[发明专利]弱酸基混凝土染料

说明书

优先权

根据35USC§119(e)，本专利申请要求Hertz等人在2007年5月7日递交的标题为“WEAK ACID BASED CONCRETE STAIN”的美国专利申请11/746,657的优先权，其中该篇专利申请的全文通过引用插入本文。

技术领域

本发明一般性地涉及一种适于为水泥或矿物基材的表面提供颜色的组合物和方法。具体地，本发明涉及一种适于处理水泥表面的组合物和方法，其具有使用非腐蚀性酸基溶液的优点。

背景技术

水泥基组合物在建筑材料、瓷砖铺设、墙壁以及池灰泥、拉毛灰泥、自匀化复合物、屋顶瓦片和水泥修补(cement patch)中具有广泛应用。混凝土及类似材料由碱土金属通常通过如下生产：将波特兰水泥与沙子、砂砾和水进行混合。水泥与水反应从而生成金属碳酸盐(诸如碳酸钙)等。混合物中的碳酸钙不溶于水中，但容易与大多数酸进行反应。

一段时间以来为了改善混凝土的装饰外观需要生产有色混凝土。例如，美国专利3,930,740公开了一种在其中添加了颜料的新混凝土中印上非重复石头图案的工具。美国专利5,735,094公开了一种用于涂覆由液体灰泥组成的装饰涂层的方法，所述液体灰泥包含有色颜料。将染料和颜料加入水泥材料也可广泛用于上述所有材料中。

现有技术已知若干种为混凝土表面提供颜色或装饰的方法。这些包括：吹扫部分固化的混凝土从而生成帚状表面；或者添加着色剂使其与混凝土共混物混合。然而，此后需要彻底清洁涂覆设备，这非常费时费力。这种方法成本很高并且效率很低，这是因为着色剂昂贵，其需要与混凝土充分混合但仅仅在可见的表面需要它们。已知更复杂的表面处理，其包括：将尺寸和颜色不同的石子通过水泥或树脂包埋在混合物区域中。

本领域已知使混凝土着色或染色的最常见方法之一包括：用含有金属盐的酸性溶液洗涤混凝土表面。在涂覆酸性染色溶液并且使颜色显现之后，一般将中和剂涂覆到被染色的混凝土上，然后涂覆透明的聚合物密封保护涂层。

本领域中使混凝土着色的第二种常见方法包括：用酸性溶液洗涤混凝土表面从而粗化或刻蚀表面；采用常见的碳酸氢钠(baking soda)和水的混合物中和并冲洗刻蚀溶液；用聚合物基染料或漆使表面着色；用透明涂层整理表面。

另一种已知方法包括：用酸性溶液洗涤混凝土表面从而清洁混凝土；将聚合物层涂覆到混凝土表面上；将在被涂布的混凝土表面上涂覆第一层水泥和聚合物的水性溶液；将具有粘性背衬的模板施加到第一层水泥和聚合物中被选定的区域上；在模板和第一涂层上涂覆第二层水泥和聚合物；在第二层固化前将有色材料涂覆到第二层水泥和聚合物上；除去模板以使被着色的混凝土表面暴露。密封剂也可以涂覆到被着色的混凝土表面上。

然而，这些涂布方法使用高腐蚀性的酸性溶液，这使操作很危险。如果不用酸，那么混凝土的着色不是永久性的且易于剥离和侵蚀。因此，存在对于使用永久性的低腐蚀性着色剂来形成装饰的、耐用的、被涂布的混凝土表面的混凝土着色方法的未实现的需要。

发明内容

传统的混凝土酸染料用盐酸以使混凝土中的碳酸钙和氧化钙分解并促进与金属盐的离子交换，从而为材料的表面提供颜色。然而，使用盐酸会产生过量的氯化氢烟雾，其会刺激皮肤和眼睛且有毒。此外，盐酸溶液具有非常强的腐蚀性，因而操作和使用都很危险。本发明人发现使用酸和弱碱(诸如盐酸和脲)会获得一种有效且安全的使水泥基材染色的方法。

通常，所有的酸染色剂在涂覆后必须被冲掉以除去过量的盐沉淀。在冲洗前，使用盐酸的酸性染色剂必须被中和，否则冲洗的流出物会污染相邻混凝土。所使用的常见中和剂是氨或氢氧化钠，或者碳酸氢钠溶液。将酸和弱碱组合的额外优点在于：在染色过程中，被染色的混凝土自中和。这节省了在冲洗前进行中和步骤。

具体实施方式

本发明涉及一种为水泥或矿物基材提供颜色的组合物和方法。所述组合物包含：酸，其pKa小于6；弱碱，所述弱碱的共轭酸的pKa小于7但大于所述酸的pKa；以及一种或多种可水溶的金属盐。在各种实施方式中，所述组合物的可水溶金属盐包括过渡元素的盐。在一些实施方式中，弱碱当被施用到水泥材料中时可以分解，结果分解产物是更强的碱。

碱的强度通过其共轭酸的pKa来定义。碱的共轭酸的pKa越高，该碱越强。例如，乙酸盐是其共轭酸(乙酸)具有4.75的pKa的弱碱。乳酸盐是其共轭酸(乳酸)具有3.86的pKa的弱碱。根据这个定义，乙酸盐被认为是比乳酸盐更强的碱。