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CN104684857B - 具有分区的结构的玻璃粒料 - Google Patents

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CN104684857B CN201380046396.7A CN201380046396A CN104684857B CN 104684857 B CN104684857 B CN 104684857B CN 201380046396 A CN201380046396 A CN 201380046396A CN 104684857 B CN104684857 B CN 104684857B
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Abstract

本发明提供粒料和包括粒料的建筑材料，所述粒料具有内部区和外部区，所述外部区至少部分地包围所述内部区并且占所述粒料的总体积的大于10％。

Description

具有分区的结构的玻璃粒料
技术领域
本公开涉及建筑材料。更具体地，本公开涉及源于细小玻璃颗粒的粒料，该细小玻璃颗粒包括至少内部区和外部区。
背景技术
针对节能目的，屋顶和其他外表面反射太阳能近来已变得更为可取。被吸收的太阳能增加了建筑物中的能源成本。此外，在人口密集地区，诸如大都市地区，太阳能的吸收升高了环境空气温度。太阳能的主要吸收器是建筑物屋顶。大都市地区的环境空气温度比包围的乡村地区的环境空气温度更温暖至少10℉并不少见。这个现象常常被称作城市热岛效应。反射太阳能而非吸收太阳能的措施可降低建筑物内的冷却成本，从而降低能源成本。此外，减少太阳能吸收的措施可通过帮助降低环境空气温度来提高人口密集地区的生活质量。
太阳能反射可通过使用金属的或金属涂覆的屋顶材料来实现。然而，因为金属的或金属涂覆的屋顶材料的热发射率低，故而由于此类材料限制辐射热流动，所以此类材料在节约能源和降低成本方面并不产生显著收益。
另外可通过使用白色或浅色屋顶而实现太阳能的反射。然而，由于美观原因，白色或浅色倾斜屋顶在市场上并不被接受。相反，优选较暗的屋顶。然而，就它们的实质而言，较暗的屋顶通过着色的或非白色屋顶材料吸收更高程度的太阳能并且反射更少。
不平坦或倾斜的屋顶常常使用涂覆有附着到木瓦外表面的着色的粒料的木瓦。此类木瓦通常由具有嵌入沥青中的粒料的沥青基料制成。针对美观原因和用于保护木瓦下面的基料两者，使用屋顶粒料。此类粒料的实质在木瓦上创建了显著的表面粗糙度。由于辐射以多散射方式散射，太阳辐射从而遭遇降低的反射率，该多散射方式在与放置在平滑表面上的相同涂料进行比较时，导致增大的吸收率。
发明内容
本公开提供包括粒料的建筑材料，该粒料具有内部区和至少部分地包围内部区的外部区。内部区和外部区各自占屋顶粒料的总体积的大于10％并且粒料包括大于20体积％的玻璃。在各种示例性实施例中，粒料包括大于50体积％的玻璃，外部区包括大于50体积％的玻璃，和/或内部区包括大于50体积％的玻璃。在一些示例性实施例中，外部区占粒料的总体积的介于20％和70％之间，且内部区占粒料的总体积的介于20％和70％之间。
在示例性实施例中，其中内部区和外部区在选自硬度、孔隙度和密度的属性方面不同。在各种示例性实施例中，外部区具有介于2％和15％之间的平均孔内容积，外部区的孔的平均面积百分比在2％和15％之间，内部区的孔的平均面积百分比小于3％，和/或内部区的孔的平均面积百分比为外部区的孔的平均面积百分比的小于90％。
本公开还提供包括大于50体积％的玻璃的粒料，该粒料具有内部区和包围内部区的外部区，内部区和外部区各自占屋顶粒料的总体积的大于 10％。外部区具有介于2％和20％之间的孔内容积并且该孔内容积大于内部区的孔内容积。
本公开还提供用于制备建筑材料的方法，该方法包括将细玻璃粉设置在成形装置中、形成细玻璃粉的生坯以及在明焰窑中热处理生坯以使得玻璃粉至少部分压实。经焙烧的玻璃粉包括具有内部区和外部区的粒料，该内部区和外部区至少在一个属性方面不同。在示例性实施例中，外部区具有比内部区更大的孔隙度。
尽管本发明公开了多个实施例，但通过示出和描述本发明的示例性实施例的下述详细描述，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员将变得显而易见。因此，附图和详细描述应当视为实际上示例性的而非限制性的。
附图说明
图1示出根据本公开的示例性屋顶粒料。
图2示出根据本公开的包括涂料的示例性屋顶粒料。
图3示出根据本公开的包括多个屋顶粒料的示例性屋顶材料产品。
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度的扫描电镜图像。
图5示出包括内部区和外部区的根据本公开的示例性粒料的剖面图。
图6示出包括芯区、内部区、中间区、外部区和外表区的根据本公开的示例性粒料的剖面图。
图7至图9为示出根据本公开的实施例形成的示例粒料的孔隙度的扫描电镜图像。
图10为比较例13的粒料的扫描电镜图像。
图11为示出根据本公开的实施例形成的示例粒料的孔隙度的扫描电镜图像。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但具体实施例已以举例的方式在附图中示出并且在下文中作详细描述。然而，目的并不是将本发明局限于描述的特定实施例。相反，本发明旨在涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式、和替代形式。
具体实施方式
除非另外指明，否则本文所用的所有科学术语和技术术语具有本领域中常用的含义。本文提供的定义有利于理解本文中频繁使用的某些术语，且并不意味着限制本公开的范围。
术语“未着色的”，诸如参考粒料或屋顶粒料，可基本上为未设计来在太阳光谱可见区中具有具体吸收率的白色粒料，如用于创建白色之外的所需颜色外观。
术语“低太阳吸收率”可以是指主要反射或透射大部分的总太阳光谱的材料。因此，此类材料应当主要反射或透射可见光谱或近IR光谱中的大部分。在实施例中，官能量的低太阳吸收率材料(诸如基岩或涂覆的基岩的一层粒料，或一薄层颗粒涂层材料)应当吸收小于50％、优选小于 30％、且优选小于20％的总太阳光谱。
太阳不透明材料为具有总光谱低透射率的一种材料。当材料为太阳不透明且具有低太阳吸收率两者时，它具有太阳光谱的高总反射率。优选地，官能量的太阳不透明材料(诸如一层基岩或涂覆的基岩的粒料，或一薄层颗粒涂层材料)应当透射小于60％、更优选小于40％、且甚至更优选小于30％的总太阳光谱。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、量和物理属性的所有数值均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需属性，这些近似值可以变化。
以端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
除非本文内容另外清楚指明，否则如本说明书和所附权利要求中使用，单数形式“一个”和“所述”涵盖了具有多个指代物的实施例。除非本文内容另外清楚指明，否则如本说明书以及附加的权利要求中所使用，术语“或”总体上以包括“和/或”的意思使用。
本公开整体涉及源于细小玻璃颗粒的粒料。颗粒可包括受控的孔隙度和/或颜料。由于孔的漫反射率和玻璃的低太阳吸收率，因此粒料可用作高的总太阳能反射率(TSR)白色或未着色的粒料。玻璃颗粒充分地烧结、熔凝或聚结以提供所需强度和充分地受限制的开放孔隙度。此外，粒料可包含足够的另外的闭合孔隙度和颜料以提供高反射率和紫外线(UV)阻挡属性。在一些实施例中，粒料特征结构允许具有最高至或甚至大于70％的总太阳能反射率(例如，25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、 60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％)的屋顶材料，并且具有中等至低的成本。或者，本发明的粒料可用作用于粒料的基岩并且涂覆有高 TSR涂料。在一些实施例中，细小玻璃颗粒可用作涂料，如本文更详细地描述。本公开的粒料对多种屋顶材料具有适用性，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。
较高性能白色粒料可用于商业沥青屋顶。允许屋顶具有至少70％的总太阳光谱的初始TSR值的粒料可满足新型建筑能量评级需求，从而导致屋顶材料产品价值大增。因为可存在来自粒料后处理的损耗和沥青表面的不完全覆盖，所以粒料自身优选具有极其高的反射率。粒料量杯反射率需求可为高达约78％至约90％。
超白粒料的三个特性可包括充分高散射能力、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。基于二氧化钛的高折射率和低吸收率，二氧化钛为可用的颜料。
增强散射的其他方法包括光散射孔的展开或捕集(如下述更详细地讨论)、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)，其由于使用较大量或捕集小孔的能力而增强整体散射。
在一些实施例中，用于形成粒料的玻璃包括硅酸盐玻璃，诸如常常用于窗口和瓶的碱石灰二氧化硅。硼硅酸盐和其他玻璃可用于实现不同热处理范围、化学耐久性、脱玻作用或光学属性。在一些示例性实施例中，使用硅铝酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和在本领域中是已知的其他合适的玻璃。就高TSR粒料而言，可使用中等至高纯度的低铁玻璃组合物。在一些示例性实施例中，玻璃为定制制造的玻璃。在一些示例性实施例中，玻璃为预熔凝的玻璃和/或可再循环的玻璃。预熔凝的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。可再循环的玻璃为预熔凝的玻璃，例如，其为初始用途诸如窗口、瓶、实验室器皿等而制造，并且为另一个用途而再处理。
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0.3μm至10μm范围内的粒度。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，使得添加剂可在所得粒料的整个玻璃基底中部分或完全结合。
未完全强化或热处理材料的生坯是由形成细玻璃粉的干砖、粉饼、球剂、骨料或结块引起。在一些示例性实施例中，添加剂包括在内以提高生坯强度。例如，锌添加剂诸如硫酸锌和/或硼酸锌可提高机械强度，并且据信还提高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提高机械强度。另外据信细玻璃粉的粒度影响生坯强度，较小粒度总体上导致较高强度。增大的生坯强度可提供若干制造优势，该优势包括例如在干燥材料随后被压碎或减小到所需粒度的实施例中减少不需要的细小颗粒的制备、以及在处理过程中减少粉尘的产生。
可热处理由细小玻璃颗粒形成的生坯以使得玻璃颗粒结构部分或全部压实。热处理使得玻璃颗粒至少部分聚结、熔合、粘性流或粘性烧结。通常，热处理在玻璃的软化点附近或软化点以上完成。例如，针对硼硅酸盐玻璃，可使用从约600℃至约1000℃的热处理。
一种或多种添加剂可与细小玻璃颗粒结合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、合适的助熔剂和在本领域中是已知的其他合适的添加剂可与细小玻璃颗粒结合。降低玻璃化转变温度可允许更低的温度和/或更少的热处理的持续时间，并且因此据信提供节能且可允许添加剂的结合，该添加剂可分解或换句话讲在较高处理温度下被破坏。
对描述的制造方法的变型形式也是可以的。例如，大于所需粒度的干燥材料可在焙烧之前或焙烧之后被压碎。此外，在所需粒度范围外的干燥的或经焙烧的材料可再循环到该处理的研磨阶段中。此外，所需几何形状和粒度的干燥颗粒可无需通过诸如液体浆液或凝胶的凝聚、雾化、浇铸、模铸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。因此粒料可具有所需形状，例如以优化覆盖、表现出所需光学属性，或提供其他特征和特性。此外，组分、涂料或另外的材料可在焙烧之前附着到或结合到干燥颗粒的表面上。在一些示例性实施例中，完全展开的玻璃通过热处理包括玻璃组分的生坯而原位形成。将生坯带至足以熔融组分的温度以形成完全展开的玻璃，该玻璃可物理地和化学地类似于或相当于各种预熔凝玻璃。
本公开的粒料可制成包括孔以影响粒料的反射率。例如，可通过细小玻璃颗粒结块的部分压实来形成孔。孔内容积和孔径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。孔另外可以是热处理过程中溶解气体释放引起，并且为了该目的可掺入或设计玻璃和/或添加剂的组合物。针对高TSR粒料，可设计或控制孔隙度以提供高反射率。
在一些实施例中，孔径(例如，直径或最大横跨距离)在小于1um至约100um的范围内。在其它实施例中，优选在约0.3um至10um范围内的孔径。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，在一些优选的实施例中，孔内容积百分比介于约3％和15％之间。可控制孔内容积以提供与高机械耐久性结合的高反射率。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机械耐久性合适的平衡。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 为各种示例性实施例的扫描电镜图像，其示出分别具有小于约18％、 16％、9％、10％和4％孔面积百分比的二维视图。
由于局部的聚结、表面密封或者气体逸出，因此细小玻璃颗粒的压实可用于提供粒料中的孔的闭合孔隙度。闭合孔对于耐污染性或化学耐久性可为有利的。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。
在一些示例性实施例中，玻璃颗粒完全烧结或聚结并且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0.5体积％的孔、几乎0体积％的孔，或0体积％孔。
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度以提供所需密度。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，且因此增大最终粒料的密度，但可增大或减小孔隙度以增大或减小粒料的密度。例如，相对较高的孔隙度可导致具有小于 2.5g/cm3或小于约2g/cm3的密度的粒料，以及例如，相对较低的孔隙度可导致具有大于2.5g/cm3或大于约3g/cm3的密度的粒料。另外可选择所需孔隙度，其中可共混表现出不同的组成的粒料。控制孔隙度使得具有不同组成的粒料表现出类似密度可推广均匀的分布且避免不同粒料类型的离析。
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，建筑材料诸如根据本发明的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，该玻璃基底可结合一种或多种添加剂，或涂覆有一种或多种涂料组合物，以表现出所需特征和特性。在某些示例性实施例中，例如，具有50 体积％的玻璃的粒料可为所需的，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。
在一些实施例中，细小玻璃颗粒在热处理过程中可至少部分地结晶，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两者。
图1提供具有玻璃基底和在玻璃基底内的多个孔(未示出)的屋顶粒料100的示例性实施例。具有如本文所述的特征和特性的屋顶粒料100可包括至少50％的最少总太阳能反射率。
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300μm 至约5000μm的平均粒度。如本文所述的屋顶粒料允许如可适用于特定应用的待选择的各种形状或粒度分布。在示例性实施例中，提供具有窄粒度分布的屋顶粒料，使得高百分比的粒料具有在来自中值粒度的小范围内的粒度。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质量的30％、20％、10％、5％或小于5％内的质量。因此，根据本发明的粒料可有利于更均匀的粒度分布，其可在基底诸如屋顶材料木瓦的基底上的施涂和覆盖中提供优势。在一些示例性实施例中，可提供双峰分布，该分布包括例如相对较大的平坦正方形粒料和小四面体以优化覆盖。基底中的大部分由相对较大的平坦正方形粒料覆盖，而小四面体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，不同粒度粒料的不期望离析可通过控制粒料的密度来减轻。
颜料可包括在粒料中以提供光学效应诸如颜色、反射率和UV阻挡性。例如，针对高TSR粒料，可使用强效散射颜料诸如二氧化钛以提供高反射率和UV阻挡性两者。可另外使用其他颜料，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体且在某些波长范围(340- 380nm)内比二氧化钛更具有UV吸收性。可基于性能、成本有效性和与粒料处理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％-10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吸收颜料和另外的反射颜料。
冷态的粒料将入射红外线的显著部分反射。在一些情况下，冷态的粒料可由玻璃材料(诸如上述的那些)形成，该玻璃材料承载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。提供黄颜色的合适的颜料包括V-9415和V-9416(俄亥俄州克里兰夫的福禄公司(Ferro Corp.,Cleveland,Ohio))和Yellow 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。
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“10415Golden Yellow”、“10411Golden Yellow”、“10364 Brown”、“10201Eclipse Black”、“V-780IR BRN Black”、“10241 Forest Green”、“V-9248Blue”、“V-9250Bright Blue”、“F-5686 Turquoise”、“10202Eclipse Black”、“V-13810Red”、“V-12600IR Cobalt Green”、“V-12650Hi IR Green”、“V-778IR Brn Black”、“V- 799Black”和“10203Eclipse BlueBlack”(均来自福禄公司(Ferro Corp.))；和Yellow 193、Brown 156、Brown 8、Brown 157、Green 187B、Green 223、Blue 424、Black 411、Black 10C909(均来自薛特颜料公司(Shepherd Color Co.))一些显示增强的红外线反射率的所关注的另外的颜料在Sliwinski等人的美国专利No.6,174,360和No.6,454,848中有所讨论，两者全文以引用方式并入本文。在其它实施例中，粒料包括非IR反射颜料。
可使用任何所需技术或方法用这些颜料中的一种或多种涂覆粒料。在一些情况下，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涂覆粒料。碱金属硅酸盐和硅铝酸盐充当无机粘结剂并且为涂料的主要组分。作为主要组分，这种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％的量存在。来自这种浆液的涂料总体上生成陶瓷。
图2提供屋顶粒料200的示例性实施例，该屋顶粒料200包括玻璃基底和在玻璃基底内的多个孔(未示出)，如本文所述，并表现出涂覆有涂料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。
由于水性硅酸钠的可用性和经济性，可使用水性硅酸钠，但因此等同形式材料诸如硅酸钾可另外完全或部分被取代。碱金属硅酸盐可称为 M2O:SiO2，其中M表示碱金属诸如钠(Na)、钾(K)、钠和钾的混合物等等。SiO2对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，根据待制备的颗粒状的材料的颜色，具体优选约2.75:1和约3.22:1的比，当产生浅着色粒料时优选前者，而当期望暗着色的粒料时优选后者。
使用的硅铝酸盐可为具有式Al2Si2O5(OH)4的粘土。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市售的和可用的硅铝酸盐粘土为硅铝酸盐，其以商品名“Dover”得自马里兰州哥伦比亚的格雷斯戴维逊(Grace Davison,Columbia,Md.)和以商品名“Sno-brite”得自康涅狄格州新迦南的尤尼明公司(Unimin Corporation, NewCanaan,Conn)。
硼酸盐化合物可为以商品名(加利福尼亚州瓦伦西亚的美国硼砂公司(U.S.Borax Inc.,Valencia,Calif.))获得的硼酸钠；然而，可使用其他硼酸盐，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，其通过加热硼硅酸盐玻璃垃圾至足以使玻璃脱水的温度来获得。
可基于建筑构造制品中的应用或用途，控制或选择粒料的结构。粒料可具有孔和颜料的均匀分布，或可具有在具有不同属性的粒料内的区域。例如，粒料可具有带有一个水平的孔隙度或颜料的芯部区域和带有不同水平的颜料或孔隙度的外壳或表面区域。另外，粒料可为规则或不规则形状的。粒料可另外具有多种形状外形，该外形包括但不限于球形、块状、板状或盘状。另外可将粒料以工程方式设计成具有所需形状并且可共混，以提供优选粒度和/或形状分布，以用于在含沥青的表面上形成最佳填料或用于其他功能。
图5示出具有内部区510和外部区520的粒料500的示例性实施例的剖面图。外部区520至少部分地直接或间接包围内部区510，并且在至少一个属性方面与内部区510不同。在各种示例性实施例中，作为不同的材料组合物和/或导致不均一的粒料所选择的制造工艺的结果，内部区510和外部区520可提供不同的属性。可选择每个区的属性以提供如针对特定应用或功能可期望的粒料。在各种示例性实施例中，选择内部区510和外部区 520的属性，以提供所需反射率、机械强度、UV不透明度、耐污染性、长期耐气候性、减小的粉尘生成或其他属性中的一种或多种的组合。
内部区510和外部区520各自占粒料500总体积的显著部分。在各种示例性实施例中，外部区520可占粒料500总体积的至少10％或可占粒料 500总体积的介于约10％和90％之间、介于20％和70％之间、或介于约 30％和60％之间。在各种示例性实施例中，内部区510可占粒料500总体积的至少10％或可占粒料500总体积的介于约10％和90％之间、介于20％和70％之间、或介于约30％和60％之间。可针对特定应用或功能来选择区 510和区520的厚度。在各种示例性实施例中，外部区520具有介于约 50μm和500μm之间的平均厚度，并且在粒料上不同位置处可以有差别。此类值可提供例如反射率、机械耐久性和/或本文所述的其他属性的所需平衡。
可控制内部区510和外部区520的孔隙度以生成具有所需反射率、机械强度、UV不透明度、耐污染性、长期耐候性和/或减小的粉尘生成的粒料。在示例性实施例中，外部区520具有比内部区510更大的孔隙度，并且可具有更大的孔内容积％和/或更大数量的孔。在一些实施例中，外部区 520的孔521具有比内部区510的孔511更大的平均粒度。在其它实施例中，外部区520的孔521具有在整个外部区520更大的分布，和/或外部区 520中的总孔内容积％可大于内部区510。至少部分地包围相对较低孔隙度的内部区510的具有相对更大的孔隙度的外部区520可导致具有高反射率和所需机械强度的平衡的粒料。相对多孔的外部区520导致较高的反射率，而较少多孔的内部区510提供另外的机械强度和/或所需水平的UV吸收。
在示例性实施例中，通过提供由于相对较高孔隙度而具有较大反射率的外部区520和更致密的内部区510的组合，粒料500提供增强的UV阻挡性。在示例性实施例中，通过外部区520，高百分比的光被散射和/或反射，而剩余的UV光的至少一部分则通过内部区510和/或外部区520的吸收而被阻挡。因此示例性粒料500可提供高UV阻挡性而表现出相对低UV 吸收率。
孔数量和孔径可由例如SEM后向散射电子成像来测定。平均孔径和数量可例如通过测定孔面积对横截面的总面积或横截面区域的总面积，从剖面图进行测量或估计。在示例性实施例中，内部区510中的孔的面积百分比小于外部区520中的孔的面积百分比。在各种示例性实施例中，外部区520中的孔的平均面积百分比介于约1％和20％之间、介于2％和15％之间或介于约3％和10％之间，并且内部区510中的孔的平均面积百分比小于约 20％、15％、10％或小于约5％。在各种示例性实施例中，相比于外部区 520中的孔的面积百分比，内部区510中的孔的面积百分比小于约90％、 75％、50％、35％，或小于25％。可将粒料若干横截面的面积百分比求平均，从而得到孔的平均面积百分比。在各种示例性实施例中，例如，内部区510和内部区520的孔的面积百分比或孔的平均面积百分比为代表内部区510和外部区520中的孔的总体积百分比。在示例性实施例中，外部区 520可具有介于约1％和20％之间、介于2％和15％之间或介于约3％和10％之间的孔内容积百分比。
存在于粒料500中的孔的类型影响粒料500的功能性和性能。例如，闭合孔会形成更大的耐污染性。开放孔可适用于某些应用，诸如添加剂的受控剥离。在示例性实施例中，外部区520中的大多数孔为闭合孔。
可使用各种技术以制造具有表现出比内部区更大的孔隙度的外部区的粒料，诸如示例性粒料500。在示例性实施例中，可如上所述通过形成细玻璃粉的干砖、粉饼、球剂、骨料或结块来制造粒料500，以生成生坯。可热处理玻璃颗粒的生坯以使得颗粒结构部分或全部压实。热处理使得玻璃颗粒至少部分聚结、熔合、粘性流或粘性烧结。在示例性实施例中，干燥粒料或其他生坯可在明焰窑中热处理，诸如购自威斯康星州绿湾的费克国际 (FeecoInternational of Green Bay,WI)的间歇式明焰回转窑。如本文所述的粒料的直接焙烧生成基本比例的具有至少内部区510和外部区520的粒料。
可基于生坯的材料组合物和经焙烧的产品的所需特性来选择焙烧温度和在焙烧温度下的时间。通常，在玻璃的软化点附近或软化点以上完成热处理。在各种示例性实施例中，例如，以粒料形式存在并且包括约70重量％至95重量％的研磨的硼硅酸盐玻璃的生坯可介于约600℃和1000℃之间、约700℃和900℃之间，或约735℃的温度下焙烧。粒料可在这种温度下焙烧任何合适的持续时间。例如，介于约1分钟和60分钟之间、介于约 5分钟和50分钟之间，或持续约30分钟。在一些实施例中，在相对较高温度下的较短的持续时间可导致具有更完全致密的外部区和不太致密和/或更多孔的内部区的粒料。
粒料500可由均匀的材料组合物形成，或可包括一个或多个包括不同材料的部分。在示例性实施例中，内部区510和外部区520由相同材料组合物制成。内部区510和外部区520可以是均匀材料组合物诸如研磨的玻璃颗粒的组合物的均一化生坯所引起，并且在一些实施例中包括一种或多种添加剂。当生坯经受热处理时，例如在如上所述的明焰窑中，生坯的微观结构以不均一的方式改变并且内部区510和外部区520发展。如上所述，内部区510和外部区520可具有不同的孔隙度或在微观结构方面具有其他差异，该差异赋予内部区510和外部区520不同属性。
作为另外一种选择或除此之外，粒料500可由生坯制成，该生坯具有基本上均匀的化学组成但在生坯的各种区域中包括不同粒度的颗粒。可选择粒度以生成具有内部区510和外部区520的粒料500。在示例性实施例中，在内部区域中具有较小玻璃颗粒和在外边区域中具有较大玻璃颗粒的生坯可生成具有比内部区510更大的孔隙度和/或更大的孔内容积的外部区 520的粒料500。
在各种示例性实施例中，粒料500由两种或更多种材料形成，或在粒料500的所选择部分中包括添加剂，使得粒料500包括如本文所述的内部区510和外部区520。在示例性实施例中，在形成未经焙烧的生坯之前，一种或多种添加剂包括在细玻璃粉的一部分中。在焙烧和/或其他后焙烧处理之后，提供了包括内部区510和外部区520的粒料500。一种或多种添加剂可仅存在于内部区510或者外部区520中，或以不同的量存在于两者中。在一些示例性实施例中，在焙烧之前添加到生坯的添加剂可与生坯的其他组分反应或换句话讲相互作用，以影响粒料500的微观结构。
例如，在焙烧之前可提供一种或多种添加剂，该添加剂有助于外部区 520的增大的孔隙度和/或内部区510的相对较低的孔隙度。在各种示例性实施例中，可包括在焙烧过程中创建另外的孔隙度的碳酸盐诸如碳酸钙、含水氧化物或其他合适的材料和材料的组合。
如本文所述的细玻璃粉可另外在各种基底上用作涂料。在各种示例性实施例中，粒料500包括内部区520，该内部区520包括矿物基岩诸如石英、安山岩、煤渣、辉绿岩、变玄武岩、霞石正长岩、石英岩、流纹英安岩、流纹岩、砾石或其它合适的材料。内部区520也可包括较大玻璃颗粒或其他合适的材料。细玻璃粉可被涂覆到矿物基岩、玻璃颗粒或其他合适的材料上，并且如本文所述地被焙烧以生成具有内部区510和外部区520 的粒料，并且可包括任何合适的添加剂诸如颜料、光催化颗粒、杀藻颗粒、红外颗粒、导热颗粒、导电颗粒和/或如针对特定应用可期望的其他合适的材料。
在各种示例性实施例中，粒料500可由包括两个或更多个焙烧步骤的方法形成。例如，可首先焙烧生坯以形成内部区。内部区可然后涂覆并随后焙烧以形成包括内部区和外部区的粒料500。
图6示出具有内部区610、外部区620、芯区630、中间区640和外表层的粒料600的示例性实施例的剖面图。外部区620至少部分地间接包围内部区610。中间区640在外部区620的至少一部分和内部区610之间。内部区610、外部区620和中间区640各自至少部分地直接或间接地包围芯区 630。一个或多个另外的层可至少部分地包围内部区610、外部区620、芯区630和中间区640中的一个或多个，或至少部分地被内部区610、外部区 620、芯区630和中间区640中的一个或多个包围。内部区610、外部区 620、芯区630和中间区640中的一个或多个可由如本文所述的材料和技术形成。中间区640和芯区630可分别在至少一个属性方面表现出与内部区 610和/或外部区620的差异。在各种示例性实施例中，例如，根据粒料600 的材料和制造方法，芯区630具有可比内部区610的孔隙度更大或更小的孔隙度。
如本文所述的粒料可用于任何合适的建筑材料，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。在各种示例性实施例中，建筑材料包括多个粒料，诸如粒料500、600，其包括内部区和外部区。在一些示例性实施例中，基本上所有的粒料包括内部区和外部区，而在其它实施例中仅粒料的一部分包括内部区和外部区。粒料500、600可与其他类型的粒料混合。在一些实施例中，仅粒料的一部分在制造过程中发展内部区和外部区。可提供具有多个粒料的建筑材料，其中大于30％、大于50％、大于70％、大于90％或基本上100％的粒料包括内部区和外部区。
源于如本文所述的细小玻璃材料的建筑材料据信提供若干优势。例如，得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/或其他添加剂在未被破坏和/或未改变的状态下存在，该细小玻璃材料在接近细小玻璃材料的软化点的相对低温度下烧结、熔凝、聚结或换句话讲形成。即，颜料和/或其他添加剂可在粒料的整个玻璃基底中部分或完全结合，而不被制造方法功能性地改变，从而导致具有高百分比玻璃的屋顶粒料，以及如针对特定应用所需的特征和特性。
此外，源于细小玻璃颗粒并且表现出具有比内部区更大的孔隙度的外部区的粒料和其他建筑材料可提供高反射率和UV吸收率的独特的组合。例如，外部区中闭合孔的存在另外阻止可影响屋顶上粒料外观的粒料玷污，并且因此此类粒料可允许对它的美观品质的更大控制并在被延长的时间周期维护所需外观。因此，如本文所述的粒料和其他建筑材料可提供独特的组合或特征和特性，该特征和特性可减少能量成本同时提供高耐用材料，该高耐用材料能够在被延长的时间周期提供所需美观外观。
源于细小玻璃颗粒的建筑材料可结合到合适的建筑产品中，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示出包括根据本发明的多个屋顶粒料310的示例性屋顶材料产品300，该多个屋顶粒料310各自具有带有多个孔的玻璃基底。屋顶材料产品300包括将粒料310附着到基底层330的粘合剂层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可为可随后接合到基于沥青的基底或其他基底的膜或中间层。
实例
以下具体但非限制性的实例将示出本发明。
使用三种处理方法以产生实例1至实例9的用于测试的粒料样本： (1)将玻璃湿磨，浆液干燥、焙烧且然后压碎至-12+40等级(实例1- 3)；(2)将玻璃湿磨，浆液在模具中成型并干燥、从模具中释放以及焙烧(实例4a-4e)；(3)将玻璃湿磨，浆液干燥、压碎至-12+40等级，且然后焙烧。(实例5-9)。使用三种处理方法中的每个制成的样本的结果示于表3中。
针对所有的实例，使用1.5E空气质量设定值，使用SSR-ER v6型太阳光谱反射仪测量反射率，其购自德克萨斯州达拉斯的设备和服务公司 (Devices and Services Co.ofDallas,Texas)。针对“量杯”测量，粒料以约5mm的深度加载到样本夹持器中。粒料的表面使用辊压平。针对“平坦”测量，粒料倾注在购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Co.of St.Paul,Minnesota)的471黑乙烯基带材上方，且挤压以附着。倾注和挤压步骤重复3至5次以确保在带材上的良好粒料覆盖。
针对所有的实例，使用购自IMT-数码(IMT-Digital)的I-SOLUTION 图像分析软件测量覆盖率。使用手动阈值分割工具执行面积分析以确定被粒料覆盖的黑表面的百分比。
通过超微磨碎玻璃制备实例1-3，该玻璃通过压碎硼硅酸盐组合物的未使用的透光玻璃小瓶获得。使用Union Process Model 01HD/HDDM Attritor (联合处理01HD/HDDM型磨碎机)，并且以70％固体负载将玻璃添加至 H2O中，并用5mm氧化钇稳定的-氧化锆(YSZ)介质研磨三小时来执行超微磨碎。研磨后中值原生粒度为1.3微米。浆液分为三个相等部分，并且向每个部分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中所示。添加颜料后，浆液用5mm的YSZ介质球磨约一小时以均匀地分散颜料。三种制备的浆液然后倾注到带特氟隆膜衬里的耐热玻璃碟中，且在100℃下在烘箱中干燥过夜。然后干燥浆液“块”在箱式窑中在850℃下热处理四分钟。这种热处理允许玻璃颗粒的粘性烧结发生且捕集孔和颜料两者。烧结的玻璃块然后使用研钵和研杵压碎并筛分以获得用于分析的-12+40粒度级分。结果在下表1中示出。
表1
使用类似实例1-3的浆液制备方法制备实例4a-4e。实例4a-4e组成上相同于实例2，实例2具有首先3个实例中的在平坦的黑色带材上的最高 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成型为2mm×2mm×0.5mm共振腔，干燥且然后从模具中释放。如示于下表2中的实例4a-4e表示，所得的“瓦”然后焙烧至各种温度持续四或八分钟，并且显示这些样本中被捕集孔隙度的程度的扫描电镜(SEM)图像分别示于图4A-图4E中。
表2
使用类似实例1-3的浆液制备方法制备实例5-9。浆液中的玻璃原生粒度在1.2至1.5微米中值的范围内。将具有添加的颜料的浆液盘式干燥，类似实例1-3。然后使用研钵和研杵将干燥的浆液粉饼压碎，并且筛分压碎的颗粒以获得用于分析的-12+40粒度级分。所得的生坯粒料然后焙烧至各种温度持续四或七分钟。结果在下表3中示出。
表3
实例10至实例12和比较例13由未使用的购自新泽西州米尔维尔的尼普洛玻璃(Nipro Glass of Millville,NJ)的硼硅酸盐玻璃管材制备，该硼硅酸盐玻璃管材通过约40小时的研磨时间润湿球磨至约2微米的d50。将二氧化钛(Tiona RCL-9，购自马里兰州亨特山谷的世纪化学公司(Millenium Chemicals of Hunt Valley,MD)添加到浆液中并在球磨中混合额外的五小时。所得的浆液具有约10重量％的二氧化钛和90重量％的研磨的硼硅酸盐玻璃的固体部分含量和约27.68％的含水量。使用购自明尼苏达州明尼阿波利斯的毕派克斯国际(Bepex International of Minneapolis,MN)的Bepex Turbulizer TCJS-8来凝聚浆液。凝聚的粒料在流化床干燥机中干燥并筛至- 10+28目。
通过在购自费克国际(Feeco International)的间歇式明焰回转窑中焙烧干燥的粒料来制备实例10至实例12，该间歇式明焰回转窑具有20英寸的内径和24英寸的长度。窑加载有约0.45立方英尺的粒料。将粒料加载到窑中之后，窑达到735℃约35分钟。以单个批次将实例10、实例11和实例12的粒料加载到窑中，但在窑达到约735℃之后，分别在20分钟、30 分钟和35分钟后从窑中去除。
通过在购自费克国际(Feeco International)的连续式非明焰回转窑中焙烧干燥粒料来制备比较例13。窑管具有6英寸直径和约20至25lbs/hr的进料速率。窑热区为约36英寸长并且窑温度被设定至760℃。
所得的样本被测试颜色和反射率，并且颜色和反射率测量的结果示于表4中。相比于比较例13的非直烧粒料，实例10、实例11和实例12的直烧粒料各自表现出意料不到的改善的反射率。实例10、实例11和实例12 中的每一个表现出大于81％的测量的平均总太阳能反射率，而比较例13表现出约75％的测量的平均总太阳能反射率。
实例10、实例11和实例12的直烧粒料与比较例13的非直烧粒料之间所测量的颜色也不同。实例10、实例11和实例12在L*中较亮约2个单位并且在b*中较少黄约1个单位。
表4
据信，实例10、实例11和实例12之间的性能差异是由于在实例10、实例11和实例12的直烧粒料与比较例13的非直烧粒料之间的微观结构中的意料不到的差异。这些差异可在相应的粒料实例的SEM背散射电子成像中观察到。图7为实例10的粒料的横截面的低放大倍数SEM图像。图像从实例7的粒料获得，该粒料置于固化的环氧树脂中并且抛光，使得大于50％的暴露的粒料抛光超过粒料的中点。如可观察，许多粒料具有外部区720，该外部区720具有比被外部区720包围的内部区710相对更大的孔隙度和更大的孔内容积。一些粒料诸如粒料A表现出具有相对大的孔的浓度的芯区730。其他粒料诸如粒料B表现出相比于内部区看起来在孔隙度上没有显著差异的芯区。
基于粒料A的图像分析，其中黑像素代表孔，粒料A在外部区中具有约5.5％的孔的面积百分比，在内部区中具有约0.2％的孔的面积百分比，以及在芯区中具有约10.2％的孔的面积百分比。分别占粒料A的总横截面积的约37％、41％和22％的外部区、内部区和芯区示于图7中。
图8和图9分别为实例11和实例12的粒料的横截面的低放大倍数图像。类似于实例10的粒料，实例11和实例12的许多粒料具有外部区，该外部区具有比被外部区包围的内部区相对更大的孔隙度和更大的孔内容积。示于图8和图9的实例11和实例12的示例性粒料在外部区中分别表现出约3.3％和3.9％的孔的面积百分比，在内部区中分别表现出约0.1％和 0.7％的孔的面积百分比，以及在芯区中表现出约5.3％和8.5％的孔的面积百分比。在实例11的粒料中，外部区、内部区和芯区分别占总横截面积的约 33％、49％和18％。在实例12的粒料中，外部区、内部区和芯区分别占总横截面积的约41％、29％和30％。
图10是比较例13的粒料的横截面的低放大倍数图像。粒料表现出在整个粒料中变化的粒度的孔，并且看起来不表现出更大的孔隙度或孔内容积的外部区，该外部区包围孔内容积的相对更低的孔隙度的内部区。
图11为实例12的粒料的横截面的图像，其示出在外部区和内部区的孔隙度。黑暗或黑色区域为孔，并且相比于内部区，在外部区中明显较大并且更频繁。外部区的孔与以灰色示出的硼硅酸盐玻璃具有类似比例。如果存在的话，内部区包括比例小得多的孔。
在不脱离本发明的范围的前提下，可对所讨论的示例性实施例进行各种修改和添加。例如，尽管上述实施例涉及具体特征，但本发明的范围也包括具有不同特征组合的实施例和不包括上述特征中的全部的实施例。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。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。因此，本公开的范围不应受限于本文所述的具体细节和结构，但相反应以权利要求的文字所描述的结构和那些结构的等同物进行限定。

Claims (24)

1.一种建筑材料，包括：
非空心的玻璃粒料，所述粒料具有内部区和外部区，所述外部区至少部分地包围所述内部区，其中所述内部区和所述外部区各自占所述粒料的总体积的大于10％，并且所述粒料包括大于20体积％的玻璃，其中所述外部区具有比所述内部区更大的孔隙度，并且所述外部区的孔的平均面积百分比介于1％和20％之间。
2.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述粒料包括大于50体积％的玻璃。
3.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区包括大于50体积％的玻璃。
4.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区包括大于50体积％的玻璃。
5.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区占所述粒料的总体积的介于20％和70％之间。
6.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区占所述粒料的总体积的介于20％和70％之间。
7.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区和所述外部区在选自硬度、孔隙度和密度的属性方面不同。
8.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区具有介于2％和15％之间的平均孔内容积。
9.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区的孔的平均面积百分比介于2％和15％之间。
10.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区的孔的平均面积百分比小于3％。
11.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区的孔的平均面积百分比小于所述外部区的孔的平均面积百分比的90％。
12.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区包含矿物基岩。
13.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述内部区和所述外部区由相同的材料形成。
14.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述粒料为屋顶粒料。
15.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区完全包围所述内部区。
16.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述粒料包括至少部分地在所述内部区和所述外部区之间的中间区。
17.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述粒料包括芯区，并且所述内部区和所述外部区包围所述芯区。
18.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述外部区包括所述粒料的外表面。
19.一种建筑材料，包括：
非空心的玻璃粒料，所述粒料包括大于50体积％的玻璃，所述粒料具有内部区和外部区，所述外部区包围所述内部区，所述内部区和所述外部区各自占所述粒料的总体积的大于10％，其中所述外部区具有介于2％和20％之间的孔内容积并且其大于所述内部区的孔内容积。
20.根据权利要求19所述的建筑材料，其中所述外部区的孔的平均面积百分比介于2％和20％之间。
21.根据权利要求19所述的建筑材料，其中所述内部区具有小于3体积％的孔。
22.一种用于制备建筑材料的方法，包括：
将细玻璃粉设置在成形装置中；
形成所述细玻璃粉的生坯；
在明焰窑中热处理所述生坯以使得所述玻璃粉至少部分地压实，其中经焙烧的所述玻璃粉包括具有内部区和外部区的粒料，所述内部区和所述外部区在至少一个属性方面不同，其中所述外部区具有比所述内部区更大的孔隙度，并且所述外部区的孔的平均面积百分比介于1％和20％之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述外部区的孔的平均面积百分比介于2％和15％之间。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述成形装置以粒料的形状形成生坯，所述粒料具有介于300μm和5000μm之间的直径。
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