以废玻璃制备泡沫玻璃及其性能研究

孔庆丰， 陈 尚， 白生杰，张雅景， 赵 静， 刘以凡*， 刘明华（1. 福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116；2. 福建省生物质资源化技术开发基地，福建 福州 350116）



以废玻璃制备泡沫玻璃及其性能研究

孔庆丰， 陈 尚， 白生杰，张雅景， 赵 静， 刘以凡*， 刘明华
（1. 福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350116；2. 福建省生物质资源化技术开发基地，福建 福州 350116）

摘 要：发泡玻璃是一种新兴的隔热、隔音材料，为了实现废玻璃资源化利用，以废玻璃为原料，以CaCO3为发泡剂、以Na3PO4作为稳泡剂、以H3BO3作为助溶剂，经过高温熔化、发泡、退火等过程，制备出泡沫玻璃，并研究了发泡剂含量和发泡温度对泡沫玻璃表观性能、隔热性能和力学性能的影响。

关键词：废玻璃；泡沫玻璃；CaCO3；发泡温度

废玻璃化学性质稳定，很难通过自然循环和简单的物理化学方法分解和处理，因此，废玻璃处理不当既会造成环境污染，又会浪费大量资源[1]。

泡沫玻璃是一种以玻璃细粉为基体，通过加入一定比例的发泡剂、改性剂和促进剂等添加剂，在经过预热、高温熔融、起泡、析出、退火等工艺过程之后而制成的一种无机非金属玻璃材料[2]。它的表面往往分布着大量直径为0.5～3.5 mm的均匀气孔[3-4]。从用途上可以分成吸声泡沫玻璃和绝热泡沫玻璃等[5]。制备泡沫玻璃所需的碎玻璃的来源比较广泛，主要包括玻璃残次品、工业生产过程中产生的边角料、玻璃残渣以及生活垃圾中的玻璃废弃物[6-7]。泡沫玻璃的生产不仅能满足社会对玻璃的特定功能的需求，还能解决生活垃圾中碎玻璃处理的难题，具有显著的社会和经济双重效益[8]。因此，对泡沫玻璃的研究和开发就显得十分必要。

本文旨在设计出一条利用废玻璃制备泡沫玻璃的工艺路线，并制备出多孔泡沫玻璃，对其隔热性能、抗压强度、显气孔率、泡孔直径和发泡效果等进行检测，比较后确定相关的工艺参数，为废玻璃的资源化利用提供一个行之有效的方法。

1 实验

1.1 试剂与仪器

以生活垃圾中回收的废玻璃残渣为起始原料、以碳酸钙（天津市福晨化学试剂厂）作为发泡剂、以磷酸钠（天津市福晨化学试剂厂）作为稳泡剂、以硼酸（天津市福晨化学试剂厂）作为助溶剂，其他试剂均为国产分析纯。

SB手扳式制样机（湘潭湘仪仪器有限公司），KSL-1700X-A2马弗炉（天津品创科技发展有限公司），KM快速研磨机（湘潭湘仪仪器有限公司），8411电动震筛机（湘潭湘仪仪器有限公司）。

1.2 泡沫玻璃的制备

原料处理：将废玻璃用球磨机粉碎成玻璃粉末（150～200目）。之后与发泡剂以及辅助添加剂按一定比例混合球磨，置入模具模压成型。

退火处理：将混合均匀的配合料放入箱式马弗炉内按照一定的温度进行预热、烧结、发泡、退火。产品成型：待温度冷却至常温时即可得到成型的泡沫玻璃。

1.3 产品性能测试方法

按照JC/f 647-2005《泡沫玻璃绝热制品》的规定进行泡沫玻璃的性能测试；用SK-DR300A+型导热仪测定试样的导热性能；用CMT5105型万能试验机测定泡沫玻璃的常温抗压强度，将同一样品，取3份分别测量然后求平均值；通过观察考察泡沫玻璃发泡效果；通过选取每个样品中最大的3个泡孔进行直径测量来研究发泡温度对泡孔直径的影响；按照《陶瓷坯体显气孔率、体积密度测试方法》（QB/T 1642-2012）来测定泡沫玻璃的显气孔率。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂掺量对泡沫玻璃导热系数和抗压性能的影响

在800℃的发泡温度条件下，研究发泡剂碳酸钙的掺量对泡沫玻璃导热系数和抗压强度的影响，结果如图1所示。由图1可以看出，随着碳酸钙掺量的增加，泡沫玻璃的导热系数逐渐减小，抗压强度也逐渐减小。掺量为0.5%时，泡沫玻璃导热系数和抗压强度最大，分别为0.084 9 W/（m·K）和3.19 MPa；当掺量为4.5%时，泡沫玻璃导热系数和抗压强度最小，分别为0.064 8 W/（m·K）和1.81 MPa。说明在相同发泡温度条件下，随着发泡剂掺量的增加，泡沫玻璃的隔热效果逐渐增加，强度逐渐减小。这是由于发泡温度相同时，随着发泡剂含量的升高，气孔数量增多，泡沫玻璃的孔壁变薄，泡沫玻璃的抗压强度减小[9]。

图1 发泡剂掺量对泡沫玻璃导热系数和抗压强度的影响

图2 发泡剂碳酸钙掺量对泡孔直径和气孔率的影响

2.2 发泡剂掺量对泡沫玻璃泡孔直径和气孔率的影响

在800℃的发泡温度条件下，研究发泡剂碳酸钙掺量对泡沫玻璃的泡孔直径和气孔率的影响曲线，结果如图2所示。从图2可以看出，发泡温度相同时，随着碳酸钙掺量的增加，泡沫玻璃的泡孔直径逐渐增大，气孔率也逐渐增大。其原因是随着发泡剂含量的增加，分解产生的CO2气体量逐渐增多，气孔内气压逐渐增大，原料混合物内各气孔膨胀长大的趋势逐渐增大，微气孔逐渐结合为大气孔的趋势增大，导致泡孔直径不断地增大，气孔率也不断增大[10]。

2.3 发泡剂掺量对泡沫玻璃发泡效果的影响

在相同发泡温度（800℃）下，不同发泡剂掺量的发泡效果如图3所示。随着发泡剂掺量的增加，泡沫玻璃的孔隙逐渐明显，孔直径逐渐变大且趋于均匀，发泡效果越来越好。原因是随着发泡剂含量的增加，分解产生的CO2气体量逐渐增多，导致泡孔直径不断地增大，气孔数量也增多且趋于均匀。

a. 碳酸钙掺量0.5%；b. 碳酸钙掺量1.0%；c. 碳酸钙掺量1.5%；d. 碳酸钙掺量2.0%；e. 碳酸钙掺量2.5%；f. 碳酸钙掺量3.0%；g. 碳酸钙掺量3.5%；h. 碳酸钙掺量4.0%；i. 碳酸钙掺量4.5%图3 不同发泡剂掺量的发泡玻璃的发泡效果

2.4 发泡温度对泡孔直径和显气孔率的影响

在4.0%的碳酸钙掺量下，发泡温度对泡孔直径和显气孔率的影响如图4所示。从图4可以看出，随着发泡温度的升高，泡沫玻璃表面的泡孔直径先逐渐升高，在800℃时，其泡孔直径最大，达到3.6 mm，然后随着发泡温度的继续升高，产品的泡孔直径随之下降。这是因为随着发泡温度的升高，原料混合物的粘度会逐渐减小，发泡剂产生的气体被包覆在原料混合物内受热容易膨胀，产生的气泡逐渐变大，从而泡孔直径也就逐渐增大[11]。但是当温度达到一定值时，液相粘度过低，反应产生的气体压力过高反应十分剧烈，容易冲破原料混合物的包覆而汇集成大气泡形成过多的通孔和大孔。随着发泡温度的升高，显气孔率随之先增大后减小。可以看出，发泡剂含量4.0%时，发泡温度在800℃之间显气孔率出现最大值，之后逐渐减小。这是由于温度高导致表面开孔在熔融玻璃的表面张力作用下的收缩，甚至消失[12]。

2.5 发泡温度对抗压强度和导热系数的影响

在4.0%的碳酸钙掺量下，发泡温度对泡沫玻璃导热系数和抗压强度的影响如图5所示。从图5可以看出，随着发泡温度的升高，泡沫玻璃的导热系数先逐渐减小，到800℃达到最小值0.066 W/（m·K），然后随着温度的继续升高，其导热系数迅速增加，即在相同发泡剂掺量条件下，泡沫玻璃的隔热性能随温度的升高先增强后减弱，这是因为随着温度的升高，气孔率先上升后下降，使得泡沫玻璃的隔热性能先上升后下降；随着发泡温度的升高，抗压强度整体呈下降趋势，这是因为随着发泡温度升高，泡沫玻璃孔径变大，孔壁变薄，导致泡沫玻璃抗压强度减小，但烧结温度过高，会导致原料混合物粘度过低，试样中形成过多的大孔和通孔，其抗压强度随之急剧下降[13]。

图4 发泡温度对泡孔直径和显气孔率的影响

图5 发泡温度对导热系数和抗压强度的影响

3 结论

1）以生活垃圾中回收的废玻璃残渣为原料、以碳酸钙作为发泡剂，加入适量的磷酸钠作为稳泡剂、硼酸作为助溶剂，经过预热、烧结、发泡、稳泡和退火等过程可以合成制备出性能稳定、孔径均匀、成份均质的多孔泡沫玻璃。

2）在相同发泡温度条件下，随着发泡剂碳酸钙掺量的增加，泡沫玻璃的导热系数逐渐减小，隔热效果逐渐增加；抗压强度逐渐减小；泡沫玻璃的泡孔直径逐渐增大，气孔率也逐渐增大；泡沫玻璃的孔隙逐渐明显，孔直径逐渐变大且趋于均匀，发泡效果越来越好。

3）在相同发泡剂掺量条件下，随着发泡温度的升高，泡沫玻璃表面的气孔泡孔直径先升高后下降，显气孔率随之先增大后减小，泡沫玻璃的隔热性能随温度的升高先增强后减弱，抗压强度整体呈下降趋势。

参考文献：

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[4] 刘晓勇. 玻璃生产工艺技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

[5] 孔凡营, 高健. 泡沫玻璃的特性及其在土木工程上的应用探讨[J]. 建筑技术开发, 2004, 31(9): 104-105.

[6] Liao Yichong, Huang Chiyen. Glass foam from the mixture of reservoir sediment and Na2CO3[J]. Ceramics International, 2012, 38(5): 4415-4420.

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[9] 王晴, 涂欣, 李琳, 等. 硼硅酸盐微晶泡沫玻璃耐酸性研究[J]. 中国陶瓷, 2011, 47(3): 32-34.

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[11] Fernandes H R, Tulyaganova D U, Ferreiraa J M F. Preparation and characterization of foams from sheet glass and fly ash using carbonates as foaming agents[J]. Ceramics International, 2009, 35(1): 229-235.

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[13] 姜晓波. 利用工业废渣制备泡沫玻璃的研究[J]. 科技传播, 2013, 2(14): 67-69.

Preparation and Properties of Foam Glass Made from Waste-glasses

KONG Qing-feng, CHEN Shang, BAI Sheng-jie, ZHANG Ya-jing, ZHAO Jing, LIU Yi-fan*, LIU Ming-hua
（1. College of Environment & Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China; 2. Fujian Provincial Technology Exploitation Base of Biomass Resources, Fuzhou 350116, China）

Abstract:Foam glass is one of newly arisen of thermal-insulating and soundproof materials. In order to achieve the resource utilization of waste-glasses, the foam glass was prepared by high-temperature melting, foaming and annealing etc. process, using waste-glass as raw materials, CaCO3as the foaming agent, Na3PO4as the foam stabilizing agent and H3BO3as fluxing agent. The influences of foaming temperature and the usage of foaming agent on apparent properties, thermal-insulating properties and compression strength were studied.

Key words:waste-glasses; foam glass; CaCO3; foaming temperature

* 通讯作者：刘以凡（1987~），女，助理研究员；主要从事环境友好材料的研究。yfanym@163.com

作者简介：孔庆丰（1994~），男，本科生；主要从事资源循环利用的研究。1098933019@qq.com

基金项目：福建省企业技术创新专项资金补助项目（闽经信计财[2014]732号）。

收稿日期：2015-12-17

文章编号：1009-220X(2016)01-0030-05

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160115

中图分类号：TQ171.7

文献标识码：A