CN112777937B - 一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，基础原料中各组份质量百分含量为：废玻璃62.8～77.0％，钠长石7.3～16.8％，空心玻璃微珠4.0～11.8％，硝酸钠0.1～0.3％，碳酸钙0.01～0.12％，硼砂0.6～3.0％，硼酸3.1～9.5％，萤石0.25～1.2％；所述的空心玻璃微珠的真密度为0.15～0.18g/cm3，粒径为10～85μm。先制备坯料，坯料在高温炉内以5～8℃/min升温至780～860℃，保温30～50min，然后随炉冷却，制得微孔发泡玻璃。本发明采用空心玻璃微珠作为物理发泡剂，有效避免了发泡过程中异常孔洞的产生，制备的微孔发泡玻璃容重低，闭气孔率≥91％且孔径<80μm，显著提升了材料的抗压强度和保温隔热性能。
Description
技术领域
本发明属于废玻璃综合利用技术领域，具体涉及一种以废旧玻璃为主要原料制备发泡玻璃，可广泛应用于化工、环保、建筑、地下工程、国防军工等领域，尤其适用于防火工程、防水工程、建筑保温节能等。
背景技术
废弃玻璃是家居建筑行业的边角料，或日常生活中的破碎玻璃，由于玻璃难以降解，变口锋利，以前只能进行填埋处理，占用了宝贵的土地资源，增加了环境负担。我国每年产生的废旧弃玻璃有几百万吨，是一种宝贵的资源，研究表明，将废玻璃等主要原料，可以制备泡沫玻璃。在建筑材料家族中，泡沫玻璃具有优越的物理、化学性能，同时还具有易于机械加工和施工安装的特点，被广泛应用于化工、环保、建筑、地下工程、国防军工等领域。
发泡玻璃是一种封闭气孔的泡沫玻璃，其具有导热系数小、容重低、抗压强度高、吸水率低、耐腐蚀、化学稳定性好等优良特性，可广泛应用于化工、环保、建筑、地下工程、军工产品等领域，达到防水、隔热、保温、隔音等效果，被称为绿色环保型绝热材料。
随着我国工业的发展，能源短缺和浪费已经成为社会经济发展的主要瓶颈之一。同时，我国正处于城镇化和工业化发展时期，每年新建设的建筑总量约20亿m2，其能耗约为发达国家的4倍，且建筑能耗一直占据国家总能耗的第一位，建筑节能成为建设节约型社会最重要的载体。发泡玻璃作为节能、防火、防水、环保等功能为一体的新型建筑材料获得大力推广应用。
目前，制备发泡玻璃所采用的发泡剂根据发泡原理的不同分为两大类：一类是分解型发泡剂，在高温条件下发生分解反应生成气体，如碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、二氧化锰等；一类是氧化型发泡剂，其与含氧组分发生氧化反应产生气体，如炭黑、硝酸钠等。发泡玻璃在高温发泡过程中，由于发泡剂掺量、粒度、分布等，与热工制度、液相粘度和表面张力等匹配性问题，制品常出现连通孔、泡孔结构不均匀、孔径差异大等缺陷，且缺陷无法消除，导致制品吸水率、导热系数升高，影响保温隔热效果，直接导致制品成品率低。因此，发泡玻璃孔径不均匀及异常孔洞的产生是目前亟待解决的问题。
为了提高发泡玻璃物理、化学性能，中文期刊《中国陶瓷》2015年7月发表的“高强度均匀泡沫玻璃制备”一文，以废弃玻璃研磨的玻璃粉为主要原料，碳酸钙为发泡剂，利用碳酸钙高温分解产生的气体对熔体发泡来制备泡沫玻璃。但研究结果表明，制备的泡沫玻璃尽管抗压强度较高，但内部孔径大，总气孔率偏低，隔热效果较差，特别是在抗压强度较高的情况下，存在着体积密度大、总气孔率低的致命缺陷，达不到市场要求的微孔发泡玻璃的性能指标要求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的发泡玻璃孔径大、不均匀、气孔率低且存在异常孔洞等缺点，导致强度低、吸水率和导热系数高的缺陷，提供一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃。
为实现本发明的上述目的，本发明一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，其基础原料中各组份质量百分含量为：废玻璃62.8～77.0％，钠长石7.3～16.8％，空心玻璃微珠4.0～11.8％，硝酸钠0.1～0.3％，碳酸钙0.01～0.12％，硼砂0.6～3.0％，硼酸3.1～9.5％，萤石0.25～1.2％；所述的空心玻璃微珠的真密度为0.15～0.18g/cm3，粒径为10～85μm。其制备工艺为：
(1)坯料的制备：将废玻璃、钠长石、助溶剂、硝酸钠、碳酸钙与水放入球磨机中球磨得到混合均匀的料浆，经过脱水、干燥，干燥后的物料经过打散后制得的混合料与空心玻璃微珠，以及占基础原料总质量3.5～6.7％的粘结剂放入搅拌罐中混合制得坯料；放入搅拌罐中的粘结剂量占基础原料总质量的4.5～6.5％为优。
(2)高温发泡：将步骤(1)制得的坯料填入铺有陶瓷纤维纸的模具中压制成型，在高温炉内以5～8℃/min升温至780～860℃，保温30～50min，然后随炉冷却，制得微孔发泡玻璃。
本发明微孔发泡玻璃的基础原料中各组份质量百分含量优选为：废玻璃65.0～76.5％，钠长石7.3～15.5％，空心玻璃微珠4.8～11.8％，硝酸钠0.15～0.25％，碳酸钙0.01～0.08％，硼砂0.6～2.2％，硼酸3.4～8.5％，萤石0.26～1.0％。
为了防止杂质的混入，所述球磨是以氧化锆球作为研磨介质，其中磨珠、原材料、水的质量比以(2.3～2.9)：1：(0.35～0.4)为宜。
所述的打散一般采用气流破碎机，打散后制得的混合料的粒径≤100μm为宜。
所述的粘结剂中各组份的质量百分含量为：β-环糊精1.1～1.5％、甘油3.3～4.1％、聚甲基纤维素钠3.4～4.3％、聚乙二醇1.4～1.8％、水88.3～90.8％，以上材料的质量之和为100％。其最佳的配比为：β-环糊精1.3％、甘油3.7％、聚甲基纤维素钠3.8％、聚乙二醇1.6％、水89.6％。
综合、优化以上技术方案制备的微孔发泡玻璃的技术性能为：容重180～230kg/m3，导热系数0.053～0.062W/(m·k)，体积吸水率≤0.43％，闭气孔率≥90％，孔径<0.8mm，抗压强度0.90～1.25MPa
本发明采用空心玻璃微珠、硝酸钠、碳酸钙的混合物为发泡剂，3种发泡材料起到协同效应，有利于降低容重、提高闭气孔率、降低导热系数、减小微孔孔径；本发明采用硼砂、硼酸、萤石的混合物为助溶剂。
与现有技术相比，本发明一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃具有如下有益效果：
(1)本发明微孔发泡玻璃以固体废玻璃为基础原料，一方面原料易得，价格低廉，另一方面节约了矿石资源，不仅降低了发泡玻璃的生产成本，而且实现了废玻璃的高附加值利用。
(2)本发明微孔发泡玻璃以空心玻璃微珠作为物理发泡剂，在高温发泡过程中，空心玻璃微珠球壳内气体受热膨胀，但始终包覆在球壳内部，避免了连通孔的产生，泡孔结构规整，不仅提高了闭气孔率，而且有效避免了应力集中，从而微孔发泡玻璃强度得到提升。
(3)本发明采用空心玻璃微珠为球型微米级中空颗粒，阻碍了热对流、延长了热传导的路径、泡孔壁曲面对热辐射的高效反射作用等，显著降低了微孔发泡玻璃的导热系数。
(4)本发明引入微量化学发泡剂，优选硝酸钠和碳酸钙，调节微孔发泡玻璃的容重，最终制备出高闭气孔率、低导热系数、低吸水率、微米级泡孔的高效保温防火发泡玻璃。
具体实施方式
为描述本发明，下面结合实施例对本发明一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃做进一步详细说明。但本发明并不局限于实施例。
实施例1
发泡玻璃原材料组成及质量百分含量：废玻璃71.3％，钠长石8.6％，空心玻璃微珠10.29％，硝酸钠0.21％，硼砂1.54％，硼酸7.2％，萤石0.86％。其中空心玻璃微珠真密度为0.15g/cm3。
(1)按照配比称量废玻璃、钠长石、硝酸钠、硼砂、硼酸和萤石，将氧化锆磨珠、原材料、水按质量比2.6:1:0.35投入球磨罐中，研磨60min，制得均匀料浆；将料浆置于鼓风干燥箱中，在110℃条件下干燥100min；将干燥后的物料采用气流破碎机打散，然后与空心玻璃微珠和占原材料总质量5％的粘结剂置于搅拌罐中混合25min，制得坯料。
(2)将制得的坯料装入铺有陶瓷纤维纸的耐火材料磨具中压制成型后置入高温炉内，以5℃/min的升温速率从室温加热至发泡温度800℃，保温40min，随炉冷却，脱模、切割，制得微孔发泡玻璃。
实施例2
发泡玻璃原材料组成及质量比：废玻璃68.5％，钠长石15.1％，空心玻璃微珠11.76％，硝酸钠0.18％，碳酸钙0.06％，硼砂0.66％，硼酸3.45％，萤石0.29％。其中空心玻璃微珠真密度为0.18g/cm3。
(1)按照配比称量废玻璃、钠长石、硝酸钠、碳酸钙、硼砂、硼酸和萤石，将氧化锆磨珠、原材料、水按质量比2.3:1:0.4投入球磨罐中，研磨110min，制得均匀料浆；将料浆置于鼓风干燥箱中，在110℃条件下干燥130min；将干燥后的物料采用气流破碎机打散，然后与空心玻璃微珠和占原材料总质量4.7％的粘结剂置于搅拌罐中混合30min，制得坯料。
(2)将制得的坯料装入铺有陶瓷纤维纸的耐火材料磨具中压制成型后置入高温炉内，以7℃/min的升温速率从室温加热至发泡温度860℃，保温30min，随炉冷却，脱模、切割，制得发泡玻璃。
实施例3
发泡玻璃原材料组成及质量比：废玻璃76.5％，钠长石7.3％，空心玻璃微珠4.86％，硝酸钠0.11％，碳酸钙0.03％，硼砂2.01％，硼酸8.28％，萤石0.91％。其中空心玻璃微珠真密度为0.15g/cm3。
(1)按照配比称量废玻璃、钠长石、硝酸钠、碳酸钙硼砂、硼酸和萤石，将氧化锆磨珠、原材料、水按质量比2.5:1:0.4投入球磨罐中，研磨90min，制得研磨均匀的料浆；将料浆置于鼓风干燥箱中，在110℃条件下干燥100min；将干燥后的物料采用气流破碎机打散，然后与空心玻璃微珠和占原材料总质量6.2％的粘结剂置于搅拌罐中混合30min，制得坯料。
(2)将制得的坯料装入铺有陶瓷纤维纸的耐火材料磨具中压制成型后置入高温炉内，以6℃/min的升温速率从室温加热至发泡温度780℃，保温50min，随炉冷却，脱模、切割，制得发泡玻璃。
实施例4～8
发泡玻璃原材料组成及质量比：见表2。
(1)按照配比称量废玻璃、钠长石、硝酸钠、碳酸钙、硼砂、硼酸和萤石，将氧化锆磨珠、原材料、水按质量比2.5:1:0.35投入球磨罐中，研磨90min，制得均匀料浆；将料浆置于鼓风干燥箱中，在110℃条件下干燥120min；将干燥后的物料采用气流破碎机打散，然后与空心玻璃微珠和占原材料总质量5.2％的粘结剂置于搅拌罐中混合30min，制得坯料。
(2)将制得的坯料装入铺有陶瓷纤维纸的耐火材料磨具中压制成型后置入高温炉内，以7℃/min的升温速率从室温加热至发泡温度850℃，保温35min，随炉冷却，脱模、切割，制得发泡玻璃。
上述实施例，采用的粘结剂中各材料组分的质量百分含量为：β-(3)环糊精1.3％、甘油3.7％、聚甲基纤维素钠3.8％、聚乙二醇1.6％、水89.6％。
本发明涉及的各原材料、添加剂、工艺参数的上下限取值、区间值均能实现本发明，在此不一一列举。
实施例中所制备的微孔发泡玻璃性能测试方法如下：抗压强度和体积吸水率的测试方法参照《JC/T647-2014泡沫玻璃绝热制品》；导热系数的测试方法参照《GB/T10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定—防护热板法》；容重和闭气孔率由以下公式计算：
1)容重Db：
2)显气孔率Pa：
3)真气孔率Pt：
4)闭气孔率Pc：Pc＝Pt-Pa
式中D1—测试温度下浸夜的密度(g/cm3)；Dt—试样的真密度(g/cm3)；M1—试样质量(g)，在110℃下烘干至恒重；M2—饱和试样的表观质量(g)，试样置于烧杯或其他清洁容器内，缓慢注入浸液(蒸馏水)，直至浸没试样，在空气中静置30min，将饱和试样置于天平的吊钩上，称取的质量；M3—用饱和了浸液的毛巾试去饱和试样表面流挂的液珠，立即称取的试样质量(g)。
实施例1～3制备的微孔发泡玻璃性能如表1所示。
实施例4～8制备的微孔发泡玻璃性能如表3所示。
本发明所用的空心玻璃微珠由中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产，真密度为0.15～0.18g/cm3，粒径为10～85μm。
表1实施例1～3制备的微孔发泡玻璃性能
表2实施例4～8中础原料中各组份质量百分含量(％)
表3实施例4～8制备的微孔发泡玻璃性能
由表1、表3可以看出，通过本发明提供的技术方案制备出的微孔发泡玻璃具有优异的物理性能，容重低于221kg/m3，抗压强度较高，导热系数低、阻热效果好，闭气孔率高达91.9％以上，体积吸水率低，微孔的孔径小且均匀，取得了意想不到的技术效果。
Claims (4)
1.一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，其特征在于基础原料中各组份质量百分含量为：废玻璃62.8~77.0%，钠长石7.3~16.8%，空心玻璃微珠4.0~11.8％，硝酸钠0.1~0.3%，碳酸钙0.01~0.12%，硼砂0.6~3.0％，硼酸3.1~9.5％，萤石0.25~1.2％；所述的空心玻璃微珠的真密度为0.15~0.18g/cm3，粒径为10~85μm；
其制备工艺为：
（1）坯料的制备：将废玻璃、钠长石、硼砂、硼酸、萤石、硝酸钠、碳酸钙与水放入球磨机中球磨得到混合均匀的料浆，经过脱水、干燥，干燥后的物料经过打散后制得的混合料与空心玻璃微珠，以及占基础原料总质量3.5~6.7%的粘结剂放入搅拌罐中混合制得坯料；
所述球磨是以氧化锆球作为研磨介质，其中磨珠、原材料、水的质量比为（2.3~2.9）：1：（0.35~0.4）；
所述的粘结剂包含以下质量含量的材料组分：β-环糊精1.1~1.5%、甘油3.3~4.1%、聚甲基纤维素钠3.4~4.3%、聚乙二醇1.4~1.8%、水88.3~90.8%，以上材料的质量之和为100%；
（2）高温发泡：将步骤（1）制得的坯料填入铺有陶瓷纤维纸的模具中压制成型，在高温炉内以5~8℃/min升温至780~860℃，保温30~50min，然后随炉冷却，制得容重180~230kg/m3、导热系数0.053~0.062W/(m·k)、体积吸水率≤0.43%、闭气孔率≥90%、孔径<0.8mm、抗压强度0.90~1.25MPa的微孔发泡玻璃。
2.如权利要求1所述的一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，其特征在于基础原料中各组份质量百分含量为：废玻璃65.0~76.5%，钠长石7.3~15.5%，空心玻璃微珠4.8~11.8％，硝酸钠0.15~0.25%，碳酸钙0.01~0.08%，硼砂0.6~2.2％，硼酸3.4~8.5％，萤石0.26~1.0％。
3.如权利要求1所述的一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，其特征在于：步骤（1）中放入搅拌罐中的粘结剂量占基础原料总质量的4.5~6.5%。
4.如权利要求1、2或3所述的一种以废玻璃为主要原料制备的微孔发泡玻璃，其特征在于：所述的打散采用气流破碎机，打散后制得的混合料的粒径≤100μm。
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