一种利用玻璃纤维废丝制备泡沫玻璃的方法及所得产品、应用

技术领域

本发明属于资源综合利用与材料制备领域，具体涉及一种利用玻璃纤维废丝制备泡沫玻璃的方法及所得产品、应用。

背景技术

玻璃纤维废丝是玻璃纤维生产中产生的不可避免的工业尾料，其规模庞大。然而，随之而来的废丝问题却难以避免。不论是池窑拉丝还是坩埚拉丝，均会产生大约10%至15%的废丝。如果这些玻璃纤维废丝未经妥善处理，将对环境造成污染，其中的有毒化学物质和微小颗粒物还会对人体和生物造成潜在危害。因此，对玻纤废丝进行资源化利用是解决其污染的重要手段。

在实际生产中，泡沫玻璃的生产大多为有模生产，其力学性能较差，难以实现高力学性能与低导热的结合，生产成本的难以降低与力学性能较差大大制约了泡沫的规模化应用。且当前泡沫玻璃的增强大多通过晶化处理进行，随之带来的是泡沫玻璃密度的增加和导热系数的大幅增加，在实际施工过程中破损率较高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用玻璃纤维废丝制备泡沫玻璃的方法，通过无模法（高温发泡过程中无需模具）制备微晶相与超短纤维共存的泡沫玻璃，实现泡沫玻璃高力学性能和优良保温性能的有机结合，制备得到的泡沫玻璃具有较高的机械强度和较低的导热系数。

本发明还提供了一种利用上述方法制备得到的泡沫玻璃。

本发明还提供了上述泡沫玻璃的应用。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：

本发明提供了一种利用玻璃纤维废丝制备泡沫玻璃的方法，包括以下步骤：

（1）分别将玻璃纤维废丝和废玻璃破碎，经球磨机球磨获得玻纤废丝生料、废玻璃生料；

（2）取定量玻纤废丝生料、废玻璃生料、助熔剂、发泡剂和稳泡剂，使用混合机将其混合均匀，获得混合料；

（3）将混合料与适量粘结剂混合均匀后，倒入模具中进行压制，得板状生坯，脱模后放入炉内进行烧制，即得泡沫玻璃。

进一步的，步骤（1）中，所述玻纤废丝生料是由粒径为1～20μm玻纤废丝颗粒状生料和长度为100～150μm的玻纤废丝纤维状生料按照质量比2～5:1组成；所述废玻璃生料的粒径为1～10μm。

本发明所使用的玻纤废丝生料的氧化物组成为：SiO

进一步的，步骤（2）中，所述混合料包括以下组分：玻纤废丝生料67～90%，废玻璃生料3～14%，助熔剂5～15%，发泡剂0.3～3%，稳泡剂0.05～2%。

上述助熔剂为硼酸；所述发泡剂为碳酸盐、锰氧化物和碳化物中的一种或几种的混合；所述稳泡剂为硼砂。

进一步的，步骤（3）中，所述粘结剂为PVA、PVB或PAM的4%水溶液；所述粘结剂添加量为混合料的8-10wt%。

进一步的，步骤（3）中，所述压制的成型压力为45-65MPa，保压时间为1-8min。

进一步的，步骤（3）中，所述烧制的具体过程为：自室温以3～5℃/min的升温速率升至100℃，保温30min；再以3～5℃/min的升温速率升至650～700℃，预热20～40min；再以4～8℃/min的升温速率慢速升温至900～1050℃，进行发泡20～60min；后以8～18℃/min的速率快速升温至1100～1200℃进行析晶10～40min，再以5～15℃/min的降温速率降至500～750℃，保温50～80min；然后以0.2～2℃/min的降温速率降至室温。

本发明还提供了一种利用上述方法制备得到的泡沫玻璃，该泡沫玻璃的体积密度为0.25-0.90g/cm

本发明还提供了上述泡沫玻璃的应用，该泡沫玻璃具有质轻、保温隔热、力学性能高，可广泛应用于石化保冷、建筑保温、电力以及新型墙壁隔段等领域，同时泡沫玻璃具有一定的降噪作用，可应用于游泳馆、地铁、食品和纺织车间等潮湿、防火并有低噪要求的建筑工程中。

本发明提供的原料组分中：玻纤废丝中的高Al

进一步地，在上述步骤1中原料球磨过程中球料比需在0.5～3.5，球磨时间为0.5～1.5h，所获得玻纤废丝生料中颗粒与纤维质量比例在2～4之间，颗粒粒径控制在1～20μm、短纤维长度在100～150μm，废玻璃生料粒度为2～15μm。其中，控制球料比与球磨时间可分别获得粒径一定的玻纤废丝生料与超短纤维，其中超短纤维在泡沫玻璃中起到增强材料的作用，合理调整颗粒状与纤维状原料配比可进一步提高泡沫玻璃强度。

助熔剂为硼酸，硼酸具有较低的熔点，可以较好的帮助泡沫玻璃形成液相。发泡剂为碳酸盐、锰氧化物和碳化物，如碳酸钙、氧化锰、碳化硅、碳黑，其均可以在高温下分解或与氧气反应生成气体，从而在液相中形成孔。稳泡剂为硼砂，硼砂可以降低液相粘度，降低连通孔的产生，提高孔结构的均匀度。

配合料进行压制成型后进行脱模形成板状生坯，可摆脱发泡过程中模具的使用，大幅降低成本。

本发明对板状生坯进行烧制过程中：其中100℃的热处理为自由水的脱去；650～750℃的热处理为泡沫玻璃的预热以及有机物的排去；900～1050℃的热处理为泡沫玻璃配合料的发泡过程，预热温度至该温度升温过程不宜过快，需控制升温速率，防止产生大的联通孔；1100～1200℃是泡沫玻璃进行析晶的过程，为尽可能小的影响生成的孔结构，以较高的升温速率升至析晶温度；后面650～750℃的热处理为泡沫玻璃的退火，消除内部的应力。

本发明利用玻纤废丝制备泡沫玻璃，无需对其进行重熔，也无需添加太多外加剂。由于玻璃纤维废丝化学组成中氧化铝的含量高，并且氧化铝能够作为玻璃中间氧化物连接硅氧四面体，因此它们的高含量有效提高了泡沫玻璃的力学性能。我们使用微晶化与超短纤维对泡沫玻璃进行强化，在保持良好的隔热性能与较低密度的同时，实现了泡沫玻璃的高强度。与现有技术相比，增强效果更加显著、可靠，而且是对泡沫玻璃本体结构的改进，能够持久地提高材料的性能，具有高的实用价值。

本发明制备的泡沫玻璃具有质轻、强度高、热导率低、耐水耐潮、耐腐蚀、不燃等特点，可广泛应用于石化保冷、建筑保温、电力等领域，同时泡沫玻璃具有一定的降噪作用，可应用于游泳馆、地铁、食品和纺织车间等潮湿、防火并有低噪要求的建筑工程中。

本发明生产制备的泡沫玻璃具有较高的力学性能，原因为如下：（1）由于玻璃纤维废丝化学组成中氧化铝的含量高，并且氧化铝能够作为玻璃中间氧化物连接硅氧四面体，因此它们的高含量有效提高了泡沫玻璃的力学性能。同时，通过对原料的处理获得了颗粒与超短纤维具有一定比例的生料，共此方法中超短纤维可作为增强材料提高泡沫玻璃的力学性能。热处理过程中的析晶过程，严格控制析晶过程中的温度与时间参数，控制形成少量的晶相提高力学性能的同时可尽可能小的影响其他性能。（2）玻璃纤维粉的磨碎过程可以产生较大的表面积和更多的活性位点。在磨碎过程中，玻璃纤维颗粒受到力的作用而被破碎或剪断，形成更小的颗粒，从而增加了颗粒的表面积。这样的表面积增加可以提供更多的接触面积，以吸附和固定熔质分子。此外，磨碎过程还会导致玻璃纤维的表面结构发生变化。原本比较光滑的玻璃纤维表面可能会因磨碎而形成更多的不规则或粗糙结构，这些结构具有更多的活性位点，有助于吸附和固定熔质分子，并提供晶体生长的初始点。上述纤维作为增强体，当材料受到外载荷时，载荷通过载荷传递机制从基体和包裹在纤维周围的微晶向玻璃纤维传递，从而大大提高了其强度。同时，可利用其自身组成的成分作为晶核剂而不再外加其他形核剂，节省成本，实现玻璃纤维废丝的高效资源利用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明采用玻璃纤维废丝为主要原料，克服现有技术发泡过程需要模具、力学性能不够理想和难以兼具高隔热性能与力学性能的不足，通过原料的处理得到同时具有颗粒与超短纤维的生料，借助大压力压制工艺的同时控制生坯尺寸比例获得生坯，最后经过发泡与微晶化提供了一种体积密度较低、气孔均匀、导热系数较低、抗压强度等力学性能优良、化学稳定性好的烧结制品，既可利用固废，节约成本，也符合了环境保护的要求，给建筑行业带来可观的经济效益，从而实现在较低能耗下大规模利用玻璃纤维废丝生产泡沫玻璃的目的。

（2）环保节能：本发明主要原料为废弃玻璃纤维、废玻璃，这种生产方式避免了将玻璃纤维废料直接丢弃，泡沫玻璃中玻纤废丝生料占比在60%以上，减少了废弃物对环境的污染染，符合现代环保理念；同时，泡沫玻璃本身就具有优异的保温性能，可以降低能源消耗，节约能源。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的泡沫玻璃的样品图片；

图2为不含废玻璃生料制备得到的泡沫玻璃的样品图片；

图3为本发明实施例3制备得到的泡沫玻璃的样品图片。

具体实施方式

下面通过具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。

实施例1

（1）原料球磨过程中球料比为1：1，玻璃纤维废丝球磨时间为1h获得粒径为4～15μm玻纤废丝颗粒状生料；玻璃纤维废丝通过球料比为0.5，球磨时间为0.5h，获得长度为100～150μm的玻纤废丝纤维状生料；然后玻纤废丝颗粒状生料和玻纤废丝纤维状生料按4：1的配比获得玻纤废丝生料。球料比为1.2：1，球磨时间为1h，获得粒径为1～10μm的废玻璃生料。

（2）泡沫玻璃混合料重量组成为：玻纤废丝生料84.63%；废玻璃生料4.45%；硼酸8.91%；碳化硅1.34%；氧化锰：0.22%；硼砂0.45%；

玻纤废丝生料的质量组成为：SiO

废玻璃氧化物质量组成为：SiO

上述配合料按配比称量后放入混料机中进行混合均匀，后加入配合料质量10%的PVA水溶液（4%），再使用混料机进行混合均匀，得混合物料。

（3）将混合物料在压力62.5MPa下保压2.5分钟，脱模后获得规则形状的板状生坯。

（4）然后将板状生坯置于炉中进行发泡造孔、析晶烧结，其热处理制度为：自室温以5℃/min的升温速率升至100℃，保温30min排除水分；再以5℃/min的升温速率升至700℃，预热30min；再以5℃/min的升温速率慢速升温至900～1050℃，进行发泡30min；后以13℃/min的速率快速升温至1130℃进行析晶25min，再以5℃/min的降温速率降至650℃，保温40min；然后以0.2～2℃/min的降温速率降至室温。

最终获得泡沫玻璃，如图1所示：其密度为0.31g/cm3，导热系数为0.0913W/（m·K），抗压强度为3.11MPa。

当采用玻纤废丝生料替代废玻璃生料后，制备得到的泡沫玻璃如图2所示。

实施例2

（1）原料球磨过程中球料比为1：1，玻璃纤维废丝球磨时间为1h获得粒径为4～15μm玻纤废丝颗粒状生料；玻璃纤维废丝通过球料比为0.2，球磨时间为0.2h，获得长度为140～190μm的玻纤废丝纤维状生料；然后按颗粒：纤维=2：1的配比获得玻纤废丝生料。球料比为1.2，球磨时间为1h，获得粒径为1～10μm的废玻璃生料。

（2）泡沫玻璃混合料重量组成为：玻纤废丝84.63%；废玻璃4.45%；硼酸8.91%；碳化硅1.34%；氧化锰：0.22%；硼砂0.45%。

上述配合料按配比称量后放入混料机中进行混合均匀，后加入配合料质量10%的PVA水溶液（4%），再使用混料机进行混合均匀，得混合物料。

（3）将混合物料在压力62.5MPa下保压2.5分钟，脱模后获得规则形状的板状生坯。

（4）将板状生坯置于炉中进行发泡造孔、析晶烧结，其热处理制度为：自室温以5℃/min的升温速率升至100℃，保温30min排除水分；再以5℃/min的升温速率升至700℃，预热30min；再以5℃/min的升温速率慢速升温至900～1050℃，进行发泡30min；后以13℃/min的速率快速升温至1130℃进行析晶25min，再以5℃/min的降温速率降至650℃，保温40min；然后以0.2～2℃/min的降温速率降至室温。

最终获得泡沫玻璃，其密度为0.43g/cm3，导热系数为0.1159W/（m·K），抗压强度为5.70MPa。

实施例3

（1）原料球磨过程中球料比为1，玻璃纤维废丝球磨时间为1h获得粒径为4～15μm玻纤废丝颗粒状生料；玻璃纤维废丝通过球料比为0.5，球磨时间为0.4h，获得长度为100～150μm的玻纤废丝纤维状生料；然后按4：1的配比获得玻纤废丝生料。球料比为1.2，球磨时间为1h，获得粒径为1～10μm的废玻璃生料。

（2）泡沫玻璃混合料重量组成为：玻纤废丝75.72%；废玻璃13.36%；硼酸8.91%；碳化硅1.34%；氧化锰：0.22%；硼砂0.45%。

上述配合料按配比称量后放入混料机中进行混合均匀，后加入配合料质量10%的PVA水溶液（4%），再使用混料机进行混合均匀，得混合物料。

（3）将混合物料在压力62.5MPa下保压2.5分钟，脱模后获得规则形状的板状生坯。

（4）将板状生坯置于炉中进行发泡造孔、析晶烧结，其热处理制度为：自室温以5℃/min的升温速率升至100℃，保温30min排除水分；再以5℃/min的升温速率升至700℃，预热30min；再以5℃/min的升温速率慢速升温至1000℃，进行发泡30min；后以13℃/min的速率快速升温至1100℃进行析晶40min，再以5℃/min的降温速率降至650℃，保温40min；然后以0.2～2℃/min的降温速率降至室温。

最终获得泡沫玻璃，如图3所示：其密度为0.52g/cm3，导热系数为0.1359W/（m·K），抗压强度为8.53MPa。

对比例1

步骤（1）-（3）同实施例2；

（4）将板状生坯置于炉中进行发泡造孔、析晶烧结，其热处理制度为：自室温以5℃/min的升温速率升至100℃，保温30min排除水分；再以5℃/min的升温速率升至700℃，预热30min；再以5℃/min的升温速率慢速升温至850℃，进行发泡30min；后以13℃/min的速率快速升温至1130℃进行析晶40min，再以5℃/min的降温速率降至650℃，保温40min；然后以0.2～2℃/min的降温速率降至室温。

最终获得泡沫玻璃，其密度1.4286g/cm

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不以限制本发明，在不偏离本文揭示本发明范围的前提下，可设计出其他实施方式。因此，凡在本发明的精神和原则之内的修改、替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。