專利名稱：：用于石膏墻板的改進的紙的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種在石膏墻板的制造中可用作添加劑的組合物，其使得制造墻板用很少的或不用淀粉粘合劑。本發明還涉及用所述添加劑處理的紙張，以及一種制造石膏墻板的方法，所述方法與現有方法相比顯著降低了所需的干燥能量。更具體而言，本發明涉及一種對濕石膏具有改進的粘合親和力的石膏墻板紙成分的制造方法。
背景技術：
：石膏墻板工業通過用于保證厚紙中密封內部石膏芯的兩外層之間有效的粘合的方法來生產墻板。該工業傳統上向石膏芯添加大量的淀粉粘合劑以增加與紙殼的粘結。工業上還向石膏中添加大量過量的水使得在干燥兩紙層間的石膏的過程中過量的水可攜帶淀粉粘合劑一起從濕石膏遷移到紙中，以建立石膏與紙表面的粘合。然而，因為從石膏芯遷移和蒸發過量的水需要的干燥能量，使得該方法是高度耗能的。因為對于石膏墻板制造商來說干燥成本大大增加，所以工業上需要減少墻板生產中所用的水量。明顯的是，本發明可以獲得降低的石膏對水的比例，繼而可得到較高強度的墻板。通過在石膏墻板制造過程中加入紙表面處理而達到該強度提高，繼而任選可生產較強的低密度墻板產品。還出乎意料地發現，在濕石膏芯中代替使用淀粉和高的水比例的另一種方法可以得到實踐，并在紙層和石膏芯之間仍然達到強的粘合。
發明內容本發明涉及通過在將紙成分與濕石膏接觸之前對墻板的紙成分施加表面處理以增強石膏與紙成分的粘合來制造石膏墻板的方法。然后石膏成分可使用較低量的水，對該基底仍然形成強的粘合。本發明還涉及在制造石膏墻板中可用作添加劑的組合物，其使得制造墻板用很少的或不用淀粉粘合劑。本發明還涉及用所述添加劑處理的紙張。另外，本發明涉及具有內石膏芯，并在所述內石膏芯的表面上粘附至少一種經處理的紙的墻板，其中所述紙張的表面利用表面處理粘結劑來處理。所述內石膏芯的表面粘附到用表面處理粘結劑處理過的紙張的表面上。用于墻板的經處理的紙含有其表面用表面處理粘結劑處理過的紙張，所述表面處理粘結劑含有水和膠乳粘合劑。該表面處理粘結劑也可含有一定量的無機填料。其還可含有一定量的流變改性劑如纖維素醚，或者生物聚合物，或者它們的混合物。在本發明之前，在石膏墻板中需要使用高水平的淀粉和水為了保證石膏與紙成分適當的粘合。通常在現有技術實踐中水/石膏比例大于70/100。在本發明中，水/石膏比例可以小于70/100。本發明的優勢在于可降低水/石膏比例，并因此通過使用較低的水/石膏比例可降低制造墻板的能量要求和提高墻板的強度。本發明因此描述了一種制造具有改進性能的墻板的方法。具體實施例方式出乎意料地發現，石膏墻板的紙殼成分可用選定的材料進行表面處理以增強墻板石膏內芯與紙張的粘合傾向。所述增強的粘合傾向或親和力繼而使得配制出具有較低的水和淀粉含量的石膏芯，這減少了干燥墻板所需的能量。降低或消除墻板石膏芯的淀粉含量的好處是所得墻板在暴露于高濕度或其它有利于促進微生物生長的環境條件下時，潛在地較不易受到微生物侵蝕。本發明涉及用于對墻板紙成分進行表面處理的表面處理粘結劑。該表面處理粘結劑包含水和膠乳粘合劑。該表面處理粘結劑另外可優選含有無機填料。其還可任選含有額外的成分，如流變改性劑、穩定劑和防腐劑。所述表面處理粘結劑的膠乳粘合劑成分優選占表面處理粘結劑的約1-55重量％。該表面處理粘結劑的膠乳粘合劑可選自通常可獲得的膠乳聚合物，可選自乙烯聚乙酸乙烯(ethylenepolyvinylacetate)、聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。優選所述膠乳粘合劑成分為乙烯聚乙酸乙烯或聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳。在表面處理粘結劑中使用無機填料是任選的。如果使用，在表面處理粘結劑中無機填料的比例通常是表面處理粘結劑的約1-50重量％。很多類型的無機填料，以及無機填料很寬范圍內的粒徑分布都是可以的，雖然通常優選較細粒徑用于表面處理粘結劑。無機填料可包括，并可選自半水合硫酸鈣、二水合硫酸鈣、磨細石膏(groundgypsum)、硅酸鹽水泥、碳酸轉、粘土及粉狀二氧化硅。其它無機物種也可用作無機填料。其它選自流變改性劑、鹽類、促進劑和分散劑的水溶性物種可用作表面處理粘結劑中的添加劑以影響經處理的紙和所得墻板的其它性能。優選的流變改性劑包括纖維素醚。用于本發明的纖維素醚可選自羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基纖維素(HPC)、疏水改性羥丙基纖維素(HMHPC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、疏水改性羥乙基纖維素(HMHEC)、陽離子疏水改性羥乙基纖維素(陽離子HMHEC)及陰離子疏水改性羥乙基纖維素(陰離子HMHEC)。優選的纖維素醚包括羥乙基纖維素。所述流變改性劑還可包括生物聚合物。優選的生物聚合物包括黃原膠。本發明的一個方面是表面處理粘結劑當包含無機填料以及流變改性劑時，導致流體混合物含有高水平的無機填料。高水平的無機填料是占表面處理粘結劑約20重量％或更多，優選約30重量％的無機填料水平。另一種優選的流變改性劑是黃原膠。還更優選的是包括HEC和黃原膠混合物的流變改性劑。為了制備含有高水平無機填料的表面處理粘結劑，首先將一定量的水與少量流變改性劑混合并攪拌溶解。一旦流變改性劑溶解在水中，將高水平的無機填料分階段逐漸加入含有流變改性劑的水溶液中。在每個階段后含有無機填料的含水混合物的粘度變稀以控制混合物的粘度。最后向混合物中加入一定量的膠乳粘合劑。得到穩定的流體混合物。另一種制備表面處理粘結劑的方法是將所述膠乳粘合劑與所述量的水混合，然后逐漸加入無機填料，最后加入流變改性劑。在實踐中，將上述表面處理粘結劑組合物用水稀釋至約2-20固體重量%的工作濃度，然后通過通常用于紙加工技術中的機械方法將該混合物施涂在紙的表面上，所述機械方法包括，但不限于，使用刮刀、輥、涂膠機、或噴涂機。將表面處理粘結劑施涂在用于墻板制造的紙的兩個內表面上，并優選原位干燥，雖然這不是必須的，得到其中一面經過表面處理的紙。用于處理紙的表面處理粘結劑的量為大于約0.1gm/m2，優選為大于約0.1gm/m2至4gm/m2，優選為約0.1-2gm/m2，更優選為約0.5-1gm/m2,還更優選為約0.2-0.5gm/m2。通過施涂該范圍內的表面處理粘結劑涂層，表面處理粘結劑組合物提高了經表面處理過的紙層與墻板石膏內芯的粘結親和力，在這種情況下與通常實踐相比，石膏不含淀粉或者含有減少量的淀粉。優選在生產其中一面經過表面處理的紙的時候，表面處理粘結劑對紙的氣孔度具有最小的影響。保留紙的氣孔度在制造墻板中是有用的，因為在將濕石膏施涂到所述其中一面經過表面處理的紙的經處理的表面上之后，該表面上的水可容易地通過紙層蒸發。紙的氣孔度性能可通過標準測試方法"Gurley氣孔度"來測量，所述標準測試方法包括"低"設置的Hagerty孔隙度測試儀。對本發明的經表面處理過的紙的典型Gurley氣孔度測量對照未處理過的墻板紙，將是少于20秒級別的差別。如果想要一步連續法，可將混合物施涂在所述紙的表面上，然后將濕石膏施涂在所述其中一面經過表面處理的紙上。通過機械方法將所述其中一面經過表面處理的紙加工成墻板，借此將濕石膏層的兩面都與其中一面經過表面處理的紙的經處理的表面接觸以得到可用于建筑應用的墻板結構。本發明中的濕石膏與現有技術相比不含淀粉或含有減少量的淀粉。所述濕石膏與標準墻板石膏制備相比，通常最理想地會含有減少量的水。因此通過用本發明的其中一面經過表面處理的紙替代最終墻板結構中所有或部分淀粉成分，得到新型墻板結構。在制造墻板的過程中，預想用兩步法，其中將先前制造和干燥的本發明其中一面經過表面處理的紙隨后與濕石膏層相結合以得到墻板。或者，也預想用一步法，其中將表面處理粘結劑組合物施涂到紙表面上，并在完全干燥紙表面之前將濕石膏施涂到其中一面經過表面處理的紙上以得到墻板。通過本發明的方法得到的墻板相比類似的現有技術有很多改進，例如由于制造墻板使用較少量的水而具有增強的強度，以及經濟益處。因此，可預想用該方法可能制造出比現有技術顯著更低密度的具有可接受的強度大小的墻板產品。通過下面的實施例進一步闡明本發明，所述實施例用于說明本發明，份和百分比均基于重量，除非另外指明。實施例對比例l將30重量份的半水合硫酸鈣與70重量份的水高剪切混合。在5分鐘的混合時間內，形成固體膠，使得該組合物不適合用作表面處理粘結劑。該混合物顯示在表1中為組合物1。對比例2將5重量份的半水合硫酸鈣與80重量份的水高剪切混合。觀察到該混合物迅速增稠至非常粘的狀態，在約10分鐘后在高剪切混合下再分散。然后另外在高剪切混合下加入5重量份的半水合硫酸鈣。重復該過程直到在水中加入約20重量份的半水合硫酸鈣。在此說明了通過在分散混合下向水中緩慢加入半水合硫酸鈣而制得石膏顆粒的濃分散體的方法。該混合物非常粘，實際用途很有限，在表1中顯示為組合物2。實施例l將20重量份的Airflex⑧526BP乙烯乙酸乙烯膠乳(來自AirproductsandChemicals,Inc.)與80重量份的水混合。得到穩定的流體分散體。該混合物顯示于表l中為組合物3.實施例2將49.8重量份的水與0.2重量份的Natrosol⑧250H4BXR羥乙基纖維素(來自HerculesIncorporated)混合，并攪拌溶解。一旦羥乙基纖維素(HEC)溶解在水中，逐漸并分階段在高速混合下加入30重量份的半水合硫酸鈣(石膏)。每次最初將石膏加入HEC水溶液中時粘度較高，但該混合物隨時間變稀，因此認為是可控過程。最后將20重量份的Airflex⑧526BP乙烯乙酸乙烯膠乳(來自AirProductsandChemicals,Inc.)加入到混合物中。得到穩定的流體混合物。該過程說明了通過向含有HEC成分的水中加入半水合硫酸鈣可得到石膏顆粒的高濃度分散體。該組合物顯示于表1中為組合物4。實施例3將20份的Airflex⑧526BP乙烯乙酸乙烯膠乳(來自AirProductsandChemicals,Inc.)加入到49.7份的水中，然后在高速混合下逐漸并分階段加入30重量份的半水合硫酸鈣。僅觀察到輕微的粘度上升，每次相繼加入半水合硫酸鈣使得該方法為非常容易控制的過程。在加入所有的半水合硫酸鈣之后，加入該批料的最后組分，0.1重量份的Natrosol⑧250H4BXRHEC(來自HerculesIncorporated)和0.2份的Keltrol⑧RD黃原膠(來自CPKelcoInc.)作為石膏漿料的穩定劑并溶解在混合物中。在這種情況下，產物的粘度測量為1000cps布氏粘度，在24小時后沒有觀察到流體漿料的沉淀。該組合物顯示于表1中為組合物5。實施例4用各種水基混合物對標準墻板紙進行表面處理，然后在直接IR燈下對濕的紙表面進行干燥。所用的表面處理劑列于表l中，為組合物2-5。對兩個對照條件也進行測試，包括a)沒有對紙表面進行表面處理，和b)僅用水對紙表面進行處理。然后用以下步驟將用表1中的組合物進行表面處理過的紙樣品與不含淀粉的濕石膏接觸1)用水稀釋表1的組合物至下面所指的活性水平；2)用Gardco拉伸儀器(來自PaulN.GardnerCompany,Inc.)將稀釋的組合物施涂到紙表面上，用加熱燈干燥以得到其中一面經過表面處理的紙；3)將60重量份不添加淀粉的標準干石膏加入到30重量份的水中，并用棒式攪拌器手工混合30秒；4)立即將步驟3)的濕混合物用泥刀伊入1/4"(0.6cm)深的塑料模子中，并用手工具抹平以形成平滑的外露面；5)將模子中石膏的濕外表面立即施涂到其中一個面經過表面處理的紙樣品上；6)將紙和模子放在60°C烤爐中，并在16個小時內干燥至恒重；7)將紙/石膏模子樣品從烤爐中取出，用手將它們彼此分離。定量估算粘附在石膏模子上的紙層的相對面積。以這種方式記錄下明顯粘附在石膏模子表面上的紙纖維的表面覆蓋百分率的估算值。發現在對紙沒有進行表面處理的對照情況中，紙和石膏間沒有達到明顯的粘合。在僅用水涂覆紙表面的第二對照情況中，沒有觀察到與石膏的粘合。在實施例4中，僅用膠乳處理紙表面，發現與紙表面形成中等強度的粘合。因此單使用膠乳作為紙表面處理劑是本發明方法的一種變型，雖然不是最優的，但仍是可操作的。在實施例4中，發現在用膠乳和石膏顆粒的分散體作為表面處理粘結劑時，在紙和石膏之間達到很強的完全的粘合。用可實踐的一些實施方案和變型來說明本發明，但本發明的范圍并不意欲，也不應認為就此受到限制，由這里的教導得到的其它變型或實施方案在落入所附權利要求的保護范圍內時也包括在內。表1-表面處理粘結劑組合物<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表2-經表面處理過的紙樣品與石膏的粘合面積<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>權利要求1.用于墻板的經處理的紙，其包括表面用包含水和膠乳粘合劑的表面處理粘結劑處理的紙張。2.權利要求1的經處理的紙，其中所述表面處理粘結劑還包含無機填料。3.權利要求2的經處理的紙，其中所述表面處理粘結劑包含膠乳粘合劑和無機填料，其中所述膠乳粘合劑占所述表面處理粘結劑的約1-55重量%，而所述無機填料占所述表面處理粘結劑的約1-50重量％。4.權利要求1的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑選自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。5.權利要求4的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑包括乙烯聚乙酸乙烯膠乳。6.權利要求4的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑包括聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳。7.權利要求2的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑選自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。8.權利要求7的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑包括乙烯聚乙酸乙烯膠乳。9.權利要求7的經處理的紙，其中所述膠乳粘合劑包括聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳。10.權利要求2的經處理的紙，其中所述無機填料選自半水合硫酸鈣、二水合硫酸鈣、磨細石膏、硅酸鹽水泥、碳酸鈣、粘土及粉狀二氧化硅。11.權利要求10的經處理的紙，其中所述無機填料包括半水合硫酸鈣。12.權利要求2的經處理的紙，其中所述表面處理粘結劑還包括選自流變改性劑、鹽類、促進劑和分散劑的水溶性物種。13.權利要求12的經處理的紙，其中所述流變改性劑包括纖維素醚。14.權利要求13的經處理的紙，其中所述纖維素醚選自羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基纖維素(HPC)、疏水改性羥丙基纖維素(HMHPC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、疏水改性羥乙基纖維素(HMHEC)、陽離子疏水改性羥乙基纖維素(陽離子HMHEC)及陰離子疏水改性羥乙基纖維素(陰離子HMHEC)。15.權利要求14的經處理的紙，其中所述纖維素醚包括羥乙基纖維素(HEC)。16.權利要求12的經處理的紙，其中所述流變改性劑包括黃原膠。17.權利要求1的經處理的紙，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為大于約0.1gm/m2。18.權利要求17的經處理的紙，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為大于約0.1gm/m2至4gm/m2。19.權利要求18的經處理的紙，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為約0.1-2gm/m2。20.權利要求19的經處理的紙，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為約0.5-lgm/m2。21.權利要求1的經處理的紙，其中用"低"設置的Hagerty孔隙度測試儀對所述經表面處理過的紙的Gurley氣孔度測量與沒有表面處理粘結劑的紙張相比是少于20秒的差別。22.—種墻板，其包括內石膏芯；和至少一種粘附在所述內石膏芯表面的經處理的紙，其中所述經處理的紙還包括表面用包含水和膠乳粘合劑的表面處理粘結劑處理的紙張，而且所述內石膏芯的表面粘附在所述用表面處理粘結劑處理過的紙張表面上。23.權利要求22的墻板，其中所述表面處理粘結劑還包含無機填料。24.權利要求23的墻板，其中所述表面處理粘結劑包含膠乳粘合劑和無機填料，其中所述膠乳粘合劑占所述表面處理粘結劑的約1-55重量％，而所述無機填料占所述表面處理粘結劑的約1-50重量％。25.權利要求22的墻板，其中所述膠乳粘合劑選自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)膠乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯26.權利要求25的墻板，其中所述膠乳粘合劑包括乙烯聚乙酸乙烯膠乳。27.權利要求23的墻板，其中所述無機填料選自半水合硫酸鈣、二水合硫酸鈣、磨細石膏、硅酸鹽水泥、碳酸鈣、粘土及粉狀二氧化硅。28.權利要求27的墻板，其中所述無機填料包括半水合硫酸鈣。29.權利要求22的墻板，其中所述表面處理粘結劑還包括選自流變改性劑、鹽類、促進劑和分散劑的水溶性物種。30.權利要求29的墻板，其中所述流變改性劑包括纖維素醚。31.權利要求30的墻板，其中所述纖維素醚選自羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基纖維素(HPC)、疏水改性羥丙基纖維素(HMHPC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、疏水改性羥乙基纖維素(HMHEC)、陽離子疏水改性羥乙基纖維素(陽離子HMHEC)及陰離子疏水改性羥乙基纖維素(陰離子HMHEC)。32.權利要求31的墻板，其中所述纖維素醚包括羥乙基纖維素(HEC)。33.權利要求27的墻板，其中所述流變改性劑包括黃原膠。34.權利要求22的墻板，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為大于約0.1gm/m2。35.權利要求34的墻板，其中用于處理所述紙的表面處理粘結劑的量為大于約0.1gm/m2至4gm/m2。36.權利要求22的墻板，其中用"低"設置的Hagerty孔隙度測試儀對所述經表面處理過的紙的Gurley氣孔度測量與沒有表面處理粘結劑的紙張相比是少于20秒的差別。37.制備用于墻板的經處理的紙的方法，其包括如下步驟a)得到紙張；和b)用表面處理粘結劑處理所述紙張的表面以得到用表面處理粘結劑處理的紙張表面；其中所述表面處理粘結劑包含水和膠乳粘合劑。38.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其中所述表面處理粘結劑還包含無機填料。39.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其中使用刮刀將所述表面處理粘結劑施涂在所述紙張的表面上。40.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其中使用輥將所述表面處理粘結劑施涂在所述紙張的表面上。41.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其中使用噴涂機將所述表面處理粘結劑施涂在所述紙張的表面上。42.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其中使用涂膠機將所述表面處理粘結劑施涂在所述紙張的表面上。43.權利要求37的制備經處理的紙的方法，其還包括如下步驟:c)干燥所述用表面處理粘結劑處理的紙張的表面。44.一種表面處理粘結劑，其包含水；膠乳粘合劑；流變改性劑；和無機填料；其中所述表面粘結劑含有高水平的無機填料。45.權利要求44的表面處理粘結劑，其中所述高水平的無機填料占所述表面處理粘結劑的約20重量％或更多。46.權利要求45的表面處理粘結劑，其中所述高水平的無機填料占所述表面處理粘結劑的約30重量％。47.權利要求44的表面處理粘結劑，其中所述流變改性劑包括選自以下組中的纖維素醚羧甲基纖維素(CMC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、甲基纖維素(MC)、羥丙基纖維素(HPC)、疏水改性羥丙基纖維素(HMHPC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、疏水改性羥乙基纖維素(HMHEC)、陽離子疏水改性羥乙基纖維素(陽離子HMHEC)、陰離子疏水改性羥乙基纖維素(陰離子HMHEC)。48.權利要求47的表面處理粘結劑，其中所述纖維素醚包括羥乙基纖維素(HEC)。49.權利要求44的表面處理粘結劑，其中所述流變改性劑包括黃原膠。50.權利要求49的表面處理粘結劑，其中所述流變改性劑包括黃原膠和羥乙基纖維素(HEC)的混合物。51.權利要求44的表面處理粘結劑，其中所述無機填料選自半水合硫酸鈣、二水合硫酸鈣、磨細石膏、硅酸鹽水泥、碳酸鈣、粘土及粉狀二氧化硅。52.權利要求51的表面處理粘結劑，其中所述無機填料包括半水合硫酸鈣。53.權利要求45的表面處理粘結劑，其中所述無機填料包括半水合硫酸鈣。54.權利要求53的表面處理粘結劑，其中所述流變改性劑包括黃原膠和羥乙基纖維素(HEC)的混合物。全文摘要可用于制造石膏墻板的紙用一種添加劑進行表面處理以提高紙對濕石膏的粘合親和力，從而使得制造墻板添加很少的或不添加淀粉粘合劑和使用減少量的水。本發明還描述了一種表面處理粘結劑，以及加工紙和含有所述紙的墻板的方法。文檔編號D21H17/34GK101405456SQ200780010265公開日2009年4月8日申請日期2007年3月22日優先權日2006年3月23日發明者C·L·布爾迪克申請人:赫爾克里士公司