CN103073185B

CN103073185B - 一种低氧化硅含量泡沫玻璃及其制备方法

Info

Publication number: CN103073185B
Application number: CN201310042068.1A
Authority: CN
Inventors: 林健; 钱帅; 隋鑫
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103073185A

Abstract

本发明属于玻璃材料技术领域，涉及一种低氧化硅含量泡沫玻璃及其制备方法。该泡沫玻璃由包括以下质量百分比化学组成的基础玻璃粉料制成：SiO₂27～44%，Al₂O₃5～15%，CaO+MgO12～25%，Li₂O+Na₂O+K₂O0～16%，B₂O₃0～10%，P₂O₅0～10%，Fe₂O₃0～10%，SO₃0～10%，Cl0～8%。本发明中以较低的氧化硅含量即可制备优质泡沫玻璃，明显提高了再生资源的利用效率。经过化学组成调控的基础玻璃粉料，在添加适量的碳粉、碳酸钙、碳化硅或二氧化锰中的一种或几种作为发泡剂，同时可引入其它合适的添加剂，经混合在850-1100℃范围进行发泡并退火，可以得到所需的泡沫玻璃。

Description

一种低氧化硅含量泡沫玻璃及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃材料技术领域，涉及一种低氧化硅含量泡沫玻璃及其制备方法。

背景技术

泡沫玻璃是一种在玻璃态细粉中添加适量发泡剂、添加剂等经混合形成均匀的配合料，并经预热、熔融、发泡、退火等工艺而制成的多孔玻璃材料，是一类性能优异的隔热、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料。在泡沫玻璃生产过程中，较多采用价廉的石灰石、碳粉等作为发泡剂，按照其分解或软化温度范围，要求作为主要原料的基础玻璃粉的软化温度在750-950℃左右。

目前用于泡沫玻璃生产的基础玻璃粉料一般有两种来源，一种是先按照软化温度要求配方并熔融制备玻璃原料，再经过粉碎获得所需基础玻璃粉料；另一种是直接从市场上收集软化温度适宜的废玻璃或其他玻璃态原料，并经粉碎制成所需基础玻璃粉料。在泡沫玻璃生产过程中，从经济和环保角度考虑，在工艺条件允许下往往会添加适量矿渣或工业废渣，在一定程度上满足循环经济的需要。从目前的生产和研究报道来看，应用于泡沫玻璃生产的基础玻璃粉料中氧化硅的质量含量一般都在55-78%左右。如在CN1055162A中，所用的钠硅酸盐玻璃中SiO₂的质量百分含量达72-73%；CN1076671A利用珍珠岩为骨料制备熔岩泡沫玻璃，经添加辅料调节后，其骨料中的SiO₂质量百分含量在68-75%；而在CN101531462A中，虽然在硼硅酸盐玻璃中引入氧化硼以降低玻璃的软化温度，但其SiO₂的质量百分含量仍达55-78%。

而高炉渣、赤泥、污泥、垃圾灰渣、矿渣等许多工业废渣与城市垃圾渣中的氧化硅含量都不高。这些工业废渣和垃圾灰渣中的氧化硅质量百分含量一般为20-40%，因此目前通常采用在废玻璃中加入少量的此类废渣来生产泡沫玻璃，这就导致在实际应用过程中，这些矿渣、工业废渣、垃圾灰渣的实际利用率都不会很高。

因此，为了拓宽工业废渣、城市垃圾焚烧渣等在泡沫玻璃生产中的应用种类并提高其利用率，本发明的目的在于通过玻璃组成与网络结构的调整，设计一种具有较低氧化硅含量、同时又保持适宜的软化温度范围的泡沫玻璃基础玻璃配方及其泡沫玻璃制备方法，并以工业废渣或城市垃圾焚烧渣为主体原料用于优质泡沫玻璃的生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造泡沫玻璃用的具有低氧化硅含量的基础玻璃组成及其泡沫玻璃制备方法。

为了拓宽工业废渣、城市垃圾焚烧渣等在泡沫玻璃生产中的应用种类并提高其利用率，本发明的目的在于通过基础玻璃组成与网络结构的调整，提供一种具有较低氧化硅含量、同时又保持适宜的软化温度范围的基础玻璃组成范围，能以工业废渣或城市垃圾焚烧渣为主体原料用于优质泡沫玻璃的生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低氧化硅含量泡沫玻璃，由包括以下质量百分比化学组成的基础玻璃粉料制成：

SiO₂27～44%，

Al₂O₃5～15%，

CaO+MgO12～25%，

Li₂O+Na₂O+K₂O0～16%，

B₂O₃0～10%，

P₂O₅0～10%，

Fe₂O₃0～10%，

SO₃0～10%，

Cl0～8%。

一种上述低氧化硅含量泡沫玻璃的制备方法，包括如下步骤：

（1）按上述化学组成范围，配制含以下质量百分比组分的配合料：27～44%的SiO₂、5～15%的Al₂O₃、12～25%的CaO+MgO，0～16%的Li₂O+Na₂O+K₂O，0～10%的B₂O₃，0～10%的P₂O₅，0～10%的Fe₂O₃，0～10%的SO₃及0～8%的Cl，（上述各组分原料可以以高炉渣、赤泥、污泥、垃圾灰渣、矿渣等工业废渣与城市垃圾渣粉料的其中一种或几种为主要原料，适量添加砂岩、纯碱、长石、石灰石、硼砂等粉体原料的一种或几种配制成配合料，工业废渣或城市垃圾渣粉料总量在配合料中的占比可达30～90%质量百分比），混合均匀后高温熔融，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）在步骤（1）制得的基础玻璃粉料中加入0.2~5%质量百分比的发泡剂，经混合均匀并成型后置于模具中，进行发泡，得到低氧化硅含量泡沫玻璃。

所述的步骤（1）中，在1400-1700℃高温下熔融0.5-4小时。

所述的发泡剂选自碳粉、碳酸钙、碳化硅或二氧化锰中的一种或一种以上。

所述的步骤（2）中，发泡温度为850-1100℃，发泡时间10-60min。

玻璃的软化温度与化学组成有关。在由SiO₂、CaO、Al₂O₃、Na₂O等氧化物组成的多元相图中，当玻璃的化学组成点落在相图的低共熔点或低共熔线附近时，其液相出现温度和软化温度较低；同时当玻璃保持足够的热稳定性和化学稳定性时，可用于泡沫玻璃制备。当废渣中氧化硅含量较低、而氧化钙、氧化铝含量较高时，玻璃的软化温度往往可高于1000℃，且热稳定性与化学稳定性较差，无法直接用于泡沫玻璃制备用基础玻璃熔制。因而在基础玻璃化学组成设计中，通过少量氧化硅、氧化钠的引入及氧化钙、氧化铝等组分的调整使基础玻璃化学组成落在合适的组成区域附近，有利于其软化温度的调节。而氧化硼、氧化磷等原料的引入，可以在一定程度上进一步降低基础玻璃的软化温度，以利于在更低的发泡温度下制备泡沫玻璃。

在本发明中，根据多元硅酸盐系统相图的低共熔区域特点以及玻璃化学组成对基础玻璃软化温度范围的影响，调整基础玻璃的化学组成点使其落在多元硅酸盐系统相图中低氧化硅含量的低共熔点和低共熔线附近，进而通过B₂O₃、P₂O₅、碱金属氧化物等助熔氧化物的引入和基础玻璃组成优化、与发泡剂选择和发泡工艺相匹配等手段，在保证基础玻璃足够的化学稳定性和热稳定性的前提下大幅降低其软化温度，进而满足低氧化硅含量条件下的优质泡沫玻璃制备需求。

在本发明中，用于熔制基础玻璃的原料可以包括高炉渣、赤泥、污泥、垃圾灰渣、矿渣等许多工业废渣与城市垃圾渣等的其中一种或几种，通过添加适量其它原料，经高温熔制、粉碎得到合适化学组成与软化温度范围的基础玻璃粉料。与此同时，以SiO₂、CaO、Al₂O₃、Na₂O等氧化物成分为主要含量的各类矿物原料、工业原料、废渣等均可用于泡沫玻璃制备用基础玻璃的熔制。

本发明具有以下有益效果：

在本发明中，在利用工业废渣或城市垃圾渣等废弃物制造泡沫玻璃时，在较低的氧化硅含量下即可实现优质泡沫玻璃材料的制备，明显地提高了对再生资源的利用效率。经过化学组成调控的基础玻璃粉料，在添加适量的碳粉、碳酸钙、碳化硅或二氧化锰其中的一种或几种作为发泡剂，同时可引入其它合适的添加剂，经混合在850-1100℃范围进行发泡并退火，可以得到所需的泡沫玻璃。

具体实施方式

以高炉渣、赤泥、污泥、垃圾灰渣、矿渣等工业废渣或城市垃圾渣为主要原料，经粉碎、筛分到一定的粒度，并根据其化学组成特点，添加适量砂岩、纯碱、长石、石灰石、硼砂等粉体原料制成配合料，在1400-1500℃高温炉中熔融、水淬、球磨得到适用于泡沫玻璃制备所需基础玻璃粉料。

在所制得的基础玻璃粉料中加入适量的碳粉、碳酸钙、碳化硅和二氧化锰之中的一种或几种作为发泡剂，混合均匀并成型后置于模具中，按一定的温度程序进行发泡、退火，得到所需泡沫玻璃材料。

表1为一些低氧化硅含量基础玻璃粉料的化学组成及其所制得的泡沫玻璃性能指标。

实施例1

（1）根据表1中的配方，按质量百分比（%）为：27.7SiO₂、18.5CaO、11.3Al₂O₃、13.5Na₂O、1.7K₂O、2.0MgO、7.5Fe₂O₃、3.8P₂O₅、10.0B₂O₃、3.7SO₃、0.3Cl配制成配合料，上述配方也可换算为以下原料及其含量，即：在62份赤泥中加入25份粉煤灰、3份砂岩和10份硼砂制成配合料，混合均匀，在1400℃高温炉中熔融0.5小时，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）进而在基础玻璃粉料中添加0.5%的SiC和0.2%的MnO₂，混合均匀并成型，置于模具中在1050℃下发泡50min，经退火后得到的泡沫玻璃，其表观密度为0.33g/cm³，抗压强度为3.15MPa。

实施例2

（1）根据表1中的配方，按质量百分比（%）为：35.0SiO₂、18.1CaO、5.9Al₂O₃、1.0Na₂O、0.3K₂O、5.8MgO、6.0Fe₂O₃、3.0P₂O₅、10.0B₂O₃、8.2SO₃、6.7Cl配制成配合料，上述配方也可换算为以下原料及其含量，即：在67份垃圾焚烧飞灰中加入8份砂岩、15份纯碱和10份硼砂制成配合料，混合均匀，在1400℃高温炉中熔融0.5小时，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）进而在基础玻璃粉料中添加1.0%的CaCO₃，混合均匀并成型，置于模具中在980℃下发泡30min，经退火后得到的泡沫玻璃，其表观密度为0.30g/cm³，抗压强度为2.67MPa。

实施例3

（1）根据表1中的配方，按质量百分比（%）为：39.2SiO₂、18.0CaO、9.9Al₂O₃、11.3Na₂O、0.8K₂O、4.2MgO、6.6Fe₂O₃、3.3P₂O₅、5.5B₂O₃、1.2SO₃配制成配合料，上述配方也可换算为以下原料及其含量，即：在40份赤泥中加入12份长石、30份砂岩、12份纯碱、6份硼砂，制成配合料，混合均匀，在1400℃高温炉中熔融0.5小时，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）进而在基础玻璃粉料中添加1.0%的SiC和0.3%的MnO₂，混合均匀并成型，置于模具中在1000℃下发泡40min，经退火后得到的泡沫玻璃，其表观密度为0.29g/cm³，抗压强度为4.30MPa。

实施例4

（1）根据表1中的配方，按质量百分比（%）为：41.4SiO₂、13.7CaO、10.6Al₂O₃、12.9Na₂O、0.7K₂O、3.7MgO、5.8Fe₂O₃、2.9P₂O₅、5.3B₂O₃、1.8SO₃、1.2Cl配制成配合料，上述配方也可换算为以下原料及其含量，即：在70份净水污泥中加入6份砂岩、8份石灰石、10份纯碱和6份硼砂制成配合料，混合均匀，在1400℃高温炉中熔融0.5小时，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）进而在基础玻璃粉料中添加4.0%的碳粉，混合均匀并成型，置于模具中在900℃下发泡20min，经退火后得到的泡沫玻璃，其表观密度为0.22g/cm³，抗压强度为2.92MPa。

实施例5

（1）根据表1中的配方，按质量百分比（%）为：44.0SiO₂、11.7CaO、14.2Al₂O₃、9.3Na₂O、0.5K₂O、2.6MgO、6.2Fe₂O₃、4.2P₂O₅、5.2SO₃、2.1Cl配制成配合料，上述配方也可换算为以下原料及其含量，即：以质量百分比计，在50份高炉渣中加入14份粉煤灰、18份砂岩、4份石灰石、14份纯碱制成配合料，混合均匀，在1400℃高温炉中熔融0.5小时，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

（2）进而在基础玻璃粉料中添加2.0%的CaCO₃，混合均匀并成型，置于模具中在950℃下发泡30min，经退火后得到的泡沫玻璃，其表观密度为0.26g/cm³，抗压强度为2.10MPa。

表1

（注：Cl在玻璃中可能为离子态，也可能以气态存在，本申请仅以Cl表示）

目前，利用高氧化硅含量的基础玻璃粉料生产的泡沫玻璃，表观密度一般为0.15-0.45g/cm³，抗压强度为0.6-2.8MPa。如果单纯降低基础玻璃中的氧化硅含量，由于基础玻璃的软化温度较高，在泡沫玻璃生产中常出现孔径过大，孔径不均匀等问题，从而增大了泡沫玻璃的表观密度。在本发明中，通过基础玻璃组成与网络结构的调整，设计一种具有较低氧化硅含量、同时又保持适宜的软化温度范围的基础玻璃组成范围，制备出了孔径均匀，孔径为0.5-1mm的泡沫玻璃，表观密度为0.15-0.40g/cm³，抗压强度为2.00-4.50MPa，在表观密度较低的条件下，抗压强度得到了明显的提高，可以充分利用各种废渣来生产性能优良的泡沫玻璃。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低氧化硅含量泡沫玻璃，其特征在于：包括：以下质量百分比化学组成的基础玻璃粉料：

用于熔制所述的基础玻璃粉料的原料包括工业废渣、城市垃圾渣和矿物原料；

所述的工业废渣包括高炉渣、赤泥、污泥、垃圾灰渣和矿渣；

所述的矿物原料以氧化物成分为主要含量，所述氧化物成分包括SiO₂、CaO、Al₂O₃、Na₂O；

所述低氧化硅含量泡沫玻璃的制备方法包括如下步骤：

(1)、按上述的化学组成范围，配制含以下质量百分比组分的配合料：27～41.4％的SiO₂、5～15％的Al₂O₃、12～25％的CaO+MgO、0～16％的Li₂O+Na₂O+K₂O、0～10％的B₂O₃、2.9～4.2％的P₂O₅、5.8～7.5％的Fe₂O₃、1.2～8.2％的SO₃及0～8％的Cl，混合均匀后高温熔融，经过水淬、球磨得到制备泡沫玻璃用的基础玻璃粉料；

(2)、在步骤(1)制得的基础玻璃粉料中加入0.2～5％质量百分比的发泡剂，经混合均匀并成型后置于模具中，进行发泡，得到低氧化硅含量泡沫玻璃；

所述的步骤(2)中，发泡温度为850-1100℃，发泡时间10-60min。

2.根据权利要求1所述的低氧化硅含量泡沫玻璃，其特征在于：所述的步骤(1)中，在1400-1700℃高温下熔融0.5-4小时。

3.根据权利要求2所述的低氧化硅含量泡沫玻璃，其特征在于：所述的发泡剂选自碳粉、碳酸钙、碳化硅或二氧化锰中的一种或一种以上。