不同外加剂对泡沫玻璃主要性能影响程度的表征

武加文，梁彦军，王 强，李志杰

（阿米检测技术有限公司 江苏 无锡 214175）

】1009-5624（2021）08-0032-04

1 引言

泡沫玻璃一般是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等配料焙烧制备而成的玻璃砖或陶瓷砖[1]。泡沫玻璃可根据实际使用的需求，通过生产加工技术改变参数来调整其物理性能[2]。泡沫玻璃具备导热系数小、热膨胀系数低、不吸水、不透湿、热工性能稳定、阻燃、刚度系数大、使用寿命长、工作环境温度范围宽、不受虫害、耐腐蚀、易加工和施工等优点，泡沫玻璃以自身独特性能的优点，可以满足石油化工、轨道交通、库房存储等领域工程材料的需求，泡沫玻璃可以为材料回收利用、保护环境带来丰厚经济效益[3]。

全球液晶屏产量的增加，废弃液晶屏量的增加以及未来液晶屏使用过程中的老化和报废会导致严重的环境污染。传统处理方法是将一小部分回收，用作有色农药瓶的原料，但是成本较高，难以产业化；把废液晶屏变成具有用途广泛的各种新型材料和废液晶屏处理技术是世界各国环保部门共同的难题；变废为宝，利用本项目技术进行废液晶屏处理，其产品还具有环保功能的新型材料，具有良好的经济效益。

通过混掺碳酸钠及硫酸钠两种外加剂，用废弃的液晶屏玻璃基板制备泡沫玻璃，通过对工艺参数的研究，从而确定工艺过程，对配方设计和生产制造都具有重要的指导意义。

2 实验材料和仪器

玻璃基板：废弃液晶屏；实验试剂：无水硫酸钠（分析纯）；无水碳酸钠（分析纯）；聚乙烯醇（分析纯），聚乙烯醇用作造粒，使玻璃粉更易压制成型。

仪器：箱式炉（KBF1700）；粉末压片机（769YR-15A）；鼓风干燥箱（HN101-A）；行星式球磨机（QM-3SP4J）；游标卡尺（0～300 mm，0.02 mm)）；电子天平（WT1102）；电子天平（WT6000）；微机控制电子万能（拉力）试验机（CMT4204）。

此外，实验中还用到100目、150目标准筛、毛刷、碾钵、药匙等。

3 实验样品制备和检测

3.1 实验步骤

（1）玻璃基板的处理：把废旧液晶屏玻璃基板敲碎过筛，使得粒径小于3 mm。

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

（3）用100目筛将干磨后的浆料过筛。

（4）将过筛后的玻璃粉与发泡剂和助剂按实验设计的方案进行配料，然后再次干磨，球：料比例为2:1，大球：小球比例为2:1，磨1 h。

（5）用150目筛将干磨后的浆料过筛。

（6）将过筛后的配合料经压片机在成型压力3 Mpa下压制成片状。

（7）将片状混合料放入电阻炉中，设置好温度制度进行熔制的样品。

3.2 烧制温度和时间设置

预热阶段：30 min内升温到350 ℃。烧结阶段：迅速升温到700 ℃烧结（设备自身能力上升不设温度斜率），温度达到700 ℃后，以4 ℃/min的温度斜率升温到850 ℃。发泡阶段：850 ℃，保温40 min。稳泡阶段：降温到800 ℃（设备自身能力降温不设降温斜率），温度达到800 ℃时稳定30 min。退火阶段：退火24 h[4-6]。

3.3 实验方法

确定一个或多个因素不变，调整其他一个或多个因素，来探究这些因素之间的关系，通过正交实验法进行简单实验数据的分析，便于我们在复杂的影响因素中找寻主要因素，从而发现较好的实验方案[7]。实验方案见表1。

表1 实验方案

3.4 表征方法

3.4.1 形貌分析

将烧制成的试样中间切开，然后用数码相机拍下需要分析的区域照片，放大2倍查看烧制试样的表面和内部的形貌，分析泡孔的结构和分布。

3.4.2 烧结性能测试

（1）表观密度。

（2）气孔率。

（3）吸水率。

吸水率测试步骤：取试件数量3块。

①在天平上称取试样质量 ，精确至0.1 g。

②用游标卡尺量出待测试样的长宽高，用来计算体积。

③将试样搁置在水箱内。用一个干净的木棒搁在试样上，表面再用一个重物压在木棒上。

④加入（20±5）℃的去离子水，水面应高出试样25 mm，浸泡2 h。

⑤2 h后立即取出试样，将试样放在挤干水分的湿纸巾上，干燥10 min，然后用滤纸吸去试样表面残余的水分。

⑥将试样用天平称量，并用滤纸继续吸去试样表面的水分，重复多次直至天平示值没有变化，记录数据即为试样质量 ，精确至0.1 g。

（4）抗压强度。

抗压强度测试步骤：①用游标卡尺测量试样受压面距棱边10mm处的长度和宽度，测量两个对应面的中间部位的厚度。取两次测量值的算术平均值为测量结果，精确至1 mm。

②将试样放在试验机的承压板上，使试验机承压板的中心与试样中心重合，启动试验机。③设定加荷速度为10mm/min，直至试样被破坏，同时记录压缩变形值。当试样压缩变形到5%时没有被破坏，则试件5%压缩变形时的荷载即为破坏荷载。记录破坏荷载P1，精确至0.01 Mpa。

（5）抗折强度。

抗折强度测试：调整两支座的间距为20 mm。将试样对称地放置在支座上，设定加压辊轮下降速度为10 mm/min。直到试样被破坏，记录试样的最大破坏荷载P2，精确至0.01 Mpa。

4 实验结果及讨论

4.1 实验结果

全部配方的总性能对比见表2。

表2 全配方总性能对比表

表2 （续）

4.2 结果与讨论

4.2.1 碳酸钠的用量对泡沫玻璃的形貌及性能影响

（1）形貌影响分析。

图2 8%碳酸钠切面图

图3 10%碳酸钠切面图

图4 12%碳酸钠切面图

由图1～图5可知，当6%碳酸钠时，泡沫玻璃无孔，表面光洁，玻化程度高；8%碳酸钠时，泡沫玻璃孔显见，表面光洁，玻化程度高；10%碳酸钠时，泡沫玻璃孔径小，表面光洁，但比较均匀；12%碳酸钠时，泡沫玻璃孔径适中，且均匀；14%碳酸钠时，泡沫玻璃孔径大，但不均匀；随着碳酸钠的量加入越多，孔就越大。

图1 6%碳酸钠切面图

图5 14%碳酸钠切面图

（2）表观密度、气孔率和吸水率分析。

碳酸钠加入的越多，泡沫玻璃的吸水率越大，因为碳酸钠的增多，发泡效果越来越好，孔多渗透的水会越多。

10%碳酸钠的表观密度相比12%碳酸钠及14%碳酸钠的较大，而气孔率相比12%碳酸钠的比较小，但12%的最为均匀。主要原因是12%含量碳酸钠助熔效果要比10%和14%的要好，而14%含量的较多，使内部反应过强，产生气体过多，造成发泡不均，使其内部气孔不均匀。

（3）力学性能分析。

随着碳酸钠的掺量增大，其抗折强度越来越小，抗压强度呈上下波动趋势，但10%碳酸钠及12%碳酸钠的强度明显高于14%碳酸钠的强度，主要由于14%碳酸钠的量过多，使内部产生气体过多，造成发泡不均，使其内部气孔不均匀，故而其强度变低。

4.2.2 硫酸钠的用量对泡沫玻璃的形貌及性能影响

（1）形貌影响分析。

由图6、图7可知，当其他条件相同时，两者的孔径都较均匀，1.5%硫酸钠出现了特大孔，由此可知硫酸钠的含量不同对试样的形貌影响不大。但特大孔的出现是因为硫酸钠稳泡阶段发生了变化。

图6 0.5%硫酸钠切面图

图7 1.5%硫酸钠切面图

（2）表观密度、气孔率和吸水率分析。

随着硫酸钠掺量的不断增大，其吸水率也不断增大。加大硫酸钠的用量对泡沫玻璃在稳泡过程中有一定的影响。

两者相比较，表观密度1.5%硫酸钠的要低一些，不过气孔率上相差不是太大，基本上相似，说明硫酸钠对泡沫玻璃发泡的影响不是太大。

（3）力学性能分析。

0.5 %硫酸钠的试样比1.5%硫酸钠的抗折及抗压强度大，也比1%硫酸钠含量的性能要好，主要原因是0.5%硫酸钠含量稳泡效果更好，导致内部发泡比较均匀，结构比较致密。因此，以实验原料12%的无水碳酸钠及0.5%的无水硫酸钠为外加剂，烧成的泡沫玻璃主要性能都是效果最好的。

5 结论

通过以废弃液晶屏玻璃基板作为原料，用无水碳酸钠和无水硫酸钠分别作为外加剂来制备泡沫玻璃，通过对其表观密度、气孔率、吸水率、抗折强度以及抗压强度的性能研究，得到以下结论。

（1）碳酸钠及硫酸钠作为外加剂，烧制出的泡沫玻璃存在较大气孔和气孔孔径分布不均匀，分析原因可能与配方的用量有关。

（2）根据实验得出的结论，当温度为850 ℃，保温时间为40 min，外加剂为无水碳酸钠12%、无水硫酸钠0.5%、成型压力为3 Mpa时，泡沫玻璃的发泡效果、吸水率较为理想。

（3）表观密度、抗折抗压强度基本是随外加剂用量增加而增加的。当温度为850 ℃，保温时间为40 min，外加剂为无水碳酸钠12%、无水硫酸钠0.5%，成型压力为3 Mpa时，其表观密度为593 kg/m3，抗压强度可达10.61 Mpa，抗折强度可达5.28 Mpa。因此，12%碳酸钠和0.5%硫酸钠为最佳外加剂的含量。