泡沫玻璃的制备及其性能研究*

赵 婧

(榆林市新科技开发有限公司 陕西 榆林 718100)

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等原料，经过细粉碎且混合均匀形成配合料，放入到特定的模具中，再经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃材料[1～2]。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、工作温度范围宽、防虫害、耐蚀性能好、易加工(可锯切)、施工极其方便等优点[3]。虽然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、吸声工程等领域占据越来越重要的地位[4]。泡沫玻璃可以很容易加工成各种形状，可满足不同工程的需要。泡沫玻璃是固体废弃材料的再生利用、保护环境并获得丰厚经济效益的优秀范例。

利用碎玻璃来制造泡沫玻璃，一方面可以合理利用资源变废为宝，另一方面制造的泡沫玻璃可以在一定程度上代替目前使用的各种建筑材料，以实现建筑物节能的目的，因此泡沫玻璃的开发与利用具有极高的经济和社会价值。

1 实验部分

1.1 实验试剂

实验用主要化学试剂见表1。

表1 实验用主要化学试剂

1.2 实验仪器

实验用主要仪器及设备见表2。

表2 实验用主要仪器设备

1.3 实验设计

本实验采用的是碳酸钙和活性炭两种发泡剂制备泡沫玻璃，并采用不同的配方研究出对泡沫玻璃的结构与性能的影响，而设计了研究配方，见表3。

1.4 试验方法

1.4.1 体积密度及气孔率的测定

体积密度是指单位体积材料(包含材料内部所有的气孔)的质量。本实验中采用几何方法测定样品的体积密度。将烧成制备的泡沫玻璃用切割机切割、打磨成规则体积形状的块状样品，用游标卡尺多次精确测量其长度、宽度及高度，再计算出体积V，其中长、宽、高均为多次测量后取其平均值，再用电子天平称其干燥时的质量M0，并利用公式求得体积密度：

Pa=M0/V

(1)

式中：Pa——体积密度，g/cm3；

M0——干燥试样的质量，g；

V——试样的体积， cm3。

表3 采用活性炭的研究配方(质量%)

注：碳酸钙与活性炭的配比为3∶1。

样品的体积密度取自选取的3份同种样品的平均值，尽最大的可能使结果更加准确。

气孔率是指气孔体积占材料总体积的百分比。本实验中气孔率的测定是釆用样品的体积密度和真密度来计算的，计算公式为：

P=1-Pa/PT

(2)

式中：P——气孔率，%；

PT——真密度，g/cm3。

PT为材料完全密实状态下的密度，实验中以干燥样品的粉末密度来作为真密度计算。

1.4.2 吸水率

吸水率以样品吸水前后质量变化的百分比来计算，测试步骤如下:

1)首先称量干燥样品的质量M0；

2)将样品放入去离子水中，在常温下浸泡2 h；

3)取出样品，吸收样品表面附着的水分，立即称取，得到质量M。

吸水率的计算公式为：

W=(M-M0)/M0

(3)

式中：W——吸水率，%；

M，M0——分别为样品浸水后和浸水前的质量，g。

1.4.3 化学稳定性

化学稳定性是保证样品在长期使用过程中不受破坏和抵御环境腐蚀的能力，对样品的长期实际利用具有重要的意义。实验中对样品的化学稳定性能测试主要检测试样的抗酸腐蚀性，分析其在弱酸环境中耐腐蚀的能力。测试的实验步骤如下：

1)配制500 mL，0.01 mol/L的硫酸溶液;

2)称取干燥样品的质量M0，并将样品放在试管中,倒入配置好的硫酸溶液淹没样品，然后用塑料薄膜封住试管口防止酸液的浓度变化。

3)在浸泡一定时间后，将样品取出烘干称其质量Ma。耐酸腐蚀性通过对比试样腐蚀前后质量的百分比来表示，计算公式为：

R=Ma/M0

(4)

式中：R——耐酸度，%；

M0，Ma——分别为样品腐蚀前和腐蚀后的质量，g。

1.4.4 泡沫玻璃的耐酸性能测试

为验证泡沫玻璃的耐酸性能,设计试验方案如下：

1)配制500 mL,0.01 mol/L的硫酸溶液;

2)称取干燥试样的质量M0，并将试样放在试管中，倒入配置好的硫酸溶液并淹没试样，然后用塑料薄膜封住试管口防止酸液的浓度变化。

3)在浸泡一定时间后，将试样取出烘干称取其质量Ma耐酸腐蚀性通过对比试样腐蚀前后质量的百分比来表示，计算公式为：

R=Ma/M0

(5)

式中：R——耐酸度， %；

Ma，M0——分别为样品酸腐蚀后和腐蚀前的玻璃的质，g。

1.4.5 泡沫玻璃的耐碱性能测试

为验证泡沫玻璃的耐碱性能,设计实验方案如下：

1)配制500 mL，20%的氢氧化钠溶液；

2)称取干燥样品的质量M0，并将样品放在试管中，倒入配制好的硫酸溶液淹没试样，然后用塑料薄膜封住试管口，防止氢氧化钠的浓度变化。

3)在浸泡一定时间后，将样品取出烘干称其质量Ma耐酸腐蚀性通过对比试样品腐蚀前后质量的百分比来表示，计算公式为：

R=Ma/M0

(6)

式中：R——耐碱度，%；

Ma,M0——分别为样品碱腐蚀后和腐蚀前的玻璃的质量,g。

1.4.6 抗压强度

抗压强度是试样受到压缩作用而破坏时的最大应力，即试样单位面积上所承受的最大载荷。泡沫玻璃的抗压强度极限用试样单位面积上所能承受的最大压力来表示。将试样加工成长方体，在电子万能试验机下对样品缓慢加压，实验速度为1 mm/min。抗压强度的计算公式为:

σa=P/A

(7)

其中：σa——抗压强度, MPa；

P——断裂时的载荷,N；

A——试样加载面积,mm2。

2 结果与讨论

2.1 体积密度

样品的实验体积密度见表4。

体积密度与泡沫玻璃的发泡程度有很大关系。泡沫玻璃的发泡程度越大则泡沫玻璃的体积密度越小。由实验结果得出：样品1～3采用不同的发泡剂得出的泡沫玻璃的密度也不同。以碳酸钙为发泡剂的样品2得到的体积密度最大，由此可见相比此温度制度下，碳酸钙的发泡性能要比活性炭和两者混合的能力差。

由样品3～6可以看出，泡沫玻璃采用相同的发泡剂和不同的温度制度，即在发泡的保温长短不同，所得到的泡沫玻璃的发泡能力不同，因此样品的平均密度也不同。随着发泡温度的升高，体积密度降低到最小值后逐渐增加。原因是发泡温度较低时，活性炭与氧气生成气体的量较少、玻璃液的粘度较大，发泡困难，造成体积密度大、气孔率小；发泡温度较高时，玻璃液的粘度过小，活性炭与氧气生成的气体不能被液相包裹，且随着温度升高，玻璃液逐渐澄清，气泡变少。发泡时间对试样的体积密度也有一定影响。样品的体积密度先变小后逐渐增大，气孔率先变大后变小。因为发泡时间过短，致使发泡不充分，造成气孔率偏小，体积密度变大；发泡时间过长，发泡剂分解气体充分，气泡的内压逐渐增大，从而突破液相的包裹束缚，逸出试样表面。

2.2 吸水率

图1为样品的吸水率。

图1 样品吸水率

由图1样品吸水率数据可知，样品都具有一定的吸水率，样品吸水主要依靠样品中存在的开口气孔来吸附水分。不同的发泡剂所得到的泡沫玻璃的开口气孔率也不同，由样品1～3可以看出，以活性炭为发泡剂的泡沫玻璃的开口气孔率较大。但是同一种发泡剂的泡沫玻璃由于不同的发泡制度所得到的泡沫玻璃的开口气孔率也不同，由样品3～6可以看出。若气孔率较大则所得到的开口气孔率也不同，所以吸水率也不相同。

2.3 体积密度，吸水率和气孔率的关系

体积密度与气孔率呈现出一个反向变化的趋势，即体积密度越大则气孔率越小。样品中气孔量增大直接导致体积密度的降低，以及气孔率的升高。样品吸水率直接与气孔率相关，气孔率越大则其吸水率也随之越高，吸水率主要是由于气孔多呈现开口气孔所决定的。

2.4 抗压强度

样品的抗压强度如5所示。

表5 样品的抗压强度

由表5可以看出，不同发泡剂样品的机械强度变化较大。不同烧结制度的样品其机械强度变化也比较大。如果烧结温度适中、烧结时间适当延长，则烧结后样品内部没有出现直径比较大的大气孔，均由孔径范围比较接近的小气孔组成，因此最终表现出具有较大的抗压强度。样品中如果出现了直径过大的气孔，且大气孔的存在会严重影响样品的抗压强度。因此，泡沫玻璃样品中如果发泡剂含量过高，虽然样品具有较低的密度和较高的气孔率，但机械强度会很低，严重影响其实际应用。泡沫玻璃的抗压强度还与受压方向有关，压力方向和发泡方向平行时抗压强较高，压力方向和发泡方向垂直时抗压强度较小。泡沫玻璃的抗压强度远大于其他有机隔热材料。

2.5 化学稳定性的测定

2.5.1 耐酸性测试

通常来讲，泡沫玻璃的化学稳定性主要包含两类：耐水性和耐酸性。由于泡沬玻璃的多孔结构，能够吸收大量水分，在水分对玻璃表面侵蚀的过程中，吸收的水分与玻璃表面结合能够对水的侵蚀起到保护作用。因此泡沫玻璃具有极好的耐水性。实验中主要测试了泡沫玻璃样品的耐酸性。从实验可以看出，制备的样品均具有很高的耐酸性。该测试结果表明，样品均能在一定的酸性环境中进行应用。除HF酸外，玻璃一般不与其他的酸发生化学反应，酸一般通过水的作用来侵蚀玻璃。由于实验制备的泡沫玻璃属于硅酸盐系玻璃，具有非常致密的[SiO4]硅氧四面体结构，玻璃的网络连接程度非常紧密，使酸腐蚀的程度很小，因此样品具有很高的耐酸性。样品的耐酸性如图2所示。

图2 样品耐酸性

2.5.2 耐碱性能测试

样品的耐碱性如图3所示。

图3 样品耐碱性

通过实验表明，泡沫玻璃在碱溶液浸泡的过程中，未与其它物质发生反应，也未生成新物质，同时，碱溶液也对泡沫玻璃样品表面未造成侵蚀现象。因此可以得出结论，即泡沫玻璃具有较好的耐碱性能。

2.6 烧结制度对结构和性能的影响

由于泡沫玻璃作为一种大量实际应用的产品，必须考虑其应用的实际生产成本。目前查阅文献中利用粉煤灰、玻璃粉作为主要原料制备泡沫玻璃时，均采用较高的温度来烧结制备，烧结温度为900～1 200 ℃。因此本实验中探索采用尽可能低的烧结温度来进行制备，样品3～5分别采用750 ℃和800 ℃两种不同的发泡温度。

泡沫玻璃制备的关键因素在于样品的软化温度和发泡温度范围比较一致，这样在发泡剂分解或氧化过程中产生的气体被包裹在软化的还原体中，气泡得以保存，最终在样品中形成气孔结构。

实验中发现，在700～800 ℃，由于烧结温度还没有达到样品还原体的软化温度，样品还原体还没有完全软化，发泡剂虽然已部分甚至完全分解，但产生的气体直接从还原体中挥发出去，无法被包裹在样品内部，没有形成气孔结构，最终无法制备得到发泡良好的泡沫材料。而当烧结温度达到750 ℃时，成功制备出发泡良好、样品体积膨胀适宜的泡沫材料。因此，本实验选择的泡沫材料最低烧结温度为750 ℃。当烧结温度超过850 ℃时，样品在烧结过程中内部成功形成很多气孔结构，但由于在高温作用下，气孔大量贯穿连通，内部出现很多直径过大的孔洞，这种不均匀的结构会严重影响样品的机械性能等各种性能。

2.6.1 烧结温度对性能影响的分析

烧结温度为800 ℃时样品5的各项性能比较优异。随着发泡温度的升高，样品的气孔率先增大后逐渐减小，体积密度降低到最小值后逐渐增加。原因是发泡温度较低时，活性炭反应较少、玻璃液的粘度较大，发泡困难，造成体积密度较大、气孔率小；发泡温度较高时，玻璃液的粘度过小，活性炭反应产生的气体不能被液相包裹，且随着温度升高，玻璃液逐渐澄清，气泡变少。

因此提高烧结温度对泡沫材料的结构会产生很大的影响，过高的烧结温度将造成样品结构的严重不均匀,影响了泡沫玻璃的性能。

2.6.2 烧结时间对结构和性能的影响

烧结时间是指在最高烧结温度的保温时间。其目的是样品中发泡充分完全，让气泡长大同时使样品结构更为均匀。发泡时间对样品的结构及性能会造成一定的影响。发泡时间过短，样品中发泡剂来不及分解完全，形成的部分气孔及其结构也没有完全形成，最终影响样品的发泡效果，不能制备出气孔率适宜的泡沫玻璃样品；发泡时间过长，样品中形成的气孔在长时间的高温作用下，气孔逐渐贯穿连通，形成了孔径过大的大气孔，造成气孔结构的不均匀性，严重影响所制备样品的机械强度。过短和过长的烧结时间都不利于制备出性能良好的泡沫玻璃材料，必须通过实验研究出样品制备的最佳烧结时间。

样品3～5分别是在烧结温度下保温90 min，30 min和60 min，研究烧结时间的变化对样品的结构和性能的影响。由前面得出的数据可以看出耐酸性样品5要高于其他两个产品，抗压强度以及气孔率都要优于其他产品，可以得出烧结温度过高与过低都对泡沫玻璃产生不利的影响。随着发泡时间的延长，样品的体积密度先变小后逐渐增大，气孔率先增大后减小。因为，发泡时间过短时，发泡不充分，造成气孔率偏小，体积密度大；发泡时间过长时，发泡剂分解气体充分，气泡的内压逐渐增大，从而突破液相的包裹束缚，逸出试样表面；另外随着发泡时间的延长，试样内部析出的晶体增多，烧结程度加剧，致密度升高，气孔率下降，体积密度增大。

烧结30 min所制备的样品表面上残留有小气口，同时样品色泽呈现出一定的不均匀性，部分原料颗粒没有得到反应仍残存夹杂在样品中，证明整个材料体系还没有得到充分发泡反应。对样品内部形貌的观察可以看出，由于发泡剂在较短时间内没有完全分解，样品内部形成的气孔数量也比较少，样品体积膨胀较小。30 min的烧结时间对于样品的发泡时间过短，需要延长一定的烧结时间来制备样品。对于烧结时间为60 min及90 min所制备样品的体积膨胀要比烧结时间为30 min制备的样品要大。这证明在延长烧结时间后，即烧结时间为60～90 min时样品能够充分反应完全。

样品内部形成了大量的气孔，且形成的气孔数量和直径均随烧结时间的延长逐渐增大。这说明气孔的形成和长大均需要一个较长的时间过程。随烧结时间的延长，气孔孔径逐渐增大，小气孔逐渐相互结合形成较大的气孔。烧结时间在30 min时，由于发泡反应时间过短，样品内部来不及形成数量很多的气孔，最终仅停留在气孔刚出现的阶段，孔径极小的气孔没有完全长大，而当烧结时间从30 min延长到60 min后，样品中气孔出现了相当程度的长大，孔径较大且气孔分布较为均匀；而当烧结时间进一步延长到90 min后，发现气孔相互贯穿连通，最终形成了孔径过大的大气孔甚至空洞，这种结构对样品的性能会产生非常不利的影响。因此烧结时间过短或过长均不利于泡沬玻璃的制备。

2.6.3 烧结时间对性能的影响

实验证明，60 min是样品在烧结温度为800 ℃比较合理的烧结时间，样品形成了较多的气孔结构，且结构相对比较均匀。

随着烧结时间的延长，样品密度在小范围内逐渐降低，而气孔率逐渐小幅升高。这主要是由于随烧结时间的延长，样品中发泡更加完全充分，形成的气孔数量和气孔孔径均逐渐增大，样品中气孔体积占试样总体积的比例逐渐上升，因而呈现出随烧结时间延长密度降低和气孔率升高的趋势。同时，由于试样中发泡剂在高温阶段分解速度比较快，在30～60 min这段时间内基本分解得比较完全,因此继续延长烧结时间，对样品中气孔的总体积没有明显的作用，因此样品密度和气孔率在不同烧结时间的变化下没有发生明显改变，均只在小幅度范围内被动。

2.7 其他因素对泡沫玻璃结构和性能的影响

2.7.1 升温速率和降温速率对泡沫玻璃结构和性能的影响

从400 ℃到800 ℃的烧结温度，升温速率要快，防止发泡剂过早氧化和配合料表面瓷化。从烧结到发泡温度，速率要慢，保证发泡均匀。降温速率应该控制在10～20 ℃/min，可保持生成的气孔。达到退火温度时，保温一定时间，或降低降温速率，以消除产品中的应力。当温度降至退火温度以下200 ℃时，可以快速降温至室温。

2.7.2 原料的湿磨时间对结构和性能的影响

泡沫玻璃的显气孔率随着湿磨时间的延长呈增大趋势，考虑到原料湿磨时间延长对生产成本的增加，选用湿磨50 min的原料烧制样品较合适。原料湿磨时间的延长使得泡沫玻璃的抗压和抗折强度减小，湿磨时间不超过50 min，所得样品的抗压和抗折强度参数基本满足相关建材行业标准要求。随着原料湿磨时间的延长，泡沫玻璃的微观结构得到明显的改善，气孔孔径增大，总气孔率增大，孔壁变薄，但时间过长会导致气孔孔径不均匀。

3 结论

以碎玻璃为主要原料,通过加入一定含量的助熔剂及发泡剂进行成分设计，从而使配合料的组成满足玻璃的形成范围，在较低的温度下成功制备得到发泡良好的泡沫玻璃。笔者研究了不同组分的含量变化对泡沫玻璃样品的制备及性能的影响，同时也探讨了烧结温度、烧结时间等工艺参数对泡沫玻璃的发泡及样品性能的影响，得出了以下结论：

1)利用碎玻璃制备泡沫玻璃，采用碳酸钠和二氧化锰作为助熔剂具有很好的助熔效果，实现在较低温度下制备得到泡沫玻璃样品的目的。活性炭作为发泡剂制备出发泡效果良好的泡沬玻璃样品，样品具有较低的体积密度，很高的气孔率，良好的耐酸稳定性以及一定的机械强度，能够满足实际使用要求。

2)碎玻璃的含量和添加剂的含量都会影响泡沫玻璃的结构和性能。

3)泡沫玻璃制备的最佳工艺制度为:烧结温度为800 ℃，烧结时间为60 min。烧结温度低于750 ℃时，样品没有达到软化温度坯体还未软化，坯体无法发泡制备得到发泡良好的泡沫玻璃；反之，烧结温度过高高于800 ℃时,烧结后样品表面出现瓷化的现象，内部出现很多孔径过大的气孔，造成样品的结构不均匀，严重影响其机械强度。烧结时间过短(低于30 min)，发泡剂分解时间过短坯体发泡不充分；反之，发泡时间过长(超过60 min)，坯体内部中小气孔逐渐连通贯穿长大，形成大气孔后也会影响最终样品性能。本实验的样品5性能优异，其体积密度为0.472 3 g/cm3，吸水率为0.052 15，抗压强度为1.225 MPa，耐酸性为99.77%，耐碱性为99.78%。