一种强吸音开孔发泡玻璃及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料，具体涉及一种强吸音开孔发泡玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、泡沫玻璃是一种典型的多孔材料，具有密度小、质量轻、热阻大、耐温高等特点，广泛应用于建筑、国防和工业。泡沫玻璃的制备原料包括在高温下能玻璃化的主体原料及能够释放出气体形成气泡的发泡剂，其发泡工艺采用高温烧结法。在发泡温度下发泡剂由于其热分解或热活化反应而释放出气态物质，在软化的玻璃中形成气泡，从而形成泡沫玻璃。

2、泡沫玻璃因其广泛的应用而备受关注，如分离工艺、骨再生、隔热和隔音、阻燃性、高耐化学性等。由于泡沫玻璃优良的物理、化学性能，使其广泛应用于石油、化工、电力、国防军工等领域，也可直接用来制作奇石、大型雕塑、各种工程构件、绿化墙等。泡沫玻璃作为一种绝热保温材料，具有强度高、热导率低、耐水耐潮、耐侵蚀等优异性能，可用于冷库、地下输油管道及各类建筑物的墙体与顶棚，起绝热保温作用。

3、在泡沫玻璃的制备过程中，添加剂对气泡的形成和气泡结构的稳定性起着重要作用。常用的添加剂有发泡剂、稳泡剂和助溶剂。不同类型的试剂在泡沫玻璃中起不同作用。同样，对泡沫玻璃的孔结构和宏观物理性能的影响也不同。

4、发泡剂是指能够促进配合料形成气孔结构的物质。发泡剂一般分为两类：一类是高温自分解，在高温下可分解释放氧气、二氧化碳、二氧化硫等气体，如碳酸盐类（碳酸镁、碳酸钙、碳酸钠、白云石粉等）、硫酸盐类（芒硝、硬石浆等）和二氧化锰；第二种是高温化学反应，可与其他物质在高温下反应生成二氧化碳、一氧化碳等气体，如炭黑、碳粉、石灰石、菱镁矿、碳化硅、铝粉等。

5、稳定剂也可以称为改性剂。添加适量的泡沫稳定剂可以改善泡沫玻璃的性能，增加发泡温度范围，减少连通孔，提高保温性能、机械强度和制品的成品率。目前采用的稳泡剂有六偏磷酸钠、硼酸、氧化铁、磷酸钠、三氧化二梯、硼砂、焦磷酸钠、硫酸钠等。

6、在泡沫玻璃的生产过程中，助熔剂也是一种重要的添加剂。在主体加热过程中，软化温度降低，以便在发泡剂反应并释放气体时能够完全软化。通常，添加一定量的助熔剂。因为当温度达到玻璃的熔化温度时，发泡剂开始缓慢反应，产生的气体将从未熔化混合物的间隙中逸出。只有适当降低混合物的熔化温度，确保混合物在产生大量发泡气体之前完全软化为熔融状态，才能获得质量更好的泡沫玻璃。

7、中国专利文献cn107265871a公开了一种节能泡沫玻璃及其制备方法，所述泡沫玻璃包括如下重量份的原料：碎玻璃80~120份、二氧化硅10~20份、硫酸钠0.5~3份、碳酸钠0.2~0.8份、氧化钙2~6份、氧化镁0.5~2份、五氧化二磷0.2~0.8份、粗硼砂1~5份、三氧化二锑0.2~0.6份、发泡剂3~8份、分散剂1~3份；制备方法包括碎玻璃的处理、混料、预热烧结发泡三个步骤。

8、泡沫玻璃的隔音效果是由内部的开孔气泡决定，但现有的泡沫玻璃吸声、隔音效果差强人意。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种强吸音开孔发泡玻璃及其制备方法，制备得到的发泡玻璃机械强度高，具有复杂的孔隙结构，可以显著提高入射声波的反射次数及摩擦粘滞作用，从而提高发泡玻璃的吸音和隔声效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种强吸音开孔发泡玻璃，以重量份数计，由以下组分制成：玻璃粉90~95份、碳酸钠1~5份、氟硅酸钠3~5份、磷酸钠3~5份、改性玄武岩纤维2~6份。

4、优选的，所述改性玄武岩纤维的制备方法，包括如下步骤：

5、（1）将玄武岩纤维在无水乙醇中浸泡，然后在丙酮中清洗，抽滤后烘干，得到预处理玄武岩纤维；

6、（2）将预处理玄武岩纤维加入到高锰酸钾溶液中，搅拌反应，将产物过滤、烘干，得到二氧化锰负载玄武岩纤维；

7、（3）将二氧化锰负载玄武岩纤维、正硅酸乙酯分散在无水乙醇中，滴加氨水调节ph，将产物过滤、烘干，得到所述改性玄武岩纤维。

8、优选的，步骤（1）中，玄武岩纤维的单丝直径为7~13μm，长度为5~25mm，弹性模量为95~115gpa，抗拉强度为3300~4500mpa，断裂伸长率为2.4%~3.0%，密度为2.6~2.8g·cm-3。

9、优选的，步骤（1）中，无水乙醇中浸泡2~3h，丙酮中清洗12~18h。

10、具体的，步骤（1）中，无水乙醇中浸泡时间可以为2h、2.5h、3h；丙酮中清洗时间可以为12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h。

11、优选的，步骤（2）中，高锰酸钾溶液浓度为2wt%~5wt%；预处理玄武岩纤维、高锰酸钾溶液的用量比为10g：50~100ml。

12、优选的，步骤（2）中，搅拌反应条件为50~60℃下保温反应4~6h。

13、具体的，步骤（2）中，搅拌反应温度可以为50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃、60℃；反应时间可以为4h、4.5h、5h、5.5h、6h。

14、优选的，步骤（3）中，二氧化锰负载玄武岩纤维、正硅酸乙酯、无水乙醇的用量比为10g：3~8g：100ml。

15、优选的，步骤（3）中，用氨水将ph调节至7~11。

16、具体的，步骤（3）中，用氨水将ph调节至7、8、9、10、11。

17、优选的，所述玻璃粉的原料及质量份数如下：55.3~61.6份sio2、13.3~18.6份na2co3、9.0~11.6份caco3、5~5.7份al2o3、3.56~5.8份mgco3、0.73~3.7份k2co3、0.51~1.2份fe2o3、0.53~1.1份baco3、0.47~0.9份na2so4、0.05~0.3份sro。

18、更为优选的，所述玻璃粉的原料及质量份数如下：58.45份sio2、15.95份na2co3、10.3份caco3、5.35份al2o3、4.68份mgco3、2.215份k2co3、0.855份fe2o3、0.815份baco3、0.685份na2so4、0.175份sro。

19、优选的，所述玻璃粉的制备方法如下：将玻璃粉的原料放入球磨罐中进行干磨，干磨3~6h后于1100~1300℃熔制，出炉立即水淬，将其干燥后干磨3~6h，过140~200目筛，得到所述玻璃粉。

20、本发明还要求保护一种所述强吸音开孔发泡玻璃的制备方法，包括如下步骤：

21、a、按质量份配比称取原料，将玻璃粉、碳酸钠、氟硅酸钠、磷酸钠、改性玄武岩纤维送至研磨机中粉碎混合至200~250目，得混合料；

22、b、将混合料装入模具中，振动混合均匀后放入热等静压炉中并抽真空，在550~600℃下预热20~40min，然后以50~80℃/min升温至950~1050℃，发泡40~80min；然后降温至550~600℃，保温20~40min进行退火，最后以2~3℃/min冷却至100℃以下，得到所述强吸音开孔发泡玻璃。

23、碳酸钠的发泡原理如下：

24、na2co3→nao+co2↑；na2co3+sio2→na2sio3+co2↑。

25、在无氧环境中，混合料经过分阶段加热过程。首先，缓慢升温至550~600℃，并维持20~40min，这一预热阶段用于去除坯体中的结合水和易挥发物质。随后，快速升温至950~1050℃，保温40~80min，进行烧结和无氧发泡。整个过程中持续抽气，确保热等静压炉内保持无氧负压状态。

26、在这种环境下，碳酸钠作为发泡剂在坯体中产生气泡结构。同时，由于高温和负压条件，玻璃熔体的流动性增强，粘度和界面张力降低。这使得坯体内的气体能够在气泡中膨胀，导致气泡增大，气泡壁变薄。

27、随着发泡过程的进行，小气泡逐渐融合形成大气泡，并有向外扩展的趋势。靠近坯体表面的气泡，受内外压力差的影响，可能会突破气泡壁，形成开放孔。这一系列变化最终导致了多孔结构的形成，并产生大的开气孔率。

28、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

29、1）本发明提供了一种强吸音开孔发泡玻璃，碳酸钠作为发泡剂，在高温下分解产生气体，形成均匀的孔隙结构，有助于提高材料的吸音性能；氟硅酸钠为助熔剂，可以降低玻璃的熔融温度，有利于发泡过程的进行，同时还能降低能耗；磷酸钠作为稳泡剂，能够稳定发泡过程中形成的气泡，防止气泡过快破裂或合并，有助于形成均匀、稳定的孔隙结构；同时添加了改性玄武岩纤维，不仅能够起到辅助发泡的作用，同时还能提高泡沫玻璃制品的强度；制备得到的发泡玻璃展现出良好的机械强度，具有优秀的抗压、抗弯性能，得益于复杂的孔隙结构和可控的开闭孔比例，使材料具有出色的声波吸收能力，还带来了优良的热隔离性能。

30、2）本发明提供了一种改性玄武岩纤维，首先用无水乙醇、丙酮清洗玄武岩纤维，随后使用高锰酸钾在玄武岩纤维原位生成二氧化锰颗粒，改善玄武岩纤维的表面性能，有利于后续二氧化硅纳米粒子的负载，提高二氧化硅颗粒的附着效果；最后使用正硅酸乙酯改性玄武岩纤维，能够在玄武岩纤维表面生成更多粗糙结构，一方面增加玄武岩纤维与玻璃粉的相容性，使玄武岩纤维能够均匀分散在玻璃粉中，另一方面还能够提升纤维与玻璃基体之间的结合能力；此外，二氧化锰在高温下会发生分解反应4mno2=2mn2o3+o2，生成气体，可以作为辅助发泡剂，经过原位负载二氧化锰改性的玄武岩纤维，在高温烧结后不仅能够形成搭接结构提高泡沫玻璃制品的强度，部分纤维依附在孔壁上还会增强孔壁的结构稳定性，减少烧结过程中内部气泡的坍塌；同时改性玄武岩纤维表面负载的二氧化锰分解后会沿纤维形成气泡，使生成的孔隙呈现不规则或拉长的形态，甚至产生一些定向的孔隙结构，从而影响气泡的连通率和开闭孔比例，并显著增加泡沫玻璃的孔隙结构复杂程度，通过迷宫效应提高入射声波的反射次数及摩擦粘滞作用，使空气运动的动能转化为热能耗散掉，从而产生摩擦损耗将声能衰减，显著提高材料的吸音及隔音效果。