CN101792266A

CN101792266A - 一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备方法

Info

Publication number: CN101792266A
Application number: CN201010108316A
Authority: CN
Inventors: 郭宏伟; 龚煜轩; 余明光; 古先文; 吴古剑; 郭晓琛
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: CN101792266B

Abstract

一种颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，首先将废玻璃粉、氮化硅、碳粉、硝酸钠、二氧化钛和二氧化锆加入到球磨罐中球磨得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中烧成。按照本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0.2～1.2g/cm³，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，比强度可达5～20.0MPa/(g.cm^-3)。本发明所制备的泡沫玻璃比强度大，机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。该泡沫玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。

Description

一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫玻璃的制造方法，特别涉及一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备方法。

背景技术

在过去数十年里，世界上已经发生了多次恐怖分子对一些国家政府建筑物的恐怖袭击事件。例如，1993年，恐怖分子引爆了位于纽约市世贸中心车库内的汽车炸弹，造成重大的生命和财产损失。1995年，一些极端分子引爆了位于俄克拉荷马市的联邦大楼外的卡车，也造成了重大的生命和财产损失。1998年，美国驻内罗毕和达累斯萨拉姆的使馆也遭受到恐怖分子的汽车炸弹袭击，分别造成重大的生命和财产损失。2002年，在纽约市的世贸中心和弗吉尼亚的五角大楼发生的灾难事件，这一切进一步强调了迫切需要开发和制造能够承受汽车炸弹爆炸和其他类似恐怖袭击的冲击波的新型建筑材料。

多孔泡沫玻璃是利用废弃玻璃为主要原料，添加发泡剂、改性剂、促进剂等经细粉碎和均匀混合成配合料，放置在特定模具中经过750～900℃温度加热，使玻璃软化、发泡、退火形成一种内部充满无数均匀气泡的多孔玻璃材料。泡沫玻璃具有密度小、强度高、导热系数小等物理性质，其不仅具有玻璃材料本身固有的永久性、安全性、可靠性、防化学腐蚀性和不受蚁鼠侵害等优点，而且与其它建筑材料相比，还具有保温隔热、防水、防潮、防火、耐酸碱、密度小、机械强度高、吸声等一系列优越性能。

泡沫玻璃除了具有玻璃本身固有的永久性、安全性、防化学腐蚀性和不受虫蚁鼠侵害的特点外，还具有容重轻、导热系数小、不透湿、吸水率小、不燃烧、不霉变、性能稳定、既是保冷材料又是保温材料，能适应深冷到较高温度范围等特点。同时它的重要价值不仅在于长年使用不会变质，而且本身又起到防火、防震作用。近年来，随着国家对节能环保材料性能的要求和需求，使泡沫玻璃得到进一步的发展，不仅在建筑领域可以代替传统钢筋水泥等材料，用于高层建筑墙体材料，也可作为化工耐热环境下的管道材料使用。而且还可用做防火材料。但是，泡沫玻璃强度较低，不同规格的泡沫玻璃抗折强度为0.1～0.9MPa。

美国人佩德罗·M·布阿尔克·德马塞多在中国专利CN1642730A中公开了一种以飞灰(煅烧型F)，石英砂，碳酸盐，碱性金属硅酸盐，硼酸，糖，水等为原料，先按照配方配料，配好的配合料采用湿法球磨后，将生成的浆料干燥，然后在950℃下将干燥的浆料煅烧40min，让原材料充分反应，分解成精细、均匀分散的碳，最后将煅烧并研磨成粉末的配合料放入模具中加热到850℃发泡。所制备的试样密度25～100磅/立方英尺(约等于0.4～1.6g/cm³)。该方法尽管所制备的泡沫玻璃强度高，但是对配合料采用两次煅烧工艺，制备工艺复杂，烧成温度高，且所得到的试样密度大(最大可以达到1.6g/cm³)，会给泡沫玻璃在运输，使用中带来不便。CN101014461A公开了一种小孔径坚固的高密度泡沫玻璃，所用的原料和制备工艺与CN1642730A相同，所制备试样的孔径为0.3～1mm，密度小于100磅/立方英尺(约等于1.6g/cm³)。此法制备的泡沫玻璃孔径较小，抗折强度低。CN200946127Y公开了一种夹有金属丝网的泡沫玻璃，解决了泡沫玻璃机械强度低，不能生产大幅面制品，使用程序繁杂、施工质量、效果不易保证的问题。但是，此种夹有金属丝的泡沫玻璃切割加工比较困难，施工操作比较复杂。中国专利申请号200910023316.1公开了一种高强度泡沫玻璃的制备方法，将碎玻璃粉末，CaC0₃，硼砂，NaNO₃和耐火纤维加入到球磨罐中球磨混合均匀后置于模具中并将其移入发泡炉中经预热、发泡、稳泡、快速冷却和退火阶段得泡沫玻璃。泡沫玻璃中加入耐火度高，强度高的纤维，有利于提高泡沫玻璃的力学性能。所制备的泡沫玻璃机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。该专利使用干法将增强纤维与玻璃配合料混合。由于增强纤维直径小，密度低混合过程中很难和玻璃配合料混合均匀，因此所制备的增强泡沫玻璃性能一致性较差，同时，在混合过程中增强纤维容易聚团和折断，制备工艺复杂。

除了通过提高泡沫玻璃密度的方法提高泡沫玻璃的机械强度外，还可以通过在泡沫玻璃配合料中加入少量添加剂的方法，使其发泡后在泡沫玻璃中析出一定数量的晶体的方法，在一定程度上也可以提高泡沫玻璃的机械强度。南京大学以废玻璃和粉煤灰为主要原料，以碳酸钙为发泡剂制备了微晶泡沫玻璃，将研磨的玻璃粉、粉煤灰和非金属矿加入水后进行混合；在含有水分的条件下压制成型，然后烘干；放入窑内烧制，然后将烧制后的毛坯切割成型。其缺点是除玻璃粉和粉煤灰外，还加入了非金属矿，制造成本较高。所用的非金属矿有碱性长石、硅砂、纯碱和方解石，并且采用了压制成型，制作工艺复杂。CN1807314A公开了一种以废旧阴极射线管玻璃为主要原料，以SiC为发泡剂，在840～900℃下发泡制备微晶泡沫玻璃的方法，该方法所制备的微晶泡沫玻璃中晶体有Pb，PbO等，且强度较高。但是，该方法所制备的泡沫玻璃密度大，发泡温度高。

CN200710047484.5公开了一种SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法。取占合金总量质量分数1～％的镁、6～8％的硅及余量的铝，10～20％的SiC颗粒加热熔化为铝合金熔液，并进行电磁搅拌，搅拌均匀。再加入占合金总量质量分数1～3％的发泡剂，待发泡剂搅拌均匀后，保温发泡3～5分钟，待铝熔体生长稳定后，冷却，使铝合金熔体泡沫冷却凝固后得到孔结构均匀的高孔隙率SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料。而关于采用颗粒增强泡沫玻璃的研究国内外没有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备方法；本发明所用原料广泛、制备工艺简单，所制备的多孔泡沫玻璃比强度高，应用广泛。

为达到上述目的，本发明的制备方法为：

1)首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将70～90％的玻璃粉、1～20％氮化硅、0.5～5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合30～120分钟得配合料；

2)然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以5～15℃/min的升温速度升温至800℃后，保温30～120min；然后以升温速度为1～10℃/min升温到850～1000℃，保温30～120min；然后以冷却速度为5～10℃/min降温至600～750℃，保温30～120min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。

本发明所用氮化硅粒度为300目，并经过在400℃下保温3小时的预处理过程。这样可以清除颗粒表面吸附的有机物、杂质、水蒸气和其它气体。

按照本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0.2～1.2g/cm³，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，比强度可达5～20.0MPa/(g.cm^-3)。

本发明所用碎玻璃包括各种废旧平板玻璃，瓶罐玻璃，电子玻璃等，且对玻璃的颜色没有特别要求，碎玻璃粉的粒度越细，所制备的泡沫玻璃的泡径分布越均匀；碳粉作为发泡剂，用量随氮化硅用量的增加而增加，且可以促进氮化硅与玻璃基体的结合。本发明所制备的泡沫玻璃比强度大，机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。该泡沫玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。

附图说明

图1是按照本发明实施例1制备方法所制得的颗粒增强泡沫玻璃在扫描电子显微镜下的照片。

图2是按照本发明实施例2制备方法所制得的颗粒增强泡沫玻璃在扫描电子显微镜下的照片。

具体实施方式

实施例1，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将82％的玻璃粉、10％氮化硅、3％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合60分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以10℃/min的升温速度升温至800℃后，保温60min；然后以升温速度为5℃/min升温到900℃，保温60min；然后以冷却速度为5℃/min降温至750℃，保温30min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径1.3mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.36g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为8.53MPa/(g.cm^-3)。参见图1，可以看出在泡沫玻璃的气泡之间及气泡壁等部位均匀分布着氮化硅颗粒。

实施例2，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将75％的玻璃粉、15％氮化硅、5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合90分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以12℃/min的升温速度升温至800℃后，保温30min；然后以升温速度为4℃/min升温到950℃，保温80min；然后以冷却速度为10℃/min降温至700℃，保温120min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径2.3mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.31g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为9.21MPa/(g.cm^-3)。参见图2，可以看出在泡沫玻璃的气泡之间及气泡壁等部位均匀分布着氮化硅颗粒。

实施例3，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将70％的玻璃粉、20％氮化硅、5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合30分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以9℃/min的升温速度升温至800℃后，保温90min；然后以升温速度为9℃/min升温到980℃，保温90min；然后以冷却速度为6℃/min降温至700℃，保温90min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径1.7mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.51g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为13.91MPa/(g.cm^-3)。

实施例4，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将90％的玻璃粉、1％氮化硅、4％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合120分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以15℃/min的升温速度升温至800℃后，保温120min；然后以升温速度为3℃/min升温到1000℃，保温30min；然后以冷却速度为8℃/min降温至600℃，保温60min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径1.6mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.68g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为18.17MPa/(g.cm^-3)。

实施例5，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将85％的玻璃粉、9.5％氮化硅、0.5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合80分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以8℃/min的升温速度升温至800℃后，保温80min；然后以升温速度为1℃/min升温到920℃，保温100min；然后以冷却速度为5℃/min降温至650℃，保温80min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径2.1mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.48g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为11.53MPa/(g.cm^-3)。

实施例6，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将89％的玻璃粉、5％氮化硅、1％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛、1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合50分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成：自室温以5℃/min的升温速度升温至800℃后，保温100min；然后以升温速度为10℃/min升温到850℃，保温120min；然后以冷却速度为5℃/min降温至650℃，保温100min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径0.98mm；采用排水法测定试验的表观密度为0.35g·cm^-3；采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为9.94MPa/(g.cm^-3)。

由于本发明以工业废料为原料，添加少量添加剂，以氮化硅颗粒作为增强材料，采用粉末烧结法颗粒增强泡沫玻璃。本发明不但有利于废物利用，保护环境，而且泡沫玻璃中加入耐火度高，强度高的氮化硅颗粒，有利于提高泡沫玻璃的力学性能。本发明所用原料广泛、制备工艺简单，所制备的多孔泡沫玻璃比强度高，应用广泛。该泡沫玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。

Claims

1.一种颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：

1)首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将70～90％的玻璃粉、1～20％氮化硅、0.5～5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛和1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合30～120分钟得配合料；

2.根据权利要求1所述的颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：所述的氮化硅粒度为300目，并经过在400℃下保温3小时的预处理。

3.一种如权利要求1所述的颗粒增强泡沫玻璃的制备方法制成的颗粒增强泡沫玻璃，其特征在于：密度为0.2～1.2g/cm³，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，比强度可达5～20.0MPa/(g.cm^-3)。