1、西南科技大学本科生毕业论文 1 以纯碳为发泡剂制备低密度泡沫玻璃 摘要： 泡沫玻璃是以废玻璃为主要原料，以发泡剂、助溶剂和促进剂等为添加剂，经过细碎、粉磨而形成配合料，再经过低温预热、高温熔融、发泡、稳泡、退火等工序形成的内部充满连通或封闭气孔的无机非金属材料。本 论文 选用（绿色）废瓶罐玻璃为主要原料，以纯碳和 CaCO3 为发泡剂， Na2CO3、 (NaPO3)6 为添加剂，采用 粉末烧结法 制备了低密度泡沫玻璃。 实验结果表明： 以纯碳 和 CaCO3为发泡剂， 碳酸钙掺量 3.0%，纯碳 掺量 0.4%，发泡温度 840，保温时间 70min 时 ，制备的泡沫玻璃密度为 240kg/
2、m3 左右 ， 样品 内部孔径大小均匀一致，孔壁厚度也 较薄。 关键词： 配合料 ； 低密度泡沫玻璃 ； 发泡剂 西南科技大学本科生毕业论文 2 Preparation Of Blowing Agents That Pure Carbon To Low-density Foam Glass Abstract： Foam glass is a special glass inorganic non-metallic material full of connectivity or closed internal pores. It is mainly produced by broken gla
3、ss or waste glass. And blowing agents， co-solvents， enhancers as additive. Batch formed by the way of crushing and grinding. It can be produced after a warm-cold, hot melt, foam, foam stabilization， annealing and other processes. In this thesis， (green) waste container glass is the main raw material
4、， pure carbon and CaCO3 as blowing agent. And Na2CO3、 (NaPO3)6 as additive. Low-density foam glass prepared by powder casting . Finally, The results showed that: Pure carbon and CaCO3 as the blowing agent， calcium carbonate content of 3.0%， pure carbon content of 0.4%， and the foaming temperature 84
5、0 ， holding time 70min， foam glass prepared density of about 240kg/m3， and the pore size Inside the sample uniform，Pore wall thickness thinner. Key words： batch； low-density foam glass； blowing agents； 西南科技大学本科生毕业论文 3 目 录 摘 要 . 1 ABSTRACT. 2 1 绪论 . 4 1.1 泡沫玻璃概述 . 4 1.2 泡沫玻璃研究背景 .4 1.3 泡沫玻璃国内外研究状况 .
6、5 1.3.1 国外泡沫玻璃研究现状 . 5 1.3.2 国内泡沫玻璃发展 . 6 1.4 本课题的研究内容 .6 2 实验原材料、各种试剂以及设备选择 . 7 2.1 实验原料的选择与制备 . 7 2.2 发泡剂的选择 . 7 2.3 各种添加剂 的选择 . 7 2.3.1 助溶剂的选择 . 7 2.3.2 稳泡剂的选择 . 7 2.4 泡沫玻璃的制备 工艺流程 . 8 2.4.1 配合料的制备（湿磨法） .9 2.4.2 煅烧 制度 的确定 . 9 2.5 性能测试方法 .10 2.5.1 差热分析 . 10 2.5.2 X射线衍射分析 . 10 2.5.3 体积密度的测定 . 10 2.
7、5.4 微观结构分析 . 10 2.6 本论文涉及的仪器设备 . 11 3 实验结果分析与讨论 . 12 3.1 原材料的矿物组成 分析 .12 3.2 配合料的差热分析 .14 3.3 实验方案设计（单因素实验） . 15 3.3.1 空白试验 . 15 3.3.2 不同发泡温度、发泡剂掺量对泡沫玻璃性能的影响 . 15 3.3.3 不同保温时间对泡沫玻璃性能的影响 . 17 3.4 微观结构分析 .18 4 泡沫玻璃的常见缺陷与原因分析 . 21 4.1 制品出现凹陷坍塌 .21 4.2 制品底部大孔 . 21 4.3 制品内部发泡不均 . 21 5 结论 . 23 致 谢 . 24 参考
8、文献 .25 西南科技大学本科生毕业论文 4 1、绪论 1.1 泡沫玻璃概述 泡沫玻璃是一种以碎玻璃或废玻璃为主要原料，以发泡剂、助溶剂和促进剂等为添加剂，经过细碎、粉磨而形成配合料，再经过低温预热、高温熔融、发泡、稳泡、退火等工序形成的内部充满连通或封闭气孔的无机非金属特种玻璃材料。低密度泡沫玻璃是利用碎玻璃制造的一种气孔率大于 90%的隔热保温材料，它具有强度高、导热系数小、吸水率低、不吸湿、耐腐蚀等特性，在潮湿环境下抗冻性能好，是一种优良的低温、超低温隔热保温材料。 泡沫玻璃属多孔玻璃的一种，是均匀的气相和固相体系，气泡直径在 0.15 mm，气泡总量占总体的 80%95%，体积密度约为
9、 120500kg/m3。根据泡沫玻璃内部气孔与玻璃相分布情况的不同，可将泡沫玻璃分为闭孔泡沫玻璃和通孔泡沫玻璃 1-2。 1.2 泡沫玻璃研究背景 泡沫玻璃原料来源丰富 ,价廉的工业废渣、废玻璃及天然的硅质尾矿等均可为主原料。而当今社会，科学技术发展迅速，人民生活水平日益提高，玻璃不仅广泛应用于房屋建筑和百姓的日常生活中，而且发展成为生产科研以及高端技术不可或缺的新材料。与此同时也避免不了会产生许多玻璃废弃物，变成大量的废玻璃。废玻璃类物质，因其化学性质稳定，一般方法和自然循环对其的消纳很慢。若长时间停留于少量水中，会析出钠离子，使得水的 pH 值升高。如过多的存在于居所或耕地的附近，其锋利
10、的刃口将会是周围人畜的安全隐患。由此可见，大量废玻璃对人们的生活 和生产以及环境都带来不利的影响，同时也是一种资源的错误闲置 3-4。 以废玻璃为原料研制泡沫玻璃 ,可以降低泡沫玻璃的生产成本 ,保护环境、变废为宝 ,具有明显的经济效益和社会效益。 泡沫玻璃的独特性质使得其可以广泛应用，主要是在工业、建筑、住宅和公共设施以及私人建筑和农业等应用领域的通用隔热保温体，非常重要的是结合了环保清洁和保温性能的特性 。 和正常玻璃一样，环保干净的泡沫玻璃可以广泛用于食品和医药工业。 使用泡沫玻璃能够替代有毒有害的保温材料例如石棉材料等。而使用废玻璃经粉碎、掺加发泡剂等工艺 ,可生产出各种色彩艳丽的泡沫
11、玻璃。 西南科技大学本科生毕业论文 5 1.3 泡沫玻璃国内外研究状况 1.3.1 国外泡沫玻璃研究现状 首例泡沫玻璃是 1935 年由法国 Saint-Gobain 公司研制成功的 5。研制所用原料为过 0.9mm筛的玻璃粉加碳酸钙作为发泡剂，加热到 850860，经过发泡、退火制成轻石状的泡沫玻璃 6-7。 随后 1939 年前苏联在门捷列夫化工学院中间实验厂也研制生产了泡沫玻璃 8，配合料为平板玻璃粉和发泡剂（煤和石灰石）的混合料。 1941 年，美国匹茨堡康宁公司以碳素作为发泡剂，研制出了其孔结构封闭的闭孔型泡沫玻璃。 1945 年，日本的旭玻璃公司和日本硝子公司以碳酸钙为发泡剂，联合
12、开发出了具有现代意义的连通气孔的开孔型泡沫玻璃制品 9。 近年来，国外对于泡沫玻璃的研究方向种类繁多，可谓百花齐放。德国纽伦堡大学材料科学系的 Mirabbos Hojamberdiev等在有机浆料浸渍法的基础上加以微晶处理制备了高气孔率钙长石泡沫微晶玻璃，研究了烧结工艺条件和添加剂含量对微观结构和物理性 能的影响，该法与粉末烧结法和固态反应法相比，缩短了烧结时间、降低烧结温度；韩国首尔大学材料科学与工程学院的 Young-Wook Kim 等首创蒸汽室成型和高温分解相结合的方法制备了硅碳氧系泡沫玻璃，该法以多孔聚硅氧烷微球混合物为主要原料，在蒸汽室成型过程，聚氧硅烷发生软化，多孔微球膨胀成大
13、的三维球体，在高温分解过程中，微球产生分解即得气孔率较好的硅碳氧系泡沫玻璃；英国华威大学工程学院的 Kajal.K.Mallick 研究了应用冷冻铸造技术制备具有生物活性的泡沫玻璃，料浆常温浇铸， -70到 60之间升华干燥，然后在 1100保温 4h，制得空间连通良好的开孔材料，并探讨了所得泡沫玻璃在组织工程应用的可能性；伊朗伊斯法罕理工大学材料工程系的 H. Ghomi 等 80通过在纯羟基磷灰石中加入 63S 生物活性玻璃制得纳米泡沫玻璃，研究了制品生物活性及机械性能随加入量的变化规律，结果表明，制品的化学组成与骨骼相似，可通过改变羟基磷灰石 /生物活性玻璃的比例来得到合适的生物活性和生
14、物降解性以满足不同生物医学应用所需；葡萄牙阿威罗大学陶瓷和玻璃工程系的 H.R. Fernandes 等以平板玻璃和火力 发电厂的粉煤灰为原料，以商用白云石和含方解石的烂泥为发泡剂制备了泡沫玻璃，研究了烧结温度、发泡剂种类及用量对制品体积密度、抗压强度、微观结构及结晶物相的影响，结果表明加入 12 wt%发泡剂的配合料在 850下烧结所得制品的物理性能及气孔结构良好1。 西南科技大学本科生毕业论文 6 1.3.2 国内泡沫玻璃发展 我国泡沫玻璃的研究起步晚，工艺技术发展缓慢，且生产的泡沫玻璃成本较高，但质量不高，致使国内泡沫玻璃产业发展艰难，至今尚未形成产业规模。故加大科研力度，降低生产成本，
15、提高泡沫玻璃的质量和产量，是未来一段时间需要重点解决的问 题。 我国于 1955年在沈阳陶瓷厂开始试制泡沫玻璃 1970年大连玻璃制品厂研制出了保温泡沫玻璃 1975 年沈阳陶瓷厂与大连轻工业学院合作研制生产国际重点工程急需的吸声泡沫玻璃， 1251600Hz平均吸声系数达 0.5以上。 20 世纪 90年代初期，生产的产品质量与发达国家相比 ， 仍然存在一定差距 ， 生产能力也有限 ，产品品种也比较单 一，绝大部分为绝热泡沫玻璃，主要用于工业保温领域 10-16。20世纪 90年代中后期，我国相继开发了吸声泡沫玻璃、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，并且有少量
16、产品开始出口到东南亚国家。 2004 年我国泡沫玻璃的实际年产量约为 7 万立方米 17。 2005 年 7月， JC/T647-2005泡沫玻璃绝热制品颁布实施，为厂家提高产品的质量提供了依据 18。 尽管现在我国泡沫玻璃的生产技术还不够成熟 , 但其在节能、环保、防水、防潮、隔音、降噪、安全和装饰等方面所起的作用是不容忽视的。 目前， 我国 国内 泡沫玻璃 的年产量为 5 万 m2， 而仅我国国内的实际年需求量就在 10万 m2以上，而且国外也存在着需求市场， 所以 ，泡沫玻璃具有广阔的市场发展空间 19。 与此 同时，随着人们 对 建筑节能环保意识的日趋提高，泡沫玻璃在未来必然会有更为广
17、阔的发展 前景 。 1.4 本课题的研究内容 本课题研究的主要目的就是采用 碎玻璃为基础材料 , 以纯碳为发泡剂，采用粉末烧结法制造出一种气孔率大于 90%的泡沫玻璃 ,同时具有强度等综合性能良好的产品来满足实际使用要求 ,从而实现大量有效处理利用废物解决环境污染的问题实现很好的社会效益 ,同时另一方面生产制备出具有极大经济价值的泡沫玻璃 ,达到变废为宝的主要的目的。 西南科技大学本科生毕业论文 7 2、实验原材料、各种试剂以及设备选择 2.1 实验原料的选择与制备 原料的选择应同时满足以下要求 :质量必须符合要求 ,而且成分稳定 ;易于加工处理 ;成本低 ,能大量供应 ,对人体健康无害。废玻
18、璃作为泡沫玻璃的原料不仅满足上述要求 ,而且使用废玻璃可为废物利用保护环境开辟一条新途径。废玻璃量大 ,且多以平板玻璃和瓶罐玻璃为主。根据这一情况 ,本设计在原料配方的选择时主要采用市售废（绿色）瓶罐玻璃。它的选用对制备工艺过程和所得制品的性能有着重要的影响，还可以用粉煤灰、尾矿渣、火山灰、珍珠岩等固体废弃物及矿物部分替代，但是需要对其进行筛选和预加工处理。通过 XRF定性半定量分析（ X射线荧光光谱 分析） 可以得知其化学组成如下 2-1表所示。 2-1废（绿色）瓶罐玻璃玻璃粉 XRF 定性半定量分析 Al2O3 BaO CaO Fe2O3 K2O MgO Na2O SiO2 SrO ZrO
19、2 1.6 0.31 21.86 1.56 0.85 0.37 3.24 69.1 0.12 0.12 2.2 发泡剂的选择 常用的发泡剂包括碳粉、石墨、 SiC、 CaCO3、硫酸盐、白云石等。本实验采用一定比例的 CaCO3加上不同比例的碳粉作为发泡剂这是因为通过实验了解到玻璃粉的熔融温度介于两者之间，而且 CaCO3 分解残留的 CaO 可作为玻璃网络形成体，增强玻璃的网络结构。硫酸盐的发泡温度普遍在 1000以上，与配合料的软化温度相比偏高，这样会出现配合料软化阶段发泡剂却未发生反应生成气体的情况，不适合本实验。 2.3 各种添加剂的选择 2.3.1 助溶剂的选择 在泡沫玻璃制备时，助
20、熔剂的作用是为了降低碎玻璃的软化温度或者熔融温度、加速玻璃的熔化，从而降低配合料的发泡温度，本课题选用 Na2CO3 作为助熔剂，在泡沫玻璃的制备过 程中， Na2CO3 受热分解生成大量的 Na2O， Na2O 是玻璃网络外体，在玻璃熔化时会破坏 SiO4四面体中的硅氧键，硅氧四面体主要作为一种网络形成体 ,在粉料的熔化过程中 ,Na2O 可分化 Si-0 键而形成 Na-0 键 ,而Na-0的键能要比 Si-0键键能小得多 ,形成键所需的能量相对较少 ,因而可较大幅西南科技大学本科生毕业论文 8 度地降低粉料的熔融温度 ,达到助熔的作用 ,最终降低烧结温度。 2.3.2 稳泡剂的选择 为了
21、稳定高温熔融状态下配合料中的气泡结构，通常还会引入适量的稳泡剂，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 -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 ,自由能急剧增加 ,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、三氧化二锑等。 本课题选取 (NaPO3)6作为稳泡剂，在泡沫玻璃制备的高温阶段， (NaPO3)6在高温下发生
22、如下反应 : (NaPO3)62Na 3PO4+2P205 其分解产生的 P2O5中的 P5+是网络形成离子 ,形成 P04四面体 ,P04四面体可与 Si04四面体一起构成连续的网络 ,提高高温下溶体的粘度 ,有利于形成的泡孔的稳定。但掺入过多的 (NaPO3)6 会导致气孔孔径增大 ,形成更多的连通孔。一般选用 (NaPO3)6作为稳泡剂 ,其掺量控制在 5%以内。 本课题在制备泡沫玻璃时所用原料化学成分、纯度及相关生产厂家信息如下表 2-2 所示。 表 2-2 泡沫玻璃的主要原料明细表 名称 分子式 纯度 /% 纯度 生产厂家 废 瓶罐 玻璃 普通市售 纯碳 C 普通市售 碳酸钙 CaC
23、O3 99% 分析纯 成都科龙化工试剂厂 无水碳酸钠 Na2CO3 99.8% 分析纯 成都科龙化工试剂厂 六偏磷酸钠 (NaPO3)6 P2O3 66% 分析纯 成都科龙化工试剂厂 2.4 泡沫玻璃的制备 工艺流程 本 论文 采用粉末烧结法制备泡沫玻璃 在实验过程中发现，将配合好的原料加水湿磨进行混合的料粉，进行烘干、研磨、称料、煅烧后获得的泡沫玻璃制品内部气孔大小均匀一致，因此，本论文样品的混合采用湿磨的方式进行，具体工西南科技大学本科生毕业论文 9 艺流程见图 2.1所示。 图 2.1 泡沫玻璃的制备工艺流程 2.4.1 配合料的制备（湿磨法） （ 1）配合料的制备和湿磨：将磨碎后的玻璃
24、粉，以及发泡剂和各种添加剂混合均匀，加入适量清水后，湿磨 5分钟。然后放入 105的电热恒温鼓风干燥箱中烘干 20小时。 （ 2）称量：烘干后的配合料为很硬的大块，先捣碎磨细，然后，使用直径 0.5mm的筛子多次筛分，可得比较细的粉料。然后使用称量精度为 0.01 g 的电子天平开始称量，由于本次试验使用总体积为 360ml 的陶瓷 干锅 进行烧结试验，每次称量配合料的质量不宜过多，每次大概取用 70g 的配合料开始试验。 2.4.2 煅烧 制度的确定 （ 1）预热：将称好的配合料烧杯按顺序放入电阻 炉中，以 7 /min 的速度缓慢升温至 450 ，保温 20 min，此过程主要是为了使配合
25、料中的化学结合水、吸附水和游离水脱离，且确保配合料能够受热均匀，所以升温速率不能过快。 （ 2）加热过程：预热完成后，需将试条迅速加热到发泡温度使其烧结，在此升温过程中，已有部分发泡剂开始分解，生成气体，快速升温的目的是为了减少发泡剂在此过程中的分解和挥发，并通过此过程中配合料的膨胀和快速软化，将尽可能多的气相包裹在配合料而不逸出，确保发泡时有充足的气体。在此升温过程碎玻璃 湿磨 混合 配合料 发泡剂 添加剂 烘干 磨细 筛分 称量 预热 加热 发泡 稳泡 退火 西南科技大学本科生毕业论文 10 中，升温速度为 20 /min。 （ 3）发泡过程：将配合料温度缓慢升温到发泡温度，并保温一定时间
26、，使发泡剂尽量发泡，气孔充分长大，升温速度为 10 /min。 （ 4）稳泡过程：发泡过程完成后，以 15 /min 的速度快速降温到 600，这样做的目的是通过配合料的快速固化成型，保持泡沫玻璃制品在高温状态下的气孔结构，避免因配合料收缩而造成的气体溢出。 （ 5）退火过程：稳泡阶段的快速降温使泡沫玻璃制品内部生成了一定的结构应力，为消除应力，将制品 600下保温 30 min，然后关闭电源随炉冷却至室温。 2.5 性能测试方法 2.5.1 配合料的差热分析 泡沫玻璃制备所用配合料在经受加热升温过程时，会发生许多物理化学反应，并伴随有热量和质量的变化，通常通过热分析来了解这些反应和变化。 本
27、课题使用瑞士梅特勒公司生产的 TGA/SDTA851e 型热分析仪对泡沫玻璃配合料进行差热分析，了解配合料的热变化规律。 2.5.2 X 射线衍射分析 泡沫玻璃的生产对原料的要求有很高的要求，本实验对玻璃粉进行了 X射线荧光光谱 分析，真实了解了玻璃的 化学组成，在上文中，已经写出了玻璃粉的化学组成部分。另外，本实验对实验使用的试剂进行了 X射线衍射仪分析，下文将做详细的介绍。 2.5.3 体积密度的测定 为了测量实验后的体积，本实验采用的方法是：首先，对陶瓷杯注满水，测量水的体积，可得烧杯的总体积 V1；然后，在烧结介绍冷却后，向含有样品的烧杯中再次注满水，测量剩余体积 V2；最后可得实际体积 V3=V1-V2（ ml）。 密度的测量则用 烧后质量除以实际体积，即 a=M 剩余 /V3； 2.5.4 微观结构分析 为了了解本产品的表面结构，本课题本实验使用 Gaosuo Digital Engineering Dept 所生产的 GAOSUOX 数码显微镜对试验所得样品观察测试，得到其表面形貌的微观照片。 实验方法：首先，按照说明书安装驱动和链接 USB接口，然后开始观察。
