聚合物增強的復合粘結建筑材料的制備方法及其組成的制作方法

專利名稱：聚合物增強的復合粘結建筑材料的制備方法及其組成的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚合物增強的復合粘結建筑材料(例如輕質混凝土、鋼筋混凝土、預制混凝土、石膏墻板、增強的石膏復合板、灰泥、可加工的粘結材料、連接處理化合物和隔聲板等)的制備方法和組成。所述方法和組成也適用于輕質、堅實、可模壓的粘結性產品，例如矯形用的石膏模型和牙齒模型。
背景技術：
粘結建筑材料，如水泥和石膏產品，一般通過將脫水的無機材料和水混合，然后將得到的漿料鑄成模型、模板或薄片，在鑄模中發生水合作用，硬化，然后變干。例如，含石膏的物品是將煅燒的石膏粉(半水石膏和/或硬石膏)和水(通常還有各種各樣的低百分比的添加物)混合，然后將混合物澆注到具有所需形狀的模具中或表面上。接著發生水合反應形成相互聯結的石膏晶體(二水硫酸鈣)基體。通常隨后進行適度加熱以去除殘留的自由(未反應的)水來得到干燥的產品。
粘結材料因為易注模性、高耐壓強度和耐火性等令人滿意的性質而被普遍地主要應用于建筑工業。粘結產品包括混凝土、輕質混凝土、鋼筋混凝土、混凝土板、石膏板、增強復合石膏板、灰泥、可機加工的材料、連接處理材料、隔音磚、石膏模型和牙科模型。用粘結材料制造的產品最顯著的缺點是重量太重，這導致較高的生產、安裝和建造成本。因為指定組成的材料強度與它的密度成正比，為了達到所需的性能要求，現在的粘結建筑材料必須具有較高的密度。材料密度以及產品的總重量可以通過將氣孔或膨脹的填料引入無機材料而降低，但是損失的強度與重量減少超出簡單的正比關系。
所有上述描述的粘結產品都可以得益于提高的強度-重量比，這將使它們在使用中更能承受壓力，同時減輕重量和建造成本。墻板，體積最大的石膏產品，尤其會顯著地從這種改進中受益。墻板一般由覆蓋紙板和夾在中間的石膏核芯組成。在減輕產品重量時，制造者總是通過摻入氣孔或輕質的填料來增加石膏核芯的孔隙率。因而核芯不結實，并且現在的墻板強度大部分都靠定向的纖維、多層面紙來提供。到目前為止，紙是墻板制造中最貴的組分，約占制造成本的40％以上。而且，墻板的紙面受模塑的影響(消耗纖維素材料)，降低板的機械完整性，并且產生難聞的氣味和有毒的化學物質。
人們在不斷地努力用低密度材料(如膨脹珍珠巖或氣孔)替代部分凝固的石膏基體的方法，使含石膏的產品更輕。在這樣的組成中，因為在低密度產品中減少了提供強度的凝固的石膏物質，所以需要把凝固的石膏強度提高到正常水平之上以保持總的產品強度。
一些添加劑，例如纖維素顆粒和纖維，已經被加入來進一步改進粘結產品的力學性能。在一些高耐火要求的應用中，更貴的玻璃纖維被用來替代木材。然而，通常的纖維，尤其是玻璃，不能很好地粘附在石膏基體上，而且降低了石膏漿料的可成形性，因此限制了板的改進。玻璃纖維還容易碎，在板的裝卸、安裝、或拆除的時候很容易脫離，產生對皮膚和肺部的刺激。
最近，人們對摻入合成聚合物來改進建筑材料的強度和耐磨性產生了越來越多的興趣。通過在粘結材料中添加橡膠或其它增強聚合物，獲得了強度-重量比有少量提高的包含水分散性的聚合物的復合粘結材料。然而，迄今為止由于一些特定的要求，聚合物增強的粘結產品的商業化仍只限于相對昂貴的壁龕產品。
美國專利6,402,832(“’832專利”)描述了添加劑在快速干燥的接合劑中的使用。在一個例子中，一種水溶性的具有氮或磺酸酯基的功能聚合物(例如分子量在20,000和40,000(本申請中所以分子量的單位均為道爾頓)之間的聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP))與粉末狀固體雙酚A基環氧樹脂(例如Shell EPONTM1002F(Epoxy))相組合，獲得的抗裂強度比只用PVP時的稍微高一些，干燥速度也比只用PVP時的稍微要快一些。
但是，美國專利6,402,832中的PVP和Epoxy，無論單獨或共同添加，減少了由水從漿料中蒸發所產生的孔隙(美國專利6,402,832，第4欄，行46-54)。根據美國專利6,402,832，接合劑中孔隙的減少是增強抗裂性能(根據在兩塊墻板之間的結合處開始產生裂紋所需的負載來評價)的主要機理。
在另一個例子中，美國專利6,402,832講到分子量在40,000和80,000之間的PVP與更高分子量的PVP相比，會明顯提高抗裂性能(第6欄，第3-5行)。在這種分子量時，3-6重量％的PVP與2-4重量％的Epoxy濃度被公開為獲得最佳抗裂性和干燥時間的最優的、最低的濃度范圍，聚合物的成本一般是無機材料(尤其對于石膏產品)的幾百倍，而且增強聚合物的添加量通常限制在混合物中占很小的百分比(例如，在墻板的應用中小于灰泥重量的1％)以在市場上取得成功。但是，因為高強度的聚合物通常與無機材料的粘結性低，而且在水溶液中往往凝結，所以需要大量的聚合物(或增容劑，如表面活性劑)來提高復合物的強度-重量比。
換句話說，親水聚合物能與石膏晶體很好的粘結，但是往往會(1)本征的膜強度低；(2)與石膏晶體粘合太好，以至于嚴重影響水合作用和晶體生長，從而影響復合物強度；或(3)它與水有比無機材料更好的親和力，隨蒸發的濕氣遷移到樣品的邊緣，導致核芯沒有得到強化從而不堅固。
在2002年3月7日提交的美國專利申請10/094,572(“’572申請”，在此引作參考)中，用聚合物包覆無機填料顆粒，提供了顆粒之間的粘附力和整個核芯復合物的內聚力(力學/尺寸穩定性)。除了橋接顆粒，聚合物粘合劑還提供了粘彈阻尼(聲學能的吸收)，導致優良的噪聲降低性能。整個系統重量輕，并且對火焰具有與通用石膏板相似的阻燃性。而且，大的氣孔比例使材料具有高的絕熱效果，可防止框架結構(2″× 4″板墻筋)在實際火災事件中過熱。用’572申請的低密度核芯制造的石膏墻板的強化主要歸因于面紙或其它在墻板表面形成的更高密度的層，芯本身的重量得到了減小。
在工業中，對大量提高粘結材料(包括水泥和墻板產品)的強度-重量比，來制造輕質的產品或更強的耐磨產品存在著長期的要求。另外，去除或減少其它添加物(例如墻板的面紙和玻璃纖維)可以減少板和建造的成本、減少環境劣化和對人體健康的危害。而且，對于高強度粘結建筑材料還有提高對熱和聲音的隔離性能的要求。
發明概述本發明的一個實施方式是制造一種聚合物增強的復合粘結建筑材料的方法。另一個實施方式是一種包含聚合物增強的復合粘結建筑材料(在復合建筑材料中形成孔隙)的復合材料。
一種調節微觀結構的系統方法可產生一種具有可控微觀結構的建筑材料，它具有提高的強度-重量比與優良的隔音和隔熱性能。所述微觀結構包括形態可控的有機和無機組分。孔隙或氣孔分散在微觀結構中，與有機組分結合在一起，有助于阻尼聲波震動和改進隔熱性能。而且，孔隙降低了建筑材料的密度。無機組分提供了抗壓強度，提供了防火性和阻燃性，它可以是如球形、不規則形狀、多面體形、纖維狀、針狀、或薄片狀。通過加入常用的阻燃材料(例如氫氧化鋁、氧化銻、硫酸鋁、氧化鉍、氧化錫、氧化鐵、氧化鉬、碳酸鉍、硼酸、硼酸鈉(硼砂)和磷酸鹽)，可以提高材料的阻燃性。
孔隙可以與有機和無機組分纏結在一起的相互連續的、彎曲的狀態，或分散的氣孔聚集體的形式存在。所述孔隙可以用來提供振動/聲波傳輸的阻抗失配，對投射或(和)反射波進行破壞性干擾，使聲音衰減。特別是，微觀分散的尺度為100納米的區域有利于削弱可聽聲波。孔隙可以通過加入泡沫或在水合時由水的蒸發而形成，如快速攪拌、或摻入表面活性的起泡劑、或加入能釋放氣體(如氮氣或二氧化碳)的成分，例如發泡劑或分解反應。多孔的微觀結構如圖5所示，具有被孔隙貫通的包覆的無機顆粒的滲透網絡。在一個優選的實施方式中，加入兩個或兩個以上的組分來形成孔隙，例如乳化劑(表面活性劑)和膨脹劑(揮發劑)。乳化劑是具有疏水和親水性的兩性分子化合物。乳化劑的例子包括人們熟知的低分子量的聚乙烯醇、嵌段共聚物、Span、Tween、AOT和WetAid。它們的選擇部分依靠經驗，部分依靠被稱為親水親油平衡(HLB)原理的準則。乳化劑系統穩定孔隙的微觀結構，提供水包油或油包水的分散，固相可以是其中的一相或兩相。起泡劑可以是，例如物理性試劑，如戊烷、異戊烷、環戊烷、己烷異構體、環己烷、庚烷異構體；和/或化學性試劑，例如碳酸氫鈉、二亞硝基五亞甲基四胺、磺酸基酰肼、偶氮二酰胺、p-甲苯磺酰氨基脲、5-苯基四唑、二異丙基聯亞氨基二羧酸酯、5-苯基-3，6-二氫-1，3，4-噁二嗪-2-酮、硼氫化鈉。例如在加熱的時候，物理性試劑揮發；化學性試劑分解。
換句話說，可以將膨脹的或可膨脹的填料加入復合材料中來引入孔隙或微球，例如可加入諸如Expacel的可膨脹的微球，來確保將封閉的蜂窩狀孔隙引入復合建筑材料。
有機物相可以是一種粘結劑，如聚合物粘結劑。例如，可以使用自然存在的材料(如瀝青和柏油)和/或人工合成物質(如熱塑性和/或熱固性聚合物)。丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(塑料)(ABS)、丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、纖維素樹脂、尼龍、聚碳酸酯、聚烯烴、乙烯基聚合物、苯乙烯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯、聚氨酯和含硅聚合物都是一些例子，但是本發明并不限于這些粘結劑。聚合物粘結劑可以是在將所有復合建筑材料的組分混合之前已經聚合的，或是原位發生聚合，例如形成交聯網絡。例如，環氧樹脂、聚酮/二胺、聚氨酯、聚苯乙烯磺酸鈉和聚(馬來酸酐-交替-1-十八烯)/二胺。
在一個
具體實施例方式
中，在存在增強組分和交聯組分的協同作用時，煅燒的石膏的水合作用使通過水合作用制得的凝固的石膏在抗拔性、抗彎強度和其它性能方面得到驚人的、意想不到的提高，滿足了長期沒有解決的對高性價比、輕質建筑材料的需求。
在所述方法的一個實施方式中，該方法可制造具有復合粘結材料微觀結構形態的建筑材料。復合粘結材料相比于已知的建筑材料，提供了優良的材料性能，包括抗彎強度、抗拔性、硬度、隔熱/隔音性、耐濕/菌/微生物導致的退化，和減少了不利于人體健康的環境影響，同時相比于其它制造建筑材料的方法還減少了總的建筑成本。
例如，本發明的一個實施方式中的復合材料包括一種有機的、水分散性的聚合物增強組分和一種能產生將無機粘結基體相互連接的分子交聯網絡的交聯組分。無機基體可提供力學和尺寸穩定性，還對火焰具有阻燃性。在具體實施方式
中，增強組分和交聯組分在很低濃度的情況下協同作用，也能發揮效能。
在可選擇的實施方式中，特定的組成可促進石膏水合和晶體生長，在無機粘結材料和交聯的有機增強組分之間提供了優良的粘附作用。發明人認為，不以任何方式限制本發明，優良的粘附作用導致復合材料的強度-重量比獲得驚人的、意想不到的提高，因為有機的、水分散性的增強聚合物的交聯使增強聚合物發生凝膠化，這會阻止增強聚合物遷移到復合材料的表面，否則就會出現以往在干燥過程中觀察到的情況。因此，與已知的方法相比，一個貫通的有機聚合物網絡和無機基體材料能給粘結建筑材料提供更好的強度。因而，采用這種復合材料制成的產品可以具有更輕的重量和/或更高的強度。
在可選的實施方式中，增強組分和交聯組分的成本高于由其它增強試劑的減少或去除所節省的成本。在一個具體的可選實施方式中，可以減少或去除紙面的層數和/或厚度。在另一個具體的可選實施方式中，通過加入孔隙(氣孔)，該復合材料相比于已知的具有同樣強度、尺寸、厚度的復合材料，重量要減輕。孔隙的加入明顯增強了粘結建筑材料的隔絕性能(如，隔熱值和高頻聲波的衰減)。
本發明的聚合物增強的復合粘結建筑材料理想地適用于輕質建筑材料，包括用于通常使用的水泥、高強度水泥、增強水泥、水泥板、墻板、夾襯板、石膏玻璃墊板、無紙墻板、天花板、灰泥、可加工的粘結材料、墻板連接處理材料、修墻或修補材料、隔音磚。另外，本發明方法還可用于制備輕質的和/或高強度的石膏模型和牙科模型。而且，本發明的高強和/或輕質的聚合物增強的復合粘結建筑材料對裝飾磚、瓦、衛生潔具、廚房工作臺都有益處。
在本發明的另一個可選實施方式中，聚合物增強的復合粘結建筑材料可以填充在任何兩個表面之間，例如薄木板、纖維增強的聚合物板(來產生防火性)，來制造防火的輕質板和其它結構，例如門。與通常已知的建筑材料相比，使用本發明的聚合物增強的復合粘結建筑材料制造的建筑材料的低密度和高強度還可協同降低周圍結構的成本、運輸成本、安裝所需要的時間和人力，減少了總的建筑成本。


為了說明本發明，將代表性的實施方式顯示在附圖中，要明白這并非是要將本發明限制在所示的具體排列和方法中。圖1-4中討論的數據均得自無紙的樣品。
圖1說明了碘染色法通過顏色的深淺顯示了增強組分PVP在粘性復合材料中的位置，其中，標有PVP的圖形沒有使用交聯組分；而標有PVP+PSS的圖形使用聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(PSS)作為交聯組分。
圖2顯示的是包含與PSS結合的PVP的本發明樣品的密度與實際的抗拔載荷之間的關系(正方形)，以及沒有加入任何增強或交聯組分的樣品拔釘阻力與密度的關系(帶三角形的實線)。
圖3顯示的是幾個僅含PVP(帶有圓圈的虛線)、僅含PSS(帶有三角形的點線)、及含有與分子量在1百萬的PSS結合的PVP(帶有方形的實線)的實施方式的拔釘阻力的提高百分比與PVP分子量的函數關系(僅有PSS的例外，它是拔釘阻力與PSS分子量的函數關系)。
圖4顯示的是幾個僅含PVP(帶有圓圈的點線)和包含與PSS結合的PVP(帶有方形的實線)的實施方式的抗彎強度與PVP分子量的歸一化的函數關系。
圖5說明的是包含有機粘結劑、無機顆粒和孔隙(由氣孔表示)的膨脹的泡沫復合建筑材料的微觀結構。
優選實施方式的詳細說明現在通過本發明的具體實施方式
來詳細說明本發明。這些實施方式只是用來作為說明性實例，本發明并不受它們的限制。
在一個實施方式中，聚合物增強的復合粘結建筑材料包含一種粘結材料，如石膏或水泥；一種由增強組分和交聯組分結合形成的聚合物組合物。據認為(在任何情況下都沒有限制本發明的意思)，交聯組分與增強組分作用使增強組分在原位被交聯，使增強組分獲得優良的分布，并在增強組分和無機顆粒之間建立了緊密的相互作用。
在一個實施方式中，相比于通常的只添加聚合物而沒有交聯組分的協同的材料，僅添加有少量的與交聯組分協同作用的增強聚合物的聚合物增強的復合粘結建筑材料在強度-重量比方面獲得了驚人的、意想不到的提高。而且，發明人認為(在任何情況下都沒有限制本發明的意思)，高分子量組分形成一種擴展的貫通粘結建筑材料的分子網絡。與通常使用的低分子量聚合物相比，該網絡明顯改進了材料的性能。
在一個
具體實施例方式
中，增強組分是水分散性的含氮聚合物。例如，水溶性的高極性聚合物在增強組分和無機基體顆粒之間提供強的相互作用，有助于粘結顆粒和強化復合粘結建筑材料。
據認為，交聯的聚合物網絡也使二水硫酸鈣晶體的形狀發生改變。一個實施方式的樣品的微觀結構顯微照片表明該晶體比用已知文獻制備的樣品晶體要顯得更長和更厚。這個結果取決于制備聚合物增強粘結材料的混合、水合、成型和干燥等工藝的影響。
另外，據認為，交聯的分子網絡作為粘結劑促進了晶體之間的粘合，增強了復合材料的強度。如圖1所示，分子交聯的聚合物網絡不會凝結、團聚、或遷移到表面。相反地，它與無機晶體具有很高的親和力，可能以細層將它們包覆。因此，與已知增強添加劑相比，即使在低的聚合物含量和低成本的情況下，強度依然可以得到增強。而且，低的聚合物含量允許使用分子量高很多的聚合物用作增強組分，而不會導致不希望出現的漿料粘度的增加，否則，會帶來加工困難。
圖1顯示的是將作為交聯組分的PSS加入到作為增強組分的PVP中，充分減少了水溶性PVP向漿料表面的遷移，否則在干燥過程中將會發生遷移。水分散性的聚合物和添加劑(如淀粉和硼砂)的遷移是本領域所周知的，即干燥過程中蒸發的水將水分散性、水溶性組分攜帶到表面。使用碘染技術，圖1顯示了沒有交聯組分時，PVP遷移到表面；然而添加很少量的交聯組分，例如PVP與PSS的比例為1∶4時，就會充分減小干燥過程中增強組分往表面的遷移。
增強組分往樣品表面的遷移增加了表面層(承受最高的彎曲應力)增強組分的濃度。這可以產生增強的抗彎強度，但是使樣品核芯缺少增強組分。通過防止增強組分的遷移，即使使用很少量的交聯組分也能協同增強材料對釘子的拔釘阻力。弱的拔釘阻力是已知的密度減小的粘結建筑材料(如輕質墻板)的主要缺點。常規的低密度粘結建筑材料的低密度核芯因為增強組分遷移至輕質墻板的表面而變脆弱，容易在受力時出現問題，如粉碎、密度增大、或變形，這使得只有表面層來阻止釘子的拔出。作為對比，在本發明的一個實施方式中，少量添加可以減少干燥過程中增強組分向表面遷移的交聯組分，很大地增強了核芯區域的拔釘阻力。因此，墻板總的拔釘阻力與常規輕質墻板相比得到明顯地增強。
圖4中的實線顯示的是拔釘阻力(單位lbs)與未經增強的對比樣品的密度(單位g/cc)的關系曲線，其是基于試驗對比樣品(黑三角形)和已知的強度-密度關系計算得到的。點A和B說明本發明可以使重量在拔釘阻力同為50lbs的情況下減少20％以上。
在圖2中，通過用相同密度的未增強樣品的拔釘阻力來除以增強樣品的拔釘阻力所得的歸一化的百分比來表示增強樣品拔釘阻力的提高。相同密度的未增強樣品的拔釘阻力由圖4顯示的拔釘阻力和密度的關系來得到。圖3中抗彎強度的提高用相似的方法來計算，使用已知的未增強樣品的抗彎強度與密度的關系來歸一化抗彎強度數據。因此，圖2中拔釘阻力提高為0％表示拔釘阻力與相同測試密度的對比樣品的預期拔釘阻力相同；圖3中抗彎強度的提高為0％表示抗彎強度與相同密度的對比樣品的相同。提高為100％說明這個值是相同密度的對比樣品的預期值的兩倍。
在一個
具體實施例方式
中，增強組分包含一種乙烯基吡咯烷酮，其中所述乙烯基吡咯烷酮包括均聚物、共聚物或兩者兼有。所述增強組分與能夠交聯乙烯基吡咯烷酮的交聯組分結合使用。結果表明相比于對比樣品(如表I和圖2-4所示)，復合粘結建筑材料的拔釘阻力和抗彎強度有驚人的提高。從圖4中的對比樣品可以看出，樣品密度的降低往往會導致樣品抗彎強度和拔釘阻力的降低。這正如從相對強度和硬度與相對密度的關系中所預計的，如《Cellular Solids Structureand Properties》，第二版(L.Gibson和M.Ashby，劍橋大學出版社，紐約，1997)第192-198頁所示的。在根據本發明的一些具體實施方式
中這種趨勢得到了克服。
圖2顯示單獨添加一種特定交聯組分(PSS)會降低拔釘阻力的值。但是，按照本發明的實施方式中的方法，一種或多種特定的增強組分和一種或多種交聯組分的結合可以對復合粘結建筑材料的強度-重量比產生驚人的、意想不到的協同效應，如圖2至4所示。特別是圖2顯示了將PVP與作為交聯組分的PSS結合會使拔釘阻力得到協同的提高。
對墻板來說，拔釘阻力是一個關鍵的力學性能。通常將墻板固定在支撐物(stud)上的方法是使釘子或螺絲穿透墻板并進入墻中的支撐物內。輕質墻板較難滿足拔釘阻力的標準，尤其是在核芯密度因為加入孔隙而減小時。通過使用水分散性的增強組分與交聯組分一起作為石膏墻板的添加劑，本發明的實施方式在充分減少標準尺寸墻板重量的同時可滿足或超過拔釘阻力標準，從而解決了這個長期以來懸而為決的問題。
如圖2和3所示，即使在沒有交聯組分的情況下，增加增強組分的分子量也可以適當地強化復合材料。例如，如表I所示，將PVP以2g/100g的濃度加入無機粘結粉末中。此時，PVP適當地增強了復合材料的拔釘阻力和抗彎強度。對分子量大于約100,000的PVP來說，加入交聯組分會產生協同效應，這超過了僅靠添加更多增強組分所能達到的效果。通過在輕質產品中添加少量的(如1％或更低)增強組分來獲得驚人的結果，解決了長期以來有效增加粘結建筑材料的強度-重量比的成本問題，只需加入非常少量的高分子量的交聯組分來與PVP發生交聯，所獲得的輕質產品就可滿足或超過建筑工業中使用的標準。
實際上，包含作為增強組分的PVP和作為交聯組分的PSS(與僅包含PVP的樣品相比，聚合物含量更低)的復合材料的拔釘阻力大大超過了只含PVP(沒有交聯組分)的樣品，如表I和圖2和3所示。圖2說明在分子量約為100,000或更大時，本發明的復合材料的拔釘阻力會得到充分提高。在這里，“充分提高”指的是拔釘阻力的提高至少為10％。這里之所以用“約100,000”是因為不同的處理參數和不同增強組分和交聯組分的選擇會使令拔釘阻力產生充分提高的分子量發生變化。在分子量大于100,000時，歸一化的抗彎強度也會增加。因此高分子量增強組分定義為分子量至少為約100,000的增強組分。
對于一些組成，充分提高的拔釘阻力會在分子量為80,000的情況時出現。其它組成則在分子量達到120,000時才能獲得拔釘阻力的充分提高。因此，“約100,000”是指±20％的相對變化，這取決于如由增強組分和交聯組分的特定處理條件或特定組成所引起的制備偏差。優選增強組分的分子量至少為約100,000。更優選增強組分的分子量至少為約100,000，但是低于1300,000。圖2和3的結果顯示，在1300,000以上時，增大的分子量不再增加拔釘阻力，反而減少了抗彎強度的提高。
增強組分的具體實例包括乙烯基吡咯烷酮聚合物，包含但不限于聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-乙烯基己內酰胺)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-二乙基氨基丙烯酸酯)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-醋酸乙烯酯)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-苯乙烯)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-咪唑)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-乙烯基己內酰胺-共-二乙基氨基丙烯酸酯)、聚(乙烯基吡咯烷酮-共-乙烯基己內酰胺-共-醋酸乙烯酯)以及它們的混合物。
本發明人認為(但并不局限于以下情況)，高分子量增強組分是理想的，因為通過添加交聯組分形成的凝膠將增強組分束縛住，阻止了增強組分在干燥過程中因為水的蒸發而向復合材料的表面發生遷移。本發明人認為，本發明的實施方式形成了與無機基體相相互連接的交聯分子網絡。
例如，交聯分子可以通過離子相互作用、氫鍵結合、共價鍵結合、或物理相互作用，以及它們的聯合作用將增強組分束縛住。在一個優選的實施方式中，發明人認為交聯組分通過離子相互作用、氫鍵結合、或兩者的共同作用，將增強組分束縛住。
在一個
具體實施例方式
中，交聯組分是不同于增強組分的物質，例如一種不同于增強組分的聚合物。在可選的實施方式中，增強組分和交聯組分也可以是同一聚合物大分子上的部分，如包含能通過離子結合或氫鍵結合相互作用形成交聯網絡的側基的嵌段共聚物或無規共聚物。在另一個實施方式中，交聯組分是一種催化劑，其引發增強組分的聚合物鏈之間的共價鍵結合的形成，從而形成交聯網絡。
在一個可選的實施方式中，發明人認為(并非對本發明的限制)，交聯組分與增強組分之間存在物理的相互作用，而不是化學的相互作用。例如，交聯組分包含可在水中形成凝膠的添加物，這在物理上限制了增強組分的遷移，和/或有助于增強組分聚合物鏈的物理纏結。
在一個可選的實施方式中，相比于對比樣品和添加有水分散性的增強組分但不含交聯組分的試樣，其它的高分子量、水分散性的、含氮的均聚物、共聚物、以及均聚物與共聚物混合物的混合物與交聯組分的協同作用，可以提高復合粘結建筑材料的強度-重量比。盡管實驗結果太多以至于無法在這里一一列出，一些可選實施方式的實例包括，但不限制于聚丙烯酰胺、聚(丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)、聚(乙烯基己內酰胺)、聚(2-乙基-2-噁唑啉)、聚(乙烯基吡啶)、聚(乙烯基咪唑)、丙烯酰胺共聚物、2-乙基-2-噁唑啉共聚物、乙烯基己內酰胺共聚物、乙烯基吡啶共聚物、乙烯基咪唑共聚物、和它們的混合物。在為高分子量增強組分時，通過與用來交聯(不管是物理的或化學的交聯)增強組分的組分一起使用，這些具體實施方式
往往表現出協同效應。
離子交聯組分的實例包括聚磺酸鹽、聚羧酸鹽和聚磷酸鹽。例如，在與一些特定的增強組分一起使用時，首選聚磺酸鹽。聚磺酸鹽的例子包括聚(苯乙烯磺酸)、聚(乙烯磺酸)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)的金屬鹽(例如，堿金屬和堿土金屬陽離子)和銨鹽；萘磺酸鹽縮聚物；三聚氰胺磺酸鹽縮聚物；木質素磺酸鹽；包含苯乙烯磺酸、乙烯磺酸、丙磺酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸的鹽的共聚物；以及它們的混合物。已發現可以與增強組分協同作用的離子聚合物還包括聚磷酸鹽(如聚磷酸銨)、聚膦酸鹽、聚羧酸鹽(如丙烯酸共聚物的鹽)。
強度-重量比的提高不僅取決于特定交聯組分的選擇，而且也取決于這種交聯組分的分子量，尤其在交聯組分是離子交聯組分的時候。例如，與分子量約1300,000的PVP結合的PSS對石膏復合材料的強度-重量比的影響隨著分子量的增大而穩步增加。優選將分子量至少為70,000，更優選分子量至少為約100,000，再更優選分子量至少為約1,000,000的PSS用于本發明的具體實施方式
中(在這里，“約”仍然表示偏差±20％)。
在可選實施方式的具體實例中，具有適合與PVP氫鍵結合的側基的聚合物表現出增大的強度-重量比。這些聚合物包括，但不限制于聚乙烯醇、聚丙烯酸、丙烯酸共聚物、甲基丙烯酸共聚物、苯乙烯磺酸的共聚物、包含苯乙烯磺酸鹽的共聚物、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸的共聚物、以及它們的共聚物和混合物。
對提高的強度-重量比而言，分子量的最低值隨著交聯組分的結構而變化，最佳范圍必須分別測定。歸因于交聯組分的強度-重量比的增加取決于分子量。例如，在墻板制造中常用的分散劑(如Daxad，(萘磺酸鹽的縮聚物，分子量在7000至10,000之間))與PVP(即使分子量很大)結合使用時，只有很少或沒有協同作用。在一些情況下，根據加工條件，分子量約50,000或更大的有機交聯組分就足夠了，而通常更優選分子量至少為約100,000。更優選的是選用分子量至少為70,000的有機離子交聯劑。
在可選實施方式的具體實例中，增強組分和交聯組分還可以是相同聚合物大分子的不同部位。所述大分子包括，但不限制于乙烯基吡咯烷酮和苯乙烯磺酸鹽的無規或嵌段共聚物、乙烯基己內酰胺和乙烯基磺酸鹽的無規或嵌段共聚物、乙烯基吡咯烷酮和丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的無規或嵌段共聚物、丙烯酰胺和丙烯酸(或其鹽)的無規或嵌段共聚物，以及它們的混合物。
在一個
具體實施例方式
中，使用一種催化交聯組分，高分子量增強組分在水中發生自交聯。在這種情況下，因為高分子量增強組分是自交聯的，所以催化交聯組分的分子量不是關鍵的。作為一種制造方法的實例，將增強組分(聚(乙烯基吡咯烷酮))與含水過氧化氫和氯化銅(II)的組合物(此組合物是交聯組分)一同加熱，使PVP發生共價交聯形成凝膠，然后迅速與無機粘結材料(例如石膏)結合。在可選的實施方式中，在將無機粘結材料、增強組分和交聯組分混合后，通過加熱引發交聯反應。在所有情況下，都觀察到了所期望的強度。
相比之下，將以不溶于水的顆粒形式提供的市場上可買到的輕微交聯的聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVPP)加入石膏漿料，對得到的復合材料的強度有負面作用。發明人認為(并非對本發明的限制)，本發明的一些實施方式通過PVP分子的擴散或遷移、分子交聯、和/或石膏晶體生長與無機基體相形成相互連接的PVP交聯分子網絡，但是PVPP是不溶的顆粒物質，與建筑中常用的無機材料的親合力很小。因此PVPP不能形成與無機材料相互連接的交聯分子網絡。
在一個優選的實施方式中，包含增強組分、交聯組分和無機材料的混合物在加入水之前混合起來，形成被聚合物網絡貫通的無機基體，從而在聚合物增強的粘結復合建筑材料干燥以后，顯著地提高了材料的強度-重量比。
在一個可選的實施方式中，將各組分和無機材料分別與水混合。例如，分別以低濃度溶解增強聚合物和交聯劑，形成各自的粘度輕微提高的溶液。在一個具體實施方式
中，接著將這兩種溶液混合形成比相同濃度的單獨溶液粘度高得多的凝膠。然后將無機材料，例如煅燒的礦物(如半水石膏(stucco))加入凝膠化的溶液中形成漿料。在增加的聚合物濃度時，漿料分為水相和包含灰泥與聚合物凝膠的漿料相，這說明在水合的無機材料和交聯的聚合物網絡之間存在正的相互作用。
在另一個實施方式中，在與交聯組分混合之前，將無機材料加入增強組分和水中形成漿料。交聯組分可以固體形式或與水先混合之后加入漿料中。或者，交聯組分可以是液體組分。
在另一個實施方式中，將無機材料加入交聯組分和水中形成漿料，然后將增強組分以固體或液體的形式加入漿料中。
在另一個實施方式中，使交聯組分與增強組分發生反應的化學反應對溫度變化靈敏，而且其反應發生在優選的溫度范圍內。
樣品鑄型后，進行力學測試，將各種對比樣品與本發明各種具體實施方式
的抗彎強度和拔釘阻力進行比較。這些對比樣品例如是不含除促凝劑以外的其它添加劑的樣品、包含三偏磷酸鈉(SMTP)(一種市場上可買到的可抵抗永久變形的增強材料)的對比樣。STMP主要用來改進抗下垂性。已知STMP可提高約15％的拔釘阻力，但是它會不利地影響抗彎強度。為了進行這些測試，使用了β-半水石膏(stucco)和精細研磨的二水硫酸鈣促凝劑。PVP和乙烯基吡咯烷酮共聚物從Aldrich化學品公司、BASF公司、和ISP公司獲得。PSS從ALCO化學品公司和Aldrich化學品公司獲得。三偏磷酸鈉(SMTP)從Aldrich化學品公司獲得。Daxad(萘磺酸鹽縮聚物，分子量為7,000至10,000)從Dow化學品公司獲得。木質素磺酸鹽(分子量為10,000至20,000)從Borregaard化學品公司獲得。
各種組分的添加順序對這種方法的成功并不重要，但是也許會限制用來進行各種加工步驟的處理時間和設備，它們會影響根據所選擇的特定加工步驟制造的聚合物增強的復合材料的成本和/或品質。不過通過結合高分子量增強組分、交聯組分、無機粘結材料和水制造的樣品的力學性能都相似，只要材料充分混合并以漿料的形式凝固。發明人認為(并非對本發明的限制)，該工藝需要足夠的時間來形成與無機基體相互連接的交聯分子網絡。例如，必須在產生化學交聯的化學反應結束之前，但在化學交聯已經充分粘合增強組分以減少干燥過程中的擴散之后，使漿料凝固。
在用來制備測試樣品的方法的一個具體實施方式
中，將150g灰泥與0.2g促凝劑和增強組分(如PVP)和交聯組分(如PSS)干法混合。然后，例如，在室溫下將得到的干粉混合物加入500毫升的Waring攪切器中。攪切器中裝有足夠多的水(如自來水)來獲得需要的水-灰泥比。水-灰泥比影響了樣品的密度。或者，在干的成分加入水中之前，將液體添加劑或溶液中的添加劑先與水混合，例如在加入預混的干粉混合物之前，將液體或溶液形式的交聯組分先加入水中。
然后，可選地，在攪拌前，將灰泥混合物浸透(例如幾分鐘)。在一個具體實施方式
中，將韋林氏攪切器設置在低速開始攪拌。使用高速設置來獲得對比結果。或者可以通過快速攪拌，來將空氣引入混合物或產生泡沫，這樣可以降低最終產品的密度。韋林氏攪切器的低速設置會產生一些泡沫并減小密度，而與水/無機材料的比例(WR)和加入混合物中的增強組分和交聯組分的數量無關。具有低的水/無機材料比例的樣品與具有高的水/無機材料比例的樣品之間的密度變化，大多數是由于水的蒸發隨樣品的水/無機材料比例的增加而增加。在這個具體實施方式
中，低速混合持續15至25秒，但是混合的時間長短取決于批量的大小、用于攪拌的工藝類型、和粘度。通常攪拌一直持續下去，直到漿料充分混合但是石膏尚未開始凝固的時候。
而且，任選在混合期間用手搖動配料容器，通過搖動確保在容器中的混合均勻。混合之后，將得到的漿料澆入尺寸約為2英寸×7英寸×0.5英寸的矩形模具中。在復合材料硬化后(例如15到30分鐘后)，將樣品從模具中取出，在一個40℃的對流加熱爐中干燥直至烘干，例如直到樣品在預定時間內(如一小時)保持重量恒定。通常具有上述尺寸的樣品在40℃完全干燥需要至少24小時。干燥時間取決于構成組分和添加劑，也可用更高溫度和/或多區烘箱來縮短干燥時間。
然后，將樣品切成2英寸×5英寸的矩形測試樣品，并精確地測量尺寸和稱重以確定密度。在裝有數據采集軟件的Instron4466型實驗臺力學測試系統上對樣品進行力學測試。對每個樣品進行三點彎曲抗彎強度和拔釘阻力的測試。
使用與ASTM C473方法B說明的抗彎強度測試相似的方法來進行抗彎強度測試。為了適應具有0.125″的標準尺寸支撐半徑的樣品尺寸，將支撐跨距減小到4英寸。因為石膏樣品的硬度，將加載速率從1降到0.1英寸/分鐘，以獲得更精確的讀數。
樣品的拔釘阻力以與ASTM C473方法B的拔釘阻力測試相似的方法，使用抗彎強度測試中剩下的兩半樣品來測量得到。根據ASTMC473的尺寸和形狀標準來加工釘子。樣品支承板的孔徑從3減小到1.375英寸來適應樣品尺寸。將得到的密度和機械強度數據按照樣品組成成分編在一起。用從對照數據得到的冪函數來歸一化實驗數據，以便在不同密度樣品之間進行快速比較。這些結果列在表I中。
增強組分和交聯組分的協同相互作用顯著地提高了僅添加有很少的聚合物的粘結復合材料的強度-重量比。同時，低的聚合物添加物重量比使漿料的粘度適合于聚合物增強的復合粘結建筑材料的制備工藝。
舉例而言，在一個特別適于制造石膏產品(如墻板)的實施方式中，通過增加的氣孔(孔隙)可將核芯密度降低25％，而材料成本只增加了很少，而且沒有影響墻板強度。
在一個可選的實施方式中，根據一種制造聚合物增強的粘結墻板方法的實施方式制得的墻板產品在不使用紙面的情況下保持了標準墻板的強度和重量。另一個實施方式用離析的聚合物薄層替代了在每個表面上的多層增強紙，與標準墻板相比，強度沒有減小或重量沒有增加。這些方法中紙的去除增加了墻板的抗劣化性，同時降低了制造成本。這種方法的變化在’572申請(在此引作參考)中已被公開。在另一個實施方式中，除添加紙面外，還使用較致密的薄層在紙面和低密度核芯之間提供了更好的粘結。在這種情況下，這種薄層可以先加到紙或核芯表面，這取決于所選的復合墻板結構的制作工藝。
具有改進的強度-重量比的這些和其它的實施方式提供了更輕的建筑材料，使得安裝更加容易，并降低了在墻板成本中占很大比例的運輸成本、和/或去掉了其它對環境有負面影響的增強添加物，如易碎的纖維、粉塵、面紙(易受模型影響使墻板惡化，并對某些人有毒)等。而且，高分子量的離子聚合物能提供優良的粘紙性和發泡性能。
對于在100g灰泥中單獨添加2g的PVP或PSS(沒有結合使用)的樣品，在添加的PVP為低分子量PVP(這里，“低分子量”定義為小于約100,000)時，不論PSS分子量為多大，密度的降低(例如由于氣孔的引入)都會導致實驗樣品4-10拔釘阻力的減小。對于高分子量PVP(這里，“高分子量”定義為約100,000或更高)的添加，歸一化的拔釘阻力只有少量的提高。
例如表I中的這些結果表明與沒添加PVP的對比樣品相比，添加高分子量的PVP會明顯增加抗彎強度，而添加低分子量的PVP會降低抗彎強度。僅加入交聯組分(如PSS)(沒有與增強組分結合)會降低或輕微增加抗彎強度。圖2和3表明高分子量PVP和PSS的協同作用會增強拔釘阻力和抗彎強度，這種增強遠超出人們預期的由高分子量PVP和PSS單獨添加(沒有結合)所產生的效果。在可選的實施方式中，高分子量的交聯組分與具有高分子量的增強組分結合，可以增強抗彎強度和拔釘阻力，和/或可使復合粘結建筑材料的重量減輕(相比于未增強材料、單獨添加增強組分或交聯組分(沒有結合)的材料、將低分子量增強組分與交聯組分結合使用的材料)。
在一個優選實施方式中，分子量約400,000的PVP與分子量約70,000的PSS結合，獲得優異的拔釘阻力和抗彎強度，從分別對PVP和PSS進行測試實驗所得的結果中很難預料協同作用能取得這樣的效果。
在表I中27和28項所示的實施方式中，每100g灰泥中只添加1g的結合物(0.75g高分子量的增強組分和0.25g高分子量的交聯組分)，便可增大與通常市售墻板具有相同重量(1700lb/1000ft2)的復合材料的抗彎強度和拔釘阻力。
表I

注MW指分子量。
在另一個實施方式中，在每100g灰泥中只添加1g的增強組分和交聯組分的結合物，與通常市售墻板的重量(1700lb/1000ft2)相比，便可將板重降低超過25％(至1250lb/1000ft2)，而并不降低抗彎強度或拔釘阻力。
在再一個實施方式中，例如表I中的第13項，通過在每100g灰泥中添加2.5g的增強組分(高分子量，2g)和交聯組分(高分子量，0.5g)的結合物，制得無紙復合墻板，其密度所對應的板重量約為1600lb/1000ft2，它與目前市場上的多層紙面墻板表現出基本相同的抗彎強度和拔釘阻力。這里“約”和“基本”指的是，板重量、抗彎強度和拔釘阻力的測得值容易變化，例如由于原材料的產地和質量、研磨、攪拌和其它處理的變化以及制造偏差，這是墻板和其它建筑材料制造領域中的普通技術人員所熟知的。
而且，表I中的對比樣品清楚地說明了結合高分子量增強組分和高分子量交聯組分的實施方式相比于沒有這種協同作用的樣品，在抗彎強度和拔釘阻力性能上有驚人的、意想不到的提高。
本發明的復合材料的一個實施方式包含一種在水合無機粘結材料中的有機增強組分和有機交聯組分的網絡。在一個具體實施方式
中，所述無機粘結材料是半水石膏。在可選的實施方式中，所述無機粘結材料是硬石膏。在另一個具體實施方式
中，所述有機增強組分是PVP；有機交聯組分被用來與PVP發生化學或物理的交聯。例如，在一個具體實施方式
中，所述有機交聯組分是PSS。
本發明的粘結建筑材料的一個實施方式是一種在板狀(如平板)的水合無機粘結材料中包含有機增強組分和有機交聯組分的網絡的復合材料。在一個具體實施方式
中，這種粘結建筑材料是墻板，在可選的實施方式中，所述墻板還包含覆蓋在板的至少一面上的至少一層紙。在另一個可選的實施方式中，所述墻板還可以包含一種添加劑，所述添加劑離析到板的至少一個表面上形成層狀層。
復合墻板的一種實施方式包括一種層積結構，在PVP/PSS含量低的發泡石膏核芯表面形成具有高濃度的PVP/PSS的高密度石膏薄層。由此得到的復合材料使PVP/PSS對抗彎強度和對紙的粘結的貢獻最大化，同時使成本最小。
復合墻板的另一個實施方式包括一個含有一定比例的表面改性劑的薄層(例如，聚氨酯分散劑)，而在核芯卻不含所述表面改性劑或者核芯的表面改性劑濃度比表面低得多。在復合墻板的加工和干燥過程中，這種表面改性劑(例如一種聚合物添加劑)可以離析到漿料的表面上形成層狀層(stratified layer)。在一個實施方式中，所述表面改性劑在PVP/PSS增強的材料核芯中的濃度很低，所述表面改性劑在材料表面的濃度高于PVP/PSS在表面的濃度，但是其在核芯的濃度卻低于PVP/PSS在核芯的濃度。
例如，這種層積結構可以使墻板和/或墻板表面具有高的力學強度，使所述復合墻板在不用面紙的情況下滿足建筑構造標準。或者，所述層狀結構可以減少滿足建筑所需的拔釘阻力和抗彎強度標準所需的紙面層數，或者可以提高墻板吸收涂料的能力。例如，所述復合墻板可以不帶面紙或覆蓋單層紙面做裝飾用。
在一個實施方式中，在復合墻板的一側只有單層面板，另一側(外露面)可以形成孔洞、裂縫、凹槽或凸紋等紋理來促進對聲波的衰減和吸收。例如，進入紋理結構表面的聲波的反射會減弱很多。而且，可以使用發生粘彈松弛(轉變)的聚合物來消音，例如，在室溫下吸收頻率在20赫茲和20k赫茲之間聲波。
另一個復合材料的實施方式包括一個包含高濃度纖維(如玻璃、木材或纖維素纖維)的表面層。它將PVP/PSS增強的核芯夾在中心。這樣的復合材料適于制備夾襯板和/或需要高沖擊強度的應用。
在另一個可選的實施方式中，通過改變PVP與PSS的相對比例和/或PVP組分的分子量可以獲得漸變結構。通過相對于PSS使用更高比例的PVP，使得只有一部分PVP與PSS相互作用形成凝膠。剩余的PVP被蒸發水攜帶遷移至材料表面。結果得到具有增強的核芯的復合材料，在復合結構干燥表面附近具有更高的PVP百分比濃度。
在一個
具體實施例方式
中，少量(定義為小于無機粘結材料質量的2％)的增強組分與痕量(定義為增強組分質量的1％)的交聯組分相結合。在該具體實施方式
中，在復合結構的干燥表面上形成具有較高濃度(相比于在核芯的濃度)的增強組分的表面層。
在一個可選的實施方式中，一種高活性的交聯組分(例如催化交聯組分)可與高分子量的、水溶性的增強組分(即使是痕量)一同使用，也可形成一種增強組分濃度分布比較均勻的復合結構。本領域的一般技術人員可以通過反復試驗或通過計算形成交聯網絡的反應速率和反應程度來推測交聯組分的活性。因此，對于復合結構的一個具體實施方式
，可以確定可擴散到表面的增強組分的量。而且，在催化交聯組分和增強組分之間的反應可以延緩，比如使用溫度敏感的催化交聯組分或使用市售的抑制劑。
在另一個具體實施方式
中，增強組分的量與交聯組分的量基本相同，此時交聯組分和增強組分在與無機粘結材料的聚合物網絡中都以交聯的鏈的形式存在。
在可選的實施方式中，增強組分和交聯組分的量可以在從100∶1至1∶10的比例中進行選擇。對于物理交聯，所述比例更優選在10∶1和1∶2之間。對于化學交聯網絡，5∶1和1∶1之間的比例具有良好的效果。
然而，本發明并不將增強組分與交聯組分的比例限制在任何特定的范圍內，因為優選的比例取決于所用的增強組分、交聯組分和交聯的類型。實際上，可以使用寬范圍的增強組分和交聯組分來形成凝膠，生成具有長的交聯的聚合物鏈的交聯聚合物網絡，由此產生了本申請描述和要求保護的協同增強機制。
所有用于普通粘結產品的添加劑均可用于本發明，包括無機填料(如珍珠巖、膨脹珍珠巖、云母、粘土、蛭石)、木材或玻璃纖維、淀粉、偏磷酸鈉、表面活性劑、發泡劑、硼酸鹽(如硼酸和硼酸鈉)和瀝青。而且，當低分子量的離子交聯聚合物(如Daxad)不是合適的交聯組分時，可在本發明中也使用少量的實現不同功能(如分散劑或減水劑)的更低分子量的離子交聯聚合物來獲得期望的結果。
在本發明中還可以結合使用其它添加劑，以增強復合材料的抗濕性或進一步提高強度或抗裂性。這些添加劑的實例包括蠟乳化液、聚(醋酸乙烯酯)乳化液、聚(乙烯醇)/硼酸交聯體系、聚(醋酸乙烯酯)/硼酸交聯體系、丙烯酸酯乳化液、聚氨酯乳化液、環氧樹脂、和三聚氰胺。
本發明也可與單體或低聚體結合使用，以進一步發生原位反應。在這個實施方式中，增強組分和交聯組分形成的網絡可將添加的單體或低聚體限制在樣品的核芯中，防止它們遷移。然后，單體或低聚體發生后聚合或鏈段延長，以得到進一步增強的網絡。例如，在石膏漿料中，與聚(乙烯吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸)鈉一起，加入環氧樹脂分散劑和聚胺硬化劑。增強組分和交聯組分的凝膠化將環氧樹脂和硬化劑限制在樣品的核芯內。接著在水揮發后環氧樹脂硬化，得到進一步增強的復合材料。
在一個
具體實施例方式
中，將精細研磨的、煅燒的石膏與水、鏈端為羧基官能團的氫化聚丁二烯、低分子量的聚丙烯酸(分子量小于250,000)、乳化劑(WetAid)、次磷酸鈉和環己烷混合。或者，加入回收的蒸煮過的紙纖維。將這些組分充分混合制成漿料，然后在擠壓機中加熱到華氏350度(通過時間約1分鐘)，接著送入間隙為0.5英寸的兩個平行砑光輥之間的進料區。從砑光輥出來的輸出物被夾在兩片連續紙片之間，將發泡的核芯夾在中間。
在另一個具體實施方式
中，將波特蘭水泥混合物加入到馬來酸取代的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(苯乙烯和丁二烯的比例約為50∶50)、乙氧基化三甲氧基丙烷三丙烯酸脂(ethoxylatedtrimethalolpropane triacrylate)、A1BN(發熱劑)、甲基乙基酮、AOT、水和碳酸氫鈉的混合物中。將這些組成充分混合形成漿料，在加壓下通過一條加熱管。出口安裝了多孔噴嘴，膨脹的漿料經過后被分成小液滴(10至100微米)，這些小液滴繼續膨脹和固化。得到的發泡顆粒融合到泡沫層中。例如，發泡顆粒進一步與熱的熔化的粘結劑混合，注入一個預制的門腔中，以起到增強、消音、隔熱、阻燃的作用。
在另一個具體實施方式
中，將煅燒的石膏在有水的情況下與氧化銻混合。再加入羧甲基纖維素(CMC)和聚丙烯酸。在一個可選的替代實施方式中，用二羥甲基二羥基乙撐脲(DMDHEU)代替聚丙烯酸。接著，將pH值調到4至5的范圍。將預膨脹的Expanel(重量比10％)加入混合物中，從混合罐流入收集罐，接著將多孔的氈網(網幅)通過收集罐，通過將所述氈網一次或多次通過收集罐使其攜帶一定量的混合物。通過襯墊滾筒線(pad roller line)加熱帶有混合物的氈網，使漿料膨脹和硬化。接著，(例如在連續操作中)將該復合材料與一個或多個紙面板粘結起來。
在另一個具體實施方式
中，對前面的實施方式進行改進先將煅燒的石膏浸入乙二胺或聚乙烯亞胺(PEI)的水溶液中。接著將處理過的煅燒石膏與CMC和馬來酸酐取代的聚丁二烯(得自Ricon)混合。用戊烷溶解后面的組分，并通過添加表面活性劑(如Tween和Span中的一種或兩種)將其乳化。在干燥和硬化過程中戊烷揮發，產生孔隙。CMC的羧基與石膏上覆蓋的胺形成強的化學鍵，產生了與圖5所示相似的的微觀結構，其中石膏顆粒處在粘結互連的橋狀網絡中。
在另一個具體實施方式
中，將煅燒的石膏與水和一種包含聚氨酯前體、發泡劑和表面活性劑的有機物相混合起來。所述聚氨酯由多元醇(輕微分支，具有長鏈的構造)和一種二異氰酸酯(如甲苯二異氰酸酯)形成。發泡劑選自三氯一氟甲烷或二氯甲烷中的至少一種。通過強烈的攪拌和加入作為表面活性劑的Tween/Span，得到具有乳膏粘度的漿料。通過加熱(直到100℃)，石膏再水合，聚氨酯被三氯一氟甲烷或二氯甲烷中的至少一種吹起，與無機顆粒牢固地粘結起來，產生開腔的小氣泡，如圖5所示。發泡的混合物的一側安放在連續的面板上，同時將另一側用表面凸起的滾筒穿孔，以得到表面吸收可聽聲波的能力。
在另一個具體實施方式
中，橡膠狀乳膠由下列彈性材料中的至少一種形成天然橡膠、SBR、丁腈橡膠、氯丁橡膠、氯硫化的聚苯乙烯-乙烯-丙烯三元聚合物、丁基橡膠、聚丙烯酸酯或它們的組合物。在橡膠狀乳膠中加入一種可分解的發泡劑，例如碳酸氫鈉、偶氮甲酰胺、二硝基五甲基四胺、2，2′-偶氮二異丁氰、和/或對氧雙苯磺酰肼，它們可用AOT來穩定。這種混合物加入熟石膏漿料的比例為1∶2。然后在加熱的同時將混合物倒入膠合板，使混合物膨脹凝固為1英寸的層，該層夾在底層膠合板和另一個層(例如另一個膠合板層或裝飾紙頂層)之間。
其它的變化和置換，包括混合和處理步驟、增強組分和交聯組分的選擇、常用添加劑的使用，都屬于本領域的常用手段，并包含在本
權利要求
1.一種建筑用墻板，其包含孔隙、具有高分子量的有機增強組分、交聯組分和水合無機粘結材料，其中所述有機增強組分通過交聯組分相互交聯，并與水合無機粘結材料形成交聯的分子網絡。
2.如權利要求1所述的墻板，其中所述增強組分粘附在所述水合無機粘結材料上。
3.如權利要求1所述的墻板，其中所述有機增強組分和交聯組分是相同大分子的不同部分。
4.如權利要求3所述的墻板，其中所述大分子選自乙烯基吡咯烷酮和苯乙烯磺酸酯的共聚物、乙烯基己內酰胺和乙烯基磺酸酯的共聚物、乙烯基吡啶和丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的共聚物、丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、和它們的混合物。
5.如權利要求1所述的墻板，其中所述有機增強組分選自聚丙烯酰胺、聚(丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)、聚(乙烯基己內酰胺)、聚(2-乙基-2-噁唑啉)、聚(乙烯基吡啶)、聚(乙烯基咪唑)、丙烯酰胺共聚物、2-乙基-2-噁唑啉共聚物、乙烯基己內酰胺共聚物、乙烯基吡啶共聚物、乙烯基咪唑共聚物、和它們的混合物。
6.如權利要求1所述的墻板，其中所述有機增強組分是分子量至少為約100,000的PVP。
7.如權利要求6所述的墻板，其中所述有機交聯組分被用來交聯所述PVP。
8.如權利要求7所述的墻板，其中所述有機交聯組分的分子量至少為約100,000。
9.如權利要求7所述的墻板，其中所述有機交聯組分通過纏結與PVP發生物理交聯。
10.如權利要求7所述的墻板，其中所述有機交聯組分與PVP發生化學交聯。
11.如權利要求10所述的墻板，其中所述有機交聯組分是PSS。
12.如權利要求11所述的墻板，其中所述水合無機粘結材料是水合的半水合物或水合石膏。
13.如權利要求5所述的墻板，其中所述有機交聯組分選自聚乙烯醇、聚丙烯酸、丙烯酸共聚物、甲基丙烯酸共聚物、苯乙烯磺酸共聚物、包含苯乙烯磺酸酯的共聚物、丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸共聚物、和它們的混合物。
14.如權利要求1所述的墻板，其中所述交聯組分是一種引發增強組分的聚合物鏈間的共價鍵的形成的催化劑。
15.如權利要求7所述的墻板，其中所述有機交聯組分至少是聚磺酸鹽、聚羧酸鹽和聚磷酸鹽中的一種。
16.如權利要求1所述的墻板，其中所述水合無機粘結材料是一種水合石膏。
17.如權利要求1所述的墻板，其中所述水合無機粘結材料是一種水合半水石膏。
18.一種復合材料，其包含孔隙；一種選自PVP、乙烯基吡咯烷酮共聚物、乙烯基己內酰胺共聚物、和它們的混合物的增強組分；PSS和水合無機粘結材料，其中在增強組分與無機粘結材料混合后通過PSS將增強組分交聯起來；其中增強組分的分子量分別至少約為100,000和PSS的分子量至少約為70,000。
19.如權利要求18所述的復合材料，其中所述增強組分的分子量不高于1300,000。
20.一種粘結建筑材料，其包含孔隙、高分子量的水分散性的有機增強組分、分子量至少為70,000的有機交聯組分和水合無機粘結材料，其中所述有機交聯組分被用來交聯有機增強組分，交聯的有機增強組分與無機粘結材料有親和力，在水合無機粘結材料干燥后會形成交聯的分子網絡，該交聯的分子網絡與水合無機粘結材料是相互連接的。
21.如權利要求20所述的粘結建筑材料，其中所述粘結建筑材料的形狀是板狀的。
22.如權利要求21所述的粘結建筑材料，其中所述粘結建筑材料被用作墻板。
23.如權利要求22所述的粘結建筑材料，其還包含至少一層紙，其中所述至少一層紙被覆蓋在所述板的至少一面上。
24.如權利要求22所述的粘結建筑材料，其中板的表面上沒有覆蓋紙。
25.如權利要求24所述的粘結建筑材料，其還包含一種表面改性劑，該表面改性劑在所述板的至少一面上離析成層狀層。
26.如權利要求25所述的粘結建筑材料，其中所述表面改性劑是與增強組分或交聯組分不相同的物質。
27.如權利要求26所述的粘結建筑材料，其中所述表面改性劑是聚氨酯分散劑。
28.一種制備復合粘結建筑材料的方法，其包括將有機增強組分、有機交聯組分和無機粘結材料混合起來；將混合步驟制備的混合物加入水中；攪拌水和混合步驟制備的混合物以形成漿料，其中所述有機增強組分被有機交聯組分交聯起來，使有機增強組分在漿料內形成凝膠，將漿料成型，然后干燥漿料，從而通過揮發水分形成孔隙。
29.如權利要求28所述的方法，其中成型步驟產生具有一定長、寬和高的板，其厚度遠小于板的長和寬。
30.如權利要求29所述的方法，其還包括將至少一層紙覆蓋在所述平板的至少一個面上。
31.如權利要求29所述的方法，其還包含添加至少一種離析到所述平板的表面上的表面改性劑，其中，所述至少一種表面改性劑在平板的至少一面上形成至少一個層狀層。
32.如權利要求31所述的方法，其中在所述復合粘結建筑材料的表面上沒有覆蓋紙。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述表面改性劑與增強組分或交聯組分是不相同的物質。
34.如權利要求33所述的方法，其中所述表面改性劑是聚氨酯分散劑。
35.一種復合材料，其包含孔隙；一種高分子量的水分散性的有機增強組分，其中水分散性的有機增強組分通過催化交聯組分交聯起來；一種水合無機粘結材料，其中催化交聯組分將水分散性的有機增強組分交聯起來，使交聯的有機增強組分與水合無機粘結材料形成網絡，這樣充分減少了在干燥過程中水分散性的有機增強組分向所述復合材料表面的擴散。
36.如權利要求35所述的復合材料，其中所述水分散性的有機增強組分是聚(乙烯基吡咯烷酮)。
37.如權利要求36所述的復合材料，其中所述催化交聯組分是一種包含過氧化氫的水溶液。
38.如權利要求37所述的復合材料，其中所述水溶液還包含氯化銅(II)。
39.一種復合材料，其包含孔隙；分子量至少為100,000的聚(乙烯基吡咯烷酮)；一種交聯組分；和一種無機粘結材料，其中所述聚(乙烯基吡咯烷酮)通過交聯組分交聯起來，并與無機粘結材料形成分子交聯網絡。
40.一種模制品，其包含孔隙；分子量至少為100,000的PVP；分子量至少為70,000的PSS；一種水合無機粘結材料，其中PSS將PVP原位交聯起來；交聯的PVP與水合無機粘結材料形成交聯的分子網絡。
41.一種建筑用水泥，其包含分子量至少為100,000的PVP；一種交聯組分；一種無機粘結材料，其中當與水混合時，使用交聯組分來交聯PVP；混入的超出水合無機粘結材料所需的水在干燥時產生孔隙。
42.如權利要求41所述的水泥，其中所選的交聯組分對溫度敏感；引起PVP交聯的反應發生在所需的溫度范圍內。
43.一種包含如權利要求41所述水泥的混凝土。
44.一種包含如權利要求18所述復合材料的接合劑。
45.一種包含如權利要求18所述復合材料的粘結劑。
46.如權利要求11所述的墻板，其中所述水合無機粘結材料是水合石膏。
47.如權利要求18所述的復合材料，其中所述增強組分是PVP。
48.如權利要求18所述的復合材料，其中所述增強組分是乙烯基吡咯烷酮共聚物。
49.如權利要求18所述的復合材料，其中所述增強組分是乙烯基己內酰胺共聚物。
50.如權利要求1所述的墻板，其中通過加入孔隙，核芯密度減小。
51.一種用于墻板的復合材料，其包含原位聚合的有機粘結劑，其中參與聚合反應的至少一種聚合物形成材料是疏水的；一種發泡劑；大量的由有機粘結劑包覆的無機顆粒，其中發泡劑在墻板內形成孔隙。
52.如權利要求51所述的復合材料，其中所述發泡劑包括表面穩定劑的水溶液。
53.如權利要求51所述的復合材料，其中所述發泡劑是一種起泡劑。
54.一種用于墻板的復合材料，其包含原位聚合的有機粘結劑，其中有多種聚合物形成材料參與所述聚合反應，其中至少一種聚合物形成材料是疏水的，該聚合反應通過使至少一種聚合物形成材料分解產生氣體而引發膨脹；大量的無機顆粒被有機粘結劑包覆，所述氣體在墻板內形成孔隙。
55.如權利要求54所述的復合材料，其中所述多種有機粘結劑中的一種既有疏水部分又有親水部分。
56.如權利要求54所述的復合材料，其中所述多種聚合物形成材料中的至少一種是現成的聚合物。
57.如權利要求54所述的復合材料，其中所述多種聚合物形成材料中的至少一種是單體。
58.如權利要求54所述的復合材料，其中所述多種聚合物形成材料中的至少一種選自環氧樹脂、聚氨酯、聚酯、聚酮/二胺、和聚(馬來酸酐-交替-1-十八烯)/二胺。
全文摘要
本發明描述了一種有機－無機復合粘結建筑材料的制備方法和組成。這種復合材料的微結構包括孔隙。在一個實施方式中，交聯組分與高分子量的增強組分和無機粘結材料相混合。將混合物加入水中在水合的復合粘結建筑材料中形成交聯分子網絡。在干燥和硬化的過程中或作為加入泡沫穩定劑或發泡劑的結果，形成了孔隙。這種復合粘結建筑材料表現出增強的抗彎強度和提高的拔釘阻力，使其相比于其它已知方法制備的粘結建筑材料，重量會減輕。
文檔編號C08J9/14GK1646612SQ03807878
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月4日 優先權日2002年3月7日
發明者戴維·S.·索恩, 克里斯托弗·D.·塔吉, 雅各布·弗里亞斯·波洛克 申請人:新型建筑及建材公司