粉煤灰泡沫玻璃的研制_何峰

收稿日期: 2003-08-04 何 峰: 男 , 1965年生 ,副教 授 ; 武汉 ,武汉 理工大 学材 料科 学与工程学院 ( 430070) .
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综合各方面的因素 ,粉煤灰可以用于泡沫玻璃 的制备 ,随着粉煤灰掺入量的增加 ,泡沫玻璃中气孔 的中的细小颗粒会有所增加。 另外 ,发泡剂、助熔剂 的掺入量的变化 ,泡沫玻璃的有关性质会发生明显 的变化。
图 7 A2 , A3 试样的扫描电镜照片
3 结 论
( 1)以废玻璃和粉煤灰为主要原料 ,并添加发泡 剂、助熔剂、稳定剂制备出了粉煤灰泡沫玻璃。 废玻 璃和粉煤灰的用量比例 1∶ 3. 56。
关键词: 泡沫玻璃 ; 废玻璃 ; 粉煤灰
泡沫玻璃是一种整体充满微小均匀开口或者气 孔 (以闭口为主 )的工业绝热和建筑保温材料 ,其气 孔率可达到 80% ～ 90% [1 ] ,它具有质轻 保温、耐腐 蚀、不易燃烧、耐冷热冲击等一系列特点。 泡沫玻璃 在所有等容重的隔热材料中机械强度是最高的。 作 为一种高级隔热保温材料 ,被 广泛应用在石油、化 工、冷藏、建筑国防等部门 [2, 3 ]。粉煤灰作为一种工业 废渣 ,如果处理不当会对环境造成严重的污染。利用 工业废渣制备泡沫玻璃 ,不但可以降低成本 ,而且可 以净化环境 [4～ 6 ]。文章探讨了以平板碎玻璃粉末、粉 煤灰为主要原料 ,加入适当的辅助剂 ,在一定的温度 下烧结 ,制备出了泡沫玻璃。
实验表明 , 发泡剂碳粉的掺量从 1. 0% 变化到 5. 0% ,泡沫玻璃的泡孔直径有明显增加 ,平均孔径 会从 0. 5～ 1. 0 mm 增加到 2. 0～ 3. 0 mm。
从泡沫玻璃的外观颜色观察 ,当碳粉掺量较少 时 ,由于在玻璃外层封结前已大部分被氧化 ,因此气 泡量较少 ,气泡小且颜色发白 ,随着碳粉掺加量的增 加颜色逐渐加深 ,但是 ,当碳粉掺入量过多时 ,则导 致熔融的玻璃不易将外层包裹住 ,无法形成玻化层 , 内部碳粉氧化产生的气体逸出而不能形成气泡 ,故 中间为致密的块状物 , 因此 ,以碳粉为发泡剂时 ,其 最佳掺入量为 3. 0% 。 2. 3 硼砂掺入量对泡沫玻璃性能的影响
另外 ,硼砂可改善气泡的结构 ,使其稳定化。 由 于硼砂中带入的硼在高温时起着连接玻璃网络的作 用 ,导致了玻璃熔体在高温时粘度增加而表面张力 下降 ,粘度的增加使气泡不易破裂 ,减少了连通孔出 现的可能 ,而表面张力的下降则使气泡易于长大 ,泡 壁变薄 ,但硼砂掺量过多时 ,则会出现了大小泡现 象 ,部分较大的气泡因为泡壁太薄而破裂 ,导致了连 通孔的再次出现 ,样品性能随之变差。
含量很高从而使其熔融温度和软化温度较高熔体的粘度也很大在烧成时要有较高的发泡温度随着粉煤灰掺人量的增加发泡温度逐渐升高当粉煤灰的掺人333333l234533333加加加加加加加加加加加2003年第24而当粉煤灰掺入量大于2o的时候由于此时液相粘度大玻璃液不易包裹住发泡剂导致连通孔开始出现孔型由原来的圆形变得较不规则气孔与气孔之间开始连通当粉煤灰达到3o时由于液相粘度过大样品表面无玻化层产生产生的气体逸出样品成一致密的块状物所以将粉煤灰的掺入量控制在2o95左右为佳
1. 2 泡沫玻璃制备 以不同配比的废玻璃粉和粉煤灰为主要原料 ,
外加适量的发泡剂和外加剂 ,充分混合 ,放入不锈钢 模具中 ,压实在不同的温度下进行热处理 ,得到泡沫 玻璃试样。观察样品的外部特征、气孔结构。将试样 切磨成长方条状 ,测定其密度和抗折强度。试样的配 料组成见表 2。 1. 3 扫描电子显微镜分析 ( SEM )
图 5 硼砂质量分数与泡沫玻璃密度关系
图 6 硼砂质量分数与抗折强度关系
2. 4 泡沫玻璃的显微分析 图 7为 A2 , A3 的显微结构 ,从图 7中可以看出 ,
在泡沫玻璃中含有大量的大小不一的气孔。 气孔结 构比较完整 ,无连通孔出现。随着粉煤灰质量分数的 增加 ,样品内孔的表面上有一些粗糙的细小颗粒。气 孔的均匀性有下降的趋势。
1 实验
1. 1 实验原料 实验所用原料的化学组分见表 1。
氧化物 玻璃
表 1 主要原料的化学成分 SiO2 Al2 O3 CaO M g O 71. 91 1. 48 8. 10 2. 97
w% R2 O Fe2O3 14. 08 0. 12
粉煤灰 58. 0 27. 0 2. 2
<1
- 3. 9
图 3 泡沫玻璃 抗折强度与 C粉关系
图 4 泡沫玻璃密度与 C粉关系
发泡剂对泡壁厚度会产生直接的影响 ,发泡剂 掺量较少时 ,泡沫玻璃表观密度大 ,孔隙率较低 ,孔 径比较小并且比较均匀 ,泡孔总内表面积小 ,形成的 泡壁比较厚。 另外 ,如果在烧结温度下 ,液相的粘度 偏大 ,在泡孔的膨胀和稳定过程中 ,泡壁上的应力集 中现象比较少 ,在比较大的表面张力下不容易产生 裂缝形成连通孔 ,连通孔的比例有所较低 ,所制得的 泡沫玻璃空隙率和开孔率都比较低。
本实验用日本产 S-40型扫描电子显微镜观察 泡沫玻璃样品的显微结构。
表 2 试样的配料组成
w%
编号 废玻璃粉 粉煤灰 硼砂 碳粉 二氧化锰
A1
88
5
2
3
2
A2
83
10
2
3
2
A3
78
15
2
3
2
A4
73
20
2
3
2
A5
68
25
2
3
2
A6
63
30
2
3
2
B1
75
20
2
1
2
B2
74
20
2
2
2
B3
73
20
2
3
2
国外建材科技 2003年 第 24卷 第 5期
粉煤灰泡沫玻璃的研制
何 峰 熊兰天
武汉理工大学
摘 要: 以废玻璃和粉煤灰为主要原 料 ,并添加发泡剂、助熔剂、稳定剂制备出了粉煤灰泡沫 玻璃。 通过改变粉
煤灰、发泡剂、助熔剂的添加量 ,研究了泡沫玻璃的性能与组分变化的关系 ,分析了影响泡沫玻璃质量的因素。
当发泡剂掺量较高时 ,则与上述情况恰恰相反 , 所制得的泡沫玻璃在表观密度和强度都比较低 ,孔 隙率、开孔率比较高 ,与此同时 ,连通孔中所占的比 例也比较高 ,有时候甚至会出现大气泡 ,位于试样外 部的连通泡则会造成制品吸水率升高。 连通孔的存 在 ,使得抗折强度下降。 这是由于制品的破坏 ,首先 从边部开始 ,孔径大的泡沫玻璃机械强度小 ,在经受 冲击时应力主要集中在试样表面 ,因而 ,造成破坏始 于表面。
2 W hile S C, Case E E D. Charac terization o f Fly Ash fro m Co al-fired Po wer Pla nts [ J]. J M aste r, 1990, 25: 5215～ 52 19.
3 田英多 ,邹玉林 ,赵 飞 ,等 .高性能泡沫玻璃 的研究 [ J]. 北 京工业大学学报 , 2001( 2): 247～ 250.
4 闵 雁 ,姚 旦 ,杨 健 .以废玻 璃为原料 研制泡 沫玻璃 [ J].玻璃 , 2002( 2): 39～ 40.
5 作花 济夫 .玻璃 手册 [M ].蒋 国栋译 .北 京: 中 国建 材工 业 出版社 , 1985. 143～ 148.
6 Rober t J, La uf , Micr o-st ructures of Coa l Fly Ash Par ticles [ J]. Cer amic Bull, 1982, 61: 87～ 490.
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国外建材科技 2003年 第 24卷 第 5期
量较高达到某一值时 ,气泡结构开始变差 ,粉煤灰掺 入量为 20% 时 ,气泡结构相对较完整 ,无连通孔出 现。
而当粉煤灰掺入量大于 20% 的时候 ,由于此时 液相粘度大 ,玻璃液不易包裹住发泡剂 ,导致连通孔 开始出现 ,孔型由原来的圆形变得较不规则 ,气孔与 气孔之间开始连通 , 当粉煤灰达到 30% 时 ,由于液 相粘度过大 ,样品表面无玻化层产生 ,产生的气体逸 出 ,样品成一致密的块状物 ,所以 ,将粉煤灰的掺入 量控制在 20% 左右为佳。
图 1 粉煤灰掺入量与泡沫玻璃密度
图 2 粉煤灰掺入量与泡沫玻璃抗折强度
2. 2 发泡剂对泡沫玻璃性能的影响 以碳粉为发泡剂 ,发泡剂掺量对泡沫抗折强度
与密度的关系测试结果见图 3和图 4。 试样的外观 观察与测试结果表明: 发泡剂掺量直接影响泡沫玻 璃的表观密度、开孔率和抗折强度 ,随着发泡剂掺量 的增加 ,反应放出的气体量增大 ,泡孔的孔径明显增 大 ,表观密度和抗折强度随之下降 ,开孔率随发泡剂 的掺量增多而增加。
B4
72
20
2
4
2
B5
71
20
2
5
2
C1
74
20
1
3
2
C2
73
20
2
3
2
C3
72
20
3
3
2
C4
71
20
4
3
2
C5
70
20
5
3
2
1. 4 抗折强度测试
将试样制成矩形截面的条状测试样品 ( 80 mm
× 10 m m× 6 mm ) ,在万能实验机上测定其抗折强
度。
1. 5 密度测试
将试样切磨成正规的长条形状 ,然后用游标卡
( 2)本实验中 ,较佳的泡沫玻璃组分为: w (废玻 璃 ) = 72% , w (粉煤灰 ) = 20% , w (碳粉 ) = 3% , w (硼砂 ) = 2% , w ( M nO2 ) = 2% 。
参考文献
1 秦 太超 ,屈 培元 .泡沫玻璃 在隔热工程 上的应用 [ J] .保 温 材料与节能技术 , 1994( 4): 9～ 12.
玻璃粉质量百分数从 70% 变化到 74% ,粉煤灰 为 20% ,外掺 3% 的碳粉为发泡剂 ,调节硼砂的掺入 量 ,观察硼砂掺入量对制品性能的影响。硼砂质量分 数变化与泡沫玻璃的密度和抗折强度的关系见图 5 和图 6。 从图 5、图 6中可以看出随着硼砂质量分数 的增加 ,泡沫玻璃的密度增大 ,这是因为当硼砂质量 分数增加后 ,硼砂的助熔作用更加显著 ,使的玻璃液
尺量出长、宽、高 ,计算出体积 ,将磨好的试样分析天
平称出质量 ,计算出试样的密度。
2 结果分析和讨论
2. 1 粉煤灰对泡沫玻璃性能的影响 图 1和图 2是粉煤灰掺入量与泡沫玻璃密度和
抗折强度的关系曲线。 由图可以看出随着粉煤灰含 量的增加 ,泡沫玻璃的抗折强度和密度都是升高的。 粉煤灰主要成分是 SiO2、 Al2 O3 和 Fe2 O3 ,主要以玻 璃体的形式存在。由于这些玻璃体中 , Al2O3 含量很 高 ,从而使其熔融温度和软化温度较高 ,熔体的粘度 也很大 ,在烧成时要有较高的发泡温度 ,随着粉煤灰 掺入量的增加 ,发泡温度逐渐升高 ,当粉煤灰的掺入
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国外建材科技 2003年 第 24卷 第 5期
相在较低温度出现 ,而物质质点更容易迁移 ,质点不 断重排、收缩、密实化 ,密度也随之增大。பைடு நூலகம்应的样品 变得更为致密 ,其强度也增大。 在整个发泡过程中 , 硼砂所起的作用为:
助熔作用 ,由于粉煤灰熔融温度及软化温度都 比较高 ,而加入硼砂所带入的 N a2 O 有助于熔融 ,从 而降低其发泡温度 ,随着硼砂掺入量从 1% 增加到 5% ,最佳发泡温度从 860℃降低到 820℃。