玻璃屋顶粒料的制作方法
玻璃屋顶粒料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及建筑材料，并且具体地涉及源于细小玻璃颗粒的建筑材料诸如屋顶粒 料。
【背景技术】
[0002] 许多表面受益于粒料的存在。例如，基于沥青的屋顶材料经常用于覆盖住宅和其 他结构上的屋顶，并且通常包括含沥青的基底和多个粒料。
[0003] 各种建筑材料诸如屋顶产品可用于具有各种性能要求的多种应用中。屋顶产品可 包括粒料，该粒料包括提供期望特征或特性的矿物基岩和一种或多种涂料。传统粒料可包 括用于提供期望的美学价值的着色涂料、光催化或灭藻涂料、或设计用来提供期望的能量 管理特性的涂料。
【发明内容】
[0004] 在示例性实施例中，提供了建筑材料，其包括具有大于50体积％的玻璃的屋顶粒 料。在一些实施例中，屋顶粒料包含至少部分地引入玻璃中的添加剂。在各种实施例中，所 述添加剂包括一种或多种材料，所述一种或多种材料选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外 吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0005] 在一些示例性实施例中，提供了建筑材料，其包括具有大于50体积％的玻璃陶瓷 的屋顶粒料。在一些实施例中，屋顶粒料包含至少部分地引入玻璃陶瓷中的添加剂。在各 种实施例中，所述添加剂包括一种或多种材料，所述一种或多种材料选自由有色颜料、红外 反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0006] 在另一个示例性实施例中，提供了包括多个屋顶粒料的屋顶产品，该屋顶粒料包 括大于50体积％的分散在基底上的玻璃，其中每个屋顶粒料均包含至少部分地分散在屋 顶粒料中的添加剂，该添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光 催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0007] 在另外的示例性实施例中，提供了一种制备屋顶粒料的方法。所述方法包括将块 状玻璃处理为细玻璃粉、将细玻璃粉设置在成形装置中、以及在成形装置中热处理细玻璃 粉以导致玻璃粉的至少部分压实的步骤。
【附图说明】
[0008] 图1示出根据本发明的示例性屋顶粒料。
[0009] 图2示出根据本发明的包括涂料的示例性屋顶粒料。
[0010] 图3示出根据本发明的包括多个屋顶粒料的示例性屋顶产品。
[0011] 图4A-图4E为示出根据本公开的实施例形成的示例屋顶粒料的孔隙率的代表性 扫描电镜图像。
[0012] 虽然上述附图示出本发明所公开的主题的各种实施例，但还可以想到其它的实施 例。在所有情况下，本公开通过示例性而非限制性的方式介绍本发明所公开的主题。应当 理解，本领域的技术人员可以设计出许多其他修改和实施例，这些修改和实施例也落入本 公开的原理的精神和范围内。
【具体实施方式】
[0013] 本公开整体涉及源于细小玻璃颗粒的建筑材料，诸如屋顶粒料、瓦或其他合适的 建筑材料。源于细小玻璃颗粒的建筑材料可提供高水平的可定制性，使得添加剂、涂料或其 他修改可被应用来提供建筑材料，所述建筑材料表现出如针对特定应用可期望的具体性能 特质。在各种示例性实施例中，具有高百分比玻璃的组成的建筑材料可提供日光不透明性 和相对低的日光吸收率，使得建筑材料表现出高的总日光反射率。在各种其他示例性实施 例中，具有高百分比玻璃组合的建筑材料可引入各种添加剂、涂料或其他修改以表现出期 望的颜色、红外反射特性、红外吸收特性、灭藻特性、光催化特性、导热特性、导电特性、环境 过滤特性和/或其他特征或特性。
[0014] 在一些实施例中，用于示例性建筑材料诸如屋顶粒料的玻璃包括硅酸盐玻璃，诸 如碱石灰二氧化硅，其可常常用于窗和瓶子。可使用硼硅酸盐和其他玻璃以实现不同的热 处理范围、化学耐久性、脱玻作用或光学特性。在一些示例性实施例中，使用硅铝酸盐玻璃、 磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和本领域中已知的其他合适的玻璃。中等至高纯度的低铁玻璃组 合物可为合适的，其中高的总日光反射率（TSR)白色或未着色的粒料为期望的。在一些示 例性实施例中，玻璃为定制的人造玻璃。在一些示例性实施例中，玻璃为预熔融玻璃和/或 再循环玻璃。预熔融玻璃为先前通过熔融处理制成的玻璃，并且可包括普通硅酸盐诸如碱 石灰二氧化硅、硼硅酸盐和其他合适的材料。再循环玻璃是预熔融玻璃，其例如为了初始用 途诸如窗、瓶子、实验室器皿等而制造并且被再处理而用于另一个用途。
[0015] 为形成粒料，首先处理块状玻璃以形成细玻璃粉。在一些实施例中，玻璃颗粒具有 在约0. 3 μ m至10 μ m范围的粒度。玻璃粉可通过研磨方法诸如球磨或超微磨碎来形成。在 一些实施例中，玻璃粉与颜料、粘结剂、液体和/或其他添加剂共研磨或后共混，使得添加 剂可部分或完全地引入所得粒料的玻璃基底中。
[0016] 未完全强化或热处理材料的生坯由形成细玻璃粉的干砖、粉饼、球剂、聚集体或附 聚物产生。在一些示例性实施例中，包含添加剂以改善生坯强度。例如，锌添加剂诸如硫酸 锌和/或硼酸锌可改善机械强度，并且还据信可改善最终建筑材料的化学耐久性。其他添 加剂诸如硅铝酸盐也可改善机械强度。另外据信细玻璃粉的粒度影响生坯强度，其中较小 粒度通常导致较高强度。增大的生坯强度可提供若干制造优点，其包括例如在实施例中降 低不需要的细小颗粒的产生以及在处理期间减少粉尘的产生；在所述实施例中，干燥材料 随后被压碎或减小到希望的尺寸。
[0017] 可热处理由细小玻璃颗粒形成的生坯以导致玻璃颗粒结构的部分或完全压实。热 处理导致玻璃颗粒的至少部分聚结、熔合、粘性流或粘性烧结。通常，热处理接近或高于玻 璃的软化点完成。例如，针对硼硅酸盐玻璃，可使用约600°C至约1000°C的热处理。
[0018] 一种或多种添加剂可引入细小玻璃颗粒以降低玻璃颗粒的玻璃化转变温度。在各 种示例性实施例中，霞石正长岩、长石、硼砂、锂辉石、合适的助熔剂和本领域已知的其他合 适的添加剂可引入细小玻璃颗粒。降低玻璃化转变温度可允许更低的温度和/或更少的热 处理持续时间，并且因此据信提供能量节省且可允许添加剂的引入，该添加剂可分解或换 句话讲在较高处理温度下被损坏。
[0019] 所述制造方法的变型也是可能的。例如，大于期望的粒料尺寸的干燥材料可在焙 烧之前或焙烧后被压碎。此外，在期望的粒料尺寸范围外的被干燥或焙烧的材料再循环到 工艺的研磨阶段中。此外，具有期望的几何形状和尺寸的干燥颗粒可无需通过诸如液体浆 液或凝胶的附聚、浇铸、模塑等方法压碎而另选地制备。在示例性实施例中，此类几何形状 包括规则形状诸如矩形棱柱、三角形、四面体和其他合适的形状。粒料可因此具有期望的形 状以例如优化覆盖、表现出期望的光学特性、或提供其他特征或特性。更进一步，组分、涂料 或另外的材料可在焙烧之前附着到或引入颗粒的表面上。
[0020] 在各种示例性实施例中，粒料可被制成为包括影响粒料的反射率的孔。例如，可通 过细小玻璃颗粒附聚物的部分压实来形成孔。孔内容积和孔尺寸可部分地通过初始玻璃粉 粒度分布并通过热处理时间和温度来控制。孔也可以是由热处理期间溶解气体释放而引起 的，并且为了该目的可引入玻璃和/或添加剂的组合物。如下面进一步描述，可设计或控制 孔隙率以提供尚反射率。
[0021] 在一些示例性实施例中，孔尺寸（例如，直径或最大横跨距离）在小于Ium至约 IOOum的范围内。在其它实施例中，孔尺寸在约0.3um至IOum的范围内。在一些情况下， 粒料包括介于约0%和35%之间的孔内容积百分比。例如，在一些示例性实施例中，孔内容 积百分比介于约3%和15%之间。据信此类孔内容积提供与高机械耐久性结合的高反射 率。在其他示例性实施例中，15%至20%或大于20%的孔内容积百分比可提供反射率和高 的机械耐久性的合适平衡。在一些示例性实施例中，孔内容积百分比可小于3%。图4A至 图4E示出各种示例性实施例的扫描电子显微图，其示出分别具有小于约18%、16%、9%、 10%和4%的孔面积百分比的二维图。
[0022] 由于局部的聚结、表面密封或气体逸出，细小玻璃颗粒的压实可用于提供粒料中 的孔的闭合孔隙率。闭合孔对于耐污染性或化学耐久性可以是有利的。在一些实施例中， 粒料包括至少约3%的闭合孔内容积百分比和/或不大于约5%的开放孔内容积百分比。
[0023] 在一些示例性实施例中，玻璃颗粒完全烧结或聚结并因此完全致密以形成基本上 无孔的基底。玻璃基底可表现出小于1体积％的孔、小于〇. 5体积％的孔、几乎0体积％的 孔、或〇体积％的孔。
[0024] 在示例性实施例中，可选择源于细小玻璃颗粒的建筑材料的孔隙率以提供期望的 密度。虽然颜料或添加剂诸如二氧化钛、氧化锌或硫酸钡可具有相对较高的密度，并且因此 增大最终粒料的密度，但孔隙率可被提高或降低以增大或减小粒料的密度。例如，相对较高 的孔隙率可导致具有小于2. 5g/cm3或小于约2g/cm3密度的粒料，并且例如相对较低的孔隙 率可导致具有大于2. 5g/cm3或大于约3g/cm 3密度的粒料。针对应用也可选择期望的孔隙 率，在该应用中可将表现出不同组成的粒料进行共混。控制孔隙率使得具有不同组成的粒 料表现出类似的密度可促进均匀分布并避免不同粒料类型的离析。
[0025] 如本文所述的建筑材料诸如屋顶粒料包括相对高体积的玻璃。在各种示例性实施 例中，根据本发明的建筑材料诸如屋顶粒料可包括大于50体积％的玻璃，或大于75体积％ 的玻璃，或大于90体积％的玻璃。例如，具有大于50体积％的玻璃的建筑材料导致建筑材 料诸如包括玻璃基底的屋顶粒料表现出期望的特征和特性，该玻璃基底可引入一种或多种 添加剂，或涂覆有一种或多种涂料组合物。在某些示例性实施例中，例如，具有50体积％的 玻璃的粒料可为期望的以提供具体特征和特性，如本文所述，虽然在某些实施例中具有大 于50%、60%、70%、80%、90%、95%或几乎100%的粒料可为合适的。图1提供包括大于 50体积％的玻璃的屋顶粒料100的示例性实施例。
[0026] 在一些实施例中，细小玻璃颗粒在热处理期间可至少部分地结晶，使得建筑材料 的一部分为玻璃陶瓷。在各种示例性实施例中，根据本公开的屋顶粒料可包括大于5体 积％的玻璃陶瓷，或大于50体积％的玻璃陶瓷，或大于90体积％的玻璃陶瓷、和/或可包 括玻璃部分和玻璃陶瓷部分这两者。
[0027] 在示例性实施例中，根据本发明的屋顶粒料表现出直径介于约300 μπι至约 5000 μπι之间的平均粒度。粒度可以是指粒料的最大尺寸。如本文所述的屋顶粒料允许如 可适用于特定应用的各种待选择的形状或尺寸分布。在示例性实施例中，提供具有窄尺寸 分布的多个屋顶粒料，使得高百分比的粒料具有在中值粒度的小范围内的尺寸。在各种示 例性实施例中，50 %、75 %、或甚至90 %或更多的粒料具有在平均粒料粒度或质量的30 %、 20 %、10 %或小于10 %内的粒度或质量。因此，根据本发明的粒料可有利于更均匀的尺寸分 布，所述分布可在基底诸如屋顶木瓦的基底上的施涂和覆盖方面的优点。在一些示例性实 施例中，可提供双峰分布，其包括例如相对较大的平面方形粒料及小四面体以优化覆盖。基 底的大部分被相对较大的平面方形粒料覆盖，而小四面体将会填充可另外存在于正方形粒 料之间的缝隙。在一些实施例中，不同尺寸的粒料的非期望的离析可通过控制粒料的密度 来减轻。
[0028] 源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特征、特性或添加剂以提供适用于期望应用 或功能的建筑材料。例如，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合 适的建筑材料之前，一种或多种添加剂可引入玻璃粉，或者可控制制造工艺以提供表现出 期望的特征或特性的建筑材料。在一些示例性实施例中，建筑材料包含小于50重量％的添 加剂、小于25重量％的添加剂、小于10重量％的添加剂、或小于1重量％的添加剂。另选 地或除此之外，根据本公开，包含一种或多种添加剂的一种或多种合适的涂料可涂覆到玻 璃基底上。可选择各种添加剂以提供高的总日光反射率（TSR)、着色的反射、红外（IR)反 射、IR吸收、导热、耐藻类、光催化、环境过滤和/或成型的建筑材料，或表现出其他期望的 特性，如将在下文更详细描述。
[0029] 在一些示例性实施例中，粒料表现出期望的孔隙率和/或颜料，使得由于孔的漫 反射率和玻璃的低日光吸收率，所述粒料可表现出高的总日光反射率。由于粒料可主要反 射或透射总日光光谱的大部分，因此粒料表现出"低日光吸收率"，并且因此将主要反射或 透射可见或近IR光谱的大部分在一些实施例中，低日光吸收率材料将吸收小于50 %，优选 小于30%，并且最佳地小于20 %的总日光光谱。
[0030] 玻璃、添加剂和/或涂料也可导致具有总光谱的低透射的日光不透明粒料。当材 料既不透日光又具有低日光吸收率时，它具有日光光谱的高总反射率。在各种示例性实施 例中，日光不透明材料的官能量将透射小于60%，更优选小于40%，并且最佳地小于30% 的总日光光谱。
[0031] 玻璃颗粒被充分地烧结、熔融或聚结以提供期望的强度和充分地受限制的开放孔 隙率。此外，粒料可包括足够的另外的闭合孔隙率和颜料以提供高反射率和紫外线（UV)阻 挡特性。在一些实施例中，粒料特征允许屋顶材料具有最高至或甚至大于70 %的总日光反 射率（例如，25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或 90%)，并且具有中等至低的成本。另选地，本公开的粒料可用作涂覆有高TSR涂料的基岩。 粒料对多种屋顶材料具有适用性，诸如木瓦、卷材屋顶、顶盖板、石材涂覆的瓦、以及其他非 屋顶表面，诸如墙壁、道路、人行道和混凝土。
[0032] 较高性能白色粒料可用于商业沥青屋顶。允许屋顶具有总日光光谱的至少70%的 初始TSR值的粒料能满足新型建筑能量评级要求，从而使得屋顶产品的价值显著增加。因 为可能存在来自粒料后处理的损耗和沥青表面的不完全覆盖，所以粒料自身最佳地具有极 其高的反射率。粒料量杯反射率要求可高达约78%至约90%。在各种示例性实施例中，根 据本发明的粒料包括充分下列的组合：高散射能力、充分低吸收率和高UV阻挡性。散射能 力可通过折射率对比度和粒度来控制。
[0033] 增强散射的其他方法包括如本文更详细地讨论的光散射孔的形成或捕集、降低粘 结剂基质的折射率、或使用较低成本颜料（诸如，例如，氧化铝），其由于有使用较大的量或 捕集小孔的能力而增强整体散射。
[0034] 根据本公开的IR反射性建筑材料据信提供高IR反射性能。与可具有IR吸收性 的传统屋顶粒料的矿物基底相比，源于如本文所述的细小玻璃材料的屋顶粒料自身可为IR 反射性的。由于不存在具有IR吸收性的矿物基底，因此本文所述的屋顶粒料的IR反射率 可相对较大。
[0035] 在示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提供着 色的建筑材料，诸如着色的屋顶粒料。如上所述的玻璃屋顶粒料的孔隙率和密度可受到调 控以获得充分耐用的粒料，并且可添加任何合适的有色颜料以提供期望的颜色。在示例性 实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合适的建筑材料 之前，可将一种或多种有色颜料引入玻璃粉。以这种方式，一种或多种有色颜料可部分或完 全地引入玻璃基底中。在示例性实施例中，着色的屋顶粒料包括约85重量％的硼硅酸盐玻 璃、约8重量％的二氧化钛和约7重量％的红氧化铁。根据需要，也可将其他合适的有色颜 料引入玻璃粉中。
[0036] 源于细小玻璃材料的着色的建筑材料可比传统建筑材料提供更大的颜色饱和度。 例如，表现出无色的或相对无色的玻璃基底且引入了一种或多种有色颜料的屋顶粒料导致 屋顶粒料的可见颜色看起来更靠近有色颜料单独的颜色。不受理论的约束，与具有矿物基 底（其表现出影响最终涂覆的屋顶粒料颜色的可见颜色）的屋顶粒料相比，无色或相对无 色的玻璃基底据信不会显著地妨碍着色的屋顶粒料的被观察颜色。无色或相对无色的玻璃 基底也可允许用于更广泛范围的着色的屋顶粒料，该屋顶粒料很难使用传统矿物屋顶粒料 获得。
[0037] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃颗粒的建筑材料的颜色可用L*、a*、b*数 表征。L*、a*、b*数分别指示在浅-暗、红-绿和黄-蓝中的色标，并且所有三个数均为描述 某一对象的颜色所需的。针对两个不同的对象，它们的L*、a*、b*数的差表示它们在颜色上 的差异。在示例性实施例中，具有指定量的颜料的着色的建筑材料诸如屋顶粒料，据信比带 有涂料的传统的用涂料涂覆的矿物粒料表现出更真实、更高度饱和的颜色，如通过它的L*、 a*、b*数所呈现，该涂料具有代表相同量的颜料的组合物。
[0038] 除了颜色之外，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合 适的建筑材料之前，还可将颜料和其他添加剂引入玻璃粉以提供光学效应诸如反射率和UV 阻挡性。例如，针对高TSR粒料，可使用强散射颜料诸如二氧化钛以提供高反射率和UV阻 挡性这两者。也可使用其他颜料，诸如氧化铝、硅酸盐和其他氧化物。例如，氧化锌为适度 良好散射剂并且在某些波长范围（340-380nm)内比二氧化钛更能吸收UV。可 基于性能、成 本效率和与粒料工艺温度的相容性来选择颜料类型和量。例如，在一些实施例中，粒料包含 约1重量％至10重量％的二氧化钛，并且例如可包含约92重量％的玻璃和约8重量％的 二氧化钛。在一些实施例中，粒料包含二氧化钛和至少一种其他颜料。在一些实施例中，粒 料包含近UV吸收性颜料和另外的反射性颜料。
[0039] 在示例性实施例中，可被称为"冷却"粒料的粒料反射所述入射红外线的显著部 分。在一些情况下，冷却粒料可由诸如本文所述的玻璃材料形成，并且支承包括一种或多 种红外线反射颜料的一种或多种涂料或层。合适的颜料包括产生白色外观的二氧化钛。 提供黄颜色的合适颜料包括V-9415和V-9416 (俄亥俄州克里兰夫的福禄公司（Ferro Corp. ,Cleveland, Ohio))以及黄195(俄亥俄州辛辛那提的薛特颜料公司（the Shepherd Color Company, Cincinnati, Ohio))，它们都被认为是黄颜料。
[0040] 在一些情况下，可使用具有增强的NIR反射率的较暗的颜料。这些颜料包括 "10415 金黄"、"10411 金黄"、"10364 棕"、"10201 日食黑"、"V-780IR BRN 黑"、"10241 森林绿"、"V-9248 蓝"、"V-9250 亮蓝"、"F-5686 青绿"、"10202 日食黑"、"V-13810 红"、 "V-12600IR 钴绿"、"V-12650Hi IR 绿"、"V-778IR Brn 黑"、"V-799 黑"和"10203 日食蓝 黑"（均来自福禄公司（Ferro Corp.));和黄193、棕156、棕8、棕157、绿187B、绿223、蓝 424、黑411、黑10C909(均来自薛特颜料公司（Sh印herd Color Co.))。在示例性实施例中， 屋顶粒料包含约85重量％的硼硅酸盐玻璃、约8重量％的二氧化钛、购自北卡罗来纳州夏 洛特的 BASF 公司（BASF of Charlotte, North Carolina)的约 3 重量％ 的 SIC0PAL橙L2430 和购自俄亥俄州克里兰夫的福禄公司（Ferro Corp. of Cleveland, Ohio)的约4重量％的 V-778黑颜料。一些显示增强的红外线反射率的感兴趣的另外颜料在Sliwinski等人的美 国专利号6, 174, 360和6, 454, 848中有所讨论，两者均全文以引用方式并入本文。在其它 实施例中，粒料包括非IR反射性颜料。
[0041] 另选地或除此之外，包括一种或多种有色颜料的陶瓷涂料可涂覆到玻璃基底上。 例如，玻璃基底可涂覆有包括有色颜料和碱金属硅酸盐粘结剂的组合物，该碱金属硅酸盐 粘结剂可包括硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾和/或它们的组合。在一些示例性实施例中，可添 加烷氧基硅烷诸如四乙氧基硅烷和/或硼酸、硼酸盐或它们的组合以增强涂料的耐久性， 如在2011年10月13日的美国公开号2011/0251051和2010年6月17日的美国公开号 2010/0152030中分别描述，每个文献均全文以引用方式并入本文。在将涂料组合物施涂到 玻璃基底上后，在回转窑、烘箱或其他合适的装置中在升高的温度下加热所述被涂覆的玻 璃基底以生产着色的建筑材料，诸如着色的屋顶粒料。
[0042] 在一些示例性实施例中，可使用颜料、碱金属硅酸盐、硅铝酸盐和任选的硼酸盐化 合物的含水浆液来涂覆粒料。碱金属硅酸盐和硅铝酸盐充当无机粘结剂并且是涂料的主要 组分。作为主要组分，该材料以大于任何其他组分的量存在，并且在一些实施例中以涂料的 至少约50体积百分比的量存在。来自这种浆液的涂料一般形成陶瓷。
[0043] 图2提供屋顶粒料200的示例性实施例，其包括大于50体积％的玻璃，如本文所 述，并且表现出涂覆有涂料203的表面202,该涂料203可包括一种或多种如本文所述的组 分。在一些示例性实施例中，涂料203可进入各种孔（未示出），使得涂料203覆盖所述表 面202和/或粒料200的至少一些内表面。在一些示例性实施例中，可在涂料203上方提 供第二涂料204。
[0044] 示例性碱金属硅酸盐涂料组合物可包括水性硅酸钠，该水性硅酸钠由于它的相对 可用性和经济性因此可以是有利的，尽管类似材料诸如硅酸钾也可因此被完全地或部分地 取代。碱金属硅酸盐可指定为M 2O = SiO2，其中M表示碱金属诸如钠（Na)、钾（K)、钠和钾的 混合物等等。SiOJt M2O的重量比可在约1.4:1至约3. 75:1的范围内。在一些实施例中， 根据待产生的颗粒状材料的颜色，SiOJt M2O的重量比为约2. 75:1或约3. 22:1 ;当产生浅 着色粒料时前者可能更合适，而当期望暗着色粒料时后者可能更合适。
[0045] 使用的硅铝酸盐可为具有式Al2Si2O5(OH)J^粘土。另一种优选的硅铝酸盐为高岭 土，和由风化作用（高岭石）、适度加热（地开石）或深成工艺（珍珠陶土）形成的它的衍 生物。用于本发明中粒料的陶瓷涂料的其他可商购获得的和可用的硅铝酸盐粘土为以商品 名称DOVER得自马里兰州哥伦比亚的格雷斯戴维逊（Grace Davison, Columbia，Md.)的已 知的硅铝酸盐，以及以商品名称SN0-BRITE得自康涅狄格州新迦南的尤尼明公司（Unimin Corporation, New Canaan, Conn)的已知的娃错酸盐。
[0046] 硼酸盐化合物可为以商品名BORAX购自加利福尼亚州瓦伦西亚的美国硼砂公司 (U. S. Borax Inc.，Valencia, Calif.)的硼酸钠。可使用其他合适硼酸盐，诸如硼酸锌、氟硼 酸钠、四硼酸钠-五水合物、过硼酸钠-四水合物、偏硼酸钙-六水合物、五硼酸钾、四硼酸 钾、以及它们的混合物。另选的硼酸盐化合物为钠硼硅酸盐，其通过加热废料硼硅酸盐玻璃 至足以将玻璃脱水的温度来获得。
[0047] 可基于建筑构造制品中的应用或用途来控制或选择粒料的结构。粒料可具有均匀 分布的孔和颜料，或可具有在不同特性的粒料内的区域。例如，粒料可具有带有一个水平的 孔隙率或颜料的芯部区域，和带有不同水平的颜料或孔隙率的外壳或表面区域。另外，粒料 可被规则地或不规则地成形。粒料也可具有多种形状外形，其包括但不限于球状、块状、板 状或盘状。粒料还可被设计成具有期望的形状并且共混以提供优选尺寸和/或形状分布， 以用于在含沥青表面上最佳的填料、覆盖、纹理或外观或用于其他功能。在各种示例性实施 例中，示例性粒料可被成形为在粒料的外表面上表现出微观结构。例如，当施用于基底以形 成木瓦时，具有微结构化表面的粒料可改善粒料的粘附性，从而减小对于粘合增进剂的需 要。表现出微结构化表面的粒料也可表现出期望的光学特性，例如诸如期望水平的反射率。 [0048] 在另外的示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以 提供IR吸收、导热和/或导电的建筑材料，诸如具有IR吸收性、导热和/或导电的屋顶粒 料。在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶材料、瓦或其他合适的建筑材料之前，可 将一种或多种具有IR吸收性的、导热和/或导电的材料引入玻璃粉。以这种方式，具有IR 吸收性的、导热和/或导电的材料可部分或完全地引入玻璃基底中，以提供具有IR吸收性 的、导热和/或导电特性的粒料。在各种实施例中，粒料包括大于15体积％的具有IR吸收 性的、导热和/或导电的材料。在示例性实施例中，导热粒料包含约82重量％的硼硅酸盐 玻璃、约2重量％的红氧化铁、约6重量％的赭石和约10重量％的炭黑。示例性的导电粒 料包含约80重量％的硼硅酸盐玻璃和约20重量％的银。
[0049] 在其他示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供耐藻类建筑材料，诸如耐藻类屋顶粒料。在示例性实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚 结和/或成型为屋顶材料、瓦或其他合适的建筑材料之前，可将一种或多种添加剂引入玻 璃粉。以这种方式，用于提供耐藻类特性的一种或多种添加剂可部分或完全地引入玻璃基 底中。另选地或除此之外，用于提供耐藻类特性的一种或多种添加剂可被涂覆到玻璃基底 上。此类涂料可包含用于提供耐藻类特性的添加剂和粘结剂，诸如硅酸盐粘结剂，或例如 在本领域中是已知的用于传统矿物屋顶粒料上的其他合适的组合物。例如，美国公布号 2010/0098777描述了灭藻化合物和涂料，其在成型为建筑材料或被涂覆到建筑材料上之前 可引入玻璃粉，并且该参考文献全文以引用方式并入本文。
[0050] 至少部分地引入如本文所述的玻璃基底中，或至少部分地引入该玻璃基底中，或 涂覆到该玻璃基底上的灭 藻颗粒可包括任何合适的灭藻颗粒。在示例性实施例中，所述灭 藻颗粒包括过渡金属光催化剂。合适的灭藻颗粒的示例包括氧化亚铜、氧化铜、溴化铜、硬 脂酸铜、硫酸铜、硫化铜、氰化亚铜、硫氰酸亚铜、锡酸亚铜、鹤酸铜、碘化亚铜采、娃酸亚铜、 其他含铜材料或它们的混合物。在其他示例性实施例中，含锌材料诸如氧化锌或硫化锌、含 银材料、硼酸盐或其他合适的材料至少部分地引入玻璃基底中，或至少部分地引入该玻璃 基底中，或涂覆到该玻璃基底上。在示例性实施例中，灭藻粒料包含约89重量％的硼硅酸 盐玻璃、约5重量％的二氧化钛、约5重量％的氧化亚铜和约1重量％的碳酸钙。
[0051] 如上所述，源于细小玻璃材料的建筑材料可被制成为表现出期望的孔隙率。孔内 容积和孔尺寸可通过初始玻璃粉粒度分布并通过热处理时间和温度而部分地控制。孔也可 以是制造过程中的气体释放所引起的。至少部分地引入玻璃基底中或至少部分地引入该玻 璃基底中的灭藻颗粒（诸如含铜颗粒）的释放可通过玻璃基底的孔隙率来控制。另选地或 除此之外，多孔涂料可被施涂到玻璃基底上以控制灭藻材料的释放速率。
[0052] 在一些示例性实施例中，玻璃基底可涂覆有包含灭藻颗粒的组合物。例如，玻璃基 底可涂覆有包括组合物，包括介于约1%至约60%重量百分比之间的氧化亚铜固体和适当 的陶瓷粘结剂。在将涂料组合物施涂到玻璃基底上之后，在回转窑、烘箱或其他合适的装置 中在升高的温度下加热被涂覆的玻璃基底，以生产建筑材料诸如屋顶粒料，包括玻璃基底 和灭藻涂料。在加热涂覆的玻璃基底之前或之后，可提供另外的多孔涂料以控制灭藻颗粒 的释放。
[0053] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供光催化建筑材料，诸如光催化屋顶粒料。通过在活化或暴露于太阳光时建立氧化和还原 位点，引入了光催化剂的建筑材料可阻止由藻类生长、空气中的污染物诸如煤烟和油脂和 其他脱色剂造成的建筑材料的脱色。据信氧化和还原位点产生高度反应性物质，诸如羟基 自由基，其能够预防或抑制藻类或其他生物群在涂覆制品上的生长，尤其在水的存在下。
[0054] 在示例性实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶材料、瓦或其 他合适的建筑材料之前，可将一种或多种光催化材料和/或组合物引入玻璃粉。以这种方 式，一种或多种光催化材料和/或组合物可部分或完全地引入玻璃基底中。
[0055] 另选地或除此之外，一种或多种光催化组合物可被涂覆到玻璃基底上。例如，玻璃 基底可涂覆有组合物，包括介于约〇. 1重量％和90重量％之间的光催化剂和碱金属硅酸盐 粘结剂，该碱金属硅酸盐粘结剂可包括硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾和/或它们的组合，如本文 所述。在一些示例性实施例中，可添加烷氧基硅烷诸如四乙氧基硅烷，和/或硼酸、硼酸盐 或它们的组合，以增强涂料的耐久性。在将涂料组合物施涂到玻璃基底上之后，在回转窑、 烘箱或其他合适的装置中在升高的温度下加热所述被涂覆的玻璃基底以生产着色的建筑 材料，诸如着色的屋顶粒料。
[0056] 引入如本文所述的玻璃基底中，或引入该玻璃基底中，或涂覆到该玻璃基底上的 光催化颗粒可包括任何合适的光催化颗粒。在示例性实施例中，光催化颗粒包括过渡金属 光催化剂。合适的过渡金属光催化剂的示例包括Ti0 2、ZnO、W03、Sn02、CaTi03、Fe 203、M〇03、 Nb205、TixZr(1_x)0 2、SiC、SrTi03、CdS、GaP、InP、GaAs、BaTi03、KNb0 3、Ta205、Bi203、NiO、Cu 20、 Si02、MoS2、InPb、Ru02、Ce02、Ti (OH)4、以及它们的组合。光催化颗粒包括结晶的锐钛矿Ti02、 结晶的金红石TiO 2、结晶的ZnO以及它们的组合的光催化颗粒可为尤其合适的。为了改善光 谱效率，光催化颗粒可掺杂有非金属元素，诸如C、N、S、F，或掺杂有金属或金属氧化物，诸如 卩七、？(1、411、48、〇8、1^、1?11〇 2、吣、(：11、511、附、？6，或它们的组合。在示例性实施例中，光催化粒 料包含约85重量％的硼硅酸盐玻璃、约4重量％的二氧化钛颜料、约1重量百分比的碳酸 妈和约2重量百分比的纳米级光催化二氧化钛，诸如购自赢创工业（Evonik Industries) 的 P25。
[0057] 在其他示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供环境过滤建筑材料，诸如环境过滤屋顶粒料。来自诸如鸟和野生动植物、工业空气污染 物、雨水等来源及其他来源的环境污染物可沉积于屋顶上。示例性环境过滤粒料表现出合 适的孔尺寸和/或各种添加剂，该添加剂有利于通过例如螯合作用或吸附来与污染物化学 粘合。在各种示例性实施例中，环境过滤粒料可从环境中捕集汞或其他污染物。在其他示 例性实施例中，粒料能够收集或过滤从其他粒料中损失的铜或从其他来源中获得铜，使得 铜再循环并且重新使用以提供另外的灭藻特性。
[0058] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含源于细小玻璃颗粒 的涂料。例如，粒料可包含基料，该基料具有源于细小玻璃颗粒的涂料并且包含如本文所述 的特征、特性和/或添加剂中的任一者。在一些示例性实施例中，基料为可常用于屋顶粒料 的传统矿物基底。玻璃涂料，诸如烧结的玻璃层，将会覆盖基料的全部或一部分以提供具有 期望的特征或特性的粒料。
[0059] 据信源于如本文所述的细小玻璃材料的建筑材料提供若干优点。例如，来自细小 玻璃材料的粒料允许与细小玻璃颗粒混合的颜料和/或其他添加剂在玻璃基底上或玻璃 基底内未被破坏和/或未被改变地存在，该细小玻璃材料被烧结、熔融、聚结或换句话讲在 接近细小玻璃材料的软化点的相对低温度下形成。即，颜料和/或其他添加剂可在不通过 制造方法被功能性地改变的情况下部分地或完全地引入粒料的玻璃基底中，从而获得如特 定应用可期望的具有高百分比的玻璃以及特征和特性的屋顶粒料。
[0060] 源于细小玻璃颗粒的建筑材料可引入合适的建筑产品中，诸如木瓦、卷材屋顶材 料、顶盖板、石材涂覆的瓦，以及其他非屋顶材料表面，诸如墙壁、道路、人行道和混凝土。图 3示出包括分布在表面上的根据本发明的多个屋顶粒料310的示例性屋顶产品300,并且一 些或所有粒料包括大于50体积％的玻璃。屋顶产品300包括将粒料310粘合至基底层330 的粘结剂层320。在一些示例性实施例中，基底层330可为包括沥青饱和材料的基于沥青 的基底。在其他示例性实施例中，基底层330可为膜或可随后接合到基于沥青的基底或其 他基底的中间层。如本文所述，粒料310表现出相对高体积％的玻璃并且可表现出各种特 征或特性，或引入各种添加剂、涂料或其他修改以表现出期望的颜色、红外反射特性、红外 吸收特性、灭藻特性、光催化特性、导热特性、导电特性、环境过滤特性和/或其他特征或特 性。
[0061]
[0062] 将参照以下详细的非限制性实例来进一步描述本发明的特性、操作和优点。提供 这些实例以进一步说明各种具体的和示例性的实施例及技术。然而，应当理解，在本发明范 围内可以做出许多变型和修改但仍在本发明的范围内。
[0063] 使用三种处理方法来生产用于测试的粒料样本：（1)将玻璃湿磨，使浆液干燥、焙 烧然后压碎至-12+40等级（实例1-3) ; (2)将玻璃湿磨，浆液在模具中被成型并干燥，从模 具中释放以及焙烧（实例4a-实例4e) ; (3)将玻璃湿磨，使浆液干燥，压碎至-12+40等级， 然后焙烧。（实例5-9)。使用所述三种处理方法的每一种而制成的样本的结果示于表1-3。
[0064] 针对所有的实例，使用1.5E空气质量设定，使用SSR-ER v6型日光光谱反射 仪来测量反射率，其购自德克萨斯州达拉斯的装置和服务公司（Devices and Services Co.，Dallas，Texas)。针对"量杯"测量，粒料以约5mm的深度加载到样本夹持器中。使用 辊将粒料的表面压平。针对"平面"测量，将粒料倾注在购自明尼苏达州圣保罗的3M公司 (3M Co.，St. Paul, Minnesota)的471黑乙烯基带材上方，并且挤压以附着。倾注和挤压步 骤重复3至5次以确保粒料在带材上良好的覆盖。
[0065] 针对所有的实例，使用购自MT-数码（MT-Digital)的I-S0LUTI0N图像分析软 件来测量覆盖率。使用手动阈值分割工具来执行面积分析以确定被粒料覆盖的黑色表面的 百分比。
[0066] 通过超微磨碎玻璃来制备实例1-3,其中玻璃通过压碎硼硅酸盐组合物的未使用 的透明的玻璃小瓶来获得。使用联合处理 01HD/HDDM型磨碎机，并且以70%的固体负载将 玻璃添加至H 2O中，并用5mm氧化纪稳定的-氧化错（YSZ)介质研磨三小时来执行超微磨 碎。研磨后的中值初级粒度为1.3微米。浆液分为三等份，并且向每个等份添加不同类型 和量的颜料（以基于玻璃固体重量的百分比），如表1所示。在添加颜料后，用5_YSZ介质 球磨所述浆液约一小时以均匀地分散颜料。然后将制备的三种浆液倾注到带特氟隆膜衬里 的耐热玻璃（Pyrex)碟中，并且在100°C的烘箱中干燥过夜。然后将干燥的浆液"块"在箱 式炉中在850°C下加热4分钟。这种热处理允许玻璃颗粒的粘性烧结发生以及捕集孔和颜 料这两者。然后将烧结的玻璃块使用研钵和研杵压碎并筛分以获得-12+40尺寸级分来用 于分析。结果在下表1中示出。
[0067] 表 1
[0068]
[0069] 使用类似实例1-3的浆液制备方法来制备实例4a_4e。实例4a_4e在组成上与实 例2相同，实例2在黑色带材平面上具有前3个实例中的最高TSR值0. 702。浆液中的中值 玻璃粒度为1. 3微米。带有添加的颜料的浆液批次被成型为2mmX2mmX0. 5mm的腔，干燥， 然后从模具中释放。然后如示于下表2中的实例4a_4e表示，将所得的"瓦"焙烧至各种温 度并维持4分钟或8分钟，并且显示这些样本中捕集的孔隙率程度的扫描电镜（SEM)图像 被分别示于图4A-4E。
[0070] 2
[0073] 使用类似实例1-3的浆液制备方法来制备实例5-9。浆液中的初级玻璃粒度在1. 2 至1. 5微米的中值的范围内。将带有添加的颜料的浆液进行盘式干燥，类似于实例1-3。然 后使用研钵和研杵将干燥浆液粉饼压碎，并且筛分压碎的颗粒以获得-12+40尺寸级分来 用于分析。然后将所得的生粒料焙烧至各种温度并维持4分钟或7分钟。结果在下表3中 示出。
[0074] 表 3
[0075]
[0076] 至此已参照本发明的若干实施例描述了本发明。给出上述详细说明及实例仅为清 楚地理解本发明。对此不应理解为不必要的限制。对于本领域技术人员将显而易见的是， 可以对所描述的实施例作出许多改变而不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围不应受 限于本文所述的具体细节和结构，而是应由权利要求的语言所描述的结构及那些结构的等 同物限定。相对于上述任何实施例描述的任何特征或特性可被单独地结合或者与任何其它 特征或特性组合，并且仅为清楚起见而按照上述顺序和组合来呈现。
【主权项】
1. 一种建筑材料，所述建筑材料包含屋顶粒料，所述屋顶粒料包括大于50体积％的玻 璃。2. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括大于75体积％的玻璃。3. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括大于90体积％的玻璃。4. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃选自由硅酸盐玻璃、碱石灰二氧化 娃玻璃、硼娃酸盐玻璃、娃错酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、预恪融玻璃、再循环玻璃 和人造玻璃组成的组。5. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃为预熔融玻璃。6. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃为硼硅酸盐。7. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料具有大于3体积％的闭合孔和 小于5体积％的开放孔。8. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括小于1体积％的孔。9. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包括至少部分地分布在所述 玻璃中的添加剂。10. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包含介于约1重量％和25重 量％之间的所述添加剂。11. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括有色颜料。12. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括二氧化钛。13. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括光催化颗粒。14. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由Ti02、Zn0、W03、Sn02、 CaTiO3、Fe2O3、MoO3、Nb2O5、TixZr(1_x)O2、SiC、SrTiO3、CdS、GaP、InP、GaAs、BaTiO3、KNbO3、Ta2O5、 Bi203、Ni0、Cu20、Si02、MoS2、InPb、Ru02、CeOjPTi(OH) 4组成的组中的颗粒。15. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括灭藻颗粒。16. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由如下物质组成的组 的颗粒：铜、锌、银、氧化亚铜、氧化铜、溴化铜、硬脂酸铜、硫酸铜、硫化铜、氰化亚铜、硫氰酸 亚铜、锡酸亚铜、鹤酸铜、碘化亚铜采和娃酸亚铜。17. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括红外反射颗粒。18. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括红外吸收颗粒。19. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括导热颗粒。20. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括导电颗粒。21. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包含涂料。22. 根据权利要求21所述的建筑材料，其中所述涂料包含选自由有色颜料、红外反射 颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组中的颗粒。23. -种建筑材料，其包含具有大于50体积％的玻璃陶瓷的屋顶粒料。24. 根据权利要求23所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包含至少部分地分布在所 述玻璃陶瓷中的添加剂。25. 根据权利要求23所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由有色颜料、红外反 射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组中的颗粒。26. -种屋顶产品，其包含多个屋顶粒料，所述多个屋顶粒料包括大于50体积％的分 布在基底上的玻璃，其中每个所述屋顶粒料均包含至少部分地分布在所述屋顶粒料中的添 加剂，所述添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、 导热颗粒和导电颗粒组成的组。27. -种制备屋顶粒料的方法，所述方法包括： 将块状玻璃处理为细玻璃粉； 将所述细玻璃粉设置在成形装置中并形成生坯；以及 热处理所述生坯以导致所述玻璃粉的至少部分压实。28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述处理步骤包括将所述块状玻璃处理为具有 约0. 3ym至约10ym的粒度的玻璃粉。29. 根据权利要求27所述的方法，其中所述热处理步骤形成所述细玻璃粉的干砖、粉 饼、球剂、聚集体或附聚物。30. 根据权利要求29所述的方法，还包括将所述干砖、粉饼、球剂、聚集体或附聚物还 原为具有介于300ym和5000ym之间的平均直径的粒料的步骤。31. 根据权利要求27所述的方法，其中所述成形装置形成粒料形状的生坯，所述粒料 具有介于300ym和5000ym之间的直径。32. 根据权利要求27所述的方法，其中所述成形装置形成具有微结构化表面的粒料。33. 根据权利要求27所述的方法，其中在所述处理步骤之后，所述方法还包括将添加 剂引入所述细玻璃粉中的步骤。34. 根据权利要求33所述的方法，其中所述添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红 外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。35. 根据权利要求27所述的方法，还包括用一种或多种颜料涂覆所述粒料。36. 根据权利要求27所述的方法，其中所述热处理步骤包括将所述细玻璃粉加热至接 近或高于所述细玻璃粉的软化温度的温度。37. 根据权利要求36所述的方法，其中所述温度在约600°C至约1000°C的范围内。
【专利摘要】本发明提供包括大于50体积％的玻璃的建筑材料诸如屋顶粒料。在示例性实施例中，一种或多种添加剂至少部分地引入粒料中或至少部分地引入粒料上，该一种或多种添加剂包括有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒。
【IPC分类】C04B38/00, C04B14/24, E04B7/00, C03C17/00, C03B19/06, C03C12/00, C03C14/00, C03C11/00
【公开号】CN104903263
【申请号】CN201380046370
【发明人】吉恩·A·唐格曼, 克雷格·W·林赛, 肯顿·D·巴德, 丽贝卡·L·埃弗曼, 杰弗里·L·雅各布斯, 约翰·S·爱德华兹
【申请人】3M创新有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年9月6日
【公告号】EP2895432A2, US20150252566, WO2014042988A2, WO2014042988A3
【技术领域】
[0001] 本公开涉及建筑材料，并且具体地涉及源于细小玻璃颗粒的建筑材料诸如屋顶粒 料。
【背景技术】
[0002] 许多表面受益于粒料的存在。例如，基于沥青的屋顶材料经常用于覆盖住宅和其 他结构上的屋顶，并且通常包括含沥青的基底和多个粒料。
[0003] 各种建筑材料诸如屋顶产品可用于具有各种性能要求的多种应用中。屋顶产品可 包括粒料，该粒料包括提供期望特征或特性的矿物基岩和一种或多种涂料。传统粒料可包 括用于提供期望的美学价值的着色涂料、光催化或灭藻涂料、或设计用来提供期望的能量 管理特性的涂料。
【发明内容】
[0004] 在示例性实施例中，提供了建筑材料，其包括具有大于50体积％的玻璃的屋顶粒 料。在一些实施例中，屋顶粒料包含至少部分地引入玻璃中的添加剂。在各种实施例中，所 述添加剂包括一种或多种材料，所述一种或多种材料选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外 吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0005] 在一些示例性实施例中，提供了建筑材料，其包括具有大于50体积％的玻璃陶瓷 的屋顶粒料。在一些实施例中，屋顶粒料包含至少部分地引入玻璃陶瓷中的添加剂。在各 种实施例中，所述添加剂包括一种或多种材料，所述一种或多种材料选自由有色颜料、红外 反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0006] 在另一个示例性实施例中，提供了包括多个屋顶粒料的屋顶产品，该屋顶粒料包 括大于50体积％的分散在基底上的玻璃，其中每个屋顶粒料均包含至少部分地分散在屋 顶粒料中的添加剂，该添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光 催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。
[0007] 在另外的示例性实施例中，提供了一种制备屋顶粒料的方法。所述方法包括将块 状玻璃处理为细玻璃粉、将细玻璃粉设置在成形装置中、以及在成形装置中热处理细玻璃 粉以导致玻璃粉的至少部分压实的步骤。
【附图说明】
[0008] 图1示出根据本发明的示例性屋顶粒料。
[0009] 图2示出根据本发明的包括涂料的示例性屋顶粒料。
[0010] 图3示出根据本发明的包括多个屋顶粒料的示例性屋顶产品。
[0011] 图4A-图4E为示出根据本公开的实施例形成的示例屋顶粒料的孔隙率的代表性 扫描电镜图像。
[0012] 虽然上述附图示出本发明所公开的主题的各种实施例，但还可以想到其它的实施 例。在所有情况下，本公开通过示例性而非限制性的方式介绍本发明所公开的主题。应当 理解，本领域的技术人员可以设计出许多其他修改和实施例，这些修改和实施例也落入本 公开的原理的精神和范围内。
【具体实施方式】
[0013] 本公开整体涉及源于细小玻璃颗粒的建筑材料，诸如屋顶粒料、瓦或其他合适的 建筑材料。源于细小玻璃颗粒的建筑材料可提供高水平的可定制性，使得添加剂、涂料或其 他修改可被应用来提供建筑材料，所述建筑材料表现出如针对特定应用可期望的具体性能 特质。在各种示例性实施例中，具有高百分比玻璃的组成的建筑材料可提供日光不透明性 和相对低的日光吸收率，使得建筑材料表现出高的总日光反射率。在各种其他示例性实施 例中，具有高百分比玻璃组合的建筑材料可引入各种添加剂、涂料或其他修改以表现出期 望的颜色、红外反射特性、红外吸收特性、灭藻特性、光催化特性、导热特性、导电特性、环境 过滤特性和/或其他特征或特性。
[0014] 在一些实施例中，用于示例性建筑材料诸如屋顶粒料的玻璃包括硅酸盐玻璃，诸 如碱石灰二氧化硅，其可常常用于窗和瓶子。可使用硼硅酸盐和其他玻璃以实现不同的热 处理范围、化学耐久性、脱玻作用或光学特性。在一些示例性实施例中，使用硅铝酸盐玻璃、 磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和本领域中已知的其他合适的玻璃。中等至高纯度的低铁玻璃组 合物可为合适的，其中高的总日光反射率（TSR)白色或未着色的粒料为期望的。在一些示 例性实施例中，玻璃为定制的人造玻璃。在一些示例性实施例中，玻璃为预熔融玻璃和/或 再循环玻璃。预熔融玻璃为先前通过熔融处理制成的玻璃，并且可包括普通硅酸盐诸如碱 石灰二氧化硅、硼硅酸盐和其他合适的材料。再循环玻璃是预熔融玻璃，其例如为了初始用 途诸如窗、瓶子、实验室器皿等而制造并且被再处理而用于另一个用途。
[0015] 为形成粒料，首先处理块状玻璃以形成细玻璃粉。在一些实施例中，玻璃颗粒具有 在约0. 3 μ m至10 μ m范围的粒度。玻璃粉可通过研磨方法诸如球磨或超微磨碎来形成。在 一些实施例中，玻璃粉与颜料、粘结剂、液体和/或其他添加剂共研磨或后共混，使得添加 剂可部分或完全地引入所得粒料的玻璃基底中。
[0016] 未完全强化或热处理材料的生坯由形成细玻璃粉的干砖、粉饼、球剂、聚集体或附 聚物产生。在一些示例性实施例中，包含添加剂以改善生坯强度。例如，锌添加剂诸如硫酸 锌和/或硼酸锌可改善机械强度，并且还据信可改善最终建筑材料的化学耐久性。其他添 加剂诸如硅铝酸盐也可改善机械强度。另外据信细玻璃粉的粒度影响生坯强度，其中较小 粒度通常导致较高强度。增大的生坯强度可提供若干制造优点，其包括例如在实施例中降 低不需要的细小颗粒的产生以及在处理期间减少粉尘的产生；在所述实施例中，干燥材料 随后被压碎或减小到希望的尺寸。
[0017] 可热处理由细小玻璃颗粒形成的生坯以导致玻璃颗粒结构的部分或完全压实。热 处理导致玻璃颗粒的至少部分聚结、熔合、粘性流或粘性烧结。通常，热处理接近或高于玻 璃的软化点完成。例如，针对硼硅酸盐玻璃，可使用约600°C至约1000°C的热处理。
[0018] 一种或多种添加剂可引入细小玻璃颗粒以降低玻璃颗粒的玻璃化转变温度。在各 种示例性实施例中，霞石正长岩、长石、硼砂、锂辉石、合适的助熔剂和本领域已知的其他合 适的添加剂可引入细小玻璃颗粒。降低玻璃化转变温度可允许更低的温度和/或更少的热 处理持续时间，并且因此据信提供能量节省且可允许添加剂的引入，该添加剂可分解或换 句话讲在较高处理温度下被损坏。
[0019] 所述制造方法的变型也是可能的。例如，大于期望的粒料尺寸的干燥材料可在焙 烧之前或焙烧后被压碎。此外，在期望的粒料尺寸范围外的被干燥或焙烧的材料再循环到 工艺的研磨阶段中。此外，具有期望的几何形状和尺寸的干燥颗粒可无需通过诸如液体浆 液或凝胶的附聚、浇铸、模塑等方法压碎而另选地制备。在示例性实施例中，此类几何形状 包括规则形状诸如矩形棱柱、三角形、四面体和其他合适的形状。粒料可因此具有期望的形 状以例如优化覆盖、表现出期望的光学特性、或提供其他特征或特性。更进一步，组分、涂料 或另外的材料可在焙烧之前附着到或引入颗粒的表面上。
[0020] 在各种示例性实施例中，粒料可被制成为包括影响粒料的反射率的孔。例如，可通 过细小玻璃颗粒附聚物的部分压实来形成孔。孔内容积和孔尺寸可部分地通过初始玻璃粉 粒度分布并通过热处理时间和温度来控制。孔也可以是由热处理期间溶解气体释放而引起 的，并且为了该目的可引入玻璃和/或添加剂的组合物。如下面进一步描述，可设计或控制 孔隙率以提供尚反射率。
[0021] 在一些示例性实施例中，孔尺寸（例如，直径或最大横跨距离）在小于Ium至约 IOOum的范围内。在其它实施例中，孔尺寸在约0.3um至IOum的范围内。在一些情况下， 粒料包括介于约0%和35%之间的孔内容积百分比。例如，在一些示例性实施例中，孔内容 积百分比介于约3%和15%之间。据信此类孔内容积提供与高机械耐久性结合的高反射 率。在其他示例性实施例中，15%至20%或大于20%的孔内容积百分比可提供反射率和高 的机械耐久性的合适平衡。在一些示例性实施例中，孔内容积百分比可小于3%。图4A至 图4E示出各种示例性实施例的扫描电子显微图，其示出分别具有小于约18%、16%、9%、 10%和4%的孔面积百分比的二维图。
[0022] 由于局部的聚结、表面密封或气体逸出，细小玻璃颗粒的压实可用于提供粒料中 的孔的闭合孔隙率。闭合孔对于耐污染性或化学耐久性可以是有利的。在一些实施例中， 粒料包括至少约3%的闭合孔内容积百分比和/或不大于约5%的开放孔内容积百分比。
[0023] 在一些示例性实施例中，玻璃颗粒完全烧结或聚结并因此完全致密以形成基本上 无孔的基底。玻璃基底可表现出小于1体积％的孔、小于〇. 5体积％的孔、几乎0体积％的 孔、或〇体积％的孔。
[0024] 在示例性实施例中，可选择源于细小玻璃颗粒的建筑材料的孔隙率以提供期望的 密度。虽然颜料或添加剂诸如二氧化钛、氧化锌或硫酸钡可具有相对较高的密度，并且因此 增大最终粒料的密度，但孔隙率可被提高或降低以增大或减小粒料的密度。例如，相对较高 的孔隙率可导致具有小于2. 5g/cm3或小于约2g/cm3密度的粒料，并且例如相对较低的孔隙 率可导致具有大于2. 5g/cm3或大于约3g/cm 3密度的粒料。针对应用也可选择期望的孔隙 率，在该应用中可将表现出不同组成的粒料进行共混。控制孔隙率使得具有不同组成的粒 料表现出类似的密度可促进均匀分布并避免不同粒料类型的离析。
[0025] 如本文所述的建筑材料诸如屋顶粒料包括相对高体积的玻璃。在各种示例性实施 例中，根据本发明的建筑材料诸如屋顶粒料可包括大于50体积％的玻璃，或大于75体积％ 的玻璃，或大于90体积％的玻璃。例如，具有大于50体积％的玻璃的建筑材料导致建筑材 料诸如包括玻璃基底的屋顶粒料表现出期望的特征和特性，该玻璃基底可引入一种或多种 添加剂，或涂覆有一种或多种涂料组合物。在某些示例性实施例中，例如，具有50体积％的 玻璃的粒料可为期望的以提供具体特征和特性，如本文所述，虽然在某些实施例中具有大 于50%、60%、70%、80%、90%、95%或几乎100%的粒料可为合适的。图1提供包括大于 50体积％的玻璃的屋顶粒料100的示例性实施例。
[0026] 在一些实施例中，细小玻璃颗粒在热处理期间可至少部分地结晶，使得建筑材料 的一部分为玻璃陶瓷。在各种示例性实施例中，根据本公开的屋顶粒料可包括大于5体 积％的玻璃陶瓷，或大于50体积％的玻璃陶瓷，或大于90体积％的玻璃陶瓷、和/或可包 括玻璃部分和玻璃陶瓷部分这两者。
[0027] 在示例性实施例中，根据本发明的屋顶粒料表现出直径介于约300 μπι至约 5000 μπι之间的平均粒度。粒度可以是指粒料的最大尺寸。如本文所述的屋顶粒料允许如 可适用于特定应用的各种待选择的形状或尺寸分布。在示例性实施例中，提供具有窄尺寸 分布的多个屋顶粒料，使得高百分比的粒料具有在中值粒度的小范围内的尺寸。在各种示 例性实施例中，50 %、75 %、或甚至90 %或更多的粒料具有在平均粒料粒度或质量的30 %、 20 %、10 %或小于10 %内的粒度或质量。因此，根据本发明的粒料可有利于更均匀的尺寸分 布，所述分布可在基底诸如屋顶木瓦的基底上的施涂和覆盖方面的优点。在一些示例性实 施例中，可提供双峰分布，其包括例如相对较大的平面方形粒料及小四面体以优化覆盖。基 底的大部分被相对较大的平面方形粒料覆盖，而小四面体将会填充可另外存在于正方形粒 料之间的缝隙。在一些实施例中，不同尺寸的粒料的非期望的离析可通过控制粒料的密度 来减轻。
[0028] 源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特征、特性或添加剂以提供适用于期望应用 或功能的建筑材料。例如，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合 适的建筑材料之前，一种或多种添加剂可引入玻璃粉，或者可控制制造工艺以提供表现出 期望的特征或特性的建筑材料。在一些示例性实施例中，建筑材料包含小于50重量％的添 加剂、小于25重量％的添加剂、小于10重量％的添加剂、或小于1重量％的添加剂。另选 地或除此之外，根据本公开，包含一种或多种添加剂的一种或多种合适的涂料可涂覆到玻 璃基底上。可选择各种添加剂以提供高的总日光反射率（TSR)、着色的反射、红外（IR)反 射、IR吸收、导热、耐藻类、光催化、环境过滤和/或成型的建筑材料，或表现出其他期望的 特性，如将在下文更详细描述。
[0029] 在一些示例性实施例中，粒料表现出期望的孔隙率和/或颜料，使得由于孔的漫 反射率和玻璃的低日光吸收率，所述粒料可表现出高的总日光反射率。由于粒料可主要反 射或透射总日光光谱的大部分，因此粒料表现出"低日光吸收率"，并且因此将主要反射或 透射可见或近IR光谱的大部分在一些实施例中，低日光吸收率材料将吸收小于50 %，优选 小于30%，并且最佳地小于20 %的总日光光谱。
[0030] 玻璃、添加剂和/或涂料也可导致具有总光谱的低透射的日光不透明粒料。当材 料既不透日光又具有低日光吸收率时，它具有日光光谱的高总反射率。在各种示例性实施 例中，日光不透明材料的官能量将透射小于60%，更优选小于40%，并且最佳地小于30% 的总日光光谱。
[0031] 玻璃颗粒被充分地烧结、熔融或聚结以提供期望的强度和充分地受限制的开放孔 隙率。此外，粒料可包括足够的另外的闭合孔隙率和颜料以提供高反射率和紫外线（UV)阻 挡特性。在一些实施例中，粒料特征允许屋顶材料具有最高至或甚至大于70 %的总日光反 射率（例如，25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%或 90%)，并且具有中等至低的成本。另选地，本公开的粒料可用作涂覆有高TSR涂料的基岩。 粒料对多种屋顶材料具有适用性，诸如木瓦、卷材屋顶、顶盖板、石材涂覆的瓦、以及其他非 屋顶表面，诸如墙壁、道路、人行道和混凝土。
[0032] 较高性能白色粒料可用于商业沥青屋顶。允许屋顶具有总日光光谱的至少70%的 初始TSR值的粒料能满足新型建筑能量评级要求，从而使得屋顶产品的价值显著增加。因 为可能存在来自粒料后处理的损耗和沥青表面的不完全覆盖，所以粒料自身最佳地具有极 其高的反射率。粒料量杯反射率要求可高达约78%至约90%。在各种示例性实施例中，根 据本发明的粒料包括充分下列的组合：高散射能力、充分低吸收率和高UV阻挡性。散射能 力可通过折射率对比度和粒度来控制。
[0033] 增强散射的其他方法包括如本文更详细地讨论的光散射孔的形成或捕集、降低粘 结剂基质的折射率、或使用较低成本颜料（诸如，例如，氧化铝），其由于有使用较大的量或 捕集小孔的能力而增强整体散射。
[0034] 根据本公开的IR反射性建筑材料据信提供高IR反射性能。与可具有IR吸收性 的传统屋顶粒料的矿物基底相比，源于如本文所述的细小玻璃材料的屋顶粒料自身可为IR 反射性的。由于不存在具有IR吸收性的矿物基底，因此本文所述的屋顶粒料的IR反射率 可相对较大。
[0035] 在示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提供着 色的建筑材料，诸如着色的屋顶粒料。如上所述的玻璃屋顶粒料的孔隙率和密度可受到调 控以获得充分耐用的粒料，并且可添加任何合适的有色颜料以提供期望的颜色。在示例性 实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合适的建筑材料 之前，可将一种或多种有色颜料引入玻璃粉。以这种方式，一种或多种有色颜料可部分或完 全地引入玻璃基底中。在示例性实施例中，着色的屋顶粒料包括约85重量％的硼硅酸盐玻 璃、约8重量％的二氧化钛和约7重量％的红氧化铁。根据需要，也可将其他合适的有色颜 料引入玻璃粉中。
[0036] 源于细小玻璃材料的着色的建筑材料可比传统建筑材料提供更大的颜色饱和度。 例如，表现出无色的或相对无色的玻璃基底且引入了一种或多种有色颜料的屋顶粒料导致 屋顶粒料的可见颜色看起来更靠近有色颜料单独的颜色。不受理论的约束，与具有矿物基 底（其表现出影响最终涂覆的屋顶粒料颜色的可见颜色）的屋顶粒料相比，无色或相对无 色的玻璃基底据信不会显著地妨碍着色的屋顶粒料的被观察颜色。无色或相对无色的玻璃 基底也可允许用于更广泛范围的着色的屋顶粒料，该屋顶粒料很难使用传统矿物屋顶粒料 获得。
[0037] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃颗粒的建筑材料的颜色可用L*、a*、b*数 表征。L*、a*、b*数分别指示在浅-暗、红-绿和黄-蓝中的色标，并且所有三个数均为描述 某一对象的颜色所需的。针对两个不同的对象，它们的L*、a*、b*数的差表示它们在颜色上 的差异。在示例性实施例中，具有指定量的颜料的着色的建筑材料诸如屋顶粒料，据信比带 有涂料的传统的用涂料涂覆的矿物粒料表现出更真实、更高度饱和的颜色，如通过它的L*、 a*、b*数所呈现，该涂料具有代表相同量的颜料的组合物。
[0038] 除了颜色之外，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶粒料、瓦或其他合 适的建筑材料之前，还可将颜料和其他添加剂引入玻璃粉以提供光学效应诸如反射率和UV 阻挡性。例如，针对高TSR粒料，可使用强散射颜料诸如二氧化钛以提供高反射率和UV阻 挡性这两者。也可使用其他颜料，诸如氧化铝、硅酸盐和其他氧化物。例如，氧化锌为适度 良好散射剂并且在某些波长范围（340-380nm)内比二氧化钛更能吸收UV。可 基于性能、成 本效率和与粒料工艺温度的相容性来选择颜料类型和量。例如，在一些实施例中，粒料包含 约1重量％至10重量％的二氧化钛，并且例如可包含约92重量％的玻璃和约8重量％的 二氧化钛。在一些实施例中，粒料包含二氧化钛和至少一种其他颜料。在一些实施例中，粒 料包含近UV吸收性颜料和另外的反射性颜料。
[0039] 在示例性实施例中，可被称为"冷却"粒料的粒料反射所述入射红外线的显著部 分。在一些情况下，冷却粒料可由诸如本文所述的玻璃材料形成，并且支承包括一种或多 种红外线反射颜料的一种或多种涂料或层。合适的颜料包括产生白色外观的二氧化钛。 提供黄颜色的合适颜料包括V-9415和V-9416 (俄亥俄州克里兰夫的福禄公司（Ferro Corp. ,Cleveland, Ohio))以及黄195(俄亥俄州辛辛那提的薛特颜料公司（the Shepherd Color Company, Cincinnati, Ohio))，它们都被认为是黄颜料。
[0040] 在一些情况下，可使用具有增强的NIR反射率的较暗的颜料。这些颜料包括 "10415 金黄"、"10411 金黄"、"10364 棕"、"10201 日食黑"、"V-780IR BRN 黑"、"10241 森林绿"、"V-9248 蓝"、"V-9250 亮蓝"、"F-5686 青绿"、"10202 日食黑"、"V-13810 红"、 "V-12600IR 钴绿"、"V-12650Hi IR 绿"、"V-778IR Brn 黑"、"V-799 黑"和"10203 日食蓝 黑"（均来自福禄公司（Ferro Corp.));和黄193、棕156、棕8、棕157、绿187B、绿223、蓝 424、黑411、黑10C909(均来自薛特颜料公司（Sh印herd Color Co.))。在示例性实施例中， 屋顶粒料包含约85重量％的硼硅酸盐玻璃、约8重量％的二氧化钛、购自北卡罗来纳州夏 洛特的 BASF 公司（BASF of Charlotte, North Carolina)的约 3 重量％ 的 SIC0PAL橙L2430 和购自俄亥俄州克里兰夫的福禄公司（Ferro Corp. of Cleveland, Ohio)的约4重量％的 V-778黑颜料。一些显示增强的红外线反射率的感兴趣的另外颜料在Sliwinski等人的美 国专利号6, 174, 360和6, 454, 848中有所讨论，两者均全文以引用方式并入本文。在其它 实施例中，粒料包括非IR反射性颜料。
[0041] 另选地或除此之外，包括一种或多种有色颜料的陶瓷涂料可涂覆到玻璃基底上。 例如，玻璃基底可涂覆有包括有色颜料和碱金属硅酸盐粘结剂的组合物，该碱金属硅酸盐 粘结剂可包括硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾和/或它们的组合。在一些示例性实施例中，可添 加烷氧基硅烷诸如四乙氧基硅烷和/或硼酸、硼酸盐或它们的组合以增强涂料的耐久性， 如在2011年10月13日的美国公开号2011/0251051和2010年6月17日的美国公开号 2010/0152030中分别描述，每个文献均全文以引用方式并入本文。在将涂料组合物施涂到 玻璃基底上后，在回转窑、烘箱或其他合适的装置中在升高的温度下加热所述被涂覆的玻 璃基底以生产着色的建筑材料，诸如着色的屋顶粒料。
[0042] 在一些示例性实施例中，可使用颜料、碱金属硅酸盐、硅铝酸盐和任选的硼酸盐化 合物的含水浆液来涂覆粒料。碱金属硅酸盐和硅铝酸盐充当无机粘结剂并且是涂料的主要 组分。作为主要组分，该材料以大于任何其他组分的量存在，并且在一些实施例中以涂料的 至少约50体积百分比的量存在。来自这种浆液的涂料一般形成陶瓷。
[0043] 图2提供屋顶粒料200的示例性实施例，其包括大于50体积％的玻璃，如本文所 述，并且表现出涂覆有涂料203的表面202,该涂料203可包括一种或多种如本文所述的组 分。在一些示例性实施例中，涂料203可进入各种孔（未示出），使得涂料203覆盖所述表 面202和/或粒料200的至少一些内表面。在一些示例性实施例中，可在涂料203上方提 供第二涂料204。
[0044] 示例性碱金属硅酸盐涂料组合物可包括水性硅酸钠，该水性硅酸钠由于它的相对 可用性和经济性因此可以是有利的，尽管类似材料诸如硅酸钾也可因此被完全地或部分地 取代。碱金属硅酸盐可指定为M 2O = SiO2，其中M表示碱金属诸如钠（Na)、钾（K)、钠和钾的 混合物等等。SiOJt M2O的重量比可在约1.4:1至约3. 75:1的范围内。在一些实施例中， 根据待产生的颗粒状材料的颜色，SiOJt M2O的重量比为约2. 75:1或约3. 22:1 ;当产生浅 着色粒料时前者可能更合适，而当期望暗着色粒料时后者可能更合适。
[0045] 使用的硅铝酸盐可为具有式Al2Si2O5(OH)J^粘土。另一种优选的硅铝酸盐为高岭 土，和由风化作用（高岭石）、适度加热（地开石）或深成工艺（珍珠陶土）形成的它的衍 生物。用于本发明中粒料的陶瓷涂料的其他可商购获得的和可用的硅铝酸盐粘土为以商品 名称DOVER得自马里兰州哥伦比亚的格雷斯戴维逊（Grace Davison, Columbia，Md.)的已 知的硅铝酸盐，以及以商品名称SN0-BRITE得自康涅狄格州新迦南的尤尼明公司（Unimin Corporation, New Canaan, Conn)的已知的娃错酸盐。
[0046] 硼酸盐化合物可为以商品名BORAX购自加利福尼亚州瓦伦西亚的美国硼砂公司 (U. S. Borax Inc.，Valencia, Calif.)的硼酸钠。可使用其他合适硼酸盐，诸如硼酸锌、氟硼 酸钠、四硼酸钠-五水合物、过硼酸钠-四水合物、偏硼酸钙-六水合物、五硼酸钾、四硼酸 钾、以及它们的混合物。另选的硼酸盐化合物为钠硼硅酸盐，其通过加热废料硼硅酸盐玻璃 至足以将玻璃脱水的温度来获得。
[0047] 可基于建筑构造制品中的应用或用途来控制或选择粒料的结构。粒料可具有均匀 分布的孔和颜料，或可具有在不同特性的粒料内的区域。例如，粒料可具有带有一个水平的 孔隙率或颜料的芯部区域，和带有不同水平的颜料或孔隙率的外壳或表面区域。另外，粒料 可被规则地或不规则地成形。粒料也可具有多种形状外形，其包括但不限于球状、块状、板 状或盘状。粒料还可被设计成具有期望的形状并且共混以提供优选尺寸和/或形状分布， 以用于在含沥青表面上最佳的填料、覆盖、纹理或外观或用于其他功能。在各种示例性实施 例中，示例性粒料可被成形为在粒料的外表面上表现出微观结构。例如，当施用于基底以形 成木瓦时，具有微结构化表面的粒料可改善粒料的粘附性，从而减小对于粘合增进剂的需 要。表现出微结构化表面的粒料也可表现出期望的光学特性，例如诸如期望水平的反射率。 [0048] 在另外的示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以 提供IR吸收、导热和/或导电的建筑材料，诸如具有IR吸收性、导热和/或导电的屋顶粒 料。在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶材料、瓦或其他合适的建筑材料之前，可 将一种或多种具有IR吸收性的、导热和/或导电的材料引入玻璃粉。以这种方式，具有IR 吸收性的、导热和/或导电的材料可部分或完全地引入玻璃基底中，以提供具有IR吸收性 的、导热和/或导电特性的粒料。在各种实施例中，粒料包括大于15体积％的具有IR吸收 性的、导热和/或导电的材料。在示例性实施例中，导热粒料包含约82重量％的硼硅酸盐 玻璃、约2重量％的红氧化铁、约6重量％的赭石和约10重量％的炭黑。示例性的导电粒 料包含约80重量％的硼硅酸盐玻璃和约20重量％的银。
[0049] 在其他示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供耐藻类建筑材料，诸如耐藻类屋顶粒料。在示例性实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚 结和/或成型为屋顶材料、瓦或其他合适的建筑材料之前，可将一种或多种添加剂引入玻 璃粉。以这种方式，用于提供耐藻类特性的一种或多种添加剂可部分或完全地引入玻璃基 底中。另选地或除此之外，用于提供耐藻类特性的一种或多种添加剂可被涂覆到玻璃基底 上。此类涂料可包含用于提供耐藻类特性的添加剂和粘结剂，诸如硅酸盐粘结剂，或例如 在本领域中是已知的用于传统矿物屋顶粒料上的其他合适的组合物。例如，美国公布号 2010/0098777描述了灭藻化合物和涂料，其在成型为建筑材料或被涂覆到建筑材料上之前 可引入玻璃粉，并且该参考文献全文以引用方式并入本文。
[0050] 至少部分地引入如本文所述的玻璃基底中，或至少部分地引入该玻璃基底中，或 涂覆到该玻璃基底上的灭 藻颗粒可包括任何合适的灭藻颗粒。在示例性实施例中，所述灭 藻颗粒包括过渡金属光催化剂。合适的灭藻颗粒的示例包括氧化亚铜、氧化铜、溴化铜、硬 脂酸铜、硫酸铜、硫化铜、氰化亚铜、硫氰酸亚铜、锡酸亚铜、鹤酸铜、碘化亚铜采、娃酸亚铜、 其他含铜材料或它们的混合物。在其他示例性实施例中，含锌材料诸如氧化锌或硫化锌、含 银材料、硼酸盐或其他合适的材料至少部分地引入玻璃基底中，或至少部分地引入该玻璃 基底中，或涂覆到该玻璃基底上。在示例性实施例中，灭藻粒料包含约89重量％的硼硅酸 盐玻璃、约5重量％的二氧化钛、约5重量％的氧化亚铜和约1重量％的碳酸钙。
[0051] 如上所述，源于细小玻璃材料的建筑材料可被制成为表现出期望的孔隙率。孔内 容积和孔尺寸可通过初始玻璃粉粒度分布并通过热处理时间和温度而部分地控制。孔也可 以是制造过程中的气体释放所引起的。至少部分地引入玻璃基底中或至少部分地引入该玻 璃基底中的灭藻颗粒（诸如含铜颗粒）的释放可通过玻璃基底的孔隙率来控制。另选地或 除此之外，多孔涂料可被施涂到玻璃基底上以控制灭藻材料的释放速率。
[0052] 在一些示例性实施例中，玻璃基底可涂覆有包含灭藻颗粒的组合物。例如，玻璃基 底可涂覆有包括组合物，包括介于约1%至约60%重量百分比之间的氧化亚铜固体和适当 的陶瓷粘结剂。在将涂料组合物施涂到玻璃基底上之后，在回转窑、烘箱或其他合适的装置 中在升高的温度下加热被涂覆的玻璃基底，以生产建筑材料诸如屋顶粒料，包括玻璃基底 和灭藻涂料。在加热涂覆的玻璃基底之前或之后，可提供另外的多孔涂料以控制灭藻颗粒 的释放。
[0053] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供光催化建筑材料，诸如光催化屋顶粒料。通过在活化或暴露于太阳光时建立氧化和还原 位点，引入了光催化剂的建筑材料可阻止由藻类生长、空气中的污染物诸如煤烟和油脂和 其他脱色剂造成的建筑材料的脱色。据信氧化和还原位点产生高度反应性物质，诸如羟基 自由基，其能够预防或抑制藻类或其他生物群在涂覆制品上的生长，尤其在水的存在下。
[0054] 在示例性实施例中，在玻璃粉被烧结、熔融、聚结和/或成型为屋顶材料、瓦或其 他合适的建筑材料之前，可将一种或多种光催化材料和/或组合物引入玻璃粉。以这种方 式，一种或多种光催化材料和/或组合物可部分或完全地引入玻璃基底中。
[0055] 另选地或除此之外，一种或多种光催化组合物可被涂覆到玻璃基底上。例如，玻璃 基底可涂覆有组合物，包括介于约〇. 1重量％和90重量％之间的光催化剂和碱金属硅酸盐 粘结剂，该碱金属硅酸盐粘结剂可包括硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾和/或它们的组合，如本文 所述。在一些示例性实施例中，可添加烷氧基硅烷诸如四乙氧基硅烷，和/或硼酸、硼酸盐 或它们的组合，以增强涂料的耐久性。在将涂料组合物施涂到玻璃基底上之后，在回转窑、 烘箱或其他合适的装置中在升高的温度下加热所述被涂覆的玻璃基底以生产着色的建筑 材料，诸如着色的屋顶粒料。
[0056] 引入如本文所述的玻璃基底中，或引入该玻璃基底中，或涂覆到该玻璃基底上的 光催化颗粒可包括任何合适的光催化颗粒。在示例性实施例中，光催化颗粒包括过渡金属 光催化剂。合适的过渡金属光催化剂的示例包括Ti0 2、ZnO、W03、Sn02、CaTi03、Fe 203、M〇03、 Nb205、TixZr(1_x)0 2、SiC、SrTi03、CdS、GaP、InP、GaAs、BaTi03、KNb0 3、Ta205、Bi203、NiO、Cu 20、 Si02、MoS2、InPb、Ru02、Ce02、Ti (OH)4、以及它们的组合。光催化颗粒包括结晶的锐钛矿Ti02、 结晶的金红石TiO 2、结晶的ZnO以及它们的组合的光催化颗粒可为尤其合适的。为了改善光 谱效率，光催化颗粒可掺杂有非金属元素，诸如C、N、S、F，或掺杂有金属或金属氧化物，诸如 卩七、？(1、411、48、〇8、1^、1?11〇 2、吣、(：11、511、附、？6，或它们的组合。在示例性实施例中，光催化粒 料包含约85重量％的硼硅酸盐玻璃、约4重量％的二氧化钛颜料、约1重量百分比的碳酸 妈和约2重量百分比的纳米级光催化二氧化钛，诸如购自赢创工业（Evonik Industries) 的 P25。
[0057] 在其他示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含特性或添加剂以提 供环境过滤建筑材料，诸如环境过滤屋顶粒料。来自诸如鸟和野生动植物、工业空气污染 物、雨水等来源及其他来源的环境污染物可沉积于屋顶上。示例性环境过滤粒料表现出合 适的孔尺寸和/或各种添加剂，该添加剂有利于通过例如螯合作用或吸附来与污染物化学 粘合。在各种示例性实施例中，环境过滤粒料可从环境中捕集汞或其他污染物。在其他示 例性实施例中，粒料能够收集或过滤从其他粒料中损失的铜或从其他来源中获得铜，使得 铜再循环并且重新使用以提供另外的灭藻特性。
[0058] 在各种示例性实施例中，源于细小玻璃材料的建筑材料可包含源于细小玻璃颗粒 的涂料。例如，粒料可包含基料，该基料具有源于细小玻璃颗粒的涂料并且包含如本文所述 的特征、特性和/或添加剂中的任一者。在一些示例性实施例中，基料为可常用于屋顶粒料 的传统矿物基底。玻璃涂料，诸如烧结的玻璃层，将会覆盖基料的全部或一部分以提供具有 期望的特征或特性的粒料。
[0059] 据信源于如本文所述的细小玻璃材料的建筑材料提供若干优点。例如，来自细小 玻璃材料的粒料允许与细小玻璃颗粒混合的颜料和/或其他添加剂在玻璃基底上或玻璃 基底内未被破坏和/或未被改变地存在，该细小玻璃材料被烧结、熔融、聚结或换句话讲在 接近细小玻璃材料的软化点的相对低温度下形成。即，颜料和/或其他添加剂可在不通过 制造方法被功能性地改变的情况下部分地或完全地引入粒料的玻璃基底中，从而获得如特 定应用可期望的具有高百分比的玻璃以及特征和特性的屋顶粒料。
[0060] 源于细小玻璃颗粒的建筑材料可引入合适的建筑产品中，诸如木瓦、卷材屋顶材 料、顶盖板、石材涂覆的瓦，以及其他非屋顶材料表面，诸如墙壁、道路、人行道和混凝土。图 3示出包括分布在表面上的根据本发明的多个屋顶粒料310的示例性屋顶产品300,并且一 些或所有粒料包括大于50体积％的玻璃。屋顶产品300包括将粒料310粘合至基底层330 的粘结剂层320。在一些示例性实施例中，基底层330可为包括沥青饱和材料的基于沥青 的基底。在其他示例性实施例中，基底层330可为膜或可随后接合到基于沥青的基底或其 他基底的中间层。如本文所述，粒料310表现出相对高体积％的玻璃并且可表现出各种特 征或特性，或引入各种添加剂、涂料或其他修改以表现出期望的颜色、红外反射特性、红外 吸收特性、灭藻特性、光催化特性、导热特性、导电特性、环境过滤特性和/或其他特征或特 性。
[0061]
[0062] 将参照以下详细的非限制性实例来进一步描述本发明的特性、操作和优点。提供 这些实例以进一步说明各种具体的和示例性的实施例及技术。然而，应当理解，在本发明范 围内可以做出许多变型和修改但仍在本发明的范围内。
[0063] 使用三种处理方法来生产用于测试的粒料样本：（1)将玻璃湿磨，使浆液干燥、焙 烧然后压碎至-12+40等级（实例1-3) ; (2)将玻璃湿磨，浆液在模具中被成型并干燥，从模 具中释放以及焙烧（实例4a-实例4e) ; (3)将玻璃湿磨，使浆液干燥，压碎至-12+40等级， 然后焙烧。（实例5-9)。使用所述三种处理方法的每一种而制成的样本的结果示于表1-3。
[0064] 针对所有的实例，使用1.5E空气质量设定，使用SSR-ER v6型日光光谱反射 仪来测量反射率，其购自德克萨斯州达拉斯的装置和服务公司（Devices and Services Co.，Dallas，Texas)。针对"量杯"测量，粒料以约5mm的深度加载到样本夹持器中。使用 辊将粒料的表面压平。针对"平面"测量，将粒料倾注在购自明尼苏达州圣保罗的3M公司 (3M Co.，St. Paul, Minnesota)的471黑乙烯基带材上方，并且挤压以附着。倾注和挤压步 骤重复3至5次以确保粒料在带材上良好的覆盖。
[0065] 针对所有的实例，使用购自MT-数码（MT-Digital)的I-S0LUTI0N图像分析软 件来测量覆盖率。使用手动阈值分割工具来执行面积分析以确定被粒料覆盖的黑色表面的 百分比。
[0066] 通过超微磨碎玻璃来制备实例1-3,其中玻璃通过压碎硼硅酸盐组合物的未使用 的透明的玻璃小瓶来获得。使用联合处理 01HD/HDDM型磨碎机，并且以70%的固体负载将 玻璃添加至H 2O中，并用5mm氧化纪稳定的-氧化错（YSZ)介质研磨三小时来执行超微磨 碎。研磨后的中值初级粒度为1.3微米。浆液分为三等份，并且向每个等份添加不同类型 和量的颜料（以基于玻璃固体重量的百分比），如表1所示。在添加颜料后，用5_YSZ介质 球磨所述浆液约一小时以均匀地分散颜料。然后将制备的三种浆液倾注到带特氟隆膜衬里 的耐热玻璃（Pyrex)碟中，并且在100°C的烘箱中干燥过夜。然后将干燥的浆液"块"在箱 式炉中在850°C下加热4分钟。这种热处理允许玻璃颗粒的粘性烧结发生以及捕集孔和颜 料这两者。然后将烧结的玻璃块使用研钵和研杵压碎并筛分以获得-12+40尺寸级分来用 于分析。结果在下表1中示出。
[0067] 表 1
[0068]
[0069] 使用类似实例1-3的浆液制备方法来制备实例4a_4e。实例4a_4e在组成上与实 例2相同，实例2在黑色带材平面上具有前3个实例中的最高TSR值0. 702。浆液中的中值 玻璃粒度为1. 3微米。带有添加的颜料的浆液批次被成型为2mmX2mmX0. 5mm的腔，干燥， 然后从模具中释放。然后如示于下表2中的实例4a_4e表示，将所得的"瓦"焙烧至各种温 度并维持4分钟或8分钟，并且显示这些样本中捕集的孔隙率程度的扫描电镜（SEM)图像 被分别示于图4A-4E。
[0070] 2
[0073] 使用类似实例1-3的浆液制备方法来制备实例5-9。浆液中的初级玻璃粒度在1. 2 至1. 5微米的中值的范围内。将带有添加的颜料的浆液进行盘式干燥，类似于实例1-3。然 后使用研钵和研杵将干燥浆液粉饼压碎，并且筛分压碎的颗粒以获得-12+40尺寸级分来 用于分析。然后将所得的生粒料焙烧至各种温度并维持4分钟或7分钟。结果在下表3中 示出。
[0074] 表 3
[0075]
[0076] 至此已参照本发明的若干实施例描述了本发明。给出上述详细说明及实例仅为清 楚地理解本发明。对此不应理解为不必要的限制。对于本领域技术人员将显而易见的是， 可以对所描述的实施例作出许多改变而不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围不应受 限于本文所述的具体细节和结构，而是应由权利要求的语言所描述的结构及那些结构的等 同物限定。相对于上述任何实施例描述的任何特征或特性可被单独地结合或者与任何其它 特征或特性组合，并且仅为清楚起见而按照上述顺序和组合来呈现。
【主权项】
1. 一种建筑材料，所述建筑材料包含屋顶粒料，所述屋顶粒料包括大于50体积％的玻 璃。2. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括大于75体积％的玻璃。3. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括大于90体积％的玻璃。4. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃选自由硅酸盐玻璃、碱石灰二氧化 娃玻璃、硼娃酸盐玻璃、娃错酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、预恪融玻璃、再循环玻璃 和人造玻璃组成的组。5. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃为预熔融玻璃。6. 根据权利要求1所述的屋顶粒料，其中所述玻璃为硼硅酸盐。7. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料具有大于3体积％的闭合孔和 小于5体积％的开放孔。8. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包括小于1体积％的孔。9. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包括至少部分地分布在所述 玻璃中的添加剂。10. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料包含介于约1重量％和25重 量％之间的所述添加剂。11. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括有色颜料。12. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括二氧化钛。13. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括光催化颗粒。14. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由Ti02、Zn0、W03、Sn02、 CaTiO3、Fe2O3、MoO3、Nb2O5、TixZr(1_x)O2、SiC、SrTiO3、CdS、GaP、InP、GaAs、BaTiO3、KNbO3、Ta2O5、 Bi203、Ni0、Cu20、Si02、MoS2、InPb、Ru02、CeOjPTi(OH) 4组成的组中的颗粒。15. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括灭藻颗粒。16. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由如下物质组成的组 的颗粒：铜、锌、银、氧化亚铜、氧化铜、溴化铜、硬脂酸铜、硫酸铜、硫化铜、氰化亚铜、硫氰酸 亚铜、锡酸亚铜、鹤酸铜、碘化亚铜采和娃酸亚铜。17. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括红外反射颗粒。18. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括红外吸收颗粒。19. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括导热颗粒。20. 根据权利要求9所述的建筑材料，其中所述添加剂包括导电颗粒。21. 根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包含涂料。22. 根据权利要求21所述的建筑材料，其中所述涂料包含选自由有色颜料、红外反射 颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组中的颗粒。23. -种建筑材料，其包含具有大于50体积％的玻璃陶瓷的屋顶粒料。24. 根据权利要求23所述的建筑材料，其中所述屋顶粒料还包含至少部分地分布在所 述玻璃陶瓷中的添加剂。25. 根据权利要求23所述的建筑材料，其中所述添加剂包括选自由有色颜料、红外反 射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组中的颗粒。26. -种屋顶产品，其包含多个屋顶粒料，所述多个屋顶粒料包括大于50体积％的分 布在基底上的玻璃，其中每个所述屋顶粒料均包含至少部分地分布在所述屋顶粒料中的添 加剂，所述添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、 导热颗粒和导电颗粒组成的组。27. -种制备屋顶粒料的方法，所述方法包括： 将块状玻璃处理为细玻璃粉； 将所述细玻璃粉设置在成形装置中并形成生坯；以及 热处理所述生坯以导致所述玻璃粉的至少部分压实。28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述处理步骤包括将所述块状玻璃处理为具有 约0. 3ym至约10ym的粒度的玻璃粉。29. 根据权利要求27所述的方法，其中所述热处理步骤形成所述细玻璃粉的干砖、粉 饼、球剂、聚集体或附聚物。30. 根据权利要求29所述的方法，还包括将所述干砖、粉饼、球剂、聚集体或附聚物还 原为具有介于300ym和5000ym之间的平均直径的粒料的步骤。31. 根据权利要求27所述的方法，其中所述成形装置形成粒料形状的生坯，所述粒料 具有介于300ym和5000ym之间的直径。32. 根据权利要求27所述的方法，其中所述成形装置形成具有微结构化表面的粒料。33. 根据权利要求27所述的方法，其中在所述处理步骤之后，所述方法还包括将添加 剂引入所述细玻璃粉中的步骤。34. 根据权利要求33所述的方法，其中所述添加剂选自由有色颜料、红外反射颗粒、红 外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒组成的组。35. 根据权利要求27所述的方法，还包括用一种或多种颜料涂覆所述粒料。36. 根据权利要求27所述的方法，其中所述热处理步骤包括将所述细玻璃粉加热至接 近或高于所述细玻璃粉的软化温度的温度。37. 根据权利要求36所述的方法，其中所述温度在约600°C至约1000°C的范围内。
【专利摘要】本发明提供包括大于50体积％的玻璃的建筑材料诸如屋顶粒料。在示例性实施例中，一种或多种添加剂至少部分地引入粒料中或至少部分地引入粒料上，该一种或多种添加剂包括有色颜料、红外反射颗粒、红外吸收颗粒、灭藻颗粒、光催化颗粒、导热颗粒和导电颗粒。
【IPC分类】C04B38/00, C04B14/24, E04B7/00, C03C17/00, C03B19/06, C03C12/00, C03C14/00, C03C11/00
【公开号】CN104903263
【申请号】CN201380046370
【发明人】吉恩·A·唐格曼, 克雷格·W·林赛, 肯顿·D·巴德, 丽贝卡·L·埃弗曼, 杰弗里·L·雅各布斯, 约翰·S·爱德华兹
【申请人】3M创新有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年9月6日
【公告号】EP2895432A2, US20150252566, WO2014042988A2, WO2014042988A3
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