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彩色石英砂应用现状及发展趋势

发布时间:2020/09/03     浏览:

摘要:根据生产工艺,彩色石英砂可分为天然彩砂和人工彩砂。天然彩砂色彩柔和、加工工艺简单,成本较低,但由于矿源的差异,不同批次产品易出现色差。人工彩砂主要以陶瓷彩釉法生产,产品颜色均匀,色彩鲜艳,但成本较高。在地面材料中,彩色石英砂主要应用在环氧彩砂地坪中,墙面材料主要应用于真石漆和质感涂料中,而在屋面主要应用在玻纤沥青瓦上。彩色石英砂一方面增加了产品的装饰性,另一方面可提高产品的物理性能,如耐磨性和强度,通过特殊的加工工艺甚至可以提高产品如玻纤沥青瓦的热反射性能。

1、概述

随着人们对建筑色彩要求不断提高,近年来彩色石英砂在建筑装饰领域用量呈快速增长趋势。彩色石英砂具有颜色多样、质感丰富、强度高、耐磨性好等特点,广泛应用在地面、墙面以及屋面材料中,以提高材料的装饰性和功能性。根据生产工艺,彩色石英砂可分为天然彩砂和人工彩砂。天然彩砂是由各种天然矿石加工而成的,其色彩柔和、加工工艺相对简单,但由于矿源的差异,导致不同批次产品容易出现色差。不同地域、不同矿源的产品外观、颜色也差异较大。此外天然彩砂硬度一般较小、较脆,适合用于墙体、屋面以及承压小的地面装饰材料中。人造彩砂主要采用白色或浅色石英砂经过人工着色得到,其特点是颜色均匀、色彩鲜艳,可根据需求制备不同颜色产品,但色彩不如天然彩砂柔和,颗粒大多浑圆、质感略差。人工彩砂所选石英砂颗粒通常较为坚硬,适用于各种墙面、地面装饰。

2、生产工艺

2.1天然彩色石英砂

天然彩色石英砂生产工艺如下。

天然彩色石英砂加工原材料主要取材于矿石开采的碎石料和石材加工的边角料,产品具有显著的区域特性。我国天然彩砂产地主要集中在河北石家庄、河南南阳和广东云浮等地,其中各地因为矿石来源差异,彩砂颜色也有很大差异。白色天然彩砂是建筑材料中用量较大、应用较广泛的彩砂,主要集中在河北、河南、广西、广东等地。其他颜色彩砂如中国黑、太行黑、鸡血红等主要集中在河北石家庄、河南南阳等地,其中一些特殊颜色彩砂如菊花黄、丹东绿只有特定地域生产。

2.2人工彩色石英砂

为弥补天然彩砂颜色和产量的不足,人工制备的彩色石英砂得到越来越多的研究和生产。它一般采用白色或浅色石英砂为基本材料,粒型以球形为主,便于均匀着色,粒径根据彩砂用途进行选择,120目以下的彩砂因为粒径太细,不宜采用人工方法着色。

人工制备彩砂技术起源于日本,早在1984年日本就申报了人造彩砂制备方法的专利。该方法采用碱金属硅酸盐和缩聚磷酸铝为主要成分的硅酸盐类涂料与干净的石英砂搅拌混合,干燥后经低温烧成制备彩砂。随后我国也开始了人工制备彩砂技术的研究和生产。目前采用的方法有常温染色法、树脂固化法、高温烧结法。近年来随着工艺的改进,出现了陶瓷彩釉法。该工艺制备出的人工彩砂颜色鲜艳,耐久性好。表1列举了不同的人工彩砂生产工艺。

表1人工彩砂生产工艺

生产工艺 主要原料 温度/℃ 优点 不足
常温染色法 石英砂、有机颜料 常温 工艺简单、颜色鲜艳 易掉色、耐候性较差
树脂固化法 石英砂、树脂、颜料 200-300 生产量大、成本较低 颗粒容易粘连、质感差
高温烧结法 石英砂、无机颜料 1000以上 颜色耐久性好 工艺复杂、设备要求高
陶瓷彩釉法 石英砂、釉料 800-900 颜色鲜艳、耐久性好 工艺精度要求高

陶瓷彩釉法工艺流程包括釉料制备和着色两个步骤。材料表面上釉主要应用在陶瓷行业。陶瓷彩釉法就是利用釉料上釉的原理,以石英砂为胚体,在石英砂表面形成一层光滑的彩色釉料。釉料主要成分包括颜料、助熔剂和添加剂等。常见助熔剂种类有硼酸、碱性氧化物,主要在烧成过程中降低烧成温度。添加剂起悬浮、分散颜料的作用,其中表面活性剂通常具有亲水亲油基团,有利于颜料吸附在石英砂表层。陶瓷彩釉法制备的彩砂具有高温烧结彩砂相同的着色效果,但由于烧成温度降低,同高温烧结法相比成本大大下降。为了防止烧成过程中出现烧结现象,通常采用回转窑加热,必要时可增加振动设备。升温、冷却过程应避免急冷急热。

3、应用现状

3.1在地面中的应用

地面材料应具有较高的强度和耐磨性能,特殊场合还需要合适的防滑性、抗冲击性和防静电性能等。随着人们对装饰要求的不断提高,地面材料也一改以往颜色单调的状况,出现多彩化的趋势。彩色石英砂因为优异的耐磨性能,能有效提高强度,同时具有良好的色彩装饰效果,大量应用于地面材料中,其中环氧彩砂在地坪中用量很大。

3.1.1地坪

彩色石英砂是彩砂地坪涂料的主要原料。彩砂地坪涂料是一种以彩色石英砂为骨料,主要以改性环氧树脂为粘接剂制成的地坪材料,施工厚度一般为3-30mm,适用于宾馆、办公楼、展馆、商场、医院等场所。

彩色石英砂对彩砂地坪的质量至关重要,不仅赋予地坪优美装饰性能,而且保障了地坪的高抗压性和高耐磨性。环氧地坪中的彩色石英砂应选用球形颗粒的,并具有合适的级配,彩砂颗粒能够尽量“紧密堆积;,使环氧彩砂层充分密实。这样可以保证产品强度,节省罩面涂层的树脂用量,降低成本。彩砂地坪中彩色石英砂以人工制备的为主,通常应满足表2的技术要求。

表2环氧彩砂地坪人造彩砂技术指标

序号 项目 技术指标
1 外观 球形颗粒
2 硬度 莫氏硬度6.5-7.0
3 比重 堆积比重1.5-1.6
4 含泥量 ≤1%
5 耐水性 水中浸泡24h,颜色无变化
6 耐酸性 10%HCL溶液浸泡8h,颜色无变化
7 耐碱性 10%NaOH浸泡8h,颜色无变化

3.1.2道路

彩砂可用作彩色路面的覆面材料。在城市道路中,彩砂可涂覆在沥青路面中,不仅增加美观效果,而且具有标记、警示作用。相对于石油树脂基道路划线涂料,彩砂沥青道路具有更好的耐久性。彩色石英砂还可用于小区、游乐场所、风景名胜区、停车场等场所的地面,提高道路的防滑性、耐磨性和装饰性。

3.2在墙面材料中的应用

墙体装饰材料多种多样,主要有石材、瓷砖和涂料等。石材来自于大自然,但需经过切割、运输、安装等工序才可使用,因此价格昂贵。开采石材会破坏自然环境,一些花岗岩石材还会释放微量放射性元素,造成人体伤害。瓷砖为高温烧结制品,原材料主要取自黏土,生产过程中需要消耗大量的能源和黏土资源。涂料产品虽然颜色丰富、施工便捷,但存在耐候性差、质感不丰富等缺点。近年来仿石类、仿砖类装饰材料不断出现,其中真石漆、质感涂料和装饰砂浆等产品作为新型墙体材料,由于其添加了彩色石英砂等骨料,可得出逼真的仿石、仿砖效果,得到了大家的广泛关注和认可。

3.2.1真石漆和质感涂料

真石漆和质感涂料由于添加了彩色石英砂等骨料,具有质感丰富、色彩多样等特点,通过喷涂等施工方式,可取得类似天然石材的装饰效果。由于真石漆和质感涂料在装饰效果上存在一定差异,因而两种产品在彩色石英砂等材料上的选择也有所不同。真石漆主要采用白色天然石英砂,颗粒目数多选用40-70目、70-120目两种规格,为取得特殊装饰效果,可添加粒径在20-40目的彩色石英砂颗粒,如太行黑、鸡血红、中国红等彩砂颗粒,也可使用天然彩色粉调整颜色的深浅,使涂层的色调富有层次感。

相对于真石漆,质感涂料由于含有重钙粉等细填料,装饰质感略差,其选用的骨料主要为20-40目、40-70目两种规格天然白色石英砂,调色多采用色浆调色。施工可采用刮涂、滚涂等施工方式。近年来,部分质感涂料也有添加人工制备的彩砂,颜色鲜艳、颗粒均匀,但由于成本因素,尚未大面积推广。

石英砂的颗粒级配对真石漆、质感涂料的施工性能及涂层的表观状态影响非常大。如果石英砂颗粒太粗,在涂料中易沉淀,喷涂时容易飞溅,涂层外观较粗糙,甚至出现裂纹和微孔,易积灰尘而被污染;如果石英砂颗粒太细,会导致乳液用量增加,成本增加,施工后涂层致密,但装饰质感效果欠佳。所以,采用粗细颗粒搭配使用,既不易影响涂层的装饰效果,还可以使涂层致密。

3.2.2装饰砂浆

彩色装饰砂浆作为一种新型墙面装饰材料,近年来得到了广泛关注。该技术来源于欧洲。它由无机胶凝材料、有机聚合物、填料和骨料组成,用于建筑墙体表面的装饰。由于彩色装饰砂浆的弹性模量、热膨胀系数等热、力学性能与外保温体系的抹面砂浆相似,故与外保温系统有好的匹配性和相容性。彩色装饰砂浆在发达国家已广泛代替涂料和瓷砖应用于建筑物的内、外墙装饰中,实际效果可见图3。

彩色石英砂应用现状及发展趋势

装饰砂浆中选用的骨料多为天然白色或浅色石英砂,按照加工工艺,又可分为天然砂和机制砂。天然砂包括河砂、湖砂和海砂、山砂。河砂、湖砂由于长期受水流的冲刷,颗粒表面圆滑、清洁、含泥量少;海砂中盐分较高,较少使用;同样山砂中含泥量较高,也较少直接使用。机制砂也叫人工砂,是天然岩石经过人工破碎、筛分、水洗、烘干等工艺处理后得到,表面粗糙、富有棱角,与水泥等胶凝材料粘接性好,产品强度较高,但流动度较差。同质感涂料一样,装饰砂浆中也可添加人工彩砂得到特殊装饰效果。

总之,目前在墙体建筑装饰材料中,用量大的是白色天然石英砂,产品质量应符合GB/T 14684-2011《建筑用砂》的规定。

3.3在屋面材料中的应用

传统上,屋面材料多采用烧结瓦、防水卷材、防水涂料,颜色单一,主要考虑防水性能和保温性能。随着节能减排政策的推广,屋面材料也朝着颜色多样化、功能化方面发展,如金属屋面、玻纤沥青瓦等产品和技术得到大家的重视。其中玻纤沥青瓦由于防水性能优异、施工方面、颜色多样得到广泛应用。

玻纤沥青瓦通常由玻纤网、沥青、彩色石英砂三种成分组成。沥青是一种介于棕黑与黑色之间胶凝材料,外观是固体或半固体,为石油提炼后的副产物,通常作为防水材料。彩色石英砂包覆了沥青瓦97%的表面,可为沥青瓦提供防紫外照射、着色、增重、抗冲击性和防火性能。玻纤沥青瓦主要生产工艺过程如图4所示。

彩色石英砂应用现状及发展趋势

沥青瓦用彩色石英砂满足表3的技术要求。

表3沥青瓦用彩色石英砂技术要求

序号 项目 指标
1 松散堆积密度/(kg/m3)≥ 1200
2 表观密度/(kg/m3)≥ 2500
3 含水率/%≤ 1.0
4 粉尘含量/%≤ 0.5
5 压碎指标/%≤ 25
6 流动性/S≤ 15
7 憎水性/min≥ 1
8 含油率/% 0.5-1.5
9 锈蚀性/个 0
10 耐酸性/(mL/100g) ≤10或呈酸性
11 耐沸水性 外观 无浑浊、结团
△E≤ 4
12 耐高温性 外观 无浑浊
△E≤ 4
13 耐紫外线光照 △E≤ 3

3.4其他方面应用

除了应用在地面、墙面和屋面材料中,彩色石英砂还可应用于工艺品制造和艺术创作中。目前比较流行的彩砂画就是将彩色石英砂用于箔金工艺砂画(景泰蓝工艺画)、卡通画、传统脸谱、国画等的艺术创作。彩砂画色彩丰富、色调艳丽、富于立体感,可根据客户的特殊要求加工生产。彩砂还可用于台面、桌面、柱面、雕塑等的饰面材料,如仿大理石高级彩砂桌面,不仅色彩丰富独特、质感好,而且表面硬度大、耐磨耐划伤,因此受到人们的欢迎。

4、发展趋势

未来几年,随着真石漆、环氧彩砂地坪、玻纤沥青瓦等建材产品需求量居高不下,对彩色石英砂用量也将保持较大的需求。部分石英砂生产厂家已经意识到这种状况,积极准备对策应对。对于天然彩色石英砂,矿源是重要的资源,大的厂家通过购买、合作的方式获得稳定的矿山资源,同时积极扩大产能、合并中小企业,降低生产成本。但由于矿山资源有限,且开采过程会不同程度污染环境、造成水土流失,而且随着国家相关政策的出台,天然石英砂可能会出现供应紧张的局面,特别是好的产品由于矿源、政策、地域的限制,会出现供不应求的局面。

为解决天然石英石供应不足、批次稳定性差等问题,对人工制备的彩色石英砂需求呈逐步上升态势,一些国外厂家也看准了其中的机遇,纷纷来华合资、建厂。目前人工彩色石英砂基本上都是白色或透明石英砂通过高温烧制工艺进行着色,得到的产品颜色均匀,色相鲜艳,但成本远远高于天然彩砂,因而目前只限于用在附加值高的建材产品中。因此将来如何改进工艺、降低成本是人工彩色石英砂发展的瓶颈。

如何提高彩色石英砂的功能性,提高自身附加值也成为未来发展方向。如近年来冷屋面技术成为研究和应用热点,可通过冷颜料处理得到热反射彩砂。将这种特殊的彩色石英砂包裹在瓦上,可得到热反射性能优异的彩色玻纤瓦,能有效反射太阳辐照能,降低瓦片表面温度,进而节省能源。

5、结语

彩色石英砂添加到各种建材产品中,一方面增加了产品的装饰性,如颜色和质感,另一方面提高了产品的物理性能,如耐磨性、强度,通过特殊的工艺甚至可以提高产品如玻纤沥青瓦的热反射性能。天然彩色石英砂来源广,价格便宜,广泛应用于地面、墙体材料中。相比天然彩砂,人工制备的彩色石英砂颜色鲜艳、色彩均匀,产品批次稳定性好,但成本较高。随着生产工艺的改善和成本的降低,彩色石英砂将会有广阔的应用前景。

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