氧化鋁纖維增強(qiáng)泡沫玻璃

胡 東，李 坤，孫富興，陳俊律

(1.常州大學(xué) 功能材料實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213000； 2.江陰市晶瑞特環(huán)保材料有限公司，江蘇 江陰 213164)

氧化鋁纖維增強(qiáng)泡沫玻璃

胡 東1，李 坤1，孫富興2，陳俊律2

(1.常州大學(xué) 功能材料實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213000； 2.江陰市晶瑞特環(huán)保材料有限公司，江蘇 江陰 213164)

本文以廢玻璃粉為原料，CaCO3為發(fā)泡劑，氧化鋁纖維為增強(qiáng)劑，采用熔融發(fā)泡法制備泡沫玻璃。研究了發(fā)泡溫度、發(fā)泡劑含量、纖維含量等因素對(duì)泡沫玻璃性能的影響。采用材料試驗(yàn)機(jī)、SEM、阿基米德法分析測(cè)試手段，對(duì)泡沫玻璃氣泡結(jié)構(gòu)、體積密度、氣孔率以及抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了表征和分析。結(jié)果顯示：隨著氧化鋁纖維含量的增加，泡沫玻璃的強(qiáng)度提高，氣孔逐漸減小，均勻性變差。當(dāng)氧化鋁纖維含量為5%，發(fā)泡劑含量4%，燒結(jié)溫度為820℃時(shí)，樣品的平均抗壓強(qiáng)度為3.5MPa、抗折強(qiáng)度為1.6MPa、氣孔率為84%。

泡沫玻璃； 氧化鋁纖維； 廢玻璃粉

1 引 言

廢玻璃邊口鋒利，難以降解，占用土地，以填埋方式處理時(shí)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。將其發(fā)泡制備成泡沫玻璃，則變成一種輕質(zhì)無(wú)機(jī)保溫材料，取代現(xiàn)用的有機(jī)保溫材料便顯得尤為重要[1]。泡沫玻璃一般采用熔融發(fā)泡工藝，將廢玻璃、輔料、發(fā)泡劑、改性劑經(jīng)過(guò)細(xì)碎，粉磨、混合均勻裝入模具，在高溫爐中加熱到發(fā)泡溫度，混合料開(kāi)始熔融，形成一種粘彈性物質(zhì)，此時(shí)發(fā)泡劑發(fā)生反應(yīng)生成氣體，剛好被熔融的玻璃體所包裹，形成閉氣泡，保溫一段時(shí)間后，使其快速冷卻，讓熔融的玻璃體固化，則氣體被包裹在其中，形成了泡沫玻璃[2-5]。泡沫玻璃的力學(xué)強(qiáng)度低，限制了其應(yīng)用范圍和使用效果[6]，因此，改善泡沫玻璃的力學(xué)性能，提高泡沫玻璃的機(jī)械強(qiáng)度是泡沫玻璃推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。目前有效方法是纖維增強(qiáng)泡沫玻璃[7-11]。

其中氧化鋁纖維是高性能無(wú)機(jī)纖維的一種，它以Al2O3為主要成分，有的還含有其它金屬氧化物如SiO2和B2O3等成分，具有較高的強(qiáng)度及彈性模量，且在低溫?zé)Y(jié)下與泡沫玻璃有較好的化學(xué)相容性[12-13]。加入的氧化鋁纖維可阻止試樣中裂紋的擴(kuò)展，又可以提高試樣抗沖擊的能力。氧化鋁纖維對(duì)泡孔還有連接、支撐作用，分布在泡孔中的氧化鋁纖維還可以增強(qiáng)試樣的吸聲和抗沖擊波的能力。

本文以普通建筑用廢棄玻璃經(jīng)過(guò)破碎球磨成玻璃粉為主要原料，添加氧化鋁纖維和碳酸鈣等添加劑，采用粉末燒結(jié)法制備低密度、高強(qiáng)度泡沫玻璃。研究了氧化鋁纖維含量對(duì)泡沫玻璃氣孔率、吸水率、體積密度、泡沫結(jié)構(gòu)及性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 泡沫玻璃的制備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料 本實(shí)驗(yàn)所用的廢棄玻璃粉來(lái)自江蘇晶瑞特公司，發(fā)泡劑為分析純碳酸鈣，3～10mm長(zhǎng)度的氧化鋁纖維，5%PVA加氧化鋁粉配制成糊狀脫模劑。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 用廢棄的門(mén)窗玻璃作為原料，不同顏色的廢棄玻璃分類，除去含鉛的破碎燈具玻璃。所選原料的主要化學(xué)組成為：SiO270～72%、Na2O 10.8%、Al2O31.2%、CaO 7～7.2%、MgO 3.5～4%、K2O 0.8%。廢棄玻璃經(jīng)清洗后曬干，然后用破碎機(jī)粉碎成3mm以下的顆粒，并球磨至中位粒徑75μm左右，過(guò)200目不銹鋼篩網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)選取配料按質(zhì)量比：廢玻璃粉∶碳酸鈣粉∶氧化鋁纖維=85-98∶1-7∶1-8分別稱取所需原料，倒入不銹鋼容器混合均勻，備用。按照質(zhì)量比聚乙烯醇(PVA牌號(hào)1799)∶水∶氧化鋁=5∶70∶25配制脫模劑。將脫模劑用毛刷(或噴槍)均勻涂覆于模具表面后烘干。將上述混合的粉料均勻裝入模具中，于馬弗爐中以5℃/min的速率升溫至400～500℃，保溫30min，以除去混料吸附的微量水分和PVA等有機(jī)物，再以15℃/min的升溫速率升溫至800～880℃，保溫10～30min進(jìn)行發(fā)泡。燒結(jié)結(jié)束后將樣品隨爐緩慢冷卻至室溫。用金剛石鋸將發(fā)泡玻璃切割成所需形狀和尺寸或?qū)⑵淦扑槌伤璐笮〉膲K體產(chǎn)品。

2.2 泡沫玻璃的性能測(cè)試

用FA2104J液體靜力天平和浸液-比重瓶測(cè)定玻璃粉體的真密度和泡沫玻璃的吸水率、氣孔率、體積密度，利用BT-9300S激光粒度儀測(cè)得碳酸鈣粉和玻璃粉平均粒徑，酸堿滴定法測(cè)試泡沫玻璃的耐腐蝕性，用WDT-5微機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定樣品的抗壓和抗折強(qiáng)度，JSM6360LA掃描電鏡測(cè)試樣品的微觀結(jié)構(gòu)?？讖綔y(cè)試方法：將試樣加工成長(zhǎng)方體，在一個(gè)面上隨機(jī)劃一條直線，統(tǒng)計(jì)被直線穿過(guò)的氣泡數(shù)目，孔徑為直線長(zhǎng)度與孔徑數(shù)的比值(忽略孔壁厚度)。

3 結(jié)果與討論

圖1和圖2是利用激光粒度儀測(cè)得碳酸鈣粉和玻璃粉的粒徑分布圖，碳酸鈣粉和玻璃粉平均粒徑分別為D50=4.21μm和D50=10.96μm，玻璃粉粒徑比碳酸鈣粉粒徑大，但二者粒徑接近。利用粉體真密度測(cè)試的方法，測(cè)得玻璃粉的真密度為2.278 g/cm3。

圖1 碳酸鈣粉的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of calcium carbonate powder

圖2 玻璃粉的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of glass powder

圖3為未加氧化鋁纖維的泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度測(cè)試，如圖所示，發(fā)泡劑含量相同時(shí)，隨著發(fā)泡溫度的升高，泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度減小。這歸因于提高發(fā)泡溫度，泡沫玻璃孔徑變大，孔壁變薄，導(dǎo)致泡沫玻璃抗壓強(qiáng)度減小；發(fā)泡溫度相同時(shí)，隨著發(fā)泡劑含量的升高，氣孔數(shù)量增多，泡沫玻璃的孔壁變薄，泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度減小。發(fā)泡溫度810℃以下時(shí)，泡沫玻璃氣孔小，強(qiáng)度高，發(fā)泡未充分，830℃以上，發(fā)泡充分，但容易出現(xiàn)大氣孔，氣孔均勻性差；發(fā)泡劑含量過(guò)低，發(fā)泡效果差，含量高，發(fā)泡充分容易出現(xiàn)大氣孔，均勻性差。因此在820℃發(fā)泡劑含量為4%時(shí)發(fā)泡效果好，但抗壓強(qiáng)度只有1MPa，提高該條件下的泡沫玻璃強(qiáng)度很有必要。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇泡沫玻璃的發(fā)泡溫度為820℃發(fā)泡劑含量為4%，以此為基礎(chǔ)添加氧化鋁纖維。

圖3 燒結(jié)溫度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and sintering temperature

圖4中從左到右泡沫玻璃中氧化鋁含量分別為2%、3%、4%、5%、6%，隨著Al2O3纖維含量的增加，氣孔的均勻性在變差，且氣孔逐漸變小，氣孔壁變厚。

圖4 含Al2O3纖維樣品Fig.4 Samples containing Al2O3 fiber

由圖5曲線可以看出，在Al2O3纖維含量為1%～3%時(shí)，總氣孔率變化不是很明顯，當(dāng)Al2O3纖維含量繼續(xù)增加時(shí)，總氣孔率下降幅度變大，這時(shí)因?yàn)槔w維會(huì)增加泡沫玻璃表面的壓應(yīng)力，發(fā)泡劑分解氣體的內(nèi)壓力不能突破束縛，使氣泡難以長(zhǎng)大，從而會(huì)使氣孔率下降。同理，氣孔無(wú)法長(zhǎng)大，就不易擠破泡壁，那么所形成的連通孔就會(huì)減小，從而造成顯氣孔率呈顯下降的趨勢(shì)。圖中顯氣孔下降的趨勢(shì)出現(xiàn)波動(dòng)，主要是測(cè)量的時(shí)候樣品體積小，氣孔不均勻，大氣孔的存在導(dǎo)致泡沫玻璃保水能力下降，顯氣孔率應(yīng)該小的地方反而變大。

圖5 Al2O3纖維含量與氣孔率的關(guān)系Fig.5 Relationship between Al2O3 fiber content and porosity

由圖6曲線可以看出，體積密度隨著Al2O3纖維含量的增加而呈增大的趨勢(shì)。在含量為1%～3%時(shí)，體積密度增長(zhǎng)的較為緩慢，因?yàn)楫?dāng)Al2O3纖維比較少時(shí)，對(duì)泡沫玻璃結(jié)構(gòu)的影響比較小，與之相對(duì)應(yīng)的孔徑變化幅度也不大。當(dāng)含量再繼續(xù)增加時(shí)，體積密度呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，這時(shí)因?yàn)楫?dāng)含量繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)提高配合料基體的軟化溫度，在發(fā)泡溫度不變的情況下，基體的粘度增加，導(dǎo)致氣孔不易長(zhǎng)大且發(fā)泡不充分，小氣孔難以相互擠破形成大氣孔，此時(shí)的孔徑也就較小了。

圖6 體積密度、孔徑與Al2O3纖維含量的關(guān)系Fig.6 Relationship of bulk density, pore size and Al2O3fiber content

泡沫玻璃的吸水率主要靠它存在的顯氣孔。由圖7曲線可以看出在Al2O3纖維含量為1%～3%時(shí)，樣品的吸水率較高，且變化幅度不是很大，這時(shí)因?yàn)楹可俚腁l2O3纖維對(duì)泡沫玻璃的結(jié)構(gòu)影響比較小。當(dāng)Al2O3纖維含量開(kāi)始增加時(shí)，小氣孔難以擠破形成閉氣孔，連通孔也就隨之減少，所以吸水率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

由圖8可以看出在Al2O3纖維含量為1%～3%之間時(shí)，抗壓強(qiáng)度比較小，含量增大時(shí)，抗壓強(qiáng)度大幅度增大，這時(shí)因?yàn)楫?dāng)纖維含量增大時(shí)，氣孔漸漸變小致密，再者纖維在泡壁上分布，會(huì)使泡壁的厚度增加，這樣纖維會(huì)在一定程度上削弱基體的壓力，阻礙微裂紋在泡壁上伸展，這樣就起到增強(qiáng)的作用。從抗壓強(qiáng)度、孔徑、氣孔均勻性等因素考慮，當(dāng)纖維含量為5%，所制得的產(chǎn)品效果較好，氣孔均勻，抗壓強(qiáng)度比同等條件下不加纖維的樣品提高了3倍。

圖7 Al2O3纖維含量與吸水率的關(guān)系Fig.7 Relationship between Al2O3 fiber content and water absorption

圖8 Al2O3纖維含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between compressive strength and Al2O3 fiber content

表1數(shù)據(jù)是通過(guò)試樣浸泡在100mL 0.1mol·L-1的稀鹽酸溶液中，利用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定，來(lái)測(cè)試其耐腐蝕性。因泡沫玻璃和Al2O3纖維本身的耐腐蝕性、耐酸性好，二者融合后，耐腐蝕性能不會(huì)受其影響。

表1 不同Al2O3纖維含量試樣的耐腐蝕性

圖9(a)、(b)可以看出氧化鋁纖維的直徑在6μm左右，纖維無(wú)裂紋和孔洞產(chǎn)生, 因此纖維的韌性和強(qiáng)度高。圖9(c)、(d)是含量為5%的Al2O3纖維泡沫玻璃SEM圖片，可以看出短纖維與基體結(jié)合大部分是貼著基體，有極少量的纖維暴露于孔中，經(jīng)過(guò)大面積尋找，也發(fā)現(xiàn)了個(gè)別纖維未進(jìn)入玻璃熔體。 從發(fā)泡孔徑來(lái)看，氣孔大小不一，有很多微孔，平均孔徑略小于相同條件下制備的不含Al2O3纖維的泡沫玻璃。可以解釋為Al2O3纖維使泡沫玻璃的流動(dòng)性變差，發(fā)泡時(shí)氣孔不易長(zhǎng)大，也導(dǎo)致形成了很多的微孔，包埋于孔壁上的短纖維使泡沫玻璃的強(qiáng)度顯著提高。

4 結(jié) 論

在生產(chǎn)泡沫玻璃過(guò)程中加入適量的氧化鋁短纖維可以大幅度提高材料的抗壓強(qiáng)度，減少材料在使用過(guò)程中的破碎率，不影響泡沫玻玻璃耐腐蝕性。其規(guī)律為：1.當(dāng)氧化鋁纖維含量小于4%時(shí)，對(duì)于發(fā)泡劑含量少于2%、且發(fā)泡溫度低于800℃制備的閉孔泡沫玻璃，氧化鋁纖維的增韌效果并不是很大；2.當(dāng)氧化鋁纖維含量為5%時(shí)，發(fā)泡劑含量4%，燒結(jié)溫度為820℃時(shí)，泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度3.5MPa、抗折強(qiáng)度1.6MPa、氣孔率84%，其抗壓強(qiáng)度比相同條件下制備的未加氧化鋁纖維泡沫玻璃提高3倍?？讖讲痪吐?lián)通孔的增加有利于該材料在土壤改良、緩釋肥制造方面的應(yīng)用。

圖9 氧化鋁纖維和增強(qiáng)泡沫玻璃SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM micrographs of alumina fibers and enhanced foam glass

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Foam Glass Reinforced by Alumina Fiber

HU Dong1， LI Kun1， SUN Fuxing2， CHEN Junlü2

(1.Functional Material Laboratory, Changzhou University, Changzhou 213000, China; 2.China Jiangsu Jingruite Protection New Materials Co.Ltd., Jiangyin 213164, China)

Using waste glass power as raw material, CaCO3as foaming agent, alumina fibers as reinforcing element, the foam glass was fabricated via a melting-foaming method. The effects of foaming temperature, additive amount of foaming agent and fiber content on the properties of foam glass were investigated. The porous structure, density, porosity and compressive strength of the foam glass were characterized by scanning electron microscope, Archimedes method and materials testing machine. The results show that the compressive strength enhanced with increasing the alumina fiber content, but the porosity decreased and the uniformity deteriorated. When the samples with 5wt% of alumina fibers and 4wt% of CaCO3were sintered at 820℃, the compressive strength, the bending strength and the porosity of foam glass were found to be 3.5MPa, 1.6MPa and 84%, respectively.

foam glass； alumina fiber； waste glass powder

1673-2812(2017)01-0114-05

2015-09-10；

2016-01-08

胡 東(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)材料。E-mail:hu1193935029@163.com。

李 坤(1963-)，教授，主要研究壓電、鐵電、熱釋電材料與器件。E-mail: lk@cczu.edu.cn。

TQ 171. 72

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.023