以自然腐烂,它的堆积不仅污染环境,也会占用大量的农田,造成资源的浪费,利用这些废玻璃制造泡沫玻璃,可以降低泡沫玻璃的生产成本,保护环境,变废为宝,具有广泛的经济效益和社会效益。2实验2.1泡沫玻璃的原料采用废平板玻璃和废瓶罐玻璃作为主要原料,它们的化学组成见表1。以木炭粉,煤粉,焦炭为发泡剂,其它原料采用化工原料,如硝酸钠,氧化铁,硼砂,氟硅酸钠均为工业纯。泡沫玻璃的配合料一般采用干磨进行混合,由于干磨粉碎效率较低,主要只起混合作用,因而各种原料在配料之前应进行细碎,废玻璃的细度控制在0.2~0.06mm,发泡剂细度越细越好,有利于发泡及泡沫的稳定,其它原料均要求过80目筛。表1废玻璃的化学组成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2O+Na2O废平板玻璃70-722.0-2.50.1-0.27.0-7.53.5-4.014.0-15.0废瓶罐玻璃66-683.6-5.80.5-0.76.6-8.52.2-2.315.0-15.7表2配方过程的因素水平表因素水平发泡剂(木炭、煤粉或焦炭)NaNO3Fe2O3硼砂Na2SiF610.2063120.3245230.5427340.76094收稿日期:1999-9-30作者简介:李月明,男,36岁,副教授中国陶瓷工业2000年6月第7卷第2期CHINACERAMICINDUSTRYJune.2000Vol.7,No.22.2泡沫玻璃的配方确定以废玻璃100份,其它原料外加。由于影响因素较多,采用正交法进行试验,其因素水平见表2。选择正交表L16(45),采用发泡工艺制度为:室温-300,5/min;300-790,15/min;790,保温30分钟;790-560,快冷;560,保温30分钟;560-室温,慢冷。通过分析并验证最佳的配方:废玻璃100,发泡剂0.5,NaNO34,Fe2O32,硼砂7,氟硅酸钠4。2.3发泡工艺制度的确定以上述最佳配方为基础,采用正交法确定发泡工艺参数,其因素水平见表3。其中从室温-300为低温预热阶段,最高温度至退火温度为快速冷却阶段,退火温度及保温时间,退火后冷却至室温为慢冷阶段,这几个因素均为固定水平。采用正交表L9(34),通过分析得出最佳发泡工艺制度:V1为10/分,V2为15/分,发泡温度T发为810,保温时间t为30分钟。2.4性能测试经过确定的最优配方组成经最优发泡工艺后的泡沫玻璃,测定其性能,并与其他泡沫玻璃性能比较列于表4。3分析讨论3.1泡沫玻璃的发泡机理泡沫玻璃是在玻璃粉中加适量的发泡剂和其他的添加剂表3发泡工艺过程因素-水平表因素水平发泡温度T发()保温时间t(分)300-680升温速度V1(/分)680T发升温速度V2(/分)17703010527902015103810402015表4泡沫玻璃的性能及国外产品的性能性能单位本产品美国日本德国容重g/cm30.30.20.150.16抗压强度MPa1.00.160.690.98导热系数W/m.k0.2(212)0.058(10)0.052(常温)0.052(20)热膨胀系数10-6/8.67.08.0
图1不同的发泡剂与容重的关系图2NaNO3加入量对性能的影响52000年第2期中国陶瓷工业经加热熔融,经过一系列物理化学变化而形成的。这个变化过程是一种气相、液相和固相之间的动态平稳过程,当发泡剂碳与空气中和其它添加剂放出的氧气发生化学反应(C+O2CO2)生成大量的气体,其他物质如NaNO3在加热后分解(NaNO3Na2O+N2+O2)也放出气体,这些气体均匀地分布于玻璃液相中,形成泡沫结构,这种泡沫结构与玻璃液的粘度和表面张力有关,它们能够在气-液界面上尽可能形成薄膜并将气体包住而形成气泡。因而适当的玻璃粘度和表面张力是非常重要的条件,这不仅取决于玻璃的化学组成、发泡剂、助熔剂等添加剂的种类和性能,而且取决于发泡工艺制度。3.2配方组成对泡沫玻璃的影响(1)发泡剂的种类和用量本研究采用三种发泡剂:木炭粉、煤粉和焦炭粉,它们的用量及对泡沫玻璃容重的影响见图1。三种发泡剂的燃点各不相同(木炭为320-400,煤粉为360-450,焦炭为440-600)。不难理解,在发泡剂用量较低时,使用木炭作发泡剂的泡沫玻璃容重较高。由于其熔点低,在低温下燃去较多,能作为泡沫玻璃的气体相对较少,当发泡剂的用量较多时,这大量的气体将增加气泡内压力,使气泡突破原来的独立泡壁结构而聚集成大气团,形成了不均匀的气孔结构,在制品表层附近形成相互连通的大气孔并容易破裂,因而容重增加,发泡质量下降。因此适量的发泡剂是形成均匀泡沫结构的重要条件。(2)硝酸钠的影响硝酸钠在加热过程中能够分解释放出气体(4NaNO33502Na2O+2N2+3O2),这些气体不仅提供了发泡剂燃烧所需的氧气,而且本身产生的气体N2也可形成气泡,另一方面,硝酸钠具有较低的熔点(318),因而在玻璃粉熔融过程中起助熔作用。实验过程中,采用不同的添加量考察其对泡沫玻璃发泡质量的影响,从图2中可以发现,NaNO3的用量有一较佳的用量,因为用量少时产生的气体量不够,性能较差,而用量较多时,NaNO3的助熔作用起着重要的影响,它使玻璃粘度下降,表面张力增加,同样使泡沫玻璃的性能下降。(3)三氧化二铁的影响本研究引入Fe2O3作为添加剂是基于以下原因:Fe2O3在熔融状态的玻璃中可以大大增加玻璃的表面张力,有利于稳定气泡和控制泡径;Fe2O3的加入可以提高泡沫玻璃的抗压强度;Fe2O3能够与硼砂和Na2SiF6反应生成气态物质,可充当发泡剂的作用。Fe2O3的用量为2%左右,低于这一值时,熔体粘度、表面张力均较低,玻璃液中的气体大量溢出,产生细小的气泡,发泡不充分,容重较大,但用量较多时,玻璃表面张力过高,容易形成大气泡和不均匀的泡沫结构,泡沫玻璃性能较差。实验过程中发现,当采用瓶罐玻璃时,由于本身含铁量较高,可以不加入Fe2O3或加入量很少时,就可以满足要求。(4)硼砂的影响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。(5)氟硅酸钠的影响氟硅酸钠加热分解Na2SiF62NaF+SiF4,它具有较强的降低玻璃表面张力的作用,氧化物与玻璃中的铁等会形成FeF3气体,也具有发泡剂的作用。如图3所示,随着Na2SiF6用量的增加,泡沫玻璃的性能呈上升趋势,当用量较少时,生成的气态物质量较少,而其降低粘度和表面张力作用很显著,因而具有发泡效果,但性能略差。随着加入量的增加,生成气体量增多,粘度和表面张力的继续降低有利于气体的聚合和成长,泡沫玻璃质量迅速上升;当用量较多时,气体量多,粘度和表面张力迅速下降,使得泡径过大,发泡不均匀,质量下降。
图3Na2SiF6的加入量对性能的影响3.3烧成过程中各因素对泡沫玻璃的影响(1)低温预热本研究从室温至300,采用5/分的升温速度,对配合料进行预热。由于所用原料为粉状且自然堆积在模具内,其导热性能较差,若直接进行快速升温会造成表面碳的氧化和表层玻璃粉过早地熔融,造成配合料内外层温差过大,发泡不均匀,故必须在发泡剂的燃点以下进行预热。(2)300-680温度区间升温速度V1在300-680温度区间,由于玻璃的软化温度大于680,而此温度范围碳要氧化,NaNO3会分解,它们产生的气体很容易从粉状的玻璃粉间隙排出,减少了发泡的气体,发泡效果不好,因此,这一阶段的升温控制极为重要。从正交分析结果(图4)可以看出,升温速度V1从10/分升至20/分时,性能呈下降趋势,原因是升温速度过大,由于粉料传热能力差,表里温度相差较大,可能造成表面已玻化,内部尚未烧结,甚至表层发泡,中间烧结现象,所以性能会下降。6中国陶瓷工业2000年第2期(3)680发泡温度区间升温速度V2此区间温度范围内,玻璃粉熔融产生液相并膨胀,是获得预期性能的重要阶段。图5可以看出,升温速度越快越好,若此阶段升温速度小,分解或反应产生的气体易挥发出去,快速升温可将气体包裹在熔融玻璃液内部,产生泡沫体。(4)发泡温度与发泡时间合理的发泡温度与发泡时间是制得性能优异的泡沫玻璃的关键,图6、图7表明,温度越高,性能越好。这是由于在770-810温度范围内,粘度下降,而表面张力则基本不变,所以性能会变好,但随着温度继续升高,粘度下降较大时不能包裹住气体,因而性能下降;发泡时间是指发泡温度下的保温时间,一定的保温时间可保证制品内外温度均匀,发泡充分,发泡时间过短或过长,均会使泡沫结构不均匀,因此,本实验采用810下保温30分钟。(5)降温及退火当发泡完善后,迅速冷却,目的是稳定发泡体,温度降至580后,进入退火状态,保温30分钟,随后缓慢冷却,这样可消除泡沫玻璃内的残余应力,保证制品具有一定的机械强度。
图4升温速度V1对性能的影响图5升温速度V2对性能的影响
图6发泡温度对性能的影响图7发泡时间对性能的影响4结论(1)利用回收的废旧平板玻璃和瓶罐玻璃,选择合适的发泡剂和其它的添加剂可以制得泡沫玻璃。(2)所研制的泡沫玻璃具有低容重(0.3g/cm3),抗压强度高(1MPa),导热系数低(0.2w/m.k,200)的特点。合理的发泡工艺制度是制取泡沫玻璃的关键,本实验采用了如下的烧成制度:室温300,升温速度5/分;300-680,升温速度10/分;680-810,升温速度15/分,在810下保温30分钟,而后快速冷却至560后保温退火30分钟,缓慢冷却至室温,这种低温发泡工艺节省能源,降低成本。参考文献1张久宜等.用工业废渣玻璃研制泡沫玻璃.山东陶瓷,1994.17(4)2徐海龙.用废玻璃生产泡沫玻璃.中国建材,1997.93S.B.Joshi.USPat419266419804C.Wastefeld.USPat4178163,19795J.D.Kirkpatrick.USPat4143202,19798西北轻工业学院.玻璃工艺学.北京:轻工业出版社,19827作花济夫等.玻璃手册.北京:中国建筑材料工业出版社,1990(下转第11页)72000年第2期中国陶瓷工业