烧结工艺和原料组成对泡沫玻璃孔结构的影响

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本文分别利用废弃玻璃纤维粉和平板玻璃边角料为基础原料,采用粉末烧结法制备出了以闭气孔为主的泡沫玻璃。首先对泡沫玻璃配合料的组成进行优化设计,确定了最佳的辅助添加剂掺量。再用正交试验方法确定最佳的烧结工艺制度。利用热分析(DTA-TG)、电子万能材料试验机(HLD HLT)、X射线荧光(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)等现代测试手段,对泡沫玻璃的孔结构和性能进行了研究。通过建立数学模型和制备两类泡沫玻璃的实例,分析了泡沫玻璃的成孔机理,探讨了发泡剂粒径和烧结温度对泡沫玻璃成孔过程的影响。具体研究内容和实验结果如下:(1)以废弃玻璃纤维粉为主要原料,碳化硅为发泡剂,采用粉末烧结法制备了保温泡沫玻璃。研究了烧结温度、保温时间以及升温速率对泡沫玻璃孔结构、表观密度、气孔率以及抗压强度的影响。结果表明,随着烧结温度的提高和保温时间的延长,泡沫玻璃的表观密度呈下降趋势,平均孔径会逐渐增大,以致产生连通孔现象。当烧结温度为940℃,保温时间为30min,升温速率为12℃min时制得的泡沫玻璃表观密度为0.46g/cm3,抗压强度达3.81MPa,孔径为1~3mm的气泡占80%以上。(2)掺入Sb2O3使泡沫玻璃的气泡呈多面体,表观密度较高。故在研究助剂对泡沫玻璃影响时,未添加Sb2O3。研究了不同掺量的碳化硅、碳酸钠、硼酸对泡沫玻璃孔结构及性能的影响。结果表明随着碳化硅含量的增加,样品的孔径先增大后趋于平稳。碳酸钠的掺入通过降低玻璃黏度来改善发泡效果,同时也影响试样的结晶。体积密度和抗压强度随碳酸钠含量增加而降低。硼酸的掺入起到稳泡剂的作用。辅助添加剂碳化硅、碳酸钠、硼酸含量分别为3wt%、20wt%、3wt%的条件下,试样的体积密度是0.68g/cm3,抗压强度5.32Mpa,吸水率0.56%和孔隙率75.0%。泡沫玻璃的结晶相为硅灰石和碳硅石。(3)以平板玻璃边角料为主要原料,采用粉末烧结法在较低烧结温度下制备了泡沫玻璃。分析了不同发泡剂的作用机理以及对泡沫玻璃性能的影响。探讨了复合发泡剂粒度对泡沫玻璃的影响。研究了烧结温度和保温时间对泡沫玻璃孔结构、表观密度、气孔率、吸水率以及抗压强度的影响。(4)主要讨论采用粉末烧结法制备泡沫玻璃方法中,玻璃熔体中气泡的形成、长大、破裂过程。导出了发泡剂粒径与泡沫玻璃孔径之间的关系式,并与试验结果进行了拟合。在泡沫玻璃的烧结阶段,根据气泡内外压强以及薄膜内外压强差建立了关于气泡孔径与压强参数和温度参数之间函数关系式。从理论上分析了玻璃熔体的黏度和表面张力在泡沫玻璃成孔过程中的作用机理。
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