利用粉煤灰和玻璃粉制备轻质泡沫材料开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

第一章 前言

目前我国火力发电的燃料仍是以烧煤为主，随着经济的发展，国家在粉煤灰排放量方面也会逐年增加。粉煤灰是煤粉中的粘土矿物(主要是高岭石、方解石等)随煤粉在锅炉中燃烧，经分解、烧结、熔融及冷却等过程形成的粉状残留物,主要由硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒组成。一直以来，粉煤灰都被当作一种工业废渣来进行处理，直到20世纪30年代，美国开始用粉煤灰当作混凝土填料以提高其应用价值。随即，对粉煤灰新用途的研究开始越来越多，广泛应用于混凝土、水泥、烧结砖、陶粒等建材领域。由于粉煤灰的化学成分与粘土、玻璃粉化学成分接近，因此将粉煤灰应用于陶瓷和玻璃领域的研究备受关注。

粉煤灰基泡沫陶瓷和泡沫玻璃的研究及制备成为近年来粉煤灰利用领域的研究重点。泡沫陶瓷和泡沫玻璃具有低容重、气孔率高、强度高、耐化学腐蚀、耐高温等性能，可广泛用于过滤材料、化工管道、建筑保温材料等领域。

粉煤灰和废玻璃是排放量大且集中的两种工业废渣。因而，以粉煤灰和玻璃粉为主要原料，同时添加发泡剂和适量辅助原料，通过高温烧成工艺制备轻质泡沫材料，对提高工业废渣的利用率和减少环境污染具有重要意义。

本实验以粉煤灰和玻璃粉为主要原料，结合无机多孔材料的制备方法，通过浆料发泡、常温养护、高温烧成等工艺制备新型的质轻、强度高、保温性能优良的轻质泡沫材料。

第二章 粉煤灰的结构及基本性质^[1]

煤粉进入1300~1500 ℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却形成粉煤灰。由于表面压力的作用，粉煤灰颗粒大部分呈球形，表面疏松多孔，比表面积大，且具有一定的活性基因和吸附特性^[2]，其主要物理性质见表2-1^[3]。

表2-1 粉煤灰的主要物理性质

粉煤灰的主要化学成分有SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、Fe₂O₃和未燃烧的碳，一些微量元素和稀有元素，可用经验公式表示：

Si_{1. 0}Al_{0. 45}Ca_{0. 51}Na_{0. 047}Fe_{0. 039}Mg_{0. 020}K_{0. 013}Ti_{0. 011} ^[4]。我国大多数粉煤灰的化学成分如表2-2^[5]所示，其中SiO₂与Al₂O₃是其主要化学成分和活性成分，其含量越高，粉煤灰活性就越高，吸附效果就越好。Fe₂O₃可以降低粉煤灰的熔点，促进粉煤灰玻璃微珠的形成，提高粉煤灰的活性。

表2-2 我国大部分粉煤灰的化学成分(%)

粉煤灰的矿物组分有氧化硅、石英、莫来石、磁铁矿、黄铁矿、生石灰和硫酸盐等。不同地区不同类型的粉煤灰所含的矿物组分差异很大。我国一些地区粉煤灰的矿物成分如表2-3^[3]所示。

表2-3 我国粉煤灰的矿物组成(%)

第三章 国内外轻质泡沫材料的研究概况

3.1泡沫玻璃

中国的泡沫玻璃^[6]研究开始于20世纪50年代，并由沈阳陶瓷厂研制生产成功第1批泡沫玻璃旧^[7]。由于泡沫玻璃具有优良的防火、防水、绝热、轻质、高强的性能，进入2l世纪以来，随着我国建筑节能发展需要，泡沫玻璃在建筑节能与防火领域得到普遍认可和应用，并因此获得迅速推广应用。

目前，我国已有十多个泡沫玻璃生产厂家，年产量规模已达40万m³，单线最大生产能力已达4万m³/a，所有厂家均采用的是两步法生产泡沫玻璃毛坯块。法国是发明泡沫玻璃最早的国家，其生产泡沫玻璃所采用原料为多原料体系，充分地利用工业废渣来生产泡沫玻璃，还研制复杂碱金属氧化物和碱土金属硅酸盐泡沫玻璃体系。前苏联于1939年在门捷列夫化工学院的中间试验厂研制成功了泡沫玻璃产品，其生产工艺是典型的一步法工艺。前苏联在生产泡沫玻璃方面积累了丰富的经验，原料选择上不仅重视废玻璃，而且特别注视工业废渣的综合利用，原料大多数是工业废渣。采用这种方法生产的泡沫玻璃，不但解决了工业废渣综合治理问题，还可以缩短热处理的时间，提高经济效益。除此之外，他们还成功利用回转窑制成颗粒状泡沫玻璃，作为建筑轻骨料。

美国也是研制和生产泡沫玻璃较早的国家之一，起步于20世纪40年代。美国对于泡沫玻璃生产和研究一直处于领先地位，是世界上最大的泡沫玻璃生产国，其中美国康宁公司是世界上最大的泡沫玻璃生产厂。日本从1945年以后才逐渐重视泡沫玻璃的研究工作，其买到法国St. Gobain公司的粉末烧成法专利技术的使用权并制备泡沫玻璃投入市场^[7]。同时结合实际生产，对发泡剂作了深入系统的研究工作，以白云石替代了碳黑及碳酸钙等发泡剂，采用低软化点的钠钙玻璃来生产泡沫玻璃，取得了一系列的研究成果。德国普遍采用低温生产工艺，其优点是降低装备造价，节约能源。原料主要为有色或无色钠钙硅玻璃，生产出来的泡沫玻璃具有良好的保温性。德国很重视废渣的综合利用，其中JSJ公司在开发包括灰尘物、炉渣、废气清理残渣、含石棉残渣、污染土壤等废弃物处理与废渣熔炼技术方面取得了一系列的成就。英国生产的泡沫玻璃用途较为广泛，很大部分用于建筑保温，且英国是首家采用浮法工艺生产带状及夹金属丝网增强泡沫玻璃的国家。瑞士利用废玻璃为原料，采用天然气作为加热能源，突破了传统以电为能源的束缚。利用回转窑生产质量和技术要求较好的泡沫玻璃颗粒，可作为性能优越的隔热、防潮、防火、永久性的高强轻质骨料，用于建筑业，为泡沫玻璃材料开辟了新的应用领域。加拿大生产泡沫玻璃的方法是利用钠钙玻璃为原料，开创性地采用云母粉作发泡剂，其产品具有良好的隔热性能和的机械性能。

3.2泡沫陶瓷

作为多功能、低能耗的典型代表，泡沫陶瓷近年来已成为各国学者研究的对象。

多孔陶瓷的使用可以追溯到19世纪70年代，是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20%～95%之间，使用温度为常温～1600℃。

泡沫陶瓷一般可以分为两类，即开孔（网状）陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷材料，其孔隙是相互连通的；如果存在固体壁面，则泡沫体称为闭孔陶瓷材料，其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。

到了20世纪70年代，一些发达国家如美国、日本在此种材料的开发及使用上走在了世界的前列。目前世界上生产泡沫陶瓷规模最大的厂家是美国的Astro和Selee公司，采用浸渍辊压成型机成型，坯体用微波干燥，高温辊道窑采用计算机监控连续烧成，检测及封装也均机械化，整个生产工艺达到了很高的技术水平^[8]。

我国1954年才开始进行多孔陶瓷材料的研究工作，泡沫陶瓷的研究更是到了80年代才开始。近20多年来已先后有十几家科研机构和厂家进行了泡沫陶瓷制品的探索研究并取得了一定的成绩。

泡沫陶瓷具有密度低、气孔率高、抗腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点，目前已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物、食品、医药等领域，作为过滤催化剂和催化剂载体分离、隔热吸音、敏感元件、扩散、布气、化工填料、生物陶瓷、化学传感、辐射活化等元件材料^[9]。

第四章 轻质泡沫材料的分类及制备工艺

4.1粉煤灰泡沫玻璃的制备工艺^[10]

利用粉煤灰研制泡沫玻璃有2 种方法。

第1种方法是：将粉煤灰等原料先制成玻璃，再加入发泡剂制成泡沫玻璃。其操作方法是：(1)利用粉煤灰作硅质原料，再加入其它原料，混合磨细制成玻璃配合料，其化学成分应满足制作玻璃的需要；(2)将玻璃配合料加热至高温，通过固相反应、融熔、均化，制成符合成型要求的玻璃液，再经冷却制成玻璃；(3)按一定比例，将玻璃、发泡剂混合磨细，制成所需形状的坯体，加热到800~900℃，由于发泡剂生成大量气体，在坯体内形成均匀细小的封闭气孔结构，然后升温至950℃，保温1h，再经冷却即得泡沫玻璃。

采用这种方法可得到质量好的泡沫玻璃，但操作步骤多，能耗高。

第2种方法是：将粉煤灰作为填料加入到玻璃中，所得的泡沫玻璃质量取决于粉煤灰掺量、细度及粉煤灰在玻璃配合料坯体中的分散状况等。其操作方法是：(1)按一定比例将碎玻璃(窗玻璃、平板玻璃、瓶罐玻璃)、粉煤灰、发泡剂混合磨细，制成所需形状的坯体；(2)将坯体加热到800~900℃，由于发泡剂生成大量气体，在坯体内形成均匀细小的封闭气孔结构，使软化了的玻璃配合料坯体体积膨胀，然后升温至950℃，保温1h，再经冷却即可得泡沫玻璃。

采用这种方法制作泡沫玻璃，工艺简单、能耗低，但影响因素较多，控制不好将会影响泡沫玻璃质量。利用粉煤灰制作泡沫玻璃的这2种方法的关键都是要控制好玻璃配合料坯体的发泡温度与烧结温度，以保证：(1)玻璃配合料坯体软化温度与发泡剂生成气体的温度相匹配；(2)玻璃配合料坯体内能形成均匀分布的封闭气孔，且气孔结构具有一定塑性强度。

4.2粉煤灰泡沫陶瓷的制备工艺

泡沫陶瓷的制备方法有很多种，下面举例几种常用的方法。

（1） 发泡法

发泡法的原理是在陶瓷粉料中加入发泡剂，经化学反应产生挥发性气体，再经烧成制得。采用反应发泡的方法，可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品。发泡反应法成形泡沫陶瓷工艺较复杂，不易控制，且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭口气孔，因而在实际制备中较少被采用。常见的发泡剂有碳酸钙、氢氧化钙、硫酸铝和双氧水^[11]。

（2）添加造孔剂工艺

该方法是在陶瓷配料中加入造孔剂，造孔剂在坯体中占据一定空间，在高温下，造孔剂会挥发或燃尽，从而在陶瓷体中留下孔隙并制成泡沫材料。这种方法所制得的泡沫材料形状复杂、孔隙各异，所得气孔率一般在50%以下。

造孔剂分为无机造孔剂和有机造孔剂。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类，以及其它可分解化合物如Si₃N₄或无机碳，如煤粉、碳粉等；有机造孔剂主要是一些天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、萘、淀粉、及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等^[12]。

（3） 溶胶-凝胶法

此种方法多用来制备微孔陶瓷膜和多孔陶瓷载体。溶胶-凝胶工艺是一种新的制备多孔陶瓷的方法。它主要是在溶胶-凝胶基本原理的基础上，利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下小气孔或借助有机泡沫烧后的多孔骨架，从而形成可控多孔结构^[13]。其基本过程为：将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢滴入水以进行水解反应，得到相应的金属氧化物溶胶；调节其 pH 值，通过凝聚缩合反应，纳米尺度的金属氧化物微粒发生聚集，形成无定形网络结构的凝胶。将凝胶干燥并作热处理，有机物产生分解后，即得到多孔金属氧化物材料。与其它工艺相比具有粒子细小、活性大、工艺简单并能实现多组份均匀掺杂、处理温度相对较低等特点^[14]。

（4）有机前驱体浸渍法

该方法基本思路是：首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中，然后经过干燥、烧成使有机泡沫脱离母体就可以获得泡沫陶瓷。通过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。该方法是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法，用此种成形方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用^[15]。但是有机前驱体浸渍法存在一个明显的缺陷，即有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。

（5）注模法

注模法是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料，然后浸渍聚合物泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层，最后有机单体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应，使浆料凝固。其关键技术是如何控制料浆内部及添加剂的原位化学反应，使陶瓷料浆原位凝固形成坯体^[16]。该方法能够制备机械强度高、微观结构均匀，结构致密的泡沫陶瓷。该方法具有灵活的可调性，可以根据材料性能的要求自由控制凝固时间，同时可以实现复杂形状成形，用来制备形状复杂，具有特殊要求的陶瓷材料。它是一种被广泛应用的新型成形方法，且工艺简单，适合大批量生产。

参考文献

[1] 潘钟, 罗津晶, 薛姗姗, 罗锦英. 粉煤灰利用的回顾与展望[J]. 厦门大学环境科学研究中心, (2008).

[2] 宋子言, 刘秉钺, 王井, 等. 利用粉煤灰处理污水的研究和进展[J]. 辽宁化工, 2007, 36 (5): 343-346.

[3] 王伟, 周华强. 粉煤灰对环境的危害及其综合利用[J]. 建材技术与应用, 2007 (5) :4~6.

[4] Chen Jianjun, Li Yuncong. Coal Fly Ash as an Amendment to Container Substrate for SpathiphyllumProduction[J]. Bioresource Technology, 2006, 97: 1920~1926.

[5] 黄晓军. 粉煤灰的环境危害与新技术利用[J]. 广东化工, 2007, 34( 5): 77~79.

[6] 田英良, 张磊, 顾振华, 孙诗兵, 罗红岩. 国内外泡沫玻璃发展概况和生产工艺[J]. 北京工业大学材料科学与工程学院玻璃材料研究室(2010).

[7] 徐美君. 世界泡沫玻璃的生产应用及市场[A]. 全国第五届浮法玻璃及深加工玻璃技术研讨会论文[c]. 上海: 中国硅酸盐学会, 2003.

[8] 陈艳林, 严海标. 多孔陶瓷的制备和性能研究[J]. 陶瓷, 2005, (3): 13~15.

[9] Zhu Qiang, Zhang Fanwei, Zhang Yue. A novel approach for the effective thermal conductivity of porous ceramics[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2006, 19(Z1): 244~247.

[10] 方荣利, 刘敏, 周元林. 利用粉煤灰研制泡沫玻璃[J]. 新型建筑材料, 2003(6): 38~40.

[11] 资文华. 溶胶-凝胶法制备多孔陶瓷的研究进展[J]. 中国陶瓷, 2003, 39(4): 14~28.

[12] A. Hajimohammadi, J.L. Provis, J.S.J. van Deventer. One-part geopolymer mixes from geothermal silica and sodium aluminate[J]. Ind. Eng. Chem. Res. 47 (2008): 9396~9405.

[13] 朱新文, 江东亮. 有机泡沫浸渍工艺一种经济实用的多孔陶瓷制备工艺[J]. 硅酸盐通报, 2000, (3): 4~51.

[14] 周新涛. 粉煤灰质磷酸盐泡沫陶瓷制备工艺研究: [硕士学位论文]. 昆明: 昆明理工大学, 2004.

[15] Vassilev, Karayigit. Phase-mineral and chemical composition of fractions separated from composite fly ashes at the Soma power station[J]. International Journal of Coal Geology, 2005, 61(1): 65~85.

[16] K.S. Hui, C.Y.H. Chao. Pure, single phase, high crystalline, chamfered-edge zeolite 4A synthesized from coal fly ash for use as a builder in detergents[J]. J. Hazard. Mater. B 137 (2006): 401~409.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.主要研究或解决的问题：

本实验以粉煤灰和玻璃粉为主要原料，通过浆料发泡、常温养护、高温烧成等工艺制备轻质泡沫材料。探究玻璃粉掺量、焙烧温度及保温时间对泡沫材料干密度、抗压强度、导热系数等性能的影响。

2.拟采用的研究手段：