CN101589001A - 含有萘磺酸盐和改性剂的石膏组合物 - Google Patents

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刘清霞
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Abstract

一种改进的石膏浆，包含水、半水合硫酸钙、萘磺酸盐分散剂和改性剂。所述改性剂在化学上认为可改善萘磺酸盐分散剂效力。优选的改性剂包括水泥、石灰、消石灰、苏打灰、碳酸盐、硅酸盐和磷酸盐。

Description

含有萘磺酸盐和改性剂的石膏组合物
技术领域
本发明涉及改进的石膏产品，更具体地，涉及一种改进的在低水浓度下可以流动的石膏浆体，与单独使用萘磺酸盐分散剂相比费用更低。
背景技术
由于多种原因石膏产品一般用作建筑材料，例如墙板。墙板层易于连在一起以制成任意大小和形状的连续墙。它们易于修补且具有防火和隔音性能。装饰面层例如墙纸或油漆，易于粘附在石膏或墙板表面以允许进行各种装饰选择。
由全密度浆体制成的石膏产品的强度与其生产中的用水量成反比。添加到石膏浆中的一些水是用于水合煅烧石膏(也称半水合硫酸钙)以形成二水合硫酸钙晶体的互锁基质。过量的水蒸发或在干燥炉中被除掉，在曾经被水占据的基质中留下空隙。大量的水被用于流化该石膏浆时，更多和更大的空隙在产品完全干燥时保留在产品中。这些空隙降低成品产品中的产品密度和强度。在墙板生产过程中，也将泡沫浆体添加到灰泥浆体中以实现所需要的墙板重量。
人们已经尝试使用分散剂以减少用于制备流动浆体的水量。萘磺酸盐分散剂可有效减少墙板生产过程中的用水量。与使用大量分散剂以实现大幅减少用水有关的缺点已为人所知，因为这些材料相对昂贵。在高度竞争的市场上，该组分的高昂价格会胜过这些产品提供的微薄利润。
石灰已被用在石膏中以改善其可加工性。它使石膏“感觉”良好，赋予一种使其易于铲抹的平滑性和可塑性。由于它是碱性，石灰使一些延缓剂效率更高，增加了石膏的开放时间。最后，石膏中的石灰随时间氧化以形成碳酸钙，使表面硬度超过仅有石膏时可达到的硬度。
美国专利No.5,718,759教导了向β-煅烧石膏和水泥的混合物中添加硅酸盐。在该实例中，木素磺酸盐或萘磺酸盐被用作减水剂。由于钙矾石的形成，添加火山灰材料包括硅酸盐被公认为可减少膨胀。该组合物被建议用于建筑材料，例如背衬板、地板底衬、道路修补材料、阻火材料和纤维板。
Luongo在美国专利No.6,391,958中教导了一种石膏与硅酸钠和合成的交联粘合剂相结合的新型墙板组合物。乙酸乙烯酯聚合物是优选的交联粘合剂。硅酸钠的加入减少了制备给定数量板所需的煅烧石膏的量。建筑板的重量减少，便于工人在安装前和安装期间移动这些板。
现有技术没有充分地解决-改善给定的萘磺酸盐分散剂的效力-这个问题。改善分散剂的效力将降低分散剂的成本，保持石膏产品的合理价格。
因此，本领域需要降低石膏浆中使用的分散剂用量，同时保持该浆体的流动性。分散剂用量的降低将导致节省花在分散剂上的成本。
发明内容
本发明改善了这些问题和其它问题，其包括添加有效量的改性剂至石膏浆，增强了用萘磺酸盐类型的分散剂制备的浆体的流动性。当使用一种或多种改性剂时，需要较少的分散剂以达到给定的流动性，从而降低分散剂成本。
更具体地，本发明涉及一种改进的石膏浆体，其包含水、半水合硫酸钙、萘磺酸盐分散剂和改性剂。改性剂化学上构建为来改善萘磺酸盐分散剂的效力。优选的改性剂包括但不限于水泥、石灰、消石灰、苏打灰、碳酸盐、硅酸盐、膦酸盐和磷酸盐。
在本发明的另一种实施方式中，石膏板是由至少一个面层(facingsheet)和该改进的石膏浆体制成的芯制成。而本发明的另一个方面涉及一种制备该石膏浆的方法，包括选择改性剂、混合该改性剂和萘磺酸盐分散剂，以及添加半水合硫酸钙。
本文所述的改性剂的使用改进了分散剂在流化石膏浆中的效力。这种效力的改进是有用的，对于不同产品方式不同。在一些实施方式中，使用较少的分散剂，降低了成本以便可以制备价格更有竞争力的石膏产品。
代替或除降低分散剂用量以外，改进的分散剂效力还能用于减少制备石膏浆体时的用水量。在一些产品中，过量水在烘炉或干燥炉中从产品中除去，当较少的水蒸发时，生产过程可以更节省燃料，保护了化石燃料并实现了成本节约。燃料节约可以基于降低干燥炉温度或缩短在干燥炉中的保留时间。用水量的减少在一些产品例如地板中还能转化为更高的产品密度。这导致更高的产品强度。
具体实施方式
本发明的石膏浆体是用水、煅烧石膏、萘磺酸盐类型的分散剂和改性剂制成。当用在高强度石膏产品的浆体中时，本发明的益处最明显，但是它也可以用于使用萘磺酸盐的任意浆体，甚至是那些已经使用低剂量的萘磺酸盐分散剂的浆体。
在该浆体中任何煅烧石膏或灰泥都是有用的，尤其是α-煅烧石膏、β-煅烧石膏、无水石膏、或其结合。优选地，该石膏浆包含基于干固体的至少50％重量的煅烧石膏。在其它优选实施方式中，该浆体包含至少75％、80％或90％重量的煅烧石膏。优选的灰泥包括美国石膏公司(伊利诺伊州，芝加哥)的模制用石膏(β-煅烧石膏)和品牌灰泥(α-煅烧石膏)或CAS-20-4(无水石膏)。
通过添加萘磺酸盐分散剂实现了制备浆体的用水量的降低。不希望受理论约束时，该分散剂被认为将其自身连接到硫酸钙上，然后聚合物上的带电基团相互排斥，导致石膏颗粒分散和易于流动。当该浆体更易于流动时，水量可以减少并仍然获得可流动的流体。通常，水的减少导致产品强度增加和干燥成本更低。优选的萘磺酸盐分散剂包括GEO特种化学品公司(宾夕法尼亚州，安布勒)的DAXAD。萘磺酸盐是以占石膏的重量百分比的高至约0.5％，优选约0.05％-0.5％活性成分使用，更优选为约0.5％-0.25％。
改性剂可以是当在石膏浆中与萘磺酸盐分散剂结合时，可导致分散剂效力改善的任何液体的或固体的物质。改性剂本身无意成为分散剂，但有助于使分散剂更有效。例如，在分散剂的恒定浓度下，与不含改性剂的相同浆体相比，使用改性剂时获得了更好的流动性。然而改性剂的使用中涉及的确切的化学过程尚不完全清楚，可能的机制是改性剂(例如苏打灰)与石膏表面相互作用以帮助改善分散剂效果。对于本发明而言，改性剂可能使用任意机制以改善分散剂的效力。
优选的改性剂包括水泥、石灰(也称生石灰或氧化钙)、消石灰(也称氢氧化钙、熟石灰)、苏打灰(也称碳酸钙)、碳酸钾(也称苛性钾)和其它碳酸盐、硅酸盐、氢氧化物、膦酸盐和磷酸盐。优选的碳酸盐包括碳酸钠和碳酸钾。优选的硅酸盐是硅酸钠。优选的膦酸盐是氨基三甲叉磷酸五钠盐，商业销售为
Figure A20078004686300071
2006(首诺公司，密苏里州，圣路易斯)。
当石灰或消石灰用作改性剂时，它是以基于干半水合硫酸钙重量的约0.05％-1.0％的浓度使用。在水存在下，石灰迅速转化为氢氧化钙或消石灰，并且浆体的pH变为碱性。pH的急剧上升可引起浆体化学上的很多变化。某些添加剂包括三偏磷酸钠随着pH上升而分解。水合作用以及当浆体用于制备墙板或石膏板时也存在一些问题。纸结合在高pH下也存在一些问题。对于与该浆体接触的工人来说，强碱成分会刺激皮肤，应该避免接触。pH高于约11.5时，石灰不再引起流动性的增加。因此，在一些应用中优选保持pH低于约9以实现该改性剂的最佳性能。在其它用途中，例如地板，高pH有利于最大限度地减少霉菌和霉变。碱金属氢氧化物，尤其是氢氧化钠和氢氧化钾被优选用在地板和石膏中。
其它优选的改性剂包括碳酸盐，膦酸盐，磷酸盐和硅酸盐。优选地，改性剂是以基于干半水硫酸钙重量的不到0.25％的量使用。高于这个浓度，改性剂用量的增加导致分散剂效力降低。这些改性剂优选地是以基于石膏重量的约0.05％-0.25％或约0.10％-0.25％重量使用。
如果在改性剂添加至混合物之前，半水硫酸钙被分散剂润湿，则改性剂效果较差。因此，优选的是在与灰泥混合之前将分散剂和改性剂合并。如果改性剂或分散剂是液体形式，优选将该液体添加到工艺水。然后在添加半水合硫酸钙之前，将其它改性剂或分散剂添加到该水中。只需要搅拌几秒钟将改性剂和分散剂混合在一起。如果改性剂和分散剂二者都是干形式，它们可混合在一起并同时加入灰泥。合并水、分散剂、改性剂和灰泥的优选的方法在名称为“用改性剂和分散剂制备石膏浆的方法”的美国序列号No.11/152,323被进一步描述，在此纳入作为参考。
还应注意的是，当用在不同来源的石膏中时，萘磺酸盐分散剂和改性剂反应不同。实验室测试表明，来自不同地理区域的石膏含有不同的盐和杂质。不希望受理论约束时，石膏中存在的杂质被认为有助于分散剂和改性剂二者的效力。存在于灰泥中的杂质是随不同地理位置变化的盐。很多盐是已知的凝固促进剂或凝固延缓剂。通过影响能达到的流动性的程度，这些相同的盐也能改变萘磺酸盐分散剂的效力。萘磺酸盐分散剂优选与低盐灰泥一起使用。
由于使用了流动性增强的分散剂和改性剂以提高它们的性能，用于流化该浆体的水量与不含这些添加剂时制备的浆体相比可以减少。必须理解的是，灰泥来源、煅烧技术、分散剂族和改性剂共同作用以生产具有给定流动性的浆体。
任意水量可用于制备本发明的浆体，只要该浆体具有用于所想用途的足够的流动性。水量的变化很大，取决于灰泥的来源、如何煅烧、添加剂以及正制备的产品。对于墙板应用来说，水和灰泥的比率(WSR)可使用约0.20-0.8，优选为约0.4-0.8，且更优选为约0.5-0.7。
在本发明的第二方面，该浆体可用于制备强度增加的石膏板或墙板。为了形成石膏板，将该浆体倒在护面材料(facing material)的至少一个板层上。护面材料是石膏板工匠熟知的。多层纸是优选的护面材料，但也可使用单层纸、厚纸板、塑料薄片和其它护面材料。
其它添加剂也可添加到浆体中，像典型的用于石膏浆将要应用的特殊用途的添加剂。在本发明的一些具体实施方式中，添加剂包含于浆体中以改变最终产品的一种或多种性质。这些可选择的添加剂是以本领域已知的方式和量使用。浓度是以每1000平方英尺成品板的量(MSF)报导。添加凝固延缓剂(高达约2lb./MSF(9.8g/m2))或干燥促进剂(高达约35lb./MSF(170g/m2))以改变水合反应发生的速率。“CSA”是一种包含95％的二水合硫酸钙和5％的糖的凝固促进剂，并加热至250°F(121℃)以熔化该糖。CSA可购自USG公司(绍瑟德，OK工厂)，并且是根据美国专利No.3,573,947制造，在此纳入作为参考。硫酸钾是另一种优选的促进剂。HRA是以每100磅二水合硫酸钙、约5-25磅糖的比例，与糖一起新鲜研磨的二水合硫酸钙。其在美国专利No.2078199中有进一步描述，在此引用作为参考。这两者都是优选的促进剂。
另一种促进剂，称为湿石膏促进剂或WGA，也是优选的促进剂。湿石膏促进剂的用途和制备方法的描述在美国专利No.6,409,825中被披露，在此纳入作为参考。这种促进剂包含至少一种添加剂选自有机膦酸盐化合物、含磷酸盐的化合物或其混合物。这种特殊的促进剂表现出相当长的寿命并随时间保持其有效性，使得该湿石膏促进剂在使用前可被制备、储存、甚至长距离运输。该湿石膏促进剂是以每千平方英尺的板产品约5-80磅(24.3-390g/m2)的量使用。
玻璃纤维可选地以至少11lb./MSF(54g/m2)的量添加到浆体，取决于最终产品的用途。高达15lb./MSF(73.2g/m2)的纸纤维也可添加到浆体。蜡乳液或聚有机硅氧烷是以高达90lbs./MSF(0.4kg/m2)的量添加到石膏浆中以改善成品石膏板的耐水性。
在本发明的实施方式中，采用起泡剂以在凝固含石膏产品中产生空隙以提供较轻的重量，任何已知在制备泡沫凝固石膏产品有用的常规起泡剂均可使用。这类起泡剂很多是为人熟知并易于从商业上获得，例如购自GEO特种化学品公司(宾夕法尼亚州，安布勒)。泡沫材料以及优选的制备泡沫石膏板的方法在美国专利No.5,683,635中被披露，在此纳入作为参考。如果将泡沫添加到产品，萘磺酸盐分散剂可以在添加到半水合硫酸钙之前在工艺水和泡沫水之间划分开。将一种或多种分散剂合并至该混合水和泡沫水的优选方法在名称为“分散剂在含泡沫墙板中的有效利用”、美国序列号No.11/152,404(Attorney Ref.No.2033.73130)中被披露，前面已纳入作为参考。
在一些实施方式中，三偏磷酸盐化合物被添加到石膏浆中以增强产品的强度并降低凝固石膏的抗流挂性。优选地，三偏磷酸盐化合物的浓度为基于煅烧石膏的约0.03％-2.0％。美国专利No.6,342,284和6,632,550披露了包含三偏磷酸盐化合物的石膏组合物，在此将二者纳入作为参考。示范性的三偏磷酸盐包括三偏磷酸盐的钠、钾或锂盐，例如购自阿斯塔瑞斯有限责任公司(密苏里州，圣路易斯)的那些。和石灰或其它提高浆体碱性的改性剂一起使用三偏磷酸盐时，必须要小心谨慎。高于pH约9.5时，三偏磷酸盐丧失其加强产品的能力并且该浆体变得非常具有延缓性。
其它潜在的墙板添加剂是杀菌剂，以减少霉菌、霉变或真菌类的生长。根据选择的杀菌剂和该墙板的预定用途，杀菌剂可添加到覆盖面(covering)、石膏芯或二者均有。杀菌剂的例子包括硼酸、吡啶硫酮盐和铜盐。杀菌剂可添加到护面或石膏芯。使用时，杀菌剂是以约500-1000ppm的量在护面中使用。
此外，石膏组合物可选择包含淀粉，例如预凝胶淀粉和/或酸-改性淀粉。预凝胶淀粉的加入增强了该凝固且干燥的石膏铸块的强度，并最大限度地减小或避免了在增强的湿度条件下(例如关于提高的水/煅烧石膏的比率)纸分层的风险。本领域的普通技术人员理解预凝胶化原淀粉的方法，例如在至少约185°F(85℃)温度下在水中烹煮原淀粉或其它方法。合适的预凝胶淀粉的实例包括但不限于购自Lauhoff谷物公司的PCF 1000淀粉，以及购自阿彻丹尼尔斯米德兰公司的AMERIKOR 818和HQM PREGEL淀粉。如果包含在内，则预凝胶淀粉是以任意合适的量存在。例如，如果包含在内，则预凝胶淀粉可以被添加到用于形成凝固石膏组合物的混合物中，这样它以凝固石膏组合物重量的约0.5％-10％的量存在。淀粉例如USG95(美国石膏公司，伊利诺伊州，芝加哥)也可选择地加入用于芯强度。
视需要还可使用其它已知的添加剂以改变产品的特殊性质。糖，例如右旋糖可用于改善板末端的纸结合。如果需要刚性，通常加入硼酸。通过添加蛭石可改善阻燃性，这些以及其它已知的添加剂在本发明的浆体和墙板配方中都是有用的。
虽然在优选的工艺中单个石膏板能以分批次工艺制备，但石膏板在商业上是以连续工艺制备形成长板并切割成所需长度的面板(panel)。成型的护面材料被获得并放置到位以得到石膏浆。优选地，该护面材料具有一宽度以构成面板的连续长度，其只需不超过两次切割以制成所需成品尺寸的面板。任何已知的护面材料在制备墙板面板中都是有用的，包括纸、玻璃垫和塑料薄层。护面材料被连续供给板生产线。
浆体是通过以任何顺序混合干组分和湿组分而形成。典型地，液体添加剂加到水中，并将该混合器激活很短的时间以便混合它们。水是直接称量加入混合器。如果使用改性剂，优选在引入灰泥之前，将该改性剂和分散剂在混合器的水中预先溶解。浆体的干组分、煅烧石膏和任何干添加剂优选在进入混合器之前混合在一起。将干组分加到混合器的液体中，并混合直到干组分被润湿。
然后搅拌该浆体以得到均匀浆体。通常，将水泡沫混合在浆体中以控制由此产生的芯材料的密度。这种水泡沫一般通过适当起泡剂、水和空气的高剪切混合而产生，之后将由此产生的泡沫引入浆体中。该泡沫可在混合器中插入浆体，或优选地在它退出混合器时在排放管道插入浆体。例如，参见美国专利No.5,683,635，在此纳入作为参考。在石膏板工厂，固体和液体被频繁地连续不断地加到混合器中，同时由此产生的浆体连续不断地从混合器中排出，并且在混合器中的平均保留时间小于30秒。
浆体通过排放管道从混合器中通过一个或多个出口不断地分发并沉积在运载护面材料的移动输送带上并形成板。可选地，将另一纸板层置于浆体顶部，使得该浆体被夹在两个移动的板层之间，这些板层成为由此产生的石膏板的面。由此产生的板的厚度是由成型板来控制，板的边缘是通过适当的机械装置形成，该装置不断地刻、折和粘合该纸的重叠边缘。另外的指导是随凝固中的浆体在移动带上的迁移而保持厚度和宽度。当形状被保持时，该煅烧石膏被保持在足以与一部分水反应以凝固和形成石膏晶体的互锁基质的条件下(即温度小于约120°F)。然后该板被切割、修剪并穿过干燥器以干燥该凝固但仍有些潮湿的板。
优选地，采用两阶段干燥过程。该板首先经过高温干燥炉，以迅速加热板并开始除去过量水。干燥炉的温度和板的保留时间随着板的厚度而变。例如，1/2英寸的板(12.7mm)优选在超过300°F(149℃)的温度下干燥约20-50分钟。随着表面的水蒸发，通过毛细管作用将水从板内部移出以代替表面水。相对迅速的水运动协助淀粉和吡啶硫酮盐迁移进入纸中。第二阶段烘炉的温度小于300°F(149℃)以限制板的煅烧。
实施例1
在工厂试验期间，将苏打灰添加至含萘磺酸盐(NS)分散剂的石膏组合物中。该工厂每1000ft2板运转1867磅灰泥(12732.94kg/1000m2)。依照表I所示的量添加HRA以保持切割刀上大约50％以上的水合。表I还显示添加的分散剂的类型和用量，以及坍落度测试。表1报告的分散剂用量是基于液体分散剂的重量，该液体分散剂包含大约40％的活性成分。
表I：
  样品   R   J   K
灰泥，lb/1000ft2   1867(8155)   1871(8173)   1871(8173)
  混合器中的NS，lb/1000ft2(kg/1000m2)   5.75(25.1) 8(34.9) 8(34.9)
  苏打灰，lb/1000ft2(kg/1000m2) 1.84(8.0) 0 0
  HRA，lb/1000ft2(kg/1000m2) 20(87.4)   11.5(50.2)   11.5(50.2)
  总水量，lb/1000ft2(kg/1000m2)   1339(5848)   1338(5844)   1338(5844)
坍落度   7.25”(18.4cm)   7.375”(18.7cm)   7.0”(17.8cm)
在该商业测试中，石膏板是含有萘磺酸盐、添加或不添加苏打灰改性剂而制成。当将基于干灰泥重量的0.5％的苏打灰与其它组分一起添加至混合器时，生产给定流动性所需的萘磺酸盐的量减少了40％。这说明苏打灰溶液具有提高萘磺酸盐分散剂性能的能力。
虽然本发明公开并描述了含有萘磺酸盐分散剂和改性剂的石膏组合物的具体实施方式，然而本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的情况下可以在更广范围做出变化和修改，并如下面权利要求书所述。

Claims (16)

1、一种石膏浆，包括：
水；
煅烧石膏；
萘磺酸盐分散剂；和
至少一种化学上配置为增强所述萘磺酸盐分散剂效力的改性剂。
2、如权利要求1所述的石膏浆，其中所述改性剂选自石灰、苏打灰，碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、膦酸盐及其结合。
3、如权利要求2所述的石膏浆，其中所述改性剂为苏打灰。
4、如权利要求1所述的石膏浆，其中所述改性剂是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.1％-0.25％重量的浓度存在。
5、如权利要求1所述的石膏浆，其中所述浆体的pH小于约9。
6、如权利要求1所述的石膏浆，其中所述萘磺酸盐分散剂是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.05％-0.5％的量存在。
7、如权利要求1所述的石膏浆，其中所述水是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.4-0.8的量存在。
8、一种石膏板，包括：
至少一种护面材料；
一含有权利要求1所述的水合石膏浆的石膏芯。
9、如权利要求8所述的石膏板，其中所述改性剂选自石灰、苏打灰，碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、水泥及其结合。
10、如权利要求9所述的石膏板，其中所述改性剂为苏打灰。
11、如权利要求8所述的石膏板，其中所述改性剂是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.05％-0.25％重量的浓度存在。
12、如权利要求8所述的石膏浆，其中所述萘磺酸盐分散剂是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.05％-0.5％的量存在。
13、如权利要求8所述的石膏浆，其中所述水是以基于所述煅烧石膏干重量的约0.4-0.6的量存在。
14、一种制备包含萘磺酸盐分散剂的石膏浆的方法，包括：
选择化学上配置为增强该萘磺酸盐分散剂的效力的改性剂；
结合该改性剂、萘磺酸盐分散剂、水和煅烧石膏以形成石膏浆。
15、如权利要求14所述的方法，其中所述改性剂选自石灰、苏打灰，碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐和水泥。
16、如权利要求14所述的方法，其中所述结合步骤进一步包括在添加煅烧石膏之前，将所述萘磺酸盐分散剂和改性剂与水结合。
CNA2007800468630A 2006-12-22 2007-12-10 含有萘磺酸盐和改性剂的石膏组合物 Pending CN101589001A (zh)

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