孔慶豐， 陳 尚， 白生杰，張雅景， 趙 靜， 劉以凡*， 劉明華（1. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116；2. 福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地，福建 福州 350116）

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以廢玻璃制備泡沫玻璃及其性能研究

孔慶豐， 陳 尚， 白生杰，張雅景， 趙 靜， 劉以凡*， 劉明華
（1. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116；2. 福建省生物質(zhì)資源化技術(shù)開發(fā)基地，福建 福州 350116）

摘 要：發(fā)泡玻璃是一種新興的隔熱、隔音材料，為了實現(xiàn)廢玻璃資源化利用，以廢玻璃為原料，以CaCO3為發(fā)泡劑、以Na3PO4作為穩(wěn)泡劑、以H3BO3作為助溶劑，經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火等過程，制備出泡沫玻璃，并研究了發(fā)泡劑含量和發(fā)泡溫度對泡沫玻璃表觀性能、隔熱性能和力學(xué)性能的影響。

關(guān)鍵詞：廢玻璃；泡沫玻璃；CaCO3；發(fā)泡溫度

廢玻璃化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難通過自然循環(huán)和簡單的物理化學(xué)方法分解和處理，因此，廢玻璃處理不當(dāng)既會造成環(huán)境污染，又會浪費大量資源[1]。

泡沫玻璃是一種以玻璃細(xì)粉為基體，通過加入一定比例的發(fā)泡劑、改性劑和促進劑等添加劑，在經(jīng)過預(yù)熱、高溫熔融、起泡、析出、退火等工藝過程之后而制成的一種無機非金屬玻璃材料[2]。它的表面往往分布著大量直徑為0.5～3.5 mm的均勻氣孔[3-4]。從用途上可以分成吸聲泡沫玻璃和絕熱泡沫玻璃等[5]。制備泡沫玻璃所需的碎玻璃的來源比較廣泛，主要包括玻璃殘次品、工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角料、玻璃殘渣以及生活垃圾中的玻璃廢棄物[6-7]。泡沫玻璃的生產(chǎn)不僅能滿足社會對玻璃的特定功能的需求，還能解決生活垃圾中碎玻璃處理的難題，具有顯著的社會和經(jīng)濟雙重效益[8]。因此，對泡沫玻璃的研究和開發(fā)就顯得十分必要。

本文旨在設(shè)計出一條利用廢玻璃制備泡沫玻璃的工藝路線，并制備出多孔泡沫玻璃，對其隔熱性能、抗壓強度、顯氣孔率、泡孔直徑和發(fā)泡效果等進行檢測，比較后確定相關(guān)的工藝參數(shù)，為廢玻璃的資源化利用提供一個行之有效的方法。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

以生活垃圾中回收的廢玻璃殘渣為起始原料、以碳酸鈣（天津市福晨化學(xué)試劑廠）作為發(fā)泡劑、以磷酸鈉（天津市福晨化學(xué)試劑廠）作為穩(wěn)泡劑、以硼酸（天津市福晨化學(xué)試劑廠）作為助溶劑，其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

SB手扳式制樣機（湘潭湘儀儀器有限公司），KSL-1700X-A2馬弗爐（天津品創(chuàng)科技發(fā)展有限公司），KM快速研磨機（湘潭湘儀儀器有限公司），8411電動震篩機（湘潭湘儀儀器有限公司）。

1.2 泡沫玻璃的制備

原料處理：將廢玻璃用球磨機粉碎成玻璃粉末（150～200目）。之后與發(fā)泡劑以及輔助添加劑按一定比例混合球磨，置入模具模壓成型。

退火處理：將混合均勻的配合料放入箱式馬弗爐內(nèi)按照一定的溫度進行預(yù)熱、燒結(jié)、發(fā)泡、退火。產(chǎn)品成型：待溫度冷卻至常溫時即可得到成型的泡沫玻璃。

1.3 產(chǎn)品性能測試方法

按照J(rèn)C/f 647-2005《泡沫玻璃絕熱制品》的規(guī)定進行泡沫玻璃的性能測試；用SK-DR300A+型導(dǎo)熱儀測定試樣的導(dǎo)熱性能；用CMT5105型萬能試驗機測定泡沫玻璃的常溫抗壓強度，將同一樣品，取3份分別測量然后求平均值；通過觀察考察泡沫玻璃發(fā)泡效果；通過選取每個樣品中最大的3個泡孔進行直徑測量來研究發(fā)泡溫度對泡孔直徑的影響；按照《陶瓷坯體顯氣孔率、體積密度測試方法》（QB/T 1642-2012）來測定泡沫玻璃的顯氣孔率。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑摻量對泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓性能的影響

在800℃的發(fā)泡溫度條件下，研究發(fā)泡劑碳酸鈣的摻量對泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著碳酸鈣摻量的增加，泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，抗壓強度也逐漸減小。摻量為0.5%時，泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度最大，分別為0.084 9 W/（m·K）和3.19 MPa；當(dāng)摻量為4.5%時，泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度最小，分別為0.064 8 W/（m·K）和1.81 MPa。說明在相同發(fā)泡溫度條件下，隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫玻璃的隔熱效果逐漸增加，強度逐漸減小。這是由于發(fā)泡溫度相同時，隨著發(fā)泡劑含量的升高，氣孔數(shù)量增多，泡沫玻璃的孔壁變薄，泡沫玻璃的抗壓強度減小[9]。

圖1 發(fā)泡劑摻量對泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的影響

圖2 發(fā)泡劑碳酸鈣摻量對泡孔直徑和氣孔率的影響

2.2 發(fā)泡劑摻量對泡沫玻璃泡孔直徑和氣孔率的影響

在800℃的發(fā)泡溫度條件下，研究發(fā)泡劑碳酸鈣摻量對泡沫玻璃的泡孔直徑和氣孔率的影響曲線，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，發(fā)泡溫度相同時，隨著碳酸鈣摻量的增加，泡沫玻璃的泡孔直徑逐漸增大，氣孔率也逐漸增大。其原因是隨著發(fā)泡劑含量的增加，分解產(chǎn)生的CO2氣體量逐漸增多，氣孔內(nèi)氣壓逐漸增大，原料混合物內(nèi)各氣孔膨脹長大的趨勢逐漸增大，微氣孔逐漸結(jié)合為大氣孔的趨勢增大，導(dǎo)致泡孔直徑不斷地增大，氣孔率也不斷增大[10]。

2.3 發(fā)泡劑摻量對泡沫玻璃發(fā)泡效果的影響

在相同發(fā)泡溫度（800℃）下，不同發(fā)泡劑摻量的發(fā)泡效果如圖3所示。隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫玻璃的孔隙逐漸明顯，孔直徑逐漸變大且趨于均勻，發(fā)泡效果越來越好。原因是隨著發(fā)泡劑含量的增加，分解產(chǎn)生的CO2氣體量逐漸增多，導(dǎo)致泡孔直徑不斷地增大，氣孔數(shù)量也增多且趨于均勻。

a. 碳酸鈣摻量0.5%；b. 碳酸鈣摻量1.0%；c. 碳酸鈣摻量1.5%；d. 碳酸鈣摻量2.0%；e. 碳酸鈣摻量2.5%；f. 碳酸鈣摻量3.0%；g. 碳酸鈣摻量3.5%；h. 碳酸鈣摻量4.0%；i. 碳酸鈣摻量4.5%圖3 不同發(fā)泡劑摻量的發(fā)泡玻璃的發(fā)泡效果

2.4 發(fā)泡溫度對泡孔直徑和顯氣孔率的影響

在4.0%的碳酸鈣摻量下，發(fā)泡溫度對泡孔直徑和顯氣孔率的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著發(fā)泡溫度的升高，泡沫玻璃表面的泡孔直徑先逐漸升高，在800℃時，其泡孔直徑最大，達到3.6 mm，然后隨著發(fā)泡溫度的繼續(xù)升高，產(chǎn)品的泡孔直徑隨之下降。這是因為隨著發(fā)泡溫度的升高，原料混合物的粘度會逐漸減小，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體被包覆在原料混合物內(nèi)受熱容易膨脹，產(chǎn)生的氣泡逐漸變大，從而泡孔直徑也就逐漸增大[11]。但是當(dāng)溫度達到一定值時，液相粘度過低，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力過高反應(yīng)十分劇烈，容易沖破原料混合物的包覆而匯集成大氣泡形成過多的通孔和大孔。隨著發(fā)泡溫度的升高，顯氣孔率隨之先增大后減小?？梢钥闯觯l(fā)泡劑含量4.0%時，發(fā)泡溫度在800℃之間顯氣孔率出現(xiàn)最大值，之后逐漸減小。這是由于溫度高導(dǎo)致表面開孔在熔融玻璃的表面張力作用下的收縮，甚至消失[12]。

2.5 發(fā)泡溫度對抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在4.0%的碳酸鈣摻量下，發(fā)泡溫度對泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著發(fā)泡溫度的升高，泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)先逐漸減小，到800℃達到最小值0.066 W/（m·K），然后隨著溫度的繼續(xù)升高，其導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加，即在相同發(fā)泡劑摻量條件下，泡沫玻璃的隔熱性能隨溫度的升高先增強后減弱，這是因為隨著溫度的升高，氣孔率先上升后下降，使得泡沫玻璃的隔熱性能先上升后下降；隨著發(fā)泡溫度的升高，抗壓強度整體呈下降趨勢，這是因為隨著發(fā)泡溫度升高，泡沫玻璃孔徑變大，孔壁變薄，導(dǎo)致泡沫玻璃抗壓強度減小，但燒結(jié)溫度過高，會導(dǎo)致原料混合物粘度過低，試樣中形成過多的大孔和通孔，其抗壓強度隨之急劇下降[13]。

圖4 發(fā)泡溫度對泡孔直徑和顯氣孔率的影響

圖5 發(fā)泡溫度對導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度的影響

3 結(jié)論

1）以生活垃圾中回收的廢玻璃殘渣為原料、以碳酸鈣作為發(fā)泡劑，加入適量的磷酸鈉作為穩(wěn)泡劑、硼酸作為助溶劑，經(jīng)過預(yù)熱、燒結(jié)、發(fā)泡、穩(wěn)泡和退火等過程可以合成制備出性能穩(wěn)定、孔徑均勻、成份均質(zhì)的多孔泡沫玻璃。

2）在相同發(fā)泡溫度條件下，隨著發(fā)泡劑碳酸鈣摻量的增加，泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，隔熱效果逐漸增加；抗壓強度逐漸減小；泡沫玻璃的泡孔直徑逐漸增大，氣孔率也逐漸增大；泡沫玻璃的孔隙逐漸明顯，孔直徑逐漸變大且趨于均勻，發(fā)泡效果越來越好。

3）在相同發(fā)泡劑摻量條件下，隨著發(fā)泡溫度的升高，泡沫玻璃表面的氣孔泡孔直徑先升高后下降，顯氣孔率隨之先增大后減小，泡沫玻璃的隔熱性能隨溫度的升高先增強后減弱，抗壓強度整體呈下降趨勢。

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Preparation and Properties of Foam Glass Made from Waste-glasses

KONG Qing-feng, CHEN Shang, BAI Sheng-jie, ZHANG Ya-jing, ZHAO Jing, LIU Yi-fan*, LIU Ming-hua
（1. College of Environment & Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China; 2. Fujian Provincial Technology Exploitation Base of Biomass Resources, Fuzhou 350116, China）

Abstract:Foam glass is one of newly arisen of thermal-insulating and soundproof materials. In order to achieve the resource utilization of waste-glasses, the foam glass was prepared by high-temperature melting, foaming and annealing etc. process, using waste-glass as raw materials, CaCO3as the foaming agent, Na3PO4as the foam stabilizing agent and H3BO3as fluxing agent. The influences of foaming temperature and the usage of foaming agent on apparent properties, thermal-insulating properties and compression strength were studied.

Key words:waste-glasses; foam glass; CaCO3; foaming temperature

* 通訊作者：劉以凡（1987~），女，助理研究員；主要從事環(huán)境友好材料的研究。yfanym@163.com

作者簡介：孔慶豐（1994~），男，本科生；主要從事資源循環(huán)利用的研究。1098933019@qq.com

基金項目：福建省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項資金補助項目（閩經(jīng)信計財[2014]732號）。

收稿日期：2015-12-17

文章編號：1009-220X(2016)01-0030-05

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160115

中圖分類號：TQ171.7

文獻標(biāo)識碼：A