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人工彩色石英砂的生产工艺及应用

编辑:波涛净水      来源:www.cddii.com     浏览:      发布时间:19/11/12

摘要:本文概述人工彩色石英砂主要的生产工艺,及彩色石英砂的广泛应用在建筑和涂料领域,并指出人工彩色石英砂具有广阔的发展前景和应用空间。

一、引言

近年来彩色石英砂应用领域及用量呈现增加趋势。彩色石英砂具有色彩多样、立体感强、坚固、耐磨性好等优点,广泛应用在建筑装修、水磨石骨料、高级喷漆涂料及地面、屋顶材料中,以提高材料的功能性和美观性。

彩色石英砂通常可分为天然彩砂和人工彩砂两种。

天然彩砂是由各种天然彩色矿石加工而成的,具有色调柔和、立体感强、加工工艺简单等特点,但存在矿源来源的差异问题,导致不同批次产品存在较大色差。此外天然彩砂还存在硬度一般较小、较脆的问题,只适合用于墙体、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,具有色泽鲜艳、颜色种类多、性能好等特点,但其颗粒浑圆、质感差,色彩不如天然彩砂柔和,质感略差。

对于天然彩色石英砂,但由于矿山资源有限,且开采过程会造成环境污染和水土流失。为解决天然石英石资源有限、批次色差大等问题,人工彩色石英砂需求量将逐步上升,具有广阔的市场应用前景。

二、人工彩色石英砂的制备方法

(一)常温染色法

在常温的条件下,石英砂和有机染料直接混合搅拌制备得到。该工艺简单,能耗小,且得到的彩色石英砂颜色鲜艳。缺点是该法制备的彩色石英砂易褪色,耐候性差。

(二)无机颜料直接染色法

在常温下将无机颜料均匀的附着在砂子表面,在200-220℃环境中保温二十分钟,再将预热好的物料在400-420℃温度下煅烧二十分钟,冷却后得到彩砂。该法在生产过程中,若温度有波动同一批彩砂的颜色会不相同,时间过长或过短会导致颜料固化不牢,颜色一般保持一年左右。

由天津华能集团通过改进预热和煅烧的设备,采用谐波调速电机对热风炉炉排速度控制和调节进风门风量来实现恒温,及无级调速电机控制预热滚筒和煅烧滚筒的转数,有效保证了煅烧及预热的时间、温度一致,受热均匀,因此可保证彩砂颜色均匀,长时间不褪色。

(三)树脂固化法

在200-300℃的条件下,环氧树脂、固化剂、颜料形成一层彩色膜包覆在石英砂表面。基本原理是:环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征,环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团,使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

该染色工艺优点是生产量大、成本低;缺点是颗粒容易粘连、质感差、耐候性差。

(四)高温烧结法

在1000℃以上的高温条件下,经高温烧制使无机颜料固化在石英砂表面。该染色工艺优点是颜色持久,不变色、耐酸碱、耐高温,缺点是工艺复杂、能耗高、设备要求高。

(五)陶瓷彩釉法

陶瓷彩釉法工艺流程分为两个步骤,分别为釉料制备和着色。材料表面上釉主要应用在陶瓷行业。

陶瓷彩釉法的基本原理是釉料上釉,胚体为白色或浅色石英砂,在其表面形成一层光滑的彩色釉料。釉料主要成分为助熔剂、粘结剂、和颜料等。常见熔剂种类有碱性氧化物、硼酸,其主要作用是降低烧成温度。添加剂的主要作用是悬浮、分散颜料,其中表面活性剂通常具有亲水亲油基团,有助于颜料均匀吸附在石英砂表层。

按配方比例将粘结剂、陶瓷颜料和助溶剂及应补充一定量的水分倒入球墨机内,密封机口,装上球磨机架并启动5-6小时,将该浆液倒在一定量的石英砂上,充分拌匀,干燥后送入高温炉中煅烧,温度随彩砂的品种而变。

陶瓷彩釉法制备的彩砂与高温烧结制备彩砂比较,具有相同的着色效果,但由于陶瓷彩釉法烧成温度降低,与高温烧结法相比成本大大降低。

该染色工艺优点是具有颜色鲜艳、耐久性好,缺点是工艺精度要求高、生产成本高、颜色品种受到一定限制。

(六)搪瓷法

搪瓷法生产彩砂我国已经有较悠久的历史,解放以后发展更快,现有八十多个厂家生产。搪瓷是一种复合材料,首先是金属,其次是瓷釉两种材料的结合,瓷层就是将瓷釉经过一系列较为复杂的物理化学反应煅烧在金属上的产物,而搪瓷色釉裹砂工艺就是利用搪瓷釉的这种特性,使其在石英砂表面形成复杂的碱一硼一硅酸盐玻璃体。

1.釉料制备工艺。将各种原料计量倒入球磨机内,启动球磨机粉碎均匀送入1300℃左右的专用高温炉熔融成液体流入水中进行水淬,将水淬成细小玻璃状颗粒晾干后,再放入球磨机同时加入适量的苏州土和水,启动球磨机待粉碎成一定细度的浆液备用。

2.彩砂制备工艺。按配方比例将釉料、搪瓷色素、分散剂、粘结剂和水倒入球磨机内,再将研磨好的浆液与石英砂搅拌均匀,干燥后送入800℃高温炉中煅烧,恒温10-15分钟,冷却后得到彩色石英砂。

搪瓷法工艺较陶瓷法有较多优点,搪瓷法煅烧温度较低而一致,时间亦稍短,可以节约能源,提高产量,另外抗风化性能提高,色谱更加广泛齐全。

(七)硅酸盐废渣法

基于人造彩砂的制造工艺原理,其主体组分都为硅酸盐混合物。湖南湘潭化工研究设计院研制开发了利用含硅酸盐材料的废渣作为原料,添加各种色素及其它辅助材料制作彩砂的工艺技术。

将硅酸盐废渣、色素、粘合剂、添加剂和水分别倒入球磨机内,球磨6-8小时后,将其浆液与石英砂充分搅拌均匀,送入800℃左右的高温炉,恒温10-15分钟,冷却后得到彩色石英砂。这里所用的硅酸盐废渣作为釉料使用,其制备彩砂工艺与搪瓷法工艺类似。

该技术充分得利用废渣可大大降低生产成本,与陶瓷法、搪瓷法相比,原料来源广泛、处理加工简单,煅烧时间与搪瓷法相同,色谱宽广,具有很好的经济效益和社会效益,具有很大市场推广前景。

(八)利用尾矿制备彩砂

选矿厂排出大多数尾矿,其主要成分以石英为主,此外还含有钾、钠、铝、钙、铁等氧化物,各成分的含量为:SiO2 76.2-86.3%,Al2O3 7.4-8.4%, CaO 0.2-1.3%,MgO 0.4%,K2O 2-2.8%, Na2O 1.0-2.0%,Fe2O3 0.9-1.6%。从含量分析可以看出,在彩色石英砂生产中,可以用它代替石英砂。

方法一:将尾矿砂和无机颜料混合,加入少量粘结剂,然后加入矿化剂在高温下烧结,通过固相反应,使其表面生产一层较为稳定的金属硅酸盐,从而得到色彩丰富的彩砂。

方法二:将预先配制好的玻璃原料(石英粉、碳酸钠、石灰粉按一定比例磨细)加入着色的金属氧化物,并与铜尾矿混合,在高温下煅烧,使尾矿表面裹上一层带色的玻璃层,生产出色泽鲜艳的彩砂。

利用尾矿代替石英砂生产彩色石英砂,则能大大降低生产成本,这是因为尾矿中石英的含量较高,利用尾矿直接生产彩色石英砂可省去采矿以及破碎等原料加工费用,从而降低了生产成本,而且不会对环境的自然地形、地貌造成新的破坏,还可减轻因尾矿排放对土壤、环境、大气等破坏的压力,节约尾矿治理费用,具有巨大的经济效益和社会效益。

三、彩色石英砂的应用

(一)环氧彩砂地坪

环氧彩砂装饰地坪是以改性环氧树脂及助剂和彩色石英砂制成新型复合装饰地坪,通过添加一种或多种不同颜色的彩色石英砂,可搭配成丰富多彩的装饰图案及色彩,不但具有很好的装饰效果,且具有耐化学腐蚀、耐抗压、耐磨损、防滑、防水、防火等优点。

彩砂环氧树脂装饰地坪开始用于功能性地坪,如防腐、耐磨、防滑,后发展为通用工业用地和民用建筑地面,除了具有功能性的要求,还具有装饰效果。近年来环氧彩砂装饰地坪发达国家非常流行,被欧美国家誉为“彩砂无缝硬地毯”。

(二)彩色沥青路面

彩色沥青路面是彩砂与脱色沥青、添加剂作为彩色路面的覆面材料,覆盖有彩砂的彩色沥青路面不仅具有方便交通管理、防止交通事故、交通减速提示,还具有美化环境,吸取噪音,防滑等重要作用。

(三)彩色沥青瓦

彩色沥青瓦是以玻璃纤维毡或聚酯毡为胎体,沥青为涂盖料的主要成分,一面覆盖彩砂颗粒,另一面覆盖隔离材料的一种新型多彩瓦状屋面防水片材。彩色沥青瓦具有耐候性好、防水、色彩丰富、形式多样、除尘自洁性好和施工简便等特点,在国内外广泛应用于坡屋面防水装饰材料。该产品性能由于同类产品,具有广阔发展前景,在不久的将来,彩色沥青瓦有望成为我国建筑屋面的主流产品。

(四)涂料

真石漆、质感漆和砂壁艺术涂料是以水溶性高分子聚合物、彩砂及各种助剂制备得到。由于彩色石英砂作为主要骨料,具有质感丰富、色彩多样、美观大方,另外具有优良的耐候性、耐紫外线、耐老化等特点,通过喷涂等施工方式,可取得类似天然石材及百变状质感的装饰效果。

(五)装饰砂浆

彩色装饰砂浆是以聚合物材料、彩砂石英砂、无机矿物颜料和填料制备而成的一种新型墙面装饰材料,具有材质轻、柔性好、装饰性强、防水、透气、抗漆、施工简单等优点,近年来得到了广泛关注。由于彩色装饰砂浆的热膨胀系数等热、弹性模量、外保温体系与力学性能的抹面砂浆相似,故与外保温系统有好的匹配性和相容性。在发达国家,彩色装饰砂浆已广泛用于建筑物的内、外墙装饰,来代替涂料和瓷砖应用。

(六)其它方面的应用

现在还有些厂家开发了彩砂应用的新领域:金丝彩沙画是一种高档的家居饰品,由纯手工精制作而成:画材选用金属丝、彩砂为原料,以彩色沙石的色彩做为画面的颜色,用金属丝镶嵌出图案的轮廓。

目前彩砂已用于诸如箔金工艺砂画(景泰蓝工艺画)、国画、传统脸谱、卡通画等艺术作品。彩砂工艺画制作工艺简单,成本低廉,工艺画彩砂颜色过渡柔和,艳丽明快,终身不褪色,可用水洗,是家庭、宾馆、饭店、机关、企事业单位办公场所、大厅及走廊等场所的装饰佳品。

彩砂还可用于台面、桌面、柱面、雕塑等的饰面材料,不仅样式独特、色彩丰富、质感好,而且表面硬度大、耐磨性好,因此倍受人们青睐。彩砂可用于制造地板砖、瓷砖、大理石及装饰用卫生洁具等,具有光滑、美观、坚固耐磨等优点。

四、结语

为弥补天然彩砂资源有限、批次色差大等问题,人工制备的彩色石英砂得到越来越多的研究和生产。目前人工彩色石英砂生产成本远远高于天然彩砂,因此仅限于用在高端、附加值高的建材产品中。一方面,如何改进染色工艺、降低成本、扩大应用范围是人工彩色石英砂未来发展的热点问题。另一方面,如何提高人工彩色石英砂的自身附加值,赋予更多的功能性,也成为未来发展的方向。

目前研究出的特种彩砂包括:抗菌彩砂、抗静电彩砂、耐磨彩砂、隔热彩砂、节能彩砂等。人工彩砂随着生产成本的降低和自身附加值的提高,具有广阔的市场应用前景。

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