专利名称：一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种泡沫玻璃的制造方法，特别涉及一种颗粒增强泡沫玻璃及其制备
方法。
背景技术：
在过去数十年里，世界上已经发生了多次恐怖分子对一些国家政府建筑物的恐怖 袭击事件。例如，1993年，恐怖分子引爆了位于纽约市世贸中心车库内的汽车炸弹，造成重 大的生命和财产损失。1995年，一些极端分子引爆了位于俄克拉荷马市的联邦大楼外的卡 车，也造成了重大的生命和财产损失。1998年，美国驻内罗毕和达累斯萨拉姆的使馆也遭受 到恐怖分子的汽车炸弹袭击，分别造成重大的生命和财产损失。2002年，在纽约市的世贸中 心和弗吉尼亚的五角大楼发生的灾难事件，这一切进一步强调了迫切需要开发和制造能够 承受汽车炸弹爆炸和其他类似恐怖袭击的冲击波的新型建筑材料。 多孔泡沫玻璃是利用废弃玻璃为主要原料，添加发泡剂、改性剂、促进剂等经细粉 碎和均匀混合成配合料，放置在特定模具中经过750 90(TC温度加热，使玻璃软化、发泡、 退火形成一种内部充满无数均匀气泡的多孔玻璃材料。泡沫玻璃具有密度小、强度高、导热 系数小等物理性质，其不仅具有玻璃材料本身固有的永久性、安全性、可靠性、防化学腐蚀 性和不受蚁鼠侵害等优点，而且与其它建筑材料相比，还具有保温隔热、防水、防潮、防火、 耐酸碱、密度小、机械强度高、吸声等一系列优越性能。 泡沫玻璃除了具有玻璃本身固有的永久性、安全性、防化学腐蚀性和不受虫蚁鼠 侵害的特点外，还具有容重轻、导热系数小、不透湿、吸水率小、不燃烧、不霉变、性能稳定、 既是保冷材料又是保温材料，能适应深冷到较高温度范围等特点。同时它的重要价值不仅 在于长年使用不会变质，而且本身又起到防火、防震作用。近年来，随着国家对节能环保材 料性能的要求和需求，使泡沫玻璃得到进一步的发展，不仅在建筑领域可以代替传统钢筋 水泥等材料，用于高层建筑墙体材料，也可作为化工耐热环境下的管道材料使用。而且还可 用做防火材料。但是，泡沫玻璃强度较低，不同规格的泡沫玻璃抗折强度为0. 1 0. 9MPa。
美国人佩德罗*M*布阿尔克 德马塞多在中国专利CN1642730A中公开了一种 以飞灰(煅烧型F)，石英砂，碳酸盐，碱性金属硅酸盐，硼酸，糖，水等为原料，先按照配方配 料，配好的配合料采用湿法球磨后，将生成的浆料干燥，然后在95(TC下将干燥的浆料煅烧 40min，让原材料充分反应，分解成精细、均匀分散的碳，最后将煅烧并研磨成粉末的配合料 放入模具中加热到85(TC发泡。所制备的试样密度25 100磅/立方英尺(约等于0. 4 1. 6g/cm3)。该方法尽管所制备的泡沫玻璃强度高，但是对配合料采用两次煅烧工艺，制备 工艺复杂，烧成温度高，且所得到的试样密度大(最大可以达到1. 6g/cm3)，会给泡沫玻璃在 运输，使用中带来不便。CN101014461A公开了一种小孔径坚固的高密度泡沫玻璃，所用的原 料和制备工艺与CN1642730A相同，所制备试样的孔径为0. 3 lmm，密度小于100磅/立方 英尺(约等于1.6g/cm3)。此法制备的泡沫玻璃孔径较小，抗折强度低。CN200946127Y公开 了一种夹有金属丝网的泡沫玻璃，解决了泡沫玻璃机械强度低，不能生产大幅面制品，使用
3程序繁杂、施工质量、效果不易保证的问题。但是，此种夹有金属丝的泡沫玻璃切割加工比 较困难，施工操作比较复杂。中国专利申请号200910023316. l公开了一种高强度泡沫玻璃 的制备方法，将碎玻璃粉末，CaC03，硼砂，NaN03和耐火纤维加入到球磨罐中球磨混合均匀后 置于模具中并将其移入发泡炉中经预热、发泡、稳泡、快速冷却和退火阶段得泡沫玻璃。泡 沫玻璃中加入耐火度高，强度高的纤维，有利于提高泡沫玻璃的力学性能。所制备的泡沫玻 璃机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。可以与水泥、钢或其他高强度 建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部 分。该专利使用干法将增强纤维与玻璃配合料混合。由于增强纤维直径小，密度低混合过 程中很难和玻璃配合料混合均匀，因此所制备的增强泡沫玻璃性能一致性较差，同时，在混 合过程中增强纤维容易聚团和折断，制备工艺复杂。 除了通过提高泡沫玻璃密度的方法提高泡沫玻璃的机械强度外，还可以通过在泡 沫玻璃配合料中加入少量添加剂的方法，使其发泡后在泡沫玻璃中析出一定数量的晶体的 方法，在一定程度上也可以提高泡沫玻璃的机械强度。南京大学以废玻璃和粉煤灰为主要 原料，以碳酸钙为发泡剂制备了微晶泡沫玻璃，将研磨的玻璃粉、粉煤灰和非金属矿加入水 后进行混合；在含有水分的条件下压制成型，然后烘干；放入窑内烧制，然后将烧制后的毛 坯切割成型。其缺点是除玻璃粉和粉煤灰外，还加入了非金属矿，制造成本较高。所用的非 金属矿有碱性长石、硅砂、纯碱和方解石，并且采用了压制成型，制作工艺复杂。CN1807314A 公开了一种以废旧阴极射线管玻璃为主要原料，以SiC为发泡剂，在840 90(TC下发泡制 备微晶泡沫玻璃的方法，该方法所制备的微晶泡沫玻璃中晶体有Pb， PbO等，且强度较高。 但是，该方法所制备的泡沫玻璃密度大，发泡温度高。 CN200710047484. 5公开了一种SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料的制备方法。取占 合金总量质量分数1 ％的镁、6 8%的硅及余量的铝，10 20%的SiC颗粒加热熔化为 铝合金熔液，并进行电磁搅拌，搅拌均匀。再加入占合金总量质量分数1 3%的发泡剂，待 发泡剂搅拌均匀后，保温发泡3 5分钟，待铝熔体生长稳定后，冷却，使铝合金熔体泡沫冷 却凝固后得到孔结构均匀的高孔隙率SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料。而关于采用颗粒增 强泡沫玻璃的研究国内外没有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种颗粒增强泡沫玻璃及其 制备方法；本发明所用原料广泛、制备工艺简单，所制备的多孔泡沫玻璃比强度高，应用广 泛。 为达到上述目的，本发明的制备方法为 1)首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将70 90%的玻璃粉、1 20%氮化硅、0. 5 5%碳粉、3%的硝酸钠、1%二氧化钛、1%二氧化锆 加入到球磨罐中球磨混合30 120分钟得配合料； 2)然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成 自室温以5 15°C /min的升温速度升温至800。C后，保温30 120min ;然后以升温速度 为1 10°C /min升温到850 IOO(TC，保温30 120min ;然后以冷却速度为5 l(TC / min降温至600 750。C，保温30 120min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。
本发明所用氮化硅粒度为300目，并经过在40(TC下保温3小时的预处理过程。这 样可以清除颗粒表面吸附的有机物、杂质、水蒸气和其它气体。 按照本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0. 2 1. 2g/cm3，孔径0. 3 5. Omm，且气孔分布均匀，比强度可达5 20. OMPa/ (g. cm—3)。 本发明所用碎玻璃包括各种废旧平板玻璃，瓶罐玻璃，电子玻璃等，且对玻璃的颜 色没有特别要求，碎玻璃粉的粒度越细，所制备的泡沫玻璃的泡径分布越均匀；碳粉作为发 泡剂，用量随氮化硅用量的增加而增加，且可以促进氮化硅与玻璃基体的结合。本发明所制 备的泡沫玻璃比强度大，机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。该泡沫 玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击 波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。
图1是按照本发明实施例1制备方法所制得的颗粒增强泡沫玻璃在扫描电子显微 镜下的照片。 图2是按照本发明实施例2制备方法所制得的颗粒增强泡沫玻璃在扫描电子显微 镜下的照片。
具体实施例方式
实施例l，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将 82 %的玻璃粉、10 %氮化硅、3 %碳粉、3 %的硝酸钠、1 % 二氧化钛、1 % 二氧化锆加入到球磨 罐中球磨混合60分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照 以下工艺过程烧成自室温以10°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温60min ;然后以升 温速度为5°C /min升温到90(TC，保温60min ;然后以冷却速度为5°C /min降温至750°C， 保温30min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显 微镜测量试样的表面平均泡径1. 3mm ;采用排水法测定试验的表观密度为0. 36g cm—3 ;采 用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为8. 53MPa/(g. cm—3)。参见图l，可以看出在泡 沫玻璃的气泡之间及气泡壁等部位均匀分布着氮化硅颗粒。 实施例2，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将 75 %的玻璃粉、15 %氮化硅、5 %碳粉、3 %的硝酸钠、1 % 二氧化钛、1 % 二氧化锆加入到球磨 罐中球磨混合90分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照 以下工艺过程烧成自室温以12°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温30min ;然后以升 温速度为4°C /min升温到95(TC，保温80min ;然后以冷却速度为10°C /min降温至700°C， 保温120min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显 微镜测量试样的表面平均泡径2. 3mm ;采用排水法测定试验的表观密度为0. 31g cm—3 ;采 用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为9. 21MPa/(g. cm—3)。参见图2，可以看出在泡 沫玻璃的气泡之间及气泡壁等部位均匀分布着氮化硅颗粒。 实施例3，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将 70 %的玻璃粉、20 %氮化硅、5 %碳粉、3 %的硝酸钠、1 % 二氧化钛、1 % 二氧化锆加入到球磨 罐中球磨混合30分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成自室温以9°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温90min ;然后以升 温速度为9°C /min升温到98(TC，保温90min ;然后以冷却速度为6°C /min降温至700°C， 保温90min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显 微镜测量试样的表面平均泡径1. 7mm ;采用排水法测定试验的表观密度为0. 51g cm—3 ;采 用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为13. 91MPa/(g. cm—3)。 实施例4，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数 将90 %的玻璃粉、1 %氮化硅、4%碳粉、3%的硝酸钠、1 %二氧化钛、1 %二氧化锆加入到球 磨罐中球磨混合120分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中 按照以下工艺过程烧成自室温以15°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温120min ; 然后以升温速度为3°C /min升温到IOO(TC，保温30min ;然后以冷却速度为8°C /min降 温至60(TC，保温60min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均 匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径1. 6mm ;采用排水法测定试验的表观密度为 0. 68g cm—3 ;采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为18. 17MPa/(g. cm—3)。
实施例5，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数 将85 %的玻璃粉、9. 5 %氮化硅、0. 5%碳粉、3 %的硝酸钠、1 %二氧化钛、1 %二氧化锆加入 到球磨罐中球磨混合80分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡 炉中按照以下工艺过程烧成自室温以8°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温80min ; 然后以升温速度为1°C /min升温到92(TC，保温100min ;然后以冷却速度为5°C /min降 温至65(TC，保温80min后随炉冷却至50°C以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均 匀，采用读数显微镜测量试样的表面平均泡径2. lmm ;采用排水法测定试验的表观密度为 0. 48g cm—3 ;采用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为11. 53MPa/(g. cm—3)。
实施例6，首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将 89 %的玻璃粉、5 %氮化硅、1 %碳粉、3 %的硝酸钠、1 %二氧化钛、1 % 二氧化锆加入到球磨 罐中球磨混合50分钟得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照 以下工艺过程烧成自室温以5°C /min的升温速度升温至80(TC后，保温100min ;然后以升 温速度为10°C /min升温到850。C，保温120min ;然后以冷却速度为5°C /min降温至65(TC， 保温100min后随炉冷却至5(TC以下得泡沫玻璃。所形成的泡沫玻璃结构均匀，采用读数显 微镜测量试样的表面平均泡径0. 98mm ;采用排水法测定试验的表观密度为0. 35g cm—3 ;采 用万能材料试验机测定试验的强度，比强度为9. 94MPa/(g. cm—3)。 由于本发明以工业废料为原料，添加少量添加剂，以氮化硅颗粒作为增强材料，采 用粉末烧结法颗粒增强泡沫玻璃。本发明不但有利于废物利用，保护环境，而且泡沫玻璃中 加入耐火度高，强度高的氮化硅颗粒，有利于提高泡沫玻璃的力学性能。本发明所用原料广 泛、制备工艺简单，所制备的多孔泡沫玻璃比强度高，应用广泛。该泡沫玻璃可以与水泥、钢 或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸 能量的主要部分。
权利要求
一种颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，其特征在于1)首先将废玻璃清洗干净，烘干后球磨至280目得玻璃粉，按质量分数将70～90％的玻璃粉、1～20％氮化硅、0.5～5％碳粉、3％的硝酸钠、1％二氧化钛和1％二氧化锆加入到球磨罐中球磨混合30～120分钟得配合料；2)然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中按照以下工艺过程烧成自室温以5～15℃/min的升温速度升温至800℃后，保温30～120min；然后以升温速度为1～10℃/min升温到850～1000℃，保温30～120min；然后以冷却速度为5～10℃/min降温至600～750℃，保温30～120min后随炉冷却至50℃以下得泡沫玻璃。
2. 根据权利要求1所述的颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，其特征在于所述的氮化硅 粒度为300目，并经过在40(TC下保温3小时的预处理。
3. —种如权利要求1所述的颗粒增强泡沫玻璃的制备方法制成的颗粒增强泡沫玻璃， 其特征在于密度为0. 2 1. 2g/cm3，孔径0. 3 5. Omm，且气孔分布均匀，比强度可达5 20. OMPa/ (g. cm—3)。
全文摘要
一种颗粒增强泡沫玻璃的制备方法，首先将废玻璃粉、氮化硅、碳粉、硝酸钠、二氧化钛和二氧化锆加入到球磨罐中球磨得配合料；然后将配合料加入到模具中，并将模具移入发泡炉中烧成。按照本发明的制备方法得到的泡沫玻璃的密度为0.2～1.2g/cm3，孔径0.3～5.0mm，且气孔分布均匀，比强度可达5～20.0MPa/(g.cm-3)。本发明所制备的泡沫玻璃比强度大，机械强度高，使用范围较普通泡沫玻璃广泛，使用寿命长。该泡沫玻璃可以与水泥、钢或其他高强度建筑物材料结合，而且具有刚性结构的优点，当面临冲击波时，能够吸收爆炸能量的主要部分。
文档编号C03C11/00GK101792266SQ20101010831
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者余明光, 古先文, 吴古剑, 郭宏伟, 郭晓琛, 龚煜轩 申请人:陕西科技大学