專利名稱：改善防水性能的石膏木纖維產品的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的復合材料；尤其涉及一種防水性能得到改善的復合石膏板產品，它特別適用于制備建筑制品。具體地說，本發明涉及一種在制備過程中向石膏和木纖維中加入一種蠟乳液，從而使其防水性能提高的改進的石膏/木纖維建筑板。
石膏(二水硫酸鈣)的某些性能使其廣泛應用于制造工業和建筑產品；尤其是石膏墻板。石膏是一種豐富并且廉價的原材料，通過脫水和再水化處理，石膏可被鑄造、模塑或用其它方法加工成實用的形狀。另外石膏不可燃，并且當其暴露在潮氣中時，尺寸比較穩定。但是由于石膏是一種抗拉強度及抗彎強度都較低的脆性結晶材料，因此石膏的使用一般限于非結構、非承重及非沖擊吸收的應用。
石膏墻板，也稱為灰泥墻或干砌墻，由夾在多層紙蓋板中間的再水化石膏芯構成，主要用于內墻或天花板。由于石膏芯的脆性以及對鐵釘和螺釘的緊固性能差，普通的干砌墻自身不能支承大的懸掛負荷或吸收大的沖擊。
因此，長期以來人們一直在努力尋找，并且現在仍在繼續尋找各種改善石膏及建筑產品性能的方法，即提高抗拉強度、抗彎強度、對鐵釘和螺釘的緊固強度及改善抗沖擊性能的方法。
另一種廣泛應用于建筑產品中、易于獲取并且能為人接受的材料是木素纖維素材料，尤其是木纖維和紙纖維。例如除了木材之外，刨花板、纖維板、木屑板、膠合板及“硬質”板(高密度纖維板)也是建筑工業中使用的由木素纖維素材料加工而成的幾種產品形式。這些材料的抗拉強度及抗彎強度比石膏好。但是木素纖維素材料成本較高、易燃，并且暴露在潮氣中時，易膨脹或翹曲。因此也需要方法對纖維素材料制得的建筑產品的這些使用限制性能加以改善。
以前把石膏和纖維素纖維(尤其是木纖維)的優良性能結合在一起的嘗試取得的成果非常有限。把纖維素纖維(或其它纖維)加入到石膏灰泥和/或灰泥板芯中的嘗試所獲得的強度提高很少或沒有提高，這是因為迄今為止，纖維和石膏之間不能獲得有效的結合。美國專利4328178；4239716；4392896及4645548公開了最新的例子，其中木纖維或其它天然纖維被混合到灰泥(半水硫酸鈣)漿料中作為再水化石膏板或類似物的增強材料。
美國專利4734163講述了一種方法，其中把生石膏或未煅燒石膏磨得很細，并和5-10％的紙漿濕法混合。混合物部分脫水，形成一個餅狀物，用壓力輥進一步脫水，直到水分/固體比小于0.4為止。把餅狀物切成板坯，把修整和切割后的板坯堆疊在雙鋼板之間，送入蒸壓釜中，把蒸壓釜內溫度升高到約140℃以使石膏轉化為硫酸鈣α半水化合物。隨后在容器內板的逐步冷卻過程中，半水化合物再水化為二水化合物(石膏)，得到完整的石膏板。隨后干燥石膏板，并根據需要修飾石膏板。
Baig的美國專利5320677描述了一種復合產品及制備這種產品的方法，其中在壓力下加熱石膏顆粒和木纖維的稀釋料漿，以把石膏轉化為硫酸鈣α半水化合物。木纖維表面上具有細孔或空隙，α半水化合物結晶體就在木纖維的空隙及細孔中間、表面及周圍形成，隨后最好使用類似于造紙設備的設備把熱的料漿脫水形成濾餅，并在料漿冷卻到足以使半水化合物再水化成石膏之前，把濾餅壓制成所需形狀的板。冷卻壓制后的濾餅，半水化合物再水化成石膏形成尺寸穩定、強化的實用建筑板。隨后對該板進行修整及干燥。專利5320677中描述的方法和早期的方法的區別在于石膏的煅燒是在有木纖維的情況下進行的，同時石膏呈稀釋料漿狀態，以致于料漿浸濕木纖維，把溶解的石膏帶入木纖維的空隙中間，并在這些空隙中間及其周圍原位煅燒形成針狀硫酸鈣α半水化合物晶體。
這些現有技術的產品，象普通的石膏墻板、石膏瓦、石膏磚、石膏模塊及類似物的防水性能都比較低。例如，當把普通的石膏墻板浸入水中，石膏墻板很快就吸收了大量的水分；并失去大部分的強度。實際的測試已經證明；當把Φ2×4英寸的石膏板芯材料圓柱體浸入27℃(70°F)的水中時，浸入40分鐘之后，該圓柱體的吸水率為36％。過去已經進行了許多改善石膏產品防水性能的嘗試。這些嘗試包括在半水硫酸鈣料漿中加入防水材料，例如金屬皂、瀝青、蠟、樹脂等。還包括用防水薄膜或涂層涂覆精飾后的石膏產品。King和Camp的專利2198776中公開了過去通過加入防水物質以得到整體防水石膏的嘗試的一個具體例子。該專利說明了通過向含水料漿中噴入熔融材料把石蠟、蠟、瀝青等加入到料漿中的方法。
美國專利2432963說明了把蠟乳液，例如石蠟和瀝青，按每份蠟約1份到10份瀝青的相對比例加入到含水石膏料漿中。由于常溫下石蠟或類似的蠟狀物在瀝青中的溶解度較低，高溫下形成的溶液一冷卻就會在瀝青-蠟表面沉積細微的蠟晶體，從而獲得不尋常的防水性能。美國專利2526537說明了把硫酸鉀加到這種瀝青-蠟混合物中。美國專利5437722也描述了和石膏成分一起使用的一種石蠟基乳液。
本發明的一個目的是提供一種石膏-木纖維板產品，它具有美國專利5320677中描述的那類產品的強度及尺寸穩定性，還具有改善了的防水性能。
本發明提供一種制備防水性能得到改善的石膏板產品的方法，該方法包括把含水蠟乳液加入到一種硫酸鈣材料和基質顆粒的含水料漿中，所述乳液在料漿被保持的條件下是穩定的；把所述含蠟料漿排送到一個平坦多孔的成型表面以形成濾餅；通過所述多孔表面從所述濾餅中除去大部分水分；壓制所述濾餅形成一塊板并除去更多的水；干燥所述板以除去殘余的游離水分，并使所述板的芯部溫度達到足以熔化所述蠟的溫度。
本發明進一步提供一種制備防水性能得到改善的石膏板產品的方法，該方法包括當硫酸鈣材料和基質顆粒的含水料漿處于保持半水硫酸鈣結晶體的溫度時，把含水蠟乳液加入所述含水料漿中，所述乳液在半水硫酸鈣結晶體被保持的條件下是穩定的；在溫度降低到低于半水硫酸鈣快速再水化為二水硫酸鈣的溫度之前，把所述含蠟料漿排送到一個平坦多孔成型表面以形成所述濾餅；通過所述多孔表面從所述濾餅中除去大部分水分，并冷卻所述濾餅至再水化開始的溫度；壓制所述濾餅形成一塊板并除去更多的水分，從而所述基質顆粒周圍的半水硫酸鈣結晶體原位再水化為二水硫酸鈣晶體；然后干燥所述板除去殘余的游離水分，并使所述板的芯部溫度達到足以熔化所述蠟的溫度。
本發明的相關目的是提供一種制備這種改進的石膏板產品的方法，該方法中把蠟乳液加入到半水硫酸鈣和另一種強度較高的物質，例如木纖維的加熱含水料漿中，把所述熱的含蠟料漿排送到一個平坦多孔成型表面以形成一定形狀的濾餅，處理所述濾餅以得到石膏板產品。
本發明更為具體的目的是提供一種無紙墻板，這種墻板在其整個區域內具有均勻的優良強度，包括對鐵釘及螺釘的拔出阻力；它的尺寸穩定性更好；防水性能更好，也就是說甚至將其浸漬于水中，也能保持其強度；它還具有阻燃性；并且生產成本能讓人接受。
根據本發明，其主要發明目的是這樣實現的向半水硫酸鈣和一種強度更高材料的基質顆粒的加熱料漿中加入蠟乳液，把加熱的料漿輸送到一個多孔平坦成型表面形成濾餅，將濾餅脫水，并在半水化合物完全再水化為石膏之前，把濾餅壓制形成板材。根據本發明，主要發明目的最好這樣實現向磨細石膏的稀釋料漿中加入蠟乳液，該磨細石膏已經在強度更高材料的基質顆粒的空隙中間和周圍產生針狀α半水化合物結晶體的條件下被煅燒，把料漿排送到一個多孔平坦的成型表面形成濾餅，在蠟乳液損失最小的情況下使濾餅脫水。在半水化合物完全再水化為石膏之前，壓制濾餅形成板，之后在使該板內部的蠟熔化的條件下干燥該板。已經發現蠟乳液的加入不僅改進了板的防水性能，而且板的強度得到保持，并且在某些情況下，蠟的加入改善了產品的強度。
此說明書中使用的術語“石膏”表示處于穩定狀態下的二水硫酸鈣；即CaSO4·2H2O，包括天然礦物、合成等同物及由半水硫酸鈣(灰泥)或脫水硫酸鈣水化形成的二水化合物材料。術語“硫酸鈣材料”表示任何形式的硫酸鈣，即脫水硫酸鈣、半水硫酸鈣、二水硫酸鈣及它們的混合物。
術語“基質顆粒”表示任何宏觀顆粒，例如除石膏之外的其它物質的纖維、碎屑或刨花。這些顆粒一般不溶于料漿液體，還應具有可以進入的空隙；不論是凹孔、裂縫、縫隙、空隙，還是其它表面缺陷，料漿溶劑都應能夠滲入其中，并且在其中可形成硫酸鈣結晶體。最好這些空隙遍布在顆粒的大部分顆粒體上；顯然空隙越多，分布越均勻，石膏與基質顆粒之間的物理結合越強，幾何結構更為穩定。基質顆粒物質應具有石膏所缺少的但又需要的希望性能，最好，至少具有較高的拉伸強度及彎曲強度。木素纖維素纖維，尤其是木纖維是特別適合于本發明的復合材料及其制備方法的基質顆粒的一個例子。因此，并沒有打算限制可作為“基質顆粒”的材料和/或顆粒的企圖，只是為了方便起見，下文常用“木纖維”來代替范圍更寬的術語。
在此使用的術語“石膏/木纖維”，有時簡稱為“GWF”，表示用于生產板材的石膏和木纖維之類的基質顆粒的混合物，其中至少部分石膏以針狀二水硫酸鈣晶體的形式位于基質顆粒的空隙之中及其周圍，其中二水化合物結晶體由所述基質顆粒的空隙之中及其周圍的針狀半水硫酸鈣結晶體水化形成。GWF板最好由美國專利5320677的方法生產。
在此使用的術語“蠟乳液”代表一種或多種蠟的含水乳劑，通過使用一種或多種表面活性劑使所述一種或多種蠟乳化。蠟乳液必須包含一種或多種適于為最終產品提供防水性能的蠟。和構成產品的石膏與木纖維相比，這一種或多種蠟必須是惰性的。蠟必須呈乳液形式，該乳液在煅燒過程形成硫酸鈣α半水化合物/木纖維料漿的溫度及壓力條件下是穩定的。更重要的是，蠟乳液不僅在存在各種添加劑及各種促進劑或延遲劑的情況下必須是穩定的，而且蠟乳液不能干擾這些添加物的作用，添加劑用于控制半水化合物的結晶過程，促進劑或延遲劑用于調節半水化合物再水化成石膏的過程。最重要的是，為了避免在從料漿中除去水的同時損失蠟，在料漿脫水以除去大部分水分，并形成濾餅的過程中，大部分蠟必須附著于石膏/木纖維顆粒上。蠟的熔點必須低于在產品的最后干燥過程中材料的芯部溫度。在最佳實施例中，在把蠟乳液加入熱的料漿中時，蠟乳液中包括一種陽離子表面活性劑，例如季胺。
在該方法中，未煅燒石膏和基質顆粒與足量液體一起混合形成稀釋料漿，隨后在壓力下加熱該料漿以煅燒石膏，將其轉化為硫酸鈣α半水化合物。盡管對本發明的微觀機理還不完全了解，但是可認為稀釋料漿的溶劑浸濕基質顆粒，攜帶溶解的硫酸鈣滲入基質顆粒上的空隙。最后半水化合物在基質顆粒的空隙中間及其周圍原位成核并形成晶體，主要是針狀晶體。如果需要可在料漿中加入晶體改良劑。最終的復合物是基質顆粒與硫酸鈣晶體的物理連接。這種連接不僅在硫酸鈣和強度較高的基質顆粒之間產生良好的結合力，而且隨后當半水化合物再水化成為二水化合物(石膏)時，阻止硫酸鈣從基質顆粒中遷移開。
許多這種復合顆粒形成材料塊，材料塊在最終凝結之前，可被壓實，壓制成板，鑄造，雕刻，模壓或用其它方法加工成所需的形狀。在最終凝結之后，復合材料可被切割、鑿、鋸、鉆或進行其它機加工。此外，復合材料表現出石膏的理想防火性及尺寸穩定性，另外由于基質顆粒物質的貢獻，某些性能得到提高(尤其是強度及韌性)。
根據本發明的一個最佳實施例，基質顆粒是一種紙纖維。按照本發明，制造一種復合石膏/木纖維材料的方法是把重量百分數約0.5-30％，最好3-20％(以總的固體物質為基準)的木纖維和相應的經研磨，未煅燒的石膏混合。干混物和足量液體，最好是水，混合而形成一種含有約70-95％(重量百分數)水的稀釋料漿。在壓力容器中，在足以把石膏轉化為半水硫酸鈣的溫度下加熱料漿。用平緩攪動或混合持繼不斷地攪拌料漿以便分散纖維塊，并使所有的顆粒保持懸浮。在半水化合物從溶液中析出并形成針狀α半水化合物晶體之后，當從蒸壓釜排出料漿時，釋放產物漿上的壓力，并加入蠟乳液。當料漿仍然處于熱的狀態下，料漿經過頂箱傳送到連續制氈材料傳送機上，例如造紙制備中使用的那種傳送機，以形成濾餅并除去盡可能多的游離水分。在料漿通過頂箱被傳送到在其上形成濾餅的制氈材料傳送機上之前，把蠟乳液和選定的過程改進劑或性能提高添加劑，例如促進劑、延遲劑、減重填料等一起加入料漿中。通過制氈材料傳送機可除去濾餅中多達90％的水分。由于去除了水分，濾餅冷卻到可以開始再水化的溫度。但是，仍需要提供額外的外部冷卻以使濾餅溫度降至足夠低，以在可接受的時間內完成再水化。
在發生徹底的再水化之前，最好把濾餅濕壓成所需厚度和/或密度的板。如果要將板進一步加工成特殊的表面結構或層狀表面裝飾，則再水化最好是在這一加工步驟過程中或這一加工步驟后發生。在濕壓過程中，發生了兩個過程。濕壓最好在逐步增大壓力的情況下進行以保持產品的完整性。更多的水分，大約50-60％的剩余水分被除去，由于更多的水分被除去濾餅進一步冷卻至發生快速再水化的溫度。半水硫酸鈣水化成石膏，從而針狀半水硫酸鈣晶體在木纖維之中及其周圍原位轉化為石膏晶體。在部分再水化之后，需要的話可切割并修整該板，隨后在完全再水化之后，將該板送入干燥器干燥。干燥溫度最好應保持足夠低，以避免表面上的石膏再煅燒，但是干燥溫度又應高到足以使板芯溫度超過蠟的熔點。
為了獲得防水性能的最大改善，使用這樣一種蠟乳液是關鍵，即在GWF料漿成型形成濾餅及脫水時的溫度及化學環境中，該蠟乳液在GWF料漿中是穩定的。通過在蠟乳液中使用陽離子乳化劑，顯著增強了蠟乳液的穩定性。已經發現蠟乳液穩定性不夠將導致GWF板防水性能差。這種乳液也可能會從濾餅中分離出來，并沉積在設備上。用于乳液的蠟的熔點應足夠低，以便當干燥板時，蠟能夠熔解并充分分散到整個GWF板中。
根據前述方法制得的一種復合石膏/木纖維板，其防水性能得到改善，另外還具有現有技術板，例如美國專利5320677的方法制得的板材優良性能的疊加組合。由于本發明板材的防水性能得到了改善，因此和傳統的石膏板及現有技術的石膏/木纖維板相比，本發明的石膏/木纖維板的強度，包括對鐵釘及螺釘的拔出阻力增強了。此外，本發明的石膏/木纖維板可具有一定范圍的密度及厚度。
根據下面對本發明的更為詳細的論述，本領域技術熟練人員將會對本發明的各種特征及優點有清楚的了解。
本發明的基本過程開始于把未煅燒石膏、基質顆粒(例如木纖維或紙纖維)和水混合形成稀釋的含水料漿。石膏可來自原礦石，也可來自廢氣脫硫或磷酸生產中的副產品。石膏的純度應較高，最好至少約為92-96％，并被磨得很細，例如92-96％的石膏的粒度為-100目或更低。石膏粒度較大會延長轉化時間。石膏可以干粉的形式加入或通過含水料漿加入。
基質顆粒最好是來自廢紙、木漿、木屑和/或其它植物纖維源的纖維素纖維。纖維最好多孔、空隙、開裂和/或表面粗糙，因此其物理幾何形狀能夠提供可滲透的縫隙或空隙，這些縫隙或空隙能夠容納滲入的溶解的硫酸鈣。總之，纖維源，例如木漿，還需要預處理以粉碎纖維塊，分離過大或過小的材料，并且某些情況下，需預先取出分離阻止強度提高的材料和/或對石膏的煅燒有害的雜質；例如半纖維素、醋酸等。
磨細的石膏和木纖維與足量水混合形成含有約5-30％(重量百分數)固體的料漿，然而料漿含有5-20％(重量百分數)的固體物質更好。料漿中固體物質應包含約0.5-30％(重量百分數)的木纖維，最好是約3-20％重量百分數的木纖維，余量主要是石膏。
轉化為半水化合物把料漿加入到一個帶有連續攪拌或混合裝置的壓力容器中。此時如果需要可把晶體改良劑，例如有機酸加入料漿中以促進或延遲結晶，或者降低煅燒溫度。向容器中注入蒸汽，使容器內部的溫度上升到約100℃(212°F)177℃(-350°F)之間，并自動產生壓力；上述低值溫度約為脫水硫酸鈣在適當時間內煅燒成半水化合物狀態的實際最低溫度；上限溫度約為在煅燒半水化合物時，不致于使一些半水硫酸鈣轉化為脫水化合物的最高溫度。蒸壓釜的溫度最好約為140℃(285°F)152℃(-305°F)。
當料漿在這些條件下處理足夠長的時間，例如大約15分鐘左右時，將從二水硫酸鈣分子中將排出足夠的水，使之轉化為半水化合物分子。借助連續攪拌使顆粒保持懸浮，溶液將浸濕并滲入基質纖維中的開口空隙。當溶液達到飽和時，半水化合物將在這些基質纖維的空隙之中、上面和周圍，以及沿著基質纖維壁形核并開始形成晶體。
在熱壓操作中，溶解的硫酸鈣滲入木纖維的空隙中間，隨后在木纖維的空隙之中、面上和周圍，以及在木纖維的表面沉淀析出針狀半水化合物晶體。當轉化完成時，蒸壓釜的壓力降低，通常在頂箱加入所需的添加劑，包括蠟乳液，并把料漿排放到脫水傳送機上。包括促進劑、延遲劑、防腐劑、阻燃劑及強度增強劑的常規添加劑可在這時加到入料漿中。已發現某些添加劑，例如特定的促進劑(加速半水硫酸鈣水化為石膏)會明顯影響由蠟乳液獲得的防水性能改善的水平。因此和明釩及其它材料相比，鉀堿是一種較好促進劑。
蠟乳液本發明設想以穩定的乳液形式向料漿中加入足夠的蠟，以產生至少含有1％(重量百分數)的均勻分布的蠟的產品。雖然石蠟利于形成蠟乳液，本發明還是打算使用任一種蠟或蠟的組合物。本發明中使用的蠟乳液最好包括鏈烷烴、地蠟、聚乙烯醇和水的混合物；并且可含有乳液中通常采用的添加劑，包括幫助形成乳液的乳化劑，及幫助穩定乳液的穩定劑。這種類型的一種適合的非離子蠟乳液可從Bakor,Inc。買到，商品名為Aqualite 71，它含有蠟的組合物，據報道這種蠟組合物的熔點為75℃(167°F)。也可使用下述工業石蠟Conoco的Gypseal ⅡBakor的Aqualite 70Deforest Enterprises的DeWax PAR-40Michelman的MICHEM 955石蠟的熔點最好為40℃-80℃。如果熔點高于80℃，在制備普通的石膏墻板中就必需使用高的干燥溫度，這會導致墻板防水性能差。如果熔點低于40℃，制得的石膏墻板的質量較低。
地蠟，也稱為褐煤蠟，是一種硬質天然蠟，顏色呈黑色到琥珀色。它不溶于水，但是溶于四氯化碳、苯和三氯甲烷之類的溶劑。地蠟的加入量為(重量份數)每100份鏈烷烴加入約1-200份，最好為約1-50份的地蠟。
聚乙烯醇通常由聚乙酸乙烯酯水解制得，最好是基本完全水解的聚乙酸乙烯酯。適宜的是，聚乙烯醇至少應為90％水解的聚乙酸乙烯酯，最好為97-100％水解的聚乙酸乙烯酯。適宜的是聚乙烯醇溶于約60℃-95℃的水，但是不溶于冷水。聚乙烯醇的加入量為(重量份數)每100份石蠟中，加入約1-50份，最好為1-20份的聚乙烯醇。聚乙烯醇提供粘附性能，并增加防水性能。
形成乳液的含水載體的水的含量一般為乳液的35-80％(重量百分數)，最好為50-60％(重量百分數)。
可加入蠟中形成乳液的普通乳化劑包括氧代烷基酚聚(乙烯氧基)乙醇、脫水山梨糖醇脂肪酸酯及聚氧乙烯脫水山梨糖醇脂肪酸酯之類的非離子表面活性劑、皂化脂肪酸之類的陰離子表面活性劑及下面詳述的陽離子表面活性劑，表面活性劑的加入量一般為乳液的0.1-5％(重量百分數)。可加入蠟乳液中的普通穩定劑包括堿金屬或銨的氫氧化物，其加入量一般為乳液的0.1-1％(重量百分數)。
本發明中，乳液中最好含有陽離子乳化劑。陽離子乳化劑可以是乳液中含的唯一乳化劑，也可以結合其它乳化劑一起使用。一種特別優選的陽離子乳化劑是ICI Surfactants銷售的商品名為G-265的季胺表面活性劑。其它可用的陽離子乳化劑包括季胺氯化物Tomah Q-17-2(Tomah Products,Inc.銷售)及Ethoquad C/25(AKZOChemicals,Inc.銷售)。Q-17-2的化學式如下
如上所述的陽離子表面活性劑，不管以單一乳化劑或者和其它常規乳化劑一起加入到蠟乳液中，在為制備本發明的板所采用的高溫條件下均促進了蠟乳液的穩定性。已經發現某些條件下，不包含陽離子表面活性劑的蠟乳液會失效并使蠟顆粒聚集在一起，這將導致濾餅粘附在成型設備上，并降低成品板的防水性能。從理論上講由于帶正電的蠟/陽離子表面活性劑被吸引到帶負電的木纖維表面上，因此加入陽離子表面活性劑有助于把蠟保留在濾餅及成品板中。
可把鏈烷烴和地蠟加熱到熔融狀態，并把它們混合在一起制得蠟乳液。使含有乳化劑和穩定劑的聚乙烯醇的熱水溶液和石蠟與地蠟的熱混合物一起通過膠體磨，并冷卻最終得到的乳液。也可使用其它類型設備及方法配制乳液。
把蠟乳液按比例加入石膏/木纖維的含水料漿中，并和該料漿混合，以提供每100份石膏含0.5-20份(重量百分數)，最好1-3份(重量份數)的蠟固體。料漿中可包括發泡劑、分散劑及速凝劑之類的其它成分。已發現加入料漿中的乳液的65-90％的蠟保留在石膏/木纖維產品中，其余的蠟在本發明方法的脫水步驟中損失了。加入料漿中的蠟乳液的蠟固體含量不是決定性因素的。
最好在料漿從蒸壓釜中排放出之后把蠟乳液加入料漿中，為了在濾餅形成及脫水處理步驟之前，蠟乳液有足夠的時間和料漿完全混合，最好在料漿進入頂箱之前把蠟乳液加入料漿中。蠟乳液加入時料漿的溫度不關鍵，但是蠟乳液在料漿所處的條件下必須是穩定的。在一些實施例中，料漿的溫度會高到足以保持半水硫酸鈣晶體的程度。總之，在蠟乳液和石膏-木纖維料漿混合時候的料漿溫度下，蠟乳液必須是穩定的，并且在料漿中存在添加劑，例如促進劑的情況下，蠟乳液也必須保持穩定。另外，在脫水及板成型步驟中蠟乳液也必須保持穩定，而重要的是在脫水及板成型的整個處理期間，必須在濾餅中保留高比例的蠟。
脫水使熱的含蠟料漿通過頂箱，頂箱把料漿分布到一個平坦多孔的成型表面上，以產生濾餅。通過料漿從蒸壓釜中排出時水的蒸發，以及在料漿中的水流通過多孔成型表面時使濾餅脫水，這個步驟最好在真空下進行。盡管脫水使濾餅冷卻，但在脫水步驟中仍然需要施加額外的外部冷卻。在產物料漿的溫度仍然相對較高時，及在半水化合物充分轉化為石膏之前要除去盡可能多的水。在脫水設備中多達90％的料漿水被除去，剩下含水約35％(重量百分數)的濾餅。在這個階段濾餅最好是由與可再水化的半水硫酸鈣結晶體相互連接的木纖維組成，并且濾餅仍可以分解為單獨的復合纖維或球粒，成型、鑄模或壓實到更高的密度。
濾餅的成型、脫水，最好使用美國專利5320677中描述的那種造紙設備，美國專利5320677構成本發明公開的一部分。
壓制和再水化最好濕壓脫水濾餅幾分鐘以進一步降低水含量，并在半水化合物充分再水化之前，把濾餅壓實為所需的形狀、厚度和/或密度。雖然在脫水步驟中排出大部分水會顯著降低濾餅溫度，但是為了在適當的時間內達到要求的再水化溫度，仍然需要額外的外部冷卻。濾餅的溫度最好降低到約49℃(120°F)，以便發生較快速的再水化反應。再水化使α半水化合物晶體原位再結晶為和木纖維物理連接的針狀石膏晶體。
水合可能需要僅僅幾分鐘到一個小時或更長的時間，這取決于料漿中的促進劑、延遲劑、晶體改良劑或其它添加劑。由于針狀半水化合物晶體和木纖維相互連接，并且從濾餅中除去了大部分載體液體，因此防止了硫酸鈣的遷移，得到均勻的復合物。再水化使半水化合物晶體在木纖維的空隙中間或周圍再結晶為二水化合物晶體，從而保持了復合物的均勻性。晶體生長還使相鄰纖維上的硫酸鈣晶體相互連接，從而形成完整的結晶物，該結晶物通過木纖維增強體而提高了強度。
當水化完成時，最好迅速干燥復合體，以除去剩余的游離水分。否則吸濕的木纖維會保留，甚至吸收以后蒸發的游離水分。如果在多余水分被排除之前，硫酸鈣敷層已完全凝結，那么當未化合水分蒸發時，纖維會收縮，并脫離石膏。因此為了得到最佳的結果，最好在溫度降低到水化開始的程度之前，從復合體中除去盡可能多的多余游離水分。
干燥隨后把通常含有約30％(重量百分數)游離水分的壓制板在較高溫度下迅速干燥，以便將成品中的游離水分含量減至約0.5％(重量百分數)或更低。在干燥過程中，重要的是把成品內部溫度升高到足夠高的溫度，保持一小段時間以便充分熔化蠟。顯然應避免選擇會煅燒石膏的干燥條件。已經發現最好在產品芯部溫度至少達到77℃(170°F)，優選約77℃(170°F)93℃(-200°F)的條件下進行干燥。凝固并干燥后的板可被切割并加工成所需的規格。
當最終凝固后，得到的獨特復合材料表現出由其兩種組分提供的優良的性能。木纖維增強了石膏基體的強度，尤其是抗彎強度，而石膏作為敷層及粘結劑保護木纖維，提供阻燃性，并降低潮氣引起的膨脹。
下面的實際例子用于說明本發明改善了防水性能的石膏/木纖維產品的制備及測試，但是應明白所陳述的這些例子只是為了舉例說明本發明，通過適當的變化便可獲得其它多種防水性能得到改善的石膏木纖維產品。
實例1按照如下所述制得一種標準GWF板產品把92％(重量百分數)的未煅燒FGD石膏(廢氣脫硫的副產品)和8％(重百分數)的波紋紙纖維漿的混合物與足量水加入攪拌的蒸壓釜中形成含有15％(重量百分數)固體的料漿，把所得料漿在壓力下加熱到146℃(295°F)，保溫15分鐘，使石膏被煅燒形成α半水化合物。
當從蒸壓釜中排出料漿，釋放料漿的壓力。由此引起的水蒸發使料漿冷卻到約82-100℃(180-212°F)。向料漿中加入促進劑，隨后把料漿送到成型生產線的頂箱。以石膏的重量為基準，促進劑為2％(重量百分數)的K2SO4(鉀堿)及2％(重量百分數)的糖衣二水硫酸鈣(例如如美國專利3813312中所述)。把料漿分布到一個多孔傳送機上，在多孔傳送機上形成濾餅。使濾餅通過一個真空脫水設備除去80％的水分，料漿/濾餅溫度降到約50℃(120°F)。當對濾餅進行進一步的真空處理除去更多水分時，把濾餅壓制成約0.76厘米(0.3英寸)厚的板，并且為了使半水化合物再水化為石膏的效果最佳，使板冷卻到約35℃(95°F)。再水化之后，把板切割成板條，并在使板芯部溫度短時達到約93℃(200°F)的條件下干燥板條。隨后測試所得到的板條，測試結果如后所述。
實例2按照如下所述制備一種穩定化的蠟乳液。在攪拌的情況下，混合10份(重量份數)的陽離子表面活性劑(G-265)和90份(重量份數)水形成一種溶液。隨后以100∶1000的重量比例把這種溶液加入蠟乳液(Bakor-Aqualite 71)中。這樣得到一種穩定化的蠟乳液，它含有Aqualite的活性成分37％陽離子表面活性劑 1％水62％實例3比較按照實例1制備的石膏/木纖維板和另一塊在相同條件下，只是在頂箱之前，向料漿中加入了足以為每磅石膏提供3％(重量百分數)蠟固體的實例2的蠟乳液而制得的石膏/木纖維板。測試了這兩種板試樣的吸水率、密度及強度。測試結果如下，該測試結果表明加入蠟乳液不僅顯著降低了吸水率，而且改善了板的強度。
表1
吸水率、密度及強度測試結果取自5塊石膏/木纖維板各自的14個試樣，70個測量結果的平均值示于表1。表1中所示的吸水率是按照ASTM標準中C-473試驗方法測定的，該試驗方法基于將試樣完全浸入水中2小時。用每個試樣浸入前及浸入結束后的重量計算增重。把所測得的重量除以所測得的體積測定密度，而強度是根據ASTM標準中D1073試驗方法測定的撓曲強度(“MOR”)。
實例4除了在頂箱之前，向料漿中加入了足以為每磅石膏提供2％(重量百分數)蠟固體的工業蠟乳液(Bakor Aqualite 71)之外，按照實例1制備石膏/木纖維板。對所得石膏/木纖維板的分析結果表明，以石膏重量為基準，在完工、干燥后的石膏/木纖維板中保留了約1.7％(重量百分數)的蠟。
在此說明及描述的本發明的形式只是用作舉例說明。在不脫離本發明的精神及權利要求的范圍的情況下，本領域有經驗人員可很容易地做出許多修改。
權利要求
1．一種制備防水性能得到改善的石膏板產品的方法，其特征在于該方法包括把含水蠟乳液加入硫酸鈣材料和基質顆粒的含水料漿中，所述乳液在料漿被保持的條件下是穩定的；把所述含蠟料漿排送到一個平坦多孔成型表面以形成濾餅；通過所述多孔表面從所述濾餅中除去大部分水分；壓制所述濾餅形成一塊板并除去更多的水分；干燥所述板以除去殘余的游離水分，并使所述板的芯部溫度達到足以熔化所述蠟的溫度。
2．按照權利要求1所述的方法，其特征在于以所述料漿中的硫酸鈣的重量為基準，加入所述料漿中的蠟乳液的量足以為所述料漿提供至少約1％(重量百分數)的蠟固體。
3．按照權利要求2所述的方法，其特征在于以所述料漿中的硫酸鈣的重量為基準，加入所述料漿中的蠟乳液的量足以為所述料漿提供約1％-3％(重量百分數)的蠟固體。
4．按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述蠟乳液包括一種陽離子表面活性劑。
5．按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述蠟乳液包括一種季胺陽離子表面活性劑。
6．按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述蠟乳液包括一種石蠟。
7．按照權利要求6所述的方法，其特征在于所述蠟乳液包括一種石蠟、地蠟及聚乙烯醇的混合物。
8．按照權利要求1所述的方法，其特征在于料漿包括磨粉狀的硫酸鈣材料和分散的木素纖維素基質顆粒，所述纖維素基質顆粒在其相當大部分質體上都具有料漿溶劑能夠滲入的空隙。
9．按照權利要求1所述的方法，其特征在于基質顆粒是選自化學精制木漿、機械精制木漿、熱-機械精制木漿及上述木漿的組合物的木纖維。
10．按照權利要求8所述的方法，其特征在于料漿中的固體物質包括約0.5-30％(重量百分數)的木纖維。
11．按照權利要求10所述的方法，其特征在于料漿中的固體物質包括約3-20％(重量百分數)的木纖維。
12．一種制備防水性能得到改善的石膏板產品的方法，其特征在于包括當硫酸鈣材料和基質顆粒的含水料漿處于保持半水硫酸鈣結晶體的溫度時，把含水蠟乳液加入所述含水料漿中，所述乳液在半水化硫酸鈣結晶體被保持的條件下是穩定的；在溫度降低到低于半水硫酸鈣可快速再水化為二水硫酸鈣的溫度之前，把所述含蠟料漿排送到一個平坦多孔成型表面形成所述濾餅；通過所述多孔表面從所述濾餅中除去大部分水分，并冷卻所述濾餅至再水化開始的溫度；壓制所述濾餅形成一塊板并除去更多的水分，從而所述基質顆粒周圍的半水硫酸鈣結晶體原位再水化為二水硫酸鈣晶體；然后干燥所述板除去殘余的游離水分，并使所述板的芯部溫度達到足以熔化所述蠟的溫度。
13．按照權利要求1所述的方法，其特征在于包括把磨粉狀的石膏及基質顆粒一起和足量的水混合形成一種料漿，所述基質顆粒在其表面上和/或體內都具有一些空隙，并且含有懸浮和/或溶解石膏的料漿溶劑能夠滲入其中，所述料漿被充分稀釋到足以充分浸濕基質顆粒上的可滲透空隙，并當在壓力下加熱時，以促進針狀硫酸鈣α半水化合物晶體形成；在連續攪拌的情況下，在壓力容器中把料漿加熱至足以把石膏煅燒為硫酸鈣α半水化合物的溫度；把料漿保持在這樣的溫度，直到至少某些半水硫酸鈣已經在基質顆粒的空隙中間及空隙周圍充分結晶為止；當所述料漿處于保持半水硫酸鈣結晶體的溫度時，把含水蠟乳液加入所述料漿中，所述乳液在半水硫酸鈣結晶體被保持的條件下是穩定的；在溫度降低到低于半水硫酸鈣晶體可快速再水化為二水化合物晶體的溫度之前，把所述含蠟料漿排送到平坦多孔成型表面，形成濾餅；把所述濾餅冷卻到再水化開始的溫度；壓制所述濾餅形成一塊板并除去額外的水分，從而基質顆粒的空隙中間及空隙周圍的半水硫酸鈣結晶體原位再水化形成二水硫酸鈣晶體；然后干燥所述板。
全文摘要
本發明涉及一種改進的復合材料;尤其涉及一種防水性能得到改善的復合石膏板產品,它特別適于制備建筑制品。具體地說,本發明涉及一種在制備過程中向石膏和木纖維中加入一種蠟乳液,從而使其防水性能提高的改進的石膏/木纖維建筑板。
文檔編號B28B1/30GK1211231SQ97192347
公開日1999年3月17日 申請日期1997年12月16日 優先權日1996年12月20日
發明者宋煒昕 申請人:美國石膏公司