一種顆粒增強泡沫玻璃及其製備方法
2023-06-13 02:37:51
專利名稱：一種顆粒增強泡沫玻璃及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種泡沫玻璃的製造方法，特別涉及一種顆粒增強泡沫玻璃及其製備
方法。
背景技術：
在過去數十年裡，世界上已經發生了多次恐怖分子對一些國家政府建築物的恐怖 襲擊事件。例如，1993年，恐怖分子引爆了位於紐約市世貿中心車庫內的汽車炸彈，造成重 大的生命和財產損失。1995年，一些極端分子引爆了位於俄克拉荷馬市的聯邦大樓外的卡 車，也造成了重大的生命和財產損失。1998年，美國駐奈洛比和三蘭港的使館也遭受 到恐怖分子的汽車炸彈襲擊，分別造成重大的生命和財產損失。2002年，在紐約市的世貿中 心和維吉尼亞的五角大樓發生的災難事件，這一切進一步強調了迫切需要開發和製造能夠 承受汽車炸彈爆炸和其他類似恐怖襲擊的衝擊波的新型建築材料。 多孔泡沫玻璃是利用廢棄玻璃為主要原料，添加發泡劑、改性劑、促進劑等經細粉 碎和均勻混合成配合料，放置在特定模具中經過750 90(TC溫度加熱，使玻璃軟化、發泡、 退火形成一種內部充滿無數均勻氣泡的多孔玻璃材料。泡沫玻璃具有密度小、強度高、導熱 係數小等物理性質，其不僅具有玻璃材料本身固有的永久性、安全性、可靠性、防化學腐蝕 性和不受蟻鼠侵害等優點，而且與其它建築材料相比，還具有保溫隔熱、防水、防潮、防火、 耐酸鹼、密度小、機械強度高、吸聲等一系列優越性能。 泡沫玻璃除了具有玻璃本身固有的永久性、安全性、防化學腐蝕性和不受蟲蟻鼠 侵害的特點外，還具有容重輕、導熱係數小、不透溼、吸水率小、不燃燒、不黴變、性能穩定、 既是保冷材料又是保溫材料，能適應深冷到較高溫度範圍等特點。同時它的重要價值不僅 在於長年使用不會變質，而且本身又起到防火、防震作用。近年來，隨著國家對節能環保材 料性能的要求和需求，使泡沫玻璃得到進一步的發展，不僅在建築領域可以代替傳統鋼筋 水泥等材料，用於高層建築牆體材料，也可作為化工耐熱環境下的管道材料使用。而且還可 用做防火材料。但是，泡沫玻璃強度較低，不同規格的泡沫玻璃抗折強度為0. 1 0. 9MPa。
美國人佩德羅*M*布阿爾克 德馬塞多在中國專利CN1642730A中公開了一種 以飛灰(煅燒型F)，石英砂，碳酸鹽，鹼性金屬矽酸鹽，硼酸，糖，水等為原料，先按照配方配 料，配好的配合料採用溼法球磨後，將生成的漿料乾燥，然後在95(TC下將乾燥的漿料煅燒 40min，讓原材料充分反應，分解成精細、均勻分散的碳，最後將煅燒並研磨成粉末的配合料 放入模具中加熱到85(TC發泡。所製備的試樣密度25 100磅/立方英尺(約等於0. 4 1. 6g/cm3)。該方法儘管所製備的泡沫玻璃強度高，但是對配合料採用兩次煅燒工藝，製備 工藝複雜，燒成溫度高，且所得到的試樣密度大(最大可以達到1. 6g/cm3)，會給泡沫玻璃在 運輸，使用中帶來不便。CN101014461A公開了一種小孔徑堅固的高密度泡沫玻璃，所用的原 料和製備工藝與CN1642730A相同，所製備試樣的孔徑為0. 3 lmm，密度小於100磅/立方 英尺(約等於1.6g/cm3)。此法製備的泡沫玻璃孔徑較小，抗折強度低。CN200946127Y公開 了一種夾有金屬絲網的泡沫玻璃，解決了泡沫玻璃機械強度低，不能生產大幅麵製品，使用
3程序繁雜、施工質量、效果不易保證的問題。但是，此種夾有金屬絲的泡沫玻璃切割加工比 較困難，施工操作比較複雜。中國專利申請號200910023316. l公開了一種高強度泡沫玻璃 的製備方法，將碎玻璃粉末，CaC03，硼砂，NaN03和耐火纖維加入到球磨罐中球磨混合均勻後 置於模具中並將其移入發泡爐中經預熱、發泡、穩泡、快速冷卻和退火階段得泡沫玻璃。泡 沫玻璃中加入耐火度高，強度高的纖維，有利於提高泡沫玻璃的力學性能。所製備的泡沫玻 璃機械強度高，使用範圍較普通泡沫玻璃廣泛，使用壽命長。可以與水泥、鋼或其他高強度 建築物材料結合，而且具有剛性結構的優點，當面臨衝擊波時，能夠吸收爆炸能量的主要部 分。該專利使用幹法將增強纖維與玻璃配合料混合。由於增強纖維直徑小，密度低混合過 程中很難和玻璃配合料混合均勻，因此所製備的增強泡沫玻璃性能一致性較差，同時，在混 合過程中增強纖維容易聚團和折斷，製備工藝複雜。 除了通過提高泡沫玻璃密度的方法提高泡沫玻璃的機械強度外，還可以通過在泡 沫玻璃配合料中加入少量添加劑的方法，使其發泡後在泡沫玻璃中析出一定數量的晶體的 方法，在一定程度上也可以提高泡沫玻璃的機械強度。南京大學以廢玻璃和粉煤灰為主要 原料，以碳酸鈣為發泡劑製備了微晶泡沫玻璃，將研磨的玻璃粉、粉煤灰和非金屬礦加入水 後進行混合；在含有水分的條件下壓製成型，然後烘乾；放入窯內燒制，然後將燒制後的毛 坯切割成型。其缺點是除玻璃粉和粉煤灰外，還加入了非金屬礦，製造成本較高。所用的非 金屬礦有鹼性長石、矽砂、純鹼和方解石，並且採用了壓製成型，製作工藝複雜。CN1807314A 公開了一種以廢舊陰極射線管玻璃為主要原料，以SiC為發泡劑，在840 90(TC下發泡製 備微晶泡沫玻璃的方法，該方法所製備的微晶泡沫玻璃中晶體有Pb， PbO等，且強度較高。 但是，該方法所製備的泡沫玻璃密度大，發泡溫度高。 CN200710047484. 5公開了一種SiC顆粒增強泡沫鋁基複合材料的製備方法。取佔 合金總量質量分數1 ％的鎂、6 8%的矽及餘量的鋁，10 20%的SiC顆粒加熱熔化為 鋁合金熔液，並進行電磁攪拌，攪拌均勻。再加入佔合金總量質量分數1 3%的發泡劑，待 發泡劑攪拌均勻後，保溫發泡3 5分鐘，待鋁熔體生長穩定後，冷卻，使鋁合金熔體泡沫冷 卻凝固後得到孔結構均勻的高孔隙率SiC顆粒增強泡沫鋁基複合材料。而關於採用顆粒增 強泡沫玻璃的研究國內外沒有報導。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種顆粒增強泡沫玻璃及其 製備方法；本發明所用原料廣泛、製備工藝簡單，所製備的多孔泡沫玻璃比強度高，應用廣 泛。 為達到上述目的，本發明的製備方法為 1)首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將70 90%的玻璃粉、1 20%氮化矽、0. 5 5%碳粉、3%的硝酸鈉、1%二氧化鈦、1%二氧化鋯 加入到球磨罐中球磨混合30 120分鐘得配合料； 2)然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照以下工藝過程燒成 自室溫以5 15°C /min的升溫速度升溫至800。C後，保溫30 120min ;然後以升溫速度 為1 10°C /min升溫到850 IOO(TC，保溫30 120min ;然後以冷卻速度為5 l(TC / min降溫至600 750。C，保溫30 120min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。
本發明所用氮化矽粒度為300目，並經過在40(TC下保溫3小時的預處理過程。這 樣可以清除顆粒表面吸附的有機物、雜質、水蒸氣和其它氣體。 按照本發明的製備方法得到的泡沫玻璃的密度為0. 2 1. 2g/cm3，孔徑0. 3 5. Omm，且氣孔分布均勻，比強度可達5 20. OMPa/ (g. cm—3)。 本發明所用碎玻璃包括各種廢舊平板玻璃，瓶罐玻璃，電子玻璃等，且對玻璃的顏 色沒有特別要求，碎玻璃粉的粒度越細，所製備的泡沫玻璃的泡徑分布越均勻；碳粉作為發 泡劑，用量隨氮化矽用量的增加而增加，且可以促進氮化矽與玻璃基體的結合。本發明所制 備的泡沫玻璃比強度大，機械強度高，使用範圍較普通泡沫玻璃廣泛，使用壽命長。該泡沫 玻璃可以與水泥、鋼或其他高強度建築物材料結合，而且具有剛性結構的優點，當面臨衝擊 波時，能夠吸收爆炸能量的主要部分。
圖1是按照本發明實施例1製備方法所製得的顆粒增強泡沫玻璃在掃描電子顯微 鏡下的照片。 圖2是按照本發明實施例2製備方法所製得的顆粒增強泡沫玻璃在掃描電子顯微 鏡下的照片。
具體實施例方式
實施例l，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將 82 %的玻璃粉、10 %氮化矽、3 %碳粉、3 %的硝酸鈉、1 % 二氧化鈦、1 % 二氧化鋯加入到球磨 罐中球磨混合60分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照 以下工藝過程燒成自室溫以10°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫60min ;然後以升 溫速度為5°C /min升溫到90(TC，保溫60min ;然後以冷卻速度為5°C /min降溫至750°C， 保溫30min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均勻，採用讀數顯 微鏡測量試樣的表面平均泡徑1. 3mm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為0. 36g cm—3 ;採 用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為8. 53MPa/(g. cm—3)。參見圖l，可以看出在泡 沫玻璃的氣泡之間及氣泡壁等部位均勻分布著氮化矽顆粒。 實施例2，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將 75 %的玻璃粉、15 %氮化矽、5 %碳粉、3 %的硝酸鈉、1 % 二氧化鈦、1 % 二氧化鋯加入到球磨 罐中球磨混合90分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照 以下工藝過程燒成自室溫以12°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫30min ;然後以升 溫速度為4°C /min升溫到95(TC，保溫80min ;然後以冷卻速度為10°C /min降溫至700°C， 保溫120min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均勻，採用讀數顯 微鏡測量試樣的表面平均泡徑2. 3mm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為0. 31g cm—3 ;採 用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為9. 21MPa/(g. cm—3)。參見圖2，可以看出在泡 沫玻璃的氣泡之間及氣泡壁等部位均勻分布著氮化矽顆粒。 實施例3，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將 70 %的玻璃粉、20 %氮化矽、5 %碳粉、3 %的硝酸鈉、1 % 二氧化鈦、1 % 二氧化鋯加入到球磨 罐中球磨混合30分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照以下工藝過程燒成自室溫以9°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫90min ;然後以升 溫速度為9°C /min升溫到98(TC，保溫90min ;然後以冷卻速度為6°C /min降溫至700°C， 保溫90min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均勻，採用讀數顯 微鏡測量試樣的表面平均泡徑1. 7mm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為0. 51g cm—3 ;採 用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為13. 91MPa/(g. cm—3)。 實施例4，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數 將90 %的玻璃粉、1 %氮化矽、4%碳粉、3%的硝酸鈉、1 %二氧化鈦、1 %二氧化鋯加入到球 磨罐中球磨混合120分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中 按照以下工藝過程燒成自室溫以15°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫120min ; 然後以升溫速度為3°C /min升溫到IOO(TC，保溫30min ;然後以冷卻速度為8°C /min降 溫至60(TC，保溫60min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均 勻，採用讀數顯微鏡測量試樣的表面平均泡徑1. 6mm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為 0. 68g cm—3 ;採用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為18. 17MPa/(g. cm—3)。
實施例5，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數 將85 %的玻璃粉、9. 5 %氮化矽、0. 5%碳粉、3 %的硝酸鈉、1 %二氧化鈦、1 %二氧化鋯加入 到球磨罐中球磨混合80分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡 爐中按照以下工藝過程燒成自室溫以8°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫80min ; 然後以升溫速度為1°C /min升溫到92(TC，保溫100min ;然後以冷卻速度為5°C /min降 溫至65(TC，保溫80min後隨爐冷卻至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均 勻，採用讀數顯微鏡測量試樣的表面平均泡徑2. lmm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為 0. 48g cm—3 ;採用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為11. 53MPa/(g. cm—3)。
實施例6，首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將 89 %的玻璃粉、5 %氮化矽、1 %碳粉、3 %的硝酸鈉、1 %二氧化鈦、1 % 二氧化鋯加入到球磨 罐中球磨混合50分鐘得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照 以下工藝過程燒成自室溫以5°C /min的升溫速度升溫至80(TC後，保溫100min ;然後以升 溫速度為10°C /min升溫到850。C，保溫120min ;然後以冷卻速度為5°C /min降溫至65(TC， 保溫100min後隨爐冷卻至5(TC以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃結構均勻，採用讀數顯 微鏡測量試樣的表面平均泡徑0. 98mm ;採用排水法測定試驗的表觀密度為0. 35g cm—3 ;採 用萬能材料試驗機測定試驗的強度，比強度為9. 94MPa/(g. cm—3)。 由於本發明以工業廢料為原料，添加少量添加劑，以氮化矽顆粒作為增強材料，採 用粉末燒結法顆粒增強泡沫玻璃。本發明不但有利於廢物利用，保護環境，而且泡沫玻璃中 加入耐火度高，強度高的氮化矽顆粒，有利於提高泡沫玻璃的力學性能。本發明所用原料廣 泛、製備工藝簡單，所製備的多孔泡沫玻璃比強度高，應用廣泛。該泡沫玻璃可以與水泥、鋼 或其他高強度建築物材料結合，而且具有剛性結構的優點，當面臨衝擊波時，能夠吸收爆炸 能量的主要部分。
權利要求
一種顆粒增強泡沫玻璃的製備方法，其特徵在於1)首先將廢玻璃清洗乾淨，烘乾後球磨至280目得玻璃粉，按質量分數將70～90％的玻璃粉、1～20％氮化矽、0.5～5％碳粉、3％的硝酸鈉、1％二氧化鈦和1％二氧化鋯加入到球磨罐中球磨混合30～120分鐘得配合料；2)然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中按照以下工藝過程燒成自室溫以5～15℃/min的升溫速度升溫至800℃後，保溫30～120min；然後以升溫速度為1～10℃/min升溫到850～1000℃，保溫30～120min；然後以冷卻速度為5～10℃/min降溫至600～750℃，保溫30～120min後隨爐冷卻至50℃以下得泡沫玻璃。
2. 根據權利要求1所述的顆粒增強泡沫玻璃的製備方法，其特徵在於所述的氮化矽 粒度為300目，並經過在40(TC下保溫3小時的預處理。
3. —種如權利要求1所述的顆粒增強泡沫玻璃的製備方法製成的顆粒增強泡沫玻璃， 其特徵在於密度為0. 2 1. 2g/cm3，孔徑0. 3 5. Omm，且氣孔分布均勻，比強度可達5 20. OMPa/ (g. cm—3)。
全文摘要
一種顆粒增強泡沫玻璃的製備方法，首先將廢玻璃粉、氮化矽、碳粉、硝酸鈉、二氧化鈦和二氧化鋯加入到球磨罐中球磨得配合料；然後將配合料加入到模具中，並將模具移入發泡爐中燒成。按照本發明的製備方法得到的泡沫玻璃的密度為0.2～1.2g/cm3，孔徑0.3～5.0mm，且氣孔分布均勻，比強度可達5～20.0MPa/(g.cm-3)。本發明所製備的泡沫玻璃比強度大，機械強度高，使用範圍較普通泡沫玻璃廣泛，使用壽命長。該泡沫玻璃可以與水泥、鋼或其他高強度建築物材料結合，而且具有剛性結構的優點，當面臨衝擊波時，能夠吸收爆炸能量的主要部分。
文檔編號C03C11/00GK101792266SQ20101010831
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者餘明光, 古先文, 吳古劍, 郭宏偉, 郭曉琛, 龔煜軒 申請人:陝西科技大學