泡沫玻璃的制备工艺综述①

，，， ， (.大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 604；.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 604)

引言

泡沫玻璃是一种以废玻璃或某些工业废料为原料，通过加入发泡剂以及改性添加剂等材料形成混合配料之后，再经过预热、熔融、发泡等工艺制成的新型环保建筑材料。泡沫玻璃具有密度低、导热系数小、热学性能好、使用寿命长等优点。正是由于泡沫玻璃拥有如此之多的优点，其生产和应用也被越来越多的人所重视。随着信息化时代的到来，各种电磁波的辐射危害也越来越被人们所重视，泡沫玻璃良好的吸波性能正逐渐被开发出来。本文主要就泡沫玻璃主要的一些生产方法进行介绍。

1 泡沫玻璃概述

泡沫玻璃最大的特点是其内部充满了直径1～2 mm的微小连通气孔，是一种均匀的固相和气相体系，气孔所占的体积比例达到了50%以上。正是因为这些气孔的存在，使得泡沫玻璃拥有不同于普通玻璃的属性，尤其是在吸声、吸波、隔热等方面有着不错的表现。

泡沫玻璃的吸声性能非常优秀。根据多孔材料的吸声特性，贯通孔隙对多孔材料的吸声性能有着显著的影响。泡沫玻璃中的气孔构成了很多的贯通孔隙，贯通孔隙率可达60%以上，在吸声领域有着很好的发展前景。

泡沫玻璃在隔热方面也有不错的表现。泡沫玻璃的导热主要是依靠气孔壁和气孔中的气体来完成的，一般固体传热主要是以传导的形式进行，而气体导热主要是以辐射的方式进行，气体导热方式的导热系数比较低，这是泡沫玻璃隔热性能好的原因。

泡沫玻璃的抗压以及抗拉强度在经过微晶化之后有了显著提高，并且在很多工程中被应用。

2 原料、辅助物料与烧制工艺

2.1 原料的选择

2.1.1 酸性火山熔岩类物质

据报道，匈牙利曾利用珍珠岩制作泡沫玻璃。将珍珠岩粉碎活化后，加入碱液加压成粒化后在其膨胀温度下加热使其膨胀，这种工艺制作出来的泡沫玻璃其强度和吸水性能都有不错的表现。

前苏联用火山灰和氢氧化钠研制的粒状泡沫玻璃，具有耐腐蚀、强度高、传热低、密度小等优点。

2.1.2 粉煤灰

目前，煤仍然是我国使用的主要燃料，煤燃烧后的残渣如果不经处理直接排放会造成巨大的污染。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中捕集下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。我国火电厂粉煤灰的主要化学组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，其SiO2、Al2O3、Fe2O3的合量达84%以上，非常适合制作泡沫玻璃。以粉煤灰为原料制作泡沫玻璃不仅造价低廉，而且在一定程度上减小了粉煤灰的污染。

2.1.3 赤泥

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般每生产1 t氧化铝，附带产生1.0～2.0 t赤泥。中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨。赤泥的主要成分有SiO2、CaO、Al2O3、FeO等，赤泥经过一定的工艺处理后，制作出的泡沫玻璃具有很高的可使用性。

2.2 辅助添加剂的选择

2.2.1 发泡剂

一种发泡剂是自身产生气体的物质如CaCO3，经加热后，产生大量的CO2气体。加入发泡剂时应注意发泡剂的量，发泡剂太多会生成较多的气泡，影响玻璃的硬度；发泡剂太少会使气泡太少，玻璃密度过大。

另一种发泡剂是与原材料反应产生气体的物质，如炭黑、水玻璃，加入后不仅可以作为发泡剂产生气体，而且可以使玻璃成分达到均化，降低材料的析晶性能。

2.2.2 助熔剂

助熔剂的加入可以使玻璃的熔点降低。由于泡沫玻璃的熔点高于发泡剂产生气体的温度，为了获得低密度的泡沫玻璃，通常必须在配料中加入一些助熔剂来降低玻璃的黏度，以便于熔融。通常助熔剂是碱或碱土金属的盐，如Na2CO3、Na2SiF6等。

2.2.3 稳泡剂

泡沫玻璃制备过程中容易生成大气泡，使气孔不稳定。为了防止这种情况的发生，需要加入稳泡剂以降低表面张力。常用的稳泡剂有硫酸钠、硼酸等。

2.2.4 促进剂

促进剂在辅助添加剂中所占的比例较小，一般用于增加表面光泽，提高强度。常用的促进剂有硫酸钠、硫酸钙等。

2.3 烧制工艺

将混合好的泡沫玻璃配合料加入模具中，经过压实后，在高温炉中加热。模具一般采用陶瓷或耐热钢板，为防止制品与模具粘接，经常在模具壁上涂1层耐高温泥浆。为防止发泡不均匀，应在加热初期采用预热方式，即以5～8 ℃/min的升温速度将炉中温度由室温升至400 ℃左右，并保温20～30 min，此时分散于玻璃细粉中的碳完全被熔化的玻璃液所包围。然后，将炉体快速升温到烧结温度(650～750 ℃)，升温速度一般为8～10 ℃/min。在此阶段，炉内生成的气体并未逸出，而是包裹在坯体内，这样有利于得到更多的气相。烧结完成后，继续以10～15 ℃/min的速度加热到发泡温度(750～1 000 ℃)进行发泡，在发泡温度下保温一段时间(15～50 min)，此时气泡内的气压大于周围玻璃的表面张力，气泡扩散，聚集成群，玻璃体积膨胀而形成泡沫玻璃。

烧成结束后，迅速将试样冷却至600 ℃左右，冷却速度要快(一般在15～20 ℃/min)，其目的是使内部气泡结构固定下来。由于冷却速度快，在表面形成固化层，并逐渐向中心扩展产生巨大应力，为消除应力，在600 ℃左右时保温20～35 min，然后关掉电源自然冷却至室温。由于泡沫玻璃的导热系数低，其退火冷却速度要比普通玻璃的退火冷却速度慢得多，总的退火冷却时间一般在20～30 h。

综上所述，泡沫玻璃的烧制工艺大致分为4个阶段：预热、发泡、定型、退火。其中泡沫玻璃的退火是比较重要的工艺过程，泡沫玻璃的退火冷却速率不仅与制品的化学组成及厚度有关，还与制品的结构、容重、热膨胀系数等有关，冷却速率将直接影响成品的性能。

3 泡沫玻璃制备工艺的分类

3.1 根据配料时的形态进行分类

根据配料时的形态，可以分为模具装填法、模压烧结法、浆料浸渍法、溶胶-凝胶法。

3.1.1 模具装填法

模具装填法是制备泡沫玻璃最基本的方法，也是最古老的方法。将废玻璃、发泡剂等原料按一定的比例配合后装入模具中，压实后放入发泡炉中进行发泡。一般在模具的内表面需要涂抹脱模剂，防止原料与模具粘连。

这种方法应用范围较广，而且可以满足各种切割要求，生产出的泡沫玻璃强度高。但是，这种方法因为需要模具，间接地增加了生产成本，而且对原料的要求较苛刻，是一种成本较高、质量较好的生产方法。

3.1.2 模压烧结法

这种方法与陶瓷胚体的烧制方法类似。将原料配合后加入润滑剂，造粒后进行干燥处理，然后放入模具中，送入发泡炉发泡。

这种方法的优点在于可调控性，可以方便地调节气孔的大小以及比例，工艺简单。但是，其生产难以掌控，例如气孔的分布等。

3.1.3 浆料浸渍法

这种方法采用的发泡剂主要为有机泡沫体，并以有机泡沫体为载体。将有机泡沫体切割后，将其浸入到含有废玻璃的浆料中。除去溶剂，然后加热使有机发泡体分解，之后继续加热使剩下的玻璃体结晶。冷却后的形成物即为泡沫玻璃。

这是一种非常适合工业化生产的方法，不仅生产成本低、工艺简单，而且生产出的泡沫玻璃气孔均匀。但是，其强度较其他方法生产出的泡沫玻璃强度低，而且生产过程受有机泡沫体等的控制，其产品最终的形状不一定能达到理想要求。

3.1.4 溶胶-凝胶法

这种方法是一种新工艺，主要是在低温环境下进行。其原理是将原料先制成溶胶，在凝胶的过程中会形成三围网状结构。之后的加热处理将网状物中的液体蒸发出去，形成气孔结构。

采用这种方法生产出的泡沫玻璃，无论在强度、气孔密度等方面都能达到较高的要求，但是受生产周期、工艺条件等的控制，目前为止尚难以实现工业生产。

3.2 按是否需要模具进行分类

按是否需要模具，可以分为有模法和无模法。

3.2.1 有模法

有模法的原料采用的是碎玻璃。将原料和发泡剂等各种添加剂一起研磨之后放入模具中，在发泡炉内进行烧结和发泡。正常烧制后进行退火处理消除其内应力，然后玻璃就可以进行切割，加工成泡沫玻璃制品。

这种方法使用比较普遍，且模具的使用可以生产出符合预期的泡沫玻璃，缺点是模具的成本较高。

3.2.2 无模法

这种方法不需要模具，原料与有模法相同。将原料混合干燥后，送入发泡炉中。因为这种方法所用的发泡炉内部气压较高，所以气体不会逸出。玻璃液从发泡炉中溢出时，玻璃液中的饱和气体开始发泡，玻璃毛坯便制成了。再经过切割等一系列后期操作，进行退火。

这种方法生产周期较短，适合批量生产、制作泡沫玻璃毛坯。后期所需的切割工艺等较多。

3.3 根据模具与毛坯在退火等方面的差别进行分类

泡沫玻璃根据模具与毛坯在退火等方面的差别，可以分为一步法与二步法。

3.3.1 二步法

二步法发泡和退火在两个炉子中进行。在发泡炉中发泡结束后，在炉子外面脱模，然后将半成品放入退火炉中退火。这种方法的优势是脱模与退火两步分开，便于调节毛坯中的各种成分含量和掌握退火时间。

采用这种方法生产出的泡沫玻璃成品率高，大大减少了模具的使用量，目前被世界上大部分的厂家使用。

3.3.2 一步法

一步法是指在泡沫玻璃的制备过程中，发泡和退火是在同一个模具和同一个炉子中。

这种方法要使用大量的模具，生产效率较低，同时产品合格率较低，容易开裂，目前应用并不是很广泛。曾经有人投资3 000万元用于一步法的研究，但并没有取得很好的效果。

4 结语

目前，泡沫材料的制备工艺尚存在着许多有待改进的地方，尤其是国内泡沫玻璃的产率很低。随着科技的发展，可以相信今后会有更加便捷、产率更高的方法出现。期待着在不久的将来，一步法等各种方法能够应用到生产当中。泡沫玻璃的前景将是一片光明。

参考文献：

[1] 田英良，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，2001，27(2)：247-250.

[2] 智广林，骞少阳，郭振强，等.国内泡沫玻璃研究概况和展望[A].中国硅酸盐学会玻璃分会.2013全国玻璃科学技术年会论文集[C].中国硅酸盐学会玻璃分会，2013.

[3] 田英良，屈培元.国内外泡沫玻璃产业发展沿革及趋势[J].玻璃与搪瓷，2002，30(5)：48-52.

[4] 田英良，张磊，顾振华，等.国内外泡沫玻璃发展概况和生产工艺[J].玻璃与搪瓷，2010，38(1)：37-41.

[5] 赵秀梅.利用废旧玻璃生产泡沫玻璃[J].建材技术与应用，2002(2)：22-24.

[6] 方荣利，刘敏，周元林.利用粉煤灰研制泡沫玻璃[J].新型建筑材料，2003(6)：38-40.

[7] 张剑波，吴勇生.泡沫玻璃的研究进展[J].中国资源综合利用，2010，28(4)：25-30.

[8] 陈波.泡沫玻璃的制备及性能研究[D].长沙：中南大学，2012.

[9] 田英良，赵飞，邹玉林，等.泡沫玻璃生产的关键工艺过程及质量控制[J].玻璃与搪瓷，2000，28(6)：52-56，29.

[10] 张剑波，吴勇生，张喜，等.泡沫玻璃生产技术的研究进展[J].材料导报，2010，24(S0)：186-188，192.

[11] 古先文.利用废平板玻璃制备泡沫玻璃及其性能研究[D].西安：陕西科技大学，2013.

[12] 毛东兴.提高泡沫玻璃吸声性能的研究[A].中国声学学会.中国声学学会1999年青年学术会议论文集[C].中国声学学会，1999.

[13] 侯婷.以沸石为造孔剂制备泡沫玻璃的研究[D].景德镇：景德镇陶瓷学院，2013.