利用废玻璃制备泡沫玻璃的试验研究

    要:

以废玻璃为原料,研究了改性剂、发泡剂对泡沫玻璃导热系数、抗压强度、闭孔率的影响。结果表明,氧化铝作为改性剂对抗压强度有正面影响,但是会对导热系数和闭孔率产生负面影响;氧化硼作为改性剂对于抗压强度、导热系数、闭孔率都有正面影响;进口气相法炭黑作为发泡剂相对于S6色素炭黑,对抗压强度、导热系数、闭孔率都有正面影响。以废玻璃为基料,发泡温度为950℃,改性剂氧化硼掺量为3%、发泡剂进口气相法炭黑掺量为0.3%,作为最优配方。

 

随着玻璃制品需求量的飞速增长,同时也不可避免地产生了许多废旧玻璃[1]。如何对废旧玻璃进行合理的综合利用,减轻对环境的污染,变废为宝,是目前比较关注的问题。

泡沫玻璃是以废旧玻璃为原料,添加发泡剂、改性剂等材料,均匀混合形成配合料,经熔融、发泡、退火等工艺,制成的一种性能良好的新型建筑节能材料[2]。泡沫玻璃的应用不仅降低了建筑能耗,而且生产成本低、工艺简单。国内外已有众多学者研究利用废旧玻璃制备泡沫玻璃。Fernandes等[3]以碎玻璃和粉煤灰为主要原料,碳酸盐(白云石和方解石)作为发泡剂制备泡沫玻璃,研究了碳酸盐种类、用量、烧结温度对其表观密度、抗压强度、微观结构的影响,发现了抗压强度、表观密度、孔隙率之间良好的关联性。沈承金等[4]对泡沫玻璃混合料包覆改性、添加石墨发泡剂以及预压成型进行研究,测试了泡沫玻璃密度、平均孔径、最大孔径和最大孔径气泡所占比例。宋二晓等[5]利用废弃的阴极射线管锥玻璃碱性浸出渣及屏玻璃混合粉末制备泡沫玻璃,研究了发泡温度、屏玻璃掺量、发泡剂种类及掺量、稳泡剂掺量对泡沫玻璃密度及抗压强度的影响。虽然国内外已有许多学者对泡沫玻璃的配方和工艺进行了优化,但是目前国内的泡沫玻璃的产量和质量还是不能满足国内对泡沫玻璃的需求[6]。根据国内生产泡沫玻璃的情况,在经济成本合理的情况下寻求一种合适的发泡剂和改性剂的最佳用量来提高泡沫玻璃的防水性能和保温性能是当务之急。

本试验以“2步法”制作泡沫玻璃,以废玻璃为主要原料,通过选择合适的改性剂和发泡剂及其掺量,优化泡沫玻璃的制备工艺,为生产高性能泡沫玻璃提供参考。

1 试验

1.1 原材料

废玻璃:嘉兴本地回收的废旧窗玻璃,主要化学成分如表1所示;改性剂:氧化硼、氧化铝;发泡剂:S6色素炭黑、进口气相法炭黑,进口化工材料,工业纯(纯度>99%),粒径25 nm。

表1 废玻璃的主要化学成分     下载原表

%

表1 废玻璃的主要化学成分

1.2 试验方案

1.2.1 泡沫玻璃配方设计

综合有关文献和几种氧化物在玻璃中的作用,本试验以废玻璃为基料,添加改性剂和发泡剂制备泡沫玻璃,共设计了10组不同的泡沫玻璃配方,如表2所示。

表2 泡沫玻璃配方设计     下载原表

%

表2 泡沫玻璃配方设计

1.2.2 泡沫玻璃的制备

根据配方设计称取各种原料,将废玻璃用球磨机粉碎成玻璃粉末(200~250目),配合料经过均匀混合后装入耐热钢模具中,在加热炉内加热,发泡温度控制在950℃。为了使粉料均匀发泡,在500~600℃进行充分预热,其后快速升温,升温速率控制在10℃/min内。发泡后泡沫玻璃的退火温度控制在600℃,并在该温度下保温3~5 h,其后缓慢降至室温。最后切割得到泡沫玻璃。其生产工艺流程如图1所示。

图1 泡沫玻璃的制备工艺流程

图1 泡沫玻璃的制备工艺流程   下载原图

 

1.2.3 抗压强度测试

基于ASTM C165标准,采用DCS-300微机控制全自动压力试验机进行抗压强度的测试。将泡沫玻璃切割成尺寸为200 mm×200 mm×50 mm的试样,在试样2个受压面涂刷乳化沥青,放置在温度为(23±2)℃,相对湿度为(50±5)%的恒温恒湿箱中进行状态调节,放置时间不少于24 h。然后将试样放置在试验机的压板上,使试样的中心与试验机压板的中心重合,采用2200 N/s的速度对试样施加荷载,直至试样破坏。

1.2.4 导热系数测试

基于ASTM C518标准,利用热流计法测试导热系数。将尺寸为300 mm×300 mm×30 mm泡沫玻璃试样放入导热系数测定仪HFM436测试导热系数。测试平均温度为9.8℃,双板温差为19.9℃,温度梯度为639.2℃。

1.2.5 闭孔率测试

基于ASTM D2856标准测试闭孔率。从需测试样上切取尺寸为25 mm×25 mm×25 mm的样品8块,称其质量,然后打开氮气,启动UPY-31-F型开闭孔率测试仪,将切好样品放入样品池中,盖上盖子。输入样品编码、尺寸测试闭孔率。闭孔率为测试3次取其平均值。

2 试验结果及分析

2.1 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃抗压强度的影响(见图2)

图2 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃抗压强度的影响

图2 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃抗压强度的影响   下载原图

 

由图2可见,添加了改性剂和发泡剂的泡沫玻璃抗压强度均高于JC/T 647—2014《泡沫玻璃绝热制品》规定的最小抗压强度为0.5 MPa的要求。其中添加6%氧化硼、0.3%进口气相法炭黑的泡沫玻璃抗压强度最高。发泡剂相同的情况下,与未添加改性剂的泡沫玻璃比较,掺3%、6%改性剂的泡沫玻璃抗压强度明显提高,改性剂主要是用于改善玻璃的黏度,或者在一个比较大的温度范围内维持玻璃的黏度,发泡剂为进口气相法炭黑时,掺3%、掺6%氧化铝的泡沫玻璃比未添加氧化铝的泡沫玻璃抗压强度分别提高了0.06 MPa和0.10 MPa,因为氧化铝(Al2O3)属于中间氧化物,在玻璃中降低玻璃的析晶倾向和电导,在泡沫玻璃中主要是用来提高机械强度。掺3%、掺6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃抗压强度分别提高了0.35 MPa和0.37 MPa,因为氧化硼(B2O3)也是玻璃的形成氧化物,以硼氧三面体[BO3]和硼氧四面体[BO4]为结构单元,在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络,氧化硼能提高玻璃的机械强度。发泡剂和改性剂掺量相同的情况下,添加氧化硼的泡沫玻璃抗压强度高于添加氧化铝的,氧化硼作为改性剂更能提高泡沫玻璃的抗压强度,如发泡剂同为进口气相法炭黑,改性剂掺量为3%时,添加氧化硼的泡沫玻璃抗压强度比添加氧化铝的提高了0.29MPa。改性剂种类和掺量相同时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃抗压强度高于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。进口气相法炭黑作为发泡剂更能提高泡沫玻璃的抗压强度,如改性剂同为氧化硼,掺量同为3%时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃抗压强度比添加S6色素炭黑的提高了0.21 MPa。

2.2 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃导热系数的影响(见图3)

图3 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃导热系数的影响

图3 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃导热系数的影响   下载原图

 

由图3可见,添加氧化硼3%及进口气相法炭黑的泡沫玻璃导热系数最低。发泡剂相同的情况下,氧化硼作为改性剂能降低导热系数;氧化铝作为改性剂提高了导热系数,且随着掺量增加泡沫玻璃保温效果越差。如发泡剂为进口气相法炭黑时,掺3%、6%氧化铝的泡沫玻璃比未添加氧化铝的泡沫玻璃导热系数分别提高了0.001、0.002 W/(m·K);掺3%、6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃导热系数分别降低了0.004、0.002 W/(m·K)。改性剂种类和掺量相同时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃导热系数低于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。如改性剂同为氧化硼,掺量为3%时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃导热系数比添加S6色素炭黑的降低了0.012 W/(m·K)。

2.3 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃闭孔率的影响(见图4)

图4 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃闭孔率的影响

图4 改性剂及发泡剂对泡沫玻璃闭孔率的影响   下载原图

 

由图4可见,添加6%氧化硼及进口气相法炭黑的泡沫玻璃闭孔率最高,达93.6%。发泡剂种类、改性剂种类和掺量对闭孔率几乎没有影响。发泡剂相同的情况下,氧化硼作为改性剂能提高泡沫玻璃闭孔率,氧化铝作为改性剂降低了泡沫玻璃的闭孔率但影响不大。如发泡剂均为进口气相法炭黑时,掺3%、6%氧化铝的泡沫玻璃闭孔率比未添加氧化铝的泡沫玻璃分别降低了0.4、0.7个百分点;掺3%、6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃闭孔率分别提高了8.8、9.0个百分点。氧化硼作为改性剂能提高泡沫玻璃闭孔率,因为氧化硼在高温反应下形成硼氧三面体[BO3]和硼氧四面体[BO4],在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络,提高了高温下的熔体黏度,降低配合料的表面张力,有利于形成泡孔稳定,从而大幅提高闭孔率。改性剂种类和掺量相同时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃闭孔率高于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。如改性剂同为氧化硼,掺量为3%时,添加进口气相法炭黑的泡沫玻璃闭孔率比添加S6色素炭黑的提高了13.2个百分点。

3 泡沫玻璃性能的关联性探讨

对比图3、图4可知,闭孔率与导热系数有一定的关联性。闭孔率越高,导热系数越小,保温性能越好。原因是泡沫玻璃的导热系数大小由泡沫玻璃的多孔结构决定。泡沫玻璃是由玻璃组分的气孔壁以及填充在空隙里的气体构成。孔壁的传热机制是热传导,而气孔中的气体传热依赖于对流和辐射。泡沫玻璃的气孔率较高,所以其传热主要由气体对流和辐射完成。相对于固体的热传导,对流和辐射的热传递效率较低,所以泡沫玻璃的导热系数较小,对于闭孔率高的泡沫玻璃,其导热系数自然更小,保温性能更好[7]

闭孔率和吸水率、水蒸气渗透率直接相关,闭孔率高,吸水率和水蒸气渗透率小。本试验结合经济成本,选择以废玻璃为基料,掺加3%氧化硼、0.3%进口气相法炭黑的泡沫玻璃生产配方。

4 结论

(1)改性剂种类对泡沫玻璃的抗压强度和导热系数有一定影响,对闭孔率影响相对较小;发泡剂种类对泡沫玻璃的导热系数和抗压强度有一定影响,对闭孔率影响相对较小。

(2)研究了改性剂种类和掺量、发泡剂种类对泡沫玻璃性能的影响,确定以废玻璃为基料,3%氧化硼、0.3%进口气相法炭黑为生产泡沫玻璃的最佳配方。

(3)氧化铝对抗压强度有正面影响,但是会对导热系数和闭孔率产生负面影响。氧化硼对于抗压强度、导热系数、闭孔率都有正面影响。进口气相法炭黑相对于S6色素炭黑,在抗压强度、导热系数、闭孔率都有正面影响。

(4)利用废玻璃生产泡沫玻璃,减少废弃物,保护环境,成本较低,工艺简单,能带来较大的经济效益和社会效益,应用前景广阔。



上一篇:泡沫玻璃在管线保温中的应用研究

下一篇:没有了