CN102167517A - 一种高强多孔玻璃的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强多孔玻璃的制备方法，首先将碎玻璃清洗干净球磨至270目以下得玻璃粉末；然后将玻璃粉末，SiC，硼砂，NaNO₃和高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨得配合料；将配合料加入到耐热钢模具中经预热阶段、发泡阶段、稳泡阶段、快速冷却阶段和退火阶段得泡沫玻璃。本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0.1～0.6g/cm³，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，抗折强度可达到3.0～10.0MPa。

Description

一种高强多孔玻璃的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔玻璃的制备方法，特别涉及一种用于工民建筑领域或军工防暴、防震等建筑环境中的高强多孔玻璃的制备方法。

背景技术

在过去数十年里，世界各地发生震惊中外的自然灾害和人为的恐怖袭击事件使得建筑物的倒塌，从而造成数以万计生命的伤亡，难以计数的财产损失。例如，1976年7月28日发生在我国河北省唐山市的地震造成24万多人死亡，16万人受伤。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。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。2008年5月12日发生在我国四川省的里氏8.0级地震造成遇难69225人，受伤374640人，失踪17939人，直接经济损失达8451亿元人民币。这一切进一步警示我们迫切需要开发和制造高强的防震建筑材料，而且更重要的是其密度小，质量轻，才能真正起到保护人民生命安全的巨大作用以及减少国家财产损失的目的。

泡沫玻璃是利用废弃平板玻璃，瓶罐玻璃为主要原料，添加发泡剂、改性剂，助熔剂等，经球磨均匀混合形成配合料，然后放在特定的磨具中经过发泡、退火等工艺过程形成的一种内部充满无数均匀气泡的多孔玻璃材料。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。同时其价值还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作为墙体内衬或外衬材料，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，以往不同规格的泡沫玻璃抗折强度为0.1～1MPa。

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，与烧结砖的密度相当)，会使泡沫玻璃在建筑领域的应用达不到轻质的效果。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，但是仍不能解决质轻的问题，且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。

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也高于1.0g/cm³，发泡温度高，耗能高，很难得以广阔的应用。

此外，CN101602574公开了一种采用耐火纤维增强多孔玻璃的制备方法，在一定程度上提高了多孔玻璃的力学性能。但是耐火纤维在多孔玻璃发泡过程中其自身力学强度也大打折扣。所以对多孔玻璃的力学性能提高是有限的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种密度低，制备工艺简单的高强泡沫玻璃的制备方法，按照本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0.1～0.6g/cm³，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，抗折强度可达到3.0～10.0MPa。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将74～90％的玻璃粉末，1～4％的SiC，2～5％的硼砂，2～4％的NaNO₃和2～20％的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合10～60min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400℃后，保温10～30min；

发泡阶段，升温速度为5～10℃/min升温到780～850℃；

稳泡阶段，在780～850℃恒温下保温10～60min；

快速冷却阶段，冷却速度为20～25℃/min，冷却至500～550℃，恒温时间10～30min；

退火阶段，降温速度为1～2℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

本发明高强耐高温高硅氧纤维的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm。

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；SiC作为发泡剂；硼酸作为助熔剂，NaNO₃作为稳泡剂，高强耐高温高硅氧纤维作为增强剂，其中对纤维的要求为，在发泡温度下不变形；不与玻璃粉及添加剂反应；可以在常温下长期存在，化学稳定性良好；力学性能优良；纤维的直径为0.01～0.05mm，优选0.01～0.03mm，长度为1～100mm；优选3～50mm；高强耐高温纤维的加入量为1～20.0％，优选5～10％。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。因此，本发明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。该泡沫玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，用在恐怖袭击高危险区的建筑物的关键表面内部和外部的立面，且具有刚性结构的优点，当面临冲击时，泡沫玻璃可以吸收爆炸能量的主要部分。即使作为建筑墙体材料，发生破裂坍塌时，由于其质轻也不会对人生命造成伤害。

具体实施方式

实施例1：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将90％的玻璃粉末，1.5％的SiC，3.5％的硼砂，3％的NaNO₃和2％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合30min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以15℃/min的升温速度升温至400℃后，保温20min；

发泡阶段，升温速度为5℃/min升温到820℃；

稳泡阶段，在820℃恒温下保温30min；

快速冷却阶段，冷却速度为20℃/min，冷却至550℃，恒温时间10min；

退火阶段，降温速度为1℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径1.7mm，密度为0.32g/cm³，抗折强度达到3.5MPa。

实施例2：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将74％的玻璃粉末，2％的SiC，2％的硼砂，2％的NaNO₃和20％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合10min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以10℃/min的升温速度升温至400℃后，保温30min；

发泡阶段，升温速度为8℃/min升温到830℃；

稳泡阶段，在830℃恒温下保温25min；

快速冷却阶段，冷却速度为25℃/min，冷却至520℃，恒温时间20min；

退火阶段，降温速度为2℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径1.6mm，密度为0.33g/cm³，抗折强度达到3.9MPa。

实施例3：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将80％的玻璃粉末，4％的SiC，5％的硼砂，4％的NaNO₃和7％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合60min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以18℃/min的升温速度升温至400℃后，保温15min；

发泡阶段，升温速度为10℃/min升温到840℃；

稳泡阶段，在840℃恒温下保温20min；

快速冷却阶段，冷却速度为23℃/min，冷却至540℃，恒温时间15min；

退火阶段，降温速度为1.5℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径1.3mm，密度为0.41g·cm^-3，抗折强度达到5.9MPa。

实施例4：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将85％的玻璃粉末，1％的SiC，4％的硼砂，3％的NaNO₃和7％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合20min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以13℃/min的升温速度升温至400℃后，保温25min；

发泡阶段，升温速度为7℃/min升温到780℃；

稳泡阶段，在780℃恒温下保温60min；

快速冷却阶段，冷却速度为21℃/min，冷却至510℃，恒温时间25min；

退火阶段，降温速度为2℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径1.1mm，密度为0.45g·cm^-3，抗折强度达到6.7MPa。

实施例5：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将78％的玻璃粉末，2％的SiC，3％的硼砂，2％的NaNO₃和15％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合50min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以16℃/min的升温速度升温至400℃后，保温18min；

发泡阶段，升温速度为9℃/min升温到850℃；

稳泡阶段，在850℃恒温下保温10min；

快速冷却阶段，冷却速度为24℃/min，冷却至500℃，恒温时间30min；

退火阶段，降温速度为1℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径0.8mm，密度为0.53g·cm^-3，抗折强度达到7.5MPa。

实施例6：1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将83％的玻璃粉末，1％的SiC，3％的硼砂，3％的NaNO₃和10％的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合40min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以20℃/min的升温速度升温至400℃后，保温10min；

发泡阶段，升温速度为6℃/min升温到800℃；

稳泡阶段，在800℃恒温下保温40min；

快速冷却阶段，冷却速度为22℃/min，冷却至530℃，恒温时间22min；

退火阶段，降温速度为2℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

所形成的泡沫玻璃结构均匀，平均泡径1.5mm，密度为0.37g·cm^-3，抗折强度达到5.5MPa。

本发明是采用模具生产的泡沫玻璃制品，将配合料加入耐热钢模具中，模具尺寸为l×b×h＝560×450×130(mm)，铺料厚度为30～60mm。

本发明不但有利于废物利用，保护环境，而且制得的泡沫玻璃密度小，强度高，导热系数低、制备工艺简单、施工操作简便。因此，本发明不但可以有效地保护环境，变废为宝，而且该高强度泡沫玻璃砖可以吸收爆炸能量，极大的减轻房屋建筑墙体材料的重量，减少因恐怖袭击或者是自然灾害造成房屋倒塌对人身和财产的损失，可广泛用于墙体材料或海底等耐压，耐热，耐腐蚀，抗折等建筑环境中，具有明显的经济效益、环保效益。其密度不足烧结砖1/3的轻质特点，使其在建筑领域必将具有广阔应用前景。

Claims (2)

1.一种高强多孔玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先将碎玻璃清洗干净，烘干后球磨至270目以下得玻璃粉末；

2)然后按质量分数将74～90％的玻璃粉末，1～4％的SiC，2～5％的硼砂，2～4％的NaNO₃和2～20％的高强耐高温高硅氧纤维加入到球磨罐中球磨混合10～60min得配合料；

3)将配合料加入到耐热钢模具中，压实装模，最后将装有配合料的模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成；

预热阶段，自室温以10～20℃/min的升温速度升温至400℃后，保温10～30min；

发泡阶段，升温速度为5～10℃/min升温到780～850℃；

稳泡阶段，在780～850℃恒温下保温10～60min；

快速冷却阶段，冷却速度为20～25℃/min，冷却至500～550℃，恒温时间10～30min；

退火阶段，降温速度为1～2℃/min，退火至50℃以下得泡沫玻璃。

2.根据权利要求1所述的高强多孔玻璃的制备方法，其特征在于：所述的高强耐高温高硅氧纤维的直径为0.01～0.05mm，长度为1～100mm。