人工彩砂工藝研究進(jìn)展與研發(fā)方向展望

劉志鵬，姚紅蕊，，葛晶，王飛，張偉，王娜，，穆生龍，

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)遼寧省特種功能材料合成與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110142；2.沈陽(yáng)市新型功能涂層材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110142；3.遼寧順風(fēng)新材料科技有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110150）

0 引 言

彩砂具有多色彩、強(qiáng)立體感、堅(jiān)硬質(zhì)地以及可增加材料美觀性和功能性的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑材料、裝飾涂料、房屋飾材等領(lǐng)域。彩砂根據(jù)獲取的方式不同，可分為天然彩砂和人工彩砂。天然彩砂由開(kāi)采出的彩色天然礦石經(jīng)過(guò)多道工序加工而成，擁有顏色的獨(dú)特性，并且特定顏色的彩砂只在特定的地域產(chǎn)出[1]。該類(lèi)材料存在硬度小、顏色暗淡、韌性差且理化性能不均一等缺點(diǎn)，其應(yīng)用發(fā)展已然達(dá)到了瓶頸，并且日益減少的天然彩砂資源已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者對(duì)彩砂的需求。

通過(guò)不同工藝制備的人工彩砂可以解決天然彩砂顏色單一、產(chǎn)量不足以及性質(zhì)不穩(wěn)定等問(wèn)題，從而應(yīng)用在彩砂地坪、瀝青瓦、真石漆涂料及墻面裝飾等領(lǐng)域。本文綜述了人工彩砂的制備工藝與應(yīng)用，并對(duì)功能彩砂研發(fā)方向提出總結(jié)與討論。

1 人工彩砂的制備工藝及其原理

1984 年，日本申請(qǐng)了人工彩砂的發(fā)明專(zhuān)利[1]，其通過(guò)低溫?zé)剖⑸?、堿金屬硅酸鹽和縮聚磷酸鋁制備出人工彩砂。我國(guó)在日本申請(qǐng)專(zhuān)利前就擁有制備人工彩砂的工藝——搪瓷法，利用搪瓷[2]的金屬與陶瓷復(fù)合特性在無(wú)機(jī)材料表面形成復(fù)雜的硅酸鹽玻璃體。到了20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)開(kāi)始對(duì)人工彩砂的生產(chǎn)工藝與方法進(jìn)一步的研發(fā)與探究，發(fā)展出多種制備工藝[3]。

1.1 直接染色法

直接染色法是指在常溫下將粒徑為18～60 目的干燥石英砂與顏料經(jīng)過(guò)混合、攪拌、干燥等工序得到人工彩砂的工藝方法。由于固相石英砂表面與液相顏料兩相浸潤(rùn)優(yōu)良，因此顏料可以擴(kuò)展到石英砂表面的凹坑中產(chǎn)生機(jī)械錨合作用，從而使界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到包覆的要求。

鄭玉寶和袁大偉[4]按照如圖1 所示的工藝流程采用有機(jī)顏料與無(wú)機(jī)顏料混合的顏料制備出色彩鮮艷的彩砂。所制備的彩砂主要技術(shù)性能：含水率≤3%；耐水性1000 h 無(wú)色差變化；2%鹽酸浸泡100 h 無(wú)色差變化；2%氫氧化鈉浸泡100 h無(wú)色差變化；500 W 紫外線96 h 無(wú)色差變化。

圖1 直接染色法工藝流程

通過(guò)乳液或顏料直接混合制備的人工彩砂其結(jié)合強(qiáng)度主要依靠粘合劑的粘合作用，但是由于物理包覆強(qiáng)度低導(dǎo)致彩砂易出現(xiàn)耐磨性差、易褪色的問(wèn)題。因此將研究方向著眼于化學(xué)作用來(lái)提高包覆層與砂體之間的附著力，進(jìn)而增強(qiáng)人工彩砂的耐磨性能。

1.2 有機(jī)固化法

有機(jī)固化法是在粒徑為40~80 目的石英砂表面用樹(shù)脂中活潑特征基團(tuán)發(fā)生化學(xué)固化交聯(lián)，形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物包覆層制備人工彩砂的工藝方法。樹(shù)脂固化機(jī)理為樹(shù)脂、固化劑、助劑混合在一個(gè)體系中，隨著溶劑的不斷揮發(fā)，樹(shù)脂與固化劑逐漸接近，樹(shù)脂中的活潑基團(tuán)與固化劑結(jié)合在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

針對(duì)人工彩砂包覆層的化學(xué)作用，白艷軍[5]通過(guò)樹(shù)脂、固化劑與附著力促進(jìn)劑的不同配比，找出了合適的交聯(lián)密度，制備出顏色均勻、耐老化性能達(dá)到800 h 的彩砂涂層。鄭新凱和蔡國(guó)強(qiáng)[6]利用引入氟單體改性樹(shù)脂作為包覆層，引入的分子結(jié)構(gòu)通過(guò)增強(qiáng)聚合物樹(shù)脂主鏈的柔性來(lái)增大樹(shù)脂聚合物的韌性，進(jìn)而制備出耐鹽霧性≥1000 h 無(wú)變化、耐水性與耐堿性240 h 無(wú)變化的人工彩砂。劉春峰等[7]利用聚氨酯樹(shù)脂與有機(jī)硅對(duì)天然風(fēng)沙進(jìn)行二次包覆，通過(guò)聚氨酯樹(shù)脂的高交聯(lián)密度與有機(jī)硅中硅氧鍵的表面張力雙重作用制備出含水率≤0.3%、耐老化性能600 h 無(wú)變化的人工風(fēng)沙彩砂，為治理天然風(fēng)沙提供了一種新的途徑。

通過(guò)樹(shù)脂在砂體表面形成的致密交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包覆的彩砂耐候性較直接染色法大大提高。但是制備的人工彩砂通常表面有大塊狀易剝落的顏料團(tuán)聚體，使得彩砂表面出現(xiàn)顏色不均勻、色差較大等問(wèn)題。楊漢標(biāo)[8]利用添加分散劑的方式增大顏料粒子表面電位，表面電位的最大絕對(duì)值從18 mV 增大到49 mV，電位越大顏料分散越均勻。以顏料表面形成的帶電粒子的穩(wěn)定擴(kuò)散層輔以相同電荷的離子排斥作用來(lái)保證顏料在液體介質(zhì)中的分散作用，使顏料可以均勻地分散在無(wú)機(jī)材料表面且不易剝落。企業(yè)在實(shí)際批量生產(chǎn)人工彩砂過(guò)程中還是不可避免地出現(xiàn)質(zhì)感差、易團(tuán)聚的問(wèn)題。研究人員想通過(guò)更加微觀的分子運(yùn)動(dòng)解決有機(jī)固化質(zhì)感差、易團(tuán)聚的生產(chǎn)痛點(diǎn)。

1.3 高溫?zé)Y(jié)法

高溫?zé)Y(jié)法是指通過(guò)1000 ℃左右的高溫加熱條件下，使得分子獲得遷移的能量，進(jìn)而無(wú)機(jī)顏料分子能夠有序固化在粒徑為40~200 目的無(wú)機(jī)基體表面，形成一個(gè)包覆強(qiáng)度高且結(jié)構(gòu)致密的人工燒結(jié)彩砂的工藝方法。

陳孟[9]采用均勻混合的硅酸鹽礦粒與無(wú)機(jī)色漿在1000 ℃回轉(zhuǎn)滾筒爐中制備了燒結(jié)彩砂，解決了彩砂工藝不能連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。盧亭楓[10]在800 ℃高溫煅燒后的冷卻工藝過(guò)程中噴灑表面活性劑，使得活躍的顏料分子經(jīng)過(guò)表面活性劑的作用后分散能力變強(qiáng)，從而表面包覆層更加光滑均勻，制備出的陶瓷廢料基燒結(jié)人工彩砂具有優(yōu)異的性能。彩砂在濃度3%鹽酸（耐酸性）與濃度3%燒堿（耐堿性）中不變色，彩砂耐溶劑性?xún)?yōu)異。劉維平[11]采用銅尾礦替代石英砂作為無(wú)機(jī)基體制備燒結(jié)彩砂，研究了顏料與助劑的用量、燒結(jié)溫度、氣氛和時(shí)間對(duì)人工燒結(jié)彩砂的顏色與性能的影響。通過(guò)工藝優(yōu)化制備的彩砂在5%鹽酸以及5%氫氧化鈉中浸泡均不褪色，機(jī)械攪拌2 h 不褪色，400 ℃保溫1 h 不褪色。

采用燒結(jié)法制備的彩砂具有顏色鮮艷、質(zhì)感逼真、耐候性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是高溫工藝生產(chǎn)條件會(huì)消耗大量的能源，導(dǎo)致燒結(jié)砂的價(jià)格昂貴，不能大規(guī)模生產(chǎn)。面對(duì)燒結(jié)人工彩砂資源消耗大的問(wèn)題，科研人員以古代陶瓷燒制工藝為創(chuàng)新萌芽，利用陶瓷彩釉彌補(bǔ)降低工藝溫度制備燒結(jié)彩砂的性能，降低高溫?zé)Y(jié)工藝的能源消耗與產(chǎn)品成本。

1.4 陶瓷彩釉法

陶瓷彩釉法分彩釉制備和彩砂著色2 個(gè)部分，是在粒徑為14~50 目之間的釉胚石英砂表面形成一層彩色的釉料包覆層來(lái)制備人工彩砂的方法。彩釉的呈色機(jī)理為離子呈色、分子呈色以及膠體著色3 種[12]。離子呈色是一種彩釉顏料離子替代某個(gè)處在硅酸鹽晶格結(jié)點(diǎn)上的離子而產(chǎn)生固溶；分子呈色為彩釉與二氧化硅分子產(chǎn)生高溫固相反應(yīng)，生成了呈色的硅酸鹽分子；膠體著色即彩釉經(jīng)過(guò)熱處理后，成為對(duì)光進(jìn)行反射的膠體狀態(tài)來(lái)呈現(xiàn)出硅酸鹽顏色。彩釉的制備工藝流程如圖2 所示[12]。添加劑在制備彩釉中起到分散顏料的作用，可以增加釉胚表面反應(yīng)活性位點(diǎn)，增加釉胚表面對(duì)顏料的吸附能力以及在釉胚表面的均勻分布提高耐磨性。

圖2 彩釉的制備工藝流程

李保國(guó)和張艷芳[13]將表面涂覆自制粘合劑的石英砂、顏料及其他試劑均勻混合在一起，在最低燒制溫度600 ℃左右下燒制。由于使用的無(wú)機(jī)顏料分子在高溫下與石英砂表面進(jìn)行分子運(yùn)動(dòng)，形成固相反應(yīng)，從而制備出顏色鮮艷、耐久性強(qiáng)的彩砂。馬金龍[14]利用工業(yè)廢料作為礦化助劑與石英砂在800℃左右燒結(jié)制備彩釉砂，降低了彩砂的制備成本并且對(duì)廢棄物進(jìn)行了循環(huán)利用，制得的彩砂浸泡在3%鹽酸與5%硫酸中無(wú)變化；在5%氫氧化鈉與5%碳酸鈉中無(wú)變化；在300 ℃中保溫1 h 后放入冷水中無(wú)變化；在-25 ℃下冷凍2 h，進(jìn)行15次后無(wú)變化。

此工藝制備的人工彩砂性能優(yōu)異、顏色鮮艷、耐候性好。但是制備彩砂的工藝精度要求大、色料價(jià)格昂貴、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)困難以及工藝成本高，這些都是導(dǎo)致彩釉砂價(jià)格昂貴、不適合進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的原因。其中工藝難點(diǎn)主要是溫度高對(duì)環(huán)境資源的消耗以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)高溫對(duì)設(shè)備造成的損耗。高溫?zé)Y(jié)法與陶瓷彩釉法的共同點(diǎn)為基體不能使用主要成分為碳酸鈣的無(wú)機(jī)材料，當(dāng)溫度高于800 ℃時(shí)碳酸鈣會(huì)分解成氧化鈣與二氧化碳，破壞了基體的晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低人工彩砂硬度[15]。

1.5 無(wú)機(jī)凝膠法

上述直接染色法、有機(jī)固化法、高溫?zé)Y(jié)法、陶瓷彩釉法4種工藝制備彩砂所使用的無(wú)機(jī)基體均為主要成分為二氧化硅和碳酸鈣的礦石顆粒。針對(duì)主要成分為氧化鋁與二氧化硅的鋼渣，研究人員開(kāi)發(fā)出了另一種彩砂制備工藝——無(wú)機(jī)凝膠法。無(wú)機(jī)凝膠法以粒徑10~20 目的無(wú)機(jī)基體、膠凝劑和無(wú)機(jī)顏料為主要原料，經(jīng)過(guò)對(duì)混合物進(jìn)行加水、調(diào)漿、常溫包裹、熱養(yǎng)護(hù)等加工工序制備而成的工藝方法，其主要工藝流程如圖3 所示[16]。其原理是將主要成分為氧化鈣的粉煤灰在堿性條件下水化后，形成膠凝化合物作為人工彩砂的包覆層。其中玻璃體SiO2與Al2O3為包覆層提供活性，通過(guò)水泥水化生成的Ca（OH）2提供的堿性環(huán)境生成無(wú)機(jī)凝膠，增強(qiáng)包覆層的致密程度。

圖3 無(wú)機(jī)凝膠法制備工藝流程

趙忠忠等[17-18]通過(guò)對(duì)有機(jī)染色法、高溫陶化法和無(wú)機(jī)凝膠法3 種不同工藝制備的彩砂進(jìn)行形貌觀察以及性能測(cè)試，無(wú)機(jī)膠凝法制備的人工彩砂整體呈球形和橢球形，且包覆層與砂體間粘結(jié)致密。同時(shí)也對(duì)無(wú)機(jī)凝膠法的養(yǎng)護(hù)制度與彩砂的耐磨影響關(guān)系進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)與溫度的升高，彩砂的耐磨性能會(huì)逐漸增強(qiáng)，最后趨于穩(wěn)定，磨損率低至0.96%。隨著無(wú)機(jī)膠凝材料的水化程度越深，彩砂內(nèi)部的凝膠結(jié)構(gòu)就越致密，耐磨性能越優(yōu)異。樊飆等[19]在無(wú)機(jī)凝膠法的基礎(chǔ)上分析不同膠凝劑制備的彩砂對(duì)其耐磨性的影響。由于無(wú)機(jī)膠凝劑與有機(jī)膠凝劑之間發(fā)生協(xié)同作用，因此復(fù)合膠凝劑制備的彩砂更光滑，耐磨性更優(yōu)異。

無(wú)機(jī)凝膠法制備的人工彩砂溫度低，整體呈現(xiàn)規(guī)則形狀，但表面光滑程度欠佳，并且制備的彩砂需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)使彩砂的性能穩(wěn)定。使用復(fù)合膠凝劑制備的彩砂性能優(yōu)于無(wú)機(jī)膠凝劑彩砂，但是需對(duì)復(fù)合膠凝劑之間的協(xié)同作用機(jī)理進(jìn)行深層次的探究，找到制備復(fù)合膠凝彩砂的最佳配比。

如圖4 所示為3 種制備工藝的彩砂表面形貌以及本研究團(tuán)隊(duì)所用低溫染色方法制備的彩砂形貌[16]。低溫染色方法首先利用環(huán)氧化硅氧烷（γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷）在80 ℃對(duì)彩砂基體進(jìn)行接枝改性，進(jìn)一步利用雙組分羥基丙烯酸聚氨酯中的羧酸基團(tuán)與環(huán)氧基團(tuán)進(jìn)行開(kāi)環(huán)反應(yīng)，形成酯基醇，最后通過(guò)多異氰酸基團(tuán)和雙組分聚氨酯中的羥基基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)固化形成聚氨酯包覆層，進(jìn)而制成人工彩砂。

圖4 不同制備方法制得彩砂的表面形貌

圖4（a）、（b）彩砂表面形貌有明顯的尖銳和凹坑，顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的形態(tài)，這是由于有機(jī)染色法與高溫?zé)Y(jié)法制備的彩砂中的包覆層沒(méi)有對(duì)無(wú)機(jī)砂體形成完全包覆。圖4（c）、（d）彩砂表面形貌光滑，顆粒整體呈現(xiàn)橢圓狀的形態(tài)，但是圖4（d）彩砂的表面均勻程度要優(yōu)于圖4（c），這是由于無(wú)機(jī)凝膠法形成的包覆層結(jié)構(gòu)致密，但形成包覆層的無(wú)機(jī)膠凝劑在水化過(guò)程中不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致表面凹凸，而本團(tuán)隊(duì)通過(guò)低溫染色技術(shù)制備的彩砂不僅形成了完全包覆，而且彩砂的包覆層結(jié)構(gòu)致密且光滑均勻。

2 人工彩砂應(yīng)用概況

人工彩砂具有硬度大、顏色鮮艷、韌性強(qiáng)且理化性能均一等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)氧彩砂地坪、瀝青瓦、道路標(biāo)線帶、真石漆、水磨石地面以及藝術(shù)砂畫(huà)等領(lǐng)域。人工彩砂的制備原料廣泛，并且可以有效減少開(kāi)采天然礦石造成的環(huán)境污染，人工彩砂取代天然彩砂是各應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 環(huán)氧彩砂地坪

環(huán)氧彩砂地坪是由改性環(huán)氧樹(shù)脂、彩色礦石顆粒以及助劑制備而成，地坪的施工厚度一般為3~5 mm。環(huán)氧彩砂地坪因?yàn)樽陨砻烙^大方、硬度高等優(yōu)勢(shì)被稱(chēng)為“彩砂無(wú)縫硬地毯”。顏色暗淡且單一以及硬度小的劣勢(shì)使得天然彩砂作為環(huán)氧彩砂地坪的主要原材料不能將彩砂地坪的特點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)。具備顏色的可組合性以及批次穩(wěn)定特性的人工彩砂使得彩砂地坪不但具有良好的裝飾效果，而且具有諸多優(yōu)異性能。符合環(huán)保要求的彩砂地坪將會(huì)使住宅及其家居裝飾業(yè)的潛在需求變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)需求。

環(huán)氧地坪應(yīng)選用顆粒形狀為球形并具有合適級(jí)配的彩砂，這樣有利于彩砂顆粒實(shí)現(xiàn)最緊密堆”，保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)減少樹(shù)脂的使用，大大降低材料與人工成本。許育標(biāo)和陳曉城[20]提出了環(huán)氧地坪彩砂的制備工藝以及大面積施工工藝的要點(diǎn)。鐘鑫等[21]介紹了水性環(huán)氧地坪涂料中各組分對(duì)地坪的影響及其施工工藝，并且提出以水性涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溶劑型涂料，為環(huán)保環(huán)氧彩砂地坪的進(jìn)一步發(fā)展提供了思路。周盾白等[22]認(rèn)為，聚氨酯彩砂地坪具有比環(huán)氧彩砂地坪更為廣泛的應(yīng)用范圍。劉身凱等[23]提出無(wú)溶劑環(huán)氧浮動(dòng)彩砂自流平是傳統(tǒng)環(huán)氧彩砂地坪的升級(jí)產(chǎn)品，是綠色發(fā)展彩砂地坪的必經(jīng)之路。

2.2 彩色瀝青瓦

作為坡屋面主要構(gòu)成部分的彩色瀝青瓦在加拿大等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，由于多彩的組合、卓越的實(shí)用性能、阻擋輻射、耐候性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使它受到越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者的歡迎。朱曉華和胡蕾[24]對(duì)瀝青瓦所用的專(zhuān)用彩砂提出了要求，即瀝青瓦專(zhuān)用彩砂不可以使用透光透明的石英砂和易與水反應(yīng)的礦石作為原材料。

彩色瀝青瓦符合了市場(chǎng)對(duì)建筑材料的性能與美觀需求和政府提出節(jié)能減排、低碳環(huán)保的政策導(dǎo)向，在性能、安全、施工、節(jié)能、美觀等方面都優(yōu)于目前的黏土瓦、水泥瓦等產(chǎn)品。

2.3 道路及標(biāo)志材料

道路標(biāo)線帶被人們稱(chēng)為道路交通安全的“生命線”。道路標(biāo)線帶主要結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由成膜物質(zhì)、填料、顏料、助劑和反光材料等成分構(gòu)成，無(wú)機(jī)填料的加入對(duì)于材料整體的性能起到了關(guān)鍵性作用，無(wú)機(jī)填料一般采用如石英粉、滑石粉和硅石粉等[25]。本研究團(tuán)隊(duì)以廢棄玻璃珠為原材料制備的人工彩砂與丙烯酸樹(shù)脂按2.3∶1 質(zhì)量比制備的道路標(biāo)線帶性能較優(yōu)，可保證標(biāo)線帶不會(huì)由于外部因素的影響產(chǎn)生褪色、變形等現(xiàn)象。

圖5 道路標(biāo)線帶的主要結(jié)構(gòu)

2.4 真石漆建筑涂料

內(nèi)外墻涂料的快速發(fā)展推動(dòng)了新產(chǎn)品、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，衍生了一種新的材料“液態(tài)石”——真石漆。彩砂是真石漆的主要成分，目前大多數(shù)企業(yè)使用的是天然彩砂，但是天然彩砂存在批次顏色不穩(wěn)定性與硬度小的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致制備的真石漆性能變差。

因此，優(yōu)異的人工彩砂是市場(chǎng)發(fā)展的迫切需要，也是促進(jìn)企業(yè)的自身發(fā)展的捷徑。李百奎等[26]分析了當(dāng)前主流真石漆技術(shù)體系存在的不足，列舉了真石漆技術(shù)體系的不同功能以及可進(jìn)步的發(fā)展方向，同時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)展方向提出可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線、技術(shù)方案和實(shí)效應(yīng)用意義。蔣勤逸[27]提出真石漆需要向環(huán)保化、功能化、高性能化方向發(fā)展，擴(kuò)大真石漆的應(yīng)用市場(chǎng)，推動(dòng)涂料行業(yè)發(fā)展。段德丹等[28]對(duì)使用復(fù)合膠凝法制備真石漆的人工固廢彩砂顆粒的粒徑、用量以及乳液的用量對(duì)真石漆的影響進(jìn)行了研究，降低了制備真石漆的成本。魏勇和李瑞玲[29]針對(duì)真石漆中仿花崗巖真石漆提出了制備工藝并進(jìn)行了展望。吳勇等[30]對(duì)仿花崗巖真石漆的未來(lái)前景進(jìn)一步展望與規(guī)劃。

真石漆的價(jià)格與性能大部分取決于主要填料人工彩砂，降低制備人工彩砂的制備成本、提高人工彩砂的性能是未來(lái)制備更為優(yōu)異的真石漆主要途徑。真石漆的未來(lái)發(fā)展方向是朝著多功能化涂料的方向發(fā)展，給外墻建筑、內(nèi)墻建筑美觀的同時(shí)附加更多的功能。

2.5 水磨石地面

通過(guò)彩砂顏色不同可以排列組合形成圖形各異的彩色水磨石地面，進(jìn)而映襯出建筑內(nèi)部裝飾的素雅及和諧的美感。戴五平[31]以天然彩砂顆粒、人工陶瓷彩色顆粒等骨料制備了無(wú)縫藝術(shù)環(huán)氧水磨石地坪，通過(guò)“?；奔夹g(shù)使水磨石擁有鏡子般的光潔度，具有極強(qiáng)的裝飾效果。溫若嵐等[32]根據(jù)水磨石在廣東園林中的應(yīng)用情況，總結(jié)了水磨石的使用特征與優(yōu)勢(shì)以及水磨石工藝在工程中的缺點(diǎn)。

水磨石與彩砂地坪兩者都是對(duì)地面進(jìn)行裝飾。水磨石由于施工周期長(zhǎng)的原因，在工業(yè)地面慢慢被彩砂地坪所取代，并且彩砂地坪的耐磨性要高于水磨石。水磨石則更多地應(yīng)用在酒店、賓館等裝飾性強(qiáng)的場(chǎng)所。

2.6 藝術(shù)砂畫(huà)

彩砂可用于卡通畫(huà)、傳統(tǒng)臉譜和景泰藍(lán)工藝畫(huà)等擁有優(yōu)異文化底蘊(yùn)的砂畫(huà)創(chuàng)作。彩砂也可應(yīng)用在一些如金絲彩砂畫(huà)這樣高檔的家居裝飾奢侈品上，以彩砂點(diǎn)綴畫(huà)的顏色，以金屬絲勾勒出想要的輪廓，是一種非常時(shí)尚的手工藝術(shù)品。奉向陽(yáng)[33]對(duì)金絲彩砂裝飾畫(huà)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，創(chuàng)造性地演繹出彩砂世界異常豐富的色彩變化和偶然得之的天然肌理效果，以金絲鑲邊，彩砂鋪貼，呈現(xiàn)出色彩艷麗的藝術(shù)效果，發(fā)揚(yáng)中國(guó)傳統(tǒng)文化精神。

3 人工彩砂研發(fā)方向

人工彩砂的應(yīng)用場(chǎng)景決定研發(fā)方向，影響人工彩砂性能的主要是彩砂的無(wú)機(jī)基體與包覆層。人工彩砂的無(wú)機(jī)基體決定其質(zhì)地硬度，決定人工彩砂性能的是包覆層。耐磨彩砂、耐酸堿彩砂以及功能彩砂等均通過(guò)改變包覆層的組成、結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在包覆層中引入其他基團(tuán)或物質(zhì)、增大包覆層交聯(lián)程度以及改變包覆層與無(wú)機(jī)基體的附著方式等方法制得不同性能與功能的人工彩砂。

3.1 耐磨彩砂

耐磨彩砂是因?yàn)榘矊拥淖饔梅乐沽巳斯げ噬坝捎谀Σ磷饔迷斐傻念伭蟿兟洹Ｚw忠忠等[34]測(cè)試了3 種彩砂制備工藝在空氣介質(zhì)中的磨損率。結(jié)果表明，無(wú)機(jī)凝膠法的彩砂耐磨性最佳，這是由于無(wú)機(jī)膠凝劑的水化作用導(dǎo)致包覆層的結(jié)構(gòu)致密，經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)作用后表面無(wú)機(jī)膠凝劑完全固化導(dǎo)致包覆層對(duì)基體的附著力強(qiáng)。楊漢標(biāo)等[35]研究了分散劑對(duì)有機(jī)固化法制備的彩砂耐磨性的影響，結(jié)果表明，在顏料乳液體系中分散劑的原子會(huì)與乳液顆粒形成配位鍵，增大表面的電位值，體系的電位的絕對(duì)值越大，進(jìn)而整個(gè)體系中的顆粒越小、越均勻，并且分散劑會(huì)使得顏料分子吸附相互排斥的相同電荷，最終形成分散性更加優(yōu)異的包覆層[36]，從而減少彩砂表面包覆層顏料剝落。樊飆等[19]研究了不同膠凝劑制備人造彩砂的耐磨性能，結(jié)果表明，復(fù)合膠凝劑制備的彩砂磨損率最低，為0.05%，由于有機(jī)膠凝劑顆粒均勻分散在無(wú)機(jī)膠凝劑中，隨著無(wú)機(jī)膠凝劑水化的進(jìn)行與毛細(xì)孔隙中的水量逐漸減少，顆粒凝聚形成一層附著在凝膠及未水化顆粒上的連續(xù)封閉的薄膜，薄膜與薄膜之間的水分逐漸被吸收到水化過(guò)程的化學(xué)結(jié)合水中，進(jìn)而顆粒與顆粒之間完全融合，形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合膠凝劑包覆層均勻致密。

提高彩砂耐磨性能的關(guān)鍵在于包覆層與基體之間的可以通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)作用的強(qiáng)結(jié)合能力以及顏料通過(guò)同極電荷相斥、能量遷移、表面張力等作用加強(qiáng)在基體表面的分散能力。這2 個(gè)能力是研究提高彩砂耐磨性能的主要方向。耐磨彩砂包覆層均勻程度也是人工彩砂耐磨性能的影響因素，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)制備的人工彩砂進(jìn)行斷面的SEM 觀察（見(jiàn)圖6），確定了所制備的人工彩砂表面均勻，耐磨性能優(yōu)異。

圖6 人工彩砂斷面的SEM 照片

3.2 耐酸堿、耐水、耐溶劑彩砂

人工彩砂由于顏料或顏料的載體與酸或堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致人工彩砂出現(xiàn)表面褪色、色彩不均勻等現(xiàn)象，關(guān)于人工彩砂耐酸堿性的報(bào)道較少，因此試圖通過(guò)對(duì)包覆層耐酸堿性能的研究來(lái)為人工彩砂的耐酸堿性提供思路與方向。Men等[37]通過(guò)原位聚合法在鋁顏料表面制備了一層氟聚物保護(hù)膜，結(jié)果表明，包覆后的顏料沒(méi)有任何影響，氫氧化鈉對(duì)原鋁進(jìn)行了表面腐蝕。對(duì)鋁顏料進(jìn)行的防腐包覆作用到彩砂的表面，從而形成化學(xué)包覆，具有優(yōu)異的耐耐堿性能。左傳瀟等[38]以自制水性聚氨酯作為連續(xù)玄武巖纖維浸潤(rùn)劑的主成膜劑，經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)劑處理后的連續(xù)玄武巖纖維表面的薄膜阻礙了堿性溶液中氫氧根離子對(duì)連續(xù)玄武巖纖維中硅氧結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)一步阻止酸性溶液中的氫離子與連續(xù)玄武巖纖維內(nèi)部的堿金屬離子發(fā)生離子交換，從而避免對(duì)連續(xù)玄武巖纖維造成腐蝕。這是由于具有耐酸堿性的氨基甲酸酯在形成薄膜的過(guò)程中分子間作用力強(qiáng)且空間排列緊密。

而彩砂的耐水性與耐溶劑性同耐酸堿性機(jī)理與人工彩砂包覆層的耐酸堿性相同。利用惰性基團(tuán)對(duì)彩砂包覆層進(jìn)行化學(xué)覆蓋或者通過(guò)交聯(lián)度大、空間排列緊密的致密包覆層減弱酸堿液、水、溶劑對(duì)彩砂的危害。

3.3 耐老化彩砂

耐老化彩砂通過(guò)包覆層來(lái)增強(qiáng)在自然環(huán)境中諸多因素作用下的耐久性，其中太陽(yáng)光照射產(chǎn)生的輻射是老化的主要原因。呂金燕等[39]總結(jié)出顏料對(duì)復(fù)合材料的耐老化性能的影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無(wú)機(jī)顏料可以減少由于自然光引起的聚合物斷裂，但是穩(wěn)定性不如無(wú)機(jī)顏料的有機(jī)顏料可以參與到聚合物反應(yīng)中來(lái)增強(qiáng)整體的相容性。有機(jī)顏料的顏色種類(lèi)多且應(yīng)用范圍較廣，但價(jià)格昂貴。高溫?zé)Y(jié)、陶瓷彩釉等工藝溫度較高的采用無(wú)機(jī)顏料，穩(wěn)定性強(qiáng)，根據(jù)所采用的工藝對(duì)顏料進(jìn)行選擇。

3.4 功能彩砂

功能彩砂由于功能的獨(dú)特性而被廣泛應(yīng)用，其中包覆層對(duì)人工彩砂的功能起決定性作用。超疏水彩砂還未見(jiàn)報(bào)道，但是關(guān)于石英砂與天然風(fēng)沙作為超疏水砂原材料用于水資源的存儲(chǔ)與運(yùn)輸、油水分離等方面的應(yīng)用已有諸多研究。Chen 等[40]利用Si、Ag、Cu 三種無(wú)機(jī)材料對(duì)沙漠沙表面進(jìn)行粗糙化處理，然后用疏水化合物對(duì)其進(jìn)行了低表面能改性，最終獲得了可用于水儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)某杷?。Mosayebi 等[41]通過(guò)化學(xué)氣相沉積在300 ℃高溫下將聚二甲基硅氧烷沉積在砂表面，制備了超疏水砂，并展示了其在油水混合物分離中的潛力。Wang等[42]用1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTS）涂覆石英砂顆粒，獲得了可用于分離油包水乳液的超疏水砂。Huang等[43]通過(guò)砂粒表面進(jìn)行原位生長(zhǎng)硅酮納米絲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)合成超疏水砂，用于土壤保濕和油水分離。通過(guò)對(duì)超疏水砂的利用從而制備出超疏水彩砂，通過(guò)新型功能建筑材料超疏水彩砂實(shí)現(xiàn)建筑、地面形成永久性免維護(hù)的自潔功能。還可以通過(guò)對(duì)包覆層進(jìn)行功能化改性，實(shí)現(xiàn)抗菌彩砂、吸波彩砂、抗靜電彩砂等單功能或復(fù)合功能。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

為解決天然彩砂資源有限、理化性質(zhì)不均一等缺點(diǎn)，人工彩砂得到了深入的研究。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景以及需要的性能，選擇合適的工藝方法制備人工彩砂。制約人工彩砂發(fā)展的關(guān)鍵，也是人工彩砂未來(lái)發(fā)展的方向，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）針對(duì)現(xiàn)有彩砂制備工藝污染大、能耗高、性能差等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)偶聯(lián)劑接枝改性、化學(xué)鍵合等微觀機(jī)理與工藝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改良，提高人工彩砂性能與節(jié)約彩砂制備成本。

（2）研究以可循環(huán)利用的固體廢料為無(wú)機(jī)基體制備低能耗、低污染的人工彩砂，可循環(huán)利用的固體廢料、低溫的工藝條件、綠色環(huán)保的染料與助劑構(gòu)成一個(gè)低碳綠色環(huán)保的人工彩砂制備環(huán)境，是響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保政策的重要方向。

（3）為了人工彩砂擁有更高的社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，通過(guò)對(duì)人工彩砂無(wú)機(jī)基體與包覆層進(jìn)行功能化的改性研究，如通過(guò)彩砂的超疏水性能可以減少彩砂表面的雨痕與污漬，實(shí)現(xiàn)永久性免維護(hù)的自潔功能，多種功能彩砂的制備使其擁有多方面的發(fā)展?jié)撃堋?/p>