CN102612580B - 高反射率的屋面系统 - Google Patents

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Abstract

冷屋面系统（10,50）包括日光反射率是80%至92%的高反射率煅烧高岭土颗粒（20,62）。当被施加到屋面基材（54）上时，高反射率高岭土颗粒（20,62）产生日光反射率大于或等于70%的屋面系统。

Description

高反射率的屋面系统
相关专利申请的交叉引用
根据35U.S.C.§119，本专利申请要求于2009年10月2号提交的名称为“高反射率的屋面系统”（Highly Reflective Roofing System）的美国临时专利申请No.61/248,285的优先权，其全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及冷屋面系统。更特别地，本发明涉及一种包括高反射率颗粒的冷屋面系统，它可以将所述颗粒施用基材上以将屋面系统的日光反射率增加到等于或大于70%。
背景技术
加州法规条例24条和其它机构的类似规定要求商业的屋面材料的日光反射率最小是70%。目前，许多屋面材料例如沥青和改性沥青是黑色的，并且日光反射率很低。这些黑色屋面材料大多数在表面上使用矿物颗粒以减少风化并增加耐火性。目前，用于沥青和其它深色屋面材料的大多数屋面颗粒由碎石例如长石制成的，为了使它们足够白以达到可接受的日光反射率，用陶瓷涂料涂覆它们。然而，尽管经过这些努力，现在商购得到的颗粒不够明亮，不能将黑色材料的日光反射率增加到满足70%的标准。
发明内容
在一些实施方案中，本发明是冷屋面系统，它包括至少一层沥青层和至少一层包括大量粘附到沥青层上的高反射率煅烧高岭土颗粒的颗粒层，所述高岭土颗粒的反射率是约80%至约92%。该冷屋面系统的日光反射率最小是70%，并且更特别地，日光反射率是约70%至约82%。
根据其它各个实施方案，本发明是冷屋面系统，该屋面系统包括屋面基材，至少一层施用屋面基材上的喷涂聚氨酯泡沫，使得屋面基材的厚度是约一英寸至约三英寸，应用到喷涂聚氨酯泡沫层上并与之粘附的弹性涂层和大量高反射率的白色煅烧高岭土颗粒，所述颗粒的反射率是约80%至约92%并且粘附到弹性涂层上。所述冷屋面系统的日光反射率最小是70%，并且更特别地，日光反射率是约70%至约82%。
虽然公开了多个实施方案，但是通过下列详细说明，本发明的其它实施方案对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，所述详细说明显示和描述了本领域示例性的实施方案。因此，实际上认为附图和详细说明是示例性的，并且没有限制。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个实施方案的冷屋面系统的示意图。
图2是根据本发明的另一个实施方案的冷屋面系统的示意图。
详述
已经调查了可以用于制造屋面颗粒或颗粒的各种材料，当将所述屋面颗粒或颗粒施用屋面基材上时，它可以实现高反射率的屋面表面。这些各种材料包括白色石英、板状刚玉、陶瓷砂和来自全球各种资源的煅烧粘土。当施用黑色屋面基材上时，发现这些材料没有一种满足所需的70%的日光反射率标准。例如，白色石英缺少给屋面基材提供足够的保护使之免受太阳的紫外线的必要的透明度。广泛测试板状刚玉的反射率和其它性能，但是结果并不令人满意。调查来自各种资源的煅烧粘土并且当施用屋面基材上时没有发现产生足够高的日光反射率。也测试了由白瓷碎片制成并且研磨成所需尺寸的颗粒的陶瓷砂。调查了其它类似陶瓷砂的材料，当施用沥青屋面基材上时，也未能满足70%的日光反射率标准。
美国专利7,291,358和美国公开申请No.2004/0017938,中一般显示和描述了包含反射颗粒的屋面材料和体系以及制备它们的方法，两者的全文以引用方式并入本文。
根据本发明的各个实施方案的冷屋面系统包括高反射率的煅烧高岭土颗粒，它可以产生最小日光反射率是70%的屋面系统。已知煅烧高岭土被称为高岭土熟耐火粘土、硅酸铝、煅烧粘土、熟瓷土、莫来石和熟硬质耐火土。世界各地发现许多不同的煅烧高岭土资源。大多数来自不同地方的煅烧高岭土是灰白色、棕褐色或浅灰色。然而，世界上有一些独特的资源，那里有产生极其亮白和高反射率的煅烧高岭土的高岭土矿床。在中国和中欧/东欧发现这些独特的资源。
在1100℃至1600℃的温度下煅烧在中国和中欧/东欧开采的高岭土以改善高岭土材料的白度和硬度。将这种独特的高岭土研磨或粉碎成尺寸大约是0.3mm至2.4mm的颗粒并且测定它的日光反射率。这些独特的高岭土颗粒的日光反射率是80%至92%。当以通常用于屋面材料的比例应用在黑色的屋面基材上时，产生的反射率是70%至82%。
适用于本发明的各个实施方案的高反射率的煅烧高岭土的一个实例是从位于德国的Hirschau和Schnaittenbach的AmbergerKaolinwerke获得的高岭土熟耐火粘土AS 45。
图1是根据本发明的一个实施方案的冷屋面系统10的示意图。冷屋面系统10至少包括一层沥青层12，例如沥青或改性沥青层。沥青或改性沥青可以由一层或多层沥青层14和一层或多层增强材料16，例如聚酯或玻璃纤维组成。
上层沥青层12至少包括一层包括大量高反射率的煅烧高粘土颗粒20的颗粒层18，它粘附或嵌入沥青层12的顶面。根据各个实施方案，高反射率的煅烧高岭土颗粒的日光反射是约80%至约92%，使得当施用增强的沥青层12上时导致屋面系统的最小日光反射率是70%，并且更特别地，日光反射率是约70%至约82%。颗粒20是亮白色的并且尺寸是约0.3mm至约2.4mm。在一个实施方案中，颗粒62的粒度分布大致相同。例如，颗粒62的粒度分布与下面对应：
*常用范围
将增强材料16，例如玻璃纤维或聚酯通过热的液体沥青，浸渍和涂覆增强材料16产生包括沥青层的冷屋面系统10。然后，使这个涂布的狭条穿过送料斗的下面，这可以在热的沥青涂布的狭条的上表面分配煅烧的高岭土颗粒20至基本完全覆盖表面。然后，将这个狭条通过辊或鼓，使颗粒20变得平坦并且将它们压入增强的沥青层12中包括的沥青中。可以以单独的带或片的形式提供该屋面材料，然后可以将它施用任何的商业、工业的低坡或陡坡屋面表面。
图2是根据本发明的另一个实施方案的冷屋面系统50的示意图。图2中显示的冷屋面系统50至少包括一层应用在屋面基材54上的喷涂聚氨酯泡沫52。屋面基材54可以是建筑的暴露屋面表面或屋面材料的片或层。例如，在一个实施方案中，可以将喷涂聚氨酯泡沫层52直接应用在建筑物的屋面表面上。在另一个实施方案中，可以将将喷涂聚氨酯泡沫层52施用各种表面上，所述表面包括混凝土、木材、砂石、沥青、柔性防水屋面（BUR）、改性沥青、单层膜等。在一个实施方案中，可以应用喷涂聚氨酯泡沫层52覆盖另一层喷涂聚氨酯泡沫层。喷涂聚氨酯泡沫层的厚度通常是约1英寸至约3英寸。
此外，图2中描述的冷屋面系统50至少包括一层弹性涂层56。在24小时内将弹性涂层56施用喷涂聚氨酯泡沫层52的上表面58以使喷涂聚氨酯泡沫免受UV光线的损害。在一个实施方案中，将弹性涂层56施用喷涂聚氨酯泡沫层52的上表面，使得它基本涂覆喷涂聚氨酯泡沫层52的整个表面。可以由各种各样的弹性材料形成弹性涂层，所述弹性材料包括但不限于丙烯酸树脂、氨基甲酸酯和硅树脂。
冷屋面系统50也至少包括一层颗粒层60。颗粒层60包括大量粘附或嵌入弹性涂层56的高反射率煅烧高岭土颗粒62，例如上述的那些。颗粒62是白色的并且尺寸是约0.3mm至约2.4mm。在一个实施方案中，颗粒62的尺寸基本相同。此外，高反射率煅烧高岭土颗粒的日光反射率是约80%至约92%，当将它施用增强的沥青层12上时，导致屋面系统的日光反射率最小是70%，更特别地，是约70%至约82%。
在一个实施方案中，通过在屋面基材例如屋面表面上至少使用一层喷涂聚氨酯泡沫，然后用弹性涂层涂覆喷涂的聚氨酯泡沫层来生产冷屋面系统50。然后，弹性涂层仍然湿润时，将煅烧的高岭土颗粒施用涂层上。
在一些实施方案中，如上述屋面系统中使用的煅烧高岭土颗粒可以包括涂层和/或表面处理剂。可以以包括控制灰尘的任何原因涂覆煅烧高岭土颗粒和/或处理它们的表面以提高和/或增加防水性以及防止各种污染。
可以使用各种化合物涂覆或处理根据本发明的各个实施方案的上述煅烧高岭土颗粒的表面。这些化合物包括但不限于以下化合物：硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、有机硅氧烷、硅酸盐、有机硅酸盐、硅树脂、丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、二醇醚和矿物油。表1提供典型的商购获得的涂料的目录和表面处理剂以及它们的一般性描述，可以将它们用于涂覆或处理煅烧高岭土颗粒或其它屋面颗粒的表面。另外，美国专利7,241,500、美国专利3,479,201、美国专利3,255,031和美国专利3,208,571中显示和描述了典型的涂料、表面处理剂以及涂覆和处理颗粒的方法，它们的全文以引用方式并入本文。
表1
*Stone Tech销售专业品牌
为了保持高日光反射率的煅烧高岭土颗粒，应该将涂料和/或表面处理剂施用煅烧高岭土颗粒上，使得涂料或表面处理剂不能明显地降低煅烧高岭土颗粒的反射率。例如，许多涂料和/或表面处理剂是密封剂或其它不会有害地影响煅烧高岭土颗粒的总日光反射率的透明涂料。在一个实施方案中，用不添加溶剂的硅烷和硅氧烷乳液处理煅烧高岭土颗粒。在另一个实施方案中，用SILRES BS3003处理煅烧高岭土颗粒。
可以使用本领域那些技术人员已知的各种方法和工艺将表面处理剂和/或涂料施用煅烧高岭土颗粒上。例如，在一个示例性的实施方案中，根据优选的筛号的尺寸粉碎原材料并且包装后，通过将颗粒添加到水溶液中用处理剂完全浸透所述颗粒处理所述颗粒，然后在不超过600°F的温度下立即干燥所述颗粒以赶走多余的水分。在另一个示例性的实施方案中，根据优选的筛号的尺寸粉碎原材料并且包装后，通过用水溶液喷涂所属颗粒后处理所述颗粒，然后在不超过600°F的温度下立即干燥所述颗粒以赶走多余的水分。在又一个示例性的实施方案中，根据优选的筛号的尺寸粉碎原材料后，通过用水溶液喷涂所述颗粒处理所述颗粒，然后在不超过600°F的温度下立即干燥炉干燥所述颗粒以赶走多余的水分，这个时间之后可以包装它们。在又一个涂覆和/或处理煅烧高岭土颗粒的表面的实施方案中，根据优选的筛号的尺寸粉碎原材料后，通过用水溶液喷涂处理所述颗粒，然后立即使所述颗粒通气以赶走多余的水分，这个时间之后可以包装所述颗粒。所述涂料和/或表面处理剂可以在输送（例如从架上下来）时或从稀释液中施加。稀释比例可以是1∶5至1∶200。可以由软化水制备水稀释液。
实施例
实施例1
处理的颗粒制备
用于实验测试的样品制备方法如下。将小的塑料或玻璃容器放置在数字天平上，并且天平归零。将大约1oz.（大约29.5ml或35克）的将要测试的处理溶液放入所述容器中。然后天平再归零。将100g煅烧高岭土屋面颗粒加入所述容器中。然后用盖子盖上所述容器。有力地摇动包含高岭土屋面颗粒和处理溶液的容器以确保处理剂完全覆盖所述颗粒。接下来，移走处理过的颗粒，并且在箔纸托盘上均匀地摊开。包含处理过的颗粒的托盘放进预热至80℃的烤箱中，并且整晚干燥处理过的颗粒。从烤箱中移走处理过的颗粒并且使它冷却几小时。冷却处理过的颗粒的目的是确保当产品的生产运行之前可以发现它们时，所述颗粒回到环境湿度或相等的湿度。
每一种不同颗粒和处理剂的简要说明出现在下面表2中。
表2
实施例2
反射率
使用D&S反射计，SSR-ER型号第6版（设备和服务公司，达拉斯，德克萨斯州）测定每个处理过的样品的反射率。使用反射计进行该测试，将大约100g处理过的样品放在样品接收盘上。使该样品平滑，以便盘中样品的表面大致水平。通过在每一个测量位置每一个循环测量1-2次，循环所述反射计。总共使用五个测量位置。测量位置代表罗盘上的四个点（北、南、东和西），在样品盘的中心进行第五个测量。一起平均五个测量位置的每个位置上的反射率读数以获得每个处理过的单独样品的平均反射率。下面表3中描述每个处理过的单独样品的平均反射率。
表3
  样品   反射率
  颗粒#1，处理剂#1   82.3%
  颗粒#1，处理剂#2   82.5%
  颗粒#1，处理剂#3   82.5%
  颗粒#1，处理剂#4   82.4%
  颗粒#1，未处理   83.9%
  颗粒#2，处理剂#1   82.5%
  颗粒#2，处理剂#2   83.2%
  颗粒#2，处理剂#3   83.4%
  颗粒#2，处理剂#4   83.7%
  颗粒#2，未处理   83.7%
实施例3
防水性测试
防水性是屋面颗粒行业中经常使用的质量控制测试。因为亲水颗粒可能出现难以粘附到沥青基基材上，所以具有疏水屋面颗粒是重要的。当将屋面颗粒施用沥青基基材上时，然后可以将水喷洒到热沥青上以冷却加热的基材。如果屋面颗粒是亲水的，水可能存在于所述颗粒和所述基材之间，因此阻碍颗粒粘附到沥青基基材上。
用根据上述方法的溶液处理防水性测试中使用的每一种颗粒，使得处理溶液的重量除以所述颗粒的重量是2重量%。使用0.67%稀释液处理用SILRES BS3003处理过的产品。通过称重45g去离子水加入容器中并且称重2.50g SILRES BS3003加入相同的容器中制备0.67%的稀释液。轻轻地旋转该混合物以形成稀释的乳液。然后将稀释的SILRES BS3003施用所述颗粒上。下面表4中提供每个样品的简要说明。
表4
  样品   涂料和/处理剂   颗粒
  a   SITREN 595   WA-11
  b   TEGO XP 5000   WA-11
  c   SYCOAT 235   WA-11
  d   SILRES BS 1001A   WA-11
  e   ACRYSHIELDA130   WA-11
  f   ACRYSHIELDA179-X628   WA-11
  g   EC 2540   WA-11
  h   KYNARR-10147   WA-11
i   SITREN 595   WA-14
  j   TEGO XP 5000   WA-14
  k   SILRES BS 1001A   WA-14
  l   SILRES BS3003   WA-14
  m   STLRES BS3003   WA-11
WA-11是德国Hirschgau的AKW提供的煅烧高岭土颗粒。WA-11的反射率是约80%至92%。WA-14是捷克共和国的的Sedlecky Kaolin提供的煅烧高岭土颗粒。WA-14的反射率是约80%至92%。
通过将三滴滴眼管中的蒸馏水放到一堆25g的处理过的屋面颗粒上测试防水性。将该液滴放到一堆颗粒的中心形成的凹地中。以水滴散开并且沉落通过颗粒所用的时间的量进行测试。较长的时间显示较好的疏水性。下面表5描述每个处理过的样品的防水性测试结果。
表5
  样品   吸收水的时间
  a   >120分钟
  b   >120分钟
  c   <1分钟
d   >120分钟
  e   <1分钟
  f   <45分钟
  g   <10分钟
  h   <1分钟
i   >120分钟
  j   >120分钟
  k   >120分钟
  L   >120分钟
  m   >120分钟
用SITREN 595、TEGO XP 5000和SILRES BS 1001A处理过的样品显示更有利的防水性测试结果。用SILRES BS3003处理过的样品产生更好的结果。
实施例4
4天污染测试
4天污染测试是屋面颗粒行业中经常使用的另一种质量控制测试。4天污染测试是对屋面颗粒吸收沥青基基材中的沥青型原油的趋势的加速测试。用根据上述的溶液处理4天污染测试中使用的每种颗粒，使得所述溶液的重量除以所述颗粒的重量是2重量%。下面表6中提供产生使用4天污染测试评估所使用的每种样品所使用的每种不同的颗粒、处理剂和沥青类型的简要说明。
表6
将用于每种样品的处理过的颗粒嵌入已加热到约200℃的沥青中。然后在85℃下将嵌入的颗粒在烤箱的托盘上放置96小时（4天）。将托盘从烤箱中移走，使得包括嵌入的颗粒的沥青冷却至室温。然后用8X放大器/放大镜评估所述颗粒的污染。在合格/不合格的基础上评价污染值，然后根据相对污染排列。下面表7提供4天污染测试的结果。
表7
  样品   说明  合格/不合格
  A1   颗粒#1，处理剂#1，沥青#1   不合格
  A2   颗粒#1，处理剂#1，沥青#2   合格
  B1   颗粒#2，处理剂#1，沥青#1   不合格
  B2   颗粒#2，处理剂#1，沥青#2   合格
  C1   颗粒#1，处理剂#2，沥青#1   不合格
  C2   颗粒#1，处理剂#2，沥青#2   不合格
  D1   颗粒#2，处理剂#2，沥青#1   不合格
  D2   颗粒#2，处理剂#2，沥青#2   合格
  E1   颗粒#1，处理剂#3，沥青#1   不合格
  E2   颗粒#1，处理剂#3，沥青#2   合格
  F1   颗粒#2，处理剂#3，沥青#1   不合格
  F2   颗粒#2，处理剂#3，沥青#2   合格
  G1   颗粒#1，未处理，沥青#1   不合格
  G2   颗粒#1，未处理，沥青#2   不合格
  H1   颗粒#2，未处理，沥青#1   不合格
  H2   颗粒#2，未处理，沥青#2   不合格
  I1   颗粒#1，处理剂#4，沥青#1   不合格
  I2   颗粒#1，处理剂#4，沥青#2   合格
  J1   颗粒#2，处理剂#4，沥青#1   不合格
  J2   颗粒#2，处理剂#4，沥青#2   合格
用SITREN 595、SILRES BS1001A和SILRES BS3003处理过的样品显示最有利的测试结果。特别地，用SILRES BS3003处理过的样品显示明显较少的污染。
实施例5
附着力测试
拔出测试是屋面颗粒行业中使用的实际测试，用来预测屋面颗粒与沥青的粘合特性。
颗粒的制备（筛选）
下面步骤中使用标准#11粒度分布。
沥青的制备
将沥青加热到约200℃。将液体沥青倒入铝制托盘中，使得正好涂覆整个表面。这要求每个样品约5g沥青。
拔出测试
在小烤盘上将沥青再加热到约200℃，直至所述沥青熔融。将约25g颗粒散播到整个表面上，直至覆盖整个沥青表面。当所述沥青仍然温暖时，将所述颗粒压入沥青中，因为它们将处于生产环境中。由于能够发生快速冷却，所以将所述样品在80℃的烤箱中放置4天，之后允许它们完全冷却至室温/环境温度。
将所述颗粒从冷却的沥青中挑出来。只检查那些很好地嵌入的颗粒。用8x放大器/放大镜检查挑出来的颗粒以估计粘附到它上面的沥青的量。在两个不同的元件上测试颗粒附着力。第一个元件是粘着失败是否是由于沥青的粘附或粘着失败。第二个元件是粘合强度的排列判断，最佳/平均/差。最佳排列需要协调的努力以移走颗粒。平均排列将与目前市场上大部分颗粒状产品的颗粒附着力对比。最差排列是需要较小努力以移走所述颗粒的证据。表8中描述拔出测试的结果。
表8
在不脱离本发明的精神下，可以对详述的示例性实施方案进行各种修改和补充。例如，当上述实施方案提到特定特征时，本发明的范围也包括具有特征的不同结合的实施方案和不包括上述所有特征的实施方案。

Claims (14)

1.冷屋面系统，包含：
至少一层沥青层；和
至少一层颗粒层，所述颗粒层直接粘附于所述沥青层的顶面并包含大量日光反射率80％至92％和粒径0.3mm至2.4mm的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒；
其中所述高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒用为透明涂料的表面处理剂进行表面处理，以增加该高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒的防水性以及防止沥青污染；以及
其中当将表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒以通常用于屋面材料的比例施用于沥青层时，该表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒基本完全覆盖沥青层的表面，导致冷屋面系统具有70％或更高的最小日光反射率。
2.根据权利要求1的冷屋面系统，其中所述冷屋面系统的日光反射率是70％至82％。
3.根据权利要求1的冷屋面系统，其中所述表面处理剂选自硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、硅酸盐、硅树脂、丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、二醇醚和它们的混合物。
4.根据权利要求3的冷屋面系统，其中所述硅氧烷为有机硅氧烷，所述硅酸盐为有机硅酸盐。
5.根据权利要求1的冷屋面系统，其中所述表面处理剂包括包含硅烷和硅氧烷的无溶剂乳液。
6.根据权利要求3的冷屋面系统，其中所述表面处理剂选自丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、二醇醚和它们的混合物。
7.冷屋面系统，包含：
屋面基材；
至少一层施用于屋面基材上的喷涂聚氨酯泡沫层；
施用于喷涂聚氨酯泡沫层上并与之粘附的弹性涂层；和
直接粘附于弹性涂层的上表面的颗粒层；
其中所述颗粒层包含大量日光反射率80％至92％和粒径0.3mm至2.4mm的表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒；
其中所述表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒用为透明涂料的表面处理剂进行表面处理以增加防水性；以及
其中当将表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒以通常用于屋面材料的比例施用于弹性涂层时，该表面处理的高反射率、亮白色粉碎的煅烧高岭土颗粒导致冷屋面系统具有至少70％的最小日光反射率。
8.根据权利要求7的冷屋面系统，其中喷涂的聚氨酯泡沫层的厚度是1英寸至3英寸。
9.根据权利要求7的冷屋面系统，其中所述冷屋面系统的日光反射率是70％至82％。
10.根据权利要求7的冷屋面系统，其中所述弹性涂层包含丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯或有机硅的任一种。
11.根据权利要求7的冷屋面系统，其中所述表面处理剂选自硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、硅酸盐、硅树脂、丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、二醇醚和它们的混合物。
12.根据权利要求11的冷屋面系统，其中所述硅氧烷为有机硅氧烷，所述硅酸盐为有机硅酸盐。
13.根据权利要求11的冷屋面系统，其中所述表面处理剂包含硅烷和硅氧烷的乳液。
14.根据权利要求11的冷屋面系统，其中所述表面处理剂选自丙烯酸类树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、二醇醚和它们的混合物。
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