專利名稱：提高石膏板強度的方法
技術領域：
本發明涉及加強石膏板的方法。更具體地，它涉及在加入石膏漿料的泡沫泡周圍形成外殼以增強泡沫泡的壁。
背景技術：
石膏板廣泛用作建筑材料。由石膏制備的壁板阻燃，并且可以用在建造幾乎任何形狀的壁中。它主要用作內壁或外壁或天花板產品。石膏具有隔音性質。如果石膏變得受損，其相對容易修補或替換。存在各種可以施用到壁板上的裝飾性修整，包括涂漆和壁紙。即使具有所有這些優點，但它仍然是相對低廉的建筑材料。壁板成本低的一個原因是它們通過快速高效的工藝制得。半水合硫酸鈣在水存在下水合形成二水合硫酸鈣晶體互鎖的基體，造成它凝結并變堅硬。在混合器中制備包含半水合硫酸鈣和水的漿料。在獲得均勻混合物時，將該漿料連續沉積在運動的表面上，該表面任選地包括飾面材料。第二飾面材料任選在漿料平滑至恒定厚度并且成型為連續條帶之前施用到其上。將由此形成的連續條帶在帶上運送直至經煅燒的石膏凝結，之后切割條帶形成期望長度的板，并將這些板運送通過干燥爐以除去多余的水分。由于這些步驟中的每一個僅花費幾分鐘，因此任何工藝步驟的小變化都可以導致生產工藝總體沒有效率。形成·漿料加入的水量超過完成水合反應所需的量。過量水分賦予漿料充分的流動性，從而流出混合器并流到待成型為合適寬度和厚度的飾面材料上。隨著產物開始凝結，水淤積在二水合物晶體之間的空隙中。水合反應利用一些淤積水繼續該反應，繼續在淤積水中和周圍形成晶體基體。在水合反應完成時，占據淤積區的未用的水通過蒸發離開基體。當所有水已蒸發時，石膏基體中留下空隙空間。如果使用大量的過量水分，該空隙空間更大更多。安裝石膏板的人因連續移動并抬起板而變得疲憊。因此有利的是制造輕量容易處理的板。可以通過向石膏漿料中加入泡沫來制造輕量板。發泡劑如肥皂可以加入漿料中，使得通過混合作用產生泡沫。在某些情況下，發泡劑用于先產生泡沫，泡沫在其離開混合器之前或之后加入漿料中。選擇發泡劑以產生在水合發生時積極聚結的泡沫。泡沫泡尺寸分布來自于“活性(active)”泡沫。隨著水合反應進行，石膏基體在泡沫泡周圍形成，當凝結石膏形成和泡沫泡破裂時在基體中留下泡沫空隙。可能難以獲得產生可接受板強度的泡沫空隙分布。理想的泡沫是產生小泡沫泡的“活性”泡沫，這些小泡沫泡聚結以連續產生大、小泡沫泡分布。非常小的許多泡沫空隙在它們之間具有非常薄的石膏基體壁。可以導致最終板具有差的壓縮強度。形成非常大的泡沫空隙可以在板表面造成不均勻，使其美學上不可接受。用在漿料中的添加劑還可以造成泡沫泡變得過度不穩定，迅速聚結成大泡沫泡。其它添加劑，包括一些聚羧酸鹽分散劑使泡沫過度穩定，以致于小泡沫泡不能結合。已表明產生具有適當泡沫泡尺寸平衡的泡沫泡以制造強石膏板是困難的工作。
發明內容
采用制造強石膏板的方法改善這些或其它問題中的一個或多個，該方法包括在泡沫泡與石膏漿料的界面處形成硬化外殼結構的方法。增強組分選自促凝劑、水溶性聚磷酸鹽、三偏磷酸鈉、水溶性聚磷酸鹽與淀粉的混合物、硼酸、纖維、甘油及其組合。接著將增強組分與發泡劑和水混合形成肥皂水性混合物。由肥皂水性混合物產生泡沫，接著將泡沫加入石膏漿料中。上述混合步驟的具體順序對于本發明方法不認為是關鍵的，可考慮可替代的步驟順序。在一些實施方案中，相比將添加劑加入石膏漿料中，上述方法還使得更成本有效地使用添加劑。通過在泡沫水、發泡劑、肥皂水性混合物和/或泡沫中包含增強組分，添加劑僅在它表現最好的位置接觸石膏。當泡沫與石膏漿料混合時，該漿料包圍充滿增強組分的泡沫泡。隨著漿料硬化和凝結，它從泡沫泡中吸收水，最終使泡沫泡破裂，這使得泡沫泡留下的空隙的內表面上或附近具有相對高濃度的添加劑。在另一實施方案中，在泡沫泡與石膏漿料的界面處形成硬化外殼結構的方法包括:選擇增強組分，將發泡劑和增強組分與水混合形成肥皂水性混合物，由肥皂水性混合物產生泡沫，以及將泡沫加入包含水硬組分的石膏漿料中，其中由漿料形成石膏板，該石膏板相比泡沫中缺少增強劑的板具有增加的強度。
具體實施例方式改進的石膏板通過首先混合發泡劑、增強組分和泡沫水以制備泡沫，之后將其加入石膏漿料中來制造。泡沫的單獨制備將增強組分直接置入泡沫而不是石膏漿料中，在石膏漿料中它被其它組分稀釋和/或與其它組分競爭進入肥皂泡。在本發明使用發泡劑在含 凝結石膏的制品中產生泡沫空隙以提供更輕重量的實施方案中，可以使用已知用在制備泡沫凝結石膏制品中的任何常規發泡劑。許多這種發泡劑是熟知的，并且易于市購得到，例如獲自GEO Specialty Chemicals, Ambler, PA的HYONIC系列(line)的肥皂產品。任何發泡劑適合單獨使用或與其它發泡劑組合使用。發泡劑組合的例子包括形成穩定泡沫的第一發泡劑和形成不穩定泡沫的第二發泡劑。第一發泡劑任選是具有8-12個碳原子鏈長的烷基和1-4個單元鏈長的乙氧基的肥皂。第二發泡劑任選是具有6-16個碳原子鏈長烷基的未乙氧基化的肥皂。調節這兩種肥皂各自的量允許控制板泡沫空隙結構，直至達到100%穩定肥皂或100%不穩定肥皂。發泡劑的示例性組合以及它們加入泡沫石膏制品中公開在美國專利N0.5，643，510中，該專利的內容通過引用并入本文。泡沫的另一組分是增強組分。選擇該組分來增強在泡沫泡所留下的空隙周圍的外殼。當混合泡沫和煅燒石膏漿料時，漿料包覆在泡沫泡外面。隨著半水合硫酸鈣水合進行，與水反應使其轉化為二水合硫酸鈣。水主要從漿料中吸出，但是對于鄰近泡沫泡的半水合物晶體，還從泡沫吸收水。當將增強組分加入發泡劑、水或泡沫的任何一種中，并且除了石膏漿料外產生泡沫時，在產生由漿料制得的板之后獲得更強的結構。強度增強劑在泡沫泡中濃縮，而不是分布在整個石膏漿料中。在與石膏漿料結合時，強度增強劑接著在泡沫泡膜中濃縮。強度組分鄰近正在形成的石膏基體增強了該結構，在需要處在泡沫空隙周圍形成強的外殼。增強組分的例子包括甘油、促凝劑、硼酸、本領域已知的強度增強聚合物、淀粉及其混合物、以及磷酸鹽如三偏磷酸鈉、其它水溶性聚偏磷酸鹽、纖維或其組合。增強組分的用量基于灰泥重量為約0.25至3.5%。纖維也可以與其它增強組分中的一種組合使用，以增加空隙壁的完整性。雖然不希望囿于理論，據信不同類型的增強組分以不同方式起作用以增強空隙壁。鹽可以成為石膏基體的一部分，通過使晶體鏈接在一起增強板強度。纖維起到增強空隙壁鄰近區域的石膏基體的作用。淀粉充當粘結劑以使鈣二水合物晶體保持在一起。不管機理，可以使用任何增強組分或其組合。晶體促凝劑如經涂覆或未經涂覆的石膏粉充當籽晶以減少反應的誘導時間。晶體促凝劑的用量至多約351b./MSF(170g/m2)。“CSA”是包含95% 二水合硫酸鈣和約5%(重量百分比)糖的促凝劑，其中二水合硫酸鈣和糖被共磨碎并加熱至250° F(121° C)以使糖變成焦糖。CSA可獲自USG Corporation, Southard, OK plant,并且根據美國專利N0.3，573，947制得，該專利的內容通過引用并入本文。硫酸鉀、硫酸鋁和硫酸氫鈉也是合適的促凝劑。HRA是與糖新磨碎的二水合硫酸|丐，其中每100磅二水合硫酸I丐使用約5至25磅糖。HRA還描述在美國專利N0.2，078，199中，該專利的內容通過引用并入本文。這二者都是優選的促凝劑。這些促凝劑減少水合時間并減小流動性。另一優選的促凝劑已知是濕石膏促凝劑或WGA。關于濕石膏促凝劑的用途和制備方法的描述公開在美國專利N0.6，409，825中，該專利的內容通過引用并入本文。該促凝劑包含選自有機膦化合物、含磷酸酯化合物或其混合物的至少一種添加劑。濕石膏促凝劑表現出相當長的使用壽命并隨時間保持其有效性，使得濕石膏促凝劑可以在使用前制備、儲存、甚至長距離運輸。濕石膏促凝劑的用量為每千平方英尺板制品約5至約80磅(24.3至390g/m2)。先由肥皂水性混合物產生泡沫。一種制備泡沫的方法是使用將該肥皂溶液與空氣混合的發泡劑。任何混合方法可以用于使肥皂和引起泡沫泡形成的空氣結合，包括攪拌、湍流或混合。控制水和空氣的量以產生特定密度的泡沫。對泡沫體積的調節用來控制干制品
的總重量。如果需要，可以“離線”預混發泡劑混合物，離線即與制造泡沫石膏制品的工藝分開。但是，優選作為整個混合工藝的“在線”部分同時連續混合第一和第二發泡劑。這可以例如通過泵送不同發泡劑的單獨料流，并使料流在用來產生水性泡沫流的發泡劑接著引入煅燒石膏漿料中并與其混合時或正好在這之前混合在一起來完成。通過以此方式混合，混合物中第一和第二發泡劑的比例可以簡單并高效地加以調節(例如通過改變單獨料流的一種或兩種的流量)以在泡沫凝結石膏制品中實現期望的空隙特性。針對最終制品的檢查結果進行這種調節 ，以確定是否需要這種調節。這種“在線”混合和調節的進一步描述可見于美國專利N0.5，643，510和5，683，635中，它們在前已通過引用并入。以類似方式可以將增強劑與發泡劑或泡沫水離線預混，或者可以作為單獨組分在泡沫產生工藝的任何階段加入。接著將所制備的泡沫加入包含水硬組分的石膏漿料中。可以使用任何形式的煅燒石膏，包括但不限于α或β灰泥。也可考慮使用無水硫酸鈣、合成石膏或石膏粉。其它水硬材料包括水泥和飛灰任選包含在漿料中。將水以任意量加入漿料以形成可流動的漿料。水的用量根據漿料的應用、所用分散劑、所用灰泥和添加劑的性質變化較大。壁板的水與灰泥之比(“WSR”)優選基于灰泥干重量的約0.1至約1.2。在一些實施方案中，優選WSR為約0.4至約0.9。在其它實施方案中，使用約0.7至約1.2的WSR。基于適度加入某些分散劑，WSR甚至可以在實驗室測試中
進一步減小。用于制備漿料的水應該與實際用來最佳控制漿料和凝結石膏的性質的水一樣純。熟知鹽和有機化合物用于改變漿料凝結時間，從促凝劑到阻凝劑廣泛變化。某些雜質在形成二水合物晶體互鎖基體時導致結構不規則，從而降低凝結產品的強度。因此通過使用實際無污染物的水來增強產品強度和稠度。石膏漿料的某些添加劑在它們混合時影響泡沫的泡沫泡尺寸分布。不同聚羧酸鹽分散劑例如可以穩定泡沫或使泡沫不穩定。趨于穩定泡沫的添加劑包括某些PCE分散劑，而萘磺酸鹽和某些淀粉趨于使泡沫空間不穩定。穩定的泡沫是泡沫泡長期持續、尺寸通常或多或少保持恒定的那些。彼此聚結并生長得更大的泡沫泡不穩定。在選擇待加入的增強組分的類型或量時，應該考慮這些添加劑的效果。泡沫石膏芯的空隙尺寸分布可以通過調節肥皂水性混合物中肥皂濃度來精密控制。在已制備泡沫石膏芯后，檢查石膏芯內部即揭示了空隙結構。空隙尺寸分布可以通過自初始或之前濃度改變肥皂濃度而變化。如果內部具有過大的小空隙部分，可以減小肥皂水性混合物中的肥皂濃度。如果發現過多非常大的橢圓形或不規則形狀的空隙，可以增大肥皂濃度。雖然最佳空隙尺寸分布可以根據產品、位置或所用原料而變化，但本工藝技術適合于達到期望的空隙尺寸·分布，不管它是如何定義的。許多實施方案中的期望空隙尺寸分布是為所用的石膏配料產生高強度芯的空隙尺寸分布。將漿料和預產生的泡沫混合以制備泡沫石膏組合物。混合石膏漿料和預產生的泡沫的一種方法是對泡沫加壓并迫使其進入漿料內。至少一個實施方案使用泡沫環分布泡沫。泡沫環是允許漿料流過它的成型裝置。它包括一個或多個噴嘴或狹槽用以在漿料通過該環時使加壓泡沫釋放到漿料內。泡沫環的使用公開在美國專利N0.6，494，609中，它們通過引用并入本文。另一混合泡沫和漿料的方法是將泡沫直接加入混合器中。在一個實施方案中，泡沫環或其它泡沫噴射裝置定位成將泡沫噴入混合器的排放導管內。該工藝描述在共同轉讓的美國專利N0.5，683，635中，它通過引用并入。不管泡沫產生或引入漿料內的方式，本發明方法的重要特征在于在泡沫引入漿料內之前，在泡沫產生或生成的某點處混合或加入增強劑。實施例1使用泡沫水的各種添加劑在實驗室制造石膏模。由具有2克CSA的600克半水合硫酸鈣(USG，Southard, 0K)、足夠提供0.75水/灰泥比的水(計量水和泡沫水)、預混在計量水中的0.15%萘磺酸鹽分散劑(基于干態，作為灰泥的百分比)和泡沫水溶液制備石膏漿料，該泡沫水溶液組成如下:按泡沫水溶液重量為0.5wt%PFM33穩定肥皂、0.5wt%STMP和0.25至2.0wt%如表I所示的淀粉材料。實驗室混合順序和程序如下:1.將具有分散劑的水置入Hobart混合器槽中；2.將預混有促凝劑的灰泥加入槽中并浸泡較短時間，之后開始機械混合；3.使用Hobart混合器混合材料。在混合過程中，加入泡沫以控制密度。泡沫加入量根據得到42.5pcf+/-l.7pcf的干密度所需的量來實驗確定。對于下列用于比較多種強度增強劑性能的每一測試，保持下面參數基本恒定:促凝劑的量、分散劑的量、目標干密度和芯空隙分布。表I
權利要求
1.一種在泡沫泡與石膏漿料的界面處形成硬化外殼結構的方法，包括: 從促凝劑、水溶性聚磷酸鹽、水溶性聚磷酸鹽與淀粉的混合物、硼酸、纖維、甘油或其組合中選擇增強組分； 將發泡劑和所述增強組分與水混合形成肥皂水性混合物； 由肥皂水性混合物產生泡沫；以及 將泡沫加入包含水硬組分的石膏漿料中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述發泡劑包括穩定肥皂。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述發泡劑還包括不穩定肥皂。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述發泡劑包括不穩定肥皂。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述增強組分的存在量基于所述水硬組分的重量為約0.25至約3.5%ο
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述選擇步驟的所述增強組分選自三偏磷酸鈉與淀粉的混合物、三偏磷酸鈉、甘油、硼酸及其組合。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述混合步驟的所述肥皂水性混合物不含其它組分。
8.—種在泡沫泡與石膏漿料的界面處形成硬化外殼結構的方法，包括: 選擇增強組分； 將發泡劑和所述增強組分與水混合形成肥皂水性混合物； 由肥皂水性混合物產生泡沫；以及 將泡沫加入包含水硬組分的石膏漿料中， 其中由所述漿料形成石膏板，所述石膏板相比泡沫中缺少增強劑的板具有增加的強度。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述增強組分是三偏磷酸鈉。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述加入泡沫通過將泡沫引入用于混合石膏漿料的混合器的排放導管中來實施。
全文摘要
采用制造強石膏板的方法改善這些或其它問題中的一個或多個，該方法包括在泡沫泡與石膏漿料的界面處形成硬化外殼結構的方法。增強組分選自促凝劑、水溶性聚磷酸鹽、水溶性聚磷酸鹽與淀粉的混合物、硼酸、纖維、甘油或其組合。將增強組分與發泡劑和水混合形成肥皂水性混合物。由肥皂水性混合物產生泡沫，并將泡沫加入石膏漿料中。在將泡沫加入石膏漿料中之前允許增強組分接觸肥皂泡使得增強組分優選接觸肥皂膜，而不是分散通過整個漿料。
文檔編號B01F17/00GK103249691SQ201180058805
公開日2013年8月14日 申請日期2011年12月23日 優先權日2010年12月29日
發明者J·R·維特博爾德, B·L·彼得森, D·R·布萊克本 申請人:美國石膏公司