CN105948467B - 一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，其原料组成及其质量百分比含量为55.3～61.6％SiO2，13.3～18.6％Na2CO3，9.0～11.6％CaCO3，5～5.7％Al2O3，3.56～5.8％MgCO3，0.73～3.7％K2CO3，0.51～1.2％Fe2O3，0.53～1.1％BaCO3，0.47～0.9％Na2SO4，0.05～0.3％SrO，在此基础上制得玻璃粉，再外加质量百分比为4～8％的碳酸锂为发泡剂及0～2％的稳泡剂或者0～2％的发泡促进剂。本发明采用操作方便实用的粉末烧结法，在725～775℃的低温下烧制而成。本发明制备的泡沫玻璃气孔均匀，密度较低，力学性能较好，气孔率吸水率等性能均达到其使用标准，且颜色纯正便于着色。此外，本发明不仅可以降低其生产成本，还可以大大提高了其生产效率。

Description

一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法
技术领域
本发明涉及一种质轻、高强、保温、隔音的多功能材料，具体涉及一种低温烧成泡沫玻璃的制备方法。
背景技术
泡沫玻璃是一种由玻璃相和大量直径在0.5～5mm的均匀气孔组成的无机非金属泡沫材料。泡沫玻璃具有质轻高强、绝热保冷、防水防腐、无毒不燃、化学稳定、防虫抑菌、生态环保等许多优异的性能，使得泡沫玻璃在低温隔热、管道防护、消声降噪等许多领域有着不可替代的作用。但是目前只有少量的泡沫玻璃产品投入工业生产中，而且产量也是非常有限。过去限制泡沫玻璃产业增长的主要原因是成本和需求问题，比如过高的发泡温度即烧结温度(900～1200℃)，对能源的消耗较大，燃料的成本是制约其大规模推广使用的重要影响因素。故从生产工艺方面降低其能源损耗，节约成本具有广泛的社会经济价值，符合环境友好型材料的发展要求。
目前在商业标准中广泛使用的泡沫玻璃的性能为:体积密度0.1～0.5g/cm3,抗压强度0.4～6.0MPa。实际应用中高气孔率的泡沫玻璃更符合发展要求，即较低的体积密度，但是随之带来的制品泡壁变薄变脆等原因导致的强度降低是不可避免的，比如目前市售气孔率为90％左右的泡沫玻璃产品抗压强度较低，约为0.8MPa，无法承受较大的应力。所以如何平衡气孔率和力学性能之间的关系，制备出实用价值更高的质轻高强玻璃仍是一大挑战。
碳酸锂作为锂的基础锂盐，最大的消费市场是用于玻璃制造和陶瓷生产过程中的添加剂和助熔剂。研究表明，在玻璃制造行业中，碳酸锂不仅能降低玻璃的熟化、熔化温度，提高玻璃的强度，而且还可以改善玻璃的粘性、热膨胀性等许多重要性质，这些作用与Li+属于惰性气体型的、极小离子半径的离子形式有关。这种离子特点在玻璃结构中容易形成不对称的中心，也会极化氧离子、减弱硅氧之间的键力，同时它作为近似的质子状态可以深深渗透到阴离子的电子壳层内，因而它可以起到助熔的作用。在绿色环保时代，对选用原料和烟囱排放物(特别是氟、铅和硼)日益严格的环保法规也促使玻璃厂家使用更多的锂。就其本身的热学性能来说，碳酸锂的熔点为723℃，在723-1270℃温度范围内，它会逐步分解，生成氧化锂和二氧化碳。类似于常用的Na2CO3和CaCO3，它可作为分解型发泡剂，加上自身的增强助熔作用,可以实现在较低温度下制备泡沫玻璃。
此外，市面上目前所生产的泡沫玻璃原料大多是碎玻璃和工业矿渣，但是这些原料化学成分不稳定，含杂质较多，不利于控制泡沫玻璃的各项性能，配方的稳定性和可靠性也普遍不高。上述缺点导致泡沫玻璃产品大多力学性能不高，质脆易碎，韧性很低，不能满足一些特殊环境的应用要求。采用工业料制备泡沫玻璃时，生产成本不高，其制品容易定型，性能稳定，绿色无毒，是一种很有应用前景的环保材料。
发明内容
本发明的目的，是克服现有技术的发泡温度较高、气孔率和力学性能不够理想的不足，提供一种体积密度较低、气孔较均匀、抗压强度等力学性能较好，且能够达到使用标准、颜色纯正的，并可以低温下烧结的泡沫玻璃制品的制备方法，此外，低温烧制泡沫玻璃不仅可以降低其生产成本，还可以大大提高其生产效率。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，具有如下步骤：
(1)配置基础玻璃粉
基础玻璃粉的原料组成及其质量百分比含量为55.3～61.6％SiO2，13.3～18.6％Na2CO3，9.0～11.6％CaCO3，5～5.7％Al2O3，3.56～5.8％MgCO3，0.73～3.7％K2CO3，0.51～1.2％Fe2O3，0.53～1.1％BaCO3，0.47～0.9％Na2SO4，0.05～0.3％SrO；
将上述原料放入球磨罐进行干磨，干磨5小时后在高温电阻炉于1300℃熔制，出炉立即水淬，制得基础玻璃；将基础玻璃干燥后以同样方法进行干磨，干磨5小时后过140目筛，制得基础玻璃粉；
(2)加入添加剂
在步骤(1)基础玻璃粉的基础上，外加质量百分比含量为4～8％的发泡剂及0～2％的稳泡剂或0～2％的发泡促进剂；将配合料放入球磨机进行干磨，干磨3h，过150目标准筛；
所述发泡剂为Li2CO3，所述稳泡剂为Na2HPO4、Na3PO4·12H2O或者K3PO4中的任意一种，所述发泡促进剂为ZnO、TiO2或者CaSO4中的任意一种；
(3)装模烧制
将步骤(2)过筛后的配合料装入石墨坩埚，震动成型；再置于烧结炉中于725～775℃的低温下烧结，保温20～60min，制得泡沫玻璃；
(4)将步骤(3)烧制的成品切割成规定形状。
所述步骤(2)及步骤(3)干磨的球、料质量比为2:1，其中大球、中球和小球质量比为1:2:1。
所述步骤(5)的温度制度为：自室温以4℃/min升温速率升至400℃，保温20min；再以10℃/min升温速率升至725～775℃，保温20～60min；随炉冷却。
该泡沫玻璃的体积密度为0.28～0.39g/cm3，抗压强度为2.9～5.5Mpa，闭口气孔率为81～90％。
本发明与已有技术相比较，有益效果体如下：
1.本发明采用粉末烧结法制备泡沫玻璃，通过725～775℃的低温烧制，得到体积密度低，机械强度高的泡沫玻璃制品，不需要严苛的制备条件，且大大的节约了燃料成本，经济价值较好。
2.本发明选用的原料均为工业级别的纯原料，来源广泛，价格相对低廉，降低了生产成本，同时也可便于根据实际需要，控制制品性能，从而得到所希望特性的泡沫玻璃产品。
3.工艺制度的简单可行，原料的低成本，都有利于该泡沫玻璃制品在工业上的大批量上产。
4.本发明的泡沫玻璃制品体积密度为0.28～0.39g/cm3，抗压强度为2.9～5.5Mpa，闭口气孔率为81～90％，符合行业标准。
附图说明
图1是本发明实施例1低温烧成的泡沫玻璃制品在X射线衍射仪检测的衍射照片；
图2是本发明实施例1低温烧成的泡沫玻璃制品在扫描电镜的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施方例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)用电子天平秤取二氧化硅66g，碳酸钠22.23g，碳酸钙10.71g，氧化铝6g，碳酸镁6.15g，碳酸钾4.4g，氧化铁1.41g，碳酸钡1.29g，硫酸钠1.06g，氧化锶0.05g。一起加入到球磨罐中干磨；球、料质量比为2:1，其中大球：中球：小球质量比为1:2:1；保证密封良好，干磨5h后放入高温电阻炉中升温至1300℃开始熔制，出炉立即水淬，得到基础玻璃。再将得到的碎基础玻璃干燥后以同样的方法进行球磨，5小时后过140目筛制得基础玻璃粉。
(2)取基础玻璃粉60g，碳酸锂3.6g加入球磨罐中，按照步骤(1)的干磨方法球磨3h，将粉料过150目的标准筛。
(3)步骤(2)过筛后的配合料填充于石墨坩埚中，切勿装料过满，在振动台上震动成型。成型后，将石墨坩埚送入电阻炉内，于750℃烧结。
上述温度制度为：自室温以4℃/min升温速率升至400℃，保温20min；再以10℃/min升温速率升至750℃，保温60min；随炉冷却。
(4)将步骤(3)烧制的成品切割成12.5mm×5mm×5mm的长方体。
实施例1的所形成的泡沫玻璃制品相关性能测试结果如下:
体积密度为0.345g/cm3，气孔率为85.67％，抗压强度为4.01Mpa。
图1是实施例1的衍射照片，其中横坐标为衍射角20/(°)，纵坐标为衍射强度；由图1可以看出其形成了良好的玻璃相.
图2是实施例1的电镜扫描图片，由图中微观气孔形貌可以看出，所得制品的气孔形状较规则，分布较均匀。
本发明各具体实施例的基础玻璃粉原料配比详见表1(单位：g)。
本发明各具体实施例的基础玻璃粉与添加剂即泡沫玻璃原料配比(单位：g)以及烧结温度制度详见表2。
本发明各具体实施例的性能检测结果详见表3。
各个具体实施例的工艺步骤完全同于实施例1。
表1
表2
表3
实施例 体积密度(g/cm3) 气孔率(％) 抗压强度(Mpa)
1 0.345 85.67 4.01
2 0.383 82.99 5.14
3 0.324 87.35 3.72
4 0.305 88.44 3.15
5 0.389 81.38 5.41
6 0.288 89.02 2.97
本发明所制备的低密度高强度泡沫玻璃材料，经检验均符合现行的行业标准。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各种原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，不再一一举例说明。
以上是对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，具有如下步骤：
(1)配置基础玻璃粉
基础玻璃粉的原料组成及其质量百分比含量为55.3～61.6％SiO2，13.3～18.6％Na2CO3，9.0～11.6％CaCO3，5～5.7％Al2O3，3.56～5.8％MgCO3，0.73～3.7％K2CO3，0.51～1.2％Fe2O3，0.53～1.1％BaCO3，0.47～0.9％Na2SO4，0.05～0.3％SrO；
将上述原料放入球磨罐进行干磨，干磨5小时后在高温电阻炉于1300℃熔制，出炉立即水淬，制得基础玻璃；将基础玻璃干燥后以同样方法进行干磨，干磨5小时后过140目筛，制得基础玻璃粉；
(2)加入添加剂
在步骤(1)基础玻璃粉的基础上，外加质量百分比含量为4～8％的发泡剂及0～2％的稳泡剂或0～2％的发泡促进剂；将配合料放入球磨机进行干磨，干磨3h，过150目标准筛；
所述发泡剂为Li2CO3，所述稳泡剂为Na2HPO4、Na3PO4·12H2O或者K3PO4中的任意一种，所述发泡促进剂为ZnO、TiO2或者CaSO4中的任意一种；
(3)装模烧制
将步骤(2)过筛后的配合料装入石墨坩埚，震动成型；再置于烧结炉中于725～775℃的低温下烧结，保温20～60min，制得泡沫玻璃；
(4)将步骤(3)烧制的成品切割成规定形状。
2.根据权利要求1所述的一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，其特征是，所述步骤(2)干磨的球、料质量比为2:1，其中大球、中球和小球质量比为1:2:1。
3.根据权利要求1所述的一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，其特征是，所述步骤(3)的温度制度为：自室温以4℃/min升温速率升至400℃，保温20min；再以10℃/min升温速率升至725～775℃，保温20～60min；随炉冷却。
4.根据权利要求1所述的一种低温烧成低密度高强度泡沫玻璃的制备方法，其特征是，该泡沫玻璃的体积密度为0.28～0.39g/cm3，抗压强度为2.9～5.5Mpa，闭口气孔率为81～90％。
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