專利名稱：改進型泡沫玻璃制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由玻璃特別是天然玻璃(例如不膨脹細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖)制成的改進型泡沫玻璃制品，其可用于例如絕熱和隔音場合。
背景技術(shù)：
在本申請中，提到多種出版物、專利和已公開的專利申請時采用的是識別引用；這些文獻的完整引用可以在本說明書的結(jié)尾找到。這里將本申請說明書中提到的出版物、專利和已公開的專利說明書的內(nèi)容引入本公開作為參考。
玻璃是一種無結(jié)晶地冷卻到剛性狀態(tài)的熔化無機制品(ASTMC-162)。最普通的玻璃是硅酸鹽玻璃。硅酸鹽玻璃的基本結(jié)構(gòu)單元是硅-氧四面體，其中硅原子與周圍四個氧原子呈四面體地配位結(jié)合。與晶體硅酸鹽類似，硅酸鹽玻璃中的SiO4四面體可以呈現(xiàn)多種構(gòu)型，這取決于玻璃組合物中氧/硅的比例。
有些玻璃是天然形成的，例如珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂石和火山灰。其他的如鈉鈣玻璃是人工合成的。例如可以通過以下方法制得鈉鈣玻璃，即在熔爐中熔化含有氧化硅(即SiO2)、氧化鋁(即Al2O3)、氧化鈣(即CaO)、氧化鈉(即Na2O)以及有時還有氧化鉀(即K2O)或者氧化鋰(即Li2O)的原料批料，然后冷卻該熔體以產(chǎn)生無定形制品。玻璃可以制成許多形狀，包括片狀或板狀、鑄型或纖維狀。主要系列玻璃的生產(chǎn)方法已有報道(Scholes，1974)。礦物棉、巖棉和渣棉是人造纖維的屬名，其中成纖物質(zhì)可以是礦渣、某種巖石或玻璃(Kujawa，1983)。
泡沫玻璃是特殊的具有許多完全密閉小孔的輕質(zhì)玻璃材料。開發(fā)生產(chǎn)泡沫玻璃的方法已有多年，并且生產(chǎn)泡沫玻璃的最常見的方法包括如下步驟1)在高溫下熔化玻璃原材料以形成基質(zhì)玻璃、2)碾碎該基質(zhì)玻璃和添加的發(fā)泡劑、3)在高溫下使碾碎的玻璃粉末發(fā)泡。這種基質(zhì)玻璃組合物類似于普通的窗戶玻璃，其一般含有70-73重量％SiO2、1-3重量％Al2O3、0.1-0.5重量％Fe2O3、13-15重量％Na2O、0-2重量％K2O、5-7重量％CaO和3-5重量％MgO。發(fā)泡劑一般為碳黑和堿性碳酸鹽。
也已采用其他方法生產(chǎn)泡沫玻璃。例如通過從硼硅酸鹽玻璃瀝濾出硼酸鹽相而獲得具有非常細的孔(10-25)的富含二氧化硅相(Elmer，1971)。當(dāng)于1300-1425℃下通過急驟燃燒加熱瀝濾過的玻璃后，因瀝濾液殘留在細孔內(nèi)的水分會使細孔膨脹。發(fā)泡和燒結(jié)多孔玻璃顆粒同時進行。由于玻璃體內(nèi)的殘留水分會增加導(dǎo)熱系數(shù)，因此這樣制得的泡沫玻璃成品的絕緣性能較不理想。或者也可以將空氣或其他氣體吹進熔融態(tài)玻璃內(nèi)，冷卻該熔融玻璃，并在固化玻璃內(nèi)留有氣泡或小孔，從而制得泡沫玻璃。
工業(yè)泡沫玻璃的起始原料一般是原玻璃。已采用多種低成本的無定形材料來減少成本。已用來制造泡沫玻璃的有回收的混合彩色碎玻璃(Solomon，1996)。在將其供入錘磨機或類似的粉碎機(在那里使被分離的玻璃粉碎至所需的顆粒尺寸)之前，清洗廢玻璃并使其經(jīng)過磁力分離步驟。篩分被粉碎的玻璃顆粒和發(fā)泡劑(例如CaCO3或CaSO4)并使其混合。將該混合物置于鑄模內(nèi)并通過熔爐，在熔爐中將混合物加熱至發(fā)泡溫度，并保持在該溫度下，然后進行冷卻或退火以生產(chǎn)泡沫玻璃塊。
礦物也已用作泡沫玻璃制品的起始原料。例如，采用硅藻土(天然的、煅燒的和溶劑煅燒的)、飛灰及其混合物制造泡沫玻璃(Hojaji，1984)。經(jīng)表面處理的泡沫玻璃絕熱瓷磚已由玻璃化礦物例如流紋巖(liparite)、流紋巖(rhyolite)、珍珠巖、黑曜巖和火山灰制得(Fukumoto，1991)。
傳統(tǒng)的珍珠巖制品通常通過采用有機或無機粘合劑使膨脹珍珠巖顆粒粘合或者使膨脹珍珠巖顆粒、石膏、水泥和增強纖維的混合物粘合而制成(Alhamad，1990，Shepherd，1993，Sun，2000)。傳統(tǒng)珍珠巖制品的抗壓強度和體積穩(wěn)定性比期望的差。此外傳統(tǒng)膨脹珍珠巖制品對吸收水分不利，并且不具有最佳的耐水性能。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了有利地具有低導(dǎo)熱系數(shù)、高抗壓強度和低密度的改進型泡沫玻璃制品。這種泡沫玻璃制品可用于多種場合，包括絕熱和隔音的場合。在一種實施方案中，改進型泡沫玻璃制品由天然玻璃例如細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖制得。本發(fā)明還提供了生產(chǎn)該改進型泡沫玻璃制品的方法以及這些制品的應(yīng)用場合。
可以將這種泡沫玻璃制品制成具有許多完全密閉小孔的輕質(zhì)玻璃材料。由于每個小孔實際上是絕緣空間，所以這種閉孔結(jié)構(gòu)可提供優(yōu)異的絕熱和隔音性能，這些性能可用于建筑工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的絕緣材料。除了其優(yōu)異的絕緣性能外，這種泡沫玻璃還具有抗壓強度出色的堅固且穩(wěn)定的玻璃結(jié)構(gòu)，并且這種玻璃耐火、耐化學(xué)品、無腐蝕性、耐水和耐蒸氣、抗害蟲和微生物。比較而言，其他公知的絕緣材料例如玻璃纖維、聚苯乙烯和聚氨酯則缺乏結(jié)構(gòu)強度，并且不適用于高溫場合。有些(聚苯乙烯和聚氨酯)甚至在火中會產(chǎn)生毒煙。根據(jù)使用場合泡沫玻璃也可以制成多種形狀和結(jié)構(gòu)。
在一個實施方案中，改進型泡沫玻璃制品的導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.70Btu·in/hr·F·ft2(0.101W/m·°K)，抗壓強度大于100PSI(689kPa)，而密度小于20lb/ft3(320kg/m3)。
在一個實施方案中，改進型泡沫玻璃制品的導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.60Btu·in/hr·F·ft2(0.087W/m·°K)；或者導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.50Btu·in/hr·F·ft2(0.072W/m·°K)。
在另一實施方案中，改進型泡沫玻璃制品的抗壓強度大于200PSI(1379kPa)；抗壓強度大于300PSI(2068kPa)；抗壓強度大于400PSI(2758kPa)；抗壓強度大于500PSI(3447kPa)；或者抗壓強度大于600PSI(4137kPa)。
在另一實施方案中，改進型泡沫玻璃制品的密度小于15lb/ft3(240kg/m3)；或者密度小于10lb/ft3(160kg/m3)。
改進型泡沫玻璃制品可源自玻璃，例如天然玻璃(如不膨脹珍珠巖和/或膨脹珍珠巖)。
在另一實施方案中，提供了制備改進型泡沫玻璃制品的方法，該方法包括將玻璃和至少一種發(fā)泡劑熔化以形成改進型泡沫玻璃制品。該玻璃可以是天然玻璃，例如不膨脹珍珠巖和/或膨脹珍珠巖。可用硼作為熔融態(tài)玻璃中的玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑。
在另一實施方案中，提供了制備改進型泡沫玻璃制品的方法，該方法包括熔化玻璃并使氣體穿過玻璃起泡以形成改進型泡沫玻璃制品。該玻璃可以是例如天然玻璃，如不膨脹珍珠巖和/或膨脹珍珠巖。
本發(fā)明提供了一種含有用這里公開的方法制備的泡沫玻璃制品的絕熱材料。
這里提供了一種含有如這里公開的泡沫玻璃制品的絕熱材料。提供的含有如這里公開的泡沫玻璃制品的其他材料包括隔音材料、剛性的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、耐化學(xué)品的輕質(zhì)材料和不可燃的輕質(zhì)材料。
本發(fā)明還提供了含有如這里公開的改進型泡沫玻璃制品和結(jié)構(gòu)材料或增強材料的組合物。結(jié)構(gòu)材料或增強材料可以包括例如碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、織物纖維、金屬蜂窩、陶瓷蜂窩、纖維礦物和/或硅灰石。
本發(fā)明還提供了含有這里公開的泡沫玻璃制品的組合物，其中該泡沫玻璃制品包含釉料或涂料。
本發(fā)明的實施方式本發(fā)明提供了有利地具有低導(dǎo)熱系數(shù)、高抗壓強度和低密度的改進型泡沫玻璃制品。這種泡沫玻璃制品可用于多種場合，包括絕熱和隔音的場合。在一種實施方案中，改進型泡沫玻璃制品由天然玻璃例如細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖制得。本發(fā)明還提供了生產(chǎn)該改進型泡沫玻璃制品的方法以及這些制品的應(yīng)用場合。
在制備泡沫玻璃制品的方法中可以使用附加的玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑例如硼和附加的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑例如鈉和鈣。在制備泡沫玻璃制品的方法中可以使用發(fā)泡劑，例如碳酸鈉、碳酸鈣和碳黑。
本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品的密度低，這表明其結(jié)構(gòu)中孔隙體積較大，這可以帶來較好的絕緣效率。連續(xù)閉孔的剛性玻璃結(jié)構(gòu)可以為本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品提供相對于傳統(tǒng)珍珠巖絕熱制品而言較大的抗壓強度、較高的體積穩(wěn)定性和改進的耐水性能，這可以提供穩(wěn)定的絕熱效率。
泡沫玻璃制品可以由天然玻璃例如不膨脹細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖制成。在一個實施方案中，提供了一種例如由天然玻璃制得的具有低導(dǎo)熱系數(shù)(例如小于0.50Btu·in/hr·F·ft2)的改進型泡沫玻璃制品。
在另一實施方案中，例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的特征是抗壓強度高(例如大于600PSI)且密度低(例如小于10lb/ft3)。例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品有利地具有低導(dǎo)熱系數(shù)，同時還具有高抗壓強度和低密度，因此在絕熱領(lǐng)域的用途更廣。
在一個實施方案中泡沫玻璃制品由天然玻璃例如細珍珠巖礦砂或膨脹細珍珠巖制成。術(shù)語“天然玻璃”這里使用的是其傳統(tǒng)意思，指的是通常被稱作火山玻璃的天然玻璃，其快速冷卻硅酸巖漿或熔巖而形成。大多數(shù)天然玻璃在化學(xué)上相當(dāng)于流紋巖。化學(xué)上相當(dāng)于粗面巖、英安巖、安山巖、安粗巖和玄武巖的天然玻璃是已知的，但較不常見。術(shù)語“黑曜巖”一般指的是暗色的(最常見的是黑色)富含硅石(即SiO2)的大塊天然玻璃。根據(jù)其硅石含量，黑曜巖玻璃可以分成若干子類，其中最常見的是流紋巖黑曜巖(通常含有約73重量％SiO2)(Berry等，1983)。
珍珠巖礦砂是通常含有約72-75重量％SiO2、12-14重量％Al2O3、0.5-2重量％Fe2O3、3-5重量％Na2O、4-5重量％K2O、0.4-1.5重量％CaO和少量其他金屬元素的水合天然玻璃。珍珠巖礦砂與其他天然玻璃的不同之處在于具有較高含量(2-10重量％)的化學(xué)結(jié)合水、存在玻璃狀的珍珠光澤和特有的同心或弓形的類似蔥皮(即珍珠的)的端面。
可以在高溫下處理珍珠巖礦砂，并使其膨脹以制造膨脹珍珠巖制品。珍珠巖的處理工藝可以包括粉碎礦砂(粉碎和研磨)、篩分、熱膨脹、碾磨、對膨脹材料進行空氣尺寸(air size)分離以滿足成品規(guī)格、以及本領(lǐng)域已知的其他方法。例如，將珍珠巖礦砂粉碎，碾磨，分離達到預(yù)定顆粒尺寸范圍(例如超過30目)，然后在膨脹爐內(nèi)在870-1100℃的溫度下于空氣中加熱被分離的物質(zhì)(參見Neuschotz，1947；Zoradi，1952)，在膨脹爐內(nèi)同時進行的玻璃軟化和蒸發(fā)所含水分可以使玻璃顆粒迅速膨脹，以形成總體積為不膨脹礦砂體積20倍的起泡玻璃物質(zhì)。然后分離膨脹珍珠巖以滿足成品的尺寸規(guī)格。
膨脹珍珠巖包括一個或多個孔，或一部分孔，其中孔實質(zhì)上是部分地或完全地被玻璃壁圍成的孔隙空間，并通常是當(dāng)玻璃呈軟化態(tài)時由氣體膨脹而形成的。在給定體積的玻璃內(nèi)存在充滿氣體的孔或真空孔可以導(dǎo)致比相同體積的實心玻璃更低的離心濕密度。如果孔是密閉的并包含空氣，那么珍珠巖顆?？梢愿≡谝后w上。使珍珠巖斷裂(例如通過碾磨)可以形成復(fù)雜的保持著濕密度低的特點的多孔結(jié)構(gòu)，并且還可以為過濾填料和功能填料提供有用的特征。
當(dāng)采用這里公開的方法時，可以使用市售的玻璃(例如不膨脹細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖或其他天然玻璃)來生產(chǎn)本發(fā)明的泡沫玻璃制品。如此得到的制品在許多應(yīng)用場合都優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品，并且由于原料的成本較低，這種生產(chǎn)方法在經(jīng)濟上有吸引力。
在一個實施方案中，可以提供例如由天然玻璃制得的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.60Btu·in/hr·F·ft2的改進型泡沫玻璃制品。在另一實施方案中，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.50Btu·in/hr·F·ft2，例如小于0.48Btu·in/hr·F·ft2。
在另一實施方案中，例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的特征還在于其抗壓強度大于100PSI；大于200PSI；大于300PSI；大于400PSI；大于500PSI；或者在一個優(yōu)選實施方案中大于600PSI。
在另一實施方案中，例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的密度不大于20lb/ft3；不大于15lb/ft3；或者在一個優(yōu)選實施方案中不大于10lb/ft3。
本發(fā)明的另一方面包括采用不膨脹細珍珠巖礦砂制備改進型泡沫玻璃制品的方法。
本發(fā)明的另一方面還包括采用膨脹細珍珠巖制備改進型泡沫玻璃制品的方法。
本發(fā)明的另一方面還包括采用其他天然玻璃制備改進型泡沫玻璃制品的方法。
本發(fā)明的另一方面還包括由玻璃(例如天然玻璃)制備改進型泡沫玻璃制品的方法，其中該方法使用碳酸鈉和碳酸鈣作為玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑并同時作為發(fā)泡劑。
本發(fā)明的另一方面還包括由玻璃(例如天然玻璃)制備改進型泡沫玻璃制品的方法，其中該方法使用碳黑作發(fā)泡劑。
本發(fā)明的另一方面還包括由玻璃(例如天然玻璃)制備改進型泡沫玻璃制品的方法，其中該方法使用硼酸作玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑。
本發(fā)明的另一方面還包括向改進型泡沫玻璃制品中引入結(jié)構(gòu)增強材料(例如碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、織物纖維、金屬蜂窩、陶瓷蜂窩、某些礦物如硅灰石)等形成的組合物。
本發(fā)明的另一方面還包括將釉料或涂料添加在本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品上而形成的組合物。
A.由天然玻璃制備改進型泡沫玻璃制品的方法泡沫玻璃制品可以由本領(lǐng)域可利用的多種玻璃材料中的任何一種來制備。作為舉例，介紹由天然玻璃制備泡沫玻璃制品的方法。
由例如天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強度高和密度低。由例如天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品可以通過幾種方法制得。
本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品可以通過熔化玻璃材料和玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑、玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和/或發(fā)泡劑來制備，從而得到所需的改進型泡沫玻璃制品。
一種制備本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品的優(yōu)選方法是通過熔化珍珠巖原料和玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑、玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑和/或發(fā)泡劑，從而得到所需的珍珠巖改進型泡沫玻璃制品。
珍珠巖原料可以是市售的細珍珠巖礦砂或膨脹細珍珠巖，例如HarborliteMB級(不膨脹細珍珠巖礦砂)或Harborlite200級(膨脹細珍珠巖)。
玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑是用于形成三角形和四面體的氧多面體以構(gòu)建玻璃網(wǎng)絡(luò)的陽離子。典型的玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑是Si、B、P和Ge。玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑是用于占據(jù)隨機位置從而為改變玻璃網(wǎng)絡(luò)提供額外氧原子的陽離子。典型的玻璃網(wǎng)絡(luò)改性劑是堿金屬和堿土金屬，例如Li、Na、K、Mg和Ca。
發(fā)泡劑是在玻璃熔化過程中于發(fā)泡溫度下釋放氣體或蒸氣以形成閉孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。典型的發(fā)泡劑是堿金屬碳酸鹽和堿土金屬碳酸鹽、堿金屬硫酸鹽和堿土金屬硫酸鹽以及碳黑。
可以將珍珠巖原料與適量的純堿、碳酸鈣以及碳黑混合，或者在某些情況下與硼酸混合。典型的組合物的實例包括3％-9％純堿、5％-10％碳酸鈣、0.3％-1.0％碳黑和2％-7％硼酸。當(dāng)在鋼磨機或球磨機中精細研磨后，將該混合物置于耐熱金屬容器或合金容器(例如涂有難熔粉末優(yōu)選氧化鋁作為脫模劑的鎳坩堝或不銹鋼鑄模)中?？梢酝ㄟ^在電熔爐內(nèi)于2000°F-2100°F下使混合物熔化30分鐘到1小時然后在分離熔爐內(nèi)退火而形成泡沫玻璃。可以通過熔爐將處于1200°F-1300°F的樣品冷卻至室溫而實現(xiàn)退火工藝。
還可以通過氣體使由不膨脹細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖或其他玻璃(例如天然玻璃)而制得的硅酸鋁玻璃熔體起泡，而由玻璃例如天然玻璃制備改進型泡沫玻璃制品。由于玻璃例如硅酸鋁玻璃的熔點高，因此在高溫下進行該工藝。在玻璃形成工藝后優(yōu)選進行退火工藝。退火工藝可以包括緩慢降低溫度以減少改進型泡沫玻璃中的結(jié)晶或應(yīng)力，從而提高它的強度。
B.表征由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的方法1.導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)表示物質(zhì)作為熱絕緣體的效能。當(dāng)用于絕熱時，具有較低導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫玻璃可以產(chǎn)生最有效的絕緣作用。
根據(jù)American Society of Testing and Materials的標(biāo)準(zhǔn)方法(ASTME-1530)測定例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的導(dǎo)熱系數(shù)。在優(yōu)選方法中，將0.25英尺厚、直徑2英尺的樣品和熱傳感器(HFT)夾在兩塊被控制于不同溫度下的平板之間，以產(chǎn)生穿過測試組件的熱流。通過氣壓或水壓的方法將可重復(fù)載荷施于檢測組件上，以確保在樣品和平板表面之間存在可重復(fù)的接觸電阻。用護圈圍住測試組件，并且將護圈保持在兩塊板的均勻平均溫度，以使流向該組件和來自該組件的橫向熱流最小。在穩(wěn)定狀態(tài)下，用嵌在表面內(nèi)的溫度傳感器來測量接觸樣品的表面之間的溫差，以及HFT的電輸出值。該輸出值(電壓)與樣品、樣品的可重復(fù)熱阻以及各表面上可重復(fù)的接觸熱阻成比例。通過預(yù)先用具有已知熱阻的樣品對該體系進行校準(zhǔn)而得到該比例，其中在相同條件下測試具有已知熱阻的樣品以使表面上的接觸電阻可以重復(fù)。通常導(dǎo)熱系數(shù)的單位是Btu·in/hr·F·ft2或W/m·°K；這兩單位之間的換算系數(shù)是1Btu·in/hr·F·ft2～0.144228W/m·°K。
例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的導(dǎo)熱系數(shù)在25℃下優(yōu)選低于0.70Btu·in/hr·F·ft2(通常為0.60～0.70Btu·in/hr·F·ft2)，在25℃下更優(yōu)選低于0.60Btu·in/hr·F·ft2(通常為0.50～0.60Btu·in/hr·F·ft2)，在25℃下進一步更優(yōu)選低于0.50Btu·in/hr·F·ft2(通常為0.40～0.50Btu·in/hr·F·ft2)。
2.抗壓強度抗壓強度測定的是在負(fù)載下材料破壞時的壓力。幾乎在所有應(yīng)用中尤其是在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域總是優(yōu)選具有較高抗壓強度的泡沫玻璃。
根據(jù)American Society of Testing and Materials的標(biāo)準(zhǔn)方法(ASTMC-165)測定例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的抗壓強度。在優(yōu)選方法中，將0.5英尺厚、2.0平方英尺的樣品置于測試機器上8.0平方英尺的承載面之間。以0.008英尺/分鐘的十字頭速度(cross head speed)連續(xù)擠壓樣品，直至達到最大負(fù)載。然后記錄下最大負(fù)載作為抗壓強度。通?？箟簭姸鹊膯挝皇荘SI或kPa；這兩單位之間的換算系數(shù)1PSI～6.89476kPa。
例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的抗壓強度優(yōu)選大于100PSI(通常為100-200PSI)，抗壓強度更優(yōu)選大于200PSI(通常為100-200PSI)，抗壓強度進一步更優(yōu)選大于300PSI(通常為200-300PSI)，抗壓強度進一步更優(yōu)選大于400PSI(通常為300-400PSI)，抗壓強度進一步更優(yōu)選大于500PSI(通常為400-500PSI)，抗壓強度進一步更優(yōu)選大于600PSI(通常為600-640PSI)。與傳統(tǒng)泡沫玻璃制品的抗壓強度(通常為100PSI左右)相比，例如由天然玻璃制備的改進型泡沫玻璃制品的抗壓強度顯著較高。
3.密度密度是表示泡沫玻璃保留帶有閉孔的多孔結(jié)構(gòu)的程度。密度較低的泡沫玻璃通常具有較大的空隙體積并因此具有較好的絕緣效率。
測量本發(fā)明中樣品的密度可以采用與導(dǎo)熱系數(shù)測試相同的樣品?？梢詫悠返母鞒叨冗M行至少三次測量。用測量的平均值計算樣品的體積。然后用樣品質(zhì)量除以測得的體積，從而容易地計算出樣品的密度。通常密度的單位是lb/ft3或kg/m3；這兩單位之間的換算系數(shù)是1lb/ft3～16.02kg/m3。
例如由天然玻璃制備的改進型泡沫玻璃制品的密度例如小于20lb/ft3(例如為15-20lb/ft3)；小于15lb/ft3(例如為10-15lb/ft3)；小于10lb/ft3(例如為9-10lb/ft3)。例如由天然玻璃制備的改進型泡沫玻璃制品可以具有更低的密度。
4.顆粒尺寸分布為了制備穩(wěn)定的產(chǎn)品，優(yōu)選必須控制玻璃原料例如珍珠巖原料的顆粒尺寸分布。具有較細顆粒尺寸的珍珠巖原料比較適用于批量原料以制備改進型泡沫玻璃制品。
根據(jù)激光束穿過顆粒流的散射光現(xiàn)象來確定珍珠巖原料的顆粒尺寸分布。
通過光探測器陣列來測量顆粒散射光的量和方向，然后用微型計算機進行分析，計算樣品流中顆粒的尺寸分布?？梢杂肔eeds and NorthrupMicrotrac X 100激光顆粒尺寸分析儀(Leeds and Northrup，NorthWales，Pennsylvania)來采集報告數(shù)據(jù)。該儀器可以確定顆粒尺寸范圍為0.12～704微米的顆粒尺寸分布。底部顆粒尺寸(bottom particle size)(d10)和頂部顆粒尺寸(top particle size)(d90)的定義分別是顆粒數(shù)量中有10％或90％小于所指定尺寸時的尺寸。
用于本發(fā)明的原料例如珍珠巖原料的顆粒尺寸分布優(yōu)選具有底部顆粒尺寸(d10)2～5μm和頂部顆粒尺寸(d90)11～50μm。
C.使用由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的方法例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的方式使用可以類似目前可用的絕熱和隔音產(chǎn)品，也可用于其組合性能優(yōu)于傳統(tǒng)泡沫玻璃的領(lǐng)域。
本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品的低導(dǎo)熱系數(shù)、高抗壓強度和低密度的特性對多種工業(yè)領(lǐng)域的絕熱和隔聲場合特別有效。
含有例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的絕熱材料的應(yīng)用實例包括建筑物的絕熱；運動場的絕熱；游泳池的絕熱；屋頂絕熱；管道、容器、罐、熔爐、冷藏設(shè)備和其他要求熱/冷絕緣的設(shè)備的絕熱。
含有例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的隔音材料的應(yīng)用實例包括音樂廳、電影院和其他要求隔音的設(shè)施和設(shè)備。
含有例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用實例包括道路建設(shè)、樁基、溝渠的填充物和滑動土的穩(wěn)定材料。
含有例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的輕質(zhì)耐化學(xué)品材料的應(yīng)用實例包括煙囪襯套、濕式洗滌器的管襯套、化學(xué)反應(yīng)器的襯套、城市有害廢料和醫(yī)用廢料的焚化裝置堆的襯套。
含有例如由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的輕質(zhì)不可燃材料的應(yīng)用實例包括保護絕緣設(shè)施免受火災(zāi)破壞和延緩火勢蔓延的耐火絕緣材料。
前述應(yīng)用實例描述了由例如天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品的用途，但是可以預(yù)見許多其他應(yīng)用該改進型泡沫玻璃制品的領(lǐng)域。
實施例在以下說明性而非限制性的實施例中描述了本發(fā)明的改進型泡沫玻璃制品及其制備方法。測定導(dǎo)熱系數(shù)、密度和抗壓強度的試驗根據(jù)上文所述的方法進行。
實施例1-6的制備采用的是市售不膨脹細珍珠巖礦砂產(chǎn)品HarborliteMB級作為原料。該原料的顆粒尺寸分布(PSD)為2μm(d10)～11μm(d90)。
實施例7-12的制備采用的是市售膨脹細珍珠巖產(chǎn)品Harborlite200級作為原料。該原料的顆粒尺寸分布(PSD)是5μm(d10)～50μm(d90)。
實施例1使用市售不膨脹細珍珠巖礦砂產(chǎn)品HarborliteMB級作為原料。該原料的顆粒尺寸分布(PSD)是2μm(d10)～11μm(d90)。將60g該原料與3.0g純堿、6.0g碳酸鈣和0.2g碳黑相混合。然后將該混合物平均分成6批，并在小型鋼磨機中將各批料碾磨30分鐘。將碾磨后的混合物置于直徑為3英尺涂有氧化鋁(作為脫模劑)的鎳坩堝中。通過將混合物在電熔爐內(nèi)于2057°F(1125℃)下熔化30分鐘，然后在分離熔爐內(nèi)退火，從而形成泡沫玻璃。用熔爐將樣品從1293°F(700℃)冷卻至室溫，從而完成退火工藝。所得泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑0.5mm～1.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.69Btu·in/hr·F·ft2(0.100W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.25Btu·in/hr·F·ft2(0.179W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為17.7lb/ft3(283kg/m3)，抗壓強度為298PSI(2055kPa)。
實施例2重復(fù)實施例1，不同的是使用4.2g純堿。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～3.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.64Btu·in/hr·F·ft2(0.091W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.20Btu·in/hr·F·ft2(0.172W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度16.5為lb/ft3(265kg/m3)，抗壓強度為246PSI(1696kPa)。
實施例3重復(fù)實施例1，不同的是使用0.4g碳黑。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～2.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.55Btu·in/hr·F·ft2(0.080W/m·°K，在75°F即297°K下)～1.11Btu·in/hr·F·ft2(0.160W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為13.7lb/ft3(220kg/m3)，抗壓強度為229PSI(1579kPa)。
實施例4重復(fù)實施例2，不同的是使用0.40g碳黑。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑2.0mm～3.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.51Btu·in/hr·F·ft2(0.074W/m·°K，在75°F即297°K下)～1.11Btu·in/hr·F·ft2(0.161W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為13.1lb/ft3(210kg/m3)，抗壓強度為223PSI(1538kPa)。
實施例5
重復(fù)實施例3，不同的是添加3.0g硼酸。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～2.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.58Btu·in/hr·F·ft2(0.083W/m·°K，在72°F即295°K下)～1.11Btu·in/hr·F·ft2(0.160W/m·°K，573°F即574°K下)，密度為10.3lb/ft3(165kg/m3)，抗壓強度為640PSI(4414kPa)。
實施例6重復(fù)實施例2，不同的是添加3.0g硼酸。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑2.0mm～3.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.48Btu·in/hr·F·ft2(0.069W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.06Btu·in/hr·F·ft2(0.153W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為9.05lb/ft3(145kg/m3)，抗壓強度為419PSI(2890kPa)。
實施例7使用市售膨脹細珍珠巖產(chǎn)品Harborlite200級作為原料。該原料的顆粒尺寸分布(PSD)是5μm(d10)～50μm(d90)。將60g該原料與1.8g純堿、6.0g碳酸鈣和0.2g碳黑相混合。然后將該混合物分為等重量的6批，并在小型鋼磨機中將各批料碾磨30分鐘。將碾磨后的混合物置于直徑為3英尺的涂有氧化鋁(作為脫模劑)的鎳坩堝中。通過將混合物在電熔爐內(nèi)于1125℃下熔化30分鐘，然后在分離熔爐內(nèi)退火，從而形成泡沫玻璃。用熔爐將樣品從700℃冷卻至室溫，從而完成退火工藝。所得泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑0.3mm～0.8mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.68Btu·in/hr·F·ft2(0.097W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.19Btu·in/hr·F·ft2(0.171W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為15.2lb/ft3(243kg/m3)，抗壓強度為329PSI(2268kPa)。
實施例8重復(fù)實施例5，不同的是使用3.0g純堿。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑0.5mm～1.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.61Btu·in/hr·F·ft2(0.087W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.15Btu·in/hr·F·ft2(0.165W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為13.2lb/ft3(212kg/m3)，抗壓強度為188PSI(1296kPa)。
實施例9重復(fù)實施例7，不同的是使用0.40g碳黑。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑0.5mm～1.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.60Btu·in/hr·F·ft2(0.086W/m·°K，在75°F即297°K下)～1.04Btu·in/hr·F·ft2(0.150W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為13.1lb/ft3(210kg/m3)，抗壓強度為342PSI(2358kPa)。
實施例10重復(fù)實施例8，不同的是使用0.40g碳黑。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～2.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.65Btu·in/hr·F·ft2(0.093W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.18Btu·in/hr·F·ft2(0.170W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為11.5lb/ft3(185kg/m3)，抗壓強度為144PSI(993kPa)。
實施例11重復(fù)實施例9，不同的是添加3.0g硼酸。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～2.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.62Btu·in/hr·F·ft2(0.089W/m·°K，在73°F即297°K下)～1.17Btu·in/hr·F·ft2(0.169W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為10.8lb/ft3(173kg/m3)，抗壓強度為498PSI(3435kPa)。
實施例12重復(fù)實施例10，不同的是添加3.0g硼酸。如此得到的泡沫玻璃的孔隙尺寸分布為直徑1.0mm～2.0mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.58Btu·in/hr·F·ft2(0.084W/m·°K，在73°F即296°K下)～1.14Btu·in/hr·F·ft2(0.165W/m·°K，在570°F即572°K下)，密度為11.0lb/ft3(176kg/m3)，抗壓強度為320PSI(2207kPa)。
D.出版物本發(fā)明公開中引入這里及下面引用的出版物、專利和已公開的專利申請所公開的全部內(nèi)容作為參考。
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權(quán)利要求
1.一種改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.70Btu·in/hr·F·ft2(0.101W/m·°K)，抗壓強度大于100PSI(689kPa)，密度小于20lb/ft3(320kg/m3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.60Btu·in/hr·F·ft2(0.087W/m·°K)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的導(dǎo)熱系數(shù)在73°F(296°K)下小于0.50Btu·in/hr·F·ft2(0.072W/m·°K)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的抗壓強度大于200PSI(1379kPa)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的抗壓強度大于300PSI(2068kPa)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的抗壓強度大于400PSI(2758kPa)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的抗壓強度大于500PSI(3447kPa)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的抗壓強度大于600PSI(4137kPa)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的密度小于15lb/ft3(240kg/m3)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的改進型泡沫玻璃制品，其中該制品的密度小于10lb/ft3(160kg/m3)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的改進型泡沫玻璃制品，其中該改進型泡沫玻璃制品源自玻璃。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的改進型泡沫玻璃制品，其中該改進型泡沫玻璃制品由天然玻璃制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的改進型泡沫玻璃制品，其中該改進型泡沫玻璃制品源自不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
14.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-10的改進型泡沫玻璃制品的方法，該方法包括將玻璃與至少一種發(fā)泡劑熔化以形成該改進型泡沫玻璃制品。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中該玻璃是天然玻璃。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中該玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其還包括在熔融態(tài)玻璃中加入硼作為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成劑。
18.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的改進型泡沫玻璃制品的方法，該方法包括熔化玻璃和使氣體穿過玻璃起泡以形成該改進型泡沫玻璃制品。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中該玻璃是天然玻璃。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中該玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
21.一種包含根據(jù)權(quán)利要求14的方法制成的泡沫玻璃制品的絕熱材料。
22.一種包含根據(jù)權(quán)利要求18的方法制成的泡沫玻璃制品的絕熱材料。
23.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的泡沫玻璃制品的絕熱材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的絕熱材料，其中該玻璃制品源自天然玻璃。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的絕熱材料，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的絕熱材料，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
27.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的泡沫玻璃制品的隔音材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的隔音材料，其中該玻璃制品源自天然玻璃。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的隔音材料，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的隔音材料，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
31.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的泡沫玻璃制品的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)材料。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)材料，其中該玻璃制品源自天然玻璃。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)材料，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)材料，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
35.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的泡沫玻璃制品的輕質(zhì)耐化學(xué)品材料。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的耐化學(xué)品材料，其中該泡沫玻璃制品源自天然玻璃。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的耐化學(xué)品材料，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的耐化學(xué)品材料，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
39.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求的泡沫玻璃制品的輕質(zhì)不可燃材料。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的不可燃材料，其中該泡沫玻璃制品源自天然玻璃。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的不可燃材料，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的不可燃材料，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
43.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求的改進型泡沫玻璃制品以及結(jié)構(gòu)材料或增強材料的組合物。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的組合物，其中該泡沫玻璃制品源自天然玻璃。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的組合物，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
46.根據(jù)權(quán)利要求43的組合物，其中該結(jié)構(gòu)材料或增強材料包括碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、織物纖維、金屬蜂窩、陶瓷蜂窩、纖維礦物和硅灰石中的至少一種。
47.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的泡沫玻璃制品的組合物，其中該泡沫玻璃制品包含釉料或涂料。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的組合物，其中該泡沫玻璃制源自天然玻璃。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的組合物，其中該天然玻璃是不膨脹珍珠巖和膨脹珍珠巖中的至少一種。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的組合物，其還包括結(jié)構(gòu)材料或增強材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了由天然玻璃例如不膨脹細珍珠巖礦砂和膨脹細珍珠巖制成的改進型泡沫玻璃制品、制備該改進型泡沫玻璃制品的方法和其使用方法。由天然玻璃制得的改進型泡沫玻璃制品具有例如在73°F(296°K)下小于0.70Btu·in/hr·F·ft
文檔編號C03C3/087GK1549797SQ01823652
公開日2004年11月24日 申請日期2001年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月20日
發(fā)明者波 王, 王波 申請人:先進礦物公司