CN109153609A - 粒料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供多个粒料，该多个粒料包含与无机粘结剂粘合在一起的粒状硅酸盐材料，无机粘结剂包含至少碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物，其中硬化剂是磷酸铝、无定形铝硅酸盐、氟硅酸盐、波特兰水泥或硅酸钙中的至少一种，其中基于相应粒料的总重量计，粒状硅酸盐材料占每个粒料的至少50重量％，其中基于相应粒料的总体积计，每个粒料具有在大于0体积％至50体积％范围内的总孔隙率，并且其中粒料具有在浸入水中之前至少70和在浸入20℃±2℃的水中两个月之后至少40的滚动韧性值。粒料可用作例如屋顶粒料。

Description

粒料
相关申请的交叉引用
本申请要求均于2016年5月16日提交的美国临时专利申请62/336995和62/336988的权益，这些临时专利申请的公开内容全部以引用方式并入本文。
背景技术
常规的屋顶粒料由涂覆有至少一层含颜料的涂层的英安岩、霞石正长岩、流纹岩、安山岩等的核心基岩组成。典型的涂层由与生粘土混合的硅酸钠和着色氧化物构成。作为常规涂覆的基岩粒料的替代物，本发明描述了衍生自细矿物质粉末的合成的低至中等成本的屋顶粒料(例如，与常规屋顶粒料技术相关联的废细粒)。
发明内容
在一个方面，本公开描述了包含粒状硅酸盐材料的多个粒料，其中粒料与无机(即，非有机)粘结剂粘合在一起，无机粘结剂包含至少碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物(在一些实施方案中，还包含碱金属硅酸盐本身)，其中硬化剂是磷酸铝、无定形铝硅酸盐、氟硅酸盐、波特兰水泥或硅酸钙中的至少一种，其中基于相应粒料的总重量计，粒状硅酸盐材料占每个粒料的至少50重量％(在一些实施方案中，至少55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％或甚至至少85重量％；在一些实施方案中，在50重量％至85重量％、或甚至60重量％至85重量％范围内)，其中基于相应粒料的总体积计，每个粒料具有在大于0体积％至50体积％范围内(在一些实施方案中，在5体积％至50体积％、或甚至20体积％至40体积％范围内)的总孔隙率，并且其中粒料具有在浸入水中之前至少70(在一些实施方案中，至少75、80、90、95、96、97、98或甚至至少99)和浸入20℃±2℃的水中两个月之后至少40(在一些实施方案中，至少45、50、55、60、65、70、75、80、85或甚至至少90)的滚动韧性值。
在一些实施方案中，基于相应粒料的总重量计，每个粒料总共包含总共至少80重量％(在一些实施方案中，至少85重量％、90重量％或甚至至少95重量％；在一些实施方案中，在80重量％至95重量％范围内)的粒状硅酸盐材料以及碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物。在一些实施方案中，基于相应粒料的总重量计，每个粒料总共包含总共至少80重量％(在一些实施方案中，至少85重量％、90重量％或甚至至少95重量％；在一些实施方案中，在80重量％至95重量％范围内)的粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐以及碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物。
在本申请中：
“无定形”是指缺少任何长程晶体结构的材料，如通过实施例中描述的X射线衍射技术测定；
“功能性添加剂”是指当以不大于10重量％的粒料的量存在时，基本上改变粒料的至少一种特性(例如，耐久性和耐候性)的材料；
“玻璃”是指表现出玻璃化转变温度的无定形材料；
“硬化剂”是指引发和/或增强硅酸盐水溶液硬化的材料；硬化意味着溶解的二氧化硅缩聚成新相的三维Si-O-Si(Al,P)键网络和/或结晶；在一些实施方案中，粒料包含过量的硬化剂；
“矿物质”是指天然存在的固体无机材料；并且
“部分结晶的”是指含有以长程有序为特征的材料级分的材料。
在另一方面，本公开描述了制备本文所述的多个粒料，该方法包括：
固化包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体以提供固化的材料；以及
压碎固化的材料以提供粒料。
在另一方面，本公开描述了一种制备本文所述的多个粒料的方法，该方法包括：
混合包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的材料，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化附聚物以提供粒料。
在另一方面，本公开描述了一种制备本文所述的多个粒料的方法，该方法包括：
喷雾干燥包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐和硬化剂的水分散体，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体、硬化剂的附聚物；以及
固化附聚物以提供粒料。
在另一方面，本公开描述了一种制备本文所述的多个粒料的方法，该方法包括：
在包括多个腔的工具中提供水分散体，水分散体包含粒状硅酸盐材料和碱金属硅酸盐前体；以及
在工具中固化水分散体以提供粒料。
本文所述的粒料可用作例如屋顶粒料。
本文所述的粒料的实施方案的优点可包括与常规屋顶粒料相比增强的日光反射、密度控制和尺寸/形状控制。
附图说明
该图是EX2材料的光学图像。
具体实施方式
合适的碱金属硅酸盐包括硅酸铯、硅酸锂、硅酸钾或硅酸钠。示例性的碱金属硅酸盐可商购获得，例如来自宾夕法尼亚州马尔文的PQ公司(PQ Corporation,Malvern,PA)。在一些实施方案中，无机粘结剂还包含无定形铝硅酸盐硬化剂的反应产物。
在一些实施方案中，硬化剂是磷酸铝、无定形铝硅酸盐、氟硅酸盐、波特兰水泥或硅酸钙中的至少一种。在一些实施方案中，硬化剂还可包括硼酸锌。在一些实施方案中，硬化剂是无定形的。示例性硬化剂是可商购获得的，例如来自德国布登海姆的布登海姆公司(Budenheim Inc.,Budenheim,Germany)和德克萨斯州休斯顿的索尔维氟化物有限公司(Solvay Fluorides,LLC,Houston,TX)。
在一些实施方案中，基于相应粒料的总重量计，无机粘结剂占每个粒料的至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％或45重量％，或甚至至多50重量％(在一些实施方案中，在5重量％至50重量％、10重量％至50重量％、或甚至25重量％至50重量％范围内)。在一些实施方案中，碱金属硅酸盐与硬化剂的比率在20:1至2:1的范围内。
在一些实施方案中，粒状硅酸盐材料包括网状硅酸盐矿物质(例如，钠长石、正长石、微斜长石等)或页状硅酸盐矿物质(例如，高岭石、埃洛石、蒙脱土等)中的至少一种。示例性粒状硅酸盐材料可以通过本领域已知的技术获得和/或得自商业来源，诸如加利福尼亚州艾奥尼的艾奥尼矿物质公司(Ione Minerals,Ione,CA)和佛罗里达州昆西的活性矿物质有限公司(Active Minerals Int.,LLC,Quincy,FL)。
在一些实施方案中，粒料包含陶瓷颗粒，其中基于相应粒料的粒料的总重量计，在理论氧化物基础上，每个粒料的陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的TiO2。在一些实施方案中，基于相应粒料的粒料的总重量计，每个粒料的陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的纯TiO2。在一些实施方案中，基于相应粒料的粒料的总重量计，每个粒料的陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的纯Al2O3。
在一些实施方案中，粒状硅酸盐材料具有在200纳米至200微米、200纳米至100微米、250纳米至50微米、500nm至2微米、2微米至5微米、或甚至5微米至20微米范围内的平均颗粒尺寸。在一些实施方案中，粒状硅酸盐材料具有连续或双峰分布的尺寸。在一些实施方案中，粒状硅酸盐材料可以具有宽分布的颗粒尺寸，而在其它情况下，它可以具有窄分布的颗粒尺寸。
在一些实施方案中，粒状硅酸盐材料各自具有最长尺寸，其中粒料各自具有最长尺寸，并且其中给定粒料的每个陶瓷颗粒的最长尺寸不大于所述给定粒料的直径的20％(在一些实施方案中，不大于25％)。
在一些实施方案中，粒料还包含功能性添加剂(例如，流变改性剂、耐久性改性剂和助熔剂)、有机粘结剂或颜料中的至少一种。示例性流变改性剂包括表面活性剂，其购自例如德国格雷茨里德的毕克助剂和仪器公司(BYK Additives&Instruments,Geretsried,Germany)。示例性耐久性改性剂包括纳米二氧化硅，热解(“煅制”)二氧化硅和二氧化硅烟雾，其购自例如德国埃森市的赢创工业集团(Evonik Industries,Essen,Germany)。
示例性助熔剂包括硼砂，其购自例如加利福尼亚州博龙的力拓矿业集团(RioTinto Minerals,Boron,CA)。示例性有机粘结剂包括糊精和羧甲基纤维素，其购自例如密歇根州密德兰的陶氏化学公司(Dow Chemical Company,Midland,MI)。示例性颜料包括以商品名“10415 GOLDEN YELLOW”、“10411 GOLDEN YELLOW”、“10364 BROWN”、“10201ECLIPSE BLACK”、“V-780 IR BRN BLACK”、“10241 FOREST GREEN”、“V-9248 BLUE”、“V-9250 BRIGHT BLUE”和“F-5686 TURQUOISE”购自俄亥俄州梅菲尔德海茨的福禄公司(FerroCorporation,Mayfield Heights,OH)的那些。
本文所述的粒料的实施方案可通过各种方法制备。例如，一种方法包括：
固化包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体以提供固化的材料；以及
压碎固化的材料以提供粒料。
可以使用本领域已知的技术制备分散体。在一些实施方案中，基于水分散体的总重量计，水以至多75重量％(在一些实施方案中，至多70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％；在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于水分散体中。
水分散体可通过本领域已知的技术固化，包括在烘箱中加热分散体。在一些实施方案中，固化至少部分地在40℃至500℃、50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。一个或多个加热速率和一个或多个温度的选择可能受到正固化材料的组成和/或尺寸的影响。
用于压碎和筛分固化的材料以提供所需粒料的尺寸和颗粒尺寸分布的技术是本领域已知的。
第二方法包括：
混合包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的材料，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化附聚物以提供粒料。
可以使用本领域已知的技术将材料混合以使材料附聚。通常，(周期性地或连续地)引入液体诸如水以帮助使材料附聚。
在一些实施方案中，材料是水分散体，其可以使用本领域已知的技术制备。在一些实施方案中，基于水分散体的总重量计，水以至多75重量％、70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％(在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在。
可以通过本领域已知的技术固化，包括在烘箱中加热待固化的材料。在一些实施方案中，固化至少部分地在40℃至500℃、50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。一个或多个加热速率和一个或多个温度的选择可能受到正固化材料的组成和/或尺寸的影响。
第三方法包括：
喷雾干燥包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化附聚物以提供粒料。
可以使用本领域已知的技术制备分散体。在一些实施方案中，基于水分散体的总重量计，水以至多75重量％、70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％(在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于水分散体中。
可以通过本领域已知的技术固化附聚物，包括在间歇式烘箱或连续旋转炉中固化。在一些实施方案中，固化至少部分地在40℃至500℃、50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。一个或多个加热速率和一个或多个温度的选择可能受到正固化材料的组成和/或尺寸的影响。
第四方法包括：
在包括多个腔的工具中提供水分散体，水分散体包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂；以及
在工具中固化水分散体以提供粒料。
可以使用本领域已知的技术制备分散体。在一些实施方案中，基于水分散体的总重量计，水以至多75重量％、70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％(在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于水分散体中。
工具可以是具有至少一个模腔，更通常地多个腔的模具。腔可被构造成具有所需的三维形状。在一个示例性实施方案中，腔的形状可被描述为从顶部观察的三角形。其它示例性的腔形状包括圆形、矩形、正方形、六边形、星形等，以提供形状，诸如立方体、截头立方体、棱锥、截棱锥、三角形、四面体、球体、半球体、锥体以及它们的组合。这些形状通常具有基本上均匀的深度尺寸。此类模具可以使用本领域已知的技术制备，包括美国专利8,142,531(Adefris等人)中报道的那些，其公开内容以引用方式并入本文。
可以使用本领域已知的技术固化，包括在烘箱中在腔中加热工具与分散体。在一些实施方案中，固化至少部分地在40℃至500℃、50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。一个或多个加热速率和一个或多个温度的选择可能受到正固化材料的组成和/或尺寸的影响。
在一些实施方案中，粒料具有在25微米至5毫米、50微米至1毫米、100微米至500微米、200微米至500微米；500微米至2毫米；或甚至2毫米至5毫米范围内的颗粒尺寸。
在一些实施方案中，无机粘结剂是无定形的。在一些实施方案中，无机粘结剂是部分结晶的。
在一些实施方案中，粒料具有在0.5g/cm3至3g/cm3范围内的密度。
在一些实施方案中，粒料具有固化时的外表面(即，粒料具有制成的表面，而不是通过压碎获得的粒料)。
粒料可以是多种形状中的任一种，包括立方体、截头立方体、棱锥、截棱锥、三角形、四面体、球体、半球体和锥体。在一些实施方案中，粒料可具有由厚度分开的第一面和第二面。在一些实施方案中，此类粒料还包括直壁或倾斜壁中的至少一种。
在一些实施方案中，本文所述的粒料具有在浸入20℃±2℃的水中两个月之后至少40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或甚至至少90的滚动韧性值。
在一些实施方案中，粒料具有不大于15(在一些实施方案中，不大于10、5、4、3、2、1或甚至不大于0.5)的染色值(如通过实施例中描述的染色值测试测定)。
本文所述的粒料可用作例如屋顶粒料。例如，本文所述的粒料可用于制备包含基材和其上的粒料的屋顶材料。本文所述的粒料的实施方案的优点可包括与常规屋顶粒料相比增强的日光反射、密度控制和尺寸/形状控制。
示例性实施方案
1A.多个粒料，所述多个粒料包含与无机粘结剂粘合在一起的粒状硅酸盐材料，所述无机粘结剂包含至少碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物(在一些实施方案中，还包含碱金属硅酸盐本身)，其中所述硬化剂是磷酸铝、无定形铝硅酸盐、氟硅酸盐、波特兰水泥或硅酸钙中的至少一种，其中基于相应粒料的总重量计，所述粒状硅酸盐材料占每个粒料的至少50重量％(在一些实施方案中，至少55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％或甚至至少85重量％；在一些实施方案中，在50重量％至85重量％、或甚至60重量％至85重量％范围内)，其中基于所述相应粒料的总体积计，每个粒料具有在大于0体积％至50体积％范围内(在一些实施方案中，在5体积％至50体积％、或甚至20体积％至40体积％范围内)的总孔隙率，并且其中所述粒料具有在浸入水中之前至少70(在一些实施方案中，至少75、80、90、95、96、97、98或甚至至少99)和在浸入20℃±2℃的水中两个月之后至少40(在一些实施方案中，至少45、50、55、60、65、70、75、80、85或甚至至少90)的滚动韧性值。
2A.根据示例性实施方案1A所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的总重量计，每个粒料总共包含总共至少80重量％(在一些实施方案中，至少85重量％、90重量％或甚至至少95重量％；在一些实施方案中，在80重量％至95重量％范围内)的所述粒状硅酸盐材料以及所述碱金属硅酸盐和所述硬化剂的反应产物。
3A.根据示例性实施方案1A所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的总重量计，每个粒料总共包含总共至少80重量％(在一些实施方案中，至少85重量％、90重量％或甚至至少95重量％；在一些实施方案中，在80重量％至95重量％范围内)的所述粒状硅酸盐材料、所述碱金属硅酸盐以及所述碱金属硅酸盐和所述硬化剂的反应产物。
4A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐颗粒各自具有最长尺寸，其中所述粒料各自具有最长尺寸，并且其中给定粒料的每个陶瓷颗粒的最长尺寸不大于所述给定粒料的直径的20％(在一些实施方案中，不大于25％)。
5A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，所述多个粒料还包含附加陶瓷颗粒，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，每个粒料的所述陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的纯TiO2。
6A.根据示例性实施方案1A至3A中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，在理论氧化物基础上，每个粒料的所述陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的TiO2。
7A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，每个粒料的所述陶瓷颗粒包含不超过10重量％(在一些实施方案中，不大于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％、1重量％或甚至0重量％)的纯Al2O3。
8A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料在浸入20℃±2℃的水中两个月之后具有至少40(在一些实施方案中，45、50、55、60、65、70、75、80、85或甚至至少90)的滚动韧性值。
9A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的总重量计，所述粘结剂占每个粒料的至少5重量％(在一些实施方案中，至少10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％或甚至至多50重量％；在一些实施方案中，在5重量％至50重量％、10重量％至50重量％、或甚至25重量％至50重量％范围内)。
10A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料具有在25微米至5毫米(在一些实施方案中，50微米至1毫米、100微米至500微米、200微米至500微米；500微米至2毫米；或甚至2毫米至5毫米)范围内的颗粒尺寸。
11A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料具有在200纳米至200微米(在一些实施方案中，200纳米至100微米、250纳米至50微米、500纳米至2微米、2微米至5微米、或甚至5微米至20微米)范围内的平均颗粒尺寸。
12A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料具有双峰分布的尺寸。
13A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粘结剂是无定形的。
14A.根据示例性实施方案1A至12A中任一项所述的多个粒料，其中所述粘结剂是部分结晶的。
15A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述碱金属硅酸盐是硅酸铯、硅酸锂、硅酸钾或硅酸钠中的至少一种。
16A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述硬化剂是无定形的。
17A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料包括氢氧化铝、金属氧化物或准金属氧化物(例如，二氧化硅(例如，方晶石、石英等)、铝酸盐(例如，氧化铝、莫来石等)、钛酸盐(例如，二氧化钛)或氧化锆)、钠钙硅玻璃、硼硅酸盐玻璃、瓷或大理石中的至少一种。
18A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料包括网状硅酸盐矿物质(例如，钠长石、正长石、微斜长石等)或页状硅酸盐矿物质(例如，高岭石、埃洛石、蒙脱土等)中的至少一种。
19A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料包括矿物质。
20A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料还包含功能性添加剂(例如，流变改性剂(例如，表面活性剂)、耐久性改性剂(例如，纳米二氧化硅)和助熔剂)、有机粘结剂或颜料中的至少一种。
21A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中每个相应粒料具有在0.5g/cm3至2.5g/cm3范围内的密度。
22A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料具有固化时的外表面。
23A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料为以下形状中的至少一种：立方体、截头立方体、棱锥、截棱锥、三角形、四面体、球体、半球体或锥体。
24A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中每个粒料具有由厚度分开的第一面和第二面。
25A.根据示例性实施方案24A所述的多个粒料，其中至少一些粒料还包括直壁或倾斜壁中的至少一种。
26A.根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料具有不大于15(在一些实施方案中，不大于10、5、4、3、2、1或甚至不大于0.5)的染色值。
27A.一种屋顶，所述屋顶包含前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料。
1B.一种制备根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
固化包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体以提供固化的材料；以及
压碎所述固化的材料以提供所述粒料。
2B.根据示例性实施方案1B所述的方法，其中所述固化至少部分地在40℃至500℃范围内(在一些实施方案中，在50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内)的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。
3B.根据前述B示例性实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述水分散体的总重量计，水以至多75重量％(在一些实施方案中，至多70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％；在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于所述水分散体中。
1C.一种制备根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
混合包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的材料，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化所述附聚物以提供所述粒料。
2C.根据示例性实施方案1C所述的方法，其中所述材料是水分散体。
3C.根据前述C示例性实施方案中任一项所述的方法，其中在混合期间将水加入到所述材料。
4C.根据前述C示例性实施方案中任一项所述的方法，其中所述固化至少部分地在40℃至500℃范围内(在一些实施方案中，在50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内)的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。
5C.根据前述C示例性实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述水分散体的总重量计，水以至多75重量％(在一些实施方案中，至多70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％；在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在。
1D.一种制备根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
喷雾干燥包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化所述附聚物以提供所述粒料。
2D.根据示例性实施方案1D所述的方法，其中所述固化至少部分地在40℃至500℃范围内(在一些实施方案中，在50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内)的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。
3D.根据前述D示例性实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述水分散体的总重量计，水以至多75重量％(在一些实施方案中，至多70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％；在一些实施方案中，在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于所述水分散体中。
1E.一种制备根据前述A示例性实施方案中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
在包括多个腔的工具中提供水分散体，所述水分散体包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体、硬化剂；以及
在工具中固化所述水分散体以提供所述粒料。
2E.根据示例性实施方案1E所述的方法，其中所述固化至少部分地在40℃至500℃范围内(在一些实施方案中，在50℃至450℃、50℃至350℃、50℃至250℃、50℃至200℃、50℃至150℃、50℃至100℃、或甚至50℃至80℃范围内)的温度下进行。在一些实施方案中，固化分两个阶段进行。例如，第一固化阶段至少部分地在20℃至100℃范围内的温度下，并且第二最终固化阶段至少部分地在200℃至500℃范围内的温度下。在一些实施方案中，每个阶段的加热速率为在5℃/min至50℃/min范围内的一个或多个速率。
3E.根据前述E示例性实施方案中任一项所述的方法，其中基于所述水分散体的总重量计，水以至多75重量％(在一些实施方案中，至多70重量％、65重量％、60重量％、55重量％、50重量％、45重量％、40重量％、35重量％、30重量％、25重量％、20重量％或甚至至多15重量％；在15重量％至75重量％、15重量％至50重量％、或甚至15重量％至35重量％范围内)存在于所述水分散体中。
以下实施例进一步说明了本发明的优点和实施方案，但是这些实施例中所提到的具体材料及其量以及其它条件和细节均不应被解释为是对本发明的不当限制。除非另外指明，否则所有份数和百分比均按重量计。
实施例
材料
表1
方法
用于制备粒料的一般方法I
粒料通常如下制备，在下面的实施例中提供了进一步的细节：首先，通过球磨将矿物质填料和硬化剂匀化。接下来，将匀化的干燥部分与液体部分合并，并且以1000rpm搅拌15分钟。将浆料浇铸成三角形模腔，其深度为0.42mm，每侧为1.693mm，具有98度的拔模角。将浇铸的粒料经受两阶段固化。
用于制备粒料的一般方法II
在滚筒附聚器(Eirich混合器，得自德国哈德海姆的爱立许机械制造有限公司(Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH&Co.,Hardheim,Germany))中形成粒料。将包含液体硅酸钠的液体部分和匀化的干燥部分合并在附聚器中。如“制备粒料的一般方法I”中所述，固化所得的坯粒料。固化之后，将粒料过筛并保留600微米至1000微米的级分。
用于测定粒料滚动韧性的方法
使用来自沥青屋顶制造商协会(ARMA)粒料测试程序手册，ARMA表格号441-REG-96(Asphalt Roofing Manufacturers Association(ARMA)Granule Test ProceduresManual,ARMA Form No.441-REG-96)(其公开内容以引用方式并入本文)的耐磨性测试屋顶程序(Abrasion Resistance Test Roofing Procedure)，在浸入水中2个月之前和之后测定粒料滚动韧性值(重量％)。更具体地，将125克样品置于振筛机(以商品名“RX-29RO-TAP”得自(俄亥俄州蒙特尔的W.S.泰勒工业集团(W.S.Tyler Industrial Group,Mentor,OH))上并搅拌10分钟以确保完全除去比对应于粒料分布的最小级分的原始直径的目(100目)更细的材料。称取100克的粒料并将它们置于5.1厘米(2英寸)直径的管道测试仪内。通过将管道末端旋转100次，控制旋转速率，使得粒料干净地下落而不会滑动来旋转管道。在测试结束时，拧下顶盖，翻转管道，将内容物倒入筛子中，并且将盘子置于振筛机(“RO-TAP”)中并运行5分钟。
浸入20℃±2℃的水中之前和之后的滚动韧性值报告为筛网上剩余材料的重量百分比，该剩余材料具有对应于粒料分布的最小级分的原始直径的目(100目)。
用于耐污染性测试的方法
四天的染色测试是屋顶粒料在基于沥青的基材中吸附沥青油的倾向的加速量度，该测试是根据2010年8月12日公开的PCT公布WO2010/091326 A2(其公开内容以引用方式并入本文)所述的程序进行的。更具体地，将每个样品的粒料部分嵌入已加热至180℃的沥青中。将部分嵌入的粒料置于80℃的烘箱中的托盘上96小时(4天)。将托盘从烘箱中移除，并且允许沥青冷却至室温。
然后在色度计(以商品名“LABSCAN”得自弗吉尼亚州雷斯顿的亨特立公司(HunterLab,Reston,VA))下测量沥青基材上的粒料的染色并计算染色值。通过未暴露的和4天热暴露的粒料以CIELAB(L*a*b*)单位进行度量的总颜色变化ΔE来测量染色。染色值＝ΔE*＝[(L*4天-L*0天)2+(a*4天-a*0天)2+(b*4天-b*0天)2]1/2。较高的染色值代表较大的不希望的颜色变化。
用于测定相组成和结晶度的方法
使用x射线衍射仪(以商品名“RIGAKU MINI FLEXII”得自得克萨斯州林地社区的理学美国公司(Rigaku Americas,The Woodlands,TX))以CuKα辐射在20至80的2θ范围内，通过x射线衍射(XRD)研究晶体结构和相变。使用相对强度比(RIR)方法，通过半定量X射线衍射分析测定材料的相组成。
用于测定孔隙率的方法
通过N2吸附测定布鲁诺尔(Brunauer)、埃米特(Emmett)和泰勒(Teller)(BET)表面积和总孔体积。更具体地，使用气体吸附分析仪(以商品名“MICROMERITICS”；型号ASAP-2020得自佐治亚州诺克罗斯的麦克默瑞提克仪器公司(Micromeritics Instruments,Norcross,GA))，在77°K下通过N2吸附来表征样品。每个样本在573°K下脱气24小时以除去表面上可能存在的任何水分或吸附的污染物。平均孔径Dp由Dp＝4Vt/S计算，其中Vt为孔的总体积，并且S为BET表面积。
实施例1至3(EX1至EX3)和比较例A(CE-A)
如“用于制备粒料的一般方法I”中所述制备EX1和EX2。如“用于制备粒料II的一般方法II”中所述制备EX3。EX1至EX3中的每一个的组成和加工参数汇总在下表2中。
表2
CE-A是商业屋顶粒料，以商品名“COOL WHITE 9380”得自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN)。
该图是EX2材料的光学图像。使用用于测定粒料滚动韧性的方法、用于耐污染性测试的方法、粉末X射线衍射方法以及布鲁诺尔(Brunauer)、埃米特(Emmett)和泰勒(Teller)(BET)方法来表征EX1至EX3样品。结果汇总在以下表3和表4中。
表3
相 PDF号 RIR 相浓度，重量％
石英(SiO<sub>2</sub>) 00-046-1045 3.41 18-29
钠长石(NaAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>) 00-041-1480 1.06 66-74
正长石(KAlSi<sub>3</sub>O<sub>8</sub>) 01-071-1540 0.74 6-11
金云母-1M([K(Mg,Fe)<sub>3</sub>(Al,Fe)Si<sub>3</sub>O<sub>10</sub>(OH,F)<sub>2</sub>]) 00-042-1437 3.40 0.5-10
斜绿泥石-1MIIb(Mg,Al,Fe)<sub>6</sub>(Si,Al)<sub>4</sub>O<sub>10</sub>(OH)<sub>6</sub>) 00-029-0701 3.00 0.5-5
表4
X射线衍射(XRD)图案(未示出)显示最终产物中没有新的结晶相，并且仅记录了对应于用作填料的矿物质粉末的组分的相。表3汇总了矿物质粉末的相组成、RIR值和(粉末衍射文件)PDF数。
在不脱离本公开的范围和实质的情况下，本公开的可预知的变型和更改对本领域的技术人员来说将显而易见。本发明不应受限于本申请中为了说明目的所示出的实施方案。

Claims (21)

1.多个粒料，所述多个粒料包含与无机粘结剂粘合在一起的粒状硅酸盐材料，所述无机粘结剂包含至少碱金属硅酸盐和硬化剂的反应产物，其中所述硬化剂是磷酸铝、无定形铝硅酸盐、氟硅酸盐、波特兰水泥或硅酸钙中的至少一种，其中基于相应粒料的总重量计，所述粒状硅酸盐材料占每个粒料的至少50重量％，其中基于所述相应粒料的总体积计，每个粒料具有在大于0体积％至50体积％范围内的总孔隙率，并且其中所述粒料具有在浸入水中之前至少70和在浸入20℃±2℃的水中两个月之后至少40的滚动韧性值。
2.根据权利要求1所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的总重量计，每个粒料总共包含总共至少80重量％的所述粒状硅酸盐材料、所述碱金属硅酸盐和所述硬化剂。
3.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐颗粒各自具有最长尺寸，其中所述粒料各自具有最长尺寸，并且其中给定粒料的每个硅酸盐颗粒的最长尺寸不大于所述给定粒料的直径的20％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，每个粒料的陶瓷颗粒包含不超过10重量％的纯TiO2。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，在理论氧化物基础上，每个粒料的所述陶瓷颗粒包含不超过10重量％的TiO2。
6.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的所述粒料的总重量计，每个粒料的所述陶瓷颗粒包含不超过10重量％的纯Al2O3。
7.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中基于所述相应粒料的总重量计，所述粘结剂占每个粒料的至少5重量％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料具有在25微米至5毫米范围内的颗粒尺寸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料具有在200纳米至200微米范围内的颗粒尺寸。
10.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粘结剂是无定形的。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的多个粒料，其中所述粘结剂是部分结晶的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述碱金属硅酸盐是硅酸铯、硅酸锂、硅酸钾或硅酸钠中的至少一种。
13.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述硬化剂是无定形的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料包括网状硅酸盐矿物质或页状硅酸盐矿物质中的至少一种。
15.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒状硅酸盐材料包括矿物质。
16.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料还包含功能性添加剂、有机粘结剂或颜料中的至少一种。
17.根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料，其中所述粒料具有不大于15的染色值。
18.一种制备根据前述权利要求中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
固化包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体以提供固化的材料；以及
压碎所述固化的材料以提供所述粒料。
19.一种制备根据权利要求1至17中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
混合包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的材料，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化所述附聚物以提供所述粒料。
20.一种制备根据权利要求1至17中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
喷雾干燥包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的水分散体，以提供包含粒状硅酸盐材料、碱金属硅酸盐前体和硬化剂的附聚物；以及
固化所述附聚物以提供所述粒料。
21.一种制备根据权利要求1至17中任一项所述的多个粒料的方法，所述方法包括：
在包括多个腔的工具中提供水分散体，所述水分散体包含粒状硅酸盐材料、硬化剂和碱金属硅酸盐前体；以及
在工具中固化所述水分散体以提供所述粒料。
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