武加文，梁彥軍，王 強(qiáng)，李志杰

（阿米檢測(cè)技術(shù)有限公司 江蘇 無(wú)錫 214175）

】1009-5624（2021）08-0032-04

1 引言

泡沫玻璃一般是由定量的碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和促進(jìn)劑等配料焙燒制備而成的玻璃磚或陶瓷磚[1]。泡沫玻璃可根據(jù)實(shí)際使用的需求，通過(guò)生產(chǎn)加工技術(shù)改變參數(shù)來(lái)調(diào)整其物理性能[2]。泡沫玻璃具備導(dǎo)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、阻燃、剛度系數(shù)大、使用壽命長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍寬、不受蟲害、耐腐蝕、易加工和施工等優(yōu)點(diǎn)，泡沫玻璃以自身獨(dú)特性能的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足石油化工、軌道交通、庫(kù)房存儲(chǔ)等領(lǐng)域工程材料的需求，泡沫玻璃可以為材料回收利用、保護(hù)環(huán)境帶來(lái)豐厚經(jīng)濟(jì)效益[3]。

全球液晶屏產(chǎn)量的增加，廢棄液晶屏量的增加以及未來(lái)液晶屏使用過(guò)程中的老化和報(bào)廢會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)處理方法是將一小部分回收，用作有色農(nóng)藥瓶的原料，但是成本較高，難以產(chǎn)業(yè)化；把廢液晶屏變成具有用途廣泛的各種新型材料和廢液晶屏處理技術(shù)是世界各國(guó)環(huán)保部門共同的難題；變廢為寶，利用本項(xiàng)目技術(shù)進(jìn)行廢液晶屏處理，其產(chǎn)品還具有環(huán)保功能的新型材料，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)混摻碳酸鈉及硫酸鈉兩種外加劑，用廢棄的液晶屏玻璃基板制備泡沫玻璃，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的研究，從而確定工藝過(guò)程，對(duì)配方設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造都具有重要的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

玻璃基板：廢棄液晶屏；實(shí)驗(yàn)試劑：無(wú)水硫酸鈉（分析純）；無(wú)水碳酸鈉（分析純）；聚乙烯醇（分析純），聚乙烯醇用作造粒，使玻璃粉更易壓制成型。

儀器：箱式爐（KBF1700）；粉末壓片機(jī)（769YR-15A）；鼓風(fēng)干燥箱（HN101-A）；行星式球磨機(jī)（QM-3SP4J）；游標(biāo)卡尺（0～300 mm，0.02 mm)）；電子天平（WT1102）；電子天平（WT6000）；微機(jī)控制電子萬(wàn)能（拉力）試驗(yàn)機(jī)（CMT4204）。

此外，實(shí)驗(yàn)中還用到100目、150目標(biāo)準(zhǔn)篩、毛刷、碾缽、藥匙等。

3 實(shí)驗(yàn)樣品制備和檢測(cè)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）玻璃基板的處理：把廢舊液晶屏玻璃基板敲碎過(guò)篩，使得粒徑小于3 mm。

（2）將破碎好的玻璃基板按球:料比例為2:1，大球：小球比例為2:1放入球磨罐中，磨3h。

（3）用100目篩將干磨后的漿料過(guò)篩。

（4）將過(guò)篩后的玻璃粉與發(fā)泡劑和助劑按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行配料，然后再次干磨，球：料比例為2:1，大球：小球比例為2:1，磨1 h。

（5）用150目篩將干磨后的漿料過(guò)篩。

（6）將過(guò)篩后的配合料經(jīng)壓片機(jī)在成型壓力3 Mpa下壓制成片狀。

（7）將片狀混合料放入電阻爐中，設(shè)置好溫度制度進(jìn)行熔制的樣品。

3.2 燒制溫度和時(shí)間設(shè)置

預(yù)熱階段：30 min內(nèi)升溫到350 ℃。燒結(jié)階段：迅速升溫到700 ℃燒結(jié)（設(shè)備自身能力上升不設(shè)溫度斜率），溫度達(dá)到700 ℃后，以4 ℃/min的溫度斜率升溫到850 ℃。發(fā)泡階段：850 ℃，保溫40 min。穩(wěn)泡階段：降溫到800 ℃（設(shè)備自身能力降溫不設(shè)降溫斜率），溫度達(dá)到800 ℃時(shí)穩(wěn)定30 min。退火階段：退火24 h[4-6]。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

確定一個(gè)或多個(gè)因素不變，調(diào)整其他一個(gè)或多個(gè)因素，來(lái)探究這些因素之間的關(guān)系，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，便于我們?cè)趶?fù)雜的影響因素中找尋主要因素，從而發(fā)現(xiàn)較好的實(shí)驗(yàn)方案[7]。實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3.4 表征方法

3.4.1 形貌分析

將燒制成的試樣中間切開，然后用數(shù)碼相機(jī)拍下需要分析的區(qū)域照片，放大2倍查看燒制試樣的表面和內(nèi)部的形貌，分析泡孔的結(jié)構(gòu)和分布。

3.4.2 燒結(jié)性能測(cè)試

（1）表觀密度。

（2）氣孔率。

（3）吸水率。

吸水率測(cè)試步驟：取試件數(shù)量3塊。

①在天平上稱取試樣質(zhì)量 ，精確至0.1 g。

②用游標(biāo)卡尺量出待測(cè)試樣的長(zhǎng)寬高，用來(lái)計(jì)算體積。

③將試樣擱置在水箱內(nèi)。用一個(gè)干凈的木棒擱在試樣上，表面再用一個(gè)重物壓在木棒上。

④加入（20±5）℃的去離子水，水面應(yīng)高出試樣25 mm，浸泡2 h。

⑤2 h后立即取出試樣，將試樣放在擠干水分的濕紙巾上，干燥10 min，然后用濾紙吸去試樣表面殘余的水分。

⑥將試樣用天平稱量，并用濾紙繼續(xù)吸去試樣表面的水分，重復(fù)多次直至天平示值沒有變化，記錄數(shù)據(jù)即為試樣質(zhì)量 ，精確至0.1 g。

（4）抗壓強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試步驟：①用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣受壓面距棱邊10mm處的長(zhǎng)度和寬度，測(cè)量?jī)蓚€(gè)對(duì)應(yīng)面的中間部位的厚度。取兩次測(cè)量值的算術(shù)平均值為測(cè)量結(jié)果，精確至1 mm。

②將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的承壓板上，使試驗(yàn)機(jī)承壓板的中心與試樣中心重合，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。③設(shè)定加荷速度為10mm/min，直至試樣被破壞，同時(shí)記錄壓縮變形值。當(dāng)試樣壓縮變形到5%時(shí)沒有被破壞，則試件5%壓縮變形時(shí)的荷載即為破壞荷載。記錄破壞荷載P1，精確至0.01 Mpa。

（5）抗折強(qiáng)度。

抗折強(qiáng)度測(cè)試：調(diào)整兩支座的間距為20 mm。將試樣對(duì)稱地放置在支座上，設(shè)定加壓輥輪下降速度為10 mm/min。直到試樣被破壞，記錄試樣的最大破壞荷載P2，精確至0.01 Mpa。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

全部配方的總性能對(duì)比見表2。

表2 全配方總性能對(duì)比表

表2 （續(xù)）

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1 碳酸鈉的用量對(duì)泡沫玻璃的形貌及性能影響

（1）形貌影響分析。

圖2 8%碳酸鈉切面圖

圖3 10%碳酸鈉切面圖

圖4 12%碳酸鈉切面圖

由圖1～圖5可知，當(dāng)6%碳酸鈉時(shí)，泡沫玻璃無(wú)孔，表面光潔，?；潭雀撸?%碳酸鈉時(shí)，泡沫玻璃孔顯見，表面光潔，玻化程度高；10%碳酸鈉時(shí)，泡沫玻璃孔徑小，表面光潔，但比較均勻；12%碳酸鈉時(shí)，泡沫玻璃孔徑適中，且均勻；14%碳酸鈉時(shí)，泡沫玻璃孔徑大，但不均勻；隨著碳酸鈉的量加入越多，孔就越大。

圖1 6%碳酸鈉切面圖

圖5 14%碳酸鈉切面圖

（2）表觀密度、氣孔率和吸水率分析。

碳酸鈉加入的越多，泡沫玻璃的吸水率越大，因?yàn)樘妓徕c的增多，發(fā)泡效果越來(lái)越好，孔多滲透的水會(huì)越多。

10%碳酸鈉的表觀密度相比12%碳酸鈉及14%碳酸鈉的較大，而氣孔率相比12%碳酸鈉的比較小，但12%的最為均勻。主要原因是12%含量碳酸鈉助熔效果要比10%和14%的要好，而14%含量的較多，使內(nèi)部反應(yīng)過(guò)強(qiáng)，產(chǎn)生氣體過(guò)多，造成發(fā)泡不均，使其內(nèi)部氣孔不均勻。

（3）力學(xué)性能分析。

隨著碳酸鈉的摻量增大，其抗折強(qiáng)度越來(lái)越小，抗壓強(qiáng)度呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，但10%碳酸鈉及12%碳酸鈉的強(qiáng)度明顯高于14%碳酸鈉的強(qiáng)度，主要由于14%碳酸鈉的量過(guò)多，使內(nèi)部產(chǎn)生氣體過(guò)多，造成發(fā)泡不均，使其內(nèi)部氣孔不均勻，故而其強(qiáng)度變低。

4.2.2 硫酸鈉的用量對(duì)泡沫玻璃的形貌及性能影響

（1）形貌影響分析。

由圖6、圖7可知，當(dāng)其他條件相同時(shí)，兩者的孔徑都較均勻，1.5%硫酸鈉出現(xiàn)了特大孔，由此可知硫酸鈉的含量不同對(duì)試樣的形貌影響不大。但特大孔的出現(xiàn)是因?yàn)榱蛩徕c穩(wěn)泡階段發(fā)生了變化。

圖6 0.5%硫酸鈉切面圖

圖7 1.5%硫酸鈉切面圖

（2）表觀密度、氣孔率和吸水率分析。

隨著硫酸鈉摻量的不斷增大，其吸水率也不斷增大。加大硫酸鈉的用量對(duì)泡沫玻璃在穩(wěn)泡過(guò)程中有一定的影響。

兩者相比較，表觀密度1.5%硫酸鈉的要低一些，不過(guò)氣孔率上相差不是太大，基本上相似，說(shuō)明硫酸鈉對(duì)泡沫玻璃發(fā)泡的影響不是太大。

（3）力學(xué)性能分析。

0.5 %硫酸鈉的試樣比1.5%硫酸鈉的抗折及抗壓強(qiáng)度大，也比1%硫酸鈉含量的性能要好，主要原因是0.5%硫酸鈉含量穩(wěn)泡效果更好，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)泡比較均勻，結(jié)構(gòu)比較致密。因此，以實(shí)驗(yàn)原料12%的無(wú)水碳酸鈉及0.5%的無(wú)水硫酸鈉為外加劑，燒成的泡沫玻璃主要性能都是效果最好的。

5 結(jié)論

通過(guò)以廢棄液晶屏玻璃基板作為原料，用無(wú)水碳酸鈉和無(wú)水硫酸鈉分別作為外加劑來(lái)制備泡沫玻璃，通過(guò)對(duì)其表觀密度、氣孔率、吸水率、抗折強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度的性能研究，得到以下結(jié)論。

（1）碳酸鈉及硫酸鈉作為外加劑，燒制出的泡沫玻璃存在較大氣孔和氣孔孔徑分布不均勻，分析原因可能與配方的用量有關(guān)。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，當(dāng)溫度為850 ℃，保溫時(shí)間為40 min，外加劑為無(wú)水碳酸鈉12%、無(wú)水硫酸鈉0.5%、成型壓力為3 Mpa時(shí)，泡沫玻璃的發(fā)泡效果、吸水率較為理想。

（3）表觀密度、抗折抗壓強(qiáng)度基本是隨外加劑用量增加而增加的。當(dāng)溫度為850 ℃，保溫時(shí)間為40 min，外加劑為無(wú)水碳酸鈉12%、無(wú)水硫酸鈉0.5%，成型壓力為3 Mpa時(shí)，其表觀密度為593 kg/m3，抗壓強(qiáng)度可達(dá)10.61 Mpa，抗折強(qiáng)度可達(dá)5.28 Mpa。因此，12%碳酸鈉和0.5%硫酸鈉為最佳外加劑的含量。