泡沫玻璃的研究综述

罗维志

泡沫玻璃是一种利用废玻璃生产出来的材料，是多孔玻璃的一种，其内部充满了气孔。这些气孔均匀地分布在材料之中，约占体积的75%～95%，是均匀的气相和固相体系。泡沫玻璃因其独特的结构，造就了其优异的物理性能，具有无机材料良好的化学稳定性和耐腐蚀性，能够使泡沫玻璃耐受严苛的化学环境。泡沫玻璃具备耐紫外线及热辐射性，并且在高温环境下不分解，低温环境下不变质、不氧化、不燃烧，具有优异的防火性能，是理想的建筑保温材料。闭孔泡沫玻璃的透湿性和吸水性都非常小，在低温环境下，不会因吸水结冰造成体积膨胀而导致材料本身破坏和性能降低。闭孔泡沫玻璃还具有导热系数小、抗冻性强、容重小等优异性能，具备了墙体保温材料所需的物理及化学要求[1-2]。

1 泡沫玻璃的分类、性能与用途

1.1 泡沫玻璃的分类

目前公认的泡沫玻璃分类方法主要有以下几种：按颜色可分为黑色泡沫玻璃、白色泡沫玻璃和彩色泡沫玻璃，泡沫玻璃的颜色主要来自于发泡剂和基础玻璃的颜色；按气泡形态可分为闭孔泡沫玻璃和开孔泡沫玻璃，气泡是否连通也直接决定了泡沫玻璃一些物理性能和用途的不同；按发泡温度可分为低温发泡泡沫玻璃和高温发泡泡沫玻璃；按用途可分为隔热泡沫玻璃、吸声泡沫玻璃、屏蔽泡沫玻璃和清洁泡沫玻璃等；按原料来分可分为钠钙硅泡沫玻璃、硼硅酸盐泡沫玻璃等。

1.2 泡沫玻璃的性能

由于泡沫玻璃具有较高的气孔率，因此它的性质与普通玻璃有很大差异，具有容重小、导热系数小、机械强度高等优良的物理性能以及保温隔热、吸声保水、防火防潮等性能。作为新型的隔热保温材料之一，泡沫玻璃凭借其优良的化学稳定性在建筑工程领域占据着越来越重要的位置。另外，泡沫玻璃的膨胀收缩率较小，与水泥的膨胀收缩率相近，与无机材料结合牢固，使其成为合适的水泥建筑物的保温和防水材料之一。

泡沫玻璃最重要的一项参数就是气孔的大小及其数量，性能优异的泡沫玻璃的气孔应该是大小均一，直径在0.1～5 mm，用肉眼看得见的气孔大致具有相同的大小，分割气孔的壁也含有大量的微小气孔，一般来说，含有50%以上真气孔率的多孔玻璃就可称为泡沫玻璃。实验室和工厂制得的泡沫玻璃其真气孔率一般在80%以上，耐压强度范围为0.8～15 MPa。

1.3 泡沫玻璃的用途

1)用作保温材料。闭孔型泡沫玻璃具有防火、拒水、耐腐蚀、强度高、尺寸稳定性好等优点，可适用于建筑屋面、外墙、地下室保温隔热。

中国目前应用广泛的保温材料主要有岩棉板、聚苯乙烯板、膨胀蛭石和泡沫塑料。尽管这些材料也具备较好的保温性能，但是也存在很多问题。比如：岩棉吸水后，其导热系数就会急剧增大，并且吸水后的岩棉中的水分长时间不易蒸发，对保温隔热作用极其不利；泡沫塑料大都具有较高的膨胀系数，不具备较好的尺寸稳定性，很容易因为热胀冷缩而开裂，并且有机材料还存在老化和失效的问题。泡沫玻璃和其他保温材料的性能对比见表1。

表1 泡沫玻璃和其他保温材料的性能表

2)用作吸声材料。吸声泡沫玻璃要满足吸声性能的要求，就必须提高开口气孔率和连通孔率，二者之和一般占总孔的40%～60%。在应用上，吸声泡沫玻璃不必像保温泡沫玻璃那样具有较高的强度。吸声泡沫玻璃既可应用在公共场所室内音质设计中，控制室内声音混响时间，也可以应用在在恶劣的环境中，比如游泳馆、地铁、道路声屏障等。

3)其他方面的应用。泡沫玻璃还被用作轻质填充材料和轻质混凝土骨料中，既是因为其保温、高强度、耐化学腐蚀性好，还因为其与其他无机材料例如水泥有很好的相容性，可节省大量的矿产资源。泡沫玻璃因其具有轻质、保水性能优良等特点，近年来，泡沫玻璃用作绿化用保水材料也常见诸报端。用泡沫玻璃作为保水材料固定在斜坡上，在坡面因失水变干时可以继续使用泡沫玻璃内部的水分继续供给土壤和树根，还能有效防止水土流失。据报道，青藏铁路沿线的所有护坡、路基的防建工程都是利用碎玻璃生产出的泡沫玻璃，这样在建设的同时又能有效减少对环境的污染[3-4]。

2 泡沫玻璃发泡剂与添加剂的选择

2.1 发泡机理及泡孔大小的影响因素

制备泡沫玻璃常用的发泡剂可以分为两类：氧化还原型发泡剂和热分解型发泡剂。常用的氧化还原型发泡剂主要有碳酸盐、炭黑、碳化硅和硫化物。以炭黑为例，其发泡是通过发生氧化还原反应，夺取玻璃原料中的氧，生成CO、CO2，反应式为：

C+O2=CO2↑

(1)

yC+MXOY=yCO↑+xM

(2)

高温分解型发泡剂主要有碳酸盐、硫酸盐、有机物、氢氧化钠、硝酸盐和双氧水。以碳酸钙为例，碳酸钙分解产生CO2，反应式为：

CaCO3+SiO2=CO2↑+CaSiO3

(1)

CaCO3=CaO+CO2↑

(2)

对泡孔大小的控制，一般采用三种方法：一种是控制发泡剂的粒度和用量，发泡剂粒度的大小和泡沫玻璃的泡径成正比关系，所以发泡剂一定要粒度均一，粒径越小越好；二是通过加入稳泡剂和助溶剂，降低玻璃原料熔化温度，降低烧结温度，提高熔体黏度和控制泡孔大小、形状和分布；三是通过控制烧成温度和保温时间，合理的温度制度会使发泡剂完全反应但是又不会使玻璃熔体粘度过低导致气泡聚结成大泡[5]。

2.2 添加剂的作用与选择

为了提高泡沫玻璃的物理和化学性能，降低烧成温度，拓宽烧成温度范围，降低对能源与生产条件的要求，提高企业效益，泡沫玻璃中需要加入一些添加剂。所用的添加剂一般可分为粘结剂、助熔剂、稳泡剂和其他辅助添加剂[6-7]。

1)粘结剂。粘结剂可提高物料间的结合强度，减少因颗粒间结合不紧密产生的间隙。在泡沫玻璃的发泡过程中，发泡剂的分解温度一般低于原料的融化温度，若坯体中存在大量间隙，发泡剂生成的气体会大量溢出，导致发气量不足，致使坯体气孔率降低。另外，间隙的存在还会导致坯体传热不均匀，影响发泡质量。

2)助熔剂。常用的助溶剂为碱金属氧化物、碱金属盐、碱土金属盐等。当发泡剂反应放出大量气体时，配合料只有已经软化成玻璃相包裹住生成的气体时，才能获得泡孔均一、质量较好的泡沫玻璃。因此，为了获得低密度、泡径均一的泡沫玻璃，必须加入相应的助溶剂来改变玻璃颗粒的表面性质，降低玻璃的粘度和软化温度，使玻璃易于熔融。以碱金属氧化物作用为例，玻璃的微观结构是大小不同的硅氧四面体群，群间有较大的孔隙(自由体积)，可容纳半径较小的粒子穿插移动。在高温时，自由体积比较大，碱金属离子能在空隙中自由移动，使得阳离子极化变形，共价键成分增加而减弱硅氧键的作用，降低熔体黏度；温度降低时，自由体积变小，四面体群的移动受阻，且小型四面体群聚合成大型四面体群，网络键链接程度变大，同时碱金属粒子的迁移能力降低，按一定的配位关系处于某些四面体中，引起局部不均，从而降低了玻璃结构强度。

3)稳泡剂。为了使泡沫玻璃的气孔均匀，防止小气泡团聚形成大气泡，有以下两种方法：一是降低熔体表面张力，使压力差降低，使得气泡移动缺少动力；二是增大玻璃熔体的粘度，减少熔体的流动性，增大气泡移动时的阻力，有效避免小气泡移动形成大气泡和小气泡破裂形成连通孔。常用的稳泡剂有磷酸盐、硼酸盐等。以硼酸为例，硼酸加热会分解生成B2O3，B是网络形成离子，形成的 [BO4]四面体可以起到修补[SiO4]四面体结构的作用，使小四面体群连接成大四面体群，提高熔体的聚合度，进而提高熔体的粘度，延缓气泡壁变薄，从而达到稳定气泡的作用。

3 国内外研究现状

20世纪30年代，法国的Saint-Gobain开始研制以碳酸钙为发泡剂的泡沫玻璃，并申请了第一个关于泡沫玻璃的专利。与此同时，苏联也研制了泡沫玻璃，于1939年在门捷列夫化工学院中间试验厂生产。美国是研制和生产泡沫玻璃较早的国家，也是泡沫玻璃生产量最大的国家，其中康宁公司建立了世界上最大的泡沫玻璃生产厂[8]。近来，日本开发出火山灰-粘土-水玻璃和玻璃粉-火山灰-水玻璃系的泡沫玻璃，在这些系统中，水玻璃作为发泡剂，可制得气泡分布均匀的泡沫玻璃，抗折强度高达2.2 MPa。近年来，随着基础设施建设、房地产开发、石油化工及地下工程的发展，我国每年大约需要4×105m3的泡沫玻璃。广大的市场前景和各国对节能环保材料领域的研发支持，促使很多科研人员加大了对泡沫玻璃的研发兴趣。

对泡沫玻璃的研发主要集中在发泡剂和添加剂种类的研发上。制备泡沫玻璃的原料成分范围较宽，可用各种可以形成玻璃相的废平板玻璃、火山灰、粉煤灰等做原料。但是发泡剂由于发泡温度和机理的不同，在不同的发泡温度下需要采用不同的发泡剂和添加剂。但是在研发的过程中经常会遇到以下技术难点：

1)工业废料或者是矿山废渣的成分较为复杂，难以用一套简单明了的制备工艺和温度制度生产出合格的泡沫玻璃。

2)现在国内大部分的泡沫玻璃存在抗压强度低、抗热冲击性差等缺点，我国泡沫玻璃的强化技术仍处于初级阶段, 目前对工艺特点和深入的机理分析仍然有限,且得到的强化效果也有限。

3)外掺剂的种类和用量对发泡温度范围、泡孔大小、制品强度等都有很大影响。

4)在实际生产中，能耗高、粉尘大、生产效率较低的问题困扰着众多中小企业。

围绕这些问题，近年来已有相关工作人员进行研究并且取得了一定的进展。徐博等[9]研究了Fe2O3对CaO-Al2O3-SiO2系泡沫微晶玻璃析晶和发泡的影响。石墨发泡剂与Fe3+发生氧化还原反应，降低了铁对假硅灰石晶相析晶的促进作用，同时发泡还使得玻璃体的表面积增大，有利于硅灰石晶相的析出；通过引入适量的Fe2O3，可使石墨发泡剂充分反应，获得孔隙率高的泡沫微晶玻璃。于乔等[10]研究了制备泡沫玻璃的典型工艺流程,从热学性质、声学性质、化学性质和力学性质等方面讨论了泡沫玻璃的性能及其应用,同时介绍了各种环境污染严重的固体废弃物在泡沫玻璃中的应用,在实际应用中具有广阔的市场前景和发展空间。郭声波等[11]讨论了泡沫玻璃外墙外保温体系，在保存了 EPS 法和聚苯颗粒法所有优点的同时，克服了其全部缺点。泡沫玻璃应用于外墙外保温有着其他材料不可比拟的优势。泡沫玻璃在建筑保温领域市场份额较低的主要是原因是成本问题。解决这个问题的方法就是不断进行工艺改进，探索泡沫玻璃生产的新工艺、新配方、新设备，加大宣传力度，为提高生产规模、降低生产成本创造条件，从而形成一个生产规模大→成本低→使用单位多→需要量大的良性循环[12-13]。

4 泡沫玻璃的发展趋势与研究方向

泡沫玻璃作为一种国家大力提倡的环保新材料，既可以有效的利用废玻璃、火山灰、粉煤灰等工业废料，又有很大的工业用途。但是泡沫玻璃的推广应用方面还存在以下问题：

1)泡沫玻璃的生产成本较高。这也是泡沫玻璃在墙体保温中尚未得到大规模推广应用的直接原因。

2)没有专业化、规模化的生产厂家。泡沫玻璃的生产方法很多，生产工艺也各不相同，目前国内没有产量很高的生产厂家，没有形成专业化生产。

3)泡沫玻璃尽管原料成分范围较宽，理论上能形成玻璃相的都可用于泡沫玻璃的生产，但是目前看来主要原料还是废玻璃，无法大规模使用低质、价廉、资源丰富的原材料来生产泡沫玻璃。

4)泡沫玻璃目前只是用在了一些附加值较低的领域上，没有应用在一些高精尖领域上，这也直接导致了泡沫玻璃的附价值较低。

为了解决上述问题，很多国内科研人员和专家经过刻苦攻关，也取到了一些成果。大部分关于泡沫玻璃的研究主要是围绕以下几个方面：

1)发泡剂。发泡剂对于泡沫玻璃的生产来说至关重要。泡沫玻璃的原料成分范围很宽，选用何种发泡剂或者是发泡剂组合可有效使用不同的废玻璃和其他原料生产出高强度的泡沫玻璃是现在研究的主要方向。

2)添加剂。不同的原料成分有着不一样的物理化学性质。在泡沫玻璃中，添加剂的作用就是拓宽有效发泡温度、增强泡沫玻璃强度、控制发泡大小及避免形成通孔或聚结成大泡。

3)泡沫玻璃的应用。国内现在对泡沫玻璃的利用还不是很广泛，泡沫玻璃主要用在墙体保温和吸声材料上，并且普及程度很低。只有加大研发投入，不断扩宽原料成分范围，降低生产能耗，加大推广宣传，才能使这种新型环保材料受到工业企业和房地产开发商的青睐。

4)生产工艺。现在泡沫玻璃制法主要有两种，即“一步法”和“两步法”。“一步法”是将配合料装入模具中进行发泡和退火，这种方法会占用大量的模具，并且带模退火不利于毛坯成品率，容易出现毛坯开裂。“两步法”是将泡沫玻璃的配合料在模具中发泡，然后在发泡窑内将模具脱除，将脱模后的毛坯放入退火窑中进行退火。其优点是可以及时观察发泡情况，及时调节发泡温度制度，灵活生产出不同的泡沫玻璃，减少模具的投入量。但是“两步法”在脱模时会耗费大量的人力、物力，浪费能源。只有不断改进生产工艺，才可以使之降低单位产品能耗，充分利用废弃物，提升市场竞争力[14-16]。

泡沫玻璃具有广阔的应用发展前景，尽管目前国内的生产技术还不够成熟稳定，应用领域还不够广阔，但是对泡沫玻璃的需要将会与日俱增，一定会有越来越多的机构和研究人员对其进行深入研究和开发利用，持续优化技术生产工艺，不断开发出性能优良的泡沫玻璃，满足未来社会绿色、低碳的发展需求。