泡沫玻璃的研究綜述

羅維志

泡沫玻璃是一種利用廢玻璃生產(chǎn)出來(lái)的材料，是多孔玻璃的一種，其內(nèi)部充滿了氣孔。這些氣孔均勻地分布在材料之中，約占體積的75%～95%，是均勻的氣相和固相體系。泡沫玻璃因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，造就了其優(yōu)異的物理性能，具有無(wú)機(jī)材料良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，能夠使泡沫玻璃耐受?chē)?yán)苛的化學(xué)環(huán)境。泡沫玻璃具備耐紫外線及熱輻射性，并且在高溫環(huán)境下不分解，低溫環(huán)境下不變質(zhì)、不氧化、不燃燒，具有優(yōu)異的防火性能，是理想的建筑保溫材料。閉孔泡沫玻璃的透濕性和吸水性都非常小，在低溫環(huán)境下，不會(huì)因吸水結(jié)冰造成體積膨脹而導(dǎo)致材料本身破壞和性能降低。閉孔泡沫玻璃還具有導(dǎo)熱系數(shù)小、抗凍性強(qiáng)、容重小等優(yōu)異性能，具備了墻體保溫材料所需的物理及化學(xué)要求[1-2]。

1 泡沫玻璃的分類(lèi)、性能與用途

1.1 泡沫玻璃的分類(lèi)

目前公認(rèn)的泡沫玻璃分類(lèi)方法主要有以下幾種：按顏色可分為黑色泡沫玻璃、白色泡沫玻璃和彩色泡沫玻璃，泡沫玻璃的顏色主要來(lái)自于發(fā)泡劑和基礎(chǔ)玻璃的顏色；按氣泡形態(tài)可分為閉孔泡沫玻璃和開(kāi)孔泡沫玻璃，氣泡是否連通也直接決定了泡沫玻璃一些物理性能和用途的不同；按發(fā)泡溫度可分為低溫發(fā)泡泡沫玻璃和高溫發(fā)泡泡沫玻璃；按用途可分為隔熱泡沫玻璃、吸聲泡沫玻璃、屏蔽泡沫玻璃和清潔泡沫玻璃等；按原料來(lái)分可分為鈉鈣硅泡沫玻璃、硼硅酸鹽泡沫玻璃等。

1.2 泡沫玻璃的性能

由于泡沫玻璃具有較高的氣孔率，因此它的性質(zhì)與普通玻璃有很大差異，具有容重小、導(dǎo)熱系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)良的物理性能以及保溫隔熱、吸聲保水、防火防潮等性能。作為新型的隔熱保溫材料之一，泡沫玻璃憑借其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性在建筑工程領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的位置。另外，泡沫玻璃的膨脹收縮率較小，與水泥的膨脹收縮率相近，與無(wú)機(jī)材料結(jié)合牢固，使其成為合適的水泥建筑物的保溫和防水材料之一。

泡沫玻璃最重要的一項(xiàng)參數(shù)就是氣孔的大小及其數(shù)量，性能優(yōu)異的泡沫玻璃的氣孔應(yīng)該是大小均一，直徑在0.1～5 mm，用肉眼看得見(jiàn)的氣孔大致具有相同的大小，分割氣孔的壁也含有大量的微小氣孔，一般來(lái)說(shuō)，含有50%以上真氣孔率的多孔玻璃就可稱(chēng)為泡沫玻璃。實(shí)驗(yàn)室和工廠制得的泡沫玻璃其真氣孔率一般在80%以上，耐壓強(qiáng)度范圍為0.8～15 MPa。

1.3 泡沫玻璃的用途

1)用作保溫材料。閉孔型泡沫玻璃具有防火、拒水、耐腐蝕、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可適用于建筑屋面、外墻、地下室保溫隔熱。

中國(guó)目前應(yīng)用廣泛的保溫材料主要有巖棉板、聚苯乙烯板、膨脹蛭石和泡沫塑料。盡管這些材料也具備較好的保溫性能，但是也存在很多問(wèn)題。比如：巖棉吸水后，其導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)急劇增大，并且吸水后的巖棉中的水分長(zhǎng)時(shí)間不易蒸發(fā)，對(duì)保溫隔熱作用極其不利；泡沫塑料大都具有較高的膨脹系數(shù)，不具備較好的尺寸穩(wěn)定性，很容易因?yàn)闊崦浝淇s而開(kāi)裂，并且有機(jī)材料還存在老化和失效的問(wèn)題。泡沫玻璃和其他保溫材料的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 泡沫玻璃和其他保溫材料的性能表

2)用作吸聲材料。吸聲泡沫玻璃要滿足吸聲性能的要求，就必須提高開(kāi)口氣孔率和連通孔率，二者之和一般占總孔的40%～60%。在應(yīng)用上，吸聲泡沫玻璃不必像保溫泡沫玻璃那樣具有較高的強(qiáng)度。吸聲泡沫玻璃既可應(yīng)用在公共場(chǎng)所室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中，控制室內(nèi)聲音混響時(shí)間，也可以應(yīng)用在在惡劣的環(huán)境中，比如游泳館、地鐵、道路聲屏障等。

3)其他方面的應(yīng)用。泡沫玻璃還被用作輕質(zhì)填充材料和輕質(zhì)混凝土骨料中，既是因?yàn)槠浔?、高?qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性好，還因?yàn)槠渑c其他無(wú)機(jī)材料例如水泥有很好的相容性，可節(jié)省大量的礦產(chǎn)資源。泡沫玻璃因其具有輕質(zhì)、保水性能優(yōu)良等特點(diǎn)，近年來(lái)，泡沫玻璃用作綠化用保水材料也常見(jiàn)諸報(bào)端。用泡沫玻璃作為保水材料固定在斜坡上，在坡面因失水變干時(shí)可以繼續(xù)使用泡沫玻璃內(nèi)部的水分繼續(xù)供給土壤和樹(shù)根，還能有效防止水土流失。據(jù)報(bào)道，青藏鐵路沿線的所有護(hù)坡、路基的防建工程都是利用碎玻璃生產(chǎn)出的泡沫玻璃，這樣在建設(shè)的同時(shí)又能有效減少對(duì)環(huán)境的污染[3-4]。

2 泡沫玻璃發(fā)泡劑與添加劑的選擇

2.1 發(fā)泡機(jī)理及泡孔大小的影響因素

制備泡沫玻璃常用的發(fā)泡劑可以分為兩類(lèi)：氧化還原型發(fā)泡劑和熱分解型發(fā)泡劑。常用的氧化還原型發(fā)泡劑主要有碳酸鹽、炭黑、碳化硅和硫化物。以炭黑為例，其發(fā)泡是通過(guò)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，奪取玻璃原料中的氧，生成CO、CO2，反應(yīng)式為：

C+O2=CO2↑

(1)

yC+MXOY=yCO↑+xM

(2)

高溫分解型發(fā)泡劑主要有碳酸鹽、硫酸鹽、有機(jī)物、氫氧化鈉、硝酸鹽和雙氧水。以碳酸鈣為例，碳酸鈣分解產(chǎn)生CO2，反應(yīng)式為：

CaCO3+SiO2=CO2↑+CaSiO3

(1)

CaCO3=CaO+CO2↑

(2)

對(duì)泡孔大小的控制，一般采用三種方法：一種是控制發(fā)泡劑的粒度和用量，發(fā)泡劑粒度的大小和泡沫玻璃的泡徑成正比關(guān)系，所以發(fā)泡劑一定要粒度均一，粒徑越小越好；二是通過(guò)加入穩(wěn)泡劑和助溶劑，降低玻璃原料熔化溫度，降低燒結(jié)溫度，提高熔體黏度和控制泡孔大小、形狀和分布；三是通過(guò)控制燒成溫度和保溫時(shí)間，合理的溫度制度會(huì)使發(fā)泡劑完全反應(yīng)但是又不會(huì)使玻璃熔體粘度過(guò)低導(dǎo)致氣泡聚結(jié)成大泡[5]。

2.2 添加劑的作用與選擇

為了提高泡沫玻璃的物理和化學(xué)性能，降低燒成溫度，拓寬燒成溫度范圍，降低對(duì)能源與生產(chǎn)條件的要求，提高企業(yè)效益，泡沫玻璃中需要加入一些添加劑。所用的添加劑一般可分為粘結(jié)劑、助熔劑、穩(wěn)泡劑和其他輔助添加劑[6-7]。

1)粘結(jié)劑。粘結(jié)劑可提高物料間的結(jié)合強(qiáng)度，減少因顆粒間結(jié)合不緊密產(chǎn)生的間隙。在泡沫玻璃的發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡劑的分解溫度一般低于原料的融化溫度，若坯體中存在大量間隙，發(fā)泡劑生成的氣體會(huì)大量溢出，導(dǎo)致發(fā)氣量不足，致使坯體氣孔率降低。另外，間隙的存在還會(huì)導(dǎo)致坯體傳熱不均勻，影響發(fā)泡質(zhì)量。

2)助熔劑。常用的助溶劑為堿金屬氧化物、堿金屬鹽、堿土金屬鹽等。當(dāng)發(fā)泡劑反應(yīng)放出大量氣體時(shí)，配合料只有已經(jīng)軟化成玻璃相包裹住生成的氣體時(shí)，才能獲得泡孔均一、質(zhì)量較好的泡沫玻璃。因此，為了獲得低密度、泡徑均一的泡沫玻璃，必須加入相應(yīng)的助溶劑來(lái)改變玻璃顆粒的表面性質(zhì)，降低玻璃的粘度和軟化溫度，使玻璃易于熔融。以堿金屬氧化物作用為例，玻璃的微觀結(jié)構(gòu)是大小不同的硅氧四面體群，群間有較大的孔隙(自由體積)，可容納半徑較小的粒子穿插移動(dòng)。在高溫時(shí)，自由體積比較大，堿金屬離子能在空隙中自由移動(dòng)，使得陽(yáng)離子極化變形，共價(jià)鍵成分增加而減弱硅氧鍵的作用，降低熔體黏度；溫度降低時(shí)，自由體積變小，四面體群的移動(dòng)受阻，且小型四面體群聚合成大型四面體群，網(wǎng)絡(luò)鍵鏈接程度變大，同時(shí)堿金屬粒子的遷移能力降低，按一定的配位關(guān)系處于某些四面體中，引起局部不均，從而降低了玻璃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3)穩(wěn)泡劑。為了使泡沫玻璃的氣孔均勻，防止小氣泡團(tuán)聚形成大氣泡，有以下兩種方法：一是降低熔體表面張力，使壓力差降低，使得氣泡移動(dòng)缺少動(dòng)力；二是增大玻璃熔體的粘度，減少熔體的流動(dòng)性，增大氣泡移動(dòng)時(shí)的阻力，有效避免小氣泡移動(dòng)形成大氣泡和小氣泡破裂形成連通孔。常用的穩(wěn)泡劑有磷酸鹽、硼酸鹽等。以硼酸為例，硼酸加熱會(huì)分解生成B2O3，B是網(wǎng)絡(luò)形成離子，形成的 [BO4]四面體可以起到修補(bǔ)[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)的作用，使小四面體群連接成大四面體群，提高熔體的聚合度，進(jìn)而提高熔體的粘度，延緩氣泡壁變薄，從而達(dá)到穩(wěn)定氣泡的作用。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)30年代，法國(guó)的Saint-Gobain開(kāi)始研制以碳酸鈣為發(fā)泡劑的泡沫玻璃，并申請(qǐng)了第一個(gè)關(guān)于泡沫玻璃的專(zhuān)利。與此同時(shí)，蘇聯(lián)也研制了泡沫玻璃，于1939年在門(mén)捷列夫化工學(xué)院中間試驗(yàn)廠生產(chǎn)。美國(guó)是研制和生產(chǎn)泡沫玻璃較早的國(guó)家，也是泡沫玻璃生產(chǎn)量最大的國(guó)家，其中康寧公司建立了世界上最大的泡沫玻璃生產(chǎn)廠[8]。近來(lái)，日本開(kāi)發(fā)出火山灰-粘土-水玻璃和玻璃粉-火山灰-水玻璃系的泡沫玻璃，在這些系統(tǒng)中，水玻璃作為發(fā)泡劑，可制得氣泡分布均勻的泡沫玻璃，抗折強(qiáng)度高達(dá)2.2 MPa。近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、石油化工及地下工程的發(fā)展，我國(guó)每年大約需要4×105m3的泡沫玻璃。廣大的市場(chǎng)前景和各國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保材料領(lǐng)域的研發(fā)支持，促使很多科研人員加大了對(duì)泡沫玻璃的研發(fā)興趣。

對(duì)泡沫玻璃的研發(fā)主要集中在發(fā)泡劑和添加劑種類(lèi)的研發(fā)上。制備泡沫玻璃的原料成分范圍較寬，可用各種可以形成玻璃相的廢平板玻璃、火山灰、粉煤灰等做原料。但是發(fā)泡劑由于發(fā)泡溫度和機(jī)理的不同，在不同的發(fā)泡溫度下需要采用不同的發(fā)泡劑和添加劑。但是在研發(fā)的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到以下技術(shù)難點(diǎn)：

1)工業(yè)廢料或者是礦山廢渣的成分較為復(fù)雜，難以用一套簡(jiǎn)單明了的制備工藝和溫度制度生產(chǎn)出合格的泡沫玻璃。

2)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分的泡沫玻璃存在抗壓強(qiáng)度低、抗熱沖擊性差等缺點(diǎn)，我國(guó)泡沫玻璃的強(qiáng)化技術(shù)仍處于初級(jí)階段, 目前對(duì)工藝特點(diǎn)和深入的機(jī)理分析仍然有限,且得到的強(qiáng)化效果也有限。

3)外摻劑的種類(lèi)和用量對(duì)發(fā)泡溫度范圍、泡孔大小、制品強(qiáng)度等都有很大影響。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中，能耗高、粉塵大、生產(chǎn)效率較低的問(wèn)題困擾著眾多中小企業(yè)。

圍繞這些問(wèn)題，近年來(lái)已有相關(guān)工作人員進(jìn)行研究并且取得了一定的進(jìn)展。徐博等[9]研究了Fe2O3對(duì)CaO-Al2O3-SiO2系泡沫微晶玻璃析晶和發(fā)泡的影響。石墨發(fā)泡劑與Fe3+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，降低了鐵對(duì)假硅灰石晶相析晶的促進(jìn)作用，同時(shí)發(fā)泡還使得玻璃體的表面積增大，有利于硅灰石晶相的析出；通過(guò)引入適量的Fe2O3，可使石墨發(fā)泡劑充分反應(yīng)，獲得孔隙率高的泡沫微晶玻璃。于喬等[10]研究了制備泡沫玻璃的典型工藝流程,從熱學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)等方面討論了泡沫玻璃的性能及其應(yīng)用,同時(shí)介紹了各種環(huán)境污染嚴(yán)重的固體廢棄物在泡沫玻璃中的應(yīng)用,在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間。郭聲波等[11]討論了泡沫玻璃外墻外保溫體系，在保存了 EPS 法和聚苯顆粒法所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，克服了其全部缺點(diǎn)。泡沫玻璃應(yīng)用于外墻外保溫有著其他材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。泡沫玻璃在建筑保溫領(lǐng)域市場(chǎng)份額較低的主要是原因是成本問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)，探索泡沫玻璃生產(chǎn)的新工藝、新配方、新設(shè)備，加大宣傳力度，為提高生產(chǎn)規(guī)模、降低生產(chǎn)成本創(chuàng)造條件，從而形成一個(gè)生產(chǎn)規(guī)模大→成本低→使用單位多→需要量大的良性循環(huán)[12-13]。

4 泡沫玻璃的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向

泡沫玻璃作為一種國(guó)家大力提倡的環(huán)保新材料，既可以有效的利用廢玻璃、火山灰、粉煤灰等工業(yè)廢料，又有很大的工業(yè)用途。但是泡沫玻璃的推廣應(yīng)用方面還存在以下問(wèn)題：

1)泡沫玻璃的生產(chǎn)成本較高。這也是泡沫玻璃在墻體保溫中尚未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的直接原因。

2)沒(méi)有專(zhuān)業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)廠家。泡沫玻璃的生產(chǎn)方法很多，生產(chǎn)工藝也各不相同，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)量很高的生產(chǎn)廠家，沒(méi)有形成專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。

3)泡沫玻璃盡管原料成分范圍較寬，理論上能形成玻璃相的都可用于泡沫玻璃的生產(chǎn)，但是目前看來(lái)主要原料還是廢玻璃，無(wú)法大規(guī)模使用低質(zhì)、價(jià)廉、資源豐富的原材料來(lái)生產(chǎn)泡沫玻璃。

4)泡沫玻璃目前只是用在了一些附加值較低的領(lǐng)域上，沒(méi)有應(yīng)用在一些高精尖領(lǐng)域上，這也直接導(dǎo)致了泡沫玻璃的附價(jià)值較低。

為了解決上述問(wèn)題，很多國(guó)內(nèi)科研人員和專(zhuān)家經(jīng)過(guò)刻苦攻關(guān)，也取到了一些成果。大部分關(guān)于泡沫玻璃的研究主要是圍繞以下幾個(gè)方面：

1)發(fā)泡劑。發(fā)泡劑對(duì)于泡沫玻璃的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。泡沫玻璃的原料成分范圍很寬，選用何種發(fā)泡劑或者是發(fā)泡劑組合可有效使用不同的廢玻璃和其他原料生產(chǎn)出高強(qiáng)度的泡沫玻璃是現(xiàn)在研究的主要方向。

2)添加劑。不同的原料成分有著不一樣的物理化學(xué)性質(zhì)。在泡沫玻璃中，添加劑的作用就是拓寬有效發(fā)泡溫度、增強(qiáng)泡沫玻璃強(qiáng)度、控制發(fā)泡大小及避免形成通孔或聚結(jié)成大泡。

3)泡沫玻璃的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在對(duì)泡沫玻璃的利用還不是很廣泛，泡沫玻璃主要用在墻體保溫和吸聲材料上，并且普及程度很低。只有加大研發(fā)投入，不斷擴(kuò)寬原料成分范圍，降低生產(chǎn)能耗，加大推廣宣傳，才能使這種新型環(huán)保材料受到工業(yè)企業(yè)和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商的青睞。

4)生產(chǎn)工藝。現(xiàn)在泡沫玻璃制法主要有兩種，即“一步法”和“兩步法”?！耙徊椒ā笔菍⑴浜狭涎b入模具中進(jìn)行發(fā)泡和退火，這種方法會(huì)占用大量的模具，并且?guī)Ｍ嘶鸩焕诿鞒善仿?，容易出現(xiàn)毛坯開(kāi)裂?！皟刹椒ā笔菍⑴菽ＡУ呐浜狭显谀＞咧邪l(fā)泡，然后在發(fā)泡窯內(nèi)將模具脫除，將脫模后的毛坯放入退火窯中進(jìn)行退火。其優(yōu)點(diǎn)是可以及時(shí)觀察發(fā)泡情況，及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)泡溫度制度，靈活生產(chǎn)出不同的泡沫玻璃，減少模具的投入量。但是“兩步法”在脫模時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力，浪費(fèi)能源。只有不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，才可以使之降低單位產(chǎn)品能耗，充分利用廢棄物，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[14-16]。

泡沫玻璃具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，盡管目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)還不夠成熟穩(wěn)定，應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣闊，但是對(duì)泡沫玻璃的需要將會(huì)與日俱增，一定會(huì)有越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和研究人員對(duì)其進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)利用，持續(xù)優(yōu)化技術(shù)生產(chǎn)工藝，不斷開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的泡沫玻璃，滿足未來(lái)社會(huì)綠色、低碳的發(fā)展需求。