泡沫玻璃气泡缺陷与解决方案

2 泡沫玻璃发泡机理
泡沫玻璃的发泡机理是 ,将配合料加热到基础玻璃软化温度以上时 ,发泡剂开始发生氧化或分解反应 ,
产生大量的气体 ,而这些气体刚好被已经软化的基础玻璃原料所包裹 ,随着时间的延长 ,温度的升高 ,玻璃相
黏度降低 ,气泡内压力增大 ,当气体压力大于玻璃表面张力 ,玻璃壁变薄 ,气体体积增大 ,形成较大的气泡 ,经
180 0. 066 0
160 0. 074 3
140 0. 084 9
发泡剂实际需求量 (质量分数 ) / %
0. 148 5
0. 165 0
0. 185 8
0. 212 3
示例 2:发泡剂最小颗粒 。按泡沫玻璃外观气泡尺寸平均为 1 mm ,为简化计算过程 ,将碳黑反应按一级
反应考虑 ,即 C
+
第203079卷年第8月4期
玻璃与搪瓷 GLASS & ENAM EL
泡沫玻璃气泡缺陷与解决方案 3
Vol. 37 No. 4 Aug. 2009
田英良33 ,孙诗兵 ,张 磊
(北京工业大学材料科学与工程学院 ,北京 100124)
摘要 :泡沫玻璃是一种具有均匀气泡结构的玻璃制品 ,具有隔热 、吸声 、防潮 、防火等特点的轻质 高强建筑材料和装饰材料 。泡沫玻璃的生产过程中 ,经常会遇到气泡结构不均或大气泡等气泡 缺陷 。本文从气泡的产生机理分析入手 ,针对具体的气泡缺陷种类 ,分析产生原因 ,提出解决方 案 ,更好地实现泡沫玻璃的内在和外观质量 。
T IAN Y ing - liang, SUN S h i - bing, ZHAN G L ei
(College of M aterials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
泡沫玻璃气体所占体积为 V1 ,以 1 m3 泡沫玻璃为例计算 。
V1
=
1
000 ( 1
-
ρ 1
/ρ2 )
= 1 000 ( 1 - 200 /2 500)
= 920 (L )
M
= T0 V1 T1 R
=
273 ×920 ( 860 + 273) ×22.
4
= 9. 9 (mo l)
m = 9. 9 ×12 = 118. 8 = 0. 188 8 ( kg)
Abstract: Foam glass is a kind of glass that contains homogeneously distributed bubbles. It is a lightweight high - strength architectural and decorative m aterial w ith characteristics of excellent thermal insulation, sound absorp tion, hum idity - p roof and fire resistance, etc. In foam glass p roduction, a lot of bubble defects, such as inhomogeneity in structure or big sized bubbles appeared quite often. B ased upon the bubble form ation mechanism the bubble defects were analyzed and their solutions were also p roposed, so that a better appearance and intrinsic quality of foam glass can be achieved.
泡沫玻璃的大气泡多以圆形或椭圆形为主 ,出现的部位多数在中心和边部 ,孔径在 10～100 mm 范围 。 产生原因 : ①废玻璃的清洁处理不够 ,应该去除废玻璃表面的灰尘 、泥土 、油污 、有机碎屑 (树叶 、纸屑 、塑料 ) ,有机 碎屑会造成 10 mm 左右的气泡 。
第 37卷第 4期 玻璃与搪瓷 · 3 5 ·
③加热升温速率过快 ,因为泡沫玻璃配合料的热传递速率慢 ,致使配合料内外产生较大温差 ,内部的发
泡已经开始发生反应 ,但是玻璃未能软化包容气体 ,所以更多的气体聚集在一起形成大的空穴 。
④发泡温度过高也会导致大气孔出现 ,原因在于发泡温度过高时 ,玻璃黏度过小 ,反应的气体压力过高 ,
冲破玻璃熔体的包裹 ,最终汇集成大气泡 ,一般伴随泡沫玻璃坯体上表面下陷现象 。
CaCO3 、轻质 CaCO3 、白云石 、BaCO3 、SrCO3 ;硫酸盐类 : CaSO4 、N a2 SO4 ;硝酸盐类 : N aNO3 、KNO3 ;有机类 :聚苯 乙烯颗粒 、木质素磺酸盐 。
2. 2 发泡反应机理 [ 5 ]
2. 2. 1 氧化型反应机理
碳黑是氧化型发泡剂的典型代表 ,碳黑作为发泡剂 ,是基于碳元素与玻璃中的某些携氧体 (MxOy ) 、氧
(3)
( y - x) C + Mx Oy →xM ( y /x) O + ( y - x) CO ↑
(4)
3C + 2OH - + 2SO3 →3CO2 + H2 S↑ + SO2 ↑
(5)
注 :式 (4)中 M 为 Fe、Mn等过渡金属氧化物 ,式 (5)会生成 SO2、H2 S等刺激气味气体 。
DC
=
3
M T0
ρ 3
R
T
百度文库DQ
(8)
式中 M —碳黑的摩尔质量 ; R —气体常数 。
DC
=
3
12 ×273
2 000 ×22. 4 ×(273 + 860)
×0. 001
= 0. 000 040 (m )
= 40 (μm )
(9)
所以碳黑为发泡剂时 ,碳黑颗粒大小决定了泡沫玻璃气泡尺寸大小 ,表 2为不同泡沫玻璃气泡尺寸所需
氧化或高温残存在玻璃内部 。通常泡沫玻璃生产过程中碳黑的实际添加量 (质量分数 )为 0. 1% ～0. 3% ,表
1为各种密度泡沫玻璃碳黑理论需求量和实际需求量 。
表 1 各种密度泡沫玻璃碳黑理论需求量
泡沫玻璃理论密度 / ( kg /m3 ) 发泡剂理论需求量 (质量分数 ) / %
200 0. 059 4
求的碳黑颗粒尺寸 。
表 2 不同泡沫玻璃气泡尺寸所需求的碳黑颗粒尺寸
泡沫玻璃气泡尺寸 /mm 碳黑颗粒尺寸 /μm
1. 00 40
0. 80 32
0. 50 20
0. 40 16
0. 30 12
0. 20 8
3. 2 边部孔穴 边部孔穴是指在泡沫玻璃毛坯制品外侧产生不规则的孔洞 ,其直径或深度可达 30 mm ,影响产品的成品
关键词 :泡沫玻璃 ;气泡结构 ;缺陷 ;解决方案 中图分类号 : TQ171. 72 + 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 2871 (2009) 04 - 0033 - 04
The D efects of Bubble Structure in Foam Gla ss and The ir Solution s
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
3 收稿日期 : 2009 - 03 - 23 33 作者简介 :田英良 (1969 - ) ,男 ,副教授 ,主要从事玻璃材料研究与开发 。 E - mail: boli106@126
Key words: foam glass; bubble structure; defect; solution
1 泡沫玻璃简介
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 、烧结 、发泡 、退火等工艺制成的多孔玻璃材料 [1 ] 。泡沫玻璃是由大 量的直径在 0. 1～3 mm 的均匀气泡结构组成 ,气泡的体积占总体积的 80% ～95%。它的表观密度为 100～ 300 kg /m3 ,可根据使用的要求 ,通过生产技术参数的变更来调整其密度 [ 2 ] 。
w = m /ρ1 = 0. 118 8 /200 ×100 = 0. 059 4 ( % ) 所以碳黑为发泡剂时 ,制备密度为 200 kg /m3 泡沫玻璃 ,碳黑的理论需求量 (质量分数 )为 0. 059 4% ,尽
管碳黑的纯度较高 ,在泡沫玻璃的实际生产过程中 ,仅有大约 40%能够发挥作用 ,其余部分在中低温条件中
过快速冷却 ,形成稳定的多孔玻璃结构 。
2. 1 发泡剂分类
依据发泡剂的发泡机理 ,可将发泡剂分为氧化型发泡剂和分解型发泡剂 ,两种类型的典型代表分别为碳
黑和碳酸钙 。按发泡剂的组成分类主要包括碳系列 :乙炔碳黑 (碳的质量分数 98% ) 、无烟煤 ( 92. 17% ) 、碳
黑 (89. 38% ) 、石墨 (87% ) ;碳化物类 : 碳化硅 、碳化钙 ; 含结构水类 : 水玻璃 、硼砂 、硼酸 ; 碳酸盐类 : 重质
O2 →CO2
(气体 )
,并且碳黑表观密度
ρ 3
为
2 000 kg /m3 ,发泡温度为 860℃,假设泡沫玻璃
气泡尺寸 DQ 为 1 mm ,假设泡沫玻璃每个气泡为 1粒碳黑反应生成 ,则颗粒 DC 尺寸为 :
32πDC 3 ×1 000 3M
×ρ3
×R 1 000
×T
T0
= 32πDQ 3 π 3
⑤在发泡炉内 ,发泡炉断面温度分布不均 ,局部过热也会产生大气泡 。
示例 1:发泡剂最小需求量 。为简化计算过程 ,将碳黑反应按一级反应考虑 ,即 C + O2 →CO2 (气体 ) ,假
设制造的泡沫玻璃密度
ρ 1
为
200
kg /m3 ,发泡温度
T1 为
860
℃,而平板玻璃密度
ρ 2
取
2
500
kg /m3 ,每立方米
CaCO3 →CaO + CO2 ↑ CaCO3 + SiO2 →CaSiO3 + CO2 ↑
(6) (7)
3 泡沫玻璃的气泡缺陷
目前 ,泡沫玻璃工业生产过程中常见的气泡缺陷主要有如下几种典型特征 ,针对以碎平板玻璃为原料 , 采用“两步法 ”生产工艺 ,碳黑为发泡剂 ,对泡沫玻璃气泡缺陷种类进行分析 ,并提出解决方案 。 3. 1 大气泡
②碳类发泡剂 ,一是碳类发泡剂粒度过粗 ,要求碳类发泡剂粒度在 40 μm 以下 ,甚至 20 μm 以下 ,二是
发泡剂纯度不好 ,有一些 400℃以下低挥发分会过早进行反应 ,最终导致气体集中形成大气泡 ,这类气泡往
往大于 10 mm ,三是发泡剂用量偏多 ,碳黑发泡剂的合理用量及最小颗粒计算见示例 1和示例 2。
· 34 · 玻璃与搪瓷 2009年 8月
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 [3 ] 。虽然其它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 、吸音工程等领域占据越来越重要的地位 [4 ] 。
碳黑除了具有发泡剂作用 ,还具有稳定剂的作用 。当有未反应碳黑时 ,由于它和液态玻璃的化学亲和力
较小 ,几乎不被玻璃所浸湿 ,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 ,从而有利于气泡
孔的稳定 。
2. 2. 2 分解型反应机理
分解型发泡剂主要属于碳酸盐和硫酸盐 ,当其被加热到高温时 ,发生分解反应释放出 CO2 或 SO2 气体 , 其典型代表是碳酸钙 ,其化学反应方程式如下 :
气 、水分等进行氧化反应 ,产生大量气体 ,气体主要有 CO2、CO、SO2 、H2 S等 ,其化学反应方程式如下 :
C + O2 →CO2 ↑
(1)
C + H2 O →H2 ↑ + CO ↑
(2)
CO2 + C→2CO ↑