泡沫玻璃的研究現(xiàn)狀及前景展望①

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(1.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，人們的環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，尤其是自然資源的緊缺，迫使人們逐漸改變了“秦磚漢瓦”作為墻體材料的基本格局。在此過程中，對廢棄玻璃和工業(yè)廢渣的再利用也格外受到了重視。

泡沫玻璃是一種新型節(jié)能環(huán)保建筑材料，其原料包括碎玻璃、發(fā)泡劑、發(fā)泡促進(jìn)劑和改性添加劑等。這些原料在細(xì)粉碎和均勻混合后，經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火等處理工藝制成泡沫玻璃。其內(nèi)部充滿微小的(直徑為1～2 mm)、均勻連通或封閉的氣孔，它是一種人工制造的多孔材料。

泡沫玻璃能在易潮、易燃、絕熱等苛刻環(huán)境下使用，是因?yàn)樗且环N具有防潮、防火、防腐特點(diǎn)的新型材料，并且玻璃材料能夠長期使用而且保持性能不劣化。泡沫玻璃還被稱為綠色環(huán)保型絕熱材料，由于其內(nèi)部充滿均勻連通或封閉的氣孔，能有效地吸收聲波、阻隔熱傳遞等，因此可廣泛應(yīng)用于墻體保溫、吸聲降噪、綠化用保水材料等領(lǐng)域。

1 泡沫玻璃的研究現(xiàn)狀

1.1 國外微晶泡沫玻璃的研究進(jìn)展

1935年，法國Saint-Gobain公司用粉碎的玻璃粉作為原料，以碳粉和碳酸鈣作為發(fā)泡劑，成功研制了首例泡沫玻璃。其制備工藝是將粉碎的玻璃粉與碳粉、碳酸鈣混合之后放在耐熱模具中加熱，加熱到850～860 ℃，使之發(fā)泡膨脹，然后退火，便制成了輕石狀的材料。但由于其外觀和性能不均勻，只能用作混凝土的輕骨料，從那時(shí)起就將其稱為泡沫玻璃。這種方法從裝料到退火是在同一窯爐和同一模具中進(jìn)行，也被稱為“一步法”。

泡沫玻璃研制成功之后，美國、德國、英國、前蘇聯(lián)等國也相繼發(fā)表了許多關(guān)于泡沫玻璃的專利和研究報(bào)告。1941年，美國匹茨堡-康寧(Pittsburgh-Corning)公司采用“二步法”研制成功了閉孔型泡沫玻璃。其制造方法是利用碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和發(fā)泡促進(jìn)劑等，經(jīng)過細(xì)粉碎和均勻混合后，再經(jīng)過高溫熔化、發(fā)泡、退火而成。其處理工藝相當(dāng)于將發(fā)泡好的半成品脫模，然后再進(jìn)行退火處理，制成了具有封閉氣孔的低密度泡沫玻璃。

目前，“二步法”被廣泛應(yīng)用于泡沫玻璃的生產(chǎn)和冷保溫墻體、管道等領(lǐng)域?！岸椒ā本哂邪l(fā)泡過程和退火階段分別獨(dú)立控制，相互不受牽制影響，并且可以大大節(jié)省模具材料的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用發(fā)泡后脫模再退火的“二步法”后，模具不必再經(jīng)過長時(shí)間的退火周期，可以減少用模數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。

1.2 國內(nèi)微晶泡沫玻璃發(fā)展?fàn)顩r

我國對泡沫玻璃的研究始于1955年，相繼建設(shè)了數(shù)十個(gè)工廠生產(chǎn)泡沫玻璃，并在沈陽陶瓷廠最先開始試制。但由于技術(shù)、管理等種種因素的制約，生產(chǎn)規(guī)模一直處在較低水平，甚至有部分廠家開始走向破產(chǎn)重組。從20世紀(jì)70年代中期到90年代中后期，經(jīng)歷了20余年的發(fā)展，泡沫玻璃的產(chǎn)品逐漸增多，生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，泡沫玻璃的應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。并且產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)，不僅可滿足國內(nèi)市場的基本需求，而且有少量產(chǎn)品出口到東南亞國家。

2 泡沫玻璃生產(chǎn)工藝

目前，泡沫玻璃的生產(chǎn)大多是采用美國匹茨堡-康寧(Pittsburgh-Corning)公司的“兩步法”進(jìn)行生產(chǎn)。

匹茨堡-康寧(Pittsburgh-Corning)公司采用特殊設(shè)計(jì)并在一定溫度下熔化的玻璃，由于這種玻璃更為純凈，使得泡沫玻璃產(chǎn)品的品質(zhì)更高。該工藝是將玻璃原料在粉磨車間內(nèi)與發(fā)泡劑、助劑等混合并磨成細(xì)粉，加入模具中經(jīng)過壓實(shí)后，再在發(fā)泡爐內(nèi)于850～860 ℃溫度下進(jìn)行燒結(jié)和發(fā)泡。生產(chǎn)中通常在500～600 ℃進(jìn)行充分預(yù)熱，然后再快速地進(jìn)行升溫，使配合料均勻發(fā)泡。泡沫玻璃經(jīng)過發(fā)泡和定型后再脫模，泡沫玻璃毛坯經(jīng)退火消除其熱應(yīng)力后，即可進(jìn)行加工制成泡沫玻璃成品，并進(jìn)行檢驗(yàn)和包裝。

3 泡沫玻璃的應(yīng)用

3.1 保溫玻璃

由于閉孔泡沫玻璃具有較低的傳熱系數(shù)，可用于建筑墻體、化工保溫冷凍等，是一種性能良好的絕熱保溫材料。建筑所用的保溫隔熱泡沫玻璃，其99%的化學(xué)組成為無機(jī)玻璃，具有不吸水、不燃燒、不變形、不老化、無毒、無輻射、耐腐蝕性強(qiáng)、防潮、防蛀、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的綠色環(huán)境友好型材料，不僅適合建筑外墻體，還可用于屋面頂棚、地下室保溫等。

3.2 吸聲防潮玻璃

開孔型泡沫玻璃的氣孔互相連通，有良好的吸聲消音特性，能起到降噪的作用，可用作吸聲材料。開孔型泡沫玻璃可以砌筑成大截面通風(fēng)消聲器，用于大型商場、展廳、候機(jī)樓、火車站候車廳等人流較多的地方。此外，開孔型泡沫玻璃還具有優(yōu)良的防腐防水等特性，可用于地鐵、地下商場、游泳館等防潮的建筑中。

3.3 輕質(zhì)混凝土骨料

粒狀泡沫玻璃是一種環(huán)保、節(jié)能、價(jià)格低廉且具有不燃性的新型建筑節(jié)能材料，主要用于輕質(zhì)混凝土骨料。輕質(zhì)混凝土具有密度小、質(zhì)量輕、抗震等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于建筑工程中不僅可降低運(yùn)輸費(fèi)用，減輕工人的勞動強(qiáng)度，還可以節(jié)約資源，并減少對環(huán)境的污染。

3.4 綠化用保水材料

泡沫玻璃也可應(yīng)用于綠化工程。由于泡沫玻璃是一種具有良好的吸水保水性能的多孔材料，可以將泡沫玻璃板作為保水材料固定在巖石基的斜坡上。這種板具有輕質(zhì)、保水性能優(yōu)良的特點(diǎn)，當(dāng)坡面因失水變干時(shí)，泡沫玻璃板中儲存的水分可繼續(xù)供給土壤和樹根。另外，由于這些泡沫玻璃板是交錯(cuò)拼接的，能有效地阻止水土流失。

4 泡沫玻璃的研究前景

目前，我國生產(chǎn)泡沫玻璃的技術(shù)工藝尚處于發(fā)展階段，還不夠成熟。在發(fā)展過程中，尤其要重視發(fā)揮泡沫玻璃優(yōu)良的環(huán)保節(jié)能和安全可靠等作用。泡沫玻璃的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)對固體廢棄物料的有效利用。例如可以利用廢棄的電視機(jī)屏幕等制作顯像管的玻璃來生產(chǎn)微晶泡沫玻璃，這一技術(shù)可以充分利用廢棄玻璃產(chǎn)品，值得推廣。

(2)在泡沫玻璃的生產(chǎn)工藝過程中，應(yīng)該在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下盡量采用“一步法”生產(chǎn)工藝，這樣可以簡化工藝，有效地節(jié)約成本。

(3)進(jìn)一步拓展泡沫玻璃的應(yīng)用領(lǐng)域，例如應(yīng)用于綠化保水材料、生物材料載體等領(lǐng)域。

(4)需要研究如何改進(jìn)工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)更加合理的工藝路線，以提高成品率。

(5)在制備新型微晶泡沫玻璃時(shí)，可以作為成核劑等加入。

(6)對使用工業(yè)廢渣生產(chǎn)泡沫玻璃還需進(jìn)一步加強(qiáng)試驗(yàn)研究，其方向是如何實(shí)現(xiàn)低溫發(fā)泡，為未來工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)減少燃料消耗、降低成本進(jìn)行探索。

5 結(jié)語

在可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保節(jié)能和環(huán)境友好的大背景下，新型的泡沫玻璃將以其保溫隔熱、吸聲、輕質(zhì)等特性，廣泛應(yīng)用于隔熱材料、保溫材料以及防火材料和建筑吸聲材料等領(lǐng)域，具有廣闊的市場發(fā)展空間。盡管目前國內(nèi)泡沫玻璃的發(fā)展還不夠成熟，但人們對泡沫玻璃的需求將會與日俱增?，F(xiàn)在迫切需要解決的問題是加強(qiáng)試驗(yàn)研究，做進(jìn)一步探索，改進(jìn)工藝參數(shù)，合理組織生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。對于廢棄玻璃的利用，在對其進(jìn)行充分利用的前提下也應(yīng)深入研究，進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝，以生產(chǎn)出性能優(yōu)良的泡沫玻璃產(chǎn)品，促進(jìn)泡沫玻璃的發(fā)展。

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