CN101068677A - 制作抗水石膏基物品的方法 - Google Patents

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Abstract

通过将少量硅氧烷与用以增强硅氧烷固化的少量僵烧氧化镁催化剂一起添加到用于制作石膏基产品的含水浆料中来制作一防潮石膏基产品，例如一石膏板。在优选实施例中，将所述硅氧烷现场形成为一含水乳液，而不使用任何化学乳化剂。

Description

制作抗水石膏基物品的方法
技术领域
本发明涉及一种通过将少量硅氧烷添加到用于制作石膏基产品的含水浆料中来制作防潮石膏基产品(例如石膏板、强化石膏复合板、熟石膏、可切削材料、联合处理材料和隔音砖)的方法。更具体地说，本发明涉及将少量僵烧氧化镁催化剂添加到含水浆料中以增强硅氧烷的固化。
背景技术
石膏是一种天然产生的矿物，其通常在古老的盐湖沉积层、火山堆积和粘土层中找到。从化学角度来看，石膏是二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。此材料也可作为各种工业生产过程中的副产品来产生。
当二水硫酸钙被充分加热时(称为煅烧的过程)，馏出水合水且可依据温度和暴露时间而形成半水硫酸钙(CaSO41/2H2O)或硫酸钙硬石膏(CaSO4)。本文所使用的术语“煅烧石膏”是指硫酸钙的半水合物和硬石膏形式两者。
煅烧石膏能够与水反应形成二水硫酸钙，二水硫酸钙是相当坚硬且刚性的产品并在本文中被称为“凝固石膏”。
普通石膏产品的实例是石膏板，其广泛用作为结构建筑面板。一般来说，石膏板包含由煅烧石膏的含水浆料制得的核心，所述煅烧石膏的含水浆料发生水合而形成凝固石膏。通常，所述板在其两个面上粘附有挂面纸(paper sheet lining)。
凝固石膏的特征在于其往往会吸收水。为了说明这点，当在70的温度下在水中浸渍约两小时时，不含任何抗水添加剂的石膏核心可吸收多达40到50重量％的水。在将石膏产品暴露到水或高湿度的应用中，此特征是不合需要的。石膏的吸水性往往会降低产品强度，从而致使产品易由微生物生长损坏并导致饰面分层。
石膏板也可在浴室中用作由塑料瓦或瓷砖覆盖的下伏表面，且为此目的，其通常被称为“瓷砖底板”。在例如这些的应用中，石膏板展示良好的抗水性是重要的。
这些现有技术产品(如普通石膏墙板、石膏砖、石膏块、石膏模型等)具有相对较小的抗水性。当(例如)将普通石膏墙板浸渍在水中时，所述板会快速吸收大量水且损失其大量强度。实际测试已表明，当将石膏板核心材料在约70下在水中浸渍2小时时(根据ASTM测试1396)，吸水性通常超过40％。过去已进行了许多尝试以改进石膏产品的抗水性。这些尝试已包括在半水硫酸钙浆料内并入抗水材料(例如金属皂、沥青、硅氧烷、树脂等)。其还包括尝试由抗水膜或涂料涂覆成品石膏产品。在King和Camp的第2,198,776号专利中揭示过去尝试中的一个特定实例，其通过整体添加拒水物质来获得防水石膏。此展示通过将熔融材料喷射到浆料中而将石蜡、硅氧烷、沥青等并入到含水浆料中。
本发明涉及一种制造抗水石膏组合物的改进方法，所述方法在其中并入硅氧烷以赋予凝固石膏产品抗水性。
应将表达“抗水”理解为意指上述预制结构元件能够限制熟石膏衬底的水吸取且同时仍保持所述结构元件的尺寸稳定性和机械完整性的能力。
根据不同国家，由特定标准来系统化或调节此抗水性。ASTM 630/630M-96a和ASTM 1398标准特别需要，当将此类石膏基物品在水中浸渍两小时时，熟石膏衬底的水吸取小于5％且表面上的吸水性(称为Cobb等效物)小于1.60g/m2。
通过使用大体上至少包括以下步骤的任何工艺来达成此拒水性：
(a)均匀混合干材料，其中所述干材料主要包含至少一种水合性硫酸钙、上述拒水剂和水，且在湿状态下预形成所述衬底；
(b)干燥所述预形成的衬底，以便获得形成为固体且干状态的所述衬底。
使用此类工艺，难以控制并入到熟石膏衬底中的拒水剂(例如以硅油形式)的量，且因此未充分利用拒水剂的潜力。
使用硅氧烷来制作防潮石膏基产品(例如石膏墙板)，是众所周知的。一般来说，将少量硅氧烷添加到用于制作石膏基产品的含水浆料中，且形成并干燥所述产品。尤其在美国专利第3,455,710号、第4,643,771号、第5,135,805号、第5,330,762号、第5,366,810号、第5,626,605号、第5,626,668号、第6,100,607号和第6,569,541号中描述了此类防潮石膏基产品的生产。然而，已发现在某些情况下，用于使得石膏基产品具有抗水性的硅氧烷在适当的时间周期内并不完全固化或一直不完全固化。在任一情况下，抗水性不会发展到令人满意的水平。
本发明的目的在于提供一种将硅氧烷与用于增强硅氧烷固化的催化剂一起并入到浆料中以加速并改进石膏基物品抗水性发展的方法。
发明内容
本发明涉及一种通过将少量硅氧烷和用于增强硅氧烷固化的催化剂添加到用于制作石膏基产品的含水浆料中来制作防潮石膏基产品(例如石膏板、强化石膏复合板、熟石膏、可切削材料、联合处理材料和隔音砖)的方法。所述方法包含将硅氧烷乳液与用于制备所述石膏基物品的定量水混合；将僵烧氧化镁催化剂与煅烧石膏混合；将硅氧烷/水混合物与石膏/氧化镁混合物混合以形成含水浆料；和将所述浆料成形为所要形状并允许所述成形浆料凝固以形成凝固石膏基抗水物品。
本发明涵盖使用以煅烧石膏和其它干成分的重量计约0.4到1.0％的硅氧烷。在优选工艺中，通过在高强度混合器中将硅氧烷与定量水的一部分混合若干秒来现场形成硅氧烷/水乳液。
在优选实施例中，催化剂是僵烧氧化镁。优选地，使用以石膏重量计约0.1到约0.5重量％的氧化镁。
附图说明
无
具体实施方式
在用于制造石膏基结构(例如墙板)的常规工艺中，将经计量的量的水(称为“定量水”)和任何其它液体组分连续馈入到“销棒混合器(pin mixer)”中。煅烧石膏和用于制作墙板的其它干成分通常被干掺合，且接着被连续馈入到所述销棒混合器，在所述混合器中其与定量水混合若干秒以形成含水浆料。也可将用于降低墙板密度的泡沫添加到所述销棒混合器中。接着将销棒混合器中所形成的浆料成形为物品(例如墙板)，且接着干燥所成形的物品。为了获得最佳抗水性，必须将硅氧烷均匀地分布在石膏上。因为使用相对较少量的硅氧烷，所以已发现在乳液形式的硅氧烷与定量水混合时提供了硅氧烷在石膏上的最均匀分布。此在整个用于形成石膏浆料的定量水中均匀地分布硅氧烷。与硅氧烷预混合的定量水在销棒混合器中与石膏和其它干材料混合，以形成浆料。
硅氧烷
本发明广泛涵盖通过将稳定乳液形式的可聚合硅氧烷添加到用于制作石膏基物品的浆料中来改进石膏基物品的抗水性。接着浆料成形，并将其在促进硅氧烷聚合以形成高度交联硅树脂的条件下干燥。优选地，将促进硅氧烷聚合以形成高度交联硅树脂的催化剂添加到石膏浆料中。
所述硅氧烷一般是流体线性氢改性硅氧烷，但还可以是环状氢改性硅氧烷。此类硅氧烷能够形成高度交联硅树脂。所属领域的技术人员熟知此类流体，且此类流体能在市场上购买到并在专利文献中有所描述。通常，本发明实践中可用的线性氢改性硅氧烷包含具有以下通式的那些物质：
RHSiO2/2
其中R代表饱和或不饱和单价烃基。在优选实施例中，R代表烷基，且最优选地，R是甲基。
优选地在形成浆料之前将硅氧烷乳液添加到定量水中，以便提供足够时间使硅氧烷乳液与用于形成浆料的水彻底混合。
硅氧烷乳液在到达销棒混合器之前是稳定的，且在浆料条件下保持良好分散，是必不可少的。也就是说，硅氧烷乳液必须在存在于浆料中的添加剂(例如加速剂)存在下保持良好分散。硅氧烷乳液也必须在形成石膏基物品的步骤中保持稳定。
本发明的石膏基抗水物品优选地由甲基氢聚硅氧烷流体作为硅氧烷制成，所述甲基氢聚硅氧烷流体由Wacker-Chemie GmbH以SILRES BS-94名称销售。制造商指示此产品是不含水或溶剂的硅氧烷流体。涵盖可使用以干成分重量计约0.3到1.0％的BS-94硅氧烷。优选使用约0.4到约0.8％的硅氧烷。
硅氧烷乳液
本发明涵盖使用许多种硅氧烷乳液来改进抗水性。在优选工艺中，通过在高强度混合器中将硅氧烷流体与少量水混合若干秒来现场形成硅氧烷/水乳液。不使用任何化学乳化剂。已发现，此工艺会产生足够稳定的乳液，使得其可与定量水混合以将硅氧烷均匀分布在整个定量水中。硅氧烷/水乳液进入销棒混合器中，且与煅烧石膏和其它干材料混合以形成浆料。
根据本发明的优选实施例，使所述定量水的一部分连续离开定量水线，并将其馈入到高强度混合器中。将所需量的硅氧烷油连续计量供给到高强度混合器中，在所述高强度混合器中其与定量水混合1到2秒以现场形成水包油乳液。可以约25份水对每份硅氧烷的比率进行混合。水与硅氧烷的比率并不重要。优选地不使用任何化学乳化剂，因为乳化剂可能会不利地影响石膏再水合反应、添加到系统中的泡沫的稳定性和纸张饰面对石膏核心的附着力。已发现，现场形成的硅氧烷/水乳液在没有任何化学乳化剂的情况下非常稳定。
也可使用预制成的硅氧烷乳液。然而，预制成的硅氧烷乳液在存储期间通常具有稳定性问题，且与预制成的乳液一起使用的乳化剂往往会在制作石膏物品中造成问题(例如纸张附着问题)且在石膏再水合工艺中造成问题。在优选实施例中，立即将在高强度混合器中形成的硅氧烷/水乳液与随后计量加入到销棒混合器中的定量水的剩余部分混合。硅氧烷/水乳液非常稳定，其足以在进入销棒混合器时将其特征保持为乳液。此过程导致硅氧烷被均匀地分布在整个含水石膏浆料中且均匀地分布在整个所得石膏基物品中。
催化剂
上述硅氧烷产品是氢聚硅氧烷。其通过形成反应性硅醇中间产物(OH化合物)而固化，以产生聚甲基硅酸。假设为了产生抗水性，硅氧烷必须在墙板内固化。当将硅氧烷添加到石膏浆料中时，固化反应开始得非常慢。在许多情况下，由前述工艺制得的墙板的抗水性在一两个星期内不会产生。在其它情况下，由前述工艺制得的墙板的抗水性不会完全产生。当硅氧烷缓慢固化且不立即产生抗水性时，必须将墙板存储一段时间，所述一段时间足以使得能在运送板之前产生抗水性。
已发现，可将某些催化剂添加到石膏浆料中以改进硅氧烷的固化，其向墙板提供抗吸水性。重要的是，催化剂相对不溶于水且不与石膏浆料的组分反应。举例来说，碱土金属氧化物和氢氧化物(现有技术建议)可相对溶于水，且因而碱土金属氧化物和氢氧化物升高了浆料的pH值。较高的pH值会妨碍煅烧石膏水合物的再水合作用。而且，碱土金属氧化物和氢氧化物会迅速与硅氧烷反应，以造成氢的迅速析出。
优选催化剂是僵烧氧化镁，因为其几乎完全不溶于水且不与浆料中除硅氧烷之外的组分反应。僵烧氧化镁可加速硅氧烷的固化，且在某些情况下，使得硅氧烷更完全地固化。僵烧氧化镁可催化硅氧烷的固化而不会造成大量氢的析出。此外，可在市场上够买到具有一致组合物的僵烧MgO。
所述催化剂是一种干材料，其优选与煅烧石膏和其它干材料干掺合，以便将催化剂均匀分布在整个煅烧石膏中。接着将含有催化剂的干混合物添加到销棒混合器中。
可使用相对少量的催化剂。已发现，可使用以煅烧石膏重量计约0.1到约0.5重量％的僵烧氧化镁。优选地，使用以石膏重量计约0.2到约0.4重量％的氧化镁。
优选的催化剂是Baymag，Inc.of Calgary，Alberta，Canada以“Baymag 96”名称销售的僵烧氧化镁。由BET测量，其每克具有至少0.3平方米的表面积。其具有小于0.1重量％的灼烧损失。
可通过比较本发明中所使用的僵烧氧化镁和常规氧化镁与水混合时的温度升高来说明各个材料之间的差异。
使用温度升高系统(TRS)来确定僵烧氧化镁(Baymag 96)和常规氧化镁(Baymag30)在水中的放热反应速率。TRS单元是电子热量计(thermoster)，其测量从MgO与水的放热反应中放出的热量。每份样品含有50克氧化镁和100ml水，浸泡10秒且手动混合10秒。将热量计放在已注入氧化镁和水混合物的杯子中；这个杯子处于准温度稳定环境下(泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)容器)。由数据采集系统收集数据。在表1中列出所收集的数据，如下：
表1
  时间(秒)   温度()常规MgO   温度()僵烧MgO
  10   77.07   76.04
  100   77.60   76.17
  200   77.98   76.24
  300   78.20   76.31
  400   78.37   76.36
  500   78.54   76.45
  600   78.68   76.51
  700   78.80   76.55
  800   78.93   76.60
  900   79.05   76.65
  1000   79.16   76.70
  1500   79.62   76.91
  2000   80.07   76.80
  2500   80.50   温度下降
  3000   80.96   温度下降
结果表明，常规氧化镁和水的反应与僵烧氧化镁和水的反应显著不同。常规氧化镁和水的反应放出更多热且使温度升高约5，而僵烧氧化镁和水的反应仅展示微小的温度变化(约0.8)。可使用此测试来区分僵烧氧化镁与其它常规氧化镁。
优选的催化剂是Baymag，Inc以“Baymag 96”名称销售的僵烧氧化镁，因为其在温度升高系统中产生小于1的温度升高。产生不大于约2的温度升高的氧化镁适合用于本发明中。产生较高温度升高的氧化镁(例如Baymag 30)提供硅氧烷的充分催化作用，但此类氧化镁不是优选的，因为其延迟了石膏再水合过程且造成纸结合损失。
实例
以下实例将用于说明本发明范围内的若干墙板组合物的制备。了解到，出于说明目的来陈述这些实例，且许多其它组合物属于本发明范围内。所属领域的技术人员将认识到，可制备用于其它石膏基物品的除下文说明的那些之外的类似组合物，其包含其它材料用量和等效材料种类。
实例1
在商用石膏板制造设备中在典型全规模生产线上制备纸面发泡石膏板。在表2中列举了成分和其适当重量百分比(以按所采用的煅烧石膏的重量计相对较窄范围来表达)。使所述定量水的一部分连续离开定量水线，并将其馈入到高强度混合器中。所述混合器是Vertiflo Pump公司的型号为1420-2x-2x8的混合器。将所需量的硅氧烷流体连续计量供给到高强度混合器中，在所述高强度混合器中其与定量水混合1到2秒以现场形成水包油乳液。以约25份水对每份硅氧烷的比率进行混合。接着将硅氧烷/水乳液返回到定量水线，其中其与定量水的剩余部分混合。在销棒混合之前，将氧化镁与煅烧石膏和其它干成分进行干掺合。除了在制备中包括硅氧烷和氧化镁之外，使用现有技术石膏板生产方法和成分中典型的方法和成分来制备所述板。使用各种浓度的硅氧烷和各种量的氧化镁来制备板，且将所述板与对照板比较并根据ASTM测试1396来测试抗水性。
表2
石膏板生产成分
  成分   重量
  煅烧石膏   100
  水   94-98
  硅氧烷   0.4-0.8
  凝固加速剂   1.1-1.6
  淀粉   0.5-0.7
  分散剂   0.20-0.22
  纸纤维   0.5-0.7
  凝固延迟剂   0.07-0.09
  发泡剂   0.02-0.03
  三偏磷酸钠(“STMP”)   0-0.016
  重煅烧抑制剂   0.13-0.14
  氧化镁   0.1-0.3
在表2中：凝固加速剂包含脱水硫酸钙的细粉状糖衣颗粒，如在美国专利第3,573,947号中描述，其中在其制备期间不加热所述加速剂；淀粉是干磨的酸改性HI-BOND淀粉，其可从Lauhoff Grain公司购得；分散剂是DILOFLO，其为可从GEOSpecialty Chemicals of Ambler，Pennsylvania购得的萘磺酸酯；纸纤维是锤磨的纸纤维；凝固延迟剂是VERSENEX 80，其为可从Van Walters & Rogers of Kirkland，Washington购得的螯合剂；发泡剂是WITCOLATE1276，其可从Witco Corp.of Greenwich，Conn.购得；三偏磷酸钠由Astaras Co.of St.Louis，Mo.市售；且重煅烧抑制剂是CERELOSE 2001，其为用以在干燥期间减少板末端重煅烧作用的葡萄糖。硅氧烷是由Wacker-ChemieGmbH以SILRES BS-94名称销售的流体。氧化镁是Baymag，Inc.of Calgary，Alberta，Canada以“Baymag 96”名称销售的僵烧氧化镁。
通过以下步骤在四英尺宽的连续生产线上生产板：在混合器中连续引入并混合成分，以形成含水浆料(所述发泡剂用于在独立泡沫产生系统中产生含水泡沫；接着通过混合器将泡沫引入到浆料中)；在移动带上将所述浆料连续沉积在纸盖片(面纸)上；在所沉积的浆料上方放置另一纸盖片(背纸)，以形成′h英寸厚的板；当半水硫酸钙形成二水硫酸钙的水合作用继续进行到一足以使得浆料足够坚硬而能被精确切割的程度时，切割移动板以制作约12×4英尺和1/2英寸厚的个别板；且在受热多层炉中干燥所述板。
下文在表3中展示根据ASTM测试1396测试时此类产品的典型吸湿值。
表3
  产品   硅氧烷％   氧化镁％   吸湿％
  抗水石膏板   0.8％   0.2％   4.5％
  核心处理石膏罩板   .04％   0.2％   8％
实例2
进行实验室测试以说明僵烧氧化镁对由石膏基物品中硅氧烷产生的抗水性的影响。通过在7500rpm的高剪切混合器中将0.7％的BS-94硅氧烷和550克水混合2.5分钟而形成乳液。在测试1到3中，接着将所述乳液与500克煅烧天然石膏、0.1克CSA和选定量的Baymag 96氧化镁在韦林氏(Waring)掺合器中混合10秒并将其形成为立方体，将所述立方体通宵加热。以相同方式进行测试4，不同之处只是使用煅烧合成石膏。在所有测试中，使用0.7重量％的硅氧烷。下文表4中展示测试1到4中所使用的选定量的Baymag 96。在制造24小时内，根据ASTM测试1396将立方体在水中浸渍以进行2小时吸收，并测试湿度。在每个水平进行三次测试，且在表3中展示所述三次测试的平均湿度水平。
表4
  测试编号   氧化镁％  2小时后吸湿％
  对照   0  47.7
  1   0.05％  13.0
  2   0.2％  8.6
  3   0.5％  4.6
  4   0.2％  3.8
虽然在两个测试中均使用相同量的Baymag 96，但测试4的样品(由合成石膏制成)比测试2的样品(由天然石膏制成)吸收更少的湿气。所述差异归因于通常在合成石膏中发现的杂质(例如飞灰)。
应仅将本文展示并描述的发明形式理解为说明性的。所属领域的技术人员将了解到，在不脱离本发明精神和所附权利要求书范畴的情况下可进行多种修改。

Claims (17)

1.一种用于制作抗水石膏基物品的方法，其包含：
a)将硅氧烷乳液与用于制备所述石膏基物品的定量水混合；
b)将少量僵烧氧化镁与煅烧石膏混合；
c)将所述硅氧烷乳液/定量水混合物与所述煅烧石膏/氧化镁混合物混合，以形成含水浆料；和
d)将所述浆料成形且允许所述成形浆料凝固以形成凝固石膏基抗水物品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化镁在温度升高系统中产生不大于1华氏度的温度升高。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化镁由BET测量具有每克至少为0.3平方米的表面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化镁具有少于0.1重量％的灼烧损失。
5.根据权利要求1所述的方法，其中氧化镁的量为所述石膏的约0.1到约0.5重量％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅氧烷是聚(甲基氢硅氧烷)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述聚(甲基氢硅氧烷)包含所述凝固石膏物品的干成分的约0.3到约1.0重量％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述聚(甲基氢硅氧烷)的量是所述凝固石膏物品的所述干成分的约0.4到约0.8重量％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述物品是抗水凝固石膏板。
10.一种用于制作抗水石膏基物品的方法，其包含：
a)将一定量的硅氧烷流体与用于制备所述石膏基物品的定量水的一部分在高强度混合器中混合，以现场形成硅氧烷/水乳液；
b)将少量氧化镁与煅烧石膏混合；
c)将所述硅氧烷/水乳液与所述定量水的剩余部分混合；
d)将所述石膏/氧化镁混合物与步骤(C)的所述硅氧烷/水混合物混合，以形成含水浆料；和
e)将所述浆料成形且允许所述成形浆料凝固以形成凝固石膏基抗水物品。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在不存在乳化剂的情况下形成所述硅氧烷/水乳液。
12.根据权利要求10所述的方法，其中在步骤(A)中将约25重量份的定量水与每一重量份的硅氧烷混合。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述氧化镁是僵烧氧化镁。
14.根据权利要求10所述的方法，其中氧化镁的量是所述石膏的约0.1到约0.5重量％。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述物品是抗水凝固石膏板。
16.一种并入硅氧烷形成抗水石膏基物品的方法，其包含：
a)将一定量的硅氧烷流体与用于制备所述石膏基物品的定量水的一部分在高强度混合器中混合，以形成硅氧烷乳液；
b)将所述硅氧烷乳液与所述定量水的剩余部分、煅烧石膏和少量僵烧氧化镁混合，以形成含水浆料；和
c)成形并允许所述浆料凝固以形成凝固石膏基抗水物品，所述物品在根据ASTM标准1396在70下浸渍两小时时在24小时内吸收少于其自身重量的约10％的水。
17.一种含有石膏的板，其包含包括大量二水石膏的凝固混合物且由足够量的大体上硅氧烷流体制备，所述硅氧烷流体在高强度混合器中与添加到所述凝固混合物的石膏浆料前驱物中的定量水的一部分预混合，而所述定量水的剩余部分和少量僵烧氧化镁赋予所述板高抗水度，以使得所述板在根据ASTM标准1396在70下浸渍两小时时在24小时内吸收少于其自身重量的约10％的水。
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