CN101730671B - 基于石膏的组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含如下细粒状组分的石膏灰泥组合物：经煅烧的固态的β晶形的硫酸钙半水合物；包括硫酸铵和硫酸铝中的至少一种的硫酸盐，所述硫酸盐与所述细粒状硫酸钙半水合物充分混合并且在不迟于煅烧以形成所述半水合物时进行混合，其中所述硫酸盐的量使得当将所述灰泥组合物与水混合并让其凝固时，所得凝固膏体与由不含所述硫酸盐的所述细粒状硫酸钙半水合物制得的凝固膏体相比具有增强的抗压强度、抗挠强度和/或E-模量。

Description

基于石膏的组合物
本发明涉及可用于形成膏体(plaster)产品的基于石膏(gypsum)的组合物。
石膏是硫酸钙的天然存在形式，为稳定的二水合物(CaSO4·2H2O)形式。本文所用的术语“石膏”表示处于所述稳定的二水合物状态的硫酸钙，并包括天然存在的矿物、通过合成而衍生的等价物、和通过灰泥(硫酸钙半水合物)或无水石膏的水合作用而形成的二水合物材料。
石膏的性质使得其非常适合用于工业和建筑灰泥(plaster)以及其它建筑产品例如石膏墙板。石膏是富足的和通常廉价的原材料，通过连续的脱水和再水化步骤，其可被铸造、模塑或者以其它方式成型为有用的形状。例如，石膏墙板(也称为灰泥板或干墙)是作为夹在护面纸之间的凝固石膏芯体而形成的。
通常通过研磨和在相对低的温度(例如约120℃～170℃)下、通常在大气压下煅烧而制备石膏以用作灰泥。这产生部分脱水的石膏，其典型地为β晶形的半水合物的形式，该β型半水合物通常具有不规则的晶体结构。可通过将该β型半水合物与水混合形成含水的灰泥(stucco)浆料、糊料或分散体，然后让所述浆料通过从含水介质中再结晶而凝固，从而将该β型半水合物用作建筑或建造材料。在灰泥板的生产中，这样的凝固通常是迅速的(通常在2.5～10分钟内)。
石膏本质上是脆性的结晶材料，其具有相对低的抗拉强度、抗压强度和抗挠强度。已经有许多旨在改善这些性质中的一种或几种的尝试。
我们现已发现在煅烧之前向石膏中添加某些硫酸盐能够导致由所得配方制得的产物具有显著改善的抗压强度。
本发明涉及硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的至少一种在提高石膏建筑板的抗压强度中的用途。
因此，本发明提供包含如下组分的石膏灰泥组合物(gypsum stuccocomposition)：
i)经煅烧的固态的β晶形的细粒状硫酸钙半水合物；和
ii)包括硫酸铵和/或硫酸铝和/或硫酸铝钾和/或硫酸铝铵的硫酸盐，该硫酸盐与所述细粒状硫酸钙半水合物充分(intimate)混合并且在不迟于其煅烧时进行混合，其中所述硫酸盐的量使得当所述灰泥组合物(stucco composition)与水混合时所得混合物具有降低的水需求量和/或粘度，和/或使得当让所述混合物凝固时，所得凝固膏体(set plaster)与由不含这样的硫酸盐的所述细粒状硫酸钙半水合物制得的凝固膏体相比具有增强的抗压强度。
根据本发明通过在不迟于石膏的煅烧时(即，在将石膏煅烧成硫酸钙半水合物之前或期间)使石膏与硫酸铵和/或硫酸铝混合而得到所述充分混合的混合物。
用于根据本发明的组合物中的细粒状硫酸钙半水合物通常通过石膏的煅烧得到。如果石膏的原始来源是天然的，则在将其转化为半水合物之前可将其粉碎和磨碎；如果其是衍生自工业来源的，则在将其转化为半水合物之前所需要的可仅为对其进行干燥。在一些情况下，当使用称作湿法煅烧的方法时，甚至可省略干燥步骤。
用于根据本发明的组合物中的细粒状硫酸钙半水合物优选是这样的：其具有不超过3微米的d10值和/或不小于100微米的d90(不超过3微米的d10值表示不超过10重量％的固体具有小于3微米的粒度；类似地，不小于100微米的d90值表示不超过10重量％的固体具有大于100微米的粒度)。
当然，在石膏灰泥(gypsum plaster)的制造中使用硫酸铝作为促进剂是已知的；然而，用于促进目的的量对抗压强度的作用比根据本发明所实现的明显更小。而且，在灰泥板的制造中，刚好在与水混合的步骤之前添加促进剂以提供对添加速率的控制并由此控制凝固时间，而根据本发明使用的硫酸盐与灰泥形成充分混合的混合物。在一些实施方式中，这可以是在与水混合以产生含水浆料等之前为基本上干燥的形式的组合物的情形。
当在根据本发明的组合物中采用硫酸铝时，其优选的存在量为1～6克硫酸铝/100克能水合的硫酸钙(约0.5～3摩尔％，基于能水合的硫酸钙的摩尔数)。当存在硫酸铵时，其优选的量为0.2～0.4克硫酸铵/100克能水合的硫酸钙(约0.5～1摩尔％，基于能水合的硫酸钙的摩尔数)。当存在硫酸铝铵时，其优选的量为0.6～4克硫酸铝铵/100克能水合的硫酸钙(约0.5～1摩尔％，基于能水合的硫酸钙的摩尔数)。当存在硫酸铝钾时，其优选的量为0.6～4克硫酸铝钾/100克能水合的硫酸钙(约0.5～1摩尔％，基于能水合的硫酸钙的摩尔数)。
当使用硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝钾和/或硫酸铝铵时，它们通常的量为，硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝铵和硫酸铝钾相加得到的总的摩尔百分数为至少0.5摩尔％，通常最高达3摩尔％，基于能水合的硫酸钙的摩尔数。
根据本发明的组合物优选基本上不含能够独立地与水相互作用的成分(除了必需的硫酸钙之外)(因此所述组合物不应该含有超过痕量的材料例如粘土、水泥、凝胶、能被水溶胀的聚合物等)。
在使用时，将根据本发明的灰泥组合物与水混合以形成浆料、糊料或分散体，让所述浆料、糊料或分散体凝固。已经令人惊讶地发现，所述浆料比不含硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾的类似浆料的粘度小。用于制造所述浆料的水通常为可能已经进行了过滤的地下水或自来水。
所述水中的至少一些可为预先生成的含水泡沫的形式，例如常规添加到石膏浆料中以减轻所得最终板的重量的那些。在这样的泡沫中可使用各种类型的发泡剂，这些发泡剂中有离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。
合适时，其它无害材料、辅助剂和成分可存在于水中或者与所述灰泥组合物混合。这些无害材料可包括任选的进一步的成分，例如淀粉、减水剂、防潮剂(例如硅酮油或蜡)、增强纤维、促凝剂和缓凝剂、变形抑制剂(例如防流挂剂)、抗收缩添加剂、再煅烧抑制剂、泡沫稳定剂、杀菌剂、防霉剂、pH调节剂、着色剂、阻燃剂和填料(例如颗粒状矿物材料或塑料，其在一些实施方式中可为膨胀形式)。
由根据本发明的灰泥组合物形成的浆料、糊料或分散体的pH通常为6.5～9.5。
特别是当根据本发明的组合物用于制造石膏板时，由该组合物制得的含水浆料、糊料或分散体可含有纤维增强材料，例如玻璃纤维(通常为切断纤维)。
当由根据本发明的组合物制造石膏板时，所述板可具有或不具有表面增强材料或衬片；当使用表面增强材料时，其可例如为纤维粗孔织品、纤维网或纸。
本发明延及包含凝固的得自本发明组合物的含水石膏浆料、糊料或分散体的石膏建筑板，以及本发明的配方在制造这种石膏建筑板中的用途。
参考附图仅通过实例说明本发明的一些优选方面和特征，其中：
图1显示这样的实施方式，其中将碾碎的石膏与碾碎的硫酸铝(即Al2(SO4)3·18H2O)和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾以粉末形式共混。然后对所得粉末共混物进行煅烧以制造灰泥，所述灰泥具有与其混合并在其中均匀分散的硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾。
图2显示这样的实施方式，其中将碾碎的石膏与硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾的水溶液共混。然后将所得含水混合物干燥并煅烧以制造灰泥，所述灰泥具有与其充分混合并在其中均匀分散的硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾。
图3显示这样的实施方式，其中用硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾的水溶液喷射碾碎的石膏。然后将所得经喷雾的产物煅烧以制造灰泥，所述灰泥具有与其充分混合并在其中均匀分散的硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾。
图4显示这样的实施方式，其中将碾碎的石膏与硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾的水溶液在釜中共混并且将所得含水混合物直接煅烧以制造灰泥，所述灰泥具有与其充分混合并在其中均匀分散的硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾。
在所有说明的实施方式中，硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝铵和硫酸铝钾可一起使用或单独使用。
在以上所有的情况中，然后以常用方式将灰泥与水(在各个附图中显示了去离子水)共混以形成石膏浆料，随后可让该石膏浆料凝固。凝固的石膏浆料可为常规形式的建筑材料例如灰泥板。
现在将参照以下实施例说明本发明的一些特征。
实施例
将硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)溶解在去离子水中并将来自天然石膏的灰泥(硫酸钙半水合物)力入到该水溶液中以使该灰泥水合，从而制造与硫酸铝充分混合的石膏。该水溶液中的硫酸铝与灰泥的摩尔比为约1∶100。
然后将该混合物干燥并随后进行研磨(使用锤磨机)并将所得粉末在每批次5kg的釜中煅烧以制造改性灰泥(现在结合了硫酸铝)。使该改性灰泥在去离子水或自来水中在搅拌下水合并将所得浆料倒入直径为24mm且高度为48mm的圆柱体形状的硅模具中。然后让该浆料凝固。然后将所得圆柱体在约40℃下干燥约24小时至恒定重量，然后在23℃/50％RH的条件下适应(condition)至少24小时。测量所述圆柱体的抗压强度和它们的密度。
与不含硫酸铝的对照批料相比，倒入所述模具中的浆料的流动性更大(粘度更低)。对照浆料具有27分钟的Vicat初凝时间(VIS)和30分钟30秒的Vicat终凝时间(VFS)；含有硫酸铝的浆料的相应值为VIS＝5分钟20秒，VFS＝6分钟30秒。
所得圆柱体的抗压强度比对照圆柱体的抗压强度大+22.6％；甚至比与生产用水一样在煅烧后添加硫酸铝的情况大+56％。
使用除硫酸铝之外的各种无机化合物即硫酸铵、硫酸亚铁、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钠和硫酸锶、碳酸钾、氯化铵、硫酸锌、硫酸铝钾、硫酸铝铵、钼酸、硫酸氧钒、钨硅酸水合物来重复所述实验(根据图1中所示的步骤进行)。结果总结于下表中，其显示添加硫酸铵时实现了抗压强度的最大幅度的增加，而添加硫酸铝钾时实现了水需求量的最大幅度的降低(相对于强度提高而言)。
Figure G2008800226706D00061
Figure G2008800226706D00071
该表还显示硫酸铵提供了额外的优势，即使用较低重量的添加剂实现了抗压强度的显著提高。例如，该表比较了使用19.21克的硫酸铵所获得的结果与使用96.86克的硫酸铝所获得的结果。虽然每吨硫酸铵比每吨硫酸铝稍贵一些(2005年，每吨硫酸铵为86英磅，而每吨硫酸铝为71英磅)，但是能够使用较少的量意味着硫酸铵可以大约四分之一的成本获得可与硫酸铝相比的结果。
进一步的结果显示，当在煅烧之前加入硫酸铵时，实现的平均抗压强度为7.5MPa，而当在煅烧之后添加硫酸铵时，在给定密度下的平均抗压强度仅为5.3MPa。因此，根据本发明的方法导致抗压强度平均增加29％。
根据本发明使用硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾与不存在这样的硫酸盐的情况或者使用表面上类似的硫酸盐的情况相比可实现更高的机械性能。而且，含有硫酸铝和/或硫酸铵和/或硫酸铝铵和/或硫酸铝钾的浆料的粘度较低，这潜在地导致所需水的量在商业意义上的显著减少。
虽然上述说明性的实施例说明了根据本发明的组合物在石膏块(plasterblock)(棱柱)中的用途，但是如果将由所述组合物制得的浆料夹在相对的表面增强材料或衬片之间以形成灰泥板，则可获得类似的优势。因此本发明延及由根据本发明的组合物制得的灰泥板。所述灰泥板一般如下制得：将使用根据本发明的组合物形成的含水浆料(例如发泡的浆料)进料到间隔开的表面增强材料之间以形成夹心结构，然后让所述浆料在所述各表面增强材料之间凝固。

Claims (41)

1.石膏灰泥组合物，其包含如下组分：
i)经煅烧的固态的β晶形的细粒状硫酸钙半水合物；和
ii)包括硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的至少一种的硫酸盐，所述硫酸盐与所述细粒状硫酸钙半水合物充分混合并且在不迟于煅烧以形成所述半水合物时进行混合，其中所述硫酸盐的量使得当所述灰泥组合物与水混合时所得混合物具有降低的水需求量和/或粘度，和/或使得当让所述与水混合的组合物凝固时，所得凝固膏体与由不含所述硫酸盐的所述细粒状硫酸钙半水合物制得的凝固膏体相比具有增强的抗压强度。
2.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝的存在量为1～6克/100克所述硫酸钙。
3.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
4.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.2～1.2克/100克所述硫酸钙。
5.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.2～1.2克/100克所述硫酸钙。
6.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.2～1.2克/100克所述硫酸钙。
7.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
8.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
9.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
10.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
11.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
12.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
13.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
14.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
15.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铝铵的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
16.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
17.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
18.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.6～4克/100克所述硫酸钙。
19.权利要求1的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
20.权利要求2的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
21.权利要求3的组合物，其中所述硫酸铝钾的存在量为0.5～3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
22.权利要求1～21中任一项的组合物，其中所述硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝铵和硫酸铝钾相加得到的总的摩尔百分数为至少0.5摩尔％，最高达3摩尔％，基于所述硫酸钙的摩尔数。
23.权利要求1～21中任一项的组合物，其中所述细粒状硫酸钙半水合物具有不超过3微米的d10值和/或不小于100微米的d90值。
24.权利要求22的组合物，其中所述细粒状硫酸钙半水合物具有不超过3微米的d10值和/或不小于100微米的d90值。
25.权利要求1～21中任一项的组合物，其基本上不含除所述硫酸钙之外的能够独立地与水相互作用的材料。
26.权利要求22的组合物，其基本上不含除所述硫酸钙之外的能够独立地与水相互作用的材料。
27.权利要求23的组合物，其基本上不含除所述硫酸钙之外的能够独立地与水相互作用的材料。
28.权利要求24的组合物，其基本上不含除所述硫酸钙之外的能够独立地与水相互作用的材料。
29.权利要求1～28中任一项的组合物在制造石膏建筑板中的用途。
30.形成膏体(plaster)的方法，其包括将根据权利要求1～28中任一项的组合物与水混合以形成浆料，并让该浆料凝固。
31.权利要求30的方法，其中将所述浆料进料到间隔开的表面增强材料之间以形成夹心结构，并且让所述浆料在所述各表面增强材料之间凝固。
32.权利要求30的方法，其中所述浆料含有纤维增强材料。
33.权利要求31的方法，其中所述浆料含有纤维增强材料。
34.权利要求32的方法，其中所述纤维增强材料为玻璃纤维。
35.权利要求33的方法，其中所述纤维增强材料为玻璃纤维。
36.权利要求34的方法，其中所述玻璃纤维为切断纤维。
37.权利要求35的方法，其中所述玻璃纤维为切断纤维。
38.权利要求30～37中任一项的方法，其中使所述浆料发泡。
39.通过权利要求30～38中任一项的方法制造的用于石膏建筑板的膏体(plaster)。
40.硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的至少一种在减少石膏灰泥组合物的水需求量和/或粘度中的用途，其中形成根据权利要求1-28中任一项的石膏灰泥组合物，且在所述石膏灰泥组合物的形成期间，使用硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的所述至少一种。
41.硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的至少一种在提高石膏建筑板的抗压强度中的用途，其中形成根据权利要求1-28中任一项的石膏灰泥组合物并通过使用所述石膏灰泥组合物制造石膏建筑板，在所述石膏灰泥组合物的形成期间，使用硫酸铵、硫酸铝、硫酸铝钾和硫酸铝铵中的所述至少一种。
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