泡沫玻璃的制備工藝綜述①

，，， ， (.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 604；.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 604)

引言

泡沫玻璃是一種以廢玻璃或某些工業(yè)廢料為原料，通過加入發(fā)泡劑以及改性添加劑等材料形成混合配料之后，再經(jīng)過預(yù)熱、熔融、發(fā)泡等工藝制成的新型環(huán)保建筑材料。泡沫玻璃具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱學(xué)性能好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。正是由于泡沫玻璃擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)和應(yīng)用也被越來越多的人所重視。隨著信息化時(shí)代的到來，各種電磁波的輻射危害也越來越被人們所重視，泡沫玻璃良好的吸波性能正逐漸被開發(fā)出來。本文主要就泡沫玻璃主要的一些生產(chǎn)方法進(jìn)行介紹。

1 泡沫玻璃概述

泡沫玻璃最大的特點(diǎn)是其內(nèi)部充滿了直徑1～2 mm的微小連通氣孔，是一種均勻的固相和氣相體系，氣孔所占的體積比例達(dá)到了50%以上。正是因?yàn)檫@些氣孔的存在，使得泡沫玻璃擁有不同于普通玻璃的屬性，尤其是在吸聲、吸波、隔熱等方面有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。

泡沫玻璃的吸聲性能非常優(yōu)秀。根據(jù)多孔材料的吸聲特性，貫通孔隙對(duì)多孔材料的吸聲性能有著顯著的影響。泡沫玻璃中的氣孔構(gòu)成了很多的貫通孔隙，貫通孔隙率可達(dá)60%以上，在吸聲領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景。

泡沫玻璃在隔熱方面也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。泡沫玻璃的導(dǎo)熱主要是依靠氣孔壁和氣孔中的氣體來完成的，一般固體傳熱主要是以傳導(dǎo)的形式進(jìn)行，而氣體導(dǎo)熱主要是以輻射的方式進(jìn)行，氣體導(dǎo)熱方式的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，這是泡沫玻璃隔熱性能好的原因。

泡沫玻璃的抗壓以及抗拉強(qiáng)度在經(jīng)過微晶化之后有了顯著提高，并且在很多工程中被應(yīng)用。

2 原料、輔助物料與燒制工藝

2.1 原料的選擇

2.1.1 酸性火山熔巖類物質(zhì)

據(jù)報(bào)道，匈牙利曾利用珍珠巖制作泡沫玻璃。將珍珠巖粉碎活化后，加入堿液加壓成?；笤谄渑蛎洔囟认录訜崾蛊渑蛎?，這種工藝制作出來的泡沫玻璃其強(qiáng)度和吸水性能都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

前蘇聯(lián)用火山灰和氫氧化鈉研制的粒狀泡沫玻璃，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、傳熱低、密度小等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 粉煤灰

目前，煤仍然是我國(guó)使用的主要燃料，煤燃燒后的殘?jiān)绻唤?jīng)處理直接排放會(huì)造成巨大的污染。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中捕集下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。我國(guó)火電廠粉煤灰的主要化學(xué)組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，其SiO2、Al2O3、Fe2O3的合量達(dá)84%以上，非常適合制作泡沫玻璃。以粉煤灰為原料制作泡沫玻璃不僅造價(jià)低廉，而且在一定程度上減小了粉煤灰的污染。

2.1.3 赤泥

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，一般每生產(chǎn)1 t氧化鋁，附帶產(chǎn)生1.0～2.0 t赤泥。中國(guó)作為世界第4大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)，每年排放的赤泥高達(dá)數(shù)百萬噸。赤泥的主要成分有SiO2、CaO、Al2O3、FeO等，赤泥經(jīng)過一定的工藝處理后，制作出的泡沫玻璃具有很高的可使用性。

2.2 輔助添加劑的選擇

2.2.1 發(fā)泡劑

一種發(fā)泡劑是自身產(chǎn)生氣體的物質(zhì)如CaCO3，經(jīng)加熱后，產(chǎn)生大量的CO2氣體。加入發(fā)泡劑時(shí)應(yīng)注意發(fā)泡劑的量，發(fā)泡劑太多會(huì)生成較多的氣泡，影響玻璃的硬度；發(fā)泡劑太少會(huì)使氣泡太少，玻璃密度過大。

另一種發(fā)泡劑是與原材料反應(yīng)產(chǎn)生氣體的物質(zhì)，如炭黑、水玻璃，加入后不僅可以作為發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體，而且可以使玻璃成分達(dá)到均化，降低材料的析晶性能。

2.2.2 助熔劑

助熔劑的加入可以使玻璃的熔點(diǎn)降低。由于泡沫玻璃的熔點(diǎn)高于發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體的溫度，為了獲得低密度的泡沫玻璃，通常必須在配料中加入一些助熔劑來降低玻璃的黏度，以便于熔融。通常助熔劑是堿或堿土金屬的鹽，如Na2CO3、Na2SiF6等。

2.2.3 穩(wěn)泡劑

泡沫玻璃制備過程中容易生成大氣泡，使氣孔不穩(wěn)定。為了防止這種情況的發(fā)生，需要加入穩(wěn)泡劑以降低表面張力。常用的穩(wěn)泡劑有硫酸鈉、硼酸等。

2.2.4 促進(jìn)劑

促進(jìn)劑在輔助添加劑中所占的比例較小，一般用于增加表面光澤，提高強(qiáng)度。常用的促進(jìn)劑有硫酸鈉、硫酸鈣等。

2.3 燒制工藝

將混合好的泡沫玻璃配合料加入模具中，經(jīng)過壓實(shí)后，在高溫爐中加熱。模具一般采用陶瓷或耐熱鋼板，為防止制品與模具粘接，經(jīng)常在模具壁上涂1層耐高溫泥漿。為防止發(fā)泡不均勻，應(yīng)在加熱初期采用預(yù)熱方式，即以5～8 ℃/min的升溫速度將爐中溫度由室溫升至400 ℃左右，并保溫20～30 min，此時(shí)分散于玻璃細(xì)粉中的碳完全被熔化的玻璃液所包圍。然后，將爐體快速升溫到燒結(jié)溫度(650～750 ℃)，升溫速度一般為8～10 ℃/min。在此階段，爐內(nèi)生成的氣體并未逸出，而是包裹在坯體內(nèi)，這樣有利于得到更多的氣相。燒結(jié)完成后，繼續(xù)以10～15 ℃/min的速度加熱到發(fā)泡溫度(750～1 000 ℃)進(jìn)行發(fā)泡，在發(fā)泡溫度下保溫一段時(shí)間(15～50 min)，此時(shí)氣泡內(nèi)的氣壓大于周圍玻璃的表面張力，氣泡擴(kuò)散，聚集成群，玻璃體積膨脹而形成泡沫玻璃。

燒成結(jié)束后，迅速將試樣冷卻至600 ℃左右，冷卻速度要快(一般在15～20 ℃/min)，其目的是使內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)固定下來。由于冷卻速度快，在表面形成固化層，并逐漸向中心擴(kuò)展產(chǎn)生巨大應(yīng)力，為消除應(yīng)力，在600 ℃左右時(shí)保溫20～35 min，然后關(guān)掉電源自然冷卻至室溫。由于泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)低，其退火冷卻速度要比普通玻璃的退火冷卻速度慢得多，總的退火冷卻時(shí)間一般在20～30 h。

綜上所述，泡沫玻璃的燒制工藝大致分為4個(gè)階段：預(yù)熱、發(fā)泡、定型、退火。其中泡沫玻璃的退火是比較重要的工藝過程，泡沫玻璃的退火冷卻速率不僅與制品的化學(xué)組成及厚度有關(guān)，還與制品的結(jié)構(gòu)、容重、熱膨脹系數(shù)等有關(guān)，冷卻速率將直接影響成品的性能。

3 泡沫玻璃制備工藝的分類

3.1 根據(jù)配料時(shí)的形態(tài)進(jìn)行分類

根據(jù)配料時(shí)的形態(tài)，可以分為模具裝填法、模壓燒結(jié)法、漿料浸漬法、溶膠-凝膠法。

3.1.1 模具裝填法

模具裝填法是制備泡沫玻璃最基本的方法，也是最古老的方法。將廢玻璃、發(fā)泡劑等原料按一定的比例配合后裝入模具中，壓實(shí)后放入發(fā)泡爐中進(jìn)行發(fā)泡。一般在模具的內(nèi)表面需要涂抹脫模劑，防止原料與模具粘連。

這種方法應(yīng)用范圍較廣，而且可以滿足各種切割要求，生產(chǎn)出的泡沫玻璃強(qiáng)度高。但是，這種方法因?yàn)樾枰＞?，間接地增加了生產(chǎn)成本，而且對(duì)原料的要求較苛刻，是一種成本較高、質(zhì)量較好的生產(chǎn)方法。

3.1.2 模壓燒結(jié)法

這種方法與陶瓷胚體的燒制方法類似。將原料配合后加入潤(rùn)滑劑，造粒后進(jìn)行干燥處理，然后放入模具中，送入發(fā)泡爐發(fā)泡。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可調(diào)控性，可以方便地調(diào)節(jié)氣孔的大小以及比例，工藝簡(jiǎn)單。但是，其生產(chǎn)難以掌控，例如氣孔的分布等。

3.1.3 漿料浸漬法

這種方法采用的發(fā)泡劑主要為有機(jī)泡沫體，并以有機(jī)泡沫體為載體。將有機(jī)泡沫體切割后，將其浸入到含有廢玻璃的漿料中。除去溶劑，然后加熱使有機(jī)發(fā)泡體分解，之后繼續(xù)加熱使剩下的玻璃體結(jié)晶。冷卻后的形成物即為泡沫玻璃。

這是一種非常適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法，不僅生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單，而且生產(chǎn)出的泡沫玻璃氣孔均勻。但是，其強(qiáng)度較其他方法生產(chǎn)出的泡沫玻璃強(qiáng)度低，而且生產(chǎn)過程受有機(jī)泡沫體等的控制，其產(chǎn)品最終的形狀不一定能達(dá)到理想要求。

3.1.4 溶膠-凝膠法

這種方法是一種新工藝，主要是在低溫環(huán)境下進(jìn)行。其原理是將原料先制成溶膠，在凝膠的過程中會(huì)形成三圍網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。之后的加熱處理將網(wǎng)狀物中的液體蒸發(fā)出去，形成氣孔結(jié)構(gòu)。

采用這種方法生產(chǎn)出的泡沫玻璃，無論在強(qiáng)度、氣孔密度等方面都能達(dá)到較高的要求，但是受生產(chǎn)周期、工藝條件等的控制，目前為止尚難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

3.2 按是否需要模具進(jìn)行分類

按是否需要模具，可以分為有模法和無模法。

3.2.1 有模法

有模法的原料采用的是碎玻璃。將原料和發(fā)泡劑等各種添加劑一起研磨之后放入模具中，在發(fā)泡爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)和發(fā)泡。正常燒制后進(jìn)行退火處理消除其內(nèi)應(yīng)力，然后玻璃就可以進(jìn)行切割，加工成泡沫玻璃制品。

這種方法使用比較普遍，且模具的使用可以生產(chǎn)出符合預(yù)期的泡沫玻璃，缺點(diǎn)是模具的成本較高。

3.2.2 無模法

這種方法不需要模具，原料與有模法相同。將原料混合干燥后，送入發(fā)泡爐中。因?yàn)檫@種方法所用的發(fā)泡爐內(nèi)部氣壓較高，所以氣體不會(huì)逸出。玻璃液從發(fā)泡爐中溢出時(shí)，玻璃液中的飽和氣體開始發(fā)泡，玻璃毛坯便制成了。再經(jīng)過切割等一系列后期操作，進(jìn)行退火。

這種方法生產(chǎn)周期較短，適合批量生產(chǎn)、制作泡沫玻璃毛坯。后期所需的切割工藝等較多。

3.3 根據(jù)模具與毛坯在退火等方面的差別進(jìn)行分類

泡沫玻璃根據(jù)模具與毛坯在退火等方面的差別，可以分為一步法與二步法。

3.3.1 二步法

二步法發(fā)泡和退火在兩個(gè)爐子中進(jìn)行。在發(fā)泡爐中發(fā)泡結(jié)束后，在爐子外面脫模，然后將半成品放入退火爐中退火。這種方法的優(yōu)勢(shì)是脫模與退火兩步分開，便于調(diào)節(jié)毛坯中的各種成分含量和掌握退火時(shí)間。

采用這種方法生產(chǎn)出的泡沫玻璃成品率高，大大減少了模具的使用量，目前被世界上大部分的廠家使用。

3.3.2 一步法

一步法是指在泡沫玻璃的制備過程中，發(fā)泡和退火是在同一個(gè)模具和同一個(gè)爐子中。

這種方法要使用大量的模具，生產(chǎn)效率較低，同時(shí)產(chǎn)品合格率較低，容易開裂，目前應(yīng)用并不是很廣泛。曾經(jīng)有人投資3 000萬元用于一步法的研究，但并沒有取得很好的效果。

4 結(jié)語

目前，泡沫材料的制備工藝尚存在著許多有待改進(jìn)的地方，尤其是國(guó)內(nèi)泡沫玻璃的產(chǎn)率很低。隨著科技的發(fā)展，可以相信今后會(huì)有更加便捷、產(chǎn)率更高的方法出現(xiàn)。期待著在不久的將來，一步法等各種方法能夠應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中。泡沫玻璃的前景將是一片光明。

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