專(zhuān)利名稱(chēng)：弱酸基混凝土染料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及一種適于為水泥或礦物基材的表面提供顏色的組合物和方 法。具體地，本發(fā)明涉及一種適于處理水泥表面的組合物和方法，其具有使用非腐蝕性酸基 溶液的優(yōu)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
水泥基組合物在建筑材料、瓷磚鋪設(shè)、墻壁以及池灰泥、拉毛灰泥、自勻化復(fù)合物、 屋頂瓦片和水泥修補(bǔ)(cement patch)中具有廣泛應(yīng)用?；炷良邦?lèi)似材料由堿土金屬通 常通過(guò)如下生產(chǎn)將波特蘭水泥與沙子、砂礫和水進(jìn)行混合。水泥與水反應(yīng)從而生成金屬碳 酸鹽(諸如碳酸鈣)等?；旌衔镏械奶妓徕}不溶于水中，但容易與大多數(shù)酸進(jìn)行反應(yīng)。一段時(shí)間以來(lái)為了改善混凝土的裝飾外觀需要生產(chǎn)有色混凝土。例如，美國(guó)專(zhuān)利 3，930，740公開(kāi)了一種在其中添加了顏料的新混凝土中印上非重復(fù)石頭圖案的工具。美國(guó) 專(zhuān)利5，735，094公開(kāi)了一種用于涂覆由液體灰泥組成的裝飾涂層的方法，所述液體灰泥包 含有色顏料。將染料和顏料加入水泥材料也可廣泛用于上述所有材料中?，F(xiàn)有技術(shù)已知若干種為混凝土表面提供顏色或裝飾的方法。這些包括吹掃部分 固化的混凝土從而生成帚狀表面；或者添加著色劑使其與混凝土共混物混合。然而，此后需 要徹底清潔涂覆設(shè)備，這非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。這種方法成本很高并且效率很低，這是因?yàn)橹珓?昂貴，其需要與混凝土充分混合但僅僅在可見(jiàn)的表面需要它們。已知更復(fù)雜的表面處理，其 包括將尺寸和顏色不同的石子通過(guò)水泥或樹(shù)脂包埋在混合物區(qū)域中。本領(lǐng)域已知使混凝土著色或染色的最常見(jiàn)方法之一包括用含有金屬鹽的酸性溶 液洗滌混凝土表面。在涂覆酸性染色溶液并且使顏色顯現(xiàn)之后，一般將中和劑涂覆到被染 色的混凝土上，然后涂覆透明的聚合物密封保護(hù)涂層。本領(lǐng)域中使混凝土著色的第二種常見(jiàn)方法包括用酸性溶液洗滌混凝土表面從而 粗化或刻蝕表面；采用常見(jiàn)的碳酸氫鈉(baking soda)和水的混合物中和并沖洗刻蝕溶 液；用聚合物基染料或漆使表面著色；用透明涂層整理表面。另一種已知方法包括用酸性溶液洗滌混凝土表面從而清潔混凝土 ；將聚合物層涂覆到混凝土表面上；將在被涂布的混凝土表面上涂覆第一層水泥和聚合物的水性溶液； 將具有粘性背襯的模板施加到第一層水泥和聚合物中被選定的區(qū)域上；在模板和第一涂層 上涂覆第二層水泥和聚合物；在第二層固化前將有色材料涂覆到第二層水泥和聚合物上； 除去模板以使被著色的混凝土表面暴露。密封劑也可以涂覆到被著色的混凝土表面上。然而，這些涂布方法使用高腐蝕性的酸性溶液，這使操作很危險(xiǎn)。如果不用酸，那么混凝土的著色不是永久性的且易于剝離和侵蝕。因此，存在對(duì)于使用永久性的低腐蝕性 著色劑來(lái)形成裝飾的、耐用的、被涂布的混凝土表面的混凝土著色方法的未實(shí)現(xiàn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)的混凝土酸染料用鹽酸以使混凝土中的碳酸鈣和氧化鈣分解并促進(jìn)與金屬鹽的離子交換，從而為材料的表面提供顏色。然而，使用鹽酸會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的氯化氫煙霧，其 會(huì)刺激皮膚和眼睛且有毒。此外，鹽酸溶液具有非常強(qiáng)的腐蝕性，因而操作和使用都很危 險(xiǎn)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用酸和弱堿(諸如鹽酸和脲)會(huì)獲得一種有效且安全的使水泥基材染 色的方法。通常，所有的酸染色劑在涂覆后必須被沖掉以除去過(guò)量的鹽沉淀。在沖洗前，使用 鹽酸的酸性染色劑必須被中和，否則沖洗的流出物會(huì)污染相鄰混凝土。所使用的常見(jiàn)中和 劑是氨或氫氧化鈉，或者碳酸氫鈉溶液。將酸和弱堿組合的額外優(yōu)點(diǎn)在于在染色過(guò)程中， 被染色的混凝土自中和。這節(jié)省了在沖洗前進(jìn)行中和步驟。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種為水泥或礦物基材提供顏色的組合物和方法。所述組合物包含 酸，其PKa小于6 ；弱堿，所述弱堿的共軛酸的pKa小于7但大于所述酸的pKa ；以及一種或 多種可水溶的金屬鹽。在各種實(shí)施方式中，所述組合物的可水溶金屬鹽包括過(guò)渡元素的鹽。 在一些實(shí)施方式中，弱堿當(dāng)被施用到水泥材料中時(shí)可以分解，結(jié)果分解產(chǎn)物是更強(qiáng)的堿。堿的強(qiáng)度通過(guò)其共軛酸的pKa來(lái)定義。堿的共軛酸的pKa越高，該堿越強(qiáng)。例如， 乙酸鹽是其共軛酸(乙酸)具有4. 75的pKa的弱堿。乳酸鹽是其共軛酸(乳酸)具有3. 86 的PKa的弱堿。根據(jù)這個(gè)定義，乙酸鹽被認(rèn)為是比乳酸鹽更強(qiáng)的堿。某些實(shí)施方式包括如下弱堿，該弱堿當(dāng)被施用到基材上時(shí)能夠分解成在25°C下具 有大于0. Olpsi蒸氣壓的組分。在某些實(shí)施方式中，所述酸是鹵化氫。在另一些實(shí)施方式 中，弱堿優(yōu)選為脲。可用在本發(fā)明中的弱堿包括(1)下式的被取代脲R1R2-N-C (0) -N-R3R4其中，RpRyR3和R4是Cl-ClO碳基或氫。例如脲、四甲基脲、乙酰脲、咪唑烷酮或 被取代的咪唑烷酮、嘧啶酮、嘧啶二酮等等；(2)酰胺，諸如甲酰胺和二甲基甲酰胺；或乙酰胺，諸如二甲基乙酰胺、己內(nèi)酰胺； 和吡咯烷酮；(3)碳酸的酯，諸如碳酸的烷基酯和芳基酯，例如碳酸二甲基酯、碳酸丙二醇酯、乙 二醇雙(甲基碳酸酯)(ethylene glycol bis methylcarbonate)、碳酸乙基· Μ-甲苯基 酯；
(4)氨基甲酸酯，諸如氨基甲酸烷基酯和芳基酯，諸如乙基氨基甲酸乙酯、噁唑烷 酮和噁唑烷二酮；和(5)氨基酸，諸如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半 胱氨酸、賴(lài)氨酸和組氨酸。
弱堿的其它實(shí)例包括鏈烷醇胺，包括三乙醇胺、二乙醇胺、一乙醇胺和下式 (HO- [ (R) 0] X-R) y-NH3_y的烷氧基化胺，其中R是C2至C8烷基、χ可以從1變化至100，y可以 從1變化至3 ；具有含氮雜環(huán)基團(tuán)(包括但不限于吡啶、嘧啶、咪唑、四唑、批嗪、喹啉、異喹 啉、吲唑、異吲唑、苯并咪唑、嘌呤、吡咯、異吡咯、喹唑啉、噠嗪、吡嗪、噌啉、二氮雜萘、喹喔 啉、黃嘌呤、次黃嘌呤和蝶呤)的聚合物；丙烯酰胺的聚合物和共聚物；環(huán)狀酰胺，諸如己內(nèi) 酰胺；吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡咯烷酮的共聚物；甲基丙烯酰胺、聚甲基丙 烯酰胺、甲基丙烯酰胺的共聚物；氨；胍；羥基脲；氨基脲(semicarbazide) ； —、二或三(烷 基或芳基)脲；以及在二(烷基或芳基)脲中烷基或芳基可以在相同的或不同的氮原子上 的情況下，0-甲基羥基胺(甲氧基胺)；苯胺和胼。優(yōu)選的堿是含氮堿。優(yōu)選的是被取代的 脲。最優(yōu)選的是尿素?？捎迷诒景l(fā)明中的酸可以包括羧酸，諸如乙酸、馬來(lái)酸、檸檬酸、甲酸和苯甲酸；磷 酸、膦酸諸如乙基膦酸；多磷酸(lyphosphoric acid)(諸如焦磷酸和六偏磷酸(hexameta phosphoric))；硫酸、磺酸(諸如芐基磺酸)；硝酸或亞硝酸；鹵化氫(諸如氟化氫、氯化氫、 溴化氫和碘化氫)。優(yōu)選的是磷酸和多磷酸；硝酸或亞硝酸；和氯化氫。更優(yōu)選的是磷酸、 焦磷酸和氯化氫。最優(yōu)選的是氯化氫。在本發(fā)明的各種組合物中，金屬鹽可以包括鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋁、鎂或 鋇的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽或膦酸鹽。 本發(fā)明的組合物可以進(jìn)一步包含金屬離子絡(luò)合劑，諸如EDTA、以商品名Deepest 銷(xiāo)售的氨基膦酸鹽、磷酸鹽或多磷酸鹽。本發(fā)明的組合物可以進(jìn)一步包含能夠改善組合物 潤(rùn)濕性的表面活性劑、分散劑或有機(jī)溶劑。上述溶劑可以包括可與水混溶的溶劑，諸如甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙二醇烷基 醚、丙二醇烷基醚和二丙酮醇；以及與水不可混溶的溶劑，諸如乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲基異 戊基甲酮、乙酸戊酯、二異丁基甲酮、二甲苯、甲苯、丁醇和石油醚。本發(fā)明的組合物可以進(jìn) 一步包含消泡劑，諸如硅酮、石油、礦物油、天然油或聚合消泡劑。典型的表面活性劑可以包括陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑。適當(dāng)?shù)?陰離子表面活性劑包括例如高級(jí)脂肪醇的硫酸鹽，諸如月桂基硫酸鈉；烷基芳基磺酸鹽， 諸如異丙基苯磺酸鈉或鉀或者異丙基萘磺酸鈉或鉀；高級(jí)烷基磺基琥珀酸堿金屬鹽，諸 如辛基磺基琥珀酸鈉；N-甲基-N-棕櫚酰月桂酸鈉；油基羥乙基磺酸鈉(sodium oleyl isothionate)；烷基芳基多乙氧基乙醇硫酸、磺酸或磷酸的堿金屬鹽和銨鹽，諸如具有1至 50個(gè)氧乙烯單元的四辛基苯氧基多乙氧基乙基硫酸鈉；烷基多乙氧基乙醇硫酸、磺酸和磷 酸的堿金屬鹽和銨鹽；芳基多乙氧基乙醇硫酸、磺酸和磷酸的堿金屬鹽和銨鹽。適當(dāng)?shù)姆请x子表面活性劑包括具有約7至18個(gè)碳原子的烷基和約6至約60個(gè)氧 乙烯單元的烷基苯氧基多乙氧基乙醇，諸如庚基苯氧基多乙氧基乙醇、甲基辛基苯基多乙 氧基乙醇；亞甲基聯(lián)接的烷基苯酚的多乙氧基乙醇衍生物；含硫試劑，諸如將約6至60摩 爾的氧化乙烷與壬基硫醇、十二烷基硫醇縮合或者與烷基硫代苯酚縮合制成的那些，其中 所述烷基包含6至16個(gè)碳原子；長(zhǎng)鏈羧酸的氧化乙烯衍生物，所述羧酸諸如為月桂酸、肉豆 蔻酸、棕櫚酸、油酸和在每分子含有6至60個(gè)氧乙烯單元的妥爾酸中找到的那些酸的混合 物；長(zhǎng)鏈醇的類(lèi)似氧化乙烯的縮合物，所述長(zhǎng)鏈醇諸如為辛醇、癸醇、月桂醇或鯨蠟醇；被 醚化或被酯化的具有疏水烴鏈的多羥基化合物的氧化乙烯衍生物，諸如具有6至60個(gè)氧乙烯單元的山梨聚糖單硬脂酸酯；氧化乙烯片段與一個(gè)或多個(gè)疏水的氧化丙烯片段組合的嵌段共聚物。典型的分散劑可以包括烯屬不飽和羧酸的聚合物和共聚物，所述不飽和羧酸諸如 為(甲基)丙烯酸、富馬酸、衣康酸、馬來(lái)酸、馬來(lái)酸酐和富馬酸的單酯；含磷酸單體，諸如 (甲基)丙烯酸磷酸基乙酯(ph0Sph0ethyl(meth)aCrylate)和烯丙基磷酸；和硫酸單體， 諸如2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙磺酸、(甲基)丙烯酸磺基乙酯和乙烯基硫酸。這包括 了以商品名Tamol 銷(xiāo)售的分散劑。還可以采用檸檬酸、草酸、磷酸、焦磷酸和多磷酸。本發(fā)明還提供了一種對(duì)水泥或礦物基材的表面進(jìn)行染色的方法，所述方法包括 將本文所述組合物中的任意一種涂覆到水泥或礦物基材的表面上。所述方法可以以單次操 作方式進(jìn)行，其包括(a)用過(guò)量的染色溶液完全潤(rùn)濕所述表面；(b)允許組合物與基材反應(yīng)并顯現(xiàn)顏色；(c)允許所述染色顏料就地干燥；(d)可選地將酸中和溶液施用到被染色的水泥或礦物表面。中和溶液可以包括弱堿的水溶液，所述弱堿諸如為碳酸鹽和碳酸氫鹽，例如碳酸 (氫)鈉、鉀、鋰、鈰、銨；或者為磷酸鹽，諸如磷酸二鈉、二鉀、二鋰、二鈰或二銨；或者為有機(jī) 堿源，諸如烷基胺和烷醇胺。還提供了一種用于對(duì)水泥或礦物基材的表面進(jìn)行染色的本發(fā)明方法，其中將透明 的蠟或聚合涂層涂覆到先前被染色的混凝土或礦物基材上。在某些情況下，可能需要將蠟狀透明涂層涂覆到先前被染色的混凝土上?？捎迷?本發(fā)明中的典型蠟包括天然植物蠟或蜂蠟，石蠟，巴西棕櫚蠟和被諸如聚乙烯、聚丙烯或 聚四氟乙烯的有機(jī)聚合物改性的上述天然蠟?？捎迷诒景l(fā)明中的典型聚合物包括丙烯酸、苯乙烯-丙烯酸、聚氨酯、聚酯、醇酸 樹(shù)脂、環(huán)氧_酯、硅酮和環(huán)氧_酰胺。特別有利的是利用在涂覆在被染色的混凝土上后會(huì)交 聯(lián)的聚合物化學(xué)品。適當(dāng)?shù)慕宦?lián)聚合物的實(shí)例可以是如下的那些利用可空氣固化的干性 油官能團(tuán)、環(huán)氧_酰胺反應(yīng)、硅氧烷縮合、酰胼_羰基反應(yīng)、氮丙啶_酸反應(yīng)、異氰酸酯_羥 基反應(yīng)、碳二酰亞胺-酸反應(yīng)的交聯(lián)聚合物。優(yōu)選的是那些提供高度耐磨性的化學(xué)品。最 優(yōu)選的是空氣干燥的環(huán)氧_酯、雙組分環(huán)氧酰胺、可空氣固化的醇酸樹(shù)脂和氮丙啶交聯(lián)的 聚氨酯?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何常規(guī)方式進(jìn)行染色，例如將染色劑噴射 到或刷涂到混凝土表面上。通常，涂覆方法會(huì)影響最終結(jié)果。例如，噴射染料會(huì)形成更自然 的外觀；而刷涂會(huì)形成更均勻的結(jié)果。使用多層含有不同染料的涂層會(huì)形成更多樣的顏色。實(shí)施例以下是染色組合物的非限制性實(shí)例，其用于進(jìn)一步闡述所公開(kāi)發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施例1 1可商購(gòu)的消泡聚合物和聚硅氧烷的專(zhuān)有產(chǎn)品這個(gè)實(shí)例得到“淺黃褐色”或棕褐色的染色材料。實(shí)施例2 1可商購(gòu)的消泡聚合物和聚硅氧烷的專(zhuān)有產(chǎn)品這個(gè)實(shí)例得到橄欖色或綠色的染色材料。實(shí)施例3 1可商購(gòu)的消泡聚合物和聚硅氧烷的專(zhuān)有產(chǎn)品這個(gè)實(shí)例得到“咖啡”色或棕色的染色材料。這些實(shí)施方式或?qū)嵗龖?yīng)當(dāng)被認(rèn)為是非限制性的，它們僅僅表示本發(fā)明組合物和方 法的幾種可能性。盡管本發(fā)明的原理結(jié)合具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識(shí)到 僅通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行描述，這些描述并不限制本發(fā)明的范圍。同樣，可以在其它并未脫離本發(fā) 明的精神或本質(zhì)的具體形式來(lái)具體表明本發(fā)明，因此應(yīng)當(dāng)參照所附權(quán)利要求而非前述說(shuō)明 來(lái)表示本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種組合物，其包含a.酸，其pKa小于6；b.弱堿，其中所述弱堿的共軛酸的pKa小于7但大于所述酸的pKa；c.一種或多種可水溶的金屬鹽，所述金屬鹽當(dāng)被施用到水泥或礦物基材上時(shí)能夠提供顏色。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述酸具有小于5的pKa。
3.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述酸具有小于1的pKa。
4.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述可水溶的金屬鹽是過(guò)渡元素的鹽。
5.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述弱堿在施用到水泥材料時(shí)可以分解成作為 更強(qiáng)的堿的組分。
6.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述弱堿在施用到水泥材料時(shí)可以分解成在 25°C下具有大于0. Olpsi蒸氣壓的組分。
7.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述酸是鹵化氫。
8.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述弱堿是脲。
9.如權(quán)利要求1所述的組合物，其中，所述金屬鹽是鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋁、鎂 或鋇的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽或膦酸鹽。
10.如權(quán)利要求1所述的組合物，進(jìn)一步包含金屬離子絡(luò)合劑。
11.如權(quán)利要求1所述的組合物，進(jìn)一步包含能夠改善所述組合物潤(rùn)濕性的表面活性 齊U、分散劑或有機(jī)溶劑。
12.如權(quán)利要求1所述的組合物，進(jìn)一步包含硅酮、石油、礦物油、天然油或聚合消泡劑。
13.一種為水泥或礦物基材的表面染色的方法，所述方法包括將權(quán)利要求1的組合物 涂覆到水泥或礦物基材的表面上。
14.一種以單次操作形式對(duì)水泥或礦物基材的表面進(jìn)行著色和結(jié)合染色劑的方法，其 包括(a)用過(guò)量的權(quán)利要求1的染色溶液完全潤(rùn)濕所述表面；(b)允許所述組合物與基材反應(yīng)并顯現(xiàn)顏色；(c)允許所述染色顏料就地干燥；(d)可選地將酸中和溶液施用到被染色的水泥或礦物表面。
15.一種對(duì)水泥或礦物基材的表面進(jìn)行染色的方法，進(jìn)一步包括將透明的聚合涂層 涂覆到所述被染色的混凝土或礦物基材上。
16.一種對(duì)水泥或礦物基材的表面進(jìn)行染色的方法，進(jìn)一步包括將蠟涂層涂覆到所 述被染色的混凝土或礦物基材上。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求14制備的被染色的水泥或礦物基材。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求15制備的被染色的水泥或礦物基材。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求16制備的被染色的水泥或礦物基材。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種適于為混凝土或礦物基材的表面提供顏色的組合物和方法。具體地，本發(fā)明涉及一種適于處理混凝土表面的組合物和方法，其具有使用非腐蝕性酸基溶液的益處。
文檔編號(hào)C09K3/00GK101842457SQ200880015510
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者威廉·陶, 桑福德·李·赫茲, 艾德·達(dá)洛斯科威敕, 詹森·J·內(nèi)澤頓, 馬修·S·格布哈德 申請(qǐng)人:威士伯采購(gòu)公司