泡沫玻璃的研究进展

(1．黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003；

2. 华东理工大学材料科学与工程学院，上海200237)

摘  要：概述了泡沫玻璃性能、应用及制备机理，阐述了原料、工艺参数与性能之间的变化关系，综述了泡沫玻璃的研究进展，并对泡沫玻璃的发展方向进行了展望。

关键词：泡沫玻璃；原料；工艺参数；性能；改进技术

泡沫玻璃是一种内含无数开口或闭口微小气泡，气孔率达90%以上的优质保温隔热和吸音材料。它具有导热系数低、强度高、密度小、吸水率低、防火、吸声、化学稳定性好、抗冻性好、易于加工、无毒环保、寿命长、装饰性强等特点，不仅可以用作高层建筑、管道设备、地下设施的绝热保温材料，还可以广泛地应用于石油、电力、化工、冷藏、船舶、轻工、桥梁、建筑、绿化和国防等领域中，是一种具有广阔应用前景的节能材料。

泡沫玻璃(foam glass-ceramic) 以废玻璃、粉煤灰和非金属矿等为主要原料，加入发泡剂、稳泡剂、助熔剂和改性剂等，经粉碎后混合均匀形成配合料，放置在特定模具中，在加热炉内经过预热、750～900℃熔融、发泡、冷却和退火等工艺形成一种内部充满无数均匀气泡的多孔玻璃材料。泡沫玻璃的原料中约90%是碎玻璃和粉煤灰等工业废渣，其来源广泛。具备成本低、附加值高的产业化优势。

中国泡沫玻璃的研究起步晚，工艺技术发展缓慢，且生产的泡沫玻璃成本较高，但质量不高，致使国内泡沫玻璃产业发展艰难，至今尚未形成产业规模。故加大科研力度，降低生产成本，提高泡沫玻璃的质量和产量，是未来一段时间需要重点解决的问题。本文阐述了泡沫玻璃的最新研究进展。

1 泡沫玻璃的制备原理

泡沫玻璃的制备过程是一种气相、液相和固相之间的动态平衡过程。在配合料被加热开始熔融之前，由发泡剂分解所产生气体一部分被封闭在粘弹性状态的玻璃中，一部分逸出原料体系，随着温度的升高玻璃粘度逐步降低，气体开始膨胀，这样气泡逐渐增大，泡壁逐渐变薄。气泡生长到一定程度温度快速降，玻璃粘度急剧增加，气泡结构被固定下来，最后形成稳定而均匀结构的多孔玻璃材料。

2 原料对性能的影响

2.1 粉煤灰

泡沫玻璃坯体中粉煤灰的含量越高，泡沫玻璃的抗折强度和密度就越高。由于粉煤灰中的重要组分Al2O3 的熔融温度和软化温度较高，随着粉煤灰掺入量的增加，发泡温度逐渐升高。在泡沫玻璃熔融过程中，当粉煤灰掺入量大于20%的时候，由于此时液相粘度大，玻璃液不易包裹住发泡剂，导致连通孔开始出现，孔型由原来的圆形变得较不规则，气孔与气孔之间开始连通，当粉煤灰掺入量大于30%的时候，液相粘度过大，样品表面无玻化层，气体逸出坯体，样品成为一块致密物。因此，通常粉煤灰的掺入量控制在20%左右。

2.2 发泡剂

泡沫玻璃配合料中常用的发泡剂有碳黑，碳化硅，碳酸钙，白云石粉，金云母，二氧化锰，水玻璃，芒硝等。当玻璃配合料坯体被加热到一定温度时，加入的发泡剂由于分解或者其他化学反应生成一定量二氧化碳气体。

发泡剂的种类、用量、细度等对开始生成气体的温度、气体量及气体持续时间的长短均有影响。不同种类的发泡剂的最佳用量和最佳发泡温度等工艺参数不同。发泡剂掺量较少时，泡沫玻璃表观密度大，孔隙率较低，孔径比较小且比较均匀，泡孔的总内表面积小，形成的泡壁比较厚。当发泡剂掺量较高时，制得的泡沫玻璃在表观密度和强度都比较低，孔隙率、开孔率比较高另外有时候甚至会出现大气泡使得抗折强度下降，这是由于制品的破坏，首先从边部开始 孔径大的泡沫玻璃机械强度小，在经受冲击时应力主要集中在试样表面，因而造成的破坏始于表面。发泡剂的粒度较小，有利于发泡，气孔孔径也比较均匀。而且粒径越小，发泡剂的用量越少。

2.3 稳泡剂

通常具有极性共价键、半金属共价键或场强大的过渡金属元素，能在玻璃中与氧形成[MO4]四面体结构，均可用来作为稳泡剂。一方面降低熔体的表面张力，降低熔体的流动性，另一方面提高熔体粘度，减弱熔体的流动性，延缓气泡壁变薄的速率，降低气泡破裂或合并成连通孔的几率，从而达到稳定气泡结构的目的。常见的稳泡剂有六偏磷酸钠、硼酸盐、醋酸盐、氧化铝、氧化铁、氧化锆等。

2.4 助熔剂

随着助熔剂掺入量的增加，泡沫玻璃的密度增大。因为当助熔剂掺入量增加后，助熔剂的助熔作用更加显著，使的玻璃液相在较低温度出现，而物质质点更容易迁移，质点不断重排、收缩、密实化，密度也随之增大，相应的样品变得更为致密，其强度也增大。在整个发泡过程中，助熔剂可改善气泡的结构，使其稳定化。由于助熔剂在高温时起着连接玻璃网络的作用，导致了玻璃熔体在高温时粘度增加而表面张力下降，粘度的增加使气泡不易破裂，减少了连通孔出现的可能，而表面张力的下降则使气泡易于长大，泡壁变薄。助熔剂掺入量过多时，则会出现了大小泡现象，部分较大的气泡因为泡壁太薄而破裂，导致了连通孔的再次出现，样品性能随之变差。助熔剂一般是碱金属盐、碱土金属盐和ⅡB金属盐等，如氟硅酸钠、碳酸钠、硼砂、硫酸钙、Zn2+、Pb2+、Cd2+、乙二氨盐、Sb2O3、MnO2、As2O3等。

3  工艺参数对性能的影响

3.1  成型压力对泡沫玻璃性能的影响

随成型压力的增大，泡沫玻璃的容重呈下降趋势；而抗压强度先上升后下降。坯体成型压力过小，坯体内部结合力弱，在发泡、烧结过程中，气体易逸出，其结果发泡不好，制品密度增大；同时，坯体会出现破裂，制品内部出现微裂纹，从而导致制品的强度降低。当坯体成型压力过大时，配合料结合紧密，会使坯体在发泡时增加发泡阻力，制品的孔径增大，出现连通孔，引起制品的密度与强度急剧下降。成型压力在15~20MPa之间时，泡沫玻璃的性能较好。

3.2  温度制度对泡沫玻璃性能的影响

泡沫玻璃内部包含大量的气孔状结构，试样在冷却的过程中由于存在温度差而产生热应力，这对制品的性能有很大影响。合理的退火制度可以消除制品内的应力，提高制品的性能。

4 泡沫玻璃的改性技术

泡沫玻璃制品内的气泡质量决定了泡沫玻璃材料的性能，而其主要受添加剂和生产工艺两个方面因素的影响。因此，制备具有分布均匀且泡径一致的高性能泡沫玻璃，必须选择合适的添加剂和生产工艺。泡沫玻璃既可用于建筑外墙保温，又可用于内墙装饰和吸音。而通过常规方法生产的泡沫玻璃的不足之处是其机械强度很难满足建筑要求，因此，既要解决泡沫玻璃机械强度的问题，同时，又不能丧失泡沫玻璃其它方面的性能。因此，目前大多数研究集中在如何提高泡沫玻璃的机械性能方面。

4.1 硬壳层包覆法

硬壳层包覆法是一种改进泡沫玻璃产品性能的制造方法，通过在泡沫层上生成一层硬壳层，制成了双层泡沫玻璃，从而达到了提高泡沫玻璃机械性能的要求。

4.2 微晶增强法

微晶化增强是指在泡沫玻璃的制备过程中加入一定量的成核剂，经过一定温度制度的热处理，使泡沫玻璃基体的玻璃相中析出微晶体结构，大量的微小晶体均匀分布在含大量气孔的玻璃相基体中，形成玻晶交织结构，大大提高了材料的机械强度，从而能用于制作墙体材料。为使制品内部生成一定数量的晶体，获得较高的强度，必须对晶化过程严格控制，在析晶范围内给与一定的时间，使晶体可以顺利生长。

微晶泡沫玻璃比泡沫玻璃的机械强度要高，微晶泡沫玻璃制备的最重要的工艺参数是晶核剂，如Tulyaganov[1]研究了使用不同晶核剂B2O3、P2O5、Na2O和CaF2制备的微晶泡沫玻璃的晶化行为差异，发现坯体的析晶温度在700～800℃左右。常见的晶核剂有Au、Ag、TiO2、ZrO2、Cr2O3、Fe2O3以及氟化物等。

4.3 阴极射线管法

Méar [2]利用含铅的阴极射线管研制了泡沫微晶玻璃。原料中碳化硅粉或者氮化钛与氧化铅在泡沫微晶玻璃中的反应为：

 其中生成的SiO2、TiO2均以玻璃相存在于泡沫微晶玻璃中。制备的泡沫微晶玻璃气泡均匀，抗压强度可达2.49 MPa。

Pascal等[3]对该体系进行仔细的研究发现产物体系中铅、钡和锶的浸出量，取决于体系中还原剂SiC和TiN还原性能和含量。也就是说取决于原料和还原剂的含量比。

4.4 纤维增强法

纤维增强法是指在泡沫玻璃制备过程中加入一定量的耐高温玻璃纤维或陶瓷纤维等，在烧结过程中使纤维与基体很好地网接在一起，从而制得纤维增强多孔玻璃基复合材料。

Minay [4]采用微波烧结法研究了金属纤维添加量对玻璃基体中气泡孔径的影响，结果显示，加l0％(质量分数)金属纤维的玻璃基多孔复合材料的孔分布均匀，所制备的试样由于纤维的存在，其加工性能、力学性能等得到很好改善。 Boccaccini[5] 对SiC纤维增强玻璃基复合材料非氧化氛围下的热老化行为进行了研究。Chawla[6]研究了SiC纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的制备工艺、微观结构及其性能，同时还研究了莫来石纤维增强莫来石基材料的纤维表面浸润剂对增强效果的影响，其抗折强度、断裂韧性测试表明，当纤维表面浸润剂厚度小于0.3μm时，对增强效果无明显影响，当浸润剂厚度大于1μm时，其强度进一步提高。

5 泡沫微晶玻璃的研究方向

泡沫玻璃是一种性能优越的绝热保温材料，它具有广泛的用途，尤其是近些年来随着我国节能环保意识的增强，泡沫玻璃材料面临巨大的发展空间。因此，可以从以下几个方面着手，加大对泡沫玻璃技术和生产工艺的研究力度。

(1) 充分利用工业废弃物，比如利用废旧显像管玻璃、矿物废渣和高炉废渣生产泡沫玻璃，这些原料中含有能生成结晶或者起粘合作用的组份，可以提高产品性能。

(2) 系统研究各助剂与工艺条件的关系，在满足产品性能的前提下，尽量简化制备工艺，节省能源，确保经济效益最大化。

(3) 拓宽所生产的泡沫玻璃的应用领域。例如用泡沫微晶玻璃做HF气体的吸收材料及装置的开发和利用，应该大力提倡。充分利用泡沫微晶玻璃的多孔性，高强度的性能特点，将其用作过滤材料、生物材料载体等。

参考文献

[1] Tulyaganov D U, Agathopoulos S, Ventura J M, et a1．Synthesis of glass-ceramics in the CaO-MgO-SiO2 system with B2O3，P2O5，Na2O and CaF2 additives[J]．J Eur Ceram Soci，2006，26：1463-1471.

[2] Méar F，Yot P，Cambnon M，et al．Elaboration and characterization of foam glass from cathode ray tubes[J]．Advances in Applied Ceramics，2005，104(3)：123-130．

[3] Yot P，Méar F. Characterization of lead, barium and strontium eachability from foam glasses elaborated using waste cathode ray-tube glasses[J]．J Hazard Mater，2011，(185)：236–241．

[4] Minay E J，Veronesi P, Cannillo V, et a1．Control of pore size by metallic fibres in glass matrix composite foams produced by microwave heating[J]．J Eur Ceram Soc，2004，24：3203-3208.

[5] Boccaccini A R，Torre A M，at a1．Effect of thermomeeha-nical loads on microstructural damage and on the resulting thermomechanieal behaviour of silicon carbide fibre-rein-forced glass matrix composites[J]．Mater Charact，2005，54(1)：75-79.

[6] Boccaccini A R，Ponton C B，Chawla K K．Development and healing of matrix microcracks in fibre reinforced glass matrix composites：Assessment by internal friction[J]．Mater Sci Eng A，1998，241(1/2)：141-150.

      来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第1期  在线投稿  >>