摘要：本文概述人工彩色石英砂主要的生產(chǎn)工藝，及彩色石英砂的廣泛應(yīng)用在建筑和涂料領(lǐng)域，并指出人工彩色石英砂具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。
一、引言
近年來彩色石英砂應(yīng)用領(lǐng)域及用量呈現(xiàn)增加趨勢。彩色石英砂具有色彩多樣、立體感強(qiáng)、堅(jiān)固、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在建筑裝修、水磨石骨料、噴漆涂料及地面、屋頂材料中，以提高材料的功能性和美觀性。
彩色石英砂通常可分為天然彩砂和人工彩砂兩種。
天然彩砂是由各種天然彩色礦石加工而成的，具有色調(diào)柔和、立體感強(qiáng)、加工工藝簡單等特點(diǎn)，但存在礦源來源的差異問題，導(dǎo)致不同批次產(chǎn)品存在較大色差。此外天然彩砂還存在硬度一般較小、較脆的問題，只適合用于墻體、屋面以及承壓小的地面裝飾材料中。
人造彩砂主要采用白色或淺色石英砂經(jīng)過人工著色得到，具有色澤鮮艷、顏色種類多、性能好等特點(diǎn)，但其顆粒渾圓、質(zhì)感差，色彩不如天然彩砂柔和，質(zhì)感略差。
對(duì)于天然彩色石英砂，但由于礦山資源有限，且開采過程會(huì)造成環(huán)境污染和水土流失。為解決天然石英石資源有限、批次色差大等問題，人工彩色石英砂需求量將逐步上升，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
二、人工彩色石英砂的制備方法
（一）常溫染色法
在常溫的條件下，石英砂和有機(jī)染料直接混合攪拌制備得到。該工藝簡單，能耗小，且得到的彩色石英砂顏色鮮艷。缺點(diǎn)是該法制備的彩色石英砂易褪色，耐候性差。
（二）無機(jī)顏料直接染色法
在常溫下將無機(jī)顏料均勻的附著在砂子表面，在200-220℃環(huán)境中保溫二十分鐘，再將預(yù)熱好的物料在400-420℃溫度下煅燒二十分鐘，冷卻后得到彩砂。該法在生產(chǎn)過程中，若溫度有波動(dòng)同一批彩砂的顏色會(huì)不相同，時(shí)間過長或過短會(huì)導(dǎo)致顏料固化不牢，顏色一般保持一年左右。
由天津華能集團(tuán)通過改進(jìn)預(yù)熱和煅燒的設(shè)備，采用諧波調(diào)速電機(jī)對(duì)熱風(fēng)爐爐排速度控制和調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)門風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)恒溫，及無級(jí)調(diào)速電機(jī)控制預(yù)熱滾筒和煅燒滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)，有效保證了煅燒及預(yù)熱的時(shí)間、溫度一致，受熱均勻，因此可保證彩砂顏色均勻，長時(shí)間不褪色。
（三）樹脂固化法
在200-300℃的條件下，環(huán)氧樹脂、固化劑、顏料形成一層彩色膜包覆在石英砂表面。基本原理是：環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為其特征，環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，使它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。
該染色工藝優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)量大、成本低；缺點(diǎn)是顆粒容易粘連、質(zhì)感差、耐候性差。
（四）高溫?zé)Y(jié)法
在1000℃以上的高溫條件下，經(jīng)高溫?zé)剖篃o機(jī)顏料固化在石英砂表面。該染色工藝優(yōu)點(diǎn)是顏色持久，不變色、耐酸堿、耐高溫，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、能耗高、設(shè)備要求高。
（五）陶瓷彩釉法
陶瓷彩釉法工藝流程分為兩個(gè)步驟，分別為釉料制備和著色。材料表面上釉主要應(yīng)用在陶瓷行業(yè)。
陶瓷彩釉法的基本原理是釉料上釉，胚體為白色或淺色石英砂，在其表面形成一層光滑的彩色釉料。釉料主要成分為助熔劑、粘結(jié)劑、和顏料等。常見熔劑種類有堿性氧化物、硼酸，其主要作用是降低燒成溫度。添加劑的主要作用是懸浮、分散顏料，其中表面活性劑通常具有親水親油基團(tuán)，有助于顏料均勻吸附在石英砂表層。
按配方比例將粘結(jié)劑、陶瓷顏料和助溶劑及應(yīng)補(bǔ)充一定量的水分倒入球墨機(jī)內(nèi)，密封機(jī)口，裝上球磨機(jī)架并啟動(dòng)5-6小時(shí)，將該漿液倒在一定量的石英砂上，充分拌勻，干燥后送入高溫爐中煅燒，溫度隨彩砂的品種而變。
陶瓷彩釉法制備的彩砂與高溫?zé)Y(jié)制備彩砂比較，具有相同的著色效果，但由于陶瓷彩釉法燒成溫度降低，與高溫?zé)Y(jié)法相比成本大大降低。
該染色工藝優(yōu)點(diǎn)是具有顏色鮮艷、耐久性好，缺點(diǎn)是工藝精度要求高、生產(chǎn)成本高、顏色品種受到一定限制。
（六）搪瓷法
搪瓷法生產(chǎn)彩砂我國已經(jīng)有較悠久的歷史，解放以后發(fā)展更快，現(xiàn)有八十多個(gè)廠家生產(chǎn)。搪瓷是一種復(fù)合材料，首先是金屬，其次是瓷釉兩種材料的結(jié)合，瓷層就是將瓷釉經(jīng)過一系列較為復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)煅燒在金屬上的產(chǎn)物，而搪瓷色釉裹砂工藝就是利用搪瓷釉的這種特性，使其在石英砂表面形成復(fù)雜的堿一硼一硅酸鹽玻璃體。
1、釉料制備工藝。將各種原料計(jì)量倒入球磨機(jī)內(nèi)，啟動(dòng)球磨機(jī)粉碎均勻送入1300℃左右的專用高溫爐熔融成液體流入水中進(jìn)行水淬，將水淬成細(xì)小玻璃狀顆粒晾干后，再放入球磨機(jī)同時(shí)加入適量的蘇州土和水，啟動(dòng)球磨機(jī)待粉碎成一定細(xì)度的漿液備用。
2、彩砂制備工藝。按配方比例將釉料、搪瓷色素、分散劑、粘結(jié)劑和水倒入球磨機(jī)內(nèi)，再將研磨好的漿液與石英砂攪拌均勻，干燥后送入800℃高溫爐中煅燒，恒溫10-15分鐘，冷卻后得到彩色石英砂。
搪瓷法工藝較陶瓷法有較多優(yōu)點(diǎn)，搪瓷法煅燒溫度較低而一致，時(shí)間亦稍短，可以節(jié)約能源，提高產(chǎn)量，另外抗風(fēng)化性能提高，色譜更加廣泛齊全。
（七）硅酸鹽廢渣法
基于人造彩砂的制造工藝原理，其主體組分都為硅酸鹽混合物。湖南湘潭化工研究設(shè)計(jì)院研制開發(fā)了利用含硅酸鹽材料的廢渣作為原料，添加各種色素及其它輔助材料制作彩砂的工藝技術(shù)。
將硅酸鹽廢渣、色素、粘合劑、添加劑和水分別倒入球磨機(jī)內(nèi)，球磨6-8小時(shí)后，將其漿液與石英砂充分?jǐn)嚢杈鶆颍腿?00℃左右的高溫爐，恒溫10-15分鐘，冷卻后得到彩色石英砂。這里所用的硅酸鹽廢渣作為釉料使用，其制備彩砂工藝與搪瓷法工藝類似。
該技術(shù)充分得利用廢渣可大大降低生產(chǎn)成本，與陶瓷法、搪瓷法相比，原料來源廣泛、處理加工簡單，煅燒時(shí)間與搪瓷法相同，色譜寬廣，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有很大市場推廣前景。
（八）利用尾礦制備彩砂
選礦廠排出大多數(shù)尾礦，其主要成分以石英為主，此外還含有鉀、鈉、鋁、鈣、鐵等氧化物，各成分的含量為：SiO276.2-86.3%，Al2O37.4-8.4%， CaO0.2-1.3%，MgO0.4%，K2O2-2.8%，Na2O1.0-2.0%，F(xiàn)e2O30.9-1.6%。從含量分析可以看出，在彩色石英砂生產(chǎn)中，可以用它代替石英砂。
方法一：將尾礦砂和無機(jī)顏料混合，加入少量粘結(jié)劑，然后加入礦化劑在高溫下燒結(jié)，通過固相反應(yīng)，使其表面生產(chǎn)一層較為穩(wěn)定的金屬硅酸鹽，從而得到色彩豐富的彩砂。
方法二：將預(yù)先配制好的玻璃原料（石英粉、碳酸鈉、石灰粉按一定比例磨細(xì)）加入著色的金屬氧化物，并與銅尾礦混合，在高溫下煅燒，使尾礦表面裹上一層帶色的玻璃層，生產(chǎn)出色澤鮮艷的彩砂。
利用尾礦代替石英砂生產(chǎn)彩色石英砂，則能大大降低生產(chǎn)成本，這是因?yàn)槲驳V中石英的含量較高，利用尾礦直接生產(chǎn)彩色石英砂可省去采礦以及破碎等原料加工費(fèi)用，從而降低了生產(chǎn)成本，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境的自然地形、地貌造成新的破壞，還可減輕因尾礦排放對(duì)土壤、環(huán)境、大氣等破壞的壓力，節(jié)約尾礦治理費(fèi)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
三、彩色石英砂的應(yīng)用
（一）環(huán)氧彩砂地坪
環(huán)氧彩砂裝飾地坪是以改性環(huán)氧樹脂及助劑和彩色石英砂制成新型復(fù)合裝飾地坪，通過添加一種或多種不同顏色的彩色石英砂，可搭配成豐富多彩的裝飾圖案及色彩，不但具有很好的裝飾效果，且具有耐化學(xué)腐蝕、耐抗壓、耐磨損、防滑、防水、防火等優(yōu)點(diǎn)。
彩砂環(huán)氧樹脂裝飾地坪開始用于功能性地坪，如防腐、耐磨、防滑，后發(fā)展為通用工業(yè)用地和民用建筑地面，除了具有功能性的要求，還具有裝飾效果。近年來環(huán)氧彩砂裝飾地坪發(fā)達(dá)國家非常流行，被歐美國家譽(yù)為“彩砂無縫硬地毯”。
（二）彩色瀝青路面
彩色瀝青路面是彩砂與脫色瀝青、添加劑作為彩色路面的覆面材料，覆蓋有彩砂的彩色瀝青路面不僅具有方便交通管理、防止交通事故、交通減速提示，還具有美化環(huán)境，吸收噪音，防滑等重要作用。
（三）彩色瀝青瓦
彩色瀝青瓦是以玻璃纖維氈或聚酯氈為胎體，瀝青為涂蓋料的主要成分，一面覆蓋彩砂顆粒，另一面覆蓋隔離材料的一種新型多彩瓦狀屋面防水片材。彩色瀝青瓦具有耐候性好、防水、色彩豐富、形式多樣、除塵自潔性好和施工簡便等特點(diǎn)，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于坡屋面防水裝飾材料。該產(chǎn)品性能由于同類產(chǎn)品，具有廣闊發(fā)展前景，在不久的將來，彩色瀝青瓦有望成為我國建筑屋面的主流產(chǎn)品。
（四）涂料
真石漆、質(zhì)感漆和砂壁藝術(shù)涂料是以水溶性高分子聚合物、彩砂及各種助劑制備得到。由于彩色石英砂作為主要骨料，具有質(zhì)感豐富、色彩多樣、美觀大方，另外具有優(yōu)良的耐候性、耐紫外線、耐老化等特點(diǎn)，通過噴涂等施工方式，可取得類似天然石材及百變狀質(zhì)感的裝飾效果。
（五）裝飾砂漿
彩色裝飾砂漿是以聚合物材料、彩砂石英砂、無機(jī)礦物顏料和填料制備而成的一種新型墻面裝飾材料，具有材質(zhì)輕、柔性好、裝飾性強(qiáng)、防水、透氣、抗漆、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛關(guān)注。由于彩色裝飾砂漿的熱膨脹系數(shù)等熱、彈性模量、外保溫體系與力學(xué)性能的抹面砂漿相似，故與外保溫系統(tǒng)有好的匹配性和相容性。在發(fā)達(dá)國家，彩色裝飾砂漿已廣泛用于建筑物的內(nèi)、外墻裝飾，來代替涂料和瓷磚應(yīng)用。
（六）其它方面的應(yīng)用
現(xiàn)在還有些廠家開發(fā)了彩砂應(yīng)用的新領(lǐng)域：金絲彩沙畫是一種家居飾品，由純手工精制作而成：畫材選用金屬絲、彩砂為原料，以彩色沙石的色彩做為畫面的顏色，用金屬絲鑲嵌出圖案的輪廓。
目前彩砂已用于諸如箔金工藝砂畫（景泰藍(lán)工藝畫）、國畫、傳統(tǒng)臉譜、卡通畫等藝術(shù)作品。彩砂工藝畫制作工藝簡單，成本低廉，工藝畫彩砂顏色過渡柔和，艷麗明快，終身不褪色，可用水洗，是家庭、賓館、飯店、機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位辦公場所、大廳及走廊等場所的裝飾佳品。
彩砂還可用于臺(tái)面、桌面、柱面、雕塑等的飾面材料，不僅樣式獨(dú)特、色彩豐富、質(zhì)感好，而且表面硬度大、耐磨性好，因此倍受人們青睞。彩砂可用于制造地板磚、瓷磚、大理石及裝飾用衛(wèi)生潔具等，具有光滑、美觀、堅(jiān)固耐磨等優(yōu)點(diǎn)。
四、結(jié)語
為彌補(bǔ)天然彩砂資源有限、批次色差大等問題，人工制備的彩色石英砂得到越來越多的研究和生產(chǎn)。目前人工彩色石英砂生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然彩砂，因此只用在附加值高的建材產(chǎn)品中。一方面，如何改進(jìn)染色工藝、降低成本、擴(kuò)大應(yīng)用范圍是人工彩色石英砂未來發(fā)展的熱點(diǎn)問題。另一方面，如何提高人工彩色石英砂的自身附加值，賦予更多的功能性，也成為未來發(fā)展的方向。
目前研究出的特種彩砂包括：抗菌彩砂、抗靜電彩砂、耐磨彩砂、隔熱彩砂、節(jié)能彩砂等。人工彩砂隨著生產(chǎn)成本的降低和自身附加值的提高，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
