泡沫玻璃發(fā)泡劑的差熱分析與實(shí)驗(yàn)研究

泡沫玻璃發(fā)泡劑的差熱分析與實(shí)驗(yàn)研究

1發(fā)泡劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氣體的影響泡沫玻璃也稱為多孔玻璃。首先，由于有玻璃基質(zhì)，它不吸收、不燃燒、防水、耐蟲(chóng)、機(jī)械強(qiáng)度高。其次，由于其含有許多均勻的小直徑孔，直徑通常為0.5.5mm，具有低主導(dǎo)系數(shù)和良好的隔聲性。優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度與隔熱、隔音、阻濕性能相結(jié)合,使泡沫玻璃在各種建筑物、管道、設(shè)備、地下設(shè)施方面用作保溫隔熱材料和隔音材料。泡沫玻璃是在玻璃配合料中加入適量發(fā)泡劑如碳酸鈣、碳黑、碳酸鈉等,當(dāng)玻璃配合料坯體被加熱到軟化溫度時(shí),加入的發(fā)泡劑由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一定量氣體:CaCO3→△CaO+CO2CaCΟ3→△CaΟ+CΟ2C+O2→△CO2C+Ο2→△CΟ2SiO2+Na2CO3→△Na2SiO3+CO2SiΟ2+Νa2CΟ3→△Νa2SiΟ3+CΟ2發(fā)泡劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),剛開(kāi)始時(shí)生成的氣體量少,在軟化的玻璃配合料坯體中只能形成少量氣泡;隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行,生成的氣體量不斷增加,在軟化的玻璃配合料坯體中形成大量氣泡,使配合料坯體體積不斷膨脹,冷卻后即形成多孔玻璃。在軟化的玻璃配合料坯體中能否形成氣孔結(jié)構(gòu),取決于:①發(fā)泡劑分解或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氣體的溫度能否與玻璃配合料坯體軟化溫度相匹配;②在軟化的玻璃配合料坯體中所形成的氣孔結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定;③玻璃配合料坯體軟化時(shí)間的長(zhǎng)短、軟化溫度的高低及坯體中所形成的氣孔結(jié)構(gòu)的塑性強(qiáng)度。為了得到優(yōu)良的粉煤灰泡沫玻璃,應(yīng)當(dāng)選擇合適的發(fā)泡劑及適宜的摻量,并控制好玻璃配合料坯體的發(fā)泡溫度與燒結(jié)溫度。為此,(1)應(yīng)使玻璃配合料坯體軟化溫度與發(fā)泡劑生成氣體的溫度相匹配;(2)使玻璃配合料坯體內(nèi)能形成均勻分布的封閉氣孔;(3)玻璃配合料坯體內(nèi)所形成的氣孔結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的塑性強(qiáng)度。發(fā)泡劑的種類、摻量、細(xì)度等對(duì)開(kāi)始生成氣體的溫度、氣體量及氣體持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短均有影響,為獲得這些最佳參數(shù),對(duì)發(fā)泡劑進(jìn)行較系統(tǒng)的研究具有重要意義。2主要原材料和實(shí)驗(yàn)方法2.1主要原材料試驗(yàn)用主要原材料包括粉煤灰渣、廢玻璃、發(fā)泡劑、白云石、碳黑、碳酸鈣。其化學(xué)組成示于表1。2.2dsc或dtg和tg差熱分析稱取一定量粉磨至一定細(xì)度的不同發(fā)泡劑及玻璃粉體,采用差熱分析法測(cè)定DSC(或DTA)和TG,根據(jù)DSC(或DTA)和TG差熱分析曲線確定不同發(fā)泡劑開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度、生成最大量氣體時(shí)的溫度以及生成氣體的持續(xù)時(shí)間及玻璃的軟化溫度等。3影響最大氣體生產(chǎn)溫度的因素研究3.1碳酸鈉氣體溫度選用石灰石、碳黑、白云石、碳酸鈉作為粉煤灰泡沫玻璃的發(fā)泡劑,并對(duì)這些發(fā)泡劑進(jìn)行差熱分析,結(jié)果示于圖1~4。從圖1~4可以看出:石灰石開(kāi)始生成氣體的溫度為700℃~760℃,生成最大氣體量的溫度為900℃~940℃;白云石開(kāi)始生成氣體的溫度為760℃,其中碳酸鎂分解生成最大氣體的溫度為800℃,碳酸鈣分解生成最大氣體量的溫度為900℃;碳黑開(kāi)始生成氣體的溫度為500℃,到800℃左右生成二氧化碳的速度加速,在1000℃范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)最大氣體量生成的溫度;碳酸鈉由于化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始生成氣體的溫度為720℃,生成最大氣體的溫度為860℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,石灰石、白云石、碳黑等發(fā)泡劑開(kāi)始生成氣體的溫度、最大量氣體生成的溫度及氣體持續(xù)時(shí)間等均有顯著差異,應(yīng)根據(jù)玻璃配合料坯體軟化溫度及與發(fā)泡劑相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇適宜的發(fā)泡劑。3.2生成最大氣體量的確定,c由于白云石與石灰石的礦物組成不同,造成白云石中碳酸鈣開(kāi)始分解的溫度、最大氣體量生成時(shí)的溫度等與石灰石中碳酸鈣開(kāi)始分解的溫度、最大氣體量生成時(shí)的溫度等均有顯著差異。受這一結(jié)果啟示,我們開(kāi)始思考發(fā)泡劑碳酸鈣中碳酸鈣含量對(duì)開(kāi)始生成氣體的溫度及生成最大氣體量時(shí)的溫度等的影響問(wèn)題。為此,對(duì)分析純碳酸鈣、工業(yè)用碳酸鈣和石灰石分別進(jìn)行了差熱分析,其結(jié)果示于圖5、6中。石灰石中含碳酸鈣量約85%,工業(yè)碳酸鈣中的碳酸鈣含量約90%,分析純碳酸鈣中碳酸鈣含量約99.0~99.9%。它們的碳酸鈣含量差異雖然較大,但開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度和最大氣體量生成時(shí)的溫度都相差不大,表明發(fā)泡劑中的碳酸鈣含量對(duì)開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度及最大氣體量生成時(shí)的溫度等影響不大,這可能是碳酸鈣開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度及最大氣體量生成時(shí)的溫度僅取決于碳酸鈣的礦物結(jié)構(gòu),而與其碳酸鈣含量關(guān)系不大的緣故。由于石灰石中的碳酸鈣的礦物結(jié)構(gòu)與工業(yè)用碳酸鈣、分析純碳酸鈣的礦物結(jié)構(gòu)相同,故石灰石、工業(yè)用碳酸鈣和分析純碳酸鈣開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度與最大氣體量生成時(shí)的溫度基本一樣。3.3發(fā)泡劑石灰細(xì)度的影響將石灰石粉磨至不同的細(xì)度,分別進(jìn)行差熱分析,其結(jié)果示于圖7、8。從中可以看出,發(fā)泡劑石灰石細(xì)度對(duì)開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度、最大氣體量生成時(shí)的溫度等均有一定影響,這可能由于碳酸鈣顆粒越細(xì)小,其晶體結(jié)構(gòu)在粉磨過(guò)程中受損越嚴(yán)重,具有晶格缺陷的顆粒越多,致使開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度及生成最大量氣體時(shí)的溫度均向低端移動(dòng)。3.4玻璃面為復(fù)合膠凝劑的研制為保證泡沫玻璃配合料坯體軟化溫度與發(fā)泡劑生成氣體時(shí)的溫度相匹配,使坯體內(nèi)形成均勻分布的封閉氣孔,必須探明碎玻璃的軟化溫度,為選擇合適的發(fā)泡劑提供依據(jù)。為此,將磨碎的平板玻璃與瓶罐玻璃按1∶1配料進(jìn)行差熱分析,結(jié)果示于圖9。從圖9可知,碎玻璃的軟化溫度約為700~900℃,高于900℃時(shí)玻璃中的低共熔混合物開(kāi)始熔化。3.5初始溫度對(duì)初始發(fā)酵的影響稱取細(xì)度為80目的石灰石30mg,采用不同升溫速率(10℃/分及快速升溫至1000℃)加熱,進(jìn)行差熱分析,結(jié)果示于圖10、11。從中可看出,采用不同升溫速率,發(fā)泡劑碳酸鈣開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度及生成最大氣體量時(shí)的溫度均有顯著差異。這可能與碳酸鈣熱分解過(guò)程是由五個(gè)分過(guò)程構(gòu)成有關(guān):(1)氣流向顆粒表面?zhèn)鳠?傳熱分過(guò)程);(2)分解層導(dǎo)熱(傳熱分過(guò)程);(3)碳酸鈣分解(化學(xué)反應(yīng)分過(guò)程);(4)二氧化碳穿過(guò)分解層(傳質(zhì)分過(guò)程);(5)二氧化碳進(jìn)入氣流(傳質(zhì)分過(guò)程)。當(dāng)升溫速率過(guò)大時(shí),瞬間產(chǎn)生的二氧化碳過(guò)多,不能即時(shí)穿過(guò)分解層,在分解層內(nèi)形成較大的二氧化碳分解壓,阻止碳酸鈣分解。只有不斷加大碳酸鈣分解動(dòng)力,即升高碳酸鈣分解溫度,才能保證碳酸鈣完全分解,這就造成升溫速率過(guò)大時(shí),碳酸鈣分解溫度向高端移動(dòng)。3.6碳酸鈣分解過(guò)程中顆粒的溫度變化分別稱取細(xì)度為80目的碳酸鈣30mg及170mg,按10℃/分升溫進(jìn)行差熱分析,結(jié)果示于圖12、13。從中可以看出,不同量的碳酸鈣開(kāi)始生成氣體時(shí)的溫度及生成最大氣體量時(shí)的溫度有一定差異,這可能與上述碳酸鈣分解過(guò)程由五個(gè)分過(guò)程構(gòu)成有關(guān)。用量少的碳酸鈣,由于受熱均勻,各顆粒溫度基本一致,達(dá)到一定溫度后,各顆粒均開(kāi)始分解;而用量多的碳酸鈣,由于熱傳遞差異致使各顆粒受熱不均勻,有的顆粒已達(dá)到分解溫度,有的顆粒仍未達(dá)到分解溫度,需要升至更高的溫度才能達(dá)到分解溫度,致使分解溫度向高端移動(dòng)。4篩余量的影響按預(yù)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),稱取一定量的粉煤灰、碎玻璃、發(fā)泡劑,混磨至細(xì)度為篩余量(4900篩孔)小于10%,成型,按10℃/分升溫至850℃,恒溫1小時(shí),再升溫至950℃,恒溫1小時(shí),冷卻后的應(yīng)用效果示于表2。5發(fā)泡溫度的確定用差熱分析方法分別測(cè)定了石灰石、工業(yè)用碳酸鈣、分析純碳酸鈣、碳黑、碳酸鈉、白云石等發(fā)泡劑生成氣體時(shí)的溫度、氣體持續(xù)時(shí)間及最大氣體量生成時(shí)的溫度