不同外加劑對泡沫玻璃主要性能影響程度的表征

武加文，梁彥軍，王 強，李志杰

（阿米檢測技術有限公司 江蘇 無錫 214175）

】1009-5624（2021）08-0032-04

1 引言

泡沫玻璃一般是由定量的碎玻璃、發泡劑、改性添加劑和促進劑等配料焙燒制備而成的玻璃磚或陶瓷磚[1]。泡沫玻璃可根據實際使用的需求，通過生產加工技術改變參數來調整其物理性能[2]。泡沫玻璃具備導熱系數小、熱膨脹系數低、不吸水、不透濕、熱工性能穩定、阻燃、剛度系數大、使用壽命長、工作環境溫度范圍寬、不受蟲害、耐腐蝕、易加工和施工等優點，泡沫玻璃以自身獨特性能的優點，可以滿足石油化工、軌道交通、庫房存儲等領域工程材料的需求，泡沫玻璃可以為材料回收利用、保護環境帶來豐厚經濟效益[3]。

全球液晶屏產量的增加，廢棄液晶屏量的增加以及未來液晶屏使用過程中的老化和報廢會導致嚴重的環境污染。傳統處理方法是將一小部分回收，用作有色農藥瓶的原料，但是成本較高，難以產業化；把廢液晶屏變成具有用途廣泛的各種新型材料和廢液晶屏處理技術是世界各國環保部門共同的難題；變廢為寶，利用本項目技術進行廢液晶屏處理，其產品還具有環保功能的新型材料，具有良好的經濟效益。

通過混摻碳酸鈉及硫酸鈉兩種外加劑，用廢棄的液晶屏玻璃基板制備泡沫玻璃，通過對工藝參數的研究，從而確定工藝過程，對配方設計和生產制造都具有重要的指導意義。

2 實驗材料和儀器

玻璃基板：廢棄液晶屏；實驗試劑：無水硫酸鈉（分析純）；無水碳酸鈉（分析純）；聚乙烯醇（分析純），聚乙烯醇用作造粒，使玻璃粉更易壓制成型。

儀器：箱式爐（KBF1700）；粉末壓片機（769YR-15A）；鼓風干燥箱（HN101-A）；行星式球磨機（QM-3SP4J）；游標卡尺（0～300 mm，0.02 mm)）；電子天平（WT1102）；電子天平（WT6000）；微機控制電子萬能（拉力）試驗機（CMT4204）。

此外，實驗中還用到100目、150目標準篩、毛刷、碾缽、藥匙等。

3 實驗樣品制備和檢測

3.1 實驗步驟

（1）玻璃基板的處理：把廢舊液晶屏玻璃基板敲碎過篩，使得粒徑小于3 mm。

（2）將破碎好的玻璃基板按球:料比例為2:1，大球：小球比例為2:1放入球磨罐中，磨3h。

（3）用100目篩將干磨后的漿料過篩。

（4）將過篩后的玻璃粉與發泡劑和助劑按實驗設計的方案進行配料，然后再次干磨，球：料比例為2:1，大球：小球比例為2:1，磨1 h。

（5）用150目篩將干磨后的漿料過篩。

（6）將過篩后的配合料經壓片機在成型壓力3 Mpa下壓制成片狀。

（7）將片狀混合料放入電阻爐中，設置好溫度制度進行熔制的樣品。

3.2 燒制溫度和時間設置

預熱階段：30 min內升溫到350 ℃。燒結階段：迅速升溫到700 ℃燒結（設備自身能力上升不設溫度斜率），溫度達到700 ℃后，以4 ℃/min的溫度斜率升溫到850 ℃。發泡階段：850 ℃，保溫40 min。穩泡階段：降溫到800 ℃（設備自身能力降溫不設降溫斜率），溫度達到800 ℃時穩定30 min。退火階段：退火24 h[4-6]。

3.3 實驗方法

確定一個或多個因素不變，調整其他一個或多個因素，來探究這些因素之間的關系，通過正交實驗法進行簡單實驗數據的分析，便于我們在復雜的影響因素中找尋主要因素，從而發現較好的實驗方案[7]。實驗方案見表1。

表1 實驗方案

3.4 表征方法

3.4.1 形貌分析

將燒制成的試樣中間切開，然后用數碼相機拍下需要分析的區域照片，放大2倍查看燒制試樣的表面和內部的形貌，分析泡孔的結構和分布。

3.4.2 燒結性能測試

（1）表觀密度。

（2）氣孔率。

（3）吸水率。

吸水率測試步驟：取試件數量3塊。

①在天平上稱取試樣質量 ，精確至0.1 g。

②用游標卡尺量出待測試樣的長寬高，用來計算體積。

③將試樣擱置在水箱內。用一個干凈的木棒擱在試樣上，表面再用一個重物壓在木棒上。

④加入（20±5）℃的去離子水，水面應高出試樣25 mm，浸泡2 h。

⑤2 h后立即取出試樣，將試樣放在擠干水分的濕紙巾上，干燥10 min，然后用濾紙吸去試樣表面殘余的水分。

⑥將試樣用天平稱量，并用濾紙繼續吸去試樣表面的水分，重復多次直至天平示值沒有變化，記錄數據即為試樣質量 ，精確至0.1 g。

（4）抗壓強度。

抗壓強度測試步驟：①用游標卡尺測量試樣受壓面距棱邊10mm處的長度和寬度，測量兩個對應面的中間部位的厚度。取兩次測量值的算術平均值為測量結果，精確至1 mm。

②將試樣放在試驗機的承壓板上，使試驗機承壓板的中心與試樣中心重合，啟動試驗機。③設定加荷速度為10mm/min，直至試樣被破壞，同時記錄壓縮變形值。當試樣壓縮變形到5%時沒有被破壞，則試件5%壓縮變形時的荷載即為破壞荷載。記錄破壞荷載P1，精確至0.01 Mpa。

（5）抗折強度。

抗折強度測試：調整兩支座的間距為20 mm。將試樣對稱地放置在支座上，設定加壓輥輪下降速度為10 mm/min。直到試樣被破壞，記錄試樣的最大破壞荷載P2，精確至0.01 Mpa。

4 實驗結果及討論

4.1 實驗結果

全部配方的總性能對比見表2。

表2 全配方總性能對比表

表2 （續）

4.2 結果與討論

4.2.1 碳酸鈉的用量對泡沫玻璃的形貌及性能影響

（1）形貌影響分析。

圖2 8%碳酸鈉切面圖

圖3 10%碳酸鈉切面圖

圖4 12%碳酸鈉切面圖

由圖1～圖5可知，當6%碳酸鈉時，泡沫玻璃無孔，表面光潔，玻化程度高；8%碳酸鈉時，泡沫玻璃孔顯見，表面光潔，玻化程度高；10%碳酸鈉時，泡沫玻璃孔徑小，表面光潔，但比較均勻；12%碳酸鈉時，泡沫玻璃孔徑適中，且均勻；14%碳酸鈉時，泡沫玻璃孔徑大，但不均勻；隨著碳酸鈉的量加入越多，孔就越大。

圖1 6%碳酸鈉切面圖

圖5 14%碳酸鈉切面圖

（2）表觀密度、氣孔率和吸水率分析。

碳酸鈉加入的越多，泡沫玻璃的吸水率越大，因為碳酸鈉的增多，發泡效果越來越好，孔多滲透的水會越多。

10%碳酸鈉的表觀密度相比12%碳酸鈉及14%碳酸鈉的較大，而氣孔率相比12%碳酸鈉的比較小，但12%的最為均勻。主要原因是12%含量碳酸鈉助熔效果要比10%和14%的要好，而14%含量的較多，使內部反應過強，產生氣體過多，造成發泡不均，使其內部氣孔不均勻。

（3）力學性能分析。

隨著碳酸鈉的摻量增大，其抗折強度越來越小，抗壓強度呈上下波動趨勢，但10%碳酸鈉及12%碳酸鈉的強度明顯高于14%碳酸鈉的強度，主要由于14%碳酸鈉的量過多，使內部產生氣體過多，造成發泡不均，使其內部氣孔不均勻，故而其強度變低。

4.2.2 硫酸鈉的用量對泡沫玻璃的形貌及性能影響

（1）形貌影響分析。

由圖6、圖7可知，當其他條件相同時，兩者的孔徑都較均勻，1.5%硫酸鈉出現了特大孔，由此可知硫酸鈉的含量不同對試樣的形貌影響不大。但特大孔的出現是因為硫酸鈉穩泡階段發生了變化。

圖6 0.5%硫酸鈉切面圖

圖7 1.5%硫酸鈉切面圖

（2）表觀密度、氣孔率和吸水率分析。

隨著硫酸鈉摻量的不斷增大，其吸水率也不斷增大。加大硫酸鈉的用量對泡沫玻璃在穩泡過程中有一定的影響。

兩者相比較，表觀密度1.5%硫酸鈉的要低一些，不過氣孔率上相差不是太大，基本上相似，說明硫酸鈉對泡沫玻璃發泡的影響不是太大。

（3）力學性能分析。

0.5 %硫酸鈉的試樣比1.5%硫酸鈉的抗折及抗壓強度大，也比1%硫酸鈉含量的性能要好，主要原因是0.5%硫酸鈉含量穩泡效果更好，導致內部發泡比較均勻，結構比較致密。因此，以實驗原料12%的無水碳酸鈉及0.5%的無水硫酸鈉為外加劑，燒成的泡沫玻璃主要性能都是效果最好的。

5 結論

通過以廢棄液晶屏玻璃基板作為原料，用無水碳酸鈉和無水硫酸鈉分別作為外加劑來制備泡沫玻璃，通過對其表觀密度、氣孔率、吸水率、抗折強度以及抗壓強度的性能研究，得到以下結論。

（1）碳酸鈉及硫酸鈉作為外加劑，燒制出的泡沫玻璃存在較大氣孔和氣孔孔徑分布不均勻，分析原因可能與配方的用量有關。

（2）根據實驗得出的結論，當溫度為850 ℃，保溫時間為40 min，外加劑為無水碳酸鈉12%、無水硫酸鈉0.5%、成型壓力為3 Mpa時，泡沫玻璃的發泡效果、吸水率較為理想。

（3）表觀密度、抗折抗壓強度基本是隨外加劑用量增加而增加的。當溫度為850 ℃，保溫時間為40 min，外加劑為無水碳酸鈉12%、無水硫酸鈉0.5%，成型壓力為3 Mpa時，其表觀密度為593 kg/m3，抗壓強度可達10.61 Mpa，抗折強度可達5.28 Mpa。因此，12%碳酸鈉和0.5%硫酸鈉為最佳外加劑的含量。