利用廢玻璃制備泡沫玻璃的試驗研究

    要:

以廢玻璃為原料,研究了改性劑、發泡劑對泡沫玻璃導熱系數、抗壓強度、閉孔率的影響。結果表明,氧化鋁作為改性劑對抗壓強度有正面影響,但是會對導熱系數和閉孔率產生負面影響;氧化硼作為改性劑對于抗壓強度、導熱系數、閉孔率都有正面影響;進口氣相法炭黑作為發泡劑相對于S6色素炭黑,對抗壓強度、導熱系數、閉孔率都有正面影響。以廢玻璃為基料,發泡溫度為950℃,改性劑氧化硼摻量為3%、發泡劑進口氣相法炭黑摻量為0.3%,作為最優配方。

 

隨著玻璃制品需求量的飛速增長,同時也不可避免地產生了許多廢舊玻璃[1]。如何對廢舊玻璃進行合理的綜合利用,減輕對環境的污染,變廢為寶,是目前比較關注的問題。

泡沫玻璃是以廢舊玻璃為原料,添加發泡劑、改性劑等材料,均勻混合形成配合料,經熔融、發泡、退火等工藝,制成的一種性能良好的新型建筑節能材料[2]。泡沫玻璃的應用不僅降低了建筑能耗,而且生產成本低、工藝簡單。國內外已有眾多學者研究利用廢舊玻璃制備泡沫玻璃。Fernandes等[3]以碎玻璃和粉煤灰為主要原料,碳酸鹽(白云石和方解石)作為發泡劑制備泡沫玻璃,研究了碳酸鹽種類、用量、燒結溫度對其表觀密度、抗壓強度、微觀結構的影響,發現了抗壓強度、表觀密度、孔隙率之間良好的關聯性。沈承金等[4]對泡沫玻璃混合料包覆改性、添加石墨發泡劑以及預壓成型進行研究,測試了泡沫玻璃密度、平均孔徑、最大孔徑和最大孔徑氣泡所占比例。宋二曉等[5]利用廢棄的陰極射線管錐玻璃堿性浸出渣及屏玻璃混合粉末制備泡沫玻璃,研究了發泡溫度、屏玻璃摻量、發泡劑種類及摻量、穩泡劑摻量對泡沫玻璃密度及抗壓強度的影響。雖然國內外已有許多學者對泡沫玻璃的配方和工藝進行了優化,但是目前國內的泡沫玻璃的產量和質量還是不能滿足國內對泡沫玻璃的需求[6]。根據國內生產泡沫玻璃的情況,在經濟成本合理的情況下尋求一種合適的發泡劑和改性劑的最佳用量來提高泡沫玻璃的防水性能和保溫性能是當務之急。

本試驗以“2步法”制作泡沫玻璃,以廢玻璃為主要原料,通過選擇合適的改性劑和發泡劑及其摻量,優化泡沫玻璃的制備工藝,為生產高性能泡沫玻璃提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

廢玻璃:嘉興本地回收的廢舊窗玻璃,主要化學成分如表1所示;改性劑:氧化硼、氧化鋁;發泡劑:S6色素炭黑、進口氣相法炭黑,進口化工材料,工業純(純度>99%),粒徑25 nm。

表1 廢玻璃的主要化學成分     下載原表

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表1 廢玻璃的主要化學成分

1.2 試驗方案

1.2.1 泡沫玻璃配方設計

綜合有關文獻和幾種氧化物在玻璃中的作用,本試驗以廢玻璃為基料,添加改性劑和發泡劑制備泡沫玻璃,共設計了10組不同的泡沫玻璃配方,如表2所示。

表2 泡沫玻璃配方設計     下載原表

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表2 泡沫玻璃配方設計

1.2.2 泡沫玻璃的制備

根據配方設計稱取各種原料,將廢玻璃用球磨機粉碎成玻璃粉末(200~250目),配合料經過均勻混合后裝入耐熱鋼模具中,在加熱爐內加熱,發泡溫度控制在950℃。為了使粉料均勻發泡,在500~600℃進行充分預熱,其后快速升溫,升溫速率控制在10℃/min內。發泡后泡沫玻璃的退火溫度控制在600℃,并在該溫度下保溫3~5 h,其后緩慢降至室溫。最后切割得到泡沫玻璃。其生產工藝流程如圖1所示。

圖1 泡沫玻璃的制備工藝流程

圖1 泡沫玻璃的制備工藝流程   下載原圖

 

1.2.3 抗壓強度測試

基于ASTM C165標準,采用DCS-300微機控制全自動壓力試驗機進行抗壓強度的測試。將泡沫玻璃切割成尺寸為200 mm×200 mm×50 mm的試樣,在試樣2個受壓面涂刷乳化瀝青,放置在溫度為(23±2)℃,相對濕度為(50±5)%的恒溫恒濕箱中進行狀態調節,放置時間不少于24 h。然后將試樣放置在試驗機的壓板上,使試樣的中心與試驗機壓板的中心重合,采用2200 N/s的速度對試樣施加荷載,直至試樣破壞。

1.2.4 導熱系數測試

基于ASTM C518標準,利用熱流計法測試導熱系數。將尺寸為300 mm×300 mm×30 mm泡沫玻璃試樣放入導熱系數測定儀HFM436測試導熱系數。測試平均溫度為9.8℃,雙板溫差為19.9℃,溫度梯度為639.2℃。

1.2.5 閉孔率測試

基于ASTM D2856標準測試閉孔率。從需測試樣上切取尺寸為25 mm×25 mm×25 mm的樣品8塊,稱其質量,然后打開氮氣,啟動UPY-31-F型開閉孔率測試儀,將切好樣品放入樣品池中,蓋上蓋子。輸入樣品編碼、尺寸測試閉孔率。閉孔率為測試3次取其平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃抗壓強度的影響(見圖2)

圖2 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃抗壓強度的影響

圖2 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃抗壓強度的影響   下載原圖

 

由圖2可見,添加了改性劑和發泡劑的泡沫玻璃抗壓強度均高于JC/T 647—2014《泡沫玻璃絕熱制品》規定的最小抗壓強度為0.5 MPa的要求。其中添加6%氧化硼、0.3%進口氣相法炭黑的泡沫玻璃抗壓強度最高。發泡劑相同的情況下,與未添加改性劑的泡沫玻璃比較,摻3%、6%改性劑的泡沫玻璃抗壓強度明顯提高,改性劑主要是用于改善玻璃的黏度,或者在一個比較大的溫度范圍內維持玻璃的黏度,發泡劑為進口氣相法炭黑時,摻3%、摻6%氧化鋁的泡沫玻璃比未添加氧化鋁的泡沫玻璃抗壓強度分別提高了0.06 MPa和0.10 MPa,因為氧化鋁(Al2O3)屬于中間氧化物,在玻璃中降低玻璃的析晶傾向和電導,在泡沫玻璃中主要是用來提高機械強度。摻3%、摻6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃抗壓強度分別提高了0.35 MPa和0.37 MPa,因為氧化硼(B2O3)也是玻璃的形成氧化物,以硼氧三面體[BO3]和硼氧四面體[BO4]為結構單元,在硼硅酸鹽玻璃中與硅氧四面體共同組成結構網絡,氧化硼能提高玻璃的機械強度。發泡劑和改性劑摻量相同的情況下,添加氧化硼的泡沫玻璃抗壓強度高于添加氧化鋁的,氧化硼作為改性劑更能提高泡沫玻璃的抗壓強度,如發泡劑同為進口氣相法炭黑,改性劑摻量為3%時,添加氧化硼的泡沫玻璃抗壓強度比添加氧化鋁的提高了0.29MPa。改性劑種類和摻量相同時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃抗壓強度高于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。進口氣相法炭黑作為發泡劑更能提高泡沫玻璃的抗壓強度,如改性劑同為氧化硼,摻量同為3%時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃抗壓強度比添加S6色素炭黑的提高了0.21 MPa。

2.2 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃導熱系數的影響(見圖3)

圖3 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃導熱系數的影響

圖3 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃導熱系數的影響   下載原圖

 

由圖3可見,添加氧化硼3%及進口氣相法炭黑的泡沫玻璃導熱系數最低。發泡劑相同的情況下,氧化硼作為改性劑能降低導熱系數;氧化鋁作為改性劑提高了導熱系數,且隨著摻量增加泡沫玻璃保溫效果越差。如發泡劑為進口氣相法炭黑時,摻3%、6%氧化鋁的泡沫玻璃比未添加氧化鋁的泡沫玻璃導熱系數分別提高了0.001、0.002 W/(m·K);摻3%、6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃導熱系數分別降低了0.004、0.002 W/(m·K)。改性劑種類和摻量相同時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃導熱系數低于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。如改性劑同為氧化硼,摻量為3%時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃導熱系數比添加S6色素炭黑的降低了0.012 W/(m·K)。

2.3 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃閉孔率的影響(見圖4)

圖4 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃閉孔率的影響

圖4 改性劑及發泡劑對泡沫玻璃閉孔率的影響   下載原圖

 

由圖4可見,添加6%氧化硼及進口氣相法炭黑的泡沫玻璃閉孔率最高,達93.6%。發泡劑種類、改性劑種類和摻量對閉孔率幾乎沒有影響。發泡劑相同的情況下,氧化硼作為改性劑能提高泡沫玻璃閉孔率,氧化鋁作為改性劑降低了泡沫玻璃的閉孔率但影響不大。如發泡劑均為進口氣相法炭黑時,摻3%、6%氧化鋁的泡沫玻璃閉孔率比未添加氧化鋁的泡沫玻璃分別降低了0.4、0.7個百分點;摻3%、6%氧化硼的泡沫玻璃比未添加氧化硼的泡沫玻璃閉孔率分別提高了8.8、9.0個百分點。氧化硼作為改性劑能提高泡沫玻璃閉孔率,因為氧化硼在高溫反應下形成硼氧三面體[BO3]和硼氧四面體[BO4],在硼硅酸鹽玻璃中與硅氧四面體共同組成結構網絡,提高了高溫下的熔體黏度,降低配合料的表面張力,有利于形成泡孔穩定,從而大幅提高閉孔率。改性劑種類和摻量相同時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃閉孔率高于添加S6色素炭黑的泡沫玻璃。如改性劑同為氧化硼,摻量為3%時,添加進口氣相法炭黑的泡沫玻璃閉孔率比添加S6色素炭黑的提高了13.2個百分點。

3 泡沫玻璃性能的關聯性探討

對比圖3、圖4可知,閉孔率與導熱系數有一定的關聯性。閉孔率越高,導熱系數越小,保溫性能越好。原因是泡沫玻璃的導熱系數大小由泡沫玻璃的多孔結構決定。泡沫玻璃是由玻璃組分的氣孔壁以及填充在空隙里的氣體構成??妆诘膫鳠釞C制是熱傳導,而氣孔中的氣體傳熱依賴于對流和輻射。泡沫玻璃的氣孔率較高,所以其傳熱主要由氣體對流和輻射完成。相對于固體的熱傳導,對流和輻射的熱傳遞效率較低,所以泡沫玻璃的導熱系數較小,對于閉孔率高的泡沫玻璃,其導熱系數自然更小,保溫性能更好[7]。

閉孔率和吸水率、水蒸氣滲透率直接相關,閉孔率高,吸水率和水蒸氣滲透率小。本試驗結合經濟成本,選擇以廢玻璃為基料,摻加3%氧化硼、0.3%進口氣相法炭黑的泡沫玻璃生產配方。

4 結論

(1)改性劑種類對泡沫玻璃的抗壓強度和導熱系數有一定影響,對閉孔率影響相對較??;發泡劑種類對泡沫玻璃的導熱系數和抗壓強度有一定影響,對閉孔率影響相對較小。

(2)研究了改性劑種類和摻量、發泡劑種類對泡沫玻璃性能的影響,確定以廢玻璃為基料,3%氧化硼、0.3%進口氣相法炭黑為生產泡沫玻璃的最佳配方。

(3)氧化鋁對抗壓強度有正面影響,但是會對導熱系數和閉孔率產生負面影響。氧化硼對于抗壓強度、導熱系數、閉孔率都有正面影響。進口氣相法炭黑相對于S6色素炭黑,在抗壓強度、導熱系數、閉孔率都有正面影響。

(4)利用廢玻璃生產泡沫玻璃,減少廢棄物,保護環境,成本較低,工藝簡單,能帶來較大的經濟效益和社會效益,應用前景廣闊。



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