CN104030572B

CN104030572B - 一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104030572B
Application number: CN201410308553.3A
Authority: CN
Inventors: 何峰; 张秋萍; 谢峻林
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: CN104030572A

Abstract

本发明涉及一种制备高性能梯度泡沫玻璃保温材料，按重量百分比计，其原料包括如下组分：基础玻璃96.00‑98.00％、硼砂1.50‑3.50％、芒硝0.20‑0.60％和碳0.20‑0.80％。所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的原料包括一种以上的具体配比，所述不同配比的原料按碳含量梯度分层铺设。本发明的制备工艺简单，易于操作，而且通过调控特制泡沫玻璃混合料的化学组成可获得密度小、强度高、导热系数低、气孔结构均匀的闭孔泡沫玻璃，在整个泡沫玻璃材料的厚度上方向上形成密度的梯度分布。这种结构的泡沫玻璃材料，在施工、加工，或有特殊要求的情况下，能够起到独特的作用与效果。

Description

一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料及其制备方法，属于玻璃材料技术领域。

背景技术

泡沫玻璃是一种由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等，经过细粉碎和均匀混合后，再经过高温融化，发泡、退火而制成的含有大量的均匀气泡的无机非金属玻璃材料。无机玻璃的物化性质以及它所具有的均匀的独立气泡决定了这种材料具有密度低、导热系数小；不燃烧，不变形，能在低温到高温的广阔温度范围内使用；化学稳定性高，能经受药品的侵蚀，不被蚀损也不腐烂；不透气、不吸湿吸水，不必担心长年使用后隔热性能变坏的优良特性；除此之外，它还抗氧化、风化，不会被虫蛀鼠啮。所以，泡沫玻璃被广泛应用在化工、石化等各个领域的保温保冷及吸声。

随着研究的深入，泡沫玻璃的原料种类越来越广泛，可以是废玻璃、工业废渣、天然矿物，也可以是根据特定的玻璃配方熔制的玻璃颗粒。虽然以废弃的资源为原料可以降低生产成本，保护环境，但其化学成分不稳定，含杂质较多，不能很好地控制泡沫玻璃的结构和性能。而直接以纯度较高的矿物与化工原料为基础，可以根据各种原料在制备泡沫玻璃过程中的作用，确定原料的添加种类以及添加量，化学成分更加明确，便于研制出了高性能泡沫玻璃，以满足一些特殊环境的苛刻要求。

CN101955319A提供了一种利用废弃的玻璃纤维制品制备泡沫玻璃的方法，将废弃的玻璃纤维毡和玻璃纤维网格布粉碎成玻璃粉，添加碳化硅、三氧化二锑、硫酸钠、氟铝酸钠、硝酸钠、三氧化二钴，在球磨机中形成混合料；将配合料装入耐热模具中烧制成泡沫玻璃。以这种方法制备泡沫玻璃，可以变废为宝，保护环境，但制品强度较低。CN101602574A提供了一种高强度泡沫玻璃的制备方法，将碎玻璃、碳酸钙、硼砂、硝酸钠和耐火纤维装入到球磨罐中球磨混合均匀后装入模具中并已入发泡炉中经预热、发泡、稳泡、退火等阶段制得泡沫玻璃。泡沫玻璃中加入了耐火温度高、强度高的耐火纤维，所以提高了泡沫玻璃的力学学能。但是掺入耐火纤维的同时也增加了生产成本，所以需要一种通过改变玻璃组分来提高玻璃强度的方法。

CN102001831A提供了一种全闭孔泡沫玻璃的制备方法，将碎玻璃、粉煤灰、紫木节放入球磨机中球磨至可通过200目标准筛，形成配合料；将配合料及雾化蒸馏水放入盘式造粒机中制备球状颗粒；将所制备的球状颗粒装入耐火模具中；最后将耐火模具连同球状颗粒移入发泡炉中烧制得全闭孔泡沫玻璃。这种方法制得的封闭气孔率高，气孔孔径分布均匀，提高了保温性能，但需要增加造粒过程，使工艺复杂，成本增加。

现有的制备泡沫玻璃材料的方法与技术中，几乎都是以一种废弃的玻璃制品为原料，制备出泡沫玻璃产品。但它们毕竟会受到废弃玻璃制品的基础成分的限制，泡沫玻璃的性能难以稳定与提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料及其制备方法，密度小、强度高，且气孔分布均匀并具有一定的梯度分布。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料，按重量百分比计，其原料包括如下组分：基础玻璃96.00-98.00％、硼砂1.50-3.50％、芒硝0.20-0.60％和碳0.20-0.80％。

按上述方案，所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的原料包括一种以上的具体配比，所述不同配比的原料按碳含量梯度分层铺设。

按上述方案，所述基础玻璃按重量百分比计，包括如下组分：SiO₂65.00％～71.00％、Al₂O₃3.00％～6.00％、Fe₂O₃1.20％～3.60％、BaO0.50％～1.50％、CaO6.00％～12.00％、MgO2.00％～6.00％、Na₂O12.00％～15.00％、K₂O0.50％～2.50％、MnO₂0.20％～1.00％、TiO₂0～0.5％，所述组分SiO₂、Al₂O₃，Fe₂O₃、BaO、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、MnO₂和TiO₂的原料分别为石英砂、钠长石、氧化铁、碳酸钡、碳酸钙、白云石、纯碱、碳酸钾、二氧化锰和二氧化钛。

上述高性能梯度泡沫玻璃保温材料的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)按照上述基础玻璃的配比，配制基础玻璃的配合料，将所述配合料球磨混合均匀；

(2)将混合均匀的配合料高温熔融后进行水淬，得到制备泡沫玻璃所用的玻璃颗粒；

(3)所述玻璃颗粒干燥并磨成基础玻璃粉，要求通过300目筛，筛余为0.5Wt％；

(4)按重量百分比基础玻璃96.00-98.00％、硼砂1.50-3.50％、芒硝0.20-0.60％和碳0.20-0.80％，将基础玻璃粉、芒硝、硼砂、碳粉混合均匀，得到泡沫玻璃混合料：

(5)选取碳含量不同的泡沫玻璃混合料，将泡沫玻璃混合料按碳含量从低到高依次铺设在模具中，铺设N层，N大于等于2；

(6)将装有泡沫玻璃混合料的模具进行加热，首先在320-380℃下预热20-40min，之后升温到发泡温度，发泡时间为20～40min，最后随炉冷却至室温，得到具有均匀气泡结构、梯度密度的闭孔泡沫玻璃。

按上述方案，所述步骤(2)中高温熔融的温度为1500-1540℃，时间为2-6小时。

按上述方案，所述步骤(6)中的升温速率为6-10℃/min；发泡温度为850～900℃。

按上述方案，所述步骤(5)中具体的铺设方式和层数视实际需要而定。通常将碳粉含量不同的泡沫玻璃混合料铺于模具中，同一种碳粉含量泡沫玻璃混合料铺设在同一层，依次向上为碳粉含量依次递增的泡沫玻璃混合料。

在本发明中，通过设计的基础玻璃组分可以制得密度范围在0.15g/cm³-0.5g/cm³，抗折强度1-2MPa的泡沫玻璃材料，且气孔分布均匀并具有一定的梯度分布，是一种优良的绝热保温材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以矿物与化工原料为基础，自行设定基础玻璃配方得到特制玻璃颗粒；然后通过碳粉含量的变化设计出2种或以上碳粉含量不同的泡沫玻璃混合料。在烧成的过程中由于碳粉含量不同，碳粉含量较少的层面，所产生的气体量较少，所形成的泡沫玻璃的气孔直径较小，材料的密度较大；碳粉含量较多的层面，所产生的气体量较多，所形成的泡沫玻璃的气孔直径较大，材料的密度较小。由此，在整个泡沫玻璃材料的厚度上方向上就形成了密度的梯度分布。这种结构的泡沫玻璃材料，在施工、加工，或有特殊要求的情况下，能够起到独特的作用与效果。此外，本发明的制备工艺简单，易于操作，而且通过调控泡沫玻璃混合料的化学组成可获得密度小、强度高、导热系数低、气孔结构均匀的闭孔泡沫玻璃，对于节能减排意义重大。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料，其原料包括基础玻璃、硼砂、芒硝和碳，原料的配比为3种，所述不同配比的原料按碳含量梯度分层铺设，按重量百分比计，下层其原料包括：基础玻璃96.00％、硼砂3.50％、芒硝0.30％和碳0.20％；中层其原料包括：基础玻璃96.00％、硼砂3.30％、芒硝0.30％和碳0.40％；上层其原料包括：基础玻璃96.00％、硼砂2.90％、芒硝0.30％和碳0.80％。

其中，所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的基础玻璃按重量百分比计，具体组成均如表1所示：

表1

组分	重量百分比/wt％	所用原料
			SiO₂	68.00	石英砂
Al₂O₃	5.00	钠长石
			Fe₂O₃	2.10	氧化铁粉
BaO	1.00	碳酸钡
			CaO	8.00	碳酸钙
MgO	2.50	白云石
			Na₂O	12.00	纯碱
K₂O	1.00	碳酸钾
			MnO₂	0.40	二氧化锰
TiO₂	0	二氧化钛

(1)按照表1中基础玻璃的配比，配制基础玻璃的配合料，将配合料在球磨机中球磨混合均匀；

(2)将混合均匀的玻璃配合料放入玻璃熔化炉中进行高温熔融，熔融温度范围为1500℃，时间为2小时，将熔化好的玻璃熔体放入冷水中，水淬得到制备泡沫玻璃所用的玻璃颗粒；

(4)按重量百分比计，将基础玻璃粉96.00％、硼砂3.50％、芒硝0.30％和碳0.20％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为A；按重量百分比计，将基础玻璃粉96.00％、硼砂3.30％、芒硝0.30％和碳0.40％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为B；按重量百分比计，将基础玻璃粉96.00％、硼砂2.90％、芒硝0.30％和碳0.80％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为C；

(5)将泡沫玻璃混合料按碳含量从低到高依次铺设在耐热钢模具中，铺设3层，泡沫玻璃混合料A铺设在下层，泡沫玻璃混合料B铺设在中层，泡沫玻璃混合料C铺设在上层；

(6)将装有泡沫玻璃混合料A-C的模具放入加热炉中，首先在350℃下预热30min，之后以6℃/min的升温速率升温到发泡温度850℃，发泡时间为20min，最后随炉冷却至室温，得到具有均匀气泡结构、梯度密度的闭孔泡沫玻璃。

本实施例所得的闭孔泡沫玻璃密度范围在0.15g/cm³-0.4g/cm³、抗折强度1MPa，气孔分布均匀，并在上中下层具有一定的密度梯度分布，是一种优良的绝热保温材料。

实施例2

一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料，其原料包括基础玻璃、硼砂、芒硝和碳，原料的配比为3种，所述不同配比的原料按碳含量梯度分层铺设，按重量百分比计，下层其原料包括：基础玻璃97.00％、硼砂2.20％、芒硝0.60％和碳0.20％；中层其原料包括：基础玻璃97.00％、硼砂2.00％、芒硝0.60％和碳0.40％；上层其原料包括：基础玻璃97.00％、硼砂1.60％、芒硝0.60％和碳0.80％。

其中，所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的基础玻璃按重量百分比计，具体组成均如表2所示：

表2

组分	重量百分比/wt％	所用原料
			SiO₂	68.00	石英砂
Al₂O₃	5.00	钠长石
			Fe₂O₃	2.10	氧化铁粉
BaO	1.00	碳酸钡
			CaO	7.80	碳酸钙
MgO	2.50	白云石
			Na₂O	12.00	纯碱
K₂O	1.00	碳酸钾
			MnO₂	0.40	二氧化锰
TiO₂	0.20	二氧化钛

(1)按照表2中基础玻璃的配比，配制基础玻璃的配合料，将配合料在球磨机中球磨混合均匀；

(2)将混合均匀的玻璃配合料放入玻璃熔化炉中进行高温熔融，熔融温度范围为1520℃，时间为4小时，将熔化好的玻璃熔体放入冷水中，水淬得到制备泡沫玻璃所用的玻璃颗粒；

(4)按重量百分比计，将基础玻璃粉97.00％、硼砂2.20％、芒硝0.60％和碳粉0.20％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为D；按重量百分比计，将基础玻璃粉97.00％、硼砂2.00％、芒硝0.60％和碳粉0.40％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为E；按重量百分比计，将基础玻璃粉97.00％、硼砂1.60％、芒硝0.60％和碳粉0.80％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为F；

(5)将泡沫玻璃混合料按碳含量从低到高依次铺设在耐热钢模具中，铺设3层，泡沫玻璃混合料D铺设在下层，泡沫玻璃混合料E铺设在中层，泡沫玻璃混合料F铺设在上层；

(6)将装有泡沫玻璃混合料D-F的模具放入加热炉中，首先在350℃下预热30min，之后以8℃/min的升温速率升到发泡温度870℃，发泡时间为30min，最后随炉冷却至室温，得到具有均匀气泡结构、梯度密度的闭孔泡沫玻璃。

本实施例所得的闭孔泡沫玻璃密度范围在0.18g/cm³-0.45g/cm³、抗折强度1.5MPa，气孔分布均匀，并在上中下层具有一定的密度梯度分布，是一种优良的绝热保温材料。

实施例3

一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料，其原料包括基础玻璃、硼砂、芒硝和碳，原料的配比为2种，所述不同配比的原料按碳含量梯度分层铺设，按重量百分比计，下层其原料包括：基础玻璃98.00％、硼砂1.40％、芒硝0.40％和碳0.20％；上层其原料包括：基础玻璃98.00％、硼砂1.00％、芒硝0.40％和碳0.60％。

其中，所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的基础玻璃按重量百分比计，具体组成均如表3所示：

表3

组分	重量百分比/wt％	所用原料
			SiO₂	71.00	石英砂
Al₂O₃	3.00	钠长石
			Fe₂O₃	2.00	氧化铁粉
BaO	1.00	碳酸钡
			CaO	6.00	碳酸钙
MgO	2.50	白云石
			Na₂O	12.40	纯碱
K₂O	1.00	碳酸钾

MnO₂	0.60	二氧化锰
			TiO₂	0.50	二氧化钛

(1)按照表3中基础玻璃的配比，配制基础玻璃的配合料，将配合料在球磨机中球磨混合均匀；

(2)将混合均匀的玻璃配合料放入玻璃熔化炉中进行高温熔融，熔融温度范围为1540℃，时间为6小时，将熔化好的玻璃熔体放入冷水中，水淬得到制备泡沫玻璃所用的玻璃颗粒；

(4)按重量百分比计，将基础玻璃粉98.00％、硼砂1.40％、芒硝0.40％和碳粉0.20％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为G；按重量百分比计，将基础玻璃粉98.00％、硼砂1.00％、芒硝0.40％和碳粉0.60％在球磨机中混合均匀，得到泡沫玻璃混合料，标号为H；

(5)将泡沫玻璃混合料按碳含量从低到高依次铺设在耐热钢模具中，铺设2层，泡沫玻璃混合料G铺设在下层，泡沫玻璃混合料H铺设在上层；

(6)将装有泡沫玻璃混合料G、H的模具放入加热炉中，首先在350℃下预热30min，之后以10℃/min的升温速率升到发泡温度890℃，发泡时间为40min，最后随炉冷却至室温，得到具有均匀气泡结构、梯度密度的闭孔泡沫玻璃。

本实施例所得的闭孔泡沫玻璃密度范围在0.20g/cm³-0.50/cm³、抗折强度2MPa，气孔分布均匀，并在上中下层具有一定的密度梯度分布，是一种优良的绝热保温材料。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料，其特征在于按重量百分比计，其原料包括如下组分：基础玻璃96.00-98.00％、硼砂1.50-3.50％、芒硝0.20-0.60％和碳0.20-0.80％；所述高性能梯度泡沫玻璃保温材料中的原料包括两种以上的配比，所述两种以上配比中的碳含量不同，所述不同配比的原料按碳含量从低到高分层铺设；

所述基础玻璃按重量百分比计，包括如下组分：SiO₂ 65.00％～71.00％、Al₂O₃ 3.00％～6.00％、Fe₂O₃ 1.20％～3.60％、BaO 0.50％～1.50％、CaO 6.00％～12.00％、MgO2.00％～6.00％、Na₂O12.00％～15.00％、K₂O 0.50％～2.50％、MnO₂ 0.20％～1.00％、TiO₂ 0～0.5％，所述组分SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、BaO、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、MnO₂和TiO₂的原料分别为石英砂、钠长石、氧化铁、碳酸钡、碳酸钙、白云石、纯碱、碳酸钾、二氧化锰和二氧化钛。

2.根据权利要求1所述的一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于包括如下具体步骤：

(1)按照所述基础玻璃的配比，配制基础玻璃的配合料，将所述配合料球磨混合均匀；

(4)按重量百分比基础玻璃96.00-98.00％、硼砂1.50-3.50％、芒硝0.20-0.60％和碳0.20-0.80％，将基础玻璃粉、芒硝、硼砂、碳粉混合均匀，得到泡沫玻璃混合料；

3.根据权利要求2所述的一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中高温熔融的温度为1500-1540℃，时间为2-6小时。

4.根据权利要求2所述的一种高性能梯度泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于所述步骤(6)中的升温速率为6-10℃/min；发泡温度为850～900℃。