泡沫玻璃的研制及其性能表征.doc

原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名: 日期:关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名: 日期:目 录摘 要1第一章 绪论21.1课题研究的背景与意义21.2泡沫玻璃简介21.2.1泡沫玻璃的定义与特点21.2.2泡沫玻璃的用途231.2.3泡沫玻璃的发展趋势31.3泡沫玻璃的原料41.3.1碎玻璃41.3.2粉煤灰41.4辅助添加剂41.4.1发泡剂41.4.2助溶剂51.4.3改性剂51.5泡沫玻璃的制备方法61.5.1预热61.5.2烧结发泡61.5.3退火71.6泡沫玻璃的研究进展71.6.1国内泡沫玻璃的研究进展71.6.2国外泡沫玻璃的研究进展8第二章 实验内容和研究方法92.1实验原料92.2实验仪器92.3制备工艺流程92.4实验设计102.5试验方法122.5.1体积密度及气孔率的测定122.5.2吸水率122.5.3化学稳定性132.5.4泡沫玻璃的耐酸性能测试132.5.5泡沫玻璃的耐碱性能测试132.5.6抗压强度14第三章 实验结果分析143.1体积密度143.2吸水率153.3体积密度，吸水率和气孔率的关系163.4抗压强度173.5化学稳定性的测定173.5.1耐酸性测试173.5.2耐碱性能测试18第四章 工艺对泡沬玻璃结构及性能的影响194.1烧结温度对结构和性能的影响194.1.1烧结温度对性能影响的分析204.2烧结时间对结构和性能的影响204.2.1烧结时间对性能的影响214.3其他因素对结构和性能的影响224.3.1升温速率和降温速率对结构和性能的影响224.3.2原料的湿磨时间对结构和性能的影响22第五章 总结23参考文献25致 谢26摘 要利用废玻璃制造具有轻质、保温、隔热、防火、防水、吸音等性能的环保泡沫玻璃材料, 同时具有一定的机械强度能够满足实际使用要求,可以广泛应用在建筑、化工、国防等各种领域,具有良好的应用前景。一方面可以有效地利用碎玻璃防止对环境的污染，另一方面可以变废为宝制造出高性能的泡沫玻璃。以碎玻璃为主要原料，通过添加碳酸钠，二氧化锰为助溶剂，添加硼酸和六偏磷酸钠为改性剂，通过粉末烧结法制备出泡沫玻璃，研究不同发泡剂及烧结温度和烧结时间对泡沫玻璃的制备结构和性能的影响。对泡沫玻璃进行体积密度，吸水率，气孔率，耐碱性进行测试。结果表明: 以活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，然后在400度保温30分钟，以每分钟10度从400度升到750度，750度保温90分钟，以每分钟5度从750度降到600度，最后从600度冷却到室温所得到的样品经过性能测试可以得出样品性能良好。其体积密度为0.4723g/cm3,吸水率为0.05215，抗压强度为1.225Mpa，耐酸性为99.77%，耐碱性为关键词：碎玻璃 助溶剂 改性剂 泡沫玻璃ABSTRACTWaste glass as a kind of waste residue has many harmful effects on the environment. The preparation of energy saving and environment friendly foam glass with fly ash is a good way, which has much economics value and environment benefit. The preparation of foam glass not only could dispose large mounts of waste glass, but also the foam glass has much economic value. The foam glass has the characteristics of low density, good resistance of acid and good mechanical strengths meeting the demand of actual use. It could be applied in many areas including building industry, chemical industry, defence industry, etc and has good prospects of development.The aim of this paper is to prepare foam glass using fly ash as main constituents, increasing the waste glass content in foam glass as possible. The foam glass is successfully prepared by powder sintering method, with adding Na2CO3 and MnO2 as flux agent, as C and CaCO3 foaming agents, and Na2HP04 as foam stabilizer. The effects of sintering temperature and sintering time on preparation, structure and properties of foam glass are researched. the density, porosity, water absorption, chemical stability and mechanical strengths are analyzed.The results showed that：Activated carbon as a blowing agent, the experimental system is: 5 degrees per minute from room temperature to 400 degrees, and then incubated for 30 minutes at 400 degrees, 10 degrees per minute rose from 750 degrees to 400 degrees, 750 degrees heat 90 minutes , 5 degrees per minute from 750 down to 600 degrees, and finally cooled to room temperature from 600 C the sample obtained after the performance test sample can be drawn with good performance.KEY WORDS: waste glass ; foam glass ; flux agent ; foaming agent 第一章 绪论1.1课题研究的背景与意义泡沫玻璃(foam glass) 是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等，经过细粉碎混合均匀形成配合料，放入到特定的模具中，再经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃材料1。泡沫玻璃是一种性能优越的隔热、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料。它具有机械强度高、导热系数小、热膨胀系数低、不吸水、不透湿、热工性能稳定、不燃烧、不变形、使用寿命长、工作温度范围宽、不受虫害、耐蚀性能强、易加工可锯切、施工极其方便等优点。虽然其他新型隔热材料层出不穷，但泡沫玻璃以其永久性、安全性、可靠性在低温隔热、防潮工程、吸声工程等领域占据越来越重要的地位。泡沫玻璃可以很容易加工成各种形状，以满足不同工程需要。泡沫玻璃是固体废弃材料再生利用、保护环境并获得丰厚经济效益的优秀范例。利用碎玻璃来制造泡沫玻璃，一方面可以合理利用资源变废为宝，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种建筑材料来实现建筑物节能的目的，因此泡沫玻璃的开发与利用具有极大的经济价值与社会价值。具有很重大的经济与社会意义。通过毕业实验，让我们对所学的专业知识能综合的运用，并充分的锻炼我们的动手和思考能力。同时利用所学知识制造出泡沫玻璃并测定其性能，对即将踏入社会的我们有着不一般的意义，为以后的学习、工作打下坚实的基础。1.2泡沫玻璃简介1.2.1泡沫玻璃的定义与特点泡沫玻璃是一种内部充满无数微小、均匀、连通或封闭气孔的玻璃材料。其气孔率可达80% 95%, 大量气泡直径为1 3 mm。泡沫玻璃以废玻璃、粉煤灰、云母、珍珠岩等富玻璃相物质为基料, 混入适当的发泡剂、促进剂、改性剂并粉碎混匀, 放在特定的模具中经预热、熔融、发泡、冷却、退火而成。泡沫玻璃具有密度低，闭气孔率较多，热膨胀系数低，导热系数小，热学性能稳定，是一种优质的隔热，吸音，防潮，防火的装饰材料。1.2.2泡沫玻璃的用途2(1) 由于泡沫玻璃传热系数低, 因此适于作绝热保温材料, 用于冷库、地下输油管道及各类建筑物墙体与顶棚, 起到绝热保温作用。(2) 吸声消音的特点使泡沫玻璃可起到良好的降噪作用, 还由于具有不腐蚀及防水等特点, 因此被广泛应用于游泳馆、地铁、食品等需要防潮和保持低噪音的建筑中。(3) 泡沫玻璃因其质轻、美观、耐热、抗冻, 还可作为建筑的墙面装饰材料, 将节能、环保、安全、装饰等多重作用溶为一体。(4) 泡沫微晶玻璃是一种新型绿色环保墙体材料，由玻璃相、晶体和气孔三部分组成。由于在均匀分布大量气孔的玻璃相基体中, 均匀分布着大量的微小晶体, 玻璃与晶体网络连在一体, 形成玻晶交织的网络结构, 大大提高了材料机械强度, 克服了普通泡沫玻璃机械强度低的缺点, 从而用于制作机械温度要求较高的墙体材料。1.2.3泡沫玻璃的发展趋势从20 世纪70 年代中期，泡沫玻璃在我国进行小批量生产以来，经历了廿多年的发展。毛坯产量已从初期的300m3/ 年增加到约35000m3/ 年,单窑生产能力也从300m3/ 年提高到1200m3/ 年。产品品种也从单一的绝热泡沫玻璃，相继开发了吸声泡沫玻璃、建筑保温泡沫玻璃、低硼硅泡沫玻璃、高硼硅泡沫玻璃、中性泡沫玻璃、清洁用泡沫玻璃、彩色泡沫玻璃等产品。产品的应用市场也从乙烯深冷设备保冷发展到冶金、冷库、热力、地下工程、隧道、建筑墙体和屋面等领域，并且有少量产品出口到东南亚国家。在2001 年10 月，泡沫玻璃被列入国家GB50207 - 94屋面工程技术规范修改稿所推荐的屋面保温材料; 2002 年5 月出版的GB50207 - 2002屋面工程质量验收规范中也涉及了泡沫玻璃的施工规范;泡沫玻璃用于外墙保温标准也将于2002 年9 月底出版。预计在今后几年内，国内泡沫玻璃产业将有很大的发展机遇3。目前，我国泡沫玻璃生产原料全部为利废原料，如废玻璃、尾矿、粉煤灰、火山熔岩、浮石、珍珠岩等 ,将它们与发泡剂及助剂一起磨成细粉，然后在加热炉内进行加热，都采用粉末法烧成技术。根据泡沫玻璃毛坯退火方式上的差别，将泡沫玻璃生产工艺分为“二步法”和“一步法”，大多数生产厂家都采用“二步法”工艺，也曾有采用“一步法”工艺试产厂家。二步法:其特点是在发泡定型后期，在窑外将耐热钢模具脱除后，再集中到退火窑内进行退火，这种工艺的优点是能及时观察和判断发泡质量，及时调整发泡温度和时间制度，发泡窑和退火窑是相互独立的，便于工艺的配合，可调性范围大，可灵活地生产不同密度、不同品种的泡沫玻璃。同时，可减少模具投入量，减少能耗。不利因素在于，脱模操作条件比较差。一步法:北京中联望城绝热材料有限责任公司曾于19971998 年进行了近两年的一步烧成法试生产，最终没有获得成功。目前,国内已没有厂家采用该法4。1.3泡沫玻璃的原料1.3.1碎玻璃 制造泡沫玻璃所需要的碎玻璃的基本要求：（1）低的发泡温度和发泡温度范围内具有较低的结晶倾向（2）具有较好的化学稳定性和较低的热膨胀系数。（3）适量的供氧成分。碎玻璃的主要成分如表1-1所示表1-1碎玻璃的主要成分SiO2Al2O3CaOBa0R2OFe2O374.51.28.01.015.10.051.3.2粉煤灰粉煤灰具有以硅铝为主的化学成分，矿物相包括大量的玻璃相和矿物晶相及各种结构类型。粉煤灰的化学组成中SiO2，Al2O3，Fe2O3的总量达到84%以上。这些成分中氧化铁对玻璃的颜色会产生不良影响，其他成分对玻璃的形成是必要的。粉煤灰可以取代玻璃原料中的硅质成分。1.4辅助添加剂1.4.1发泡剂发泡剂一般有两类,一类是自身放出气体如CaC03等,另一类是与原料发生化学反应而放出气体。以碳黑为发泡剂C与玻璃粉中的SiO2 ,O2 ,H2O 反应C+O2 =CO2C+H2O=H2+CO2碳黑除了起发泡剂作用外, 还起稳定剂的作用若有未反应的碳黑,由于它和液态玻璃的化学亲和力很小,几乎不被玻璃所润湿, 碳黑细颗粒集中在气液相的界面上,使相界面上的界面能降低, 有利于泡孔的稳定。1.4.2助溶剂 助溶剂的作用是在配合料加热过程中与其中的原料组分相互作用,从而降低配合料的溶点和软化温度使反应在一个相对较低的温度下进行。溶化温度的降低,可以节省能源;可以缩短生产周期;减小生产制备成本。同时部分助熔剂还有其它一些作用:(1)增大发泡温度范围,使样品在更大的温度区间内发泡;(2)改善气孔结构,使孔径均勻、细小,提高成品的强度;(3)改善制品光泽,使泡沫玻璃的外观性状更为美观。 本实验采用的助溶剂为碳酸钠和二氧化锰。(1)碳酸钠作为助溶剂玻璃熔体中存在大小不同的硅氧四面体群, 有较大的空隙或称自由体积, 可容纳半径较小的离子穿插移动在高温时, 由于自由体积空隙较多较大, 有利于离子穿插移动, 表现为粘度下降当温度降低时, 自由体积变小, 四面体群的移动受阻, 而且小型四面体群聚合为大型四面体群, 网络键联接程度变大,表现为粘度上升在熔体中碱金属以离子状态存在高温时它们在空隙中穿插移动, 同时具有使氧离子极化而减弱硅氧键的作用, 使熔体粘度下降当温度降低时, 阳离子的迁移能力降低, 可能按一定的配位关系处于某些四面体中, 从而引起局部不均, 降低结构强度所以助熔剂添加量一定要合适, 否则会影响制品质量。Na2CO3在燃烧时的反应：Na2O3=Na2O+CO2Na2O3+SiO2=Na2SiO3+CO2(2)二氧化锰作为助溶剂1.4.3改性剂加入适量稳泡剂可以改善泡沫玻璃的性能,增大发泡温度范围,减少连通孔,提高制品的热学性能、机械强度和成品率。泡沫玻璃的配合料是一种固-液-气的多相体系,体系内各相界面的表面积在温度上升时迅速增长,自由能急剧增力U,小气泡易破裂而形成大气泡时造成气孔结构不均匀,因此为保持气泡稳定和均匀,需要在混合料中加入一定量的稳泡剂来降低配合料的表面张力,防止气泡破裂。目前,常见的稳泡剂有六偏磷酸钠、硫酸钠、硼酸、磷酸钠、三氧化二铺等。本实验采用的改性剂为硼酸和六偏磷酸钠。（1） 硼酸作为改性剂硼酸受热分解产生B2O3，B2O3是一种网络生成体单纯含有B2O3和B2O3成分的熔体, 由于它们的结构不同（B2O3层状结构, SiO2 是架状结构）难于形成均匀一致的熔体, 是不可混熔的。 当加人Na2O后,硼的结构发生变化，通过Na2O提供的游离氧, 由硼氧三角体转变为硼氧四面体, 使硼的结构从层状结构向架状结构转变, 为B2O3和SiO2形成均匀一致的玻璃体创造了条件, 从而加强网络体结构但在高温熔制条件下一般难于形成硼氧四面体, 而只能以硼氧三角体存在, 这是B2O3降低玻璃高温粘度的主要原因。因此，B2O3又是一个良好的助熔剂 。（2） 六偏磷酸钠作为改性剂六偏磷酸钠（NaPO3）6是作为稳泡剂和网络增强剂加人的。（NaPO3）6分解产生的P2O5 是网络形成离子, 可以形成PO4,PO4可与SiO4一起构成连续网络, 提高高温下的粘度, 有利于泡穴的稳定和网络的增强，另外, 六偏磷酸钠在高温下分解产生Na2O, Na2O是一种网络外体氧化物, 因而M-O键的离子性强,其中氧离子易于摆脱阳离子的束缚, 是“ 游离氧” 的提供者, 起断网作用。因而六偏磷酸钠也是一种改性剂。1.5泡沫玻璃的制备方法制备泡沫玻璃的工艺流程主要包括三部分:（1）泡沫玻璃配合料的配制；（2）粉料还体的成型；（3）预热、烧结、发泡、稳泡和退火等工艺阶段。1.5.1预热预热的目的主要是除掉配合料中存在的化学结合水、吸附水以及游离水;由于还体导热性较差,直接高温加热烧结会造成表面碳的氧化造成发泡不均匀。因此通常在350-400温度区间内选择一个温度作为预热温度对还体进行预热,消除掉坯体中存在的各种水分。本实验选用的预热温度为400度。1.5.2烧结发泡将预热后的还体迅速加热到预定的烧结温度,并保温一定的时间。通过快速地升温把发泡剂进行分解,发泡剂生成的气体包裹在软化的还体中而不逸出,从而得到较多的气相。烧结过程的升温速度一般选为8-10度/min。本实验选用的烧结升温速度为10度/min。1.5.3退火当发泡结束后迅速将试样冷却至所需的退火温度,采用较快的冷却速度,一般在15-20度/min。通过快速冷却将产生的气孔结构迅速固定下来在材料内部形成多孔结构。由于试样在迅速冷却过程中将产生应力,为消除应力故需要在一定温度下对样品进行保温一段时间来退火,退火结束后最后关掉电炉电源将样品自然冷却至室温。1.6泡沫玻璃的研究进展1.6.1国内泡沫玻璃的研究进展从20 世纪70 年代中期,泡沫玻璃在我国进行小批量生产以来,经历了廿多年的发展。毛坯产量已从初期的300m3/ 年增加到约35000m3/ 年,单窑生产能力也从300m3/ 年提高到1200m3/ 年。产品品种也从单一的绝热泡沫玻璃,相继开发了吸声泡沫玻璃、建筑保温泡沫玻璃、低硼硅泡沫玻璃、高硼硅泡沫玻璃、中性泡沫玻璃、清洁用泡沫玻璃、彩色泡沫玻璃等产品。产品的应用市场也从乙烯深冷设备保冷发展到冶金、冷库、热力、地下工程、隧道、建筑墙体和屋面等领域,并且有少量产品出口到东南亚国家。在2001 年10 月,泡沫玻璃被列入国家GB50207 - 94屋面工程技术规范修改稿所推荐的屋面保温材料; 2002 年5 月出版的GB50207 - 2002屋面工程质量验收规范中也涉及了泡沫玻璃的施工规范;泡沫玻璃用于外墙保温标准也将于2002 年9 月底出版。预计在今后几年内,国内泡沫玻璃产业将有很大的发展机遇。我国许多科研院所都曾开展过泡沫玻璃的研究工作。中国科学院上海硅酸盐研究所以硅藻土为硅质原料,研制出硅藻土微孔泡沫玻璃,用于生物和医学制品的精制、固定化酶载体等;浙江绍兴粮机厂玻璃分厂以金云母碎料和碎玻璃为原料,生产出金云母泡沫玻璃砖,最高使用温度达850。虽然玻璃类上市公司在2001 年面对不利的市场环境仍取得了较好的经营业绩,但仍存在着一些不利于公司发展的问题。玻璃类上市公司在2002 年应抓紧时机,充分利用资本市场的条件,加强成本控制,优化资产配置,进行自身产品结构调整,向高档优质浮法玻璃或深加工玻璃方向发展,如技术含量高、产品附加值高、且目前的市场供求状况较好的汽车玻璃用的高档优质浮法玻璃和电子信息技术急需的具有特种功能的深加工玻璃,如液晶显示器(LCD) 用基片玻璃、电脑扫描仪和复印机用玻璃、等离子体显示器用导电玻璃以及仪器仪表和轻工用玻璃等具有特殊功能的玻璃品种等,具有极为看好的市场前景。同时,玻璃行业应通过兼并重组走上做大做强之路,尽快形成较强的经济实力、投融资能力、技术创新能力和市场开能力,带动产业升级和行业技术创新,尽量填补国内空白,生产出替代外国进口优质浮法玻璃和深加工玻璃制品,只有如此,才能使上市企业成为行业先进生产力的代表。郭宏伟等人以废玻璃为主要原料,以硼砂作为助溶剂,以碳粉作为发泡剂,再加入一定的添加剂制备出微晶泡沫玻璃5。武汉理工大学材料学院,应用数学分析方法,建立了比较准确的泡沫玻璃气孔直径和温度之间的数学关系,完善了其制备研究理论6。中国人民解放军空军工程设计研究局,制备出军事用途的泡沫玻璃材料用来雷达波的吸收,使我国对泡沫玻璃的研究转向对各种新型功能的开发方面7。1.6.2国外泡沫玻璃的研究进展 早在1935 年,法国St . Gubain 公司就已经成功的研制出了泡沫玻璃,当时的制品以玻璃粉为原料,碳酸钙作为发泡剂,在耐火模具中加热,加热后制成轻石状的材料。随后,美国、前西德、前苏联、英国、捷克、日本等国也发表了许多专利和研究报告8。1939年,前苏联成功研制出泡沫玻璃。该国十分重视利用废玻璃及工业废渣来制备泡沫玻璃,同时还研制出复杂碱金属氧化物和碱土金属硅酸盐泡沫玻璃体系泡沫玻璃。其生产的泡沫玻璃的最大特点是采用多组分玻璃体系9。德国采用高温发泡型方法来制备泡沫玻璃。该方法是是由玻璃液直接发泡,将玻璃配合料与发泡剂混合均匀后,加入熔炉中溶化。同时在熔融过程中施加压力,当溶融好的玻璃液体从窑炉中流出时,溶解在其中的饱和气体开始发泡形成连续的泡沫玻璃带,最后将整个玻璃带切割成所需大小并进行退火。日本在1945年后开始重视泡沫玻璃的研究10。日本旭玻璃公司通过购买圣哥班公司的泡沫玻璃粉末烧成法的主要专利技术,采用碳酸韩作为发泡剂,制备出白色和红紫色的泡沫玻璃进入市场。其后旭玻璃研究所的日本科学家吉川弘等人研发出新的泡沫玻璃制备技术,使该国生产的泡沫玻璃质量迈上了一个新的台阶,生产技术进入了一个新阶段。近来,日本开发出了火山灰-粘土-水玻璃和玻璃粉-火山灰-水玻璃体系的泡沫玻璃制备技术。同时在降低生产成本、缩短生产周期、提高泡沫玻璃的机械强度上做了深入的研究11。英国提出用浮法工艺方法生产泡沫玻璃,采用Na2S04或CaS04作为发泡剂来生产带状泡沫玻璃。国外生产泡沫玻璃的原料主要以平板和瓶罐等软化点较低的钠钙玻璃为基础材料,再加入适量的发泡剂。发泡剂一般为碳黑、碳酸钙等。主要利用发泡剂的氧化和分解反应,释放气体在玻璃中形成气泡。国外对泡沫玻璃的研究主要侧重发泡剂种类的研究,生产泡沫玻璃的原料成分范围比较宽,可以用各类废玻璃及可形成玻璃相的物质为原料。生产工艺相对简单,一般将废玻璃磨成粉末,与少量发泡剂混合,制成块状或粒状,经焙烧成型。第二章 实验内容和研究方法2.1实验原料实验制备泡沫玻璃的主要原料采用：碎玻璃。碎玻璃过140目筛，并保证原料的颗粒粒径比较一致同时颗粒较小具有较大的比表面积从而比较易于烧结。本实验所采用的其他药品还包括发泡剂，助熔剂，改性剂。发泡剂为活性炭黑。助熔剂为碳酸钠和二氧化锰。改性剂为硼酸和六偏磷酸钠。所有药品的介绍见表2-1表2-1药品的介绍药品名称纯度产地碳酸钠 不少于99.8%中国上海虹光化工厂二氧化锰分析纯国药集团化学试剂有限公司六偏磷酸钠化学纯国药集团化学试剂有限公司硼酸不少于99.5%天津市博迪化工厂有限公司碳酸钙分析纯天津市塘沽邓中华工厂2.2实验仪器天平，电子天平，恒温恒温箱，球磨机，检验筛、研钵、烧杯、托盘、药匙、药品刷等工具。2.3制备工艺流程本实验中均采用粉末烧结法来制备泡沫玻璃,烧结温度选为775度-850度三种烧结温度，烧结时间选为1-1.5范围内不同时间。实验原料逐步经过粉末过筛、干燥、烧结、退火冷却等制备工艺流程后来制备泡沫玻璃样品,其制备工艺流程图如图2-1所示:玻璃发泡剂促进剂水表面活性剂球磨退火干燥入模发泡预热成品加工图2-1泡沫玻璃制备工艺流程图 实验的制备工艺流程步骤如下: (1)按照泡沫玻璃的形成范围进行成分设计,拟定配方。 (2)按照拟定的配方精确称取各种原料。 (3)将称好的原料经过湿磨进行磨细再混合均匀。 (4)将磨好后的粉料放入干燥箱中干燥 (5)把压制成型的圆饼状还体放入电阻炉中,按照一定的烧结工艺制度,先进行预热除去还体中的水分和有机物等杂质,再快速升温到发泡温度并保温一段时间使还体发泡烧结,保温结束后快速降温到退火温度进行退火,从而消除玻璃内部残余的应力。退火结束后将玻璃冷却到室温,进行切割加工检测其各项性能14本实验对样品在烧结发泡过程中,设置的升温速率为5C/min,其烧结工艺为:从室温升到400度,保温30min;再从400度升温到实验预设的烧结温度,在750度到800度之间变化,在烧结温度下保温30min到90min;烧结结束后,将烧结炉温度下降,下降到500-600C对样品进行退火;退火结束后将样品随炉缓慢冷却至室温。2.4实验设计本实验采用的是碳酸钙和活性炭两种发泡剂制备出泡沫玻璃，并采用不同的配方研究出对泡沫玻璃的结构与性能的影响因而设计了表2-2采用活性炭的研究配方和表2-3采用碳酸钙和活性炭混合的研究配方。表2-2采用活性炭的研究配方碎玻璃活性炭碳酸钠二氧化锰六偏磷酸钠硼酸90%2%2.25%2.25%1.75%1.75%表2-3碳酸钙和活性炭的研究配方碎玻璃碳酸钙和活性炭碳酸钠二氧化锰六偏磷酸钠硼酸80%7%2.25%2.25%1.75%1.75%其中碳酸钙与活性炭的配比为3:1本实验所做的试验样品为六种，并分别对六种实验样品进行性能测定。样品1：碳酸钙和活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，然后在400度保温30分钟，以每分钟10度从400度升到800度，800度保温90分钟，以每分钟5度从800度降到600度，最后从600度冷却到室温。样品4：以碳酸钙为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，然后在400度保温30分钟，以每分钟10度从400度升到800度，800度保温90分钟，以每分钟5度从800度降到600度，最后从600度冷却到室温。样品6：以活性炭为发泡剂，实验制度：以每分钟5度从室温升到400度，然后在400度保温30分钟，以每分钟10度从400度升到800度，800度保温90分钟，以每分钟5度从800度降到600度，最后从600度冷却到室温。样品2：以活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，然后以每分钟10度从400度升到800度，800度保温30分钟，以每分钟5度从800度冷却到室温。样品3：以活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，以每分钟10度从400度升到800度，800度保温60分钟，以每分钟5度从800度降到600度，最后从600度冷却到室温。样品5：以活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，然后在400度保温30分钟，以每分钟10度从400度升到750度，750度保温90分钟，以每分钟5度从750度降到600度，最后从600度冷却到室温。经过实验分析本实验最佳实验配方是：以活性炭为发泡剂，实验制度为：以每分钟5度从室温升到400度，以每分钟10度从400度升到800度，800度保温60分钟，以每分钟5度从800度降到600度，最后从600度冷却到室温。2.5试验方法2.5.1体积密度及气孔率的测定体积密度是指单位体积材料(包含材料内部所有的气孔)的质量。本实验中采用几何方法测定样品的体积密度。将烧成制备的泡沫玻璃用切割机切割打磨成规则体积形状的块状样品,用游标卡尺多次精确测量其长度、宽度及高度,在计算出体积V,其中长宽高均为多次测量后取其平均值。再用电子天平称其干燥时的质量M0并利用公式求得体积密度Pa=Mo/V（2-1）Error! No bookmark name given.式中Pa体积密度,单位;g/cm3; MO一干燥试样的质量,单位:g; V一试样的体积,单位:cm3。样品的体积密度取自选取的3份同种样品的平均值,尽最大的可能使结果更加准确。气孔率是中气孔体积占材料总体积的百分比。本实验中气孔率的测定釆用样品的体积密度和真密度来计算,计算方法见公式(2-2):P= 1- Pa/PT（2-2）式中P气孔率,单位:%;PT真密度,单位:g/cm3。PT为材料完全密实状态下的密度,实验中以干燥样品的粉末密度来作为真密度来计算。2.5.2吸水率吸水率以样品吸水前后质量的变化百分比来计算,测试步骤如下:(1)首先称量样品干燥时的质量M0;(2)将样品放入去离子水中,在常温下浸泡2h;(3)取出样品,吸收掉样品表面粘附的水,立即称取质量M。吸水率的计算公式如式(2-3):W= (M-MO) /MO（2-3）式中W吸水率,单位:%;M,MO分别为样品浸水后和浸水前的质量,单位:g。2.5.3化学稳定性化学稳定性是保证样品在长期使用过程中不受破坏和抵御环境腐蚀的能力,对样品的长期实际利用具有重要的意义。实验中对样品的化学稳定性能测试主要检测试样的抗酸腐烛性,分析其在弱酸环境中耐腐蚀的能力。测试的实验步骤如下15(1)配制500ml,O.Olmol/L的硫酸溶液;(2)称取干燥试样的质量MO,并将试样放在试管中,倒入配置好的硫酸溶液淹没试样,然后用塑料薄膜封住试管口防止酸液的浓度变化。(3)在浸泡一定时间后,将试样取出烘干称其质量Ma。耐酸腐烛性通过对比试样腐烛前后质量的百分比来表示,计算公式如式(2-4)所示: R= Ma/Mo (2-4)式中R耐酸度,单位:%;MO,Ma分别为样品腐烛前和腐烛后的质量,单位:g。2.5.4泡沫玻璃的耐酸性能测试为验证泡沫玻璃的耐酸性能,设计试验方案如下：(1)配制500ml,O.Olmol/L的硫酸溶液;(2)称取干燥试样的质量mo,并将试样放在试管中,倒入配置好的硫酸溶液淹没试样,然后用塑料薄膜封住试管口防止酸液的浓度变化。(3)在浸泡一定时间后,将试样取出烘干称其质量Ma耐酸腐烛性通过对比试样腐烛前后质量的百分比来表示,计算公式如式(2-5)所示:R= Ma /mo (2-5)式中R耐酸度,单位:%;式中的Ma和Mo分别为酸腐蚀后和腐蚀之前的玻璃的质量。2.5.5泡沫玻璃的耐碱性能测试为验证泡沫玻璃的耐碱性能,设计试验方案如下：(1)配制500ml,20%的氢氧化钠溶液;(2)称取干燥试样的质量mo,并将试样放在试管中,倒入配置好的硫酸溶液淹没试样,然后用塑料薄膜封住试管口防止氢氧化钠的浓度变化。(3)在浸泡一定时间后,将试样取出烘干称其质量Ma耐酸腐烛性通过对比试样腐烛前后质量的百分比来表示,计算公式如式(2-6)所示:R= Ma /mo (2-6)式中R耐碱度,单位:%;式中的Ma和Mo分别为碱腐蚀后和腐蚀之前的玻璃的质量。2.5.6抗压强度抗压强度是试样受到压缩作用而破坏时的最大应力,即试样每单位面积上所承受的最大载荷。泡沫玻璃的抗压强度极限用试样单位面积上所能承受的最大压力来表示。试样加工成规则长方体,在电子万能试验机下对样品缓慢加压，试验速度为1mm/min。抗压强度的计算公式为:a =P/A (2-7)其中:a-抗压强度(MPa);P-断裂时的载荷(N);A-试样加载面积(mm2)第三章 实验结果分析3.1体积密度样品的实验密度见表3-1平均密度表3-1样品名称 平均密度（g/cm3）样品1 0.7193样品2 0.9547样品3 0.6407样品4 0.6201样品5 0.4723样品6 0.6585图3-1样品密度体积密度与泡沫玻璃的发泡程度有很大关系。泡沫玻璃的发泡程度越大则泡沫玻璃的体积密度越小。由实验结果可以得出：样品1,2,3采用不同的发泡剂得出的泡沫玻璃的密度不同。以碳酸钙为发泡剂的样品2得到的体积密度最大，由此可见相比次温度制度下，碳酸钙的发泡性能要比活性炭和两者混合的能力差。样品3，4,5,6可以看出泡沫玻璃采用相同的发泡剂但是温度制度不同，在发泡时保温长短不同，所得到的泡沫玻璃的发泡能力也不同，因此样品的平均密度也不同。随着发泡温度的升高，体积密度降低到最小值后逐渐增加。原因是发泡温度较低时，活性炭与氧气生成气体的量较少、玻璃液的黏度较大，发泡困难，造成体积密度大、气孔率小；发泡温度较高时，玻璃液的黏度过小，活性炭与氧气生成的 气体不能被液相包裹，且随着温度升高，玻璃液逐渐澄清，气泡变少。发泡时间对试样的体积密度也有一定影响。试样的体积密度先变小后逐渐增大，气孔率先变大后变小。因为，发泡时间过短时，发泡不充分，造成气孔率偏小，体积密度大；发泡时间过长时，发泡剂分解气体充分，气泡的内压逐渐增大，从而突破液相的包裹束缚，逸出试样表面12；3.2吸水率样品的吸水率如表3-2所示。吸水率表3-2样品名称 吸水率样品1 0.0706样品2 0.2586样品3 0.3943样品4 0.0218样品5 0.05215样品6 0.1612图3-2样品吸水率 由样品吸水率数据可发现,样品都具有一定的吸水率，样品吸水主要依靠试样中存在的开口气孔来吸附水分。不同的发泡剂则所得到的泡沫玻璃的开口气孔率也不同，由样品1,2,3可以看出以活性炭为发泡剂的泡沫玻璃的开口气孔率较大。但是同一种发泡剂的泡沫玻璃由于不同的发泡制度所得到的泡沫玻璃的开口气孔率也不同，可以由样品3,4,5,6看出。若气孔率较大则所得到的开口气孔率也不同，所以吸水率也不相同。3.3体积密度，吸水率和气孔率的关系体积密度与气孔率呈现出一个反向变化的趋势,即体积密度越大气孔率越低。样品中气孔量增大直接导致体积密度的降低,以及气孔率的升高。样品吸水率直接与气孔率相关,气孔率越大其吸水率也随之越高,吸水率主要是由于气孔多呈现开口气孔所导致的。3.4抗压强度样品的抗压强度如图3-4所示：抗压强度如图3-4样品名称 断裂压力（kN） 抗压强度(MPa)样品1 0.1767 0.442样品3 0.2397 0.499样品4 0.1293 0.539样品5 0.8272 1.225 由表可以看出不同发泡剂的样品其机械强度变化较大。不同烧结制度的样品其机械强度变化也比较大。如果烧结温度适中烧结时间适当边长则烧结后样品内部没有出现直径比较大的大气孔,均由孔径范围比较接近的一些小气孔组成，因此最终表现出具有较大的抗压强度。样品中出现了直径过大的大气孔,大气孔的存在严重影响了样品的抗压强度。因此,泡沫玻璃样品中如果发泡剂含量过高,虽然样品会具有较低的密度和很高的气孔率,但机械强度会很差,严重影响其实际应用。泡沫玻璃的抗压强度还与受压方向有关，压力方向和发泡方向平行时抗压强较高，压力方向和发泡方向垂直时抗压强度较小。泡沫玻璃的抗压强度远大于其他有机隔热材料。3.5化学稳定性的测定3.5.1耐酸性测试 通常来讲,泡沫玻璃的化学稳定性主要包含两类:一种是耐水性;另外一种是耐酸性。由于泡沬玻璃的多孔结构,能够吸收大量水分,在水分对玻璃表面侵烛的过程中,吸收的水分与玻璃表面结合能够对水的侵烛起到保护作用。因此泡沫玻璃具有极好的耐水性。实验中主要测试了泡沫玻璃样品的耐酸性。表3-5为各样品的耐酸性数据。可以看出,制备的样品均具有很高的耐酸度, 该测试结果表明,样品均能一定的酸性环境中进行应用。除HF酸外,玻璃一般不与其他的酸发生化学反应,酸一般通过水的作用来侵烛玻璃。由于实验制备的泡沫玻璃属于硅酸盐体系玻璃,具有非常致密的Si04娃氧四面体结构,玻璃的网络连接程度非常紧密,使酸腐烛的程度很小,因此样品具有很高的耐酸性。样品的耐酸性如表3-5所示。耐酸性表3-5样品名称 耐酸性样品1 99.64%样品2 99.56%样品3 99.70%样品4 99.75%样品5 99.77%样品6 99.56%图3-5样品耐酸性3.5.2耐碱性能测试泡沫玻璃的耐碱性能如表3-6所示:耐碱性3-6样品名称 耐酸性样品1 99.45 %样品2 99.55%样品3 99.23%样品4 99.45%样品5 99.78%样品6 99.56%图3-6样品耐碱性通过试验表明，泡沫玻璃在碱溶液浸泡的过程中，未与其它物质进行反应，也未生成新物质，同时，碱溶液也对泡沫玻璃样品表面未造成侵蚀现象。因此可以得出结论，即泡沫玻璃的具有较好的耐碱性能。第四章 工艺对泡沬玻璃结构及性能的影响通过第三章对所得样品性能的测试，可以得出样品5具有较好的均勻的气孔结构,同时具有较低的体积密度和很高的气孔率,以及很高的机械强度,样品其综合性能最佳。由于样品3,4,5为同一发泡剂，只是采用的烧结制度不同而得到的产品的性能也有所不同，本章主要研究采取不同的烧结温度和烧结时间来制备样品,研究烧结温度和烧结时间等工艺参数的变化对样品结构及性能的影响。4.1烧结温度对结构和性能的影响由于泡沫玻璃作为一种大产量实际应用的产品,必须考虑其实际生产成本, 目前查阅的文献中利用粉煤灰、玻璃粉作为主要原料制备泡沫玻璃时,均采用较高的温度来烧结制备13,烧结温度在900度到1200度范围内。因此本实验中探索采用尽可能低的烧结温度来进行制备,样品3,4,5采用750度和800度两种不同的发泡温度。 泡沫玻璃制备的关键在于样品的软化温度和发泡温度范围比较一致这样在发泡剂分解或氧化过程中产生的气体被包裹在软化的还体中,气泡得以保存最终在样品中形成气孔结构16实验中发现,在700度到800度温度区间内,由于烧结温度还没有达到样品还体的软化温度,样品还体还没有完全软化,发泡剂虽然已部分甚至完全分解,但产生的气体直接从还体中挥发出去,无法被包裹在样品内部,没有形成气孔结构,最终无法制备得到发泡良好的泡沫材料。而当烧结温度达到750度时,实验成功制备出发泡良好、样品体积膨胀很大的泡沫材料。因此,本实验选择的泡沫材料最低烧结温度为750度。当烧结温度超过850度时,样品在烧结过程中内部成功形成很多气孔结构,但由于在高温作用下,气孔大量贯穿连通,内部出现很多直径很大的孔洞,这种不均匀的结