燒結(jié)工藝對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)的影響

燒結(jié)工藝對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)的影響吳真先;朱紹峰;李萍;解文杰【摘要】以無堿玻璃粉為主要原料,SiC為發(fā)泡劑，采用粉末燒結(jié)法制備了保溫泡沫玻璃。采用XRD、SEM等分析測試手段,研究了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對泡沫玻璃氣泡結(jié)構(gòu)、表觀密度、氣孔率以及抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,隨著燒結(jié)溫度的提高和保溫時(shí)間的延長,泡沫玻璃的表觀密度呈下降趨勢,平均孔徑會逐漸增大,以致產(chǎn)生連通孔現(xiàn)象。當(dāng)燒結(jié)溫度為940乜保溫時(shí)間為30min時(shí)制得的泡沫玻璃表觀密度為0.46g/cm3,抗壓強(qiáng)度達(dá)3.81MPa,吸水率為0.41%,孔徑為1~3mm的氣泡占80%以上。％Inthispaper,foamglassasthermalinsulationmaterialwaspreparedfromalkali-freeglasspowderbypowder-sinteringmethod,theSiCasfoamingagentwithintheprocess.Theinfluencesofsinteringtemperatureandholdingtimeonporestructure,apparentdensity,porosityandcompressionstrengthwerestudiedbyscan-ningelectronmicroscopeandX-raydiffraction.Theresultsshowthat,withupgradingthesinteringtempera-tureandholdingtime,apparentdensityoffoamglassdeclined,averageporesizegraduallyincreasingandatthesametimeconnectingporeappear.Undertheconditionsofsinteringtemperatureof940°Candholdingtimeof30min,theproductiswithapparentdensity0.46g/cm3,compressionstrength3.81MPa,waterabsorption0.41%andtheporesofthebubblesizeof1-3mmmorethan80%.【期刊名稱】《功能材料》年(卷),期】2014(000)002【總頁數(shù)】5頁（P2114-21⑻【關(guān)鍵詞】無堿玻璃粉;泡沫玻璃;孔結(jié)構(gòu);燒結(jié)工藝【作者】吳真先;朱紹峰;李萍;解文杰【作者單位】安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230022;安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230022;建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，合肥230022;安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合肥230022;安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230022【正文語種】中文【中圖分類】TB3211引言泡沫玻璃是由許多球狀密封的或相互連接的微孔結(jié)構(gòu)組成。其表面呈結(jié)晶狀，內(nèi)部充滿無數(shù)微小氣孔，也就是均勻的氣相和固相體系［1］。由于其玻璃基質(zhì)和多孔泡沫狀，泡沫玻璃具有隔熱性能好，表觀密度小，不燃燒等優(yōu)良的物理和化學(xué)性能是各種設(shè)備、管道、建筑物的優(yōu)良保溫隔熱材料和吸聲材料。泡沫玻璃的制備方法很多，主要有粉末燒結(jié)法、微波法、分相法、化學(xué)沉積法、氣凝膠法、凝膠注模法、以及復(fù)合法等。粉末燒結(jié)法作為制造泡沫玻璃的最早方法，其工藝過程可操控性強(qiáng)，成品率高，便于批量生產(chǎn)。目前國內(nèi)外工程應(yīng)用領(lǐng)域的泡沫玻璃均以此法生產(chǎn)。在燒結(jié)工藝方面許多研究者進(jìn)行了探討。Yi-ChongLiao等［2］利用水庫泥沙制備了泡沫玻璃，研究了發(fā)泡溫度對氣泡結(jié)構(gòu)的影響。H.R.Fernandes等［3］研究了燒結(jié)溫度對粉煤灰泡沫玻璃表觀密度、微觀形貌以及晶相的影響。Jones等［4］研究了燒成溫度對生物骨組織泡沫玻璃強(qiáng)度的影響。連匯匯等［5］以廢陰極射線管屏玻璃為主要原料，采用粉末燒結(jié)法制備了低密度保溫泡沫玻璃，研究了發(fā)泡溫度和發(fā)泡時(shí)間對泡沫玻璃孔徑、密度、熱學(xué)性能以及機(jī)械力學(xué)性能的影響。張淑會等［6］研究了發(fā)泡溫度和燒結(jié)溫度對鐵尾礦泡沫玻璃孔徑、密度和抗壓強(qiáng)度的影響。本實(shí)驗(yàn)以無堿玻璃粉為主要原料，采用粉末燒結(jié)法制備低密度保溫泡沫玻璃，研究了燒結(jié)工藝對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)的影響。2實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)所采用的基礎(chǔ)原料為無堿玻璃粉，其實(shí)測的玻璃液成分如表1所示。添加3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Sic作發(fā)泡劑，2.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的H3BO3作穩(wěn)泡劑，2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Sb203和20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Na2CO3作助熔劑。輔助添加劑均為分析純試劑。表1玻璃粉的成分Table1Compositionoftheglasspowder成分SiO2Al203Fe203Ti02CaOMgONa20K20B203S03含量/（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）53.7814.140.260.2723.260.210.480.127.170.05稱取一定量的無堿玻璃粉和輔助添加劑過200目篩，然后放入行星式球磨機(jī)中混合4小時(shí)，裝入耐熱鋼制模具（11cmx5cmx5cm）中，用液壓機(jī)將配合料壓實(shí)，最后放入高溫?zé)Y(jié)爐中。將樣品切割成邊長2cm的正方體，用電子分析天平稱重，計(jì)算得到泡沫玻璃的表觀密度。泡沫玻璃磨成粉末，用李氏瓶測出粉末的密度，經(jīng)計(jì)算得出其氣孔率。在試樣切面上隨機(jī)劃4條3cm的直線，用游標(biāo)卡尺測得其長度，統(tǒng)計(jì)被直線穿過的氣泡數(shù)目，計(jì)算樣品的平均孔徑。將試樣放入去離子水中浸泡2h后，排去其表面吸附的水，計(jì)算試樣的吸水率。采用JSM-6490/LV型掃描電子顯微鏡，觀察試樣截?cái)嗝娴臍馀菪蚊病Ｓ肈8ADVANCE型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相分析。用RG2000-20A型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試試樣的抗壓強(qiáng)度。3結(jié)果與討論燒結(jié)溫度對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響表面形貌圖1為樣品宏觀形貌照片，隨著燒結(jié)溫度的提高，試樣呈現(xiàn)孔徑逐漸增大，氣泡泡壁逐漸變薄的趨勢。但當(dāng)燒結(jié)溫度到一定值后，氣泡開始變得雜亂無章，通孔現(xiàn)象也逐漸增加。如果燒結(jié)溫度過高，氣體生成過于劇烈，熔體黏度小，試樣內(nèi)部將發(fā)生凹陷形成裂縫、塌心，實(shí)驗(yàn)中燒結(jié)溫度為980和1050工樣品都出現(xiàn)了這種缺陷。原因是當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，發(fā)泡后的試樣中氣孔率較低［7］，泡壁會較厚；隨著燒結(jié)溫度的提高，發(fā)泡后的試樣中氣孔率增加，產(chǎn)生大量氣泡，泡壁變??；當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí)，產(chǎn)生的氣體量進(jìn)一步增多，且氣泡內(nèi)部氣體的壓力增大，氣泡不停的膨脹長大，氣泡泡壁薄的地方，在氣體壓力的作用下破裂，而后與相鄰氣泡連通，另一方面，隨著氣體的增多上升，大氣泡將會“吞并”小氣泡，造成連通孔的形成。圖1不同燒結(jié)溫度泡沫玻璃樣品表面形貌圖Fig1Surfacemorphologyofthesamplewithdifferentsinteringtemperature平均孔徑平均孔徑是反映泡沫玻璃氣泡大小和質(zhì)量的重要參數(shù)。圖2顯示當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸提高時(shí)，樣品的平均孔徑隨之逐漸增大。由于質(zhì)量較好的泡沫玻璃制品孔徑一般在1~3mm,而當(dāng)燒結(jié)溫度為980°C時(shí)，樣品的平均孑L徑近1cm，且以連通孔為主。所以可以看出燒結(jié)溫度應(yīng)當(dāng)不高于950C,因此認(rèn)為940C是較理想的燒結(jié)溫度。圖2平均孔徑與燒結(jié)溫度的關(guān)系Fig2TherelationshipbetweenAverageporesizeandsinteringtemperature表觀密度和氣孔率由圖3可知，隨著發(fā)泡溫度的升高泡沫玻璃密度是先逐漸減小最終趨于平穩(wěn)，原因是隨著發(fā)泡溫度的升高，玻璃的粘度會越小，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體越容易膨脹，從而產(chǎn)生的氣泡會越大，泡壁越薄，從而密度會減小，但當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，起泡劑會完全反應(yīng)，此時(shí)泡沫玻璃的發(fā)泡情況將不會再隨溫度的升高而發(fā)生變化，故密度也會趨于平穩(wěn)。圖3表觀密度、氣孔率和燒結(jié)溫度的關(guān)系Fig3Therelationshipduringapparentdensity，porosityandsinteringtemperature抗壓強(qiáng)度燒結(jié)溫度對試樣抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。圖4燒結(jié)溫度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig4Therelationshipbetweencompressionstrengthandsinteringtemperature由圖4可知，隨著燒結(jié)溫度的提高，材料的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。930工時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度最高，低于930工，配合料顆粒之間還未充分黏連，局部熔融不均勻，導(dǎo)致材料受應(yīng)力作用時(shí)易在這些區(qū)域發(fā)生斷裂，因此試樣的抗壓強(qiáng)度受到一定的影響。但燒結(jié)溫度過高，會導(dǎo)致液相粘度過低，試樣中形成過多的通孔和大孔，其抗壓強(qiáng)度隨之急劇下降?？讖椒植纪ㄟ^圖5可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，1~3mm氣泡所占的比列逐漸降低，當(dāng)溫度升高至950工以后氣泡所占比例值降至50%以下，說明樣品中多數(shù)氣泡的尺寸已經(jīng)大于3mm。燒結(jié)溫度在940工時(shí)1~3mm氣泡所占比列達(dá)到81.69%,說明氣泡尺寸的分布較為均勻，大氣泡很少，樣品的質(zhì)量較好。圖5燒結(jié)溫度與孔徑分布的關(guān)系Fig5Therelationshipbetweenporesizedistributionandsinteringtemperature泡沫玻璃的泡孔形成過程可分為3個(gè)階段：泡核形成、泡孔長大和泡體的固化定型。泡沫玻璃微孔結(jié)構(gòu)形成關(guān)鍵在于玻璃基料的黏度變化與發(fā)泡劑放氣速度之間的協(xié)調(diào)［8］。在泡沫玻璃的制備過程中，燒結(jié)溫度對于氣孔的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響顯著［9］。不同的燒結(jié)溫度得到樣品的密度，平均孔徑，抗壓強(qiáng)度等差別很大。燒結(jié)溫度過低，玻璃粉未完全的熔融，樣品中液相較少，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體不能被具有一定黏度的熔體包裹，將會很快的從樣品表面溢出，從而得不到氣泡結(jié)構(gòu)。燒成的樣品通常表現(xiàn)為密實(shí)度較高，氣孔率很低，有的甚至未發(fā)泡。而過高的燒結(jié)溫度將會導(dǎo)致大氣泡出現(xiàn)，這是由于燒結(jié)溫度過高時(shí)，玻璃液的黏度小，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力過高，沖破玻璃熔體的包裹，最終匯集成大氣泡。因此在制備泡沫玻璃時(shí)燒結(jié)溫度的控制尤為關(guān)鍵，在燒結(jié)之前可以利用差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TG）確定粉料燒結(jié)溫度區(qū)間［5］，采用合理的燒結(jié)溫度。保溫時(shí)間對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)驗(yàn)對燒結(jié)溫度在940工，采取了4種不同的保溫時(shí)間，分別保溫20,30,40和50min。燒結(jié)過程中每組樣品除了保溫時(shí)間的不同其他工藝均一律相同。保溫時(shí)間對泡沫玻璃孔結(jié)構(gòu)的影響大小僅次于燒結(jié)溫度的影響。保溫時(shí)間太短,氣泡生長不夠完全,保溫時(shí)間過長,又會造成氣泡過分生長,甚至形成連通孔,因此,選擇合適的保溫時(shí)間,對于泡沫玻璃的制備非常關(guān)鍵。平均孔徑圖6顯示隨著保溫時(shí)間的延長,氣孔尺寸逐漸增大。這和宏觀形貌反映的的尺寸變化是一致的。圖6平均孔徑與保溫時(shí)間的關(guān)系Fig6Therelationshipbetweenaverageporesizeandholdingtime表觀密度和氣孔率圖7顯示了表觀密度、氣孔率隨著保溫時(shí)間變化而變化的趨勢,保溫時(shí)間的延長樣品氣孔率隨之增加，而表觀密度逐漸下降。值得注意的是當(dāng)保溫時(shí)間延長到30min以后時(shí)變化趨于緩慢，即氣孔率和表觀密度的變化率在減小。這與我們在對比保溫40和50min樣品的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)氣孔形貌變化不明顯是一致的，可以用晶粒粗化的模型加以解釋。圖7表觀密度、氣孔率與保溫時(shí)間的關(guān)系Fig7Therelationshipofapparentdensity，porosityandholdingtime抗壓強(qiáng)度圖8為抗壓強(qiáng)度與保溫時(shí)間的關(guān)系。圖8抗壓強(qiáng)度與保溫時(shí)間的關(guān)系Fig8Therelationshipbetweencompressionstrengthandholdingtime由圖8可知，隨著保溫時(shí)間的延長，試樣的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。一定的保溫時(shí)間可以保證發(fā)泡劑充分分解，若時(shí)間太短，內(nèi)外溫度不勻易導(dǎo)致發(fā)泡不均勻。適當(dāng)?shù)难娱L保溫時(shí)間有利于試樣氣孔均勻，過度延長保溫時(shí)間會導(dǎo)致氣孔長大，孔壁變薄，產(chǎn)生連通和開口氣孔，導(dǎo)致試樣的抗壓強(qiáng)度降低。泡沫玻璃的結(jié)構(gòu)分析吸水性測試取5個(gè)在940°C燒結(jié)溫度下保溫30min制備的泡沫玻璃試樣，測得計(jì)算其吸水率見表2。表2試樣吸水率Table2Samplewaterabsorption試樣12345吸水率/%0.420.390.410.450.38由表2計(jì)算得試樣平均吸水率為0.41%。試樣中有個(gè)別大氣孔和開口氣孔，因此其吸水率較高。XRD物相分析圖9是試樣的XRD測試圖。所采用的樣品是SiC含量為3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在940工燒結(jié)溫度下保溫30min時(shí)制備的。26角在20~35。時(shí)顯示了較為明顯的“饅頭峰”特征，其主要結(jié)構(gòu)是玻璃相。從圖中可以看出，泡沫玻璃在燒結(jié)過程中出現(xiàn)析晶現(xiàn)象。材料內(nèi)部晶體相的存在可以提高制品的機(jī)械強(qiáng)度，但同時(shí)也容易導(dǎo)致材料內(nèi)部連通孔的增多。經(jīng)過與PDF卡片對比分析，確定試樣中主要的晶相為硅灰石和碳硅石。無堿玻璃粉中SiO2和CaO反應(yīng)產(chǎn)生了大量的CaSiO3，而SiC則為殘留的發(fā)泡劑。圖9試樣的XRD圖譜Fig9XRDpatternofthesampleSEM微觀結(jié)構(gòu)分析圖10通過掃描電鏡放大樣品截?cái)嗝嫱粎^(qū)域，可以得出它們的一些微觀參數(shù)，例如泡壁上微小氣泡結(jié)構(gòu)、析出的晶體形貌等。圖10顯示了添加3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）SiC,在940°C發(fā)泡溫度下保溫30min所得的泡沫玻璃樣品截?cái)嗝嫘蚊?。可看出試樣的泡徑?~3mm,多為閉孔氣泡。氣泡壁上的白點(diǎn)為高溫下沉淀的晶體［10］。圖10不同放大倍數(shù)下泡沫玻璃的掃描電鏡照片F(xiàn)ig10SEMmicrographsoffoamglassindifferentmagnification4結(jié)論研究結(jié)果表明,隨著燒結(jié)溫度的升高,泡沫玻璃試樣密度逐漸減小并趨于平穩(wěn),平均孔徑逐漸變大,抗壓強(qiáng)度存在一個(gè)最大值。在相同燒結(jié)溫度下,隨著保溫時(shí)間的延長,密度逐漸減小,平均孔徑逐漸變大,抗壓強(qiáng)度逐漸降低。通過綜合實(shí)驗(yàn)對比得出燒制泡沫玻璃的最佳工藝參數(shù)，添加3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的SiC,在940C下保溫30min，然后迅速降溫至500C保溫40min，隨爐冷卻至室溫。在該工藝條件下制得的泡沫玻璃平均孑L徑為2mm，孑L徑為1~3mm的氣泡占80%以上，密度為0.46g/cm3，氣孔率為82.49%，抗壓強(qiáng)度達(dá)3.81MPa，吸水率為0.41%。參考文獻(xiàn)：于喬，姜妍彥，王承遇?泡沫玻璃與固體廢棄物的循環(huán)利用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（1）：93－96.[2]LiaoYichong,HuangChiyen.GlassfoamfromthemixtureofreservoirsedimentandNa2CO3[J].CeramicsInternational,2012,38（5）：4415－4420.FernandesHR，TulyaganovaDU，F(xiàn)erreiraaJMF.Preparationandcharacterizationof