本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，具体涉及一种耐高温，低密度、低热导率及高强度的泡沫玻璃基复合材料的制备方法。
背景技术：
泡沫玻璃是由碎玻璃、发泡剂和外加剂经过高温熔化、发泡、退火制成的材料，具有良好的隔热、耐火性能，是一种新型绿色环保的建筑材料。气凝胶由于其三维纳米多孔的特征网络结构，拥有低密度和超低热导率的特性，以泡沫玻璃为增强基体，引入气凝胶组分可进一步降低其热导率，有助于发挥高效隔热能力。
气凝胶的制备通常以硅胶和含硅有机物为前驱体。但是这些原料成本高、有毒害、不符合现代生态材料的发展趋势。粉煤灰作为一种大排量的工业废渣，对空气、水资源以及土壤的污染不可忽视，可经一系列处理后提取出其中的硅酸盐作为气凝胶制备的前驱体，不但具有价格低廉、可就近取材的优点，还解决了环境污染问题。同时，粉煤灰还可用作泡沫玻璃的掺合料，有助于实现该固体废弃物的资源化利用。
技术实现要素：
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种制备泡沫玻璃-气凝胶隔热材料的方法。
本发明的技术方案为：以废玻璃和粉煤灰为基料，通过加入发泡剂和稳泡剂进行高温熔融、发泡和退火工艺后制备出低密度、高孔隙率的泡沫玻璃基体材料。将粉煤灰与碳酸钠掺杂后煅烧，用酸溶解后抽滤去除固体废物得到硅溶胶，使用真空浸渍工艺将其与泡沫玻璃基体充分复合，凝胶后进行老化和表面改性处理，最后常压干燥制备出泡沫玻璃/气凝胶隔热材料。本发明的基体材料和硅前驱体均取材于粉煤灰，在使材料性能提升的同时还实现了废物的有效再利用。
本发明的具体技术方案为：一种制备泡沫玻璃-气凝胶隔热材料的方法，其具体步骤如下：
(1)泡沫玻璃的制备
碎玻璃经球磨后过20目筛，与粉煤灰混合成基料并加入稳泡剂；发泡剂溶于水中并加入基料，搅拌后形成浆料；将复合浆料注入模具并放入烘箱中烘制后，得到粉煤灰泡沫玻璃坯体；坯体在马弗炉中进行预热和高温发泡后降至室温得到泡沫玻璃；
(2)粉煤灰制备硅溶胶
将粉煤灰和na2co3混合均匀后在马弗炉中煅烧，将煅烧后的粉末分散在酸溶液中搅拌后，使用真空抽滤过滤固体颗粒，取滤液用碱溶液调节ph得到硅溶胶；
(3)将制备的泡沫玻璃基体放入密封良好的容器内，抽真空后将制得的硅溶胶倒吸入容器，与泡沫玻璃基体充分复合，将复合后的材料放入烘箱中进行凝胶反应得到泡沫玻璃-湿凝胶复合体，老化后使用tmcs(三甲基氯硅烷)、etoh(乙醇)和环己烷的混合溶液浸泡进行表面改性，最后在烘箱中进行常压干燥得到泡沫玻璃-气凝胶隔热材料。
优选步骤(1)中碎玻璃与粉煤灰的质量比为(2.3～9)：1；稳泡剂、发泡剂和水的用量分别为基料质量的2％～4％、2％～5％和30％～50％。
优选步骤(1)中烘箱的设定温度为100℃～150℃，烘制时间为6～12h；坯体的预热温度为300～500℃，预热时间为20～40min；发泡温度为820℃～900℃，发泡时间为10～50min；升温速率为1～5℃/min。
优选所述的稳泡剂为na2hpo4，所述的发泡剂为na2co3。
优选步骤(2)中粉煤灰与na2co3的质量比为(0.8～1.2):1，煅烧温度为800℃～900℃，煅烧时间在2～4h之间。
优选步骤(2)中所述的酸溶液为盐酸溶液，浓度为2～5mol/l；所述的碱溶液为naoh溶液，浓度为1～4mol/l；用碱溶液调节溶胶ph至10～11之间。
优选步骤(3)中tmcs、etoh与环己烷的摩尔比为1：(2～4)：(4～6)。
优选步骤(3)中老化温度为40～60℃，老化时间为12～36h；表面改性温度为40～60℃，改性时间为36～60h；常压干燥的烘箱温度设置为70～90℃，干燥时间为20～40h。
本发明所制备的泡沫玻璃-气凝胶复合材料密度为0.34～0.67g/cm3，抗压强度为1.21～2.78mpa，抗折强度为0.74～1.37mpa，常温导热系数在0.062～0.102w·m-1·k-1之间。
有益效果：
(1)使用工业废弃物粉煤灰作为原材料，既可以添加入基料中制备泡沫玻璃，又可提取硅溶胶作为气凝胶的前驱体。在降低材料制备成本的同时还使废弃物得到资源化利用。
(2)将泡沫玻璃与气凝胶进行复合，既降低基体材料的热导率，又使气凝胶具有机械强度，拓宽其应用范围。
(3)使用真空浸渍工艺提高材料的复合度，使用常压干燥进一步降低材料制备成本。
附图说明
图1是实例1中所制备的泡沫玻璃基体的实物照片和泡沫玻璃-气凝胶材料的低倍sem图片。
图2是实例2中所制备的泡沫玻璃基体及其气凝胶复合材料的抗压强度和抗折强度对比图。
图3是实例3制备的泡沫玻璃/气凝胶材料的综合孔径分布图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明，但保护范围并不限于此。
实例1
将230g碎玻璃球磨后过20目筛，与100g粉煤灰混合成基料并加入6.6g稳泡剂na2hpo4。称量6.6g发泡剂na2co3溶于99g水中，加入基料后搅拌5min形成浆料。将复合浆料注入模具并放入100℃烘箱中烘制6h后，得到粉煤灰泡沫玻璃坯体。坯体在马弗炉中进行300℃预热20min和820℃高温发泡10min后降至室温得到泡沫玻璃，其中升温速率为1℃/min。将粉煤灰和na2co3按质量比为0.8：1混合均匀后在马弗炉中800℃煅烧2h，将煅烧后的粉末分散在2mol/l的盐酸溶液中搅拌，使用真空抽滤过滤固体颗粒，取滤液用1mol/l的氢氧化钠溶液调节ph至10得到硅溶胶。将预制的泡沫玻璃基体放入密封良好的容器内，抽真空后将制得的硅溶胶倒吸入容器，与泡沫玻璃基体充分复合。将复合后的材料放入50℃烘箱中进行凝胶反应得到泡沫玻璃/湿凝胶复合体，在40℃下老化12h，tmcs、etoh和环己烷按1:2:4比例配置改性液，将老化后的复合湿凝胶在40℃下浸泡在改性液中36h，最后在70℃烘箱中常压干燥40h得到泡沫玻璃/气凝胶隔热材料。所制备的材料密度为0.67g/cm3，抗压强度和抗折强度分别为2.78mpa和1.37mpa，常温热导率为0.102w·m-1·k-1。
图1是泡沫玻璃基体的实物照片和泡沫玻璃/气凝胶复合材料的低倍sem图片。可以看出所制备的粉煤灰泡沫玻璃发泡效果较好，拥有多孔的蓬松结构，而与气凝胶复合后，两者结合性好，基体内孔洞被气凝胶均匀填充。
实例2
将500g碎玻璃球磨后过20目筛，与100g粉煤灰混合成基料并加入18g稳泡剂na2hpo4。称量24g发泡剂na2co3溶于200g水中，加入基料后搅拌5min形成浆料。将复合浆料注入模具并放入130℃烘箱中烘制8h后，得到粉煤灰泡沫玻璃坯体。坯体在马弗炉中进行400℃预热30min和870℃高温发泡20min后降至室温得到泡沫玻璃，其中升温速率为3℃/min。将粉煤灰和na2co3按质量比为1:1混合均匀后在马弗炉中820℃煅烧3h，将煅烧后的粉末分散3.5mol/l的盐酸溶液中搅拌，使用真空抽滤过滤固体颗粒，取滤液用2mol/l的氢氧化钠溶液调节ph至10得到硅溶胶。将预制的泡沫玻璃基体放入密封良好的容器内，抽真空后将制得的硅溶胶倒吸入容器，与泡沫玻璃基体充分复合。将复合后的材料放入55℃烘箱中进行凝胶反应得到泡沫玻璃/湿凝胶复合体，50℃下老化24h，tmcs、etoh和环己烷按1:3:5比例配置改性液，将老化后的复合湿凝胶在50℃下浸泡在改性液中48h，最后在80℃烘箱中常压干燥30h得到泡沫玻璃/气凝胶隔热材料。所制备的材料密度为0.59g/cm3，抗压强度和抗折强度分别为2.20mpa和1.08mpa，常温热导率为0.091w·m-1·k-1。
图2是所制备的泡沫玻璃基体及其气凝胶复合材料的抗压强度和抗折强度对比图，由于真空浸渍复合对于基体壁的破坏，导致其复合后抗折强度减小，而气凝胶骨架的支撑作用使复合材料的抗压强度有所提升。
实例3
将450g碎玻璃球磨后过20目筛，与50g粉煤灰混合成基料并加入20g稳泡剂na2hpo4。称量25g发泡剂na2co3溶于250g水中，加入基料后搅拌5min形成浆料。将复合浆料注入模具并放入150℃烘箱中烘制12h后，得到粉煤灰泡沫玻璃坯体。坯体在马弗炉中进行500℃预热40min和900℃高温发泡50min后降至室温得到泡沫玻璃，其中升温速率为5℃/min。将粉煤灰和na2co3按质量比为1.2：1混合均匀后在马弗炉中900℃煅烧4h，将煅烧后的粉末分散在5mol/l的盐酸溶液中搅拌，使用真空抽滤过滤固体颗粒，取滤液用4mol/l的氢氧化钠溶液调节ph至11得到硅溶胶。将预制的泡沫玻璃基体放入密封良好的容器内，抽真空后将制得的硅溶胶倒吸入容器，与泡沫玻璃基体充分复合。将复合后的材料放入45℃烘箱中进行凝胶反应得到泡沫玻璃/湿凝胶复合体，在60℃下老化36h，tmcs、etoh和环己烷按1:4:6比例配置改性液，将老化后的复合湿凝胶在60℃下浸泡在改性液中60h，最后在90℃烘箱中常压干燥20h得到泡沫玻璃/气凝胶隔热材料。所制备的材料密度为0.34g/cm3，抗压强度和抗折强度分别为1.21mpa和0.74mpa，常温热导率为0.062w·m-1·k-1。
图3是制备的泡沫玻璃/气凝胶材料的综合孔径分布，可看出孔径范围较广，既有介孔也有大孔的存在，且分布较均匀。