CN101883904B - 用于制造石膏纤维板的低纤维煅烧方法 - Google Patents

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Abstract

用于制造石膏纤维素纤维板的一种节能有效的方法，包括在将石膏以及纤维素纤维在一个反应器中进行共煅烧之前将第一部分的纤维素纤维加入石膏中，将第二部分的纤维素纤维在其离开该反应器形成第二浆料之后加入该浆料中，将该浆料进行沉淀以形成一个垫，将该垫脱水，将该垫进行再水化并且然后对该垫进行最终处理以形成一个最终的石膏纤维素纤维板。与由相同成分组成的但是全部纤维都是在反应器之前加入石膏中的石膏纤维板相比，当所加入的第二部分的纤维素纤维是在最终的板中所使用总的纤维素纤维的50％或更多时，可以实现高达约40％至约50％的蒸汽能使用量的降低。

Description

用于制造石膏纤维板的低纤维煅烧方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年12月20日提交的美国专利申请号11/962,031的优先权，将其通过引用以其全文结合在此。 
技术领域
本发明总体上涉及适合用于建筑应用的一种改进的石膏纤维素纤维复合面板，这些建筑应用是用于壁板天花板应用，框架以及护套元件，护墙板元件、以及其他建筑结构类型，它们具有显著更低的密度以及更高的柔性同时显著降低了总的纤维素纤维的量，该纤维素纤维在将另外的纤维素纤维浆料加入煅烧的石膏以及纤维素纤维的浆料中之前加入石膏中与石膏在一个反应器中进行反应用于煅烧石膏，使浆料形成一个垫，将其进行脱水、再水化成石膏并且然后干燥以形成一个纤维增强的石膏纤维壁板面板(以下称为“石膏纤维板面板”或“GFP”)。 
背景技术
石膏纤维板面板已经用于建筑行业来形成住宅和/或商用结构的内部的以及外部的墙壁。然而，此类常规的面板的缺点是它们没有足够的挠曲韧性达到使此类面板可以与基于木材的面板如胶合板或定向刨花板(OSB)相比的程度。 
建筑结构在它们的寿命期间经受多种冲击荷载(例如，冰雹损害、来自由于龙卷风或飓风而投掷在建筑物上的物体的损害)。并非所有建筑的护套面板都是足够坚固以经受此类冲击荷载。在必须证明耐冲击荷载性的地方，对护套面板进行测量以确定该面板可以抵抗而不损坏的冲击。 
如本说明书中所表征的挠曲韧性被测量为等于对于在三点弯曲中负载的一个样品在挠度负荷下的总面积对比挠曲的曲线。 
挠曲韧性的一个例子是根据ASTM D1037试验方法对于在一个3-点弯曲中负载的一个挠性样品测量为在荷载下的总面积对比挠曲的曲线。 
实现了显著的挠曲韧性的基于木材的面板通常是胶合板或定向刨花板(OSB)，它们由胶粘在一起的木质薄木板或大的木片组成。这些面板可以提供挠曲韧性，但是每种都是可燃的并且在船用胶合板之外的许多情况下，这些面板在暴露于水中时不是耐用的。由水硬水泥形成的面板将可以抵抗水，但是比这些木质面板重很多。人们相信目前没有在可比的成本下可得到的面板，它能提供本发明的挠曲韧性同时避免胶合板或OSB的不足。 
此外，对于配置为在建筑环境中与胶合板以及OSB类似表现的石膏纤维面板的需要意味着这些面板是可钉的并且可以使用常规的锯以及其他常规的木工工具进行切割或加工。 
该面板应当是能够使用切割木材的圆形锯来切割。该面板还应当是能够用钉子或螺钉固定到框架上。 
该面板在暴露于水中时应当在尺寸上是稳定的，即，它应当尽可能小的膨胀，优选小于根据ASTM C 1278所测量的0.1％。尽管其他石膏纤维板面板产品在一个2小时浸泡试验中可以具有高达10％的水分摄入，对于某些石膏纤维板面板的标准规格列出了在一个2小时浸泡中5％的水分摄入。该面板应当不是生物可降解的或受昆虫攻击的或腐烂。然而，该面板应当为外部最终处理系统提供一个可粘合的基底。 
具有约714kg/m3(50lb/ft3)至约1000kg/m3(70lb/ft3)的密度的一个0.5英寸(12.7mm)厚的石膏纤维板面板(GFP)的挠曲强度是至少5.2MPa(750psi)、并且优选大于6.9MPa(1000psi)，如根据ASTM D1037试验所测量的。 
应当明确的是目前可得的基于石膏纤维以及基于木材的产品或复合材料满足了以上的性能特征的一些、但并非全部。具体来说，对于改进的基于石膏纤维的面板存在着一种需要，它们是轻型的具有改进的挠曲韧性并且它们通过提供不可燃性以及耐水性而超过了目前使用的石膏纤维板以及基于木材的能力。 
尽管玻璃纤维已经被用于增强石膏板以及石膏纤维板，但是已经建议用其他纤维来增强石膏板，例如金属纤维、木质或纸纤维、碳纤维或聚合物纤维。 
授予M.Baig的美国专利号5,320,677(将其通过引用全文结合在此)披露了一种复合石膏/木质纤维(GWF)材料产品以及用于形成该产品的方法，其中将石膏颗粒的一个稀浆料以及纤维素的纤维在压力下加热以便通过在木质纤维的存在下煅烧该石膏将生石膏转化成硫酸钙半水化物。溶解的硫酸钙润湿了纤维中的空隙并且所产生的半水化物最终在该纤维素纤维空隙中在原位形成了结晶。然而，令人希望的是进一步改进GWF以降低面板的密度并且改进其柔性、降低在GWF生产过程中不能容易地再水化成石膏的未反应的半水化物的量、并且降低面板的固化时间、同时显著地降低将石膏煅烧成硫酸钙半水化物所要求的蒸汽能的量值。 
授予Lynn等人的美国专利号6,508,895(将其通过引用结合在此)披露了一种无纸石膏/纤维板，通过使用一种方法它与石膏/纤维板相比具有改进的耐冲击性，该方法中形成了一种多层石膏/纤维板，在该板的背面埋入一个柔性的网、优选是纤维玻璃网以提供改进的耐冲击性。在该方法中，该网是在干燥之前对板进行的压制之前被送入该面板的成形区域中。可任选地，可以将一个第二层网植入该石膏/纤维板的顶层中。 
授予Schaefer等人的美国专利号4,199,366A(将其通过引用结合在此)披露了一种纤维增强的水泥材料，它具有基于该材料的总体积至少2体积％的量值的短的聚乙烯醇纤维。这些纤维具有在约4％和8％之间的断裂伸长以及具有大于130g/分特克斯的模量。还披露了用于生产该材料的一种方法。 
授予Gordon等人的美国专利号4,306,911A(将其通过引用结合在此)披露了用于生产一种纤维强化的水压获得的固化材料的一种方法。 
授予Meier等人的美国专利号4,339,273A(将其通过引用结合在此)披露了用于生产一种纤维增强的、水压固化组合物的一种方法、所生产的组合物及其用途。 
授予Vondran的美国专利号5,298,071A(将其通过引用结合在此)披露了一种纤维可水化的水泥组合物，该组合物包括在可水化的水泥粉末中的一种均匀分散的相互研磨的纤维(interground fiber)。 
授予Englert的美国专利号5,817,262A(通过引用将其全文结合在此)披露了用于制造一种具有改进的耐湿性的石膏木质纤维板的方法，它是通过向煅烧的石膏和木质纤维的浆料中在高于半水化物将再水化成石膏的点的温度下加入一种水性硅氧烷乳液。 
授予Song的美国专利号6,010,596(通过引用将其全文结合在此)披露了一种方法，该方法通过向煅烧的石膏以及木质纤维浆料中在硫酸钙半水化物将再水化成石膏之前加入一种蜡乳液来制造一种耐湿性石膏木质纤维板。 
授予Lynn的美国专利号6,221,521B1(通过引用将其全文结合在此)披露了一种三层无纸纤维增强的石膏/纤维板产品，它是不可燃的并且在其芯层中使用了按重量计不超过3％的有机材料并且向其多个表面层中的煅烧的石膏中加入了10％-30％的纸增强纤维。 
授予Baig的美国专利号6,268,042B1(通过引用将其全文结合在此)披露了在家具中使用的一种高强度低密度的纤维板面板，它是由矿棉、轻型骨料、20％至35％的纤维素纤维、粘合剂以及高达23％的石膏固体制成的。 
授予Carbo等人的美国专利号6,406,779B1(通过引用将其全文结合在此)披露了一种无纸石膏/纤维板，它由煅烧的石膏制成并且加入了通过加入一种热可固化的底胶而具有改进的表面特征的纤维素纤维，该底胶包括一种成膜的聚合物材料的水性乳液。 
授予Lynn等人的美国专利号6,508,895B2(通过引用将其全文结合在此)披露了一种具有改进的耐冲击性的无纸多层石膏纤维板，该纤维板在其背面埋入的一个纤维玻璃网。 
授予Englert的美国专利号6,531,210B2以及US 7,056,460(通过引用将其全文结合在此)披露了一种用于制备改进的石膏/木质纤维板的方法，该方法是通过在以上的美国专利号5,558710A中所描述的方法中刚好在浆料被送入流浆箱之前将一种稳定的亚甲基二苯基二异氰酸酯乳液加入煅烧的石膏以及木质纤维的一个水性浆料中来进行的。 
Miller等人的美国2005/0161853(将其通过引用全文结合在此)披露了在石膏/纤维素纤维产品的生产中用于煅烧石膏以及纤维素纤维的一种改进的方法，该 方法是通过在加热之前加入晶体改性剂来降低对完成煅烧所必须的时间以及温度或来增加在煅烧过程中所形成的针状结晶的长宽比。 
Yu等人的美国2006/0243171(将其通过引用全文结合在此)披露了一种湿石膏加速剂，它包括一种有机膦的化合物、一种含磷酸盐的化合物以及它们的混合物，用于增加煅烧的石膏的再水化作用。 
Miller等人的美国2007/0056478(将其通过引用全文结合在此)披露了用于生产耐水的石膏纤维板的一种改进的方法，该方法包括在煅烧步骤之后并且在将浆料脱水以形成一个滤饼之前将一种硅化合物以及氧化镁加入硫酸钙半水化物以及纤维素纤维的一个煅烧的浆料之中。 
发明内容
本发明涉及一种改进的石膏纤维板以及能量有效的方法，该方法具有与目前用于石膏纤维板的制造方法相比更快的固化时间并且它生产了一种改进的纤维素纤维增强的石膏纤维板，该纤维板基本上没有不加入水则不能容易地再水化成石膏的未水化的半水化物(以下称之为“UHH”)。尽管UHH在干燥之后通过加入水可以再水化成石膏，但是UHH的量是特别重要的，因为用这种再水化的UHH制造得到的GFP与由在垫材干燥之前已经再水化成石膏的半水化物制成的板相比将具有更低的强度。该改进的石膏板与由相同量值的纤维素纤维制成但是在石膏被煅烧前将所有的纤维素纤维加入石膏中的石膏纤维板相比具有更低的密度、更高的柔性、以及一个显著降低的固化时间。 
在该方法中，将未煅烧的石膏以及一个第一部分的主体颗粒(例如纸纤维)与足量的液体混合到一起来形成稀浆料，然后将其在压力下用蒸汽加热以煅烧该石膏，将其转化成一种α硫酸钙半水化物。尽管并未完全理解本发明的微观力学，但是据信该稀浆料溶媒使该主体颗粒湿润，从而将溶解的硫酸钙带入其中的空隙之中。该半水化物最终成核并且形成结晶、主要是针状结晶，并且是在原位在该主体颗粒的空隙之中以及周围。若希望的话可以向该浆料中加入晶体改性剂。所产生的复合材料是一种与硫酸钙结晶物理地互锁的主体颗粒。这种互锁不仅在硫酸钙和更强的主体颗粒之间产生了一种良好的连接，并且在该半水化物随后再水 化成二水合物(石膏)时防止了硫酸钙从主体颗粒中迁移离开。 
多个这种复合颗粒形成了一个材料块体，它可以被压实、压成板、浇注、雕刻、模制或者以另外的方式在最终固化之前成形为希望的形状。最终固化之后，该复合材料可以被切割、雕凿、锯开、钻孔以及以另外的方式机械加工。此外，它表现出了由该主体颗粒的物质所贡献的石膏的令人希望的耐火性以及尺寸稳定性加上某些增强(特别是强度和韧性)。 
根据本发明的一个优选的实施方案，该主体颗粒是一种纸纤维。参见图2，首先将纸张化成纸浆并且然后与水混合以形成包含按重量计约3％至4.5％(基于总的固体)的浆料。同样将磨碎的未煅烧的石膏与足够的水在一个混合器中进行混合以形成具有按重量计约65％-85％的水的浆料。然后将磨碎石膏以及化成浆纸的浆料在另一个混合器10中共混到一起以在送往一个压力容器(反应器系统)22中之前形成一种均匀的浆料。将该浆料在压力容器(反应器系统)中在足以将石膏转化成硫酸钙半水化物的温度下加热。令人希望的是在该压力容器中用温和的搅拌或混合连续搅拌该浆料以便将任何纤维块打碎并且使所有的颗粒保持在悬浮状态。在该压力容器中的半水化物从溶液中沉淀出并且形成针状的α半水化物结晶。然后当浆料从反应系统中排向一个保存罐23中时解除产物浆料上的压力。将余量的“主体”纤维(“制成浆的纸张”)，即第二部分的纸纤维连同其他任选的组分一起在一个静态混合器24中加入石膏纤维浆料中。这些主体纤维典型地是纸纤维。所加入的成分可以包括选定的处理改性或特性增强添加剂类，例如加速剂类、阻滞剂类、减重填充剂类、耐水性添加剂类，等等。尽管仍然是热的，将所产生的产品浆料46从静态混合器24中通过一个流浆箱12排到一个连续制毡输送机42上(例如在造纸操作中所使用的类型)，以形成一个滤饼并且将尽可能多的未结合的水除去。多达90％的水可以通过制毡脱水输送机42从该滤饼中除去。作为去除水以及通过真空箱14而穿过所形成的垫前进的空气的结果，将该滤饼冷却到可以开始再水化作用的一个温度。然而，可能仍然必须提供另外的外部冷却来将温度降低到足以在可接受的时间内完成再水化作用。 
在广泛的再水化作用发生之前，优选地将滤饼固化成具有希望的厚度和/或密度的一个板。如果有待给予该板一种特别的表面纹理或一种层压的表面整理，它 将优选地在该方法的这个步骤的过程中或之后发生。在湿法压制(优选地以逐渐增加的压力进行以保持产品的完整性)的过程中，除去另外的水，例如约50％-60％的残余水。然后将该垫在一个半固体干燥压制步骤中进一步地进行压制。除去另外的水的结果是，将该滤饼进一步冷却到发生迅速再水化作用的温度。该硫酸钙半水化物水化成石膏，这样针状硫酸钙半水化物结晶在原位以及纤维素纤维的周围转化成石膏结晶。在一定的再水化之后，这些板可以在一个烘干炉中进行干燥并且然后切割、裁边(若希望的话)。优选地，干燥温度应当保持在足够低的以避免将表面上的任何石膏再次煅烧。 
使这些纤维素纤维均匀地分布在石膏纤维素纤维浆料中。尽管优选的是在流浆箱之前的静态混合器中将纤维素纤维加入浆料中，但是可以在流浆箱中将纤维素纤维加入石膏纤维浆料中，前提是纤维在输送机42中进行沉积之前均匀地分散在产物浆料46中。 
已经发现本发明的方法能够在该方法的煅烧阶段将加入石膏中的总纤维素纤维的量减少了总的加入的纤维素纤维的50％至高达约70％、或者纤维素纤维的约3wt.％至约4.5wt.％。余量的纤维素纤维在煅烧之后加入而不降低石膏纤维素纤维板的特性。本方法将煅烧所要求的总能量降低了至少约35％至40％或更多并且将煅烧时间降低到15-18分钟，并且出乎意料地还降低了石膏纤维板面板(GFP)的固化时间而没有降低石膏纤维板的特性。 
本发明的方法还允许在煅烧过程中增加的量值的煅烧的石膏以及减小量值的高级纸张或纤维素纤维而不损失在工业中所要求的石膏纤维板的结构特性。 
如之前讨论的，对于在重量上更轻并且能够取代目前可获得的石膏板纤维板面板(它们具有以下不足：大的产品密度、较低的韧性性能、在安装过程中的差的手动可操作性)的建筑面板存在着一种需要。 
附图说明
图1是本发明的石膏纤维素纤维板10的一个实施方案的透视图的简图。 
图2是用于生产本发明的石膏纤维板面板的方法的一个实施方案的示意图。 
具体实施方式
A.面板 
本发明涉及一种增强的尺寸稳定的石膏纤维素纤维板面板。图1示出了本发明的一个面板10的一个透视图。 
该面板包括从石膏以及纤维素纤维的一种水性混合物的固化产生的一个连续相，该面板包括基于干燥基重的95wt.％至70wt.％的石膏、5重量％至10重量％的纤维素纤维、以及约0至3重量％的未水化的半水化物(“UHH”)。 
用来制造本发明的面板的主要起始材料是无机粘合剂，例如α硫酸钙α半水化物、来自“主体颗粒”的纤维素纤维、水以及可任选的添加剂连同在浆料成形为一个垫之前加入煅烧石膏浆料中的所加入的纤维素。 
在许多应用中，例如在护墙板中，这些面板会被钉在或螺钉固定到垂直的框架上。 
本发明的另一个特征在于产生的GFP面板被构造为使得所加入的纤维素纤维遍及该面板均匀地分布。纤维相对于最终产物的重量的百分比优选地近似构成在6％至10％的范围内，例如6wt.％。 
熟悉面板生产技术的那些人将会想到使该浆料的一种混合物沉积并且加入纤维素纤维的其他方法。例如，不是在一个连续的片上使用生产面板的本发明的连续法，还可以使用一种批次法以一种类似的方式来生产面板，待材料充分固化之后，可以将其切割成具有希望大小的面板。 
B.配方 
用来生产本发明的面板的组分是硫酸钙二水合物、纸张或其他纤维素纤维、α硫酸钙α半水化物、以及水。可将少量的粘合剂、加速剂和/或阻滞剂加入该组合物中来控制生坯(即未水合的)材料的固化特征。典型的非限制性的添加剂包括用于α硫酸钙半水化物(例如石膏)的加速剂。 
本发明的面板包括一个连续相，其中均匀地分布着这些纤维素纤维中的一部分。如图2所示，该连续相产生自来自一个加压反应器的煅烧的石膏和纤维素纤维的一种水性混合物、以及在它离开该反应器之后并且在一个浆料流浆箱之前被 引入该石膏纤维中的另外的纤维素纤维的固化，其中它被送入到约180F-200F的温度下在大气压下的成形带上。 
本发明的配方的实施方案的典型的板重量比例(基于干重量)在以下表1中示出。 
表1 
 典型的混合物 的重量比例(干 燥基重)   广的范围   WT.％   典型的范  围   WT.％   更典型的范  围   WT.％
 石膏   70-95   90-94.   90-92
 煅烧之前加入 石膏中的纤维 素纤维   2-15   3-5   3-4.5
 离开煅烧反应 器之后加入浆 料中的纤维素 纤维   3-15   3-5   3-4.5
 总的纤维素纤 维   5-30   6-10   8-9
 UHH   5.0-10.0   0.0-3.0   0.0-3.0
 添加剂   1.0   1.0   1.0
 总计   100   100   100
在本发明的第一个实施方案中，该组合物的干成分是石膏以及纤维素纤维并且该组合物的湿成分是水。使这些干成分和湿成分相结合来生产本发明的面板。加入离开反应器的石膏纤维素纤维中的纤维素纤维遍及该面板的整个厚度均匀地分布在基质中。在干成分的总重量中，本发明的面板典型地是由约90wt.％至95wt.％的石膏以及5wt.％至10wt.％的纤维素纤维形成，其中第一部分的纤维素纤维是在煅烧之前加入并且第二部分的纤维素纤维(典型地为最终面板中的总的纤维素纤维的至少一半)是在石膏纤维素浆料从该反应器中出来之后加入。在一个典型的商业实施方案中，面板是由基于干成分的约90wt.％至92wt.％的石膏以及约8wt.％至10wt.％的纤维素纤维形成的。 
1.硫酸钙半水化物 
可以在本发明的面板中使用的硫酸钙半水化物是由石膏矿石、一种天然存在 的材料(硫酸钙二水合物CaSO4·1/2H2O)或其他化学副产品来源制成的。除非另外指出，“石膏”是指二水合物形式的硫酸钙。将生石膏进行热处理以形成一种可固化的硫酸钙、但是更典型地是半水化物，CaSO4·1/2H2O。对于熟悉的最终用途，可固化的硫酸钙与水进行反应通过形成二水化物(石膏)而固化。该半水化物具有两种公认的形貌，称为α半水化物以及β半水化物。对于不同的应用这些是基于它们的物理特性以及成本进行选择。两种形式均与水反应形成硫酸钙的二水化物，典型地具有大的长径比。α半水化物形成更致密的微结构，与由β半水化物形成的那些相比具有更高的强度以及密度。这可能是由于以下事实，即：α半水化物要求更少的水来形成可流动的浆料，由此产生更密的铸型以及更大的强度。因此，α半水化物可以取代β半水化物来增加强度以及密度或者可以将它们结合来调节这些特性。 
对于用来生产本发明的面板的无机粘合剂的一个典型的实施方案包括一种共混物，该共混物含有α硫酸钙半水化物以及木质纤维素纤维形式的纸张，例如牛皮纸、废纸，等等。 
2.“主体颗粒” 
术语主体颗粒的意思是要覆盖除石膏之外的作为一种物质的纤维、碎屑或小片的任何宏观颗粒。总体上在该浆料液体中不可溶的颗粒还应当在其中具有可进入的空隙；不管是凹陷、裂缝、裂纹、空心核、或其他表面缺陷，它们都是被该浆料溶媒可穿透的并且在其中可以形成硫酸钙表面结晶。同样令人希望的是此类空隙在该颗粒的可观的部分中存在；因为空隙越多而且分布越好，在石膏和主体颗粒之间的物理结合就越大而且几何上越稳定。该主体颗粒的物质应当具有在石膏中缺乏的令人希望的特性，并且优选是至少更高的拉伸以及挠曲强度。一种木质纤维素纤维，特别是一种纸纤维，是尤其良好地适合于本发明的复合材料和方法的一种主体颗粒的一个实例。因此，无意限制适合作为主体颗粒的材料和/或颗粒，为了方便在下文中经常使用纸纤维代替更广义的术语。 
3.石膏/纤维素纤维 
如在此使用的，术语石膏纤维板或石膏纤维面板(GFP)意思是要覆盖石膏以及主体颗粒(包括纤维素纤维，例如纸纤维)的混合物，它们被用来生产其中该石膏的至少一部分是处于针状硫酸钙二水化物结晶(位于这些主体颗粒的空隙中)的形式的板，其中这些二水合物结晶是在原位通过这些颗粒之中以及周围的针状的硫酸钙半水化物结晶的水合作用形成的。通过图2中示出的方法生产了石膏纤维板，该方法是从美国专利号5,320,677中用于生产一种石膏纤维板的原始方法的一种改进方法。 
典型地，这些纸纤维是以大的片得到的，它们被湿打浆成具有按重量计约4％的固体的一种均匀的浆料。 
B.制造本发明的面板 
1.混合浆料 
一种用于制造本发明的复合壁板的方法展示在图2的简图中。 
该方法开始于通过将未煅烧的石膏以及主体颗粒(例如纸纤维)与水进行混合来形成稀的水性浆料。石膏的来源可以是来自原矿石或是来自烟气脱硫或磷酸方法的的副产物。石膏典型地应当具有82％至98％的纯度，并且典型地被精细研磨，例如，至92％到96％-负100筛目或更小。更大的颗粒可能延长转化时间。该石膏可以或者作为一种干的粉末或通过水性浆料被引入。 
本发明通过任何适当的方法将石膏以及纤维素纤维进行共同煅烧。用于生产此类复合浆料的一种典型的方法由美国专利号5,320,677披露，将其通过引用全文结合在此。本发明的方法使用GFD纤维浆料穿过一个流浆箱12在一个脱水输送机30上的一个成型筛40上提供了一个具有加入的纤维素纤维的石膏纤维素纤维层，并且使用一个真空装置14使它脱水以便在多孔成型带(筛)42上提供一个石膏纸纤维浆料的层。 
再次参见图2，该基本方法开始于通过将磨碎的未煅烧的石膏与水进行混合以形成一种第一浆料、将纸张与水打浆以形成一种均匀的浆料并且将这两种浆料在配备有一个搅拌器(未示出)的混合器11中结合以形成一种稀的水性浆料。石膏的来源典型地可以是来自原矿石或一种烟气脱硫作用的副产物。石膏应当具有较 高的纯度，即优选至少约92％-96％，并且被精细研磨，例如，至92％至96％的负100筛目至负200筛目或更小。更大的颗粒可能延长转化时间。该石膏典型地是作为一种水性浆料被引入。 
该主体颗粒优选是一种纤维素纤维，它可以来自废水、木质纸浆、木片、和/或另一种植物纤维来源。优选的是该纤维是一种多孔的、空心的、分裂的和/或粗糙表面的，这样其实体的几何结构提供了可进入的间隙或空隙，它们容纳了溶解的硫酸钙的渗透。在任何情况下，该来源(例如木质纸浆)可能在加工处理之前还要求将块体打碎，分离出过大的以及过小的材料、以及在一些情况下预先提取出阻碍强度的材料和/或污染物，它们可能不利地影响石膏的煅烧，例如半纤维素、乙酸等。 
将磨碎的石膏浆料(典型地是按重量计40％的固体)、以及纤维素纤维(例如质纤维素)浆料(典型地是处于约4％的稠度)与足量的水混合到一起以形成典型地含有按重量计约15％至35％固体的一种复合浆料。该浆料中的固体应当包括按重量计从约0.5％至5.0％的纤维素纤维并且余量的主要是石膏。 
2.到半水化物的转化 
将该浆料送入配备有一个连续搅拌或混合装置的一个或多个压力容器或高压釜22中。晶体改性剂(例如有机酸类)可以在此点处加入浆料中(如果希望的话)来刺激或阻滞结晶或降低煅烧温度。将蒸汽注入反应容器22中来将容器的内部温度带到约100℃(212F.)和约177℃(350F)之间，并且对于饱和蒸汽高达70psig；该较低的温度近似为硫酸钙水合物将在一个合理的时间内煅烧成半水化物状态的实际最小值；而该较高的温度大约是用于煅烧半水化物而没有引起一些硫酸钙半水化物转化成硬石膏的风险的最大温度。该反应容器的温度优选地是在约140℃(285℉)至152℃(305℉)的级别。 
当将浆料在这些条件下处理一个足够的时间段(例如在18至23分钟的级别)时，足够的水将从硫酸钙二水合物分子中被驱出以将其转化成半水化物分子。在将颗粒保持悬浮的连续搅拌的帮助下，溶液将湿透并渗透这些主体颗粒中的开放的空隙。当达到该溶液的饱和时，半水化物将成核并且在这些主体纤维的空隙之 中、上面以及周围并且沿着其壁开始形成结晶。 
本发明的方法的第一个显著的改进在于当所使用的纤维中仅有一半被加入该反应器中来与石膏进行共煅烧时，煅烧该混合物所要求的蒸汽的量与当所有这些纤维素纤维都在反应器22之前被加入时所使用的量相比减少了30％至40％或更多。 
据信在高压釜反应操作过程中，溶解的硫酸钙渗透到纤维素纤维的空隙之中并且随后作为针状的半水化物结晶沉淀在这些纤维素纤维的空隙和表面之中、上面以及周围。当转化完成时，降低该高压釜上的压力，可以引入任何希望的添加剂包括蜡乳液，典型地是在流浆箱12处或之前，并且将浆料46卸在脱水输送机42的一个多孔的传送带44上。另外的纤维素纤维典型地是在本方法中浆料离开反应器22以及保存罐23并且被引入一个静态混合器24中之后的这个点上被加入石膏纤维素浆料之中。然后将混合的石膏纤维素浆料(包括来自湿法碎浆机中的第二部分的加入的纤维素纤维以及任何可任选的添加剂)送入流浆箱12之中。可以在来自流浆箱12的结合的浆料46沉积在带44上之前向静态混合器24以及流浆箱12之前的浆料中加入常规的添加剂，包括加速剂、阻滞剂、防腐剂、阻燃剂、防水剂芯添加剂以及强度增强剂。 
3.脱水 
使加入的纤维素纤维以及煅烧的石膏纤维的浆料46穿过流浆箱12，该流浆箱将浆料分布在平面的多孔带44的表面上来生产一个滤饼。通过使该浆料中的水穿过多孔的带的表面44，优选在来自真空装置14的真空的帮助下将滤饼进行脱水。尽管这种脱水造成了该滤饼的冷却，但可以在该脱水步骤中应用额外的外部冷却。在湿法压制中通过穿过多个辊进行压迫除去了尽可能多的水，同时产物浆料的温度仍然较高并且是在半水化物基本上转化成石膏之前。在该脱水装置中除去了多达90％的浆料水，留下了具有按重量计大约35％水的滤饼。在这个阶段，滤饼优选由与可再水化的硫酸钙半水化物的结晶互锁的纤维素纤维构成并且仍然可以被打碎成单独的复合纤维或小结、成型、浇注、或压缩到一个更高的密度。 
4.压制以及再水化作用 
经过脱水的滤饼优选地首先用吸水辊(未示出)进行湿法压制并且然后在一个半固体压制步骤中进行压制以进一步减少水含量并且在发生实质性的半水化物的再水化之前将滤饼压实成希望的形状、厚度和/或密度。尽管在脱水步骤中大量水的提取将显著地有助于降低滤饼温度，但是可以要求另外的外部冷却来在合理的时间内达到希望的再水化温度。滤饼的温度优选地降低到约49℃(120℉)以下，这样可以发生较快的再水化。再水化作用使α半水化物结晶就地重结晶成为针状的石膏结晶，它们与纤维素纤维物理地互锁。 
取决于在浆料中提供的加速剂、阻滞剂、晶体改性剂、或其他添加剂，水化作用可能花费从几分钟至一小时或更长的时间。因为针状结晶与纤维素纤维的互锁、以及大多数的载体液体从滤饼中的去除，避免了硫酸钙的迁移，产生了一种均匀的复合材料。水化作用完成了半水化物结晶向二水合物在原位的重结晶，即在纤维素纤维的空隙之内或周围，由此保留了复合材料的均质性。晶体生长还将硫酸钙晶体连接到相邻的纤维上来形成一个整体的结晶团块，它通过纤维素纤维的增强而在强度上得到增强。 
当该水化作用完成时，令人希望的是将复合材料块体迅速干燥以便除去其余的游离水以发展最大的物理特性。 
5.干燥 
经过压制的板(典型地包括按重量计约30％的游离水)然后迅速地在较高的温度下干燥以便将最终产品中的游离水含量降低到约0.5％或更小。显而易见，应当避免易于煅烧石膏的干燥条件。已经发现令人希望的是在其中产物实现了不超过93.3℃(200℉)、优选不超过74℃(165℉)的核心温度的条件下进行干燥，这样不会发生石膏的再煅烧。该经过固化并干燥的板可以被切割并且以另外的方式最终处理成希望的规格。 
当最后固化时，独特的复合材料显示出由其两种组分两者共同贡献的所希望的特性。这些纤维素纤维增加了石膏基质的强度、特别是挠曲强度，同时石膏起 到一种涂料或粘合剂的作用来保护该纤维素纤维、给予耐火性并且降低了由于水分引起的膨胀。 
在本发明的改良的方法中，来自本方法的流浆箱12中的煅烧的石膏纤维素纤维浆料沉积在输送机42的连续的多孔带44上。纤维素纤维以及GFP浆料46然通过使用真空装置14在它通过一个湿法压制装置时被脱水，该装置包括吸水辊、以及一个多孔带，并且然后通过一个半固体压制来进一步在真空和压力结合的作用下使该垫脱水并且固化至23％至35％(基于干燥基重30％-55％)的水含量(湿重)。第一湿法压制以及一个第二半固体压制之间的间隔用来赋予平滑性，它取决于所使用的带的表面。半固体压制通过以略微小于希望的最终产生的板的厚度的一个固定缝隙的夹子使它固化还降低了厚度变化。 
GFP生产方法在约93.3℃(200℉)的温度以约25％至约35％的含水量(脱水后的潮湿基重)形成了面板。对比在早期的石膏纤维素纤维方法中所使用的更高的纤维含量，在本发明的方法中的煅烧反应中所反应中进行反应的石膏纤维素纤维混合物的更高的石膏固体含量允许煅烧法在显著降小量值的蒸汽、例如约30％-40％更小的蒸汽中进行，同时基本上除去了在最终的GFP面板的形成中不能再水化成石膏的所有未反应的半水化物。 
与所有的纤维素纤维与石膏进行共煅烧的现有技术方法制备的晶体相比，自反应器中出现的石膏纤维素纤维晶体是略微地更长的并且具有更高的长径比或表面积。这些改性的晶体连同从先前技术中高达30％的UHH的未水化的半水化物(“UHH”)的减少至平均约10％以及至少在一些情况下于不包括一种硅氧烷的产物，实质上为0％的UHH。在目前的方法中UHH的这种降低被认为导致了所产生的石膏纤维板所要求的固化时间的显著降低，当一半的纤维例如4.0％至4.5％的纤维是在煅烧过程之后加入时它在工厂试验运行中将固化时间从最好的当前30-40分钟的范围降低到约16-25分钟。因为该生产方法取决于形成的面板的固化时间，所以这种降低在生产线速度以及面板生产速度上具有非常显著的增加。 
面板特性 
本发明的面板典型地具有以下附加的特性： 
本发明的面板的密度基本上与其中所有的纸纤维在煅烧之前被加入的常规制备的石膏纤维素纤维板是相同的。然而，在煅烧之后加入更多的纤维有可能降低本发明的石膏纤维板的密度，如果希望这样的话。特别地，本发明的面板的密度是每立方英尺约53至70磅。 
表2提供了对于以下实例中的目标混合物组合物的一个说明。下表中示出的不同成分的重量分数是对于湿的浆料。 
Figure DEST_PATH_GSB00000710969700011
这些面板是按照在标题为“制造本发明的面板”的部分所说明方式制造的。 
实例1
在经过修改的商用GFP的生产线上进行了广泛的试验，以便将一个第一部分的纸纤维素纤维的在送入反应器22之前加入一种石膏浆料中并且将纸一个第二部分的纤维素纤维在反应器22中的反应之后加入该浆料中。将纤维的第一部分以基于干燥基重4.5wt.％的量加入石膏的水性浆料中，它在送入反应器22之前进行混合。总的浆料稠度是25％，与用于具有8.5wt.％的纤维的常规浆料的典型的16％至18％的水平相比这是一种实质性的增加。稠度(它还称为“需水量”)是本领域的一个术语并且根据ASTM程序C472或其实质性等效物是可测量的。它被定义为每100克灰泥中的水的量值(单位是克)。为了石膏板生产的目的的稠度可以定义为当100克的灰泥通过在一个实验室高速共混器中在高剪切强度下以及持续7秒钟的机械混合(它与在板的形成生产线中所遇到的混合是等效的)而被分散时产生一个标准粘度或流动所要求的水体积。具体的数值从一个过程至另一个是可变化的，这取决于具体的灰泥以及生产速度。 
增大的浆料稠度导致在蒸汽需求上从生产运行的持续时间一般要求的蒸汽水平的大约38％至40％的降低。反应器中浆料中纤维含量的降低还改进了煅烧并且产生了α晶体，与来自其中8.5wt.％的纸纤维素纤维被加入反应器中的常规的生产运行中的那些相比，它们是更细并且具有更高的长径比。石膏以及纸纤维浆料的煅烧所要求的时间的范围是从少至15分钟至约25分钟，其中对商业生产试验进行调节使之用于具体的生产线以产生在约18至22分钟的范围内的煅烧反应时间。这是从标准的生产方法中对浆料中的石膏以及所有纸纤维进行煅烧所要求的时间的一个显著降低。 
将产生的煅烧的石膏/纤维浆料连同另外的制浆纤维的一个流一起泵送到一个佛氏类型的流浆箱中以产生约10wt.％的一个总的纤维含量。然后使该复合浆料在一个多孔的成型织物上沉积并且然后使用真空箱14穿过该多孔成型织物进行脱水，接着结合压力施加另外的真空以便进一步使这个垫固化。然后开始再水化作用并且在发生了一部分再水化作用之后，使用另外的压制来产生具有希望的厚度以及表面外观的面板。与要求超过28分钟的标准生产方法相比，对于面板的固化时间是在低至15分钟至约25分钟的范围内。完成再水化作用之后，将面板装入一个烘干炉中以便将该面板干燥并且除去任何剩余的游离水分。所产生的面板具有90％至92％的石膏并且基本上没有未水化的半水化物。 
实例2 
以约一小时的试验运行重复实例1的试验，其中使用第一部分中的约3.25wt.％的纸纤维素纤维加入石膏的一个水性浆料，在送入反应器中用于共煅烧之前对它进行混合。浆料的总体稠度是25％至28％。相对于在反应器中煅烧具有常规的8％至10％的纤维素纤维的浆料所要求的蒸汽量值，实现了粘度上的总的增加所产生的煅烧浆料所要求的蒸汽量值的超过45％的降低。煅烧时间被降低到约16-22分钟。 
将产生的煅烧石膏/纤维浆料与对其加入的一个第二部分的制浆纤维的流一起泵送到一个佛氏类型的流浆箱中以产生约10wt.％的一个总的纤维含量。然后使复 合浆料通过一个流浆箱在一个多孔的成型织物上沉积并且然后使用真空箱14穿过该多孔成型织物脱水，接着压力相结合施加另外的真空以便进一步固化该垫。然后开始再水化作用并且发生了一部分再水化作用之后，使用另外的压制来产生具有所希望的厚度以及表面外观的面板。完成再水化作用之后，将面板装入一个烘干炉中以便将该面板干燥并且除去任何剩余的游离水分。产生的面板具有90％至92％的石膏并且基本上没有未水化的半水化物。 
在本发明的方法的共煅烧反应中与石膏进行反应的第一部分的纤维素纤维的量可以降低到该浆料的约3.0wt.％至4.5wt.％。该第一部分总体上是总的加入的纤维素纤维的50％，例如约3wt.％至5wt.％，如果所加入的第一部分的纤维素纤维是大于总的在煅烧反应中所加入的纤维素纤维的约70％，则不会增加完成煅烧反应所要求的能量的减少、面板最终固化时间的减少以及在最终的面板中未水化的半水化物的额外的益处。此外在煅烧反应中将纤维素纤维减少到低于约3wt.％纤维素纤维降低了共煅烧的石膏的量以及“主体”纤维素结晶结构而不显著地降低所需要的蒸汽能量或固化时间。事实上已经注意到了在煅烧阶段中纤维的含量减少至总的所加入的纤维的50％至70％的一个水平已经产生了对于结晶结构的脱水速度的一个降低(除非还使用一种排水助剂)。因此虽然有可能进一步降低在煅烧阶段在第一部分中加入石膏中的纤维素纤维的量，降低到约50％至70％以下的益处就方法的改进而言没有商业上的重要性并且估计的能量减少约50％以上将要求使用另外的排水助剂以及晶体改性剂来保持所希望的固化时间以及在授予Baig的美国专利5,320,677中初始披露和提出权利要求的共煅烧的产物GFP产品的结晶特性。 
尽管已经展示并且说明了本发明的具体实施方案，本领域的技术人员应理解可以对其进行多种改变或变更而不背离在其更宽的方面以及如在以下权利要求书中所提出的本发明。 

Claims (19)

1.一种用于制造石膏纤维板面板的方法，该方法包括：
向一个反应器中提供包括石膏以及一个第一部分的纤维素纤维的一种水性浆料，将该石膏以及一个第一部分的纤维素纤维在一个反应器中进行反应以生产一种煅烧的结晶石膏以及纤维素纤维的浆料，
在该反应器步骤之后用一个第二部分的纤维素纤维来均匀地增强该煅烧的石膏以及纤维素纤维的浆料以形成一个第二浆料，
沉淀该第二浆料以形成一个垫，
使该垫脱水，
使该形成的垫再水化成为一个石膏纤维素纤维垫，并且
然后进行干燥，将该形成的垫切割并且最终处理成一个最终的石膏纤维板的面板。
2.如权利要求1所述的方法，其中未水化的半水化物的量从最终面板中未水化的半水化物的水平降低了大于50％，这些最终面板是由与该石膏进行煅烧的所有纤维素纤维组成的。
3.如权利要求1所述的方法，其中该最终面板包括0.0至3.0重量％的未水化的半水化物。
4.如权利要求1所述的方法，其中提供给该反应器的石膏是处于一种水性浆料的形式，并且加入该反应器中的该第一部分的纤维素纤维也是处于一种水性浆料的形式，并且该两个浆料在进入该反应器之前一起进行共混。
5.如权利要求4所述的方法，其中该第二部分的纤维素纤维也被加入处于一种水性浆料形式的该煅烧的石膏以及纤维素纤维的浆料之中。
6.如权利要求1所述的方法，其中该第一部分的纤维素纤维基于该反应步骤之前的干燥基重是该水性浆料的3.0wt％至4.5wt％。
7.如权利要求1所述的方法，其中该石膏纤维板面板中总的纤维素纤维含量是按重量计8％至10％。
8.如权利要求1所述的方法，其中在该反应器中该石膏以及纤维素纤维的浆料的稠度是按重量计25％至28％。
9.如权利要求1所述的方法，其中纤维素纤维总量的50wt％至70wt％是作为该第二部分在该浆料离开该反应器之后被加入该煅烧的石膏以及纤维素纤维的浆料之中。
10.如权利要求1所述的方法，其中不超过该最终的面板中该纤维素纤维总量的一半是在该第一部分中加入该反应器中用于与该石膏进行煅烧，并且在该反应器中所使用的煅烧该石膏和纤维的蒸汽能的量值与当该总量的纤维素纤维全部在该第一部分中加入该反应器中时相比降低40％至50％。
11.如权利要求1所述的方法，其中该形成的垫在形成并且再水化的15-25分钟之内固化。
12.如权利要求1所述的方法，其中用于煅烧该石膏以及第一部分的纤维素纤维的时间是15至25分钟。
13.如权利要求11所述的方法，其中用于煅烧该石膏以及第一部分的纤维素纤维所需要的时间是18至22分钟。
14.如权利要求1所述的方法，其中该石膏纤维板面板是更加柔性的并且具有的密度小于用同样的成分所形成的、其中全部纤维素纤维与石膏在该反应器中进行反应的面板。
15.如权利要求14所述的方法，其中这些面板的密度是每立方英尺53至70磅。
16.如权利要求1所述的方法，其中该最终的石膏纤维板包括基于干燥基重90wt％至94wt％的石膏，6重量％至10重量％的纤维素纤维以及0.0至3.0重量％的未水化的半水化物。
17.如权利要求1所述的方法，其中该最终石膏纤维素纤维板的连续相包括一种共煅烧的石膏纤维素纤维结晶的浆料，该结晶的浆料由在该煅烧步骤之后以一个第二部分加入该煅烧的石膏纤维素纤维结晶的浆料中的纤维素纤维均匀地增强。
18.如权利要求16所述的方法，其中该最终石膏纤维板包括基于干燥基重94wt％至92wt％的石膏，6％至8％的纤维素纤维。
19.如权利要求1所述的方法，其中该石膏纤维板具有6.3至15.9mm(0.25至0.625英寸)的厚度。
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