CN101405456A - 用于石膏墙板的改进的纸 - Google Patents

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Abstract

可用于制造石膏墙板的纸用一种添加剂进行表面处理以提高纸对湿石膏的粘合亲和力，从而使得制造墙板添加很少的或不添加淀粉粘合剂和使用减少量的水。本发明还描述了一种表面处理粘结剂，以及加工纸和含有所述纸的墙板的方法。

Description

用于石膏墙板的改进的纸
相关申请
本申请要求于2006年3月23日提交的美国临时申请序列号60/785,325的权益，其全部内容在此并入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种在石膏墙板的制造中可用作添加剂的组合物，其使得制造墙板用很少的或不用淀粉粘合剂。本发明还涉及用所述添加剂处理的纸张，以及一种制造石膏墙板的方法，所述方法与现有方法相比显著降低了所需的干燥能量。更具体而言，本发明涉及一种对湿石膏具有改进的粘合亲和力的石膏墙板纸成分的制造方法。
背景技术
石膏墙板工业通过用于保证厚纸中密封内部石膏芯的两外层之间有效的粘合的方法来生产墙板。该工业传统上向石膏芯添加大量的淀粉粘合剂以增加与纸壳的粘结。工业上还向石膏中添加大量过量的水使得在干燥两纸层间的石膏的过程中过量的水可携带淀粉粘合剂一起从湿石膏迁移到纸中，以建立石膏与纸表面的粘合。然而，因为从石膏芯迁移和蒸发过量的水需要的干燥能量，使得该方法是高度耗能的。
因为对于石膏墙板制造商来说干燥成本大大增加，所以工业上需要减少墙板生产中所用的水量。明显的是，本发明可以获得降低的石膏对水的比例，继而可得到较高强度的墙板。通过在石膏墙板制造过程中加入纸表面处理而达到该强度提高，继而任选可生产较强的低密度墙板产品。
还出乎意料地发现，在湿石膏芯中代替使用淀粉和高的水比例的另一种方法可以得到实践，并在纸层和石膏芯之间仍然达到强的粘合。
发明内容
本发明涉及通过在将纸成分与湿石膏接触之前对墙板的纸成分施加表面处理以增强石膏与纸成分的粘合来制造石膏墙板的方法。然后石膏成分可使用较低量的水，对该基底仍然形成强的粘合。
本发明还涉及在制造石膏墙板中可用作添加剂的组合物，其使得制造墙板用很少的或不用淀粉粘合剂。本发明还涉及用所述添加剂处理的纸张。
另外，本发明涉及具有内石膏芯，并在所述内石膏芯的表面上粘附至少一种经处理的纸的墙板，其中所述纸张的表面利用表面处理粘结剂来处理。所述内石膏芯的表面粘附到用表面处理粘结剂处理过的纸张的表面上。
用于墙板的经处理的纸含有其表面用表面处理粘结剂处理过的纸张，所述表面处理粘结剂含有水和胶乳粘合剂。该表面处理粘结剂也可含有一定量的无机填料。其还可含有一定量的流变改性剂如纤维素醚，或者生物聚合物，或者它们的混合物。
在本发明之前，在石膏墙板中需要使用高水平的淀粉和水为了保证石膏与纸成分适当的粘合。通常在现有技术实践中水/石膏比例大于70/100。在本发明中，水/石膏比例可以小于70/100。
本发明的优势在于可降低水/石膏比例，并因此通过使用较低的水/石膏比例可降低制造墙板的能量要求和提高墙板的强度。本发明因此描述了一种制造具有改进性能的墙板的方法。
具体实施方式
出乎意料地发现，石膏墙板的纸壳成分可用选定的材料进行表面处理以增强墙板石膏内芯与纸张的粘合倾向。所述增强的粘合倾向或亲和力继而使得配制出具有较低的水和淀粉含量的石膏芯，这减少了干燥墙板所需的能量。降低或消除墙板石膏芯的淀粉含量的好处是所得墙板在暴露于高湿度或其它有利于促进微生物生长的环境条件下时，潜在地较不易受到微生物侵蚀。
本发明涉及用于对墙板纸成分进行表面处理的表面处理粘结剂。该表面处理粘结剂包含水和胶乳粘合剂。该表面处理粘结剂另外可优选含有无机填料。其还可任选含有额外的成分，如流变改性剂、稳定剂和防腐剂。
所述表面处理粘结剂的胶乳粘合剂成分优选占表面处理粘结剂的约1-55重量％。该表面处理粘结剂的胶乳粘合剂可选自通常可获得的胶乳聚合物，可选自乙烯聚乙酸乙烯(ethylene polyvinyl acetate)、聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。优选所述胶乳粘合剂成分为乙烯聚乙酸乙烯或聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳。
在表面处理粘结剂中使用无机填料是任选的。如果使用，在表面处理粘结剂中无机填料的比例通常是表面处理粘结剂的约1-50重量％。很多类型的无机填料，以及无机填料很宽范围内的粒径分布都是可以的，虽然通常优选较细粒径用于表面处理粘结剂。无机填料可包括，并可选自半水合硫酸钙、二水合硫酸钙、磨细石膏(ground gypsum)、硅酸盐水泥、碳酸钙、粘土及粉状二氧化硅。其它无机物种也可用作无机填料。
其它选自流变改性剂、盐类、促进剂和分散剂的水溶性物种可用作表面处理粘结剂中的添加剂以影响经处理的纸和所得墙板的其它性能。优选的流变改性剂包括纤维素醚。用于本发明的纤维素醚可选自羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素(MC)、羟丙基纤维素(HPC)、疏水改性羟丙基纤维素(HMHPC)、羟乙基纤维素(HEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、疏水改性羟乙基纤维素(HMHEC)、阳离子疏水改性羟乙基纤维素(阳离子HMHEC)及阴离子疏水改性羟乙基纤维素(阴离子HMHEC)。优选的纤维素醚包括羟乙基纤维素。
所述流变改性剂还可包括生物聚合物。优选的生物聚合物包括黄原胶。
本发明的一个方面是表面处理粘结剂当包含无机填料以及流变改性剂时，导致流体混合物含有高水平的无机填料。高水平的无机填料是占表面处理粘结剂约20重量％或更多，优选约30重量％的无机填料水平。另一种优选的流变改性剂是黄原胶。还更优选的是包括HEC和黄原胶混合物的流变改性剂。
为了制备含有高水平无机填料的表面处理粘结剂，首先将一定量的水与少量流变改性剂混合并搅拌溶解。一旦流变改性剂溶解在水中，将高水平的无机填料分阶段逐渐加入含有流变改性剂的水溶液中。在每个阶段后含有无机填料的含水混合物的粘度变稀以控制混合物的粘度。最后向混合物中加入一定量的胶乳粘合剂。得到稳定的流体混合物。
另一种制备表面处理粘结剂的方法是将所述胶乳粘合剂与所述量的水混合，然后逐渐加入无机填料，最后加入流变改性剂。
在实践中，将上述表面处理粘结剂组合物用水稀释至约2-20固体重量％的工作浓度，然后通过通常用于纸加工技术中的机械方法将该混合物施涂在纸的表面上，所述机械方法包括，但不限于，使用刮刀、辊、涂胶机、或喷涂机。将表面处理粘结剂施涂在用于墙板制造的纸的两个内表面上，并优选原位干燥，虽然这不是必须的，得到其中一面经过表面处理的纸。用于处理纸的表面处理粘结剂的量为大于约0.1gm/m2，优选为大于约0.1gm/m2至4gm/m2，优选为约0.1-2gm/m2，更优选为约0.5-1gm/m2，还更优选为约0.2-0.5gm/m2。通过施涂该范围内的表面处理粘结剂涂层，表面处理粘结剂组合物提高了经表面处理过的纸层与墙板石膏内芯的粘结亲和力，在这种情况下与通常实践相比，石膏不含淀粉或者含有减少量的淀粉。
优选在生产其中一面经过表面处理的纸的时候，表面处理粘结剂对纸的气孔度具有最小的影响。保留纸的气孔度在制造墙板中是有用的，因为在将湿石膏施涂到所述其中一面经过表面处理的纸的经处理的表面上之后，该表面上的水可容易地通过纸层蒸发。纸的气孔度性能可通过标准测试方法“Gurley气孔度”来测量，所述标准测试方法包括“低”设置的Hagerty孔隙度测试仪。对本发明的经表面处理过的纸的典型Gurley气孔度测量对照未处理过的墙板纸，将是少于20秒级别的差别。如果想要一步连续法，可将混合物施涂在所述纸的表面上，然后将湿石膏施涂在所述其中一面经过表面处理的纸上。
通过机械方法将所述其中一面经过表面处理的纸加工成墙板，借此将湿石膏层的两面都与其中一面经过表面处理的纸的经处理的表面接触以得到可用于建筑应用的墙板结构。本发明中的湿石膏与现有技术相比不含淀粉或含有减少量的淀粉。所述湿石膏与标准墙板石膏制备相比，通常最理想地会含有减少量的水。因此通过用本发明的其中一面经过表面处理的纸替代最终墙板结构中所有或部分淀粉成分，得到新型墙板结构。
在制造墙板的过程中，预想用两步法，其中将先前制造和干燥的本发明其中一面经过表面处理的纸随后与湿石膏层相结合以得到墙板。或者，也预想用一步法，其中将表面处理粘结剂组合物施涂到纸表面上，并在完全干燥纸表面之前将湿石膏施涂到其中一面经过表面处理的纸上以得到墙板。
通过本发明的方法得到的墙板相比类似的现有技术有很多改进，例如由于制造墙板使用较少量的水而具有增强的强度，以及经济益处。因此，可预想用该方法可能制造出比现有技术显著更低密度的具有可接受的强度大小的墙板产品。
通过下面的实施例进一步阐明本发明，所述实施例用于说明本发明，份和百分比均基于重量，除非另外指明。
实施例
对比例1
将30重量份的半水合硫酸钙与70重量份的水高剪切混合。在5分钟的混合时间内，形成固体胶，使得该组合物不适合用作表面处理粘结剂。该混合物显示在表1中为组合物1。
对比例2
将5重量份的半水合硫酸钙与80重量份的水高剪切混合。观察到该混合物迅速增稠至非常粘的状态，在约10分钟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钙。重复该过程直到在水中加入约20重量份的半水合硫酸钙。在此说明了通过在分散混合下向水中缓慢加入半水合硫酸钙而制得石膏颗粒的浓分散体的方法。该混合物非常粘，实际用途很有限，在表1中显示为组合物2。
实施例1
将20重量份的526BP乙烯乙酸乙烯胶乳(来自Air productsand Chemicals，Inc.)与80重量份的水混合。得到稳定的流体分散体。该混合物显示于表1中为组合物3.
实施例2
将49.8重量份的水与0.2重量份的
Figure A20078001026500132
250H4BXR羟乙基纤维素(来自Hercules Incorporated)混合，并搅拌溶解。一旦羟乙基纤维素(HEC)溶解在水中，逐渐并分阶段在高速混合下加入30重量份的半水合硫酸钙(石膏)。每次最初将石膏加入HEC水溶液中时粘度较高，但该混合物随时间变稀，因此认为是可控过程。最后将20重量份的
Figure A20078001026500141
526BP乙烯乙酸乙烯胶乳(来自Air Products and Chemicals，Inc.)加入到混合物中。得到稳定的流体混合物。该过程说明了通过向含有HEC成分的水中加入半水合硫酸钙可得到石膏颗粒的高浓度分散体。该组合物显示于表1中为组合物4。
实施例3
将20份的
Figure A20078001026500142
526BP乙烯乙酸乙烯胶乳(来自Air Products andChemicals，Inc.)加入到49.7份的水中，然后在高速混合下逐渐并分阶段加入30重量份的半水合硫酸钙。仅观察到轻微的粘度上升，每次相继加入半水合硫酸钙使得该方法为非常容易控制的过程。在加入所有的半水合硫酸钙之后，加入该批料的最后组分，0.1重量份的
Figure A20078001026500143
250H4BXR HEC(来自Hercules Incorporated)和0.2份的
Figure A20078001026500144
RD黄原胶(来自CP KelcoInc.)作为石膏浆料的稳定剂并溶解在混合物中。在这种情况下，产物的粘度测量为1000cps布氏粘度，在24小时后没有观察到流体浆料的沉淀。该组合物显示于表1中为组合物5。
实施例4
用各种水基混合物对标准墙板纸进行表面处理，然后在直接IR灯下对湿的纸表面进行干燥。所用的表面处理剂列于表1中，为组合物2-5。对两个对照条件也进行测试，包括a)没有对纸表面进行表面处理，和b)仅用水对纸表面进行处理。然后用以下步骤将用表1中的组合物进行表面处理过的纸样品与不含淀粉的湿石膏接触：
1)用水稀释表1的组合物至下面所指的活性水平；
2)用Gardco拉伸仪器(来自Paul N.Gardner Company，Inc.)将稀释的组合物施涂到纸表面上，用加热灯干燥以得到其中一面经过表面处理的纸；
3)将60重量份不添加淀粉的标准干石膏加入到30重量份的水中，并用棒式搅拌器手工混合30秒；
4)立即将步骤3)的湿混合物用泥刀铲入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)将模子中石膏的湿外表面立即施涂到其中一个面经过表面处理的纸样品上；
6)将纸和模子放在60℃烤炉中，并在16个小时内干燥至恒重；
7)将纸/石膏模子样品从烤炉中取出，用手将它们彼此分离。定量估算粘附在石膏模子上的纸层的相对面积。以这种方式记录下明显粘附在石膏模子表面上的纸纤维的表面覆盖百分率的估算值。
发现在对纸没有进行表面处理的对照情况中，纸和石膏间没有达到明显的粘合。在仅用水涂覆纸表面的第二对照情况中，没有观察到与石膏的粘合。
在实施例4中，仅用胶乳处理纸表面，发现与纸表面形成中等强度的粘合。因此单使用胶乳作为纸表面处理剂是本发明方法的一种变型，虽然不是最优的，但仍是可操作的。
在实施例4中，发现在用胶乳和石膏颗粒的分散体作为表面处理粘结剂时，在纸和石膏之间达到很强的完全的粘合。
用可实践的一些实施方案和变型来说明本发明，但本发明的范围并不意欲，也不应认为就此受到限制，由这里的教导得到的其它变型或实施方案在落入所附权利要求的保护范围内时也包括在内。
表1-表面处理粘结剂组合物
Figure A20078001026500161
表2-经表面处理过的纸样品与石膏的粘合面积
  纸表面处理成分   无(对照)   仅水   组合物2对照例2   组合物3实施例1   组合物4实施例2   组合物5实施例3
  稀释后活性固体水平   ---   5％   2％   12.5％   6％
  施涂到纸表面上的大约涂层重量   0.5gm/m2   0.2gm/m2   1.0gm/m2   0.6gm/m2
  干燥后粘附在石膏模子上的纸面积％   无粘合   无粘合   ＜10％粘合面积   ～50％粘合面积   ～90％粘合面积   ～90％粘合面积
  经处理的纸Gurley粘度   57secs   57secs   ND   57secs   58secs   ND

Claims (54)

1.用于墙板的经处理的纸，其包括表面用包含水和胶乳粘合剂的表面处理粘结剂处理的纸张。
2.权利要求1的经处理的纸，其中所述表面处理粘结剂还包含无机填料。
3.权利要求2的经处理的纸，其中所述表面处理粘结剂包含胶乳粘合剂和无机填料，其中所述胶乳粘合剂占所述表面处理粘结剂的约1-55重量％，而所述无机填料占所述表面处理粘结剂的约1-50重量％。
4.权利要求1的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂选自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。
5.权利要求4的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂包括乙烯聚乙酸乙烯胶乳。
6.权利要求4的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂包括聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳。
7.权利要求2的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂选自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。
8.权利要求7的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂包括乙烯聚乙酸乙烯胶乳。
9.权利要求7的经处理的纸，其中所述胶乳粘合剂包括聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳。
10.权利要求2的经处理的纸，其中所述无机填料选自半水合硫酸钙、二水合硫酸钙、磨细石膏、硅酸盐水泥、碳酸钙、粘土及粉状二氧化硅。
11.权利要求10的经处理的纸，其中所述无机填料包括半水合硫酸钙。
12.权利要求2的经处理的纸，其中所述表面处理粘结剂还包括选自流变改性剂、盐类、促进剂和分散剂的水溶性物种。
13.权利要求12的经处理的纸，其中所述流变改性剂包括纤维素醚。
14.权利要求13的经处理的纸，其中所述纤维素醚选自羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素(MC)、羟丙基纤维素(HPC)、疏水改性羟丙基纤维素(HMHPC)、羟乙基纤维素(HEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、疏水改性羟乙基纤维素(HMHEC)、阳离子疏水改性羟乙基纤维素(阳离子HMHEC)及阴离子疏水改性羟乙基纤维素(阴离子HMHEC)。
15.权利要求14的经处理的纸，其中所述纤维素醚包括羟乙基纤维素(HEC)。
16.权利要求12的经处理的纸，其中所述流变改性剂包括黄原胶。
17.权利要求1的经处理的纸，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为大于约0.1gm/m2。
18.权利要求17的经处理的纸，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为大于约0.1gm/m2至4gm/m2。
19.权利要求18的经处理的纸，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为约0.1-2gm/m2。
20.权利要求19的经处理的纸，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为约0.5-1gm/m2。
21.权利要求1的经处理的纸，其中用“低”设置的Hagerty孔隙度测试仪对所述经表面处理过的纸的Gurley气孔度测量与没有表面处理粘结剂的纸张相比是少于20秒的差别。
22.一种墙板，其包括
内石膏芯；和
至少一种粘附在所述内石膏芯表面的经处理的纸，其中所述经处理的纸还包括表面用包含水和胶乳粘合剂的表面处理粘结剂处理的纸张，而且所述内石膏芯的表面粘附在所述用表面处理粘结剂处理过的纸张表面上。
23.权利要求22的墙板，其中所述表面处理粘结剂还包含无机填料。
24.权利要求23的墙板，其中所述表面处理粘结剂包含胶乳粘合剂和无机填料，其中所述胶乳粘合剂占所述表面处理粘结剂的约1-55重量％，而所述无机填料占所述表面处理粘结剂的约1-50重量％。
25.权利要求22的墙板，其中所述胶乳粘合剂选自乙烯聚乙酸乙烯、聚乙酸乙烯(PVOAc)胶乳、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯酸、乙烯基丙烯酸。
26.权利要求25的墙板，其中所述胶乳粘合剂包括乙烯聚乙酸乙烯胶乳。
27.权利要求23的墙板，其中所述无机填料选自半水合硫酸钙、二水合硫酸钙、磨细石膏、硅酸盐水泥、碳酸钙、粘土及粉状二氧化硅。
28.权利要求27的墙板，其中所述无机填料包括半水合硫酸钙。
29.权利要求22的墙板，其中所述表面处理粘结剂还包括选自流变改性剂、盐类、促进剂和分散剂的水溶性物种。
30.权利要求29的墙板，其中所述流变改性剂包括纤维素醚。
31.权利要求30的墙板，其中所述纤维素醚选自羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素(MC)、羟丙基纤维素(HPC)、疏水改性羟丙基纤维素(HMHPC)、羟乙基纤维素(HEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、疏水改性羟乙基纤维素(HMHEC)、阳离子疏水改性羟乙基纤维素(阳离子HMHEC)及阴离子疏水改性羟乙基纤维素(阴离子HMHEC)。
32.权利要求31的墙板，其中所述纤维素醚包括羟乙基纤维素(HEC)。
33.权利要求27的墙板，其中所述流变改性剂包括黄原胶。
34.权利要求22的墙板，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为大于约0.1gm/m2。
35.权利要求34的墙板，其中用于处理所述纸的表面处理粘结剂的量为大于约0.1gm/m2至4gm/m2。
36.权利要求22的墙板，其中用“低”设置的Hagerty孔隙度测试仪对所述经表面处理过的纸的Gurley气孔度测量与没有表面处理粘结剂的纸张相比是少于20秒的差别。
37.制备用于墙板的经处理的纸的方法，其包括如下步骤：
a)得到纸张；和
b)用表面处理粘结剂处理所述纸张的表面以得到用表面处理粘结剂处理的纸张表面；
其中所述表面处理粘结剂包含水和胶乳粘合剂。
38.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其中所述表面处理粘结剂还包含无机填料。
39.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其中使用刮刀将所述表面处理粘结剂施涂在所述纸张的表面上。
40.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其中使用辊将所述表面处理粘结剂施涂在所述纸张的表面上。
41.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其中使用喷涂机将所述表面处理粘结剂施涂在所述纸张的表面上。
42.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其中使用涂胶机将所述表面处理粘结剂施涂在所述纸张的表面上。
43.权利要求37的制备经处理的纸的方法，其还包括如下步骤：
c)干燥所述用表面处理粘结剂处理的纸张的表面。
44.一种表面处理粘结剂，其包含：
水；
胶乳粘合剂；
流变改性剂；和
无机填料；
其中所述表面粘结剂含有高水平的无机填料。
45.权利要求44的表面处理粘结剂，其中所述高水平的无机填料占所述表面处理粘结剂的约20重量％或更多。
46.权利要求45的表面处理粘结剂，其中所述高水平的无机填料占所述表面处理粘结剂的约30重量％。
47.权利要求44的表面处理粘结剂，其中所述流变改性剂包括选自以下组中的纤维素醚：羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素(MC)、羟丙基纤维素(HPC)、疏水改性羟丙基纤维素(HMHPC)、羟乙基纤维素(HEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)、疏水改性羟乙基纤维素(HMHEC)、阳离子疏水改性羟乙基纤维素(阳离子HMHEC)、阴离子疏水改性羟乙基纤维素(阴离子HMHEC)。
48.权利要求47的表面处理粘结剂，其中所述纤维素醚包括羟乙基纤维素(HEC)。
49.权利要求44的表面处理粘结剂，其中所述流变改性剂包括黄原胶。
50.权利要求49的表面处理粘结剂，其中所述流变改性剂包括黄原胶和羟乙基纤维素(HEC)的混合物。
51.权利要求44的表面处理粘结剂，其中所述无机填料选自半水合硫酸钙、二水合硫酸钙、磨细石膏、硅酸盐水泥、碳酸钙、粘土及粉状二氧化硅。
52.权利要求51的表面处理粘结剂，其中所述无机填料包括半水合硫酸钙。
53.权利要求45的表面处理粘结剂，其中所述无机填料包括半水合硫酸钙。
54.权利要求53的表面处理粘结剂，其中所述流变改性剂包括黄原胶和羟乙基纤维素(HEC)的混合物。
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