CN102531398A

CN102531398A - 粉煤灰泡沫玻璃的制备方法

Info

Publication number: CN102531398A
Application number: CN2012100147100A
Authority: CN
Inventors: 刘福战; 周保良; 王建雷; 杨涛; 李兴盛
Original assignee: 刘福战
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明属于建筑新材料领域，具体地，涉及一种新型环保节能建筑保温材料的制备方法。粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，采用粉煤灰、玻璃粉、发泡剂和稳定剂为原材料；采用如下工艺步骤：(1)配料：按重量比：粉煤灰15-25%，玻璃粉65-75%，发泡剂3-5%，稳定剂7-5%配料；水为粉料总重的0.1-0.8%；(2)压片：(3)烧制成型。根据本发明工艺参数和配比生产出的粉煤灰泡沫玻璃性能优良，具有质轻、强度高、保温隔热及隔声性能好等优点，可以满足建筑保温的需要；是一种优良的隔热保温与隔声材料，可作为屋面、外墙隔热保温材料的换代产品，具有显著的社会效益与经济效益。

Description

粉煤灰泡沫玻璃的制备方法

技术领域

本发明属于建筑新材料领域，具体地，涉及一种新型环保节能建筑保温材料的制备方法。

背景技术

近年来，我国越来越重视建筑节能工作，随着相关节能政策的出台实施，建筑节能正在大力推广并逐步强制实施，节能保温成为当今建筑市场的主题。目前，建筑节能的主要部分是对围护结构实施的节能保温。常用的外墙保温系统主要有EPS、XPS板薄抹灰外墙外保温系统、胶粉EPS颗粒外墙外保温系统、硬泡聚氨酯喷涂外墙外保温系统等。EPS、XPS板外保温系统本身存在使用寿命短、与建筑物不同龄、易燃、粘结能力差、施工要求高、程序复杂、透气性差等先天不足；胶粉聚苯颗粒外保温系统虽然施工工艺简单、无空腔、整体性好，但是其强度低、耐水性差、容易产生开裂、空鼓，防火安全性差；硬泡聚氨酯喷涂外保温系统热工性能、整体性、粘结能力、防水抗裂性能都较好，但是其造价较高，而且施工时厚度难以控制。针对上述情况，急需研究一种既能解决上述保温系统缺点，而且又经济合理的节能保温材料。

新型环保型建筑保温材料—粉煤灰泡沫玻璃的研究正是在此基础上提出的。粉煤灰泡沫玻璃是以废玻璃、粉煤灰等工业废弃料为主要原材料，加入适量发泡剂、稳泡剂、助熔剂等混合并研磨成粉末状后经熔窑高温熔融、发泡和退火冷却后制成的具有均匀蜂窝状密闭气孔结构的无机绝热材料。它具有施工工艺简单，易于切割，抗压强度高，可以解决保温材料强度与保温性能不能兼得的矛盾，整体性好，具有防火、防水功能，不会发生湿气往室内渗透散发现象，且在加热时不会产生有毒气体，使用寿命长，与建筑物同寿命，无需进行二次甚至多次保温施工，膨胀系数低，基本接近水泥的收缩率，因而与这些材料粘贴牢靠，胀缩一致不易产生开裂等众多优点。是一种综合性能较好且绿色环保的新型建筑节能保温材料，是今后一个时期建筑节能的首选材料。它的应用将会产生较大的经济效益、社会效益及环境效益，应用前景广阔。

但由于我国泡沫玻璃的研究起步较晚，不仅在固体废物利用方面与国外相比还存在着较大的差距，而且生产技术还不够成熟，缺乏具有一定生产规模和技术的生产厂家，致使产品成本较高、质量较差、产量较低，存在机械强度低、抗热冲击性差等缺点。从而在一定程度上限制了泡沫玻璃在其他领域的推广。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种粉煤灰泡沫玻璃的制备方法。

本发明目的采用以下技术方案来实现：

粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，采用粉煤灰、玻璃粉、发泡剂和稳定剂为原材料；采用如下工艺步骤：

(1)、配料：按重量比：粉煤灰15-25%，玻璃粉65-75%，发泡剂3-5%，稳定剂7-5%配料；水为粉料总重的0.1-0.8%；

(2)、压片：将上述的配料研磨混合均匀以后装入模具，在压力机下以5-15MPa的压力持续3-6分钟，得到片状坯体；

(3)、烧制成型：将制好的坯体置于高温箱式电阻炉中，炉内的升温速率为5-8℃，当升温至600℃时稳定10-15分钟，然后直接升温到800℃；在800℃的条件下持续30-50分钟，使其稳定发泡；发泡结束后进行降温，降温的速率为10-20℃，直至冷却到室温，制的产品。

优选地，玻璃粉是将平板玻璃用球磨机磨成粉末；

优选地，在研钵内研磨1-2小时，研磨均匀，在研磨过程中保持研磨方向一致；

优选地，发泡剂为碳酸钠，稳定剂为磷酸三钠和硼酸；

优选地，原料的重量配比为粉煤灰：碎玻璃：发泡剂：稳定剂=1：3.5：0.2：0.3；

优选地，粉煤灰细度控制在0.08mm方孔筛筛余量小于5%；

优选地，磷酸三钠和硼酸的重量比为1：1。

本发明的有益效果如下：加入粉煤灰的粉煤灰泡沫玻璃发泡效果比添加矿渣的粉煤灰泡沫玻璃要好，孔洞均匀，孔径大小适中，无连通孔，发泡效果良好，添加物为矿渣时，发泡不好，孔洞不均匀，孔径太小；相比石灰石、碳粉、白云石作为发泡剂，碳酸钠的发泡效果最好，且玻璃密度最小；相比氧化铁、磷酸钠、三氧化二锑、硼砂、焦磷酸钠、硫酸钠，采用硼酸和磷酸三钠按重量比1：1复合作为粉煤灰泡沫玻璃的稳定剂的作用最好；粉煤灰细度与掺量对泡沫玻璃性能有一定影响：粉煤灰越细，粉煤灰在泡沫玻璃配合料坯体中分散越均匀，发泡效果也越来越好，孔径大小适中；随着粉煤灰在泡沫玻璃中掺量的增加，泡沫玻璃性能逐渐变差。考虑到生产成本及泡沫玻璃隔热保温性能等多方面因素，建议粉煤灰细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于5%。

具体实施方式

(一) 原材料与实验方法

1．原材料

1.1粉煤灰

本实验采用粉煤灰的氧化物组成见表1-1。

表1-1 粉煤灰的化学成分

成分	含量
		SiO₂	50%~55%
Al₂O₃	20%~25%
		Fe₂O₃	5%~10%
CaO	3%~5%
		MgO₂	1%~2%

1.2玻璃粉

本实验采用的玻璃粉是将平板玻璃用球磨机磨成粉末。主要氧化物组成见表1-2。

表1-2 玻璃粉的化学成分

成分	含量
		SiO₂	65%~70%
Al₂O₃	5%~10%
		Fe₂O₃	5%~10%

1.3发泡剂和稳定剂

本实验采用发泡剂和稳定剂见表1-3。

表1-3 试验用化学试剂

试验药品	纯度	生产厂家
			碳酸钠	分析纯(≥99%)	天津市永大化学试剂开发中心
碳酸钙	分析纯(99%)	天津市博迪化工有限公司
			碳粉	分析纯(≥98%)	天津市红岩化学试剂厂
硼酸	分析纯(≥99%)	天津市永大化学试剂开发中心
			磷酸三钠	分析纯(≥98%)	天津市永大化学试剂开发中心

2.试验仪器

本实验采用仪器设备如表1-4所示，其它仪器包括小勺、钢尺、标准试模(60mm×40mm×4mm)等。

表1-4 试验所用的仪器

名称	型号	生产厂家
			高温箱式电阻炉	SRJX-4-13	天津市科学器材公司
精密电子天平	HZF-A100	福州华志科学仪器有限公司
			液压式压力试验机	NYL-60	无锡建材试验仪器机械厂
电炉温度控制器	TZA-300	天津市科学器材公司
			行星式四头快速球磨机	KQM-X4Y	天津市科学器材公司
导热系数测试仪	JTKD-I	北京世纪建通环境技术有限公司
			工程陶瓷抗压强度测试仪	CYQ	湘仪仪器有限公司

3 试验方法

3.1配料与烧成

（1）配料

按照准备好的配合比称量各试样，其总量为15g，在研钵内研磨1-2小时，研磨均匀，在研磨过程中保持研磨方向一致。

（2）压片

在研磨均匀后，将粉状试样放入在60吨压力机5-10Mpa条件下压制，得到片状试样，试样大小大约为80mm×40mm×4mm。

（3）烧成

将片状试样放入高温炉中，在设计好的温度条件下，经过预热，熔融，发泡，退火一系列过程得到发泡试样，烧制成型的过程是粉煤灰泡沫玻璃的制备的最重要的环节，直接影响到粉煤灰泡沫玻璃的各项性能的优劣。

3.2性能检测

(1)密度

经过压制成型后的粉煤灰泡沫玻璃，将试样切磨成正规的长条形状，然后用游标卡尺量出长、宽、高，计算出体积，将磨好的试样分析天平称出质量，计算出试样的密度。再经过高温炉烧制后，再测量其体积和质量，算出粉煤灰泡沫玻璃的密度。

(2)孔径

经过高温炉成型后的粉煤灰泡沫玻璃，取其横截面，观察其孔径大小，是否均匀。并记录截面内孔径的数量级和连通孔的多少。孔洞分布是粉煤灰泡沫玻璃的性能好坏最直观的表现，孔洞越小越多，其隔热消音性能越好，孔洞越大，隔热消音效果降低，且抗折强度及抗压强度降低，但是密度会降低，质量变轻。因此，寻找最佳的孔洞分布及大小，能得到粉煤灰泡沫玻璃的最佳性能。

(3)发泡率

粉煤灰泡沫玻璃坯体用游标卡尺测量其长、宽、高，计算出体积，经过高温炉烧制后的成品再测量体积。算出粉煤灰泡沫玻璃的发泡率。

（4）强度

经过高温炉成型后的粉煤灰泡沫玻璃加工成所需的试样后，利用陶瓷强度试验机测试其抗压强度、抗折强度。

（5）导热系数

将成型的粉煤灰泡沫玻璃加工成300*300*20mm的试样，进行导热系数的测试，以确定其保温性能。

(二) 原材料的选择

1．粉煤灰与矿渣

粉煤灰和矿渣均为是工业废弃物，来源广泛，价格低廉。为了寻求粉煤灰与矿渣那种工业废弃物对泡沫玻璃性能的改善效果最好，本研究对两者进行了对比试验。对比发现，加入粉煤灰的粉煤灰泡沫玻璃发泡效果比添加矿渣的粉煤灰泡沫玻璃要好，孔洞均匀，孔径大小适中，无连通孔，发泡效果良好，添加物为矿渣时，发泡不好，孔洞不均匀，孔径太小，因此，粉煤灰比矿渣更适合作为添加物加入粉煤灰泡沫玻璃。因此，本研究采用粉煤灰为主要添加材料制备粉煤灰泡沫玻璃。

2.发泡剂

为了得到优良的粉煤灰泡沫玻璃，应当选择合适的发泡剂及稳定剂，为此应使玻璃配合料坯体软化温度与发泡剂生成气体的温度相匹配，使玻璃配合料坯体内能形成均匀分布的封闭气孔，玻璃配合料坯体内所形成的气孔结构应具有一定的塑性强度。发泡剂和稳定剂的种类、掺量等因素对开始生成气体的温度、气体量及气体持续时间的长短均有影响，获得这些最佳参数，对发泡剂和稳定剂进行比较系统的研究具有重要的意义。

发泡剂一般分为两类，一类是自身放出气体，一类是与原料发生化学反应放出气体，不论使用哪类发泡剂，其分解温度应在模内物料达到发泡时所需粘度时的温度范围内，或稍高一些，以满足发泡体表层或内部发泡时的温差。玻璃有利于发泡的熔融温度一般在750~900℃，一般所选用的发泡剂应在这个温度区间内发泡。发泡剂较合理的用量为2%~8%。目前常用的发泡剂有：纯碳、碳化硅、炭黑、白云石粉、金云母、二氧化锰、水玻璃、芒硝、碳酸盐类、硅酸盐类、硫酸盐类等

在相同配比之下分别以石灰石、碳粉、碳酸钠、白云石等作粉煤灰泡沫玻璃的发泡剂，不同发泡剂对泡沫玻璃性能的影响见表2-1。可见，发泡剂种类对泡沫玻璃性能有较大影响。其中，碳酸钠的发泡效果最好，且玻璃密度最小。因此，本研究选择碳酸钠作为粉煤灰泡沫玻璃的发泡剂。

表2-1 不同发泡剂对泡沫玻璃质量的影响

3.稳定剂

稳定剂也可称为改性剂，加入适量的稳定剂可以改善泡沫玻璃的性能，增大发泡温度范围，减少连通孔，提高机械强度，提高成品率。常用的稳定剂有：磷酸三钠、硼酸、氧化铁、磷酸钠、三氧化二锑、硼砂、焦磷酸钠、硫酸钠等。

在相同配比之下，通过对比上述稳定剂对粉煤灰泡沫玻璃发泡情况的影响发现，磷酸三钠和硼酸对发泡稳定剂的作用最好。本研究选择采用硼酸和磷酸三钠复合作为粉煤灰泡沫玻璃的稳定剂。

(三) 原材料用量对粉煤灰泡沫玻璃性能的影响

1.粉煤灰

粉煤灰作为粉煤灰泡沫玻璃中的主要材料，粉煤灰的细度与掺量影响着粉煤灰在泡沫玻璃配合料坯体中的分散情况，直接影响了粉煤灰泡沫玻璃的性能。在试验研究过程中，首先研究了粉煤灰掺量和细度对泡沫玻璃性能的影响。

(1)粉煤灰细度的影响

本研究主要以粉煤灰、NaCO₃、硼酸、Na₃PO₄为原材料，配制15g混合材料，加入微量水，具体配比见表3-1。

表3-1 试验配合比

注：粉煤灰细度指0.08mm方孔筛筛余。

由表3-1的试验结果可见，粉煤灰细度与掺量对泡沫玻璃性能有一定影响： ①粉煤灰越细，粉煤灰在泡沫玻璃配合料坯体中分散越均匀，发泡效果也越来越好，孔径大小适中；②随着粉煤灰在泡沫玻璃中掺量的增加，泡沫玻璃性能逐渐变差。考虑到生产成本及泡沫玻璃隔热保温性能等多方面因素，建议粉煤灰细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于5%。

（2）粉煤灰掺量对发泡效果的影响

考虑到粉煤灰的掺量在粉煤灰的细度掩盖之下，无法做出有效判断，现选出80μm的方孔筛筛余量为5%的粉煤灰，以不同掺量加入试样进行烧制，实验结果见表3-2。

由表3-2试验结果的可见，在粉煤灰掺量不超过20%时，泡沫玻璃的发泡效果较好。这是由于当粉煤灰掺入量大于20%的时候，由于此时液相粘度大，玻璃液不易包裹住发泡剂，导致连通孔开始出现，孔型由原来的圆形变得较不规则，气孔与气孔之间开始连通，所以，将粉煤灰的掺入量控制在20%为佳。

表3-2 粉煤灰掺量对发泡效果的影响

Figure 2012100147100100002DEST_PATH_IMAGE006AA

（3）粉煤灰掺量对发泡率及密度的影响

粉煤灰的掺量对粉煤灰泡沫玻璃的力学性能有着大的影响，选择80μm的方孔筛筛余量5%的粉煤灰，不同掺量的粉煤灰进行实验，研究粉煤灰掺量对粉煤灰泡沫玻璃的密度及发泡率。实验结果见表3-3。

表3-3 粉煤灰掺量对导热系数及密度的影响

序号	粉煤灰掺量/（%）	密度/（g.cm³）	导热系数（w/m.k）
				1	5	0.144	0.075
2	10	0.150	0.069
				3	15	0.156	0.059
4	20	0.157	0.060
				5	25	0.186	0.066
6	30	0.265	0.108

由表3-3可见，随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰泡沫玻璃的密度在增加，导热系数先是变小的趋势，当粉煤灰的掺量大于25%以后，导热系数发生突变。粉煤灰掺量越少，得到的粉煤灰泡沫玻璃质量越轻，发泡率越大，但连通的泡增多，导热系数反而有所增大；但考虑到在经济效益方面，粉煤灰添加越多，综合效益越好，可以知道粉煤灰的添加量受性能与效益的影响。由于粉煤灰成分中Al₂O₃含量很高，当粉煤灰掺量超过20%时，其发泡温度也要增加不少，发泡率降低，并且内部开始出现大量大孔，并且有连通孔出现，孔形也由原来的圆形变得更加不规则，气泡结构开始不完整，综合考虑社会效益、生产成本、制品的各种性能及发泡情况，确定粉煤灰最佳掺量为20%。

2.发泡剂——碳酸钠

加入碳酸钠后，碳酸钠与玻璃粉中的二氧化硅成分反应，产生气体二氧化碳。碳酸钠的多少以及碳酸钠的气体产生情况直接影响粉煤灰玻璃的孔的分布，大小，试样的力学性能，当碳酸钠多的时候，在发泡的时候产生的气体多，成型后内部孔明显多且大，密度小，发泡率大，力学性能低。

在选用碳酸钠作为发泡剂进行实验时，发泡剂掺量对粉煤灰泡沫玻璃发泡率与密度和强度的关系测试结果见表3-4。

表 3-4 碳酸钠掺量对密度、强度及导热系数的影响

由表3-4的试验结果可见，发泡剂掺量直接影响泡沫玻璃的表观密度和导热系数，随着发泡剂掺量的增加，反应放出的气体量增大，密度随之下降，发泡率上升。这主要是由于随着发泡剂掺量的增加，泡孔的孔径明显增大引起的；但是，当发泡剂碳酸钠的掺量从4.0%变化到8.0 %时，导热系数反而有所上升，这主要是由于发泡剂的掺量的增加，无法形成稳定的泡，所以导热系数反而有所下降。

在试验过程中观察发现，当发泡剂碳酸钠的掺量从2.0%变化到8.0 %，泡沫玻璃的泡孔直径有明显增加，平均孔径会从0.5～1.0 mm 增加到2.0~3.0 mm。从泡沫玻璃的外观颜色观察，当碳酸钠掺量较少时，由于在玻璃外层封结前大部分已被氧化，因此气泡量较少，且颜色发白。随着碳酸钠掺加量的增加颜色逐渐加深，但是，当碳酸钠掺入量过多时，则导致熔融的玻璃不易将外层包裹住，无法形成玻化层，内部碳酸钠氧化产生的气体逸出而不能形成气泡，故中间为致密的块状物。

当发泡剂碳酸钠用量较少时，试样的抗压强度和抗折强度随发泡剂用量的增加而降低，当发泡剂用量较高时，试样的抗压强度和抗折强度随发泡剂用量的增加而升高。这是因为当发泡剂碳酸钠含量较低时，发泡后的试样中气体率较低，玻璃与玻璃之间结合紧密，因而强度较高；随发泡剂用量增加，发泡过程中产生了大量的气体，致使玻璃之间被众多小气泡隔离开来，大大降低了试样的力学性能；当发泡剂用量达到8％时，由于发泡剂产生的气体过多，致使熔融的玻璃不易将外层包裹住，无法形成玻化层，而内部碳酸钠氧化产生的气体快速逸出而不能形成气泡，在泡沫玻璃的内部形成相对的致密层，强度反而有所提高。因此，以碳酸钠为发泡剂时，考虑到整体性能，在其掺入量为4.0%发泡效果最佳。

3.稳定剂——磷酸三钠和硼酸

通过对比分析，本研究使用的是硼酸与磷酸三钠的复合稳定剂。

在粉煤灰为20%，外掺4％的碳酸钠为发泡剂，研究硼酸和磷酸三钠掺入量对泡沫玻璃性能的影响,测试结果见表3-5。

表3-5 稳定剂对粉煤灰泡沫玻璃的影响

Figure 2012100147100100002DEST_PATH_IMAGE010AA

由表3-5的试验结果可见，随着稳定剂质量分数的增加，泡沫玻璃的密度增大，这是因为当稳定剂质量分数增加后，稳定剂的助熔作用更加显著，使的玻璃液相在较低温度出现，而物质质点更容易迁移，质点不断重排、收缩、密实化，密度也随之增大。相应的样品变得更为致密，其强度也增大。

在整个发泡过程中，稳定剂所起的作用为助熔作用，由于粉煤灰熔融温度及软化温度都比较高，而加入稳定剂所带入的物质有助于熔融，从而降低其发泡温度，随着稳定剂总掺入量从4增加到10，最佳发泡温度从850℃降低到800℃。另外，稳定剂可改善气泡的结构，使其稳定化。

由于稳定剂中带入的硼在高温时起着连接玻璃网络的作用，导致了玻璃熔体在高温时粘度增加而表面张力下降，粘度的增加使气泡不易破裂，减少了连通孔出现的可能，而表面张力的下降则使气泡易于长大，泡壁变薄，但稳定剂掺量过多时，则会出现了大小泡现象，部分较大的气泡因为泡壁太薄而破裂，导致了连通孔的再次出现，样品性能随之变差。

因此，选用两种稳定剂都掺入的方式，可以使粉煤灰泡沫玻璃的性能达到最佳，最佳的稳定剂掺量为磷酸三钠和硼酸各掺加3%。

(四)优化组合——正交设计确定最佳配合比

以上进行了单因素分析，为了使试验更加科学合理，本研究又进行了正交设计，对各指标进行优化组合。

1.因素水平

考核的主要指标是发泡率和密度，因素水平如表4-1。

表4-1 粉煤灰泡沫玻璃正交分析因素水平

项目	粉煤灰%(A)	碳酸钠%(B)	磷酸三钠%(C)	硼酸%（D）
					1	15	2	2	2
2	20	4	3	3
					3	25	6	4	4

2.正交分析

正交表格为L9（3⁴）试验方案。实验结果列入表4-2。

表4-2 粉煤灰泡沫玻璃配合比正交分析

通过上述正交表，可以分析出最佳实验条件为：

A₂₀B₄C₃D₃

即，A₂₀—— 粉煤灰掺量为20%

B₄ —— 碳酸钠掺量为4%

C₃ ——磷酸三钠掺量为3%

D₃ —— 硼酸掺量为3%

3.优化组合

以密度、导热系数为考核指标，得出最佳配合比见表3-8。

表3-8 最佳配合比

项目	玻璃粉（%）	粉煤灰（%）	碳酸钠（%）	磷酸三钠（%）	硼酸（%）
						粉煤灰泡沫玻璃	70	20	4	3	3

Claims

1.一种粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，采用粉煤灰、玻璃粉、发泡剂和稳定剂为原材料；采用如下工艺步骤：

2.权利要求1所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，玻璃粉是将平板玻璃用球磨机磨成粉末。

3.权利要求1或2所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，在研钵内研磨1-2小时，研磨均匀，在研磨过程中保持研磨方向一致。

4.权利要求1-3所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，发泡剂为碳酸钠，稳定剂为磷酸三钠和硼酸。

5.权利要求1-4所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，原料的重量配比为粉煤灰：碎玻璃：发泡剂：稳定剂=1：3.5：0.2：0.3。

6.权利要求1-5所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，粉煤灰细度控制在0.08mm方孔筛筛余量小于5%。

7.权利要求1-6所述的粉煤灰泡沫玻璃的制备方法，其特征在于：优选地，磷酸三钠和硼酸的重量比为1：1。