本申请要求2002年12月26日提交的美国临时申请系列号60/436,795(标题为 “颜料团聚体，其制备方法及其用途”)的优先权(35U.S.C.119(e))，60/436,795 的全部内容作为参考并入本文。
技术领域
本发明涉及用于着色混凝土和其它水泥产品的颜料团聚体，以及制备这种颜料 颗粒的方法。
背景技术
通常灰色的混凝土广泛用于建设和建筑工业，并且通常是标准品。但是使用混 凝土和其它水泥产品如砂浆和薄浆的许多工业需要在混凝土或水泥产品中加入着 色剂如颜料。为了便于在本文中描述，这种水泥产品被简称为混凝土或混凝土产品， 应该理解这种简单的命名是为了描述较广范畴的水泥产品。可以在浇注之前将颜料 混合到湿混凝土中，或者可以在浇注后局部施加到混凝土中。
氧化铁作为粉末可以具有各种颜色，是一种用于混凝土的通用颜料。为了提供 广泛的颜色，供应商会定制混合多种基色颜料，以得到所需的最终色调。氧化铁和 其它颜料的一个共同问题是颜料粉末难以加工。该粉末具有结块的倾向，导致在输 送过程中不规则流动(如采用螺旋推进加料器传输、倾倒等)并且会堵塞机器和输送 线路或输送管道。
市售有多种试图解决结块问题的颜料产品。例如HG Starck(Bayer公司的一个 部门)生产了一种压缩粉末化颜料。Davis Colors有一条竞争性颜料生产线，使用 与粘合剂材料结合的氧化铁彩色颗粒的颜料颗粒。这些颜料颗粒不是压实或压块的 颗粒，见美国专利No.4,946,505(Jungk)。
需要一种用于混凝土的改进着色产品。
发明概述
本发明涉及一种用于着色混凝土产品的颗粒颜料的制备方法。该颗粒颜料产品 是颜料颗粒和至少一种载体颗粒的团聚体。所述载体颗粒用作所述团聚体的核。
在本发明的一个方面，提供了一种由至少一种载体颗粒和多种颜料颗粒组成的 颜料团聚体。在一个优选的方面，所述载体颗粒是二氧化硅颗粒，如煅制二氧化硅。 在另一个优选的方面，对于前述优选方面是附加地或选择性地，颜料颗粒是氧化铁 颗粒。在一个优选的方面，颜料团聚体基本上由重量比为约0.5∶10-3∶10的载体颗 粒∶颜料颗粒组成。
本发明还涉及颜料团聚体的制备方法，该方法包括将载体颗粒和颜料颗粒一起 混合，优选重量比为约0.1∶10-5∶10(载体颗粒∶颜料颗粒)，所述混合以翻转或旋转 运动的方式进行。不需要给颜料团聚体提供聚合物粘合剂或其它粘合剂材料。此外， 载体颗粒和颜料颗粒通常形成球形团聚体，它们以颗粒间作用力结合在一起。术语 “颗粒间作用力”是指源自一个颗粒并且施加力在另一个颗粒中或作用于其它颗粒 本身的力。在一种优选的颜料团聚体制备方法中，载体颗粒和颜料颗粒以重量比约 0.5∶10-3∶10一起混合。
根据本发明的颜料团聚体比非-团聚颜料具有改进的流动性。例如，由煅制二氧 化硅和氧化铁组成的团聚体比不含煅制二氧化硅载体的氧化铁更容易处理(如浇注、 推进、传输)。
当暴露于混凝土混合料(即水泥、沙子、水等)时，颜料团聚体被破坏并且颜料 颗粒均匀分散在整个混凝土中。此外，载体颗粒可以赋予混凝土有益的性能。
附图简述
图1是根据本发明的颜料团聚体的示意性透视图；
图2是图1颜料团聚体的第一种变化的放大剖视图；和
图3是图1颜料团聚体的第二种变化的放大剖视图。
发明详述
参照附图，其中在几个图中相同的数字代表相同的组分，在图1、2和3中示 意性地表示了一种颜料团聚体10。颜料团聚体10由多个颜料颗粒12和至少一个载 体颗粒14形成。载体颗粒14在图2和3中表示为暗色。这种表示仅仅是为了便于 理解本发明以及区分颜料颗粒12和载体颗粒14，并非意图限制这种载体颗粒14的 颜色。在图2和3中可以看出，载体颗粒14存在于团聚体10内部，并且被颜料颗 粒12包围，并且通常是被覆盖。在图2中，团聚体10含有一个载体颗粒14和多 个颜料颗粒12。在图3中，团聚体10含有多个载体颗粒14和多个或多倍颜料颗粒 12。在所示的团聚体10中，载体颗粒14是内部颗粒，即它们并不存在于团聚体10 的外表面上。但是在一些团聚体10中，载体颗粒14可以形成团聚体10的部分外 表面，尽管通常载体颗粒14会被颜料颗粒12包围，如图2和3中所示。
颜料团聚体10中载体颗粒14和颜料颗粒12的重量比为至少1∶100，优选至少 5∶100。该比例不超过50∶100，并且优选不超过40∶100。选择载体颗粒14和颜料颗 粒12的比例以得到颜料颗粒12的改进的流动性和加工性，同时保持颜料颗粒12 的着色性能。对于一些颜料，如果载体颗粒14和颜料颗粒12的比例太高，则与单 独使用颜料颗粒12的情况相比，在所得混凝土中得到的颜色变淡或褪色。载体颗 粒14：颜料颗粒12的一个优选比例是1∶9，提供了含有10％载体颗粒14的团聚体 10。
团聚体10结合在一起，即颜料颗粒12通过颗粒12和颗粒14之间产生的颗粒 间作用力结合到载体颗粒14上。不使用聚合物粘合剂(通常也称之为胶粘剂)或其它 类似添加剂来将颜料颗粒12粘合到载体颗粒14。形成并结合成团聚体10是颜料颗 粒12和载体颗粒14的性质。
颜料颗粒12通过颗粒间作用力如磁力、静电力、范德华力以及其它物理或化 学颗粒间作用力结合到载体颗粒14。在本申请提交之日，还未了解是什么力将颜料 颗粒12和载体颗粒14结合在一起形成团聚体10，但是已知这两种颗粒12和14彼 此之间不会发生化学反应，并且所得团聚体10保持颜料颗粒12和载体颗粒14离 散。作为一个例子，载体颗粒14可以具有自然产生的正电荷，并且当与具有负电 荷的颜料颗粒12结合时，颗粒14和12具有相互吸引的倾向。作为另一个例子， 静电荷或静电力可以使颗粒12和14彼此吸引并结合在一起。
当例如采用压碎、剧烈振荡或施加强力破坏团聚体10时，团聚体10破裂为颜 料颗粒12和载体颗粒14。如果有耐心和时间，可以将颜料颗粒12与载体颗粒14 分离。
将团聚体10结合在一起的颗粒间作用力可以是颜料颗粒12、载体颗粒14、或 两者的自然产生的特性，或者颗粒间作用力可以是施加到颗粒上的处理过程之类的 结果。
颜料颗粒12或载体颗粒14的颗粒电荷可以通过用表面活性剂或其它类似的非 聚合物添加剂预处理颗粒来增强或改变。例如，载体颗粒14上自然产生的正电荷 可以通过阳离子表面活性剂增强和/或颜料颗粒12上自然产生的负电荷可以通过阴 离子表面活性剂增强。适当的表面活性剂的例子包括商品名为“Tween”的表面活 性剂(购自ICI Surfactants)。阴离子和阳离子表面活性剂都可以购自Goldschmidt 化学品公司，以及Fiber-Shield工业公司。
也可以使用增强颜料颗粒12和载体颗粒14的电荷差的其它方法，包括简单地 通过电场或磁场将静电荷或磁荷施加到颗粒的方法。
如上所述，还不了解是什么力将颜料颗粒12和载体颗粒14结合在一起。可以 采用其它颗粒间增强方式来增强颗粒间作用力，这取决于是什么样的颗粒间作用力 将团聚体10结合。
团聚体10的尺寸一般是至少约0.1mm直径，更通常是至少约0.5mm直径。通 常直径是至少1mm。团聚体10的尺寸一般不大于约5mm直径，通常不大于约4mm。
颜料颗粒
用于着色混凝土的本发明团聚体10中适当的颜料颗粒12，或者用于通过本发 明的方法形成团聚体10的适当的颜料颗粒12包括干燥粉末形式的无机和有机颜 料。无机颜料的类型包括金属氧化物(例如铁、钛、锌、钴、铬)，金属粉末(例如金、 铝)，矿物颜料(例如富铁矿、赭石、棕土)，铬酸铅和碳黑。有机颜料的类型包括动 物(例如视紫红质、黑色素)，植物(例如叶绿素、叶黄素、靛青、黄酮、胡萝卜素)。
尤其认为适合引入颜料团聚体10中的颜料颗粒12的例子包括氧化铁、二氧化 钛和碳黑。优选的颜料颗粒是氧化铁。
氧化铁通常能够得到各种色调，范围从黄色到红色，到几乎黑色。氧化铁的色 调归因于样品中存在的各种杂质和其它添加剂。黑色氧化铁还可以称为氧化正亚铁 (ferrosoferric oxide)、四氧化三铁、氧化铁(磁性)或黑红铁粉、或者甚至是磁石。 黑色氧化铁可以呈现微红色或青黑色。棕色氧化铁也可以称为碱式碳酸铁或碳酸 铁，并且通常是含有不定量氢氧化铁Fe(OH3)和氢氧化亚铁Fe(OH2)的微红色-棕色 碳酸铁。金属棕色氧化铁是一种天然形成的矿物，主要是三氧化二铁。红色氧化铁 也可以称为烧赭石、印第安红、铁丹、铁红、红铁粉或土耳其红，主要由三氧化二 铁(Fe2O3)组成。黄色氧化铁也可以称为氧化铁黄，是一种水合三氧化二铁 (Fe2O3·H2O)。通常多种来源的色调组合起来以产生所需的色调。
载体颗粒
如上所述，颜料团聚体10由颜料颗粒12和至少一种载体颗粒14组成。适当 载体颗粒14的例子包括二氧化硅和氧化物。优选载体颗粒14的一个例子是煅制二 氧化硅。
煅制二氧化硅是生产硅金属或硅铁合金的副产物。还在生产其它硅合金和其它 合金如铁铬合金、铁锰合金、铁镁合金和硅钙合金的过程中收集煅制二氧化硅。煅 制二氧化硅颗粒主要由小颗粒尺寸的无定形(非晶)二氧化硅(SiO2)组成。由于其化学 和物理性质，煅制二氧化硅可以是一种活性非常高的火山灰或火山灰质材料，并且 已知可作为水泥添加剂。由于其高二氧化硅含量、小颗粒尺寸以及高表面积，煅制 二氧化硅能够提高水泥混合物的的性能(例如压缩强度)。
火山灰或火山灰质材料通常是熟知的天然和合成的基于二氧化硅的材料，已经 公知并且使用了许多年。火山灰是至少50％的二氧化硅(SiO2)，并且通常是至少约 70％的二氧化硅。古罗马人在砂浆和混凝土中使用火山灰。在这种水泥材料中，火 山灰(SiO2)与由水泥的水合作用所释放出的石灰进行反应，以改善混凝土的强度或 其它性能。火山灰被定义为一种“硅质的或含铝硅质材料，其本身具有少许或没有 胶凝性，但是以精细分散的形式并且在水分的存在下，会在常温下与氢氧化钙发生 化学反应，形成具有胶凝性质的混合物”(ASTM C-618)。
从废气中收集的未处理煅制二氧化硅称之为“未稠化煅制二氧化硅”，这使其 区别于已经过处理的煅制二氧化硅的其它形式。未稠化煅制二氧化硅通常具有大约 0.1mm的颗粒。其比重为大约200-300kg/m3。为便于处理煅制二氧化硅，工业上通 常生产致密煅制二氧化硅，它是进一步处理未稠化煅制二氧化硅的产物，其中颗粒 被致密化，直至形成直径为约0.5-1mm的小球。致密煅制二氧化硅的表观密度随后 增加到约600kg/m3。致密煅制二氧化硅颗粒主要是玻璃质的，并且比重为约2.20。 致密煅制二氧化硅起初呈浅灰色，随着含量变化从大致白色到浅棕色-灰色。
白色的无定形煅制二氧化硅是常用作水泥添加剂的煅制二氧化硅的一种类型。 一种白色的无定形煅制二氧化硅(购自NorChem)通常是81-89％二氧化硅(SiO2)， 含水量为约0.10-0.50％，比重为约2.20-2.70，表观密度为约38-44磅/英尺3，平均 粒径为约0.9微米，表面积为约10m2/g。另一种白色的煅制二氧化硅(购自NorChem) 是约85-93％无定形二氧化硅，6-13％二氧化锆(氧化锆，ZrO2)，0.5-2％三氧化二铝(氧 化铝，Al2O3)和0-6％氧化钙(CaO)。
制备颜料团聚体
本发明的颜料团聚体10通过以旋转或翻滚运动将颜料颗粒12和载体颗粒14 混合在一起来制备。提供适当运动以制备团聚体10的设备的例子包括：转筒式混 合器、转鼓式混合器、螺条混合器、慢速叶轮挤出机、和甚至是可以绕其纵轴翻滚 的可密封的瓶或筒。使用气流来移动颗粒的空气混合机也可以是适当的混合技术。 制备团聚体10所需的运动是翻滚运动，任选地和自由落体运动组合。需要作用在 颗粒12、14或团聚体10上的最小剪切力。制备团聚体10的方法可以和团雪球类 似，从中心的核开始，然后在滚动中不断累加。对于团聚体10，载体颗粒14类似 于中心的核，在材料滚动的过程中颜料颗粒12围绕载体颗粒14累加。
制备团聚体10的一种优选方法是将9磅颜料颗粒12(优选氧化铁颜料颗粒) 放置到料斗中。在颜料颗粒12上放置1磅载体颗粒14(优选煅制二氧化硅颗粒)。 料斗底部的螺旋推进进料器将颗粒沿大约4英尺的路径输入到长度为约20英尺、 直径为约18英寸的旋转管的第一端或上端。该管从水平面向下倾斜约3度放置。 管中放置有筛网，大约2英尺宽×8英尺长，并且具有大约1平方英寸的开口。折叠 筛网以具有大致直角的角度。筛网并不旋转，在管内随着管的旋转而下落。
该管绕其纵轴以大约12RPM的速度旋转，使颜料颗粒12和载体颗粒14合并、 翻转并且沿管长度方向从管的第一上端到第二下端团聚。筛网有助于破碎任何较大 的颜料颗粒12块并且有助于从管壁将任何材料刮擦下来。从第二端得到的产物使 团聚的颜料产品。
当制备团聚体10时，载体颗粒14和颜料颗粒12的重量比为至少0.5∶100，并 且优选至少1∶100。随着载体颗粒14的比例降低，变得更加难以形成和保持团聚体 10。载体颗粒14和颜料颗粒12的比例不超过50∶100，并且优选不超过30∶100。
已经发现当使用较高含量的载体颗粒14时，所得团聚体10或者(1)尺寸(直径) 比使用较少载体颗粒14时小，或者(2)更难以被破坏，例如通过施加强剪切力于团 聚体10上，或者(3)两者都有。
混凝土的着色
本发明的颜料团聚体10有利于将颜料加入到混凝土和其它水泥产品中。颜料 团聚体10比非团聚颜料颗粒12具有改进的流动性。单独的颜料颗粒12具有结块 的倾向，这会堵塞机器和输送线路或输送管道；尤其是在氧化铁的情况下。与单独 的颜料颗粒12相比，为颜料颗粒12提供载体颗粒14改进了流动特性。
例如，由煅制二氧化硅和氧化铁组成的团聚体比不含煅制二氧化硅载体的氧化 铁易于处理(如倾倒、推进、传输)。已经发现氧化铁/煅制二氧化硅团聚体不结块， 并且比氧化铁颗粒具有更少的加工问题。
使用包括载体颗粒14、而不是只有颜料颗粒12的团聚体10通常不会不利地影 响混凝土产品的颜色或色调。应该理解的是某些团聚体10可能会改变颜色特性， 例如，如果白色或接近白色的颜料颗粒12与暗色的载体颗粒14组合，则所得团聚 体10可能具有比单独的颜料颗粒12更暗的颜色，并且给混凝土提供较暗的颜色。 已经发现当将煅制二氧化硅用作载体颗粒14时通常不会影响混凝土的颜色。但是 如果将暗灰色的煅制二氧化硅或高含量的煅制二氧化硅用于团聚体10中时，情况 可能不同。
当暴露于混凝土混合料(即水泥、沙子、水等)时，相信颜料团聚体10会被破坏， 颜料颗粒12和载体颗粒14分别均匀地分散在整个混凝土中。取决于所使用的载体 颗粒14的类型，载体颗粒14可以赋予混凝土以有益的物理性能。例如当以煅制二 氧化硅本身用作混凝土中的添加剂时，煅制二氧化硅会提高混凝土的压缩强度。
前述内容说明了涵盖本发明原则的本发明具体实施方案。具体实施方案可以用 各种形式的组合加以改变、改进和/或实现。本领域技术人员将易于理解可以对本发 明作出各种改进和变化，而不用严格地遵照本文所说明和描述的示例性具体实施方 案和应用，并且不背离本发明的范围。