专利名称：用于木材和其它底物的无机盐着色剂的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种用于木材和其它底物的水基无机盐着色剂。更具体而言，本发明涉及一种金属盐及氧源与底物反应，以提供稳定的颜色或其它例如底物保藏之类的所需效果的方法。
许多在市场上容易得到的商品着色剂是油基或溶剂基，和/或含有危险的化学物质，常会增加环保和健康方面的担心。因此越来越需要不含危险化学品的水基着色剂和涂饰剂。联邦和州的积极行动是禁止使用含挥发性有机化合物(例如石油，溶剂油，甲苯，或苯)的着色剂。
多数用于染色和涂饰木材和其它材料的水基产品，主要是基于悬浮在粘合剂例如丙烯酸树脂中的颜料或染料，它扩散到木材表面，并利用粘合剂固定在那儿。尽管这些产品毒性较低，但它们使所有传统着色剂的一个问题更突出，即它们在使木材例如松木着色时，更深地渗入到软木浆中，而被在树木生长季节的冬眠期所形成的年轮周围的较硬木质所排斥。例如，诸如MinwaxTM之类的着色剂可以将松木染成通常的类似枫木的颜色，但是这样会突出松木的明显的纹理特点。这样的产品容易产生边缘结果和不均匀的着色图案。因此，能够使硬木和软木均匀着色，从而形成具有淡得多的纹理图案的类似枫木的整体颜色，使软木更有效地模拟硬木的外观的着色剂具有很大的优势。此外，水基着色剂容易突出木材的纹理，要求额外的砂磨工艺。
人们需要一种对环境有利的，可以使快速生长的、禁得起采伐的木材例如松木，和其它生长迅速并因此“可更新”的木材资源具有特定的视觉外观的染色方法，所述特定的视觉外观是指外观如同那些濒危的硬木，例如桃花心木，乌木，红杉，以及其它越来越稀少和昂贵的树种。
建筑，家具，和木制品工业需要新的改进的有效用于软木的水基着色剂。同样，人们需要一种对环境有利的染色方法，用于木制产品例如纸和纸板，织物例如布和家具包覆材料，及人造聚合物产品。传统的着色剂需要相对长的时间来干燥，并且只能在55°F或55°F以上温度使用。人们需要在上述范围之外也能应用的着色剂，例如用在较冷气候下的室外木制品。
传统着色剂是由粘合剂和颜料或染料制成。许多这类着色剂是“短暂的”，随时间延长而褪色，特别是户外的装置。永久的并且不随时间而褪色，甚至变得更浓和略深的稳定的着色剂，是对传统着色剂的一种改进。
传统的着色剂仅能用于干燥的，经过处理的木材。人们需要一种可以应用于湿的或“绿色的”未处理木材的着色剂。传统着色剂覆盖了芳香木材例如香柏的表面，使木材不能释放出天然香气。能够使木材完全保持芳香的着色剂是有利的。传统的油基着色剂很难再用水基丙烯酸涂饰剂涂覆。能够用任何种类的油基或水基涂饰剂涂覆的着色剂具有显著的优点。
用于模拟木材老化的着色剂，例如Cabot Stains Bleaching Oil(TM)，仅能用于户外，并且自涂布后需要数月时间才能出现木材的老化外观。能够用在室内并且立即发生的老化处理具有明显的优势。其它的老化方法要求使用强酸，漂白剂和其它有毒化学品，并且要求复杂的磨损木材的手工技术，例如多次涂刷不同的着色剂以模拟老化木材的纹理图案。一种无毒的，并且可以由普通人员很容易实施的老化处理将是优选的。
已经开发了一些着色方法，以补偿CCA(铜-铬-砷，copper-chromium-arsenic)压力处理保藏的木材的缺乏吸引力的绿色，例如Leach的美国专利US4,752,297和4,313,976。这些方法依赖于有机酸和其它有机化合物。它们主要针对木材的保藏，仅能够产生有限的色彩，不具有通用性。
Gaines等在U.S.4,757,154中公开了一种使用碱土金属基水溶液处理木材的方法。该方法要求在高温和压力下浸渍木材，并进行砂磨以除去不需要的沉积物，因此该方法不是实用的木材着色方法。有些木工将木材浸没在富含铁的化肥溶液中，以产生一种含糊的灰色调。这种着色是不稳定的，不均匀的，随时间而褪色，如果暴露于湿气会淋溶掉，并且如果过度涂覆会产生一种不需要的残余物，所以通常不使用该方法。
发明概述按照本发明，相继涂布一种金属盐和一种氧源，使其以有效量渗透或充满合适的底物，以便与底物接触反应并生成固定在底物表面的无机盐化合物。本发明将彼此相容的金属盐、氧源和底物相结合，带来一个就地反应，并修饰底物以产生耐久的需要的效果。按照本发明产生的键合到底物上的无机盐化合物，是稳定而耐久的或者是永久的，并且是固定在底物中的或者是不溶于底物的。该无机盐化合物键合或包含在底物的表面中和表面上，所以可以说该无机盐化合物深染于底物的纤维或基质中，或者说结合或深嵌于底物内。所述需要的效果优选是颜色。根据所需要的效果，可以使用多种金属盐。所述氧源优选是过氧化物，而底物优选是纤维制品例如木材，棉，或纸；皮革；或石材。本发明涉及处理底物的方法，处理用具，及经过处理的产品。
本发明满足了长期以来寻找用于木材和其它底物的水基无毒着色剂的需要，提供了一种永久的均匀的着色效果。本发明属于丰富而成熟的木材和其它底物的着色剂、防腐剂和涂饰剂的领域，但是以前从未有人发现或使用过。
木材着色剂工业一直在寻找一些方法，以减少有毒化学品的使用，更有效地使例如难以加工并相对便宜的松木之类的木材着色，并模拟老化的外观。这种需求如此强烈，以至于任何可行的方法都趋向于用于实际应用中。
本发明在以往努力的不成功之处取得了成功。它不需要使用挥发性有机溶剂和有毒化合物、加热或加压——在现有技术中所采用的措施——而不影响性能，并且事实上取得更好的效果。它可以应用于多种木材和其它底物，具有优异的、永久的结果。它在传统处理方法不合适的环境和温度下很快发挥作用，并且足够简单，以至于业余人员也可以使用。
本发明解决了以前未认识到的问题，包括如何使底物与可溶性无机盐及氧源反应以使底物着色；如何在限定用易生木材代替濒危物种的前提下满足消费者的审美观；及如何将一种单一的着色体系用于多种木材和非木底物上。本发明还解决了使软木和绿色木材及相关材料均匀着色和快速老化的问题，这通常认为是无法解决的。本发明所提供的优点在以往是得不到的，例如它对各种外覆的涂饰剂的适应性，染色而不会明显突出木材纹理的能力，及它对底物芳香性的保留。
本发明不同于现有的修饰技术，以前人们不知道或未提出过本发明方法，例如使用无机盐和过氧化物溶液来产生令人惊奇的着色效果。事实上，本发明与现有技术学说相反，现有技术在使颜色形成并稳定化的工艺过程中，更愿意使用着色颜料进行一步处理，而不是两步方法。
本发明的纤维素和其它材料的染色和保藏方法，是将水溶性无机盐饱和到基材上，随后进行氧化，并以某种方式连结或键合到该材料上。该方法在市场上是首次提出，并在商业和消费市场上都提供了重要优势。在一个优选实施方案中，本发明着色剂完全是水基的。该方法不需要任何种类的粘合剂、石油产品、有机溶剂、丙烯酸树脂、染料或其它昂贵的或有毒的材料。所述组分材料对环境和人体健康影响都很小。该产品的独特性能，其即使在户外应用的持久性，其对极软木材的均匀着色能力和对极硬木材的渗透能力，其模拟的木材老化，及获得的色彩的丰富，即使对于那些完全不关心其在环境和健康方面的优点的人也是显而易见的。
按照本发明，一种底物着色方法包括(a)将一种金属盐制备物涂布到底物上，和(b)分开地将一种氧源制备物涂布到该底物上，这样使金属盐和氧源渗透到底物中，并与底物接触反应，以在底物上形成一种稳定的，不溶于水的着色剂，或其它固定的物理特性。
步骤(a)可在步骤(b)之前或之后进行，并且在两步间可以有一个干燥底物的步骤。所述制备物优选是水溶液，并且在该方法所选定的特定工艺条件下的溶液冰点和沸点之间的温度下涂布。所述方法还可以包括在底物表面涂上一个密封涂层。
在一个优选实施方案中，所述底物是禁得起采伐的树木，所述着色剂是相当单一的，所述金属盐是低毒性的并且不认为是危险的，所述金属盐和氧源的制备物是水基溶液，并且所述的氧源基本上没有剩余物。所述金属盐制备物和氧源制备物优选是水溶液。
所述金属盐可以是任何合适的无机盐，并且优选是铁，银，锌，铈，铜，镁，钼，镍，锡，铬，铝，和钛的盐，或者锑，铍，铋，镉，钴，金，铱，铅，锰，汞，铌，锇，铂，钚，钾，铑，硒，硅，钠，钽，钍，钨，铀，钒的盐，或其混合物。用无机盐着色的主要目的是赋予底物需要的颜色，保藏底物，或者两者兼顾。
所述金属盐优选选自硫酸盐，氯化物，高氯酸盐，高锰酸盐，硫代硫酸盐，乙酸盐，硝酸盐，及氧化物，该氧化物能够通过还原反应释放出金属离子，而该金属离子能够在底物存在下与氧源反应生成颜色。其它合适的盐包括卤化物，磷酸盐，碳酸盐，硝酸盐，草酸盐，硅酸盐，酒石酸盐，甲酸盐，铬酸盐，有机盐等，只要该金属离子或化合物足够溶解以渗透到底物中，并且能够与氧源制备物反应以在底物上产生需要的颜色或其它需要的固定的性能。
优选的金属盐是硫酸银，氯化亚铁(II)，高氯酸锌，高氯酸铈(III)，高氯酸亚铁(II)，硫酸亚铁(II)，高氯酸银，乙酸铜，硝酸镁，和硝酸铈。其它优选的金属盐是氧化钼(VI)，硫酸锌，氯化铜(II)，高氯酸镍，硫酸镍，高氯酸铜(II)，硫酸锡(II)，氯化亚锡(I)，硫酸铬(III)，硫酸铝，高氯酸铈(III)，过氧化锌，氢化钛，高氯酸铬(III)，与钛盐复合的锌粉，氯化锰(II)，氯化铝，氯化钛(IV)，氯化银，和硫酸钛(II)。
氧源优选过氧化物。它可以是过氧化氢，过氧化钠，过氧化锌，过氧化钡，过氧化钙，或过氧化锂。氧源可以包括氢氧化物，例如氢氧化钠。氧源能够渗透到底物上，并与金属盐反应，以赋予底物稳定的颜色或其它物理特性。
底物优选是建筑材料或纺织品，并且优选是纤维素类材料，例如软木，硬木，竹，藤，或其它纤维素制品，例如棉，纸，纸板等。底物可以事先进行过涂覆，例如乳胶漆过的表面。底物可以是皮革，织物，或多孔塑料；或者可以是石材，例如陶瓷，石膏，水泥，混凝土，石头，砖，或其组合物。在底物上得到的效果优选是颜色，通常是土灰色调。底物是能够相继用金属盐制备物和氧源制备物渗透和接触，以产生稳定结合在其上面的需要的颜色或其它效果的材料。底物优选是木材，或者是类木制品，即由树木，竹，芦苇或其它农业资源得到的、硬的纤维状的、纤维素基制品，包括纤维板，胶合板，和饰面板。
金属盐制备物和/或氧源制备物还可以包括可相容的添加剂，选自增稠剂，醇，乳化剂，着色剂，颜料，染料，漂白剂，密封剂，涂饰剂，调色物，丙烯酸涂饰剂，乳胶涂饰剂，聚氨酯，胶凝剂，成片剂，表面活性剂，缓冲剂，柠檬酸，单宁酸，醋酸，其它酸，碱，色素，盐，稳定剂，杀菌剂，杀真菌剂，杀虫剂，驱虫剂，防紫外线剂，和阻燃剂。也可以采用本领域技术人员现在已知的，或以后可以得到的其它添加剂，只要它们不影响本发明组合物的操作，并具有合适的贮存期和其它特点。
本发明涉及由本发明方法制备的着了色的或发生其它变化的底物。着了色的或改变了的底物，在其表面或在其内部，含有稳定的制备组分，该组分赋予其颜色或其它需要的特性，所述的制备组分包括包括在接触底物时金属盐和氧源之间发生的化学反应的产物。
本发明还涉及处理底物的一套用具，包括(a)金属盐制备物，和(b)氧源制备物，所述制备物是用来在涂布后渗透底物，并且两种制备物在相继以足够的量涂布后，彼此间发生反应以产生固定在底物上或底物内的化合物，该化合物是稳定的，不溶于水的，并且赋予颜色或其它需要的特性。
所述金属盐制备物优选是水溶液，含有约0.001％～约20％(w/v)，更优选约0.025％～约8％的金属盐。所述氧源制备物优选是水溶液，含有约0.1％～约50％(w/v)，更优选约0.3％～约15％(w/v)的过氧化物。两种组合物中任意之一的浓度都可以是该溶液的饱和点，或者是合适的悬浮液的更高的浓度。
由下面的叙述可以更清楚地了解本发明的进一步的细节，目的和优点。
优选实施方案的详述在叙述本发明的优选实施方案时，为清楚起见，使用了专门的术语。但是，并不是想用所选择的专门术语限制本发明，并且应该明白，每个特定元素包括了所有以类似的方式操作来实现类似目的的技术等价物。为简单起见，本叙述主要针对应用于木制品。但是在大多数情况下，所讨论的方法和组合物也可以应用于各种非木制品。
本发明方法是一种两步方法，优选涉及相继涂布到未经涂饰的木制品上的一种无毒水基无机盐溶液和一种低毒水基氧化溶液。该方法可以用来染色和涂饰类木制品，例如竹或藤，纸，回收的纤维素制品，棉和其它布匹，皮革，某些多孔塑料，瓦片，水泥，和其它石材，及其它基材。
使用者首先刷、喷或用其它方法将水基溶液“A”涂布到木材或其它制品上，依温度和湿度的不同，让该制品干燥约5-30分钟，然后涂布第二种水基溶液“B”。立即开始发生颜色变化，并且再经过约5-30分钟，当B溶液干燥后，制品即被永久地染色了。所述溶液的涂布，也可以通过在标准温度和压力下，或者两者之一在极端条件下，将底物浸泡在溶液中，或者与典型的木材压力处理相结合，以确保完全渗透较厚的底物。
本发明方法可以模拟其它木材，通常是更昂贵的木材的外观(即使松木看起来象枫木，赤杨看起来象胡桃木，或竹胶合板看起来象橡木)。特别地，所述染色方法可以模拟越来越濒危的木材例如桃花心木，乌木，和红杉的色彩。
在另一种应用方式中，使用本发明方法可以为了美观而给新木材以旧的外观，或者使新木材不引人注意地变成古旧家具，古建筑，栅栏或墙面板，这些是翻修工作所需要的。在这样的应用中，可以用粗砂磨、喷砂处理、雕凿、锯痕等方法来处理表面，以使无机盐渗入并提供不规则的颜色，这样是有利的。在其它的应用中，优选最大限度地使着色均匀。尽管即使在一个平滑的表面上，在树节的周围和年轮环区域，颜色多少倾向于更深。然而，按照本发明的着色可以是均匀的，在这种意义上它比传统的水基着色剂更均匀。
所述A溶液含有容易浸透到木材表面的各种无机盐(例如在营养物中所发现的各种富铁化合物)和其它天然化合物。所述溶液B含有氧化剂，例如稀过氧化物，类似于在许多药柜中可以找到的过氧化氢。优选的B溶液浓度更大些。
尽管不想用作用机理限制本发明，但可以相信氧源引起了氧化反应，将溶液A中的无机盐结合到木材的纤维素纤维或底物的其它基材上或其中，该方法在此称为“交联”。由溶液A，溶液B，和底物的组合引起颜色变化这一事实，指出了交联反应的化学本质。与所用的透明溶液和它们的组分不同，得到的颜色是不溶于水的。而且，通常如果溶液A和B没有首先被涂布到底物上即混和在一起，它们会产生一种缺少吸引力的灰黑色或灰棕色沉淀物，该沉淀物是不能用于本发明的着色的。在高浓度和使用过氧化物时，随着氧气从过氧化物中释放出来，所述的反应通过鼓泡而完成。
所述方法包括用可溶于水的无机盐的溶液饱和木材的纤维或其它产品的基材，然后氧化该在纤维或基材中的无机盐，以改变木材的颜色、纹理和总的外观，或其它性能。据信本发明的染色方法使无机盐变成稳定的，不溶的形式，可能是氧化物、配位化合物或其它不溶于水的化合物或复合物，在此称为交联的化合物。
所述金属盐组合物渗入到底物中，使无机盐离子充满该底物，然后该无机盐离子被氧源转变为不溶性着色化合物。这样，如果一种金属氧化物可以用酸溶解，可以涂布以使其渗透到底物中，然后与合适的氧源反应以产生需要的颜色或其它效果，则该金属氧化物可以用作本发明的金属盐，并且被认为包括在该定义中。用可溶性氧化物例如氧化钼(IV)，所述氧化物可以直接渗入到底物中，然后进行反应以产生颜色。而且，溶液A可以包括一种金属的盐例如氯酸钛，与一种单质金属例如锌粉的组合物，这样单质金属被盐氧化产生一种金属盐，然后该金属盐再按照本发明进行反应。
本发明的着色剂可以通过吸收、机械掺混、截留、极性吸引或共价键结合而物理吸附或化学吸附到底物上。采用纤维素类和皮革制品，可以设想所述反应涉及底物制品的纤维素或胶原蛋白基质，尽管如果着色化合物仍保持是物理吸附到这类底物的基质上，没有与它们发生化学反应，它不影响本发明的范围。采用石材时，底物可以与金属盐和氧源反应或不反应，只要着色化合物不溶性地固定在底物上。尽管如此，任何这些设想的作用机制并不限制本发明的范围。
本发明还包括赋予底物其它需要的稳定物理效果的方法和组合物，其中颜色可以是第二因素。例如，组合使用某些金属盐和氧源，按照本发明进行处理，结果可以使底物具有改善的质地，传导性，光敏性，抗真菌性，抗细菌性，驱虫性，或阻燃性。这样本发明的范围包括赋予底物需要的稳定物理变化的方法，该方法系通过相继将制备物A和B涂布到底物上，并使它们反应，以将反应产物固定或结合到底物上或底物中。
在某些情况下，为得到不同的效果，B溶液在A溶液前涂布。不同的无机盐溶液和不同的氧化剂在木材上产生显著不同的效果，并且这些涂饰剂可以推广到各种材料的特殊应用中。
本发明涉及含有各种A和B溶液的组合物和用具，A和B溶液是将水可溶物或其它无机盐、氧化剂和其它物质结合到含水溶液中制备的。
所述产品具有多种商业用途，包括木材着色剂，作为石油、丙烯酸类和乳胶木材涂饰剂的可供选择的替代物；木材老化体系，使新木材表现出旧木材的外观；类木制品的着色剂，用以染色或保藏类木制品，例如竹；布着色剂，用以使布匹、麻织物、亚麻织物、纺织品、皮革和其它类似产品染色；利用抗菌或抗真菌效果保藏木材和其它底物；和石材着色剂使瓦、水泥、混凝土、砖、石头和其它类似产品着色。本发明可用于室内和室外的木材和非木制品。正如可以理解的那样，可以选择金属盐以提供除颜色效果以外的需要的保藏、抗真菌和/或杀虫性能，或者可以与已知的保藏处理相结合。
在某些应用中，按照本发明的两步方法，颜色可能从属于氧源将金属离子键合或连接到底物上的能力。
本发明的一套用具可以分成两个容器，例如塑料瓶，一个用来装A溶液，而另一个用来装B溶液。瓶A和B优选装有溶解在水中的关键无机盐或氧化剂的浓溶液，最终的使用者再将该浓溶液用一加仑或其它体积的水进行稀释。作为一种可以选择的替代方法，所述产品也可以制成粉末或丸片形式，由最终使用者用水完全稀释。该产品也可以制成马上可以使用的完全稀释的液体形式，这会增加运输费用，但是降低了由于所使用的水的种类和稀释技术所造成的可变性。根据消费者(例如专业市场或业余市场)对各种技术的接受能力，及在溶液和干燥条件下，某种化学品的贮存期限内保存的相对难度，具有一般技能的人即可以容易地做出这些决定。优选的配方仅使用无毒物质例如铁和银的硫酸盐，并避免使用有毒的重金属例如铬、钴和铅，这可以避免苛刻的管理规章，并且对运输、标签和处理的要求降到最低。
优选的应用涉及低毒无机盐的可溶于水的溶液，其形式通常是无机盐例如氯化铁在A溶液中，而过氧化钠或过氧化氢作为氧源在B溶液中。为得到适当的结果也可以使用毒性较大的金属，尽管在操作和处理时需要格外小心。其它氧源也可以使用，并且本发明除水溶液或含水溶液外还可以采用制备物来实现。例如，两种组分之一或两者都可以采用凝胶、糊状物、乳液或其它稠的制备物的形式，只要这样的制备物能够将金属盐和氧源以反应物的形式送到底物中。通常这样的稠制备物是含水溶液，尽管在某些应用中含油乳液或悬浮液也是合适的。
在一个优选实施方案中，为形成溶液A的各种制备物，将一定量的无机盐或无机盐组混和到一定体积的净化水中。为形成溶液B的各种制备物，将液态过氧化氢或粉末状的过氧化钠混和到一定体积的水中。作为一种替代方法，将过氧化钠加到过氧化氢溶液中，并且如果需要可以进行中和或加入缓冲剂。其它一些化合物也可以用作本发明的氧源，例如柠檬酸或其它有机和无机酸，前提是它们能够与本发明的合适的金属盐在与底物接触情况下反应以产生需要的效果。
使用本发明无机盐着色剂的第一步是采用刷子、填板、滚筒、喷洒装置或其它合适的方法，将足够量的溶液A涂布到木材或其它底物上，以使溶液A渗透。该溶液通常是澄清的、半透明的或微浑浊的，并且使木材颜色的改变更象涂布水所产生的变化。一些A溶液是橙色的或粉红色的，一些是乳白色的，一些是灰色的。但是以薄的涂层涂布后，在涂布氧源前察觉不到有颜色。可以选择地，用着色剂、增稠剂、表面活性剂和其它添加剂改变A溶液的外观。根据温度和湿度等的不同，溶液A在5-30分钟时间内干燥后，木材看起来很象在其上面涂布任何东西之前的样子。可能有一点灰色。
下一步是以溶液A的同样方式将溶液B涂布到木材或其它底物上。使用浓的溶液B，木材上的颜色立即发生变化。使用稀的溶液，经过5分钟左右的时间，颜色慢慢出现。该过程类似于摄影底片翻印，或者立即成像照片的形成，或者使不可见墨水显现出来。浓的溶液B很容易显示出刷痕，这依所需要的效果，可能是不好的或好的。被染色木材的最终颜色的深浅，更多地依赖于溶液A中无机盐的浓度。
除可以在溶液A中混和两种或多种无机盐，或在溶液B中混和两种过氧化物外，也可以先涂布一种A，然后涂布另一种A，或先涂布一种过氧化氢基溶液B，然后涂布一种过氧化钠基溶液B。这样为实现某些效果，例如用不同的颜色强调突起区域等，本方法的两个基本步骤可以包括两个以上步骤。
下面所讨论的各种木材样品的颜色和色调是用语言进行描述的，但是用两种不同配方处理的两种不同木材样品的视觉印象可能都被描述为“灰棕色”，尽管它们实际上在视觉上产生十分不同的细节差异。按照本发明产生的颜色常常是土色调，即与棕色相关的色调，包括灰色，橙色，黄色，红色，绿色和兰色的各种变体，从浅色到事实上的黑色。也可以实现发乳光或闪光的效果。当使用氧化铝时还可以实现更明亮的色彩效果。为模拟老化，灰色是优选的效果。通过磨损木材的表面以模拟老化的外观，或者通过添加颜料和其它着色剂，可以修饰上述效果。
按照本发明，下列无机盐和氧化物用于使木材着色硫酸钡，硫酸钙，硝酸铈III，高氯酸铈III，硝酸铜II，乙酸铜II，碳酸铜II二氢氧化物，硫酸铜，硫酸亚铁II，高氯酸亚铁II，氯化亚铁II，硫代硫酸钠，硫代硫酸镁，硫代硫酸钾，硝酸钾，高锰酸钾，硫酸银，高氯酸银，硝酸银，硫酸钛III，和高氯酸锌。
其它按照本发明可以使用的无机盐包括硫酸铝钾，氧化钼(VI)，硫酸锌，氯化铜(II)，高氯酸镍，硫酸镍，高氯酸铜(II)，硫酸锡(II)，氯化亚锡(I)，硫酸铬(III)，硫酸铝，氢化钛，高氯酸铬(III)，锌粉，氯化锰(II)，氯化铝，氯化钛(IV)，氯化银，和硫酸钛(II)。
其它能够与氧源在与底物接触情况下反应以使底物着色或提供其它本发明效果的无机盐，可以选自元素周期表中2到6族元素的盐，包括过渡元素，镧系和锕系。所述金属优选选自铝，锑，铍，铋，镉，铬，钴，铜，金，铱，铅，镁，锰，汞，钼，镍，铌，锇，铂，钚，钾，铑，硒，硅，银，钠，钽，钍，锡，钛，钨，铀，钒和锌。
当涂布于木材和其它底物时，本发明可以采用任何可溶于水的无机盐或可溶于溶剂例如酸，醇，或其它含水物质中的氧化无机盐化合物。它可以采用任何能够与氧源和底物反应以形成连结到底物上的有色化合物的氧化无机盐化合物。为方便起见，这样的化合物在此笼统地称为金属盐，尽管某些无机盐元素不是金属，并且某些化合物是氧化物而不是盐。
氧源可以是任何能够在木，竹，皮革，纤维素底物或其它合适的底物存在下，氧化本发明的无机盐的氧化剂。优选的氧源是过氧化物，即包括过氧基(-O-O-)的化合物。过氧化物溶解在水中形成过氧化氢。本发明可以采用任何无机或有机过氧化物，包括KirkOthmer，Concise Encyclopedia.of Chemical Technology，pp.845-850(1985)中所描述的那些，该文献结合在此作为参考。这样，氧源可以是超氧化物或臭氧化物，或过氧酸。它还可以是次氯酸盐或二氧化氯，尽管这些物质是相当有毒的和不稳定的。
一个具有一般技能的人就可以改变和控制下列参数以得到需要的结果。生色反应和得到的颜色及木材的纹理外观，随溶液A中所使用的不同的无机盐而发生很大变化。然而，它们是可重现的，并且可以按照需要进行选择以提供特定的外观。所述效果可能随着溶液A中所使用的无机盐的纯度而改变。下面的实施例使用的是试剂级，而工业级或更低等级的产品对于商业应用也是合适的。
所述效果随着溶液B中所使用的氧源而改变。过氧化钠，过氧化氢及组合物给出需要的效果。其它的无机和有机过氧化物和氧源也是合适的。
所述效果可能随使用的水源而改变。实施例使用净化水。蒸馏水与富含矿物质的井水可能得到略微不同的效果。然而，通常使用自来水或去离子水给出满意的结果。在其它情况下，用添加剂改变pH值或离子强度可能是理想的。
所述效果可能随用于溶解或悬浮无机盐或过氧化物的溶液而发生变化。在下面的实施例中，使用的是水，但是也可以使用其它液体，其中一些与非水可溶无机盐一起使用。替代溶液，也可以将无机盐溶解或悬浮在凝胶，蜡，洗剂，或乳脂(creme)中，并擦进木材或底物中，只要得到足够的渗透作用。木材或底物还必须允许合适的氧源渗透进去，并且所述介质必须是可相容的，它不能影响生色反应。
所述效果可能随溶液的浓度而改变。通常，越稀的溶液产生越浅的色度，但是在某些情况下它们实际上给出不同颜色的外观。
所产生的效果不随涂布溶液时的环境温度而产生可觉察的变化。所述方法可以在高于或甚至略低于32°F或冰点的任何温度下进行，而染过色的木材依湿度和温度条件，可以在少于1小时的时间内干燥并准备进行面涂(如果需要)。对于极低温度下的应用，无机盐和/或氧化剂可以溶解在醇或其它非水溶液中。在下面的实施例中，实验是在室温下进行的，但是在接近冰点温度进行的试验似乎产生同样的结果。如果合适，本发明也可以在很高的温度，或者高压或低压下应用。
反应和所得到的颜色及底物的纹理外观随基材而改变。在下面的实施例中，使用的是砂糖松，但是本发明方法已成功应用于北方松，美国西部黄松，赤扬，杨木，枫木，橡木，槐木，雪松，樱桃木，胡桃木，obinji，和其它木材，而结果当然随颜色，色调，和每种木材的特点而发生很大变化。本发明还成功地应用于竹板，棉，皮革，和石材。竹板是非常硬的木制品，用传统产品不能很好地着色，但是可以按照本发明进行着色。其它底物也是合适的，只要它们是由能够在本发明的氧源存在下结合金属盐的材料制成的。
效果可能随溶液A和B的涂布顺序而改变。通常，由B开始而由A结束，会产生均匀的颜色，但是木材纹理的细微差别更小，这在某些应用中可能是优选的。在模拟老化木材时，应该首先涂布A溶液。为得到非老化外观和均匀的着色，应该首先涂布B溶液。首先涂布B可能使结合到木材上的颜色渗透作用更浅，但是这对于薄的底物可能是合适的。采用多孔底物例如织物或皮革时，优选将底物浸在溶液中以确保均匀着色。
所述结果还随包括在溶液A或B中的添加剂而改变，例如颜料或染料，柠檬酸，漂白剂，醇，溶剂，增稠剂，成片剂，涂饰剂，例如可以同时氧化和密封木材的合适的丙烯酸和其它树脂或聚氨酯涂覆物。作为一种替代方法，可以将一种外涂密封剂涂布到着色剂上。可以选择地，涂覆物可以包括在溶液B中(或者溶液A中，如果溶液A是最后涂布)。
本发明的染过色的木材已经经历过加速老化条件，暴露于阳光、热水、结冰温度和浸没在水中。它耐褪色，并且实际上在暴露后在色调上变得有一点更暗或更暖。这些试验表明本产品产生显著耐久的着色，适合于专业人员和业余爱好者使用，适用于室内外应用。实施例在下列的所有配方中，溶液A配制成无机盐在水中的溶液。浓度以百分数(重量/体积)给出，或者给出无机盐的克数和水的体积数。溶液B配制成15％(体积/体积)的过氧化氢溶液，或者0.3％的过氧化钠溶液(由每升水3.0克过氧化钠制成)。在所有这些例子中，除非特别指出，底物是砂糖松。不同的木材或其它底物同样有效，但是颜色有些差别。这些实验是在65-75°F左右的环境温度下进行的。在涂布了溶液B后，颜色的出现从不足1秒钟到长达1分钟。在不同温度下进行的实验的结果仅有一点点差异。不同浓度的溶液B可使反应加快或减慢，但是得到类似的最终颜色。决定颜色的关键变量是溶液A中的无机盐或无机盐组合物。
在实施例1-10中，将所给质量的无机盐溶解在1升水中。实施例1溶液A0.25g硫酸银(Ag2SO4)溶液B过氧化钠结果中等色度的金棕色实施例2溶液A2.0g氯化亚铁(II)(FeCl2·XH2O)+0.5g硫酸银(Ag2SO4)溶液B过氧化钠结果中等色度的灰棕色，老化的外观溶液B过氧化氢结果中等色度的暖黄棕色实施例3溶液A1.5g氯化亚铁(II)溶液B过氧化氢结果浅色度的暖棕色，略带红色色调实施例4溶液A1.5g氯化亚铁(II)+1.0g高氯酸锌(Zn(ClO4)2·6H2O)溶液B过氧化氢结果中等色度的橙棕色，带有暗棕色到黑色加强的交错纹理溶液B过氧化钠结果中等色度的灰色，带有黑色交错纹理实施例5溶液A1.5g高氯酸铈(III)(Ce(ClO4)3·6H2O)溶液B过氧化氢结果浅到中等色度的黄棕色实施例6
溶液A2.0g高氯酸铁(II)(Fe(ClO4)2·6H2O)溶液B过氧化氢结果浅到中等色度的暖棕色，老化的外观实施例7溶液A2.0g高氯酸铁(II)(Fe(ClO4)2·6H2O)+0.25g硫酸银(Ag2SO4)溶液B过氧化氢结果中等色度的暖棕色，老化的外观溶液B过氧化钠结果中等色度的灰棕色，老化的外观实施例8溶液A1.5g硫酸亚铁(II)(FeSO4·7H2O)溶液B过氧化氢结果中等色度的暖棕色，老化的外观溶液B过氧化钠结果中等色度的暖灰色实施例9溶液A0.5g高氯酸银(AgClO4·H2O)溶液B过氧化钠结果中等色度的暖棕色，老化的外观实施例10溶液A1.0g硫酸亚铁(II)+0.5g高氯酸银溶液B过氧化氢结果中等色度的暖棕色，老化的外观溶液B过氧化钠结果中等色度的灰棕色，老化的外观实施例11溶液A醋酸铜，1克稀释在50ml水中与过氧化氢暖橙棕色，中等色度与过氧化钠不反应实施例12溶液A氯化亚铁(II)0.5克硫酸银0.5克稀释在50ml水中与过氧化氢灰棕色，中等色度与过氧化钠橙棕色，深色度实施例13溶液A高氯酸亚铁(II)8克硫酸银0.25克稀释在100ml水中与过氧化氢暗的老化外观与过氧化钠接近黑色，类似乌木的外观实施例14溶液A高氯酸亚铁(II)4克硫酸银0.1克稀释在100ml水中与过氧化氢暖橙棕色，中等色度与过氧化钠暖红棕色，中等色度实施例15溶液A高氯酸亚铁(II)4克硫酸银0.1克稀释在200ml水中与过氧化氢暖灰色，老化的外观，浅色度与过氧化钠红灰色，老化的外观，浅色度实施例16溶液A氯化亚铁(II)2.5克硫酸银0.5克稀释在150ml水中与过氧化氢反应很少与过氧化钠带有银色光泽的灰黑色，深色度与过氧化钠和过氧化氢混和在一起的混合物带有红色色调的较暖的灰黑色，深色度实施例17溶液A高氯酸亚铁(II)，1克稀释在200ml水中与过氧化氢灰棕色老化外观，浅色度与过氧化钠橙棕色老化外观，浅色度实施例18溶液A氯化亚铁(II)，1克稀释在200ml水中与过氧化氢灰棕色老化外观，浅到中等色度与过氧化钠浓棕色老化外观，浅到中等色度实施例19溶液A氯化亚铁(II)，1克稀释在400ml水中与过氧化氢灰棕色老化外观，浅色度与过氧化钠暖棕色老化外观，浅色度实施例20溶液A硝酸镁，1克稀释在250ml水中与过氧化氢最小限度的结果与过氧化钠黄色外观，中等色度实施例21溶液A硝酸铈，1克稀释在250ml水中与过氧化氢最小限度的结果与过氧化钠黄色外观，中等色度在下面的所有实施例中，过氧化氢为15％的溶液，而过氧化钠则是将2克稀释在1升水中。实施例22高氯酸银1.5克/升水用在混凝土上的结果
与过氧化氢无效果与过氧化钠铁灰色到黑色实施例23氯化亚铁(II)2克/升水用在棉布上的结果与过氧化氢浅灰色与过氧化钠橙棕色实施例24氯化亚铁(II)2克/升水用在白的未涂饰的皮革上的结果与过氧化氢暖的金棕色与过氧化钠灰褐色实施例25氯化亚铁(II)2克/升水用在纸上的结果与过氧化氢浅灰色与过氧化钠浓墨色在本说明书中所举例说明和讨论的实施方案，仅是想教给本领域技术人员本发明人所知的制造和使用本发明的最好方法。本说明书中的任何东西都不应理解为对本发明范围的限制。在不离开本发明的情况下，是可以对上述的本发明实施方案进行修改和改变的，如本领域技术人员根据上述说明可以想到的那样。因此应该明白，在权利要求及其等同物的范围内，本发明是可以通过除上面具体描述的内容之外的方式而实现的。
权利要求
1.赋予底物预定颜色的一套用具，包括(a)一种无机盐的含水溶液，和(b)一种过氧化物的含水溶液，该无机盐和过氧化物溶液在相继以足够的量涂布到底物上后，能够在底物存在下彼此反应以赋予底物颜色。
2.一种处理底物的方法，包括下述步骤(a)用含有金属盐的制备物接触底物，并使足够量的制备物渗透到该底物中，相继地但是不考虑顺序，(b)用含有氧源的制备物接触底物，并使足够量的制备物渗透到该底物中，这样两种制备物在与该底物接触情况下彼此反应，使该底物特性发生稳定的变化。
3.权利要求2的方法，其中氧源是过氧化物，并且两种制备物都是含水溶液。
4.权利要求2的方法，其中金属盐选自铁，银，锌，铈，铜，镁，钼，镍，锡，铬，铝，钡，钙，钠，钾和钛的盐，以及它们的混合物。
5.权利要求2的方法，其中金属盐选自铝，锑，铍，铋，镉，铬，钴，铜，金，铱，铅，镁，锰，汞，钼，镍，铌，锇，铂，钚，钾，铑，硒，硅，银，钠，钽，钍，锡，钛，钨，铀，钒，和锌的盐，以及它们的混合物。
6.权利要求2的方法，其中金属盐选自硫酸盐，氯化物，高氯酸盐，乙酸盐，硝酸盐，高锰酸盐，硫代硫酸盐，和氧化物，以及它们的混合物。
7.权利要求2的方法，其中金属盐选自硫酸银，高氯酸银，硝酸银，氯化亚铁(II)，高氯酸锌，高氯酸亚铁(II)，硫酸亚铁(II)，乙酸铜，硫代硫酸钠，硫代硫酸镁，硫代硫酸钾，硝酸钾，高锰酸钾，硝酸铜，碳酸铜(II)二氢氧化物，硫酸铜，硫酸钛(III)，硝酸镁，高氯酸铈(III)，和硝酸铈，以及它们的混合物。
8.权利要求2的方法，其中金属盐选自氧化钼(VI)，硫酸锌，氯化铜(II)，高氯酸镍，硫酸镍，高氯酸铜(II)，硫酸锡(II)，氯化亚锡(I)，硫酸铬(III)，硫酸铝，高氯酸铈(III)，过氧化锌，氢化钛，高氯酸铬(III)，锌粉，氯化锰(II)，氯化铝，氯化钛(IV)，氯化银，和硫酸钛(II)，以及它们的混合物。
9.权利要求2的方法，其中氧源是过氧化物。
10.权利要求2的方法，其中氧源选自过氧化氢，过氧化钠，过氧化锌，过氧化钙，过氧化钡，和过氧化锂，以及它们的混合物。
11.权利要求2的方法，其中底物是木材。
12.权利要求2的方法，其中底物是类木制品。
13.权利要求2的方法，其中底物选自棉，麻，亚麻，纸，和其它纤维素制品。
14.权利要求2的方法，其中底物是皮革。
15.权利要求2的方法，其中底物选自多孔塑料，粘土，陶瓷，水泥，混凝土，石头，砖，和石材。
16.权利要求2的方法，其中底物是织物。
17.权利要求2的方法，其中赋予底物的效果是颜色。
18.权利要求2的方法，其中步骤(a)在步骤(b)之前进行。
19.权利要求2的方法，其中步骤(b)在步骤(a)之前进行。
20.权利要求2的方法，还包括在两步骤之间的底物干燥步骤。
21.权利要求2的方法，其中制备物是含水溶液，并且在本方法工艺条件下的该溶液的冰点和沸点之间的温度下进行涂布。
22.权利要求2的方法，还包括在底物表面涂布密封涂层。
23.一种包括了权利要求2的方法制备的底物的制品。
24.权利要求23的制品，其中发生变化的特征是颜色。
25.一种包括赋予了制品固定的物理特性的化合物的制品，该化合物是当将金属盐和过氧化物相继涂布到制品上后，该金属盐和过氧化物在与制品接触情况下发生化学反应所产生的。
26.权利要求25的制品，其中固定的物理特性是颜色。
27.权利要求25的制品，其组成物选自竹，藤，纸，纸板，皮革，粘土，棉，毛，其它布匹，麻，亚麻，回收的纤维素制品，砖，混凝土，板石，瓦，水泥，和其它石材。
28.权利要求25的制品，其组成物是木材。
29.权利要求26的制品，其中制品是禁得起采伐的木材，所固定的颜色是土色调，金属盐的毒性低，并且制品基本上不含氧源残余物。
30.处理底物的一套用具，包括(a)一种金属盐制备物，和(b)一种氧源制备物，该制备物是用来在涂布后渗透该底物的，并且两种制备物在相继以足够的量涂布后，彼此进行反应以赋予该底物固定的物理特性。
31.权利要求30的一套用具，其中金属盐制备物和/或氧源制备物还含有添加剂，该添加剂选自增稠剂，醇，乳化剂，着色剂，颜料，染料，漂白剂，密封剂，涂饰剂，调色物，丙烯酸涂饰剂，乳胶涂饰剂，聚氨酯，胶凝剂，成片剂，表面活性剂，缓冲剂，柠檬酸，单宁酸，醋酸，其它酸，碱，色素，盐，稳定剂，杀菌剂，杀真菌剂，杀虫剂，驱虫剂，防紫外线剂，和阻燃剂，以及它们的混合物。
32.权利要求30的一套用具，其中金属盐制备物是含水溶液，含有约0.001％～约20％(w/v)的金属盐。
33.权利要求30的一套用具，其中氧源制备物是含水溶液，含有约0.1％～约50％(w/v)的过氧化物。
34.权利要求30的一套用具，其中金属盐制备物是含水溶液，含有约0.025％～约8％(v/v)的金属盐。
35.权利要求30的一套用具，其中氧源制备物是含水溶液，含有约0.3％～约15％(w/v)的过氧化物。
36.权利要求30的一套用具，其中制备物是适合于由使用者稀释的浓缩物。
全文摘要
按照本发明,向合适的底物上相继涂布一种金属盐和一种氧源,使其以有效量渗透或充满底物,以便与底物接触反应并生成固定在底物表面的无机化合物。本发明将彼此相容的金属盐、氧源和底物相结合,引起一个就地反应,并修饰了底物以产生耐久的需要的效果。按照本发明产生的连结到底物上的无机化合物,是稳定而耐久的或者是永久的,并且是固定在底物中的或者是不溶于底物的。该无机化合物键合或包含在底物中和底物表面上,所以可以说该无机化合物深染于底物的纤维或基质中,或者说深嵌于底物内。所述需要的效果优选是颜色。根据所需要的效果,可以使用多种金属盐。所述氧源优选是过氧化物,而底物优选是纤维制品例如木材、棉纸;皮革;或石材。本发明涉及处理底物的方法,处理用具,及经过处理的产品。对于木制品,本发明提供了一种适用于软木的低毒水基着色剂。
文档编号D06P5/00GK1258329SQ98805500
公开日2000年6月28日 申请日期1998年5月1日 优先权日1997年5月28日
发明者斯蒂芬·B·奥格 申请人:斯蒂芬·B·奥格