粉煤灰基泡沫玻璃保温材料的制备

粉煤灰基泡沫玻璃保温材料的制备

朱孟广，张作泰
(北京大学工学院北京 100871)

摘要：以粉煤灰和废玻璃为主要原料，硼砂为助熔剂，碳酸钙为发泡剂制备泡沫玻璃，研究了粉煤灰的添加量、发泡温度对泡沫玻璃的机械性能、表观密度以及导热性能的影响。结果表明，以45%的粉煤灰、55%的废玻璃，外加30%硼砂和0.5%的发泡剂，在850℃下发泡45分钟，可以得到表观密度为0.23g/cm3，抗压强度为1.6Mpa，导热系数为0.27W/m·K的泡沫玻璃，可作为保温隔热材料。

关键词：粉煤灰；泡沫玻璃；保温材料

1 引言

      粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，是我国工业固废的主要品种之一，近年来其产量和堆存量逐年递增。粉煤灰的堆存不仅占用大量土地，而且还危害环境安全。粉煤灰的综合利用早已成为亟待解决的重大问题。目前，粉煤灰的综合利用方式主要是生产水泥和建筑材料，高附加值利用仅占4%。为了解决这个问题，研究者尝试用粉煤灰制备了很多新材料，例如，玻璃纤维，微晶玻璃，玻璃-陶瓷复合材料，泡沫玻璃，泡沫陶瓷等。

      泡沫玻璃具有很多优良的特性，比如：密度低，导热系数小，防火，耐候性好，机械强度较好等，可作为建筑用保温材料。先前有很多人用不同的原料制得了泡沫玻璃，比如：高炉渣，城市固废，CRT玻璃，赤泥等。本文利用粉煤灰和废玻璃为原料，添加硼砂作为助熔剂，碳酸钙为发泡剂制备泡沫玻璃，并研究了其性能。

2 实验

2.1 实验方案

表1  样品原料配比/%

   按照表1配比称量各种原料和发泡剂，放入行星式球磨机，按照料球水比1:1:1混合10小时，料浆取出烘干得到混合料，混合料在研钵中加入少量聚乙烯醇粘合剂，以10Mpa压力压制成圆柱形试样坯体。坯体在马弗炉中于空气气氛下进行烧结，烧结制度如下：以5℃/分钟的速度升温至450℃保温30分钟，去除水分并且受热均匀，以10℃/分继续升温至600℃保温30分钟，之后以20℃/min升温到预定温度（分别为750℃，800℃，850℃），保温45分钟之后随炉冷却至室温。

2.2 实验结果

      经过烧结后的试样如图1所示，形成一层类似“釉质”光滑表面，内部出现大量气泡，呈现多孔材料的特点。

图1  B45样品在850℃烧结后的外观图和截面图

   在800℃发泡后，粉煤灰含量不同的三组样品，其表观密度，抗压强度以及导热系数如表2所示。从表中可以看出，随着粉煤灰含量的增加，试样的表观密度从0.32g/cm3增加到0.57g/cm3，从表3中还能看到，抗压强度随着粉煤灰的增加而增大，样品的导热系数同样随着粉煤灰含量的增加而增大。

   表3为B45样品在750℃，800℃和850℃条件下的表观密度，抗压强度以及导热系数的变化。对于同样配比的样品，表观密度随着温度的上升而降低。抗压强度随着发泡温度的提高而降低，是因为高温下产生的气孔多，甚至气孔之间产生兼并产生大气孔导致材料的机械强度降低，抗压强度下降。导热系数随着烧结温度的提高而降低。

表2  表观密度，抗压强度以及导热系数随粉煤灰添加量的变化

表3  表观密度，抗压强度以及导热系数随发泡温度的变化

      图2是试样的扫描电镜图片。从图上可以看出，试样均出现了孔径不一的气泡。在800℃温度下，从B40到B50气孔逐渐变小，这种变化应该是由于粉煤灰含量增加，坯体所需的软熔温度更高，在800℃条件下产生的液相量较少，碳酸钙分解产生的气体难以保留在坯体中。

图2  试样的扫描电镜图片 (a)B40-800℃（b）B45-800℃（c）B50-800℃（d）B45-750℃（e）B45-850℃

      图3为原料以及B45试样在800℃烧结后的X射线衍射(XRD)图，从图上看出，废玻璃主要为非晶相，粉煤灰中的晶相主要为无水石膏，石英以及莫来石。经过800℃烧结的B45样品中莫来石和无水石膏消失，出现了透辉石和钠长石。

图3  原料以及B45试样在800℃烧结后的X射线衍射(XRD)图

3 结论

  本研究以45%的粉煤灰，55%的废玻璃，外加30%硼砂和0.5%的发泡剂，在850℃下发泡45分钟，可以得到表观密度为0.23g/cm3，抗压强度为1.6Mpa，导热系数为0.27W/m·K的泡沫玻璃，可作为保温隔热材料。

   粉煤灰基泡沫玻璃材料的制备可以高附加值地利用粉煤灰资源和废玻璃，可获得经济效益和环保效益。