趙 婧

(榆林市新科技開發(fā)有限公司 陜西 榆林 718100)

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和促進劑等原料，經(jīng)過細粉碎且混合均勻形成配合料，放入到特定的模具中，再經(jīng)過預熱、熔融、發(fā)泡、退火等工藝制成的多孔玻璃材料[1～2]。泡沫玻璃是一種性能優(yōu)越的隔熱、吸聲、防潮、防火的輕質高強建筑材料和裝飾材料。它具有機械強度高、導熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、不吸水、不透濕、熱工性能穩(wěn)定、不燃燒、不變形、使用壽命長、工作溫度范圍寬、防蟲害、耐蝕性能好、易加工(可鋸切)、施工極其方便等優(yōu)點[3]。雖然新型隔熱材料層出不窮，但泡沫玻璃以其永久性、安全性、可靠性在低溫隔熱、防潮工程、吸聲工程等領域占據(jù)越來越重要的地位[4]。泡沫玻璃可以很容易加工成各種形狀，可滿足不同工程的需要。泡沫玻璃是固體廢棄材料的再生利用、保護環(huán)境并獲得豐厚經(jīng)濟效益的優(yōu)秀范例。

利用碎玻璃來制造泡沫玻璃，一方面可以合理利用資源變廢為寶，另一方面制造的泡沫玻璃可以在一定程度上代替目前使用的各種建筑材料，以實現(xiàn)建筑物節(jié)能的目的，因此泡沫玻璃的開發(fā)與利用具有極高的經(jīng)濟和社會價值。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗用主要化學試劑見表1。

表1 實驗用主要化學試劑

1.2 實驗儀器

實驗用主要儀器及設備見表2。

表2 實驗用主要儀器設備

1.3 實驗設計

本實驗采用的是碳酸鈣和活性炭兩種發(fā)泡劑制備泡沫玻璃，并采用不同的配方研究出對泡沫玻璃的結構與性能的影響，而設計了研究配方，見表3。

1.4 試驗方法

1.4.1 體積密度及氣孔率的測定

體積密度是指單位體積材料(包含材料內部所有的氣孔)的質量。本實驗中采用幾何方法測定樣品的體積密度。將燒成制備的泡沫玻璃用切割機切割、打磨成規(guī)則體積形狀的塊狀樣品，用游標卡尺多次精確測量其長度、寬度及高度，再計算出體積V，其中長、寬、高均為多次測量后取其平均值，再用電子天平稱其干燥時的質量M0，并利用公式求得體積密度：

Pa=M0/V

(1)

式中：Pa——體積密度，g/cm3；

M0——干燥試樣的質量，g；

V——試樣的體積， cm3。

表3 采用活性炭的研究配方(質量%)

注：碳酸鈣與活性炭的配比為3∶1。

樣品的體積密度取自選取的3份同種樣品的平均值，盡最大的可能使結果更加準確。

氣孔率是指氣孔體積占材料總體積的百分比。本實驗中氣孔率的測定是釆用樣品的體積密度和真密度來計算的，計算公式為：

P=1-Pa/PT

(2)

式中：P——氣孔率，%；

PT——真密度，g/cm3。

PT為材料完全密實狀態(tài)下的密度，實驗中以干燥樣品的粉末密度來作為真密度計算。

1.4.2 吸水率

吸水率以樣品吸水前后質量變化的百分比來計算，測試步驟如下:

1)首先稱量干燥樣品的質量M0；

2)將樣品放入去離子水中，在常溫下浸泡2 h；

3)取出樣品，吸收樣品表面附著的水分，立即稱取，得到質量M。

吸水率的計算公式為：

W=(M-M0)/M0

(3)

式中：W——吸水率，%；

M，M0——分別為樣品浸水后和浸水前的質量，g。

1.4.3 化學穩(wěn)定性

化學穩(wěn)定性是保證樣品在長期使用過程中不受破壞和抵御環(huán)境腐蝕的能力，對樣品的長期實際利用具有重要的意義。實驗中對樣品的化學穩(wěn)定性能測試主要檢測試樣的抗酸腐蝕性，分析其在弱酸環(huán)境中耐腐蝕的能力。測試的實驗步驟如下：

1)配制500 mL，0.01 mol/L的硫酸溶液;

2)稱取干燥樣品的質量M0，并將樣品放在試管中,倒入配置好的硫酸溶液淹沒樣品，然后用塑料薄膜封住試管口防止酸液的濃度變化。

3)在浸泡一定時間后，將樣品取出烘干稱其質量Ma。耐酸腐蝕性通過對比試樣腐蝕前后質量的百分比來表示，計算公式為：

R=Ma/M0

(4)

式中：R——耐酸度，%；

M0，Ma——分別為樣品腐蝕前和腐蝕后的質量，g。

1.4.4 泡沫玻璃的耐酸性能測試

為驗證泡沫玻璃的耐酸性能,設計試驗方案如下：

1)配制500 mL,0.01 mol/L的硫酸溶液;

2)稱取干燥試樣的質量M0，并將試樣放在試管中，倒入配置好的硫酸溶液并淹沒試樣，然后用塑料薄膜封住試管口防止酸液的濃度變化。

3)在浸泡一定時間后，將試樣取出烘干稱取其質量Ma耐酸腐蝕性通過對比試樣腐蝕前后質量的百分比來表示，計算公式為：

R=Ma/M0

(5)

式中：R——耐酸度， %；

Ma，M0——分別為樣品酸腐蝕后和腐蝕前的玻璃的質，g。

1.4.5 泡沫玻璃的耐堿性能測試

為驗證泡沫玻璃的耐堿性能,設計實驗方案如下：

1)配制500 mL，20%的氫氧化鈉溶液；

2)稱取干燥樣品的質量M0，并將樣品放在試管中，倒入配制好的硫酸溶液淹沒試樣，然后用塑料薄膜封住試管口，防止氫氧化鈉的濃度變化。

3)在浸泡一定時間后，將樣品取出烘干稱其質量Ma耐酸腐蝕性通過對比試樣品腐蝕前后質量的百分比來表示，計算公式為：

R=Ma/M0

(6)

式中：R——耐堿度，%；

Ma,M0——分別為樣品堿腐蝕后和腐蝕前的玻璃的質量,g。

1.4.6 抗壓強度

抗壓強度是試樣受到壓縮作用而破壞時的最大應力，即試樣單位面積上所承受的最大載荷。泡沫玻璃的抗壓強度極限用試樣單位面積上所能承受的最大壓力來表示。將試樣加工成長方體，在電子萬能試驗機下對樣品緩慢加壓，實驗速度為1 mm/min。抗壓強度的計算公式為:

σa=P/A

(7)

其中：σa——抗壓強度, MPa；

P——斷裂時的載荷,N；

A——試樣加載面積,mm2。

2 結果與討論

2.1 體積密度

樣品的實驗體積密度見表4。

體積密度與泡沫玻璃的發(fā)泡程度有很大關系。泡沫玻璃的發(fā)泡程度越大則泡沫玻璃的體積密度越小。由實驗結果得出：樣品1～3采用不同的發(fā)泡劑得出的泡沫玻璃的密度也不同。以碳酸鈣為發(fā)泡劑的樣品2得到的體積密度最大，由此可見相比此溫度制度下，碳酸鈣的發(fā)泡性能要比活性炭和兩者混合的能力差。

由樣品3～6可以看出，泡沫玻璃采用相同的發(fā)泡劑和不同的溫度制度，即在發(fā)泡的保溫長短不同，所得到的泡沫玻璃的發(fā)泡能力不同，因此樣品的平均密度也不同。隨著發(fā)泡溫度的升高，體積密度降低到最小值后逐漸增加。原因是發(fā)泡溫度較低時，活性炭與氧氣生成氣體的量較少、玻璃液的粘度較大，發(fā)泡困難，造成體積密度大、氣孔率?。话l(fā)泡溫度較高時，玻璃液的粘度過小，活性炭與氧氣生成的氣體不能被液相包裹，且隨著溫度升高，玻璃液逐漸澄清，氣泡變少。發(fā)泡時間對試樣的體積密度也有一定影響。樣品的體積密度先變小后逐漸增大，氣孔率先變大后變小。因為發(fā)泡時間過短，致使發(fā)泡不充分，造成氣孔率偏小，體積密度變大；發(fā)泡時間過長，發(fā)泡劑分解氣體充分，氣泡的內壓逐漸增大，從而突破液相的包裹束縛，逸出試樣表面。

2.2 吸水率

圖1為樣品的吸水率。

圖1 樣品吸水率

由圖1樣品吸水率數(shù)據(jù)可知，樣品都具有一定的吸水率，樣品吸水主要依靠樣品中存在的開口氣孔來吸附水分。不同的發(fā)泡劑所得到的泡沫玻璃的開口氣孔率也不同，由樣品1～3可以看出，以活性炭為發(fā)泡劑的泡沫玻璃的開口氣孔率較大。但是同一種發(fā)泡劑的泡沫玻璃由于不同的發(fā)泡制度所得到的泡沫玻璃的開口氣孔率也不同，由樣品3～6可以看出。若氣孔率較大則所得到的開口氣孔率也不同，所以吸水率也不相同。

2.3 體積密度，吸水率和氣孔率的關系

體積密度與氣孔率呈現(xiàn)出一個反向變化的趨勢，即體積密度越大則氣孔率越小。樣品中氣孔量增大直接導致體積密度的降低，以及氣孔率的升高。樣品吸水率直接與氣孔率相關，氣孔率越大則其吸水率也隨之越高，吸水率主要是由于氣孔多呈現(xiàn)開口氣孔所決定的。

2.4 抗壓強度

樣品的抗壓強度如5所示。

表5 樣品的抗壓強度

由表5可以看出，不同發(fā)泡劑樣品的機械強度變化較大。不同燒結制度的樣品其機械強度變化也比較大。如果燒結溫度適中、燒結時間適當延長，則燒結后樣品內部沒有出現(xiàn)直徑比較大的大氣孔，均由孔徑范圍比較接近的小氣孔組成，因此最終表現(xiàn)出具有較大的抗壓強度。樣品中如果出現(xiàn)了直徑過大的氣孔，且大氣孔的存在會嚴重影響樣品的抗壓強度。因此，泡沫玻璃樣品中如果發(fā)泡劑含量過高，雖然樣品具有較低的密度和較高的氣孔率，但機械強度會很低，嚴重影響其實際應用。泡沫玻璃的抗壓強度還與受壓方向有關，壓力方向和發(fā)泡方向平行時抗壓強較高，壓力方向和發(fā)泡方向垂直時抗壓強度較小。泡沫玻璃的抗壓強度遠大于其他有機隔熱材料。

2.5 化學穩(wěn)定性的測定

2.5.1 耐酸性測試

通常來講，泡沫玻璃的化學穩(wěn)定性主要包含兩類：耐水性和耐酸性。由于泡沬玻璃的多孔結構，能夠吸收大量水分，在水分對玻璃表面侵蝕的過程中，吸收的水分與玻璃表面結合能夠對水的侵蝕起到保護作用。因此泡沫玻璃具有極好的耐水性。實驗中主要測試了泡沫玻璃樣品的耐酸性。從實驗可以看出，制備的樣品均具有很高的耐酸性。該測試結果表明，樣品均能在一定的酸性環(huán)境中進行應用。除HF酸外，玻璃一般不與其他的酸發(fā)生化學反應，酸一般通過水的作用來侵蝕玻璃。由于實驗制備的泡沫玻璃屬于硅酸鹽系玻璃，具有非常致密的[SiO4]硅氧四面體結構，玻璃的網(wǎng)絡連接程度非常緊密，使酸腐蝕的程度很小，因此樣品具有很高的耐酸性。樣品的耐酸性如圖2所示。

圖2 樣品耐酸性

2.5.2 耐堿性能測試

樣品的耐堿性如圖3所示。

圖3 樣品耐堿性

通過實驗表明，泡沫玻璃在堿溶液浸泡的過程中，未與其它物質發(fā)生反應，也未生成新物質，同時，堿溶液也對泡沫玻璃樣品表面未造成侵蝕現(xiàn)象。因此可以得出結論，即泡沫玻璃具有較好的耐堿性能。

2.6 燒結制度對結構和性能的影響

由于泡沫玻璃作為一種大量實際應用的產(chǎn)品，必須考慮其應用的實際生產(chǎn)成本。目前查閱文獻中利用粉煤灰、玻璃粉作為主要原料制備泡沫玻璃時，均采用較高的溫度來燒結制備，燒結溫度為900～1 200 ℃。因此本實驗中探索采用盡可能低的燒結溫度來進行制備，樣品3～5分別采用750 ℃和800 ℃兩種不同的發(fā)泡溫度。

泡沫玻璃制備的關鍵因素在于樣品的軟化溫度和發(fā)泡溫度范圍比較一致，這樣在發(fā)泡劑分解或氧化過程中產(chǎn)生的氣體被包裹在軟化的還原體中，氣泡得以保存，最終在樣品中形成氣孔結構。

實驗中發(fā)現(xiàn)，在700～800 ℃，由于燒結溫度還沒有達到樣品還原體的軟化溫度，樣品還原體還沒有完全軟化，發(fā)泡劑雖然已部分甚至完全分解，但產(chǎn)生的氣體直接從還原體中揮發(fā)出去，無法被包裹在樣品內部，沒有形成氣孔結構，最終無法制備得到發(fā)泡良好的泡沫材料。而當燒結溫度達到750 ℃時，成功制備出發(fā)泡良好、樣品體積膨脹適宜的泡沫材料。因此，本實驗選擇的泡沫材料最低燒結溫度為750 ℃。當燒結溫度超過850 ℃時，樣品在燒結過程中內部成功形成很多氣孔結構，但由于在高溫作用下，氣孔大量貫穿連通，內部出現(xiàn)很多直徑過大的孔洞，這種不均勻的結構會嚴重影響樣品的機械性能等各種性能。

2.6.1 燒結溫度對性能影響的分析

燒結溫度為800 ℃時樣品5的各項性能比較優(yōu)異。隨著發(fā)泡溫度的升高，樣品的氣孔率先增大后逐漸減小，體積密度降低到最小值后逐漸增加。原因是發(fā)泡溫度較低時，活性炭反應較少、玻璃液的粘度較大，發(fā)泡困難，造成體積密度較大、氣孔率??；發(fā)泡溫度較高時，玻璃液的粘度過小，活性炭反應產(chǎn)生的氣體不能被液相包裹，且隨著溫度升高，玻璃液逐漸澄清，氣泡變少。

因此提高燒結溫度對泡沫材料的結構會產(chǎn)生很大的影響，過高的燒結溫度將造成樣品結構的嚴重不均勻,影響了泡沫玻璃的性能。

2.6.2 燒結時間對結構和性能的影響

燒結時間是指在最高燒結溫度的保溫時間。其目的是樣品中發(fā)泡充分完全，讓氣泡長大同時使樣品結構更為均勻。發(fā)泡時間對樣品的結構及性能會造成一定的影響。發(fā)泡時間過短，樣品中發(fā)泡劑來不及分解完全，形成的部分氣孔及其結構也沒有完全形成，最終影響樣品的發(fā)泡效果，不能制備出氣孔率適宜的泡沫玻璃樣品；發(fā)泡時間過長，樣品中形成的氣孔在長時間的高溫作用下，氣孔逐漸貫穿連通，形成了孔徑過大的大氣孔，造成氣孔結構的不均勻性，嚴重影響所制備樣品的機械強度。過短和過長的燒結時間都不利于制備出性能良好的泡沫玻璃材料，必須通過實驗研究出樣品制備的最佳燒結時間。

樣品3～5分別是在燒結溫度下保溫90 min，30 min和60 min，研究燒結時間的變化對樣品的結構和性能的影響。由前面得出的數(shù)據(jù)可以看出耐酸性樣品5要高于其他兩個產(chǎn)品，抗壓強度以及氣孔率都要優(yōu)于其他產(chǎn)品，可以得出燒結溫度過高與過低都對泡沫玻璃產(chǎn)生不利的影響。隨著發(fā)泡時間的延長，樣品的體積密度先變小后逐漸增大，氣孔率先增大后減小。因為，發(fā)泡時間過短時，發(fā)泡不充分，造成氣孔率偏小，體積密度大；發(fā)泡時間過長時，發(fā)泡劑分解氣體充分，氣泡的內壓逐漸增大，從而突破液相的包裹束縛，逸出試樣表面；另外隨著發(fā)泡時間的延長，試樣內部析出的晶體增多，燒結程度加劇，致密度升高，氣孔率下降，體積密度增大。

燒結30 min所制備的樣品表面上殘留有小氣口，同時樣品色澤呈現(xiàn)出一定的不均勻性，部分原料顆粒沒有得到反應仍殘存夾雜在樣品中，證明整個材料體系還沒有得到充分發(fā)泡反應。對樣品內部形貌的觀察可以看出，由于發(fā)泡劑在較短時間內沒有完全分解，樣品內部形成的氣孔數(shù)量也比較少，樣品體積膨脹較小。30 min的燒結時間對于樣品的發(fā)泡時間過短，需要延長一定的燒結時間來制備樣品。對于燒結時間為60 min及90 min所制備樣品的體積膨脹要比燒結時間為30 min制備的樣品要大。這證明在延長燒結時間后，即燒結時間為60～90 min時樣品能夠充分反應完全。

樣品內部形成了大量的氣孔，且形成的氣孔數(shù)量和直徑均隨燒結時間的延長逐漸增大。這說明氣孔的形成和長大均需要一個較長的時間過程。隨燒結時間的延長，氣孔孔徑逐漸增大，小氣孔逐漸相互結合形成較大的氣孔。燒結時間在30 min時，由于發(fā)泡反應時間過短，樣品內部來不及形成數(shù)量很多的氣孔，最終僅停留在氣孔剛出現(xiàn)的階段，孔徑極小的氣孔沒有完全長大，而當燒結時間從30 min延長到60 min后，樣品中氣孔出現(xiàn)了相當程度的長大，孔徑較大且氣孔分布較為均勻；而當燒結時間進一步延長到90 min后，發(fā)現(xiàn)氣孔相互貫穿連通，最終形成了孔徑過大的大氣孔甚至空洞，這種結構對樣品的性能會產(chǎn)生非常不利的影響。因此燒結時間過短或過長均不利于泡沬玻璃的制備。

2.6.3 燒結時間對性能的影響

實驗證明，60 min是樣品在燒結溫度為800 ℃比較合理的燒結時間，樣品形成了較多的氣孔結構，且結構相對比較均勻。

隨著燒結時間的延長，樣品密度在小范圍內逐漸降低，而氣孔率逐漸小幅升高。這主要是由于隨燒結時間的延長，樣品中發(fā)泡更加完全充分，形成的氣孔數(shù)量和氣孔孔徑均逐漸增大，樣品中氣孔體積占試樣總體積的比例逐漸上升，因而呈現(xiàn)出隨燒結時間延長密度降低和氣孔率升高的趨勢。同時，由于試樣中發(fā)泡劑在高溫階段分解速度比較快，在30～60 min這段時間內基本分解得比較完全,因此繼續(xù)延長燒結時間，對樣品中氣孔的總體積沒有明顯的作用，因此樣品密度和氣孔率在不同燒結時間的變化下沒有發(fā)生明顯改變，均只在小幅度范圍內被動。

2.7 其他因素對泡沫玻璃結構和性能的影響

2.7.1 升溫速率和降溫速率對泡沫玻璃結構和性能的影響

從400 ℃到800 ℃的燒結溫度，升溫速率要快，防止發(fā)泡劑過早氧化和配合料表面瓷化。從燒結到發(fā)泡溫度，速率要慢，保證發(fā)泡均勻。降溫速率應該控制在10～20 ℃/min，可保持生成的氣孔。達到退火溫度時，保溫一定時間，或降低降溫速率，以消除產(chǎn)品中的應力。當溫度降至退火溫度以下200 ℃時，可以快速降溫至室溫。

2.7.2 原料的濕磨時間對結構和性能的影響

泡沫玻璃的顯氣孔率隨著濕磨時間的延長呈增大趨勢，考慮到原料濕磨時間延長對生產(chǎn)成本的增加，選用濕磨50 min的原料燒制樣品較合適。原料濕磨時間的延長使得泡沫玻璃的抗壓和抗折強度減小，濕磨時間不超過50 min，所得樣品的抗壓和抗折強度參數(shù)基本滿足相關建材行業(yè)標準要求。隨著原料濕磨時間的延長，泡沫玻璃的微觀結構得到明顯的改善，氣孔孔徑增大，總氣孔率增大，孔壁變薄，但時間過長會導致氣孔孔徑不均勻。

3 結論

以碎玻璃為主要原料,通過加入一定含量的助熔劑及發(fā)泡劑進行成分設計，從而使配合料的組成滿足玻璃的形成范圍，在較低的溫度下成功制備得到發(fā)泡良好的泡沫玻璃。筆者研究了不同組分的含量變化對泡沫玻璃樣品的制備及性能的影響，同時也探討了燒結溫度、燒結時間等工藝參數(shù)對泡沫玻璃的發(fā)泡及樣品性能的影響，得出了以下結論：

1)利用碎玻璃制備泡沫玻璃，采用碳酸鈉和二氧化錳作為助熔劑具有很好的助熔效果，實現(xiàn)在較低溫度下制備得到泡沫玻璃樣品的目的?；钚蕴孔鳛榘l(fā)泡劑制備出發(fā)泡效果良好的泡沬玻璃樣品，樣品具有較低的體積密度，很高的氣孔率，良好的耐酸穩(wěn)定性以及一定的機械強度，能夠滿足實際使用要求。

2)碎玻璃的含量和添加劑的含量都會影響泡沫玻璃的結構和性能。

3)泡沫玻璃制備的最佳工藝制度為:燒結溫度為800 ℃，燒結時間為60 min。燒結溫度低于750 ℃時，樣品沒有達到軟化溫度坯體還未軟化，坯體無法發(fā)泡制備得到發(fā)泡良好的泡沫玻璃；反之，燒結溫度過高高于800 ℃時,燒結后樣品表面出現(xiàn)瓷化的現(xiàn)象，內部出現(xiàn)很多孔徑過大的氣孔，造成樣品的結構不均勻，嚴重影響其機械強度。燒結時間過短(低于30 min)，發(fā)泡劑分解時間過短坯體發(fā)泡不充分；反之，發(fā)泡時間過長(超過60 min)，坯體內部中小氣孔逐漸連通貫穿長大，形成大氣孔后也會影響最終樣品性能。本實驗的樣品5性能優(yōu)異，其體積密度為0.472 3 g/cm3，吸水率為0.052 15，抗壓強度為1.225 MPa，耐酸性為99.77%，耐堿性為99.78%。