CN105130378B - 一种人工彩砂着色剂、使用该着色剂的人工彩砂及制备方法 - Google Patents
一种人工彩砂着色剂、使用该着色剂的人工彩砂及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种复合着色剂及人工彩砂，还提供了上述人工彩砂的制备方法。该人工彩砂由所述复合着色剂与碎石砂料制成，其中，所述复合着色剂包括钾水玻璃、水性树脂乳液、无机酸或有机酸、填料、稳定剂、固化剂、色粉和水；碎石砂料包含石英砂、玄武岩和方解石中的至少一种，碎石砂料的粒径为10目‑120目。该复合着色剂各组分的质量比分满足：钾水玻璃为280‑320、乳液996AD为45‑55、浓硫酸为2.8‑3.2，硅酸盐为0.9‑1.1，云母粉为75‑125，色粉为435‑560，水为40‑52；人工彩砂中碎石砂料和复合着色剂的重量配比为980‑960/20‑40。本发明的人工彩砂色彩丰富，同时经济环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种功能型砂料，特别涉及一种复合着色剂，及由该复合着色剂制备的人工彩砂，属于建筑涂料领域。
背景技术
彩砂因其鲜艳的色彩、稳定的性能等优点在建筑装饰领域得到了广泛的应用。彩砂作为一种表面装饰材料，一般分为天然彩砂和人工彩砂两种。自2000年以后，随着国内真石漆建筑涂料的兴起，作为真石漆的主体原料天然彩砂资源日益枯竭。2012年开始，北方受雾霾天气影响，国家陆续强制停止了大多数彩砂矿源的开采，造成了涂料行业彩砂供货紧张、彩砂质量日益下降的现象，彩砂资源的匮乏对真石漆的发展无疑是最大的障碍。于是国内的真石漆厂家开始将目光投向人工彩砂。
人工彩砂为采用自然界资源广泛的石英砂、粘土等作为原料，通过不同的技术手段，在表面或者整体着色成膜层，使透明的石英砂具备不同的颜色。目前制备的人工彩砂主要有：一、染色砂：使用如聚氨酯、环氧树脂等作为粘结剂，添加色浆着色。包裹搅拌石英砂，使其表面覆盖上相应的颜色，最后把石英砂通过烘干的方式得到。这种生产方式比较简单方便、颜色易于实现，速度快。但综合性能较差。二、高温陶瓷砂：采用陶瓷粘土、高岭土等在1000摄氏度以上的高温下烧制成陶块，然后经破碎成颗粒、粒径过筛而成。高温陶瓷砂由于颜色是通过调节粘土里直接添加彩料，经过高温反应来实现，因此颜色从里到外都是一致的，但不同批次的颜色稳定性不好控制。三、烧结彩砂：其是一种以石英砂为原料，加入无机颜料和特殊涂层，经过600摄氏度左右的高温烧结制备，烧结彩砂的工艺方法，由搅拌、预热、煅烧和冷却四个步骤组成，其中，在预热和煅烧步骤中用热风炉提供的热风对搅拌好的物料在预热滚筒和煅烧滚筒内进行预热、煅烧。
但是，现有技术中上述的主要人工彩砂仍然存在其固有的缺陷。
染色砂：(1)由于只是在石英砂表面薄薄的一层着色，颜色无法深入底层，在使用过程中，颜色在砂粒的相互摩擦过程中，容易磨掉。(2)由于染色用的粘结剂采用的是聚氨酯、环氧树脂等亲油性包裹，在真石漆这种水性涂料中，相容性存在重大隐患。
高温陶瓷砂：(1)需要加温到1000多度，属于高能耗低附加值产品，不符合国家对环保的要求。(2)陶瓷块在破碎成颗粒的过程中，由于陶瓷块硬度较高，对设备的损伤较大，且颗粒的均匀度无法保证。
烧结彩砂：(1)需要加温600度，高能耗。(2)烧结彩砂也是属于对表面的包裹，颜色不均匀，局部会有裸露，平摊彩砂之后看有杂色。煅烧温度对着色料的颜色影响较大，颜色稳定性不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种耐磨性能好、与水性树脂乳液相容性好的着色剂，并提供一种采用该着色剂制备的、颜色均匀、耐候性好，并能根据颜色需要进行加工的人工彩砂，并提高制备该人工彩砂的制备方法。特别是，该人工彩砂及制备方法解决着色砂耐磨性差、与水性树脂乳液相容性差的问题，以及无需高温煅烧，常温干燥性便能够满足要求，且颜色稳定均匀。
为了解决上述技术问题，达到上述的技术效果，本发明的技术方案及其相应目的如下：
一种用于制备人工彩砂成膜的复合着色剂，其特征在于：该着色复合剂包括第一无机粘合物、室温固化剂和第二粘合物，该第一无机粘合物优先选取水玻璃，特别优选钾水玻璃，该固化剂优选选取缩合磷酸铝，该第二粘合物优选选取水性树脂乳液，特别优选乳液996AD。
其中还优先，该复合着色剂包括无机酸或有机酸、填料、稳定剂、色粉和水，所述的稳定剂为硅酸盐，所述的无机酸为浓硫酸，所述的填料为云母粉、重钙粉、石英粉或滑石粉；也优选呈片状结构的云母粉等填料。
还特别优选，该复合着色剂各组分的质量比分满足：钾水玻璃为280-320、乳液996AD为45-55、浓硫酸为2.8-3.2，硅酸盐为0.9-1.1，云母粉为75-125，色粉为435-560，水为40-52。
一种人工彩砂，其中包括碎石砂料和基础浆料，所述碎石砂料包括石英砂、方解石中的至少一种或多种，所述的基础浆料包括复合着色剂，其中包括采用了前述用于制备人工彩砂成膜的复合着色剂。优选，所述的碎石砂料与所述复合着色剂的质量比例为：20-40/980-960。
优选所述碎石砂料为石英砂，其中，所述着色剂与石英砂的质量配比、石英砂的粒径，分别满足以下(1)-(4)的任一方式：(1)20/980、石英砂(的粒径)为10-20目，(2)30/970、20-40目，(3)35/965、40-80目，(4)40/960、80-120目。
该复合着色剂及由该复合着色剂制备的人工彩砂具有了现有传统着色剂不具有的优越性能，特别是，解决了着色人工彩砂耐磨性差，与水性树脂乳液相容性差的问题，也无需高温煅烧，其常温干燥性能满足相应要求，还具有颜色稳定均匀等优点。
一种制备上述复合着色剂的工艺方法，其包括如下步骤：1)水玻璃酸改性步骤，向水玻璃中加入无机酸或有机酸，在400-500转/分钟的转速条件下，搅拌8-13分钟；2)添加稳定剂步骤，向改性后水玻璃中投入填料、所需颜色的色粉，边搅拌边投入稳定剂，在400-500转/分钟的转速条件下搅拌均匀后，再在1450-1550转/分钟的转速条件下高速分散8-13分钟；3)再次提高粘结效力的复配步骤，向上述高速分散后得到的混合物中投入水性树脂乳液，搅拌使之均匀。
一种根据上述的人工彩砂制备方法，其包括制备上述复合着色剂的步骤，还包括以下相关的步骤：a将所述的碎石砂料与所述的复合着色剂混合，投入搅拌机搅拌均匀，b通过履带式干燥机干燥，c过筛，d包装。
具体实施方式：
下面通过具体实施例介绍本发明的研发过程，以便本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明不局限于实施例的描述。
实施例1
经过长期反复研究，申请人发现影响人工彩砂性能与加工工艺的关键性材料在于粘结剂。优良的粘结剂需要满足以下一些条件：(1)具备超强渗透性，能渗透入石英砂内部，常温干燥的人工彩砂粘结剂；(2)粘结剂必需具有一定的亲水性，以确保与水性树脂乳液的形容性；(3)成膜强度高。
为了满足上述的要求，我们通过反复研究实验，成功地解决了这些问题，关键在于采用了无机粘结剂水玻璃与有机树脂乳液复配的方式。以下陈述关键的粘结剂及助剂的筛选过程。
(一)、第一粘结物——水玻璃的选取
水玻璃俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其化学式为R2SiO3·9H2O，(R为金属盐，常用的为钠、钾、锂)，由于钠水玻璃耐水性相对较差，钾水玻璃价格高，我们采用钾水玻璃来作为无机粘结物。钾水玻璃与有机粘结剂相比，具有无可比拟的粘结力和渗透性，作为人工彩砂粘结剂能满足耐磨、相容性的要求。其主要原因为钾水玻璃时生成的硅凝胶可渗入石英砂的毛细孔隙，形成根系状的固定，而且成膜比表面积非常大，因而具有较高的粘结力。钾水玻璃的自然固化过程非常缓慢且不完全，为加速固化，还需加入固化剂。常用的固化剂有缩合磷酸盐、氧化物、硼酸盐等。不同的固化剂比较结果如表1所示：
表1不同固化剂比较
| 固化剂 | 用量 | 钾水玻璃 | 钛白粉 | 泡水24小时外观 |
| 空白 | 100 | 50 | 掉粉 | |
| 磷酸硅 | 10 | 100 | 50 | 轻微掉粉 |
| 缩合磷酸铝 | 10 | 100 | 50 | 无异常 |
| 三聚磷酸铝 | 10 | 100 | 50 | 轻微掉粉 |
| 氧化铝 | 10 | 100 | 50 | 掉粉 |
通过筛选，最终优选确定缩合磷酸铝为钾水玻璃固化剂，固化机理为：
第一步，钾水玻璃的水解反应：硅酸钾发生水解反应，生成硅酸凝胶和氢氧化钾。
K2O.nSiO2+(2n+1)H2O→2KOH+nSi(OH)4
第二步，钾水玻璃与缩合磷酸铝的反应：粉料中的缩合磷酸铝在钾水玻璃的碱性溶液中发生水解反应，生成氢氧化铝和偏磷酸。
Alm(PO3)+3mH2O→mAl(OH)3+3mHPO3
生成的偏磷酸(HPO3)与硅酸钾的水解产物氢氧化钾(KOH)发生中和反应，因此破坏了硅酸钾溶液的可逆平衡，使反应向生成硅酸凝胶的方向进行：
KOH+HPO3→KPO3+H2O
第三步，硅酸凝胶脱水缩合：生成的硅酸凝胶(Si(OH)4)将耐酸耐热粉料粘结成体，继续发生脱水缩合反应，生成二氧化硅，形成网状结构，最后导致材料的固化。
(二)、第二粘结物——水性树脂乳液的选取
从上述的反应机理看，水玻璃材料固化的最后一步是材料的脱水反应，一旦空气中湿度大(如雨雪天气)，空气中含水率较高时，水玻璃材料的固化就慢，反应也可能不完全。而且水玻璃由于在硬化物中残留着吸水性较强的碱金属氧化物,因而耐水性能较差,不适应在长期潮湿的环境中工作,更不能承受热水、沸水的冲击。因此需要在与合成树脂乳液进行复配。将合成树脂作为成膜物与钾水玻璃符合使用时，合成树脂可以填充在-si-o-si-网状结构中的间隙中，屏蔽残存的羟基，减少涂膜对水的敏感程度，并提高涂膜的韧性和抗冲击性能。二者复合时，只有电性能相一致时才能保证混合体系的稳定性。所以需对乳液进行选择并添加硅酸盐稳定剂，并对水玻璃酸改性。不同乳液的测试结果参见表2。
表2不同乳液的测试结果
| 乳液 | 添加量 | 钾水玻璃 | 硅酸盐稳定剂 | 耐水性 | 体系稳定性 |
| 296DS | 20 | 100 | 0.1 | 脱落 | 无异常 |
| 996AD | 20 | 100 | 0.1 | 无异常 | 无异常 |
| 4691 | 20 | 100 | 0.1 | 破乳 | |
| 300S | 20 | 100 | 0.1 | 脱落 | 无异常 |
经过测试，确定使用巴德富的996AD作为钾水玻璃的辅助成膜物。
(三)、水玻璃酸改性：
向水玻璃中加入无机酸或者有机酸能对水玻璃进行改性，用于改性的酸有硫酸、磷酸或其它一些有机酸。酸改性钾水玻璃的机理可以用酸碱反应来解释：由于钾水玻璃的结构中的k-o键与si-o键H离子对不稳定，引进硫酸可以使钾水玻璃模数提高，增大-si-o-si-链的网状结构。通过实验，确定硫酸为改性物。
(四)、填料的选择：
乳液与硅酸钾溶液形成的体系中，除了常规用于着色的颜料外，还需其它的填料来提升涂膜的耐裂性与丰满度。常规的填料有重钙粉、石英粉、滑石粉、云母粉等。经过实验测试，由于云母粉呈片状结构，而且不会存在耐老化风险，最终我们选择1250目云母粉作为配方体系的填料。
实施例2
经过实施例1中对材料的选择，本发明确定的着色剂配方如表3所示。
表3复合着色剂配方
实施例3
本发明的复合着色剂的制备工艺，包括如下步骤：
1)水玻璃酸改性步骤，向水玻璃中加入无机酸或有机酸，在400-500转/分钟的转速条件下，搅拌8-15分钟；
2)添加稳定剂步骤，向改性后水玻璃中投入填料，例如1250目云母粉，所需颜色的色粉，边搅拌边投入稳定剂，在400-500转/分钟的转速条件下搅拌均匀后，再在1450-1550转/分钟的转速条件下高速分散8-15分钟；
3)复配步骤，向上述高速分散后得到的混合物中投入水性树脂乳液，搅拌使之均匀。
实施例4
由于砂的粒径大小不一，所以不同的粒径，着色剂的添加量也不一样。多了会导致砂粒结块，无法分离。少了则无法完全着色。通过实验调整，确定不同粒径的砂粒着色配方如表4所列：
表4人工彩砂配方
人工彩砂的制备工艺按照如下步骤进行：
1.着色剂20-40份、石英砂960-980份、固化剂3-5份投入搅拌机搅拌均匀；搅拌时间例如为3-5分钟；
2.经干燥剂干燥，例如为履带式干燥机；
3.过筛；
4.包装。
采用上述比例的组分，通过上述方式制成的人工采砂，能够在保证所述复合着色剂不结团的前提下，尽可能地提高其耐候性和附着力，以及更好地保证了产品性能。
其中，人工彩砂的测试项目及技术指标参见表5。
表5人工彩砂测试项目及技术指标
本发明带来的有益效果:
1、通过钾水玻璃与有机树脂乳液的复配，实现了高粘结强度、高渗透性的着色剂配置。着色剂能深入石英砂内部0.1mm,解决了彩砂的耐磨耐久性问题。
2、烧结彩砂，由于是着色剂任意配置，所以烧结彩砂可以实现任意色，这可以灵活根据市场上客户的需求，进行颜色定制。同时砂子粗细也可以自行选择。
3、钾水玻璃、有机树脂乳液均能常温干燥，无需高温，节能减排。由于没有温度对颜色的影响，颜色批次间的稳定性有了保证。
按照上述各实施例给出的配比制造出的人工彩砂，色彩丰富，色泽鲜艳均匀，均能满足客户在色彩上个性化的需求，且经济环保；而且复合着色剂与碎石具有很高的附着力，并提高了彩砂的柔韧度。本发明给出的人工彩砂受矿源限制性很小，成本较天然色砂低。与目前使用的天然色砂相比，本发明所提供的人工彩砂颜色均匀，具有优异的成膜性、高附着力、高耐水碱性、极强的抗污染性和超强耐候性，经济环保，解决了因天然彩砂矿源越来越少，远远不能满足生产的需要、不同批次之间存在色差以及不能满足生产的及时性等问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种制备复合着色剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）水玻璃酸改性步骤，向水玻璃中加入无机酸，在400-500转/分钟的转速条件下，搅拌8-15分钟；
2）添加稳定剂步骤，向改性后水玻璃中投入填料、所需颜色的色粉，边搅拌边投入稳定剂，在400-500转/分钟的转速条件下搅拌均匀后，再在1450-1550转/分钟的转速条件下高速分散8-15分钟；
3）复配步骤，向上述高速分散后得到的混合物中投入水性树脂乳液，搅拌使之均匀；
其中所述复合着色剂包括：水玻璃、水性树脂乳液、无机酸、填料、稳定剂、色粉和水；该复合着色剂各组分的质量份数满足：水玻璃为280～320、水性树脂乳液为45～55、无机酸为2.8～3.2，稳定剂为0.9～1.1，填料为75～125，色粉为435～560，水为40～52；所述的水玻璃为钾水玻璃；
所述的水性树脂乳液包括乳液996AD，所述的稳定剂包括硅酸盐，所述的无机酸包括浓硫酸，所述的填料包括云母粉、重钙粉、石英粉或滑石粉。
2.根据权利要求1所述的制备复合着色剂的方法，其特征在于：所述的填料为云母粉，其呈片状结构。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的制备复合着色剂的方法所制得的复合着色剂。
4.一种人工彩砂，其包括碎石砂料、复合着色剂和固化剂，所述碎石砂料包括石英砂、方解石中的至少一种，其特征在于，所述的复合着色剂包括权利要求3所述的复合着色剂。
5.根据权利要求4所述的人工彩砂，其特征在于，所述的碎石砂料与所述复合着色剂的质量比例为：960-980/40-20。
6.根据权利要求4或5所述的人工彩砂，其特征在于，所述碎石砂料为石英砂，其中，所述石英砂的粒径包括10-20目、20-40目、40-80目或80-120目。
7.根据权利要求4所述的人工彩砂，其特征在于，所述固化剂为缩合磷酸铝。
8.一种制备权利要求4-7任一项所述的人工彩砂的方法，其特征在于，复合着色剂采用权利要求1-2任一项所述的制备复合着色剂的方法制备。
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