CN101180246A - 用于形成基于湿纤维的复合材料的组合物 - Google Patents

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Abstract

提供了包括湿玻璃纤维、水可分散的聚合物树脂和石膏的基于湿纤维的组合物。还可以将包括蜜胺－甲醛、填料、偶联剂、乙酸、促进剂和/或硬化剂的组分添加到该组合物中。石膏可以是α－石膏、β－石膏或其结合物。湿玻璃纤维是湿短切玻璃纤维或湿连续粗纱。湿玻璃纤维、水可分散的聚合物树脂和石膏的结合具有产生以下复合材料制品的协同效应，该复合材料制品耐水、耐火、并具有改进的机械性能。在一个示例性实施方案中，该基于湿纤维的组合物用来形成可以模塑成各种复合材料制品的石膏板。在其它的示例性实施方案中，可以通过交替地将玻璃纤维垫与石膏/聚合物浆料的层成层而形成薄的多层石膏板。

Description

用于形成基于湿纤维的复合材料的组合物
本发明的技术领域和工业实用性
本发明一般性涉及复合材料制品，更具体地说，涉及用于形成增强复合材料制品的基于湿纤维的组合物。还提供了由该基于湿纤维的组合物形成的复合材料制品。
发明背景
由石膏芯夹在饰面层之间形成的墙板在建筑工业中通常用作住宅和商业建筑的内墙和天花板。饰面材料有利地为形成石膏芯的材料提供了挠性、耐钉拉性和冲击强度。此外，饰面材料可以为石膏板提供相当耐用的表面和/或其它所需的性能(如装饰性表面)。石膏芯通常包含石膏、非必要的一些湿短切玻璃纤维、耐水性化学物质、粘结剂、促进剂和低密度填料。本领域中已知的是如下形成石膏板：提供饰面材料如纤维幕(veil)的连续层，并将石膏浆料沉积到该饰面材料的底表面上。然后将饰面材料的第二个连续层施加到该石膏浆料的顶表面上。然后校准该夹层石膏浆料的厚度并进行干燥以使该石膏芯硬化和形成石膏板。接下来，可以将该石膏板切割为预定长度用于最终用途。
玻璃纤维通常在石膏墙板的制备中用来改进制品的拉伸和撕裂强度。纤维可以按许多形式使用，包括分立的纤维、包含许多纤维的束、和粗纱。这些纤维制品再可以按离散形式使用或它们可以组合成织造或非织造织物或垫，并将其结合到石膏基体中。或者，纤维垫可以用作饰面材料。例如，玻璃纤维可以如下形成：经由漏板或孔板将熔融玻璃拉伸为长丝并将含润滑剂、偶联剂和成膜粘结剂树脂的含水施胶组合物施涂到该长丝上。施胶组合物为纤维提供保护以防止长丝间磨损并促进玻璃纤维和其中将使用玻璃纤维的基体之间的相容性。在施涂施胶组合物之后，可以将湿纤维聚集成一个或多个束、切短并作为湿短切纤维束收集。
然后可以将该湿短切纤维用于湿法成网方法，其中将湿短切纤维分散在含表面活性剂、粘度调节剂、消泡剂和/或其它化学试剂的水浆料中。然后搅拌含短切纤维的所述浆料以致该纤维在整个浆料中分散。接下来，将含纤维的所述浆料沉积到运动筛网上，在那里将大部分水除去而形成网幅。然后施涂粘结剂，并且将所得的垫干燥以除去任何残存水并固化该粘结剂。所形成的非织造幕是分散的、无规取向的分立玻璃长丝的组合体。
在工业中使用此类纤维、湿法成网、非织造幕作为石膏墙板的饰面材料已变得普遍。玻璃纤维饰面与常规的用纸或其它纤维素饰面材料饰面的石膏板相比提供了提高的在湿气存在下的尺寸稳定性、抗生物性以及更高的物理和机械性能。此外，石膏是石膏/纤维素纤维复合材料板和制品的主要组分。Hawkins的美国专利号5,100,474描述了玻璃纤维增强的灰浆组合物，该组合物包括可凝固混合物，该可凝固混合物由以下构分组成：55-65wt％石膏灰浆，20-30wt％水基酚醛树脂的混合物，3-5wt％酸硬化剂，和大于10wt％增强纤维(玻璃纤维)。
石膏的某些性能使得它非常普遍用于制备工业和建筑制品以及模塑材料。例如，石膏是丰富且通常廉价的原材料，其经由脱水和再水合的方法可以浇铸、模塑或以其它方式形成有用的形状。此外，基于石膏的材料可以在短时期内成型、模塑和加工，这归因于石膏的迅速凝固和硬化的特性。可模塑或模塑性配混料可以由包括石膏的材料形成。例如，Foley等人的美国专利号3,944,515公开了一种酚醛树脂模塑组合物，其包括苯酚、甲醛、波特兰水泥、脲、石膏、氧化铝、硬脂酸锌和冰。然后将该组合物与玻璃纤维共沉积以形成片状模塑配混料。在Bischoff等人的美国专利号5,288,775中，公开了可模塑的结构建筑复合材料。用来形成该可模塑复合材料的组合物包括丙烯酸类聚合物(FORTON VF 812)、α-石膏、天然纤维素纤维、填料和非必要的硬化剂(氯化铵)和蜜胺-甲醛。优选用丙烯酸类聚合物和水的混合物浸泡该纤维素纤维以致采用该丙烯酸类材料良好地浸泡和浸渍该纤维。Mercer的美国专利号4,355,128公开了经由以下步骤的方法形成耐用性模塑制品：(1)将25-90wt％可硬化树脂体系、3-60wt％石膏填料和1-15wt％玻璃纤维混合，(2)将该混合物模塑成所需制品，和(3)通过加热或通过使用硬化剂使该模塑制品硬化。该可硬化的树脂体系包括至少一种可硬化的树脂如脲-甲醛，并且可以非必要地包括第二可硬化的树脂如聚乙酸乙烯酯树脂。对该树脂体系的组分比例进行选择以为该模塑制品赋予所需的表面修饰。
尽管存在石膏墙板，但本领域中仍需要以下改进的石膏板：它是低成本的，表现出改进的耐水性、改进的机械性能，和具有至少可比的耐火性。
发明概述
本发明的一个目的是提供基于湿纤维的组合物，它包括湿玻璃纤维、可在水中分散的聚合物树脂、和石膏。可以将包括交联剂如蜜胺-甲醛、填料、偶联剂、乙酸、促进剂和/或硬化剂的附加组分添加到该组合物中。用于该组合物的湿玻璃纤维是湿短切玻璃纤维或湿连续粗纱。湿玻璃纤维是为最终复合材料制品提供耐冲击性、尺寸稳定性和改进的机械性能如改进的强度和刚度的低成本增强材料。湿法应用的短切玻璃纤维具有容易混合的附加优点，并且可以完全地分散在该组合物中。用于该组合物的聚合物树脂的适合实例包括丙烯酸类聚合物、聚酯乳液、乙酸乙烯酯乳液、环氧树脂乳液和酚类聚合物(phenolicbased polymer)。该聚合物可以是或可以不是自交联性的。可以添加附加的聚合物如蜜胺-甲醛或脲-甲醛(它们充当交联剂)以有助于交联反应，不管该聚合物是否是自交联性的。聚合物树脂为最终制品提供强度、挠性、韧性、耐久性和耐水性。所述石膏可以是α-石膏、β-石膏或其结合物。石膏吸收水并为最终复合材料提供耐火性能。
本发明的另一个目的是提供由上述基于湿纤维的组合物形成的玻璃纤维增强石膏复合材料制品(如石膏板)。石膏板可以如下形成：将由该基于湿玻璃纤维的组合物形成的层施加到一半模具中以取得该板(或其它复合材料制品)的所需或预定形状。该模具可以至少部分地涂有脱膜剂如蜡以使该板能够在固化过程已经完成之后容易地取出。此外，该模具可以用聚合物石膏预涂层预处理以有助于组件或制品的容易取出和在表面上产生光滑面层(finish)。在最终制品中，短切玻璃纤维基本上是均匀分布的。石膏板可以包括图案化表面，如木材纹理或其它美学上令人愉悦的表面。可以理解，本发明的基于湿纤维的石膏组合物能使该石膏板容易地获得设计或图案。此外，该石膏板的表面可以提供有油漆、染色剂或保护性密封剂以增强板的美学性或耐候性。该石膏板由于本发明组合物中的聚合物树脂而是极其耐水性的，并且由于存在湿法应用的短切玻璃纤维而具有高的机械性能。
本发明的又一个目的是提供薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料。单层(one-ply)、薄的石膏板墙板可以由湿玻璃纤维层夹在两层可模塑聚合物/石膏浆料之间形成(改性石膏板)。薄的多重或多层的板墙板可以通过将湿玻璃纤维和可模塑聚合物/石膏浆料的附加层交替地成层来形成。湿玻璃纤维层由湿玻璃纤维形成，并且可以是包括湿法应用的短切玻璃纤维(WUCS)的湿法形成的垫。优选的用作玻璃纤维层的垫包括可以从Owens Corning(Toledo，Ohio，USA)获得的基于WUCS的墙面板垫(shingle mat)，其中重量为大约0.5-大约5.0lb/100ft2。该薄的板墙板和薄的多层板墙板可以用作常规石膏板的代替物。与常规的板墙板不同，该薄的石膏板墙板具有的优点是轻质，具有提高的强度、提高的耐冲击性和提高的耐水性。此外，该石膏板墙板(单层和多层两种)比常规板墙板更薄并且可以在更低的重量下达到类似的性能。与上述石膏板相似，单层石膏板墙板和薄的多层板墙板可以包括图案化表面，如木材纹理以提供增强的美学性。
本发明的优点是本发明的湿玻璃纤维配制剂为最终复合材料制品赋予了改进的物理性能，如提高的强度、刚度和耐冲击性。
本发明的附加优点是湿法应用的短切玻璃纤维(WUCS)是低成本增强材料，它为最终复合材料制品提供了耐冲击性、尺寸稳定性和改进的机械性能如改进的强度和刚度。此外，采用WUCS，最终的复合材料制品与用于建造过程的紧固系统如钉子、U形钉和螺钉相容，并且减少了开裂和其它机械故障的发生。
本发明的另一个优点是WUCS纤维容易混合并且可以完全地分散在湿玻璃纤维组合物中。
本发明的另一个优点是该湿玻璃纤维组合物是A级耐火的。不但石膏中存在的玻璃纤维而且石膏自身为复合材料制品提供耐火性。这种A级耐火等级意味着由本发明湿玻璃纤维组合物形成的复合材料制品不会支持火焰的蔓延或传播。
本发明的又一个优点是聚合物树脂为最终制品提供了强度、挠性、韧性、耐久性和耐水性。具体来说，蜜胺-甲醛树脂和丙烯酸类树脂的结合产生了良好质量的涂层并且为最终复合材料制品赋予了良好的耐候性、耐水性和耐化学品性。
本发明的又一个优点是本发明的基于湿纤维的石膏组合物能使由该组合物形成的石膏板容易地获得设计或图案。
本发明的上述和其它的目的、特征和优点将从随后的详细描述而更完全地显而易见。
附图简述
本发明的优点将在考虑本发明以下详述公开内容后变得显而易见，尤其是当结合附图考虑时，其中：
图1是根据本发明的至少一个示例性实施方案的石膏板的示意图；
图2是根据本发明的至少一个示例性实施方案的成型石膏板的示意图；
图3是常规石膏板墙板的示意图；
图4是根据本发明的至少一个示例性实施方案的单层薄石膏墙板的示意图；
图5是根据本发明的至少一个示例性实施方案的多层石膏墙板的示意图；和
图6是对本发明复合材料壁板(siding)、乙烯基树脂壁板制品和纤维/水泥壁板制品进行的Gardner冲击试验的图解说明。
本发明的详细描述和优选实施方案
除非另有限定，本文所使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的意义。虽然与本文描述的那些类似或等效的任何方法和材料在本发明的实践或测试中可以使用，但是本文描述的是优选的方法和材料。
在附图中，为了清楚起见，可以将线、层和区域的厚度进行了放大。应指出的是，在所有附图中发现的相同的编号表示相同的元件。术语“顶”、“底”、“侧”、“上”、“下”等在本文中仅是出于解释说明目的而使用。应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接地在该另一个元件上或紧靠着该元件或者可以存在插入的元件。术语“配制剂”和“组合物”在此可互换地使用。此外，术语“聚合物”和“聚合物树脂”可互换地使用。此外，术语“填料”和“填料材料”在此可互换地使用。
本发明涉及基于湿纤维的组合物和由其形成的增强复合材料制品。用来形成增强复合材料制品的基于湿纤维的组合物包括湿玻璃纤维、可在水中分散的聚合物树脂、和石膏。这三种组分的结合具有协同效应，这种协同效应产生了耐水、耐火并具有改进的机械性能的最终复合材料制品。可以将添加剂如密度降低用填料和偶联剂添加到组合物中。其它材料可以用于该组合物，这取决于所选的加工方法和复合材料制品的最终用途。
用于该组合物的湿玻璃纤维可以是湿短切玻璃纤维或湿连续纤维如湿连续粗纱。本文所使用的术语“连续纤维”意味着不但包括实际上无限长度的纤维而且包括没有故意切短成离散长度的纤维。玻璃纤维如A-型玻璃、C-型玻璃、E-型玻璃、R-型玻璃、S-型玻璃或ECR-型玻璃如Owens Corning的Advantex(可从OwensCorning(Toledo，Ohio，USA)商购)玻璃纤维可以用于该组合物。优选地，湿玻璃纤维由E-型玻璃、S-型玻璃、ECR-型玻璃或耐碱玻璃形成。在至少一个优选的实施方案中，湿玻璃纤维是湿法应用的短切玻璃纤维(WUCS)。湿法应用的短切玻璃纤维可以通过本领域中已知的常规方法形成。希望的是，所述湿玻璃纤维具有大约5-大约30％的含湿量，更令人希望地大约10-大约20％的含湿量。
WUCS纤维是为最终复合材料制品提供耐冲击性、尺寸稳定性和改进的机械性能如改进的强度和刚度的低成本增强材料。此外，采用WUCS，最终复合材料制品具有在建造过程中承受钉子和螺钉的机械性能而没有开裂或其它机械故障。此外，WUCS纤维容易混合并且可以完全地分散或几乎完全地分散在该组合物中。应指出的是，虽然玻璃纤维在该组合物分散良好，但是与常规的干玻璃纤维增强的石膏配制剂不同，获得改进的耐冲击性和改进的机械性能不需要大量湿玻璃纤维。湿玻璃纤维如WUCS或湿连续粗纱是预水合的、并且包括相当大量的可以吸收到石膏晶体结构中的水，这引起该组合物中的石膏在不加热的情况下硬化。这与用于增强石膏制品的常规增强纤维相反，其中必须在使用之前将该常规增强纤维干燥，因此产生了额外的加工步骤和额外的费用。因此，本发明的湿玻璃纤维带来加工优点以及经济利益。
该湿玻璃纤维可以具有大约5-大约25微米的直径，优选具有大约12-大约19微米的直径。如果湿玻璃纤维是短切纤维如WUCS，它们可以具有大约1/8英寸-大约2英寸，优选大约1/4英寸-大约3/4英寸的长度。所述湿玻璃纤维可以按基于该组合物中的活性固体的大约1.0wt％-大约25wt％，优选基于该活性固体的大约5.0wt％-10wt％的量存在于该组合物中。此外，湿玻璃纤维通常以大约0.01-0.2wt％的量至少部分地涂有化学施胶组合物，该组合物包括一种或多种成膜剂(如聚氨酯成膜剂、聚酯成膜剂和/或环氧树脂成膜剂)、至少一种润滑剂和至少一种硅烷偶联剂(如氨基硅烷或甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂)。
除了湿玻璃纤维之外，基于湿玻璃纤维的组合物包括一种或多种聚合物树脂，该聚合物树脂至少部分地可分散在水中，最优选完全可分散在水中。聚合物树脂为最终制品提供强度、挠性、韧性、耐久性和耐水性。聚合物可以呈液体、乳液和/或粉末形式。对聚合物树脂没有特别限制，只要它至少部分地水可分散即可。该聚合物可以是或可以不是自交联性的。可以添加附加的聚合物如蜜胺-甲醛或脲-甲醛(它们充当交联剂)以有助于交联反应，不管该聚合物是否是自交联性的。然而，可以理解，如果该聚合物不是自交联性的，则希望添加交联剂如蜜胺-甲醛以催化和有助于交联反应。
交联反应可以在大气条件下随着时间流逝缓慢地发生(通常在大约两个星期的期间内)。随着聚合物之间的交联发生和聚合物网络在石膏周围形成，聚合物的分子量增加。随着聚合物分子量增加，组合物变得更加刚性。可以通过将组合物加热到中等温度，例如加热到大约140-大约160(大约60℃-大约71℃)的温度保持预定的时间长度来加速交联反应。然而，优选使交联反应在室温下随着时间流逝发生。还应指出，除了聚合物交联之外，由于先前粘附到玻璃纤维上的施胶组合物中的偶联剂，湿玻璃纤维还可以与聚合物(一种或多种)发生化学反应并键接于其上。
用于所述组合物的适合的聚合物树脂可以包括，但不限于丙烯酸类聚合物、聚酯乳液、乙酸乙烯酯乳液、环氧树脂乳液和酚类聚合物。可以用于所述基于玻璃纤维的组合物的聚合物的具体实例包括聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯酸/苯乙烯/丙烯腈嵌段三元共聚物(ASA)、聚砜、聚氨酯、聚苯硫醚、聚甲醛树脂、聚酰胺、聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚酯弹性体、丙烯酸酯、乙烯和丙烯的共聚物、苯乙烯和丁二烯的共聚物、乙酸乙烯酯和乙烯的共聚物、以及它们的结合物。此外，聚合物树脂可以是后工业级(post industrial grade)或商品级(consumer grade)(再研磨的)。
优选的聚合物来自丙烯酸胶乳类。用来制备丙烯酸类胶乳的丙烯酸类单体包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸。可以将这些单体的结合物进行乳液聚合以制备丙烯酸类树脂。这些聚合物通常包含丙烯酸羟基乙酯单体以沿着聚合物链赋予羟基。这些含羟基的聚合物称作热固性丙烯酸类树酯。所述丙烯酸类树脂(R-OH)允许与其它聚合物如蜜胺-甲醛或脲-甲醛交联。交联经由羟基和蜜胺-甲醛中的醚基发生，并且由酸催化。酸和生酸剂如形成盐酸的对甲苯磺酸和氯化铵是交联反应的适合催化剂。蜜胺-甲醛树脂和丙烯酸类树脂的结合产生了良好质量的涂层并且为最终复合材料制品赋予了良好的耐候性、耐水性和耐化学品性。这些聚合物的使用使得能够在没有苯乙烯和必要的环境控制下制造由本发明组合物形成的复合材料制品。所述聚合物树脂(一种或多种)可以按基于该组合物中的活性固体的大约4.0wt％-大约40wt％，优选基于该活性固体的大约10wt％-30wt％的量存在于该组合物中。
本发明组合物的第三组分是石膏。石膏，亦称硫酸钙二水合物(CaSO4·2H2O)，是得自于地球的天然矿物质。当锻烧时，除去结晶水的四分之三以产生硫酸钙半水合物(CaSO4·1/2H2O)。如果在压力下进行煅烧，则产生α-形式的石膏。α-石膏具有规则的、针状(针形)或棒状颗粒。另一方面，如果在大气压下进行煅烧，产生具有多孔、不规则形状颗粒的β-形式的石膏。虽然用于本发明组合物的石膏可以是α-石膏、β-石膏或它们的结合物，β-石膏是更加优选的，这是由于与o-石膏相比其更低的成本和提高的吸水能力。基于石膏的材料的一个优点通常是基于石膏的材料可以在短的时间内成型、模塑和加工，这归因于石膏的天然存在的快速凝固和硬化的特性。此外，石膏为最终复合材料提供耐火性能。在本发明组合物中，石膏吸收湿玻璃纤维中的水并且从部分水合的状态(天然存在的状态)进入完全水合的状态并硬化。石膏可以按基于该组合物中的活性固体的大约30wt％-大约70wt％，优选基于该活性固体的大约40wt％-60wt％的量存在于该基于湿玻璃纤维的配制剂中。
可以将附加的组分添加到所述组合物中以改进最终复合材料部件的性能，或者可以由于用来形成最终复合材料部件的特定方法而添加它们。例如，可以添加低密度填料来降低成本、降低最终复合材料制品的总密度，并且也可以将所述低密度填料用作增量剂。可以用于所述组合物的适合填料的非限制性实例包括珍珠岩(膨胀珍珠岩)、碳酸钙、砂、滑石、蛭石、三水合铝、回收的聚合物材料、微球体、微泡体、木屑、天然纤维、粘土、硅酸钙、石墨、高岭土、氧化镁、二硫化钼、板岩粉、锌盐、沸石、硫酸钙、钡盐、硅藻土、云母、硅灰石、膨胀页岩、膨胀粘土、膨胀板岩、浮石、圆形碎玻璃纤维、片状玻璃、纳米颗粒(如纳米粘土、纳米滑石和纳米TiO2)，和/或与氢氧化钙和碱反应形成具有胶结性能的配混料的细碎材料如飞灰、煤渣和二氧化硅。结合本发明使用的术语“天然纤维”是指从植物的任何部分包括但不限于茎、种子、叶、根或韧皮提取的植物纤维。适合用作增强纤维材料的天然纤维的实例包括棉纤维、黄麻纤维、竹纤维、苎麻纤维、甘蔗渣纤维、大麻纤维、椰壳纤维、亚麻纤维(linen)、洋麻纤维、剑麻纤维(sisal)、亚麻纤维(flax)、剑麻纤维(henequen)和它们的结合物。
在该配制剂中存在至少一种偶联剂也可以提供附加的所需属性。例如，存在偶联剂有助于将该组合物的有机(聚合物树脂)部分和无机(玻璃纤维)部分键结。具体来说，向该组合物中添加偶联剂增加了湿玻璃纤维和聚合物之间的键结强度。硅烷偶联剂是优选的，这归因于它们能够迅速地分布到水中。可以用于本发明施胶组合物的硅烷偶联剂的实例可以由官能团氨基、环氧基、乙烯基、甲基丙烯酰氧基、脲基和异氰酸基为特征。在优选的实施方案中，硅烷偶联剂包括含一个或多个氮原子的硅烷，该硅烷具有一个或多个官能团如胺(伯、仲、叔和季胺)、氨基、亚氨基、酰氨基、酰亚氨基、脲基或异氰酸基。适合的硅烷偶联剂包括，但不限于氨基硅烷、硅烷酯、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、环氧基硅烷、含硫硅烷、脲基硅烷和异氰酸基硅烷。当使用硅烷偶联剂时，可以添加少量有机酸(如乙酸、甲酸、琥珀酸和/或柠檬酸)以调节组合物的pH值，优选调节到大约4-大约5.5的pH值。乙酸是最优选的用于本发明组合物的有机酸。
用于本发明组合物的硅烷偶联剂的具体的非限制性实例包括γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(A-1100)、n-三甲氧基-甲硅烷基-丙基-亚乙基-二胺(A-1120)和γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(A-187)。适合的硅烷偶联剂的其它非限制性实例在表1中给出。上面和表1中给出的所有偶联剂可从GE Silicones商购。
表1
硅烷 牌号
硅烷酯
辛基三乙氧基硅烷 A-137
甲基三乙氧基硅烷 A-162
甲基三甲氧基硅烷 A-163
乙烯基硅烷
乙烯基三乙氧基硅烷 A-151
乙烯基三甲氧基硅烷 A-171
乙烯基-三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷 A-172
甲基丙烯酰氧基硅烷
γ-甲基丙烯酰氧基丙基-三甲氧基硅烷 A-174
环氧基硅烷
β-(3，4-环氧环己基)-乙基三甲氧基硅烷 A-186
含硫硅烷
γ-巯基丙基三甲氧基硅烷 A-189
氨基硅烷
γ-氨基丙基三乙氧基硅烷 A-1101A-1102
氨基烷基硅氧烷 A-1106
γ-氨基丙基三甲氧基硅烷 A-1110
三氨基官能化硅烷 A-1130
双-(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺 A-1170
Polyazamide甲硅烷基化硅烷 A-1387
脲基硅烷
γ-脲基丙基三烷氧基硅烷 A-1160
γ-脲基丙基三甲氧基硅烷 Y-11542
异氰酸基硅烷
γ-异氰酸基丙基三乙氧基硅烷 A-1310
优选地，硅烷偶联剂是氨基硅烷或二氨基硅烷。所述偶联剂可以按基于该组合物中的活性固体的大约0wt％-大约5.0wt％，优选基于该活性固体的大约0.1wt％-大约1.0wt％的量存在于该组合物中。
可以将促进剂添加到组合物中以提高石膏硬化或凝固的速率。优选的促进剂是硫酸铝。然而，可以使用本领域技术人员可识别的任何适合的促进剂，例如硫酸钾、白土、六氟硅酸钠、氯化钠、氟化钠、硫酸钠、硫酸镁和氯化镁。促进剂可以按基于该组合物中的活性固体的至多大约1.0wt％的量存在于该组合物中。可以理解，添加到组合物中的促进剂的含量或数量可以显著地影响石膏如何迅速地硬化。例如，与将较小量促进剂添加到该组合物中相比，添加到组合物中的大量促进剂将引起石膏更迅速地凝固。换言之，与添加较小量促进剂相比，较大量的促进剂将更迅速地提高石膏硬化的速度。
此外，可以将硬化剂例如硫酸铵或氯化铵添加到组合物中以提高交联速率和交联密度两者。硬化剂可以按基于该组合物中的活性固体的至多大约1.0wt％的量存在于该组合物中。
取决于所需的方法和/或最终复合材料制品的用途，可以将附加的添加剂例如分散剂、消泡剂、粘度调节剂和/或其它加工助剂添加到组合物中。
为了产生由可以用来形成最终复合材料部件的本发明组合物形成的混合物，在容器中将该组合物的干组分，例如蜜胺-甲醛、石膏和填料(珍珠岩)干燥共混以形成干混合物。在第二个容器中将该组合物的湿组分，例如任何水、乳液聚合物和偶联剂(一种或多种)搅拌直到它们被共混。在搅拌下将该干混合物缓慢地添加到第二个容器中的湿组分中直到添加所有干混合物并且所得的组合物是良好共混的。将湿玻璃纤维(湿短切玻璃纤维)添加到该组合物中以形成具有高粘度的聚合物/石膏浆料。可以采用混合器或采用刮勺手工将湿玻璃纤维与该聚合物/石膏浆料结合以形成稠度与paper-mché相似的组合物。添加的水的量可以根据待使用的制造技术和最终复合材料部件的所需机械性能而显著地不同。
上面详细描述的基于玻璃纤维的组合物可以用于各式各样的应用，例如但不限于，敞模模塑、手工铺叠、长丝卷绕、挤出方法、拉挤方法、浇铸和刮板法。在本发明的一个示例性实施方案中，通过敞模模塑、手工铺叠方法制造改进的基于石膏的制品。在铺叠应用中，可以将由基于湿玻璃纤维的组合物形成的层施加或沉积到一半模具上以呈所需制品形状，例如住宅壁板制品、成型壁板制品、内用/外用装饰板、地面砖、吊顶板、浴盆、淋浴间或厨房表面例如台面板、水槽或水池。在应用到敞模模塑中之后，使用辊，例如锯齿形辊，辊平组合物。该模具可以至少部分地涂有脱模剂如蜡，它使该部件能够在固化过程已经完成之后容易地取出。此外，模具可以用聚合物-石膏预涂层预处理以有助于组件或制品的容易取出和在表面上产生光滑面层。该预涂层令人希望地在脱膜剂之后施加并且可以是白色或经着色的。
在手工铺叠应用的一个特定实例中，形成石膏板(例如，壁板制品)。由本发明组合物形成的示例性石膏板10在图1中示出。在图1-2中可以看出，短切玻璃纤维15基本上均匀分布在整个石膏板10中。本文所使用的术语“基本上均匀分布”用来表示短切玻璃纤维均匀分布或几乎均匀分布在整个石膏板10中。石膏板10可以基本上笔直地形成(如图1所示)，或它可以成型为具有所需的形状。例如，弯曲模具可用来产生弯曲石膏板10，如图2所描述。虽然没有示出，但是应当理解，石膏板10可以包括图案化表面，如木材纹理或其它美学上令人愉悦的表面，以提供增强的美学性，如在壁板制品、围栏铺面板条或栏杆材料中。本发明的基于湿纤维的石膏组合物能使该板10容易地获得设计或图案。或者，该石膏板10的表面也可以提供有后加工涂层(如油漆、染色剂或保护性密封剂)以增强该板10的美学性或耐候性。由于本发明组合物中的聚合物树脂，该石膏板10是极其耐水性的。
在图4和5所述的本发明的另一种应用中，可以形成薄石膏板墙板。如图4所示，单层薄石膏板墙板40可以由湿玻璃纤维层45夹在两个改性石膏板50之间形成。该改性石膏板50由上面详细描述的聚合物/石膏浆料形成。应指出的是，该聚合物/石膏浆料不包含湿玻璃纤维。该湿玻璃纤维层45包含湿玻璃纤维并且可以呈湿法形成的垫的形式，该湿法形成的垫包括湿法应用的短切纤维(WUCS)。用作该玻璃纤维层45的优选的垫包括可以从Owens Corning(Toledo，Ohio，USA)获得的基于WUCS的墙面板垫，其重量为大约0.5-大约5.0lb/100ft2，优选大约1.5-大约2.5lb/100ft2，更优选小于大约2lb/100ft2，最优选大约1.75lb/100ft2-大约1.95lb/100ft2。在形成图5示出的薄的多重或多层板墙板60时，将改性石膏板50的多个层与湿玻璃纤维层45交替地成层。
该薄的单层板墙板40和薄的多层(多重)板墙板60可以用作常规石膏板如图3描述的常规板墙板30的代替物。在常规板墙板30中，石膏芯16被布置在两个饰面层20之间。该饰面层20可以选自提供所需物理、机械和/或美学性能的材料。可以作为饰面层20的材料的实例可以包括玻璃纤维纱布、幕或织物、织造或非织造材料、和纸或其它纤维素物品。饰面材料20有利地为形成石膏芯16的材料提供挠性、耐钉拉性和冲击强度。此外，饰面材料20可以为板墙板30提供相当耐用的表面和/或其它所需的性能如装饰性表面。该石膏芯16通常包含石膏、非必要的一些湿短切玻璃纤维、耐水性化学物质、粘结剂、促进剂和低密度填料。然而，应当指出，存在于石膏芯16中的玻璃纤维的含量(至多大约0.2wt％玻璃纤维)比本发明中使用的玻璃纤维的含量(大约1.0wt％-大约25wt％玻璃纤维)少得多，并且在至少一些情况下，该石膏芯16不包含任何玻璃纤维。
与常规的板墙板30不同，该薄的单层石膏板墙板40和该薄的多层石膏板墙板60具有的优点是轻质，具有提高的强度、提高的耐冲击性和提高的耐水性。此外，该单层和多层石膏板墙板40、60都比常规板墙板更薄并且可以在更低的重量下达到类似的有利性能。与上述石膏板10相似，该单层石膏板墙板40和薄的多层板墙板60可以包括图案化表面，如木材纹理以提供增强的美学性。该薄的石膏板墙板40和多层石膏板墙板60可以在线(按连续方式)、或离线制备。优选地，在线制备该板墙板40、60以提高制造效率。
在本发明的另一个示例性实施方案中(未示出)，本发明的基于湿玻璃纤维的组合物用于长丝卷绕工艺。在此种应用中，将湿连续粗纱浸入上面详细描述的聚合物/石膏浆料的浴中。可以理解，也可以代替使用干连续粗纱；然而，湿连续粗纱是优选的，这是因为湿连续粗纱的更低成本。在已将该湿(或干)连续粗纱浸入该聚合物/石膏浆料浴之中并且该聚合物/石膏浆料的层已经基本上沉积到其上之后，然后可以将该石膏/聚合物涂覆的连续粗纱卷绕到心轴上。本文所使用的术语“基本上沉积到其上”用来表示以一定方式沉积该聚合物/石膏浆料，使得该聚合物/石膏浆料完全地覆盖或涂覆连续粗纱的表面或该聚合物/石膏浆料几乎覆盖或涂覆该连续粗纱的表面。该心轴可以是任何常规的心轴如可重复使用的心轴、可折叠的心轴、整体型心轴或牺牲型心轴。一旦涂覆的连续粗纱已经绕着该心轴放置，希望将该心轴放入某一区域(存储区)中以致交联反应可以在大气条件下随着时间流逝缓慢地发生。可以将该心轴加热到中等温度(如上所述)以提高交联反应的速度。一旦该复合材料固化(交联)，可以取出该心轴。待用作绝缘外包装或电缆(其中内部电线可以相当好地受到保护)的复合材料部件如管子可以通过使用上述长丝卷绕工艺中的本发明基于湿玻璃纤维的组合物形成。此类复合材料部件与常规的长丝卷绕管子相比具有改进的耐火性。
本发明湿玻璃纤维组合物的一个优点在于复合材料制品是A级耐火的。不但石膏中存在的玻璃纤维而且石膏自身为该复合材料制品提供耐火性。这种A级耐火等级意味着由本发明湿玻璃纤维组合物形成的复合材料制品不会支持火焰的蔓延或传播。
此外，本发明的湿玻璃纤维配制剂为最终复合材料制品赋予了改进的物理性能，如改进的强度、刚度和提高的耐冲击性。
本发明的优点还在于WUCS纤维完全地分散在组合物中。这种湿玻璃纤维提高的分散产生了具有增强的机械强度和更少可见缺陷的更均匀结构。本发明组合物中使用的湿玻璃纤维也是低成本增强材料，尤其是当与要求额外加工步骤的常规干纤维相比时。因此，湿玻璃纤维(WUCS或湿玻璃粗纱)的使用为获得最终制品提供了更低成本的体系。
此外，WUCS纤维为最终复合材料制品提供了耐冲击性、尺寸稳定性和改进的机械性能如改进的强度和刚度。此外，采用WUCS，最终的复合材料制品与用于建造过程的紧固系统如钉子、U形钉和螺钉相容并且减少了开裂和其它机械故障的发生。
基于玻璃纤维的组合物的另一个优点是该组合物一旦混合则是可模塑的。组合物的这种可模塑性使得本发明组合物能够形成许多种形状以形成用于许多所需用途的复合材料。最终制品也可以着色、涂漆或染色以进一步增强美学性。
又一个优点是聚合物树脂为最终制品提供强度、挠性、韧性、耐久性和耐水性。具体来说，蜜胺-甲醛树脂和丙烯酸类树脂的结合产生了良好质量的涂层，并且为最终复合材料制品赋予了良好的耐候性、耐水性和耐化学品性。
虽然已经大体上描述了本发明，但是可以参考下面说明的某些具体实施例获得进一步的理解，这些实施例仅是出于说明性目的而提供的并且不意味着穷举和限制，除非另有规定。
实施例
实施例1-本发明复合材料壁板制品的物理和机械性能
使用表2所示的本发明组合物形成12英尺长的纤维增强石膏壁板。具体来说，将石膏(α-石膏)和树脂(蜜胺-甲醛)称量并放入料桶中。称量珍珠岩并放入单独的料桶中。在小型烧杯中称量硬化剂(硫酸铵)。在大料桶中称量水。将促进剂(硫酸铝)、硅烷偶联剂(γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(A-1100)，可以从GE Silicones获得)和乙酸按所述顺序添加到该水中，在每次添加过程中和添加之间进行搅拌。接下来，在放置在混合器下的大混合料桶中称量聚合物(聚丙烯酸类乳液)并且开启该混合器。一旦混合器开启，就将该硬化剂添加到该混合料桶中，接着添加水/促进剂/硅烷/乙酸混合物。逐勺添加石膏/树脂混合物和珍珠岩，其中在石膏/聚合物树脂混合物的勺子和珍珠岩的勺子之间进行交替。在添加所有石膏/聚合物混合物和珍珠岩之后，使该混合器运行2分钟。然后采用刮勺将湿法应用的短切玻璃纤维添加到该混合物中，该玻璃纤维具有16微米的直径，1/4英寸的长度，和大约13％的水含量。
表2
组分 wt％
α-石膏 35.0-55.0
聚丙烯酸类乳液 20.0-40.0
湿法应用的短切玻璃纤维 5.0-12.0
蜜胺-甲醛 3.0-7.0
珍珠岩 2.0-6.0
硅烷偶联剂 0.01-2.0
硬化剂(1) 0.05-0.25
乙酸 0.01-0.3
水 0.01-10.0
促进剂(2) 0.1-0.4
总计 100
(1)硫酸铝
(2)硫酸铵
使用该组合物形成12英尺壁板制品。具体来说，将表2的本发明组合物放入模具中并使之在室温下固化1天。然后将该壁板制品脱模并与数种商业对比例比较各种物理和机械性能。
表3给出的数据说明由本发明组合物形成的壁板制品(表3中的本发明复合材料板)和对比例1-3的商业制品之间的密度变化。从表3可以看出，由本发明组合物形成的壁板制品具有所试验的商业制品的最低板重量。本发明复合材料壁板制品的低的板重量使得该壁板制品可容易地输送和安装。
表3
宽度(in) 厚度(in)  长度(ft)  板重量(lb)  密度(g/cm3)  密度(lb/ft3)
对比例1(1) 7  1/4  5/16  12  16.7  1.41  88.3
对比例2(2) 8  3/8  16  15.1  0.72  45.2
对比例3(3) 8  1/4  5/16  12  20.6  1.54  96.0
本发明的复合材料壁板 8  5/16-3/32  12  10.0  1.21  75.5
(1)纤维/水泥壁板制品
(2)由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板
(3)纤维/水泥壁板制品
还对本发明壁板、对比例1-3的商业制品和乙烯基树脂壁板制品(对比例4)进行对比机械性能试验。根据ASTM D638(表4中给出结果)、ASTM D790(表5中给出结果)、ASTM D4812和ASTM D570(表6中给出结果)进行试验。
表4
ASTM D638 拉伸强度(psi)  弹性模量(ksi)  伸长率(％)
对比例1(1) 880  1110  0.21
对比例2(2) 2900  820  0.51
对比例3(3) 1580  1870  0.10
对比例4(4) 2000  240  2.00
本发明的复合材料壁板 1410  1750  0.21
(1)纤维/水泥壁板制品
(2)由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板
(3)纤维/水泥壁板制品
(4)乙烯基树脂壁板制品
注意到尽管有类似的组成，但是在机械性能试验过程中两种纤维/水泥制品(对比例1和3)表现得相当不同。对比例1具有由ASTM D638测定的最低拉伸强度(表4)。此外，如表4所示，对比例1表现出对比例3的拉伸强度的大约一半(880psi～1580psi)。本发明复合材料壁板的拉伸强度处于该两种纤维/水泥制品(对比例1和3)之间，且拉伸强度为1410psi。虽然本发明复合材料壁板的拉伸强度不具有所试验制品的最高拉伸强度，但是该拉伸强度表现得相当好(1410psi)并且清楚地表明本发明壁板制品在拉伸强度方面可与试验的其它壁板制品竞争。在壁板制品中，拉伸强度在确定制品质量方面是次级考虑因素，因为壁板很少受到拉伸或很少保持处于拉伸状态并且因此不需要高的拉伸强度。
在弹性模量试验过程中观察到相对于拉伸强度试验所注意到的相同倾向。具体来说，对比例1在四种板材壁板中表现出最低值或最小刚度(1110ksi)，接着是本发明复合材料壁板(1750ksi)和对比例3(1870ksi)。对比例2在这些评价中表现出最高拉伸强度和最低弹性模量。在弹性模量(刚度)试验中，比本发明复合材料壁板具有更高psi的唯一试验制品是对比例3，基于纤维/水泥的制品。然而，与本发明复合材料壁板不同，该纤维/水泥壁板制品重得多，这使得它们更难以输送和安装，并且它们更加易碎，这使得它们易于开裂。另一方面，本发明复合材料壁板制品是轻质的且易于安装和输送。因此，表4给出的结果证实本发明复合材料壁板制品在机械强度方面与当前可商购的制品类似，并将至少可与它们在商业上竞争。
表5
 ASTM D790 按原样 48h浸泡，25℃
挠曲强度(psi) 挠曲模量(ksi) 挠曲强度(psi) 挠曲模量(ksi)
对比例1(1) 2020  790  1370  630
对比例2(2) 4750  460  3170  280
对比例3(3) 3350  1350  2130  1040
对比例4(4) 3750  240  --  --
本发明的复合材料壁板 4020  770  2920  480
(1)纤维/水泥壁板制品
(2)由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板
(3)纤维/水泥壁板制品
(4)乙烯基树脂壁板制品
如表5所示，纤维/水泥壁板制品(对比例1和3)表现出最低挠曲强度。对比例2(由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板)表现出最高挠曲强度，而本发明复合材料壁板处于中间位置。在挠曲强度试验中，比本发明复合材料壁板具有更高挠曲强度的唯一试验制品是实施例2，基于木材的制品。然而，基于木材的制品对于它们而言具有数个缺点，包括腐烂、发霉、白蚁或其它虫子侵扰，并且它们不耐火。事实上，基于木材的壁板制品将传播火的蔓延。另一方面，本发明壁板制品是耐火的，不蔓延火，并且不受动物或昆虫侵扰或霉菌生长的影响，这归因于本发明壁板组合物中没有木材的事实。
表6
ASTM D4812  ASTM D570
无缺口Izod冲击(ft-lb)  吸水率(％)
对比例1(1) 0.94  37.33
对比例2(2) 1.68  22.01
对比例3(3) 0.69  20.26
对比例4(4) 1.00-1.25  3-4
本发明的复合材料壁板 3.06  0.85
(1)纤维/水泥壁板制品
(2)由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板
(3)纤维/水泥壁板制品
(4)乙烯基树脂壁板制品
如表6所示，本发明复合材料壁板制品在ASTM试验D4812和D570中分别表现出最大耐冲击性和最小吸水率。对比例1和3(纤维/水泥壁板制品)显示最低Izod耐冲击性，它们的值小于1ft-lb。在吸水率方面，本发明复合材料壁板制品在24h水浸泡之后经历小于1％的重量增加。相反，对比例2和3吸收大约20％，对比例1吸收大约40％。高的耐冲击性和低的吸水率证实本发明复合材料壁板制品具有优异的耐冲击性例如来自冰雹、自由下落的碎片(如飓风中产生的那些)的冲击，和优异的耐水性，这将极大地为在洪泛平原或易发生飓风的地理区域中的用户提供益处。
除了Izod冲击试验之外，对对比例1(纤维/水泥壁板制品)、对比例2(乙烯基树脂壁板制品)和本发明复合材料壁板制品进行Gardner冲击试验(图6)。使用4-lb砝码冲击这些壁板制品。第一次冲击在15英寸(60in-lb)处进行，并以8in-lb(2英寸)的递增进行随后的冲击。应该指出的是，如ASTM D4226所述，这种试验是乙烯基树脂所特有的。因此，它依靠目测检查来确定是否发生失败。之后该失败必须分类为脆性(穿孔、粉碎或开裂/分裂，在尖端具有0度角)或韧性(撕裂/裂开，在尖端具有非零角)。因为本发明聚合物-石膏体系没有按照与乙烯基树脂一样的方式失败，所以按常规方式的失败稍微难以确定。结果，当凹陷、开裂、基材暴露和击穿发生时对其进行记录，而不是采用合格/失败或韧性/脆性体系。结果概括在图6中。
图6描述的数据与得自上表6所示的Izod冲击试验的结果一致。如图6所示，纤维/水泥壁板制品表现出最小的耐冲击性，这表现为在仅20in-lb下的凹陷。对比例2在大约40in-lb显示凹陷，此后很快开裂，并且在大约85in-lb冲击下完全“击穿”。对比例1在大约90in-lb下“击穿”。本发明复合材料壁板制品显示超过这些值的显著耐冲击性。虽然它在大约50in-lb下凹陷并在大约70in-lb下开裂，但是本发明复合材料壁板制品在大约120in-lb冲击之后保持完整。可以理解，虽然挠曲强度在壁板的处理和安装中是重要的性能，但是耐冲击性在壁板材料的耐久性方面是一个重要因素，比如从而耐受偏离的棒球或高尔夫球、冰雹和/或其它碎片的冲击。
表1-6和图6中给出的数据表明本发明壁板制品表现得与所试验的商业制品一样好，且在某些情况下更好。如上所述，本发明壁板制品具有最高的耐水性和最高的耐冲击性。它们在确定壁板制品的质量方面是两个关键因素，因为用户将对耐候性(耐水性)和耐冲击性(例如来自冰雹、棒球等的冲击)感兴趣。另外，本发明的复合材料壁板在机械性能试验中表现得相当好，这是确定壁板制品商业生存能力的次级因素。
实施例2-本发明复合材料壁板制品的耐火试验
使用ASTM E84(Standard Test Method for Surface BurningCharacteristics of Building Materials)对由表2给出的本发明组合物形成的壁板制品进行耐火性的附加试验。根据ASTM E84标准试验方法，在大约2ft宽×24ft长的隧道中进行该试验。该隧道在一端包括两个煤气喷灯，它们将火焰引导至正在受控空气流下试验的壁板制品的表面上。将本发明复合材料壁板、商业壁板制品和杉木切割成23.5英寸长并铺在该隧道中就好像将它们安装到上面一样，且具有大约1英寸的重叠。使用在十分钟的暴露过程中火焰移动的距离和火焰前沿前进的速率计算火焰蔓延指数。使用安装在该隧道排气端的光度计系统来监测由于穿过烟雾、颗粒及其它排出物而引起的入射光的衰减变化，从而测定冒烟指数。
通过将每种材料的性能与纤维/水泥板和所选等级的红橡木地板的性能(将它们分别任意确认为0和100)进行比较来确定每种材料的指数。将火焰蔓延指数为0-25的材料分为I或A级。II(B)级材料具有26-75的指数，并且III(C)级材料具有76或更高的指数。如同纤维/水泥壁板制品，本发明复合材料壁板制品表现出I(A)级耐火等级。试验结果在表7中给出。
表7-ASTM E84
样品 火焰蔓延指数  冒烟指数  分级
对比例1(1) 5  0  I(A)
对比例2(2) 110  115  III(C)
对比例3(3) 5  0  I(A)
对比例4(4) 70  95  II(B)
本发明的复合材料壁板 20  35  I(A)
(1)纤维/水泥壁板制品
(2)由木屑和聚合物粘结剂形成的定向纤维板
(3)纤维/水泥壁板制品
(4)杉木地板制品
实施例3-垫增强聚合物石膏板
首先根据表8给出的重量百分率由α-石膏、聚丙烯酸类胶乳乳液、硅烷偶联剂、蜜胺-甲醛和促进剂(硫酸铵)形成聚合物/石膏浆料，从而制备垫增强聚合物石膏板。在容器中将干组分(α-石膏、蜜胺-甲醛和硫酸铵)干燥混合。在混合容器中将湿组分(聚丙烯酸类胶乳乳液和硅烷偶联剂)混合。逐渐地将干组分添加到混合容器中直到所述组分被完全地混合。将所得的聚合物/石膏浆料用来制造12″×12″纤维增强板，该纤维增强板包括1-5层Owens Corning的1.95lb/ft2墙面板垫。各种板的物理性能在表9中示出。
表8
组分 重量(g)  重量wt％
α-石膏 330  48.74
丙烯酸类胶乳乳液 230  33.97
蜜胺-甲醛 33  4.87
促进剂(1) 2.2  0.32
硅烷偶联剂 0.8  0.12
玻璃纤维 81  11.96
总计 677  100
(1)硫酸铵
表9
 垫增强的聚合物板  板重量  垫重量  玻璃纤维％  厚度  板重量
 #层数  (g)  (g)  (wt)  (in)  (oz/ft2)
板1  1  213  11  5.2  0.06  7.5
板2  2  331  20.3  6.1  0.09  11.7
板3  3  500  29.5  5.9  0.13  17.7
板4  5  740  49.5  6.7  0.21  26.1
板5  1  448  10.5  2.3  0.28  15.8
测试本发明两层和三层垫增强的聚合物板的各种机械性能，包括拉伸强度(ASTM D638)、拉伸模量(ASTM D638)和Izod冲击强度(无缺口)(ASTM D4812)。还遵循ASTM D570给出的测试程序测试这些两层和三层玻璃纤维垫增强的聚合物板的吸水率。机械性能试验结果在表10中给出。
表10
 试验方法   性能   单位   5/8英寸常规板墙  2层玻璃纤维增强的聚合物板   3层玻璃纤维增强的聚合物板
  厚度   Inch   0.625  0.090   0.130
 ASTM D638   拉伸强度 psi 302 2,389 3,897
 ASTM D638   拉伸模量   ksi   4.30  1,288   1,312
 ASTM D4812   Izod冲击(无缺口)   in-lb   0.483  3.076   4.257
 ASTM D570   吸水率   ％   44.6  1.6   1.5
从表10可以得出以下结论：该两层和三层玻璃纤维增强的聚合物板具有比所试验的常规板墙大得多的拉伸强度。此外，本发明板中的玻璃纤维增强材料引起本发明板的冲击强度相对于所试验的常规板墙产生巨大提高。此外，随着玻璃纤维垫的层数从两层提高到三层，拉伸强度显著地提高。应该相信，随着按成层方式将更多玻璃纤维垫添加到玻璃纤维增强的聚合物板中，本发明板的耐冲击性将继续提高。此外，从表10可以看出，该两层和三层玻璃纤维增强的聚合物板都比常规板墙吸收显著更少的水。吸水率的这种降低是重要的，因为本发明聚合物板可以用于倾向于接收大量水的区域，例如洪泛平原或飓风区，而不会破坏该板。此外，应指出的是，该两层和三层玻璃纤维增强的聚合物板都比常规板墙薄。由本发明板的薄度提供的一个优点是一次可以输送更多制品，从而节约输送成本。因此，从表10可以得出以下结论：就比常规板墙更薄的制品而言，本发明玻璃纤维增强的聚合物板具有提高的冲击强度、改进的拉伸强度和降低的吸水率。
具体实施方案的上述描述将如此完全地揭示本发明的一般性质以致其他人在不脱离本发明的一般概念的情况下通过应用在本领域熟练技术人员所知范围之内的知识(包括在此引用的参考文献的内容)不用过度试验就能容易地改变和/或改编这些具体实施方案的各种应用。因此，基于在此给出的教导和指导，这些改编和修改认为在所公开的实施方案的等同物的意义和范围内。应该理解的是，本文的措辞或术语用于描述而非限制，满足本发明说明书的术语或措辞由熟练技术人员根据本文给出的教导和指导，结合本领域普通技术人员的知识进行解释。

Claims (20)

1.用于形成玻璃纤维增强石膏复合材料制品的基于湿纤维的组合物，包含：
选自湿法应用的短切玻璃纤维和湿连续粗纱的湿玻璃纤维；
石膏；和
-种或多种水可分散的聚合物树脂。
2.权利要求1的基于湿纤维的组合物，还包含至少一种选自填料、至少一种偶联剂、有机酸、促进剂、硬化剂和交联用聚合物的组分。
3.权利要求2的基于湿纤维的组合物，其中所述交联用聚合物选自蜜胺-甲醛和脲-甲醛，所述促进剂选自硫酸铝、硫酸钾和白土，所述硬化剂选自硫酸铵和氯化铵。
4.权利要求3的基于湿纤维的组合物，其中所述聚合物树脂选自聚丙烯酸类乳液、聚酯乳液、乙酸乙烯酯乳液、环氧树脂乳液和酚类聚合物。
5.权利要求4的基于湿纤维的组合物，其中所述聚合物树脂是聚丙烯酸类乳液。
6.权利要求2的基于湿纤维的组合物，其中所述石膏选自α-石膏、β-石膏和其结合物。
7.权利要求1的基于湿纤维的组合物，其中所述湿玻璃纤维以基于活性固体大约1.0wt％-大约25wt％的量存在于所述组合物中，所述石膏以基于活性固体大约30wt％-大约70wt％的量存在于所述组合物中，所述一种或多种水可分散的聚合物以基于活性固体大约4.0wt％-大约40wt％的量存在于所述组合物中。
8.玻璃纤维增强石膏复合材料制品，包含：
模塑的基于湿纤维的组合物，所述模塑的基于湿纤维的组合物具有预定的形状，所述组合物包括：
选自湿法应用的短切玻璃纤维和湿连续粗纱的湿玻璃纤维；
石膏；和
一种或多种水可分散的聚合物树脂。
9.权利要求8的玻璃纤维增强石膏复合材料制品，其中所述基于湿纤维的组合物还包括至少一种选自填料、至少一种偶联剂、有机酸、促进剂、硬化剂、蜜胺-甲醛和脲-甲醛的组分。
10.权利要求8的玻璃纤维增强石膏复合材料制品，其中所述一种或多种水可分散的聚合物树脂选自聚丙烯酸类乳液、聚酯乳液、乙酸乙烯酯乳液、环氧树脂乳液和酚类聚合物。
11.权利要求8的玻璃纤维增强石膏复合材料制品，其中所述模塑的基于湿纤维的组合物具有至少一个主侧面，所述至少一个主侧面具有图案化表面。
12.权利要求8的玻璃纤维增强石膏复合材料制品，其中所述模塑的基于湿纤维的组合物具有至少一个主侧面，所述至少一个主侧面具有后加工涂层以增强所述模塑的基于湿纤维的组合物的美学性或耐候性。
13.权利要求8的玻璃纤维增强石膏复合材料制品，其中所述预定的形状是板状形状，所述湿玻璃纤维是湿法应用的短切玻璃纤维，其中所述湿法应用的短切玻璃纤维基本上均匀地分布在整个所述模塑的基于湿纤维的组合物中。
14.薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，包括：
两个或更多个聚合物/石膏层；和
插入所述至少两个或更多个聚合物/石膏层之间的至少一个湿玻璃纤维层。
15.权利要求14的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述两个或更多个聚合物/石膏层包括至少一种水可分散的聚合物，所述石膏选自α-石膏、β-石膏和其结合物。
16.权利要求15的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述至少一个玻璃纤维层是湿法形成的垫，所述垫包括湿法应用的短切纤维。
17.权利要求16的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述湿法形成的垫具有大约0.5-大约5.0lb/100ft2的重量。
18.权利要求14的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述聚合物/石膏层还包含至少一种选自填料、至少一种偶联剂、有机酸、促进剂、固化剂、蜜胺-甲醛和脲-甲醛的组分。
19.权利要求18的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述板墙材料具有至少一个主侧面，所述至少一个主侧面具有图案化表面。
20.权利要求14的薄的玻璃纤维增强石膏板墙材料，其中所述板墙材料是耐火和耐水的。
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