CN103249691A - 提高石膏板强度的方法 - Google Patents

Abstract

采用制造强石膏板的方法改善这些或其它问题中的一个或多个，该方法包括在泡沫泡与石膏浆料的界面处形成硬化外壳结构的方法。增强组分选自促凝剂、水溶性聚磷酸盐、水溶性聚磷酸盐与淀粉的混合物、硼酸、纤维、甘油或其组合。将增强组分与发泡剂和水混合形成肥皂水性混合物。由肥皂水性混合物产生泡沫，并将泡沫加入石膏浆料中。在将泡沫加入石膏浆料中之前允许增强组分接触肥皂泡使得增强组分优选接触肥皂膜，而不是分散通过整个浆料。

Description

提高石膏板强度的方法

相关申请

根据35USC119(e)，本申请要求2010年12月29日提交的美国临时申请序列号No.61/427,862的优先权。

技术领域

本发明涉及加强石膏板的方法。更具体地，它涉及在加入石膏浆料的泡沫泡周围形成外壳以增强泡沫泡的壁。

背景技术

石膏板广泛用作建筑材料。由石膏制备的壁板阻燃，并且可以用在建造几乎任何形状的壁中。它主要用作内壁或外壁或天花板产品。石膏具有隔音性质。如果石膏变得受损，其相对容易修补或替换。存在各种可以施用到壁板上的装饰性修整，包括涂漆和壁纸。即使具有所有这些优点，但它仍然是相对低廉的建筑材料。

壁板成本低的一个原因是它们通过快速高效的工艺制得。半水合硫酸钙在水存在下水合形成二水合硫酸钙晶体互锁的基体，造成它凝结并变坚硬。在混合器中制备包含半水合硫酸钙和水的浆料。在获得均匀混合物时，将该浆料连续沉积在运动的表面上，该表面任选地包括饰面材料。第二饰面材料任选在浆料平滑至恒定厚度并且成型为连续条带之前施用到其上。将由此形成的连续条带在带上运送直至经煅烧的石膏凝结，之后切割条带形成期望长度的板，并将这些板运送通过干燥炉以除去多余的水分。由于这些步骤中的每一个仅花费几分钟，因此任何工艺步骤的小变化都可以导致生产工艺总体没有效率。

形成浆料加入的水量超过完成水合反应所需的量。过量水分赋予浆料充分的流动性，从而流出混合器并流到待成型为合适宽度和厚度的饰面材料上。随着产物开始凝结，水淤积在二水合物晶体之间的空隙中。水合反应利用一些淤积水继续该反应，继续在淤积水中和周围形成晶体基体。在水合反应完成时，占据淤积区的未用的水通过蒸发离开基体。当所有水已蒸发时，石膏基体中留下空隙空间。如果使用大量的过量水分，该空隙空间更大更多。

安装石膏板的人因连续移动并抬起板而变得疲惫。因此有利的是制造轻量容易处理的板。可以通过向石膏浆料中加入泡沫来制造轻量板。发泡剂如肥皂可以加入浆料中，使得通过混合作用产生泡沫。在某些情况下，发泡剂用于先产生泡沫，泡沫在其离开混合器之前或之后加入浆料中。选择发泡剂以产生在水合发生时积极聚结的泡沫。泡沫泡尺寸分布来自于“活性(active)”泡沫。随着水合反应进行，石膏基体在泡沫泡周围形成，当凝结石膏形成和泡沫泡破裂时在基体中留下泡沫空隙。

可能难以获得产生可接受板强度的泡沫空隙分布。理想的泡沫是产生小泡沫泡的“活性”泡沫，这些小泡沫泡聚结以连续产生大、小泡沫泡分布。非常小的许多泡沫空隙在它们之间具有非常薄的石膏基体壁。可以导致最终板具有差的压缩强度。形成非常大的泡沫空隙可以在板表面造成不均匀，使其美学上不可接受。用在浆料中的添加剂还可以造成泡沫泡变得过度不稳定，迅速聚结成大泡沫泡。其它添加剂，包括一些聚羧酸盐分散剂使泡沫过度稳定，以致于小泡沫泡不能结合。已表明产生具有适当泡沫泡尺寸平衡的泡沫泡以制造强石膏板是困难的工作。

发明内容

采用制造强石膏板的方法改善这些或其它问题中的一个或多个，该方法包括在泡沫泡与石膏浆料的界面处形成硬化外壳结构的方法。增强组分选自促凝剂、水溶性聚磷酸盐、三偏磷酸钠、水溶性聚磷酸盐与淀粉的混合物、硼酸、纤维、甘油及其组合。接着将增强组分与发泡剂和水混合形成肥皂水性混合物。由肥皂水性混合物产生泡沫，接着将泡沫加入石膏浆料中。上述混合步骤的具体顺序对于本发明方法不认为是关键的，可考虑可替代的步骤顺序。

在一些实施方案中，相比将添加剂加入石膏浆料中，上述方法还使得更成本有效地使用添加剂。通过在泡沫水、发泡剂、肥皂水性混合物和/或泡沫中包含增强组分，添加剂仅在它表现最好的位置接触石膏。当泡沫与石膏浆料混合时，该浆料包围充满增强组分的泡沫泡。随着浆料硬化和凝结，它从泡沫泡中吸收水，最终使泡沫泡破裂，这使得泡沫泡留下的空隙的内表面上或附近具有相对高浓度的添加剂。在另一实施方案中，在泡沫泡与石膏浆料的界面处形成硬化外壳结构的方法包括：选择增强组分，将发泡剂和增强组分与水混合形成肥皂水性混合物，由肥皂水性混合物产生泡沫，以及将泡沫加入包含水硬组分的石膏浆料中，其中由浆料形成石膏板，该石膏板相比泡沫中缺少增强剂的板具有增加的强度。

具体实施方式

改进的石膏板通过首先混合发泡剂、增强组分和泡沫水以制备泡沫，之后将其加入石膏浆料中来制造。泡沫的单独制备将增强组分直接置入泡沫而不是石膏浆料中，在石膏浆料中它被其它组分稀释和/或与其它组分竞争进入肥皂泡。

在本发明使用发泡剂在含凝结石膏的制品中产生泡沫空隙以提供更轻重量的实施方案中，可以使用已知用在制备泡沫凝结石膏制品中的任何常规发泡剂。许多这种发泡剂是熟知的，并且易于市购得到，例如获自GEOSpecialty Chemicals,Ambler,PA的HYONIC系列(line)的肥皂产品。任何发泡剂适合单独使用或与其它发泡剂组合使用。

发泡剂组合的例子包括形成稳定泡沫的第一发泡剂和形成不稳定泡沫的第二发泡剂。第一发泡剂任选是具有8-12个碳原子链长的烷基和1-4个单元链长的乙氧基的肥皂。第二发泡剂任选是具有6-16个碳原子链长烷基的未乙氧基化的肥皂。调节这两种肥皂各自的量允许控制板泡沫空隙结构，直至达到100%稳定肥皂或100%不稳定肥皂。发泡剂的示例性组合以及它们加入泡沫石膏制品中公开在美国专利No.5,643,510中，该专利的内容通过引用并入本文。

泡沫的另一组分是增强组分。选择该组分来增强在泡沫泡所留下的空隙周围的外壳。当混合泡沫和煅烧石膏浆料时，浆料包覆在泡沫泡外面。随着半水合硫酸钙水合进行，与水反应使其转化为二水合硫酸钙。水主要从浆料中吸出，但是对于邻近泡沫泡的半水合物晶体，还从泡沫吸收水。当将增强组分加入发泡剂、水或泡沫的任何一种中，并且除了石膏浆料外产生泡沫时，在产生由浆料制得的板之后获得更强的结构。强度增强剂在泡沫泡中浓缩，而不是分布在整个石膏浆料中。在与石膏浆料结合时，强度增强剂接着在泡沫泡膜中浓缩。强度组分邻近正在形成的石膏基体增强了该结构，在需要处在泡沫空隙周围形成强的外壳。

增强组分的例子包括甘油、促凝剂、硼酸、本领域已知的强度增强聚合物、淀粉及其混合物、以及磷酸盐如三偏磷酸钠、其它水溶性聚偏磷酸盐、纤维或其组合。增强组分的用量基于灰泥重量为约0.25至3.5%。纤维也可以与其它增强组分中的一种组合使用，以增加空隙壁的完整性。

虽然不希望囿于理论，据信不同类型的增强组分以不同方式起作用以增强空隙壁。盐可以成为石膏基体的一部分，通过使晶体链接在一起增强板强度。纤维起到增强空隙壁邻近区域的石膏基体的作用。淀粉充当粘结剂以使钙二水合物晶体保持在一起。不管机理，可以使用任何增强组分或其组合。

晶体促凝剂如经涂覆或未经涂覆的石膏粉充当籽晶以减少反应的诱导时间。晶体促凝剂的用量至多约35lb./MSF(170g/m2)。“CSA”是包含95%二水合硫酸钙和约5%(重量百分比)糖的促凝剂，其中二水合硫酸钙和糖被共磨碎并加热至250°F(121°C)以使糖变成焦糖。CSA可获自USG Corporation,Southard,OK plant，并且根据美国专利No.3,573,947制得，该专利的内容通过引用并入本文。硫酸钾、硫酸铝和硫酸氢钠也是合适的促凝剂。HRA是与糖新磨碎的二水合硫酸钙，其中每100磅二水合硫酸钙使用约5至25磅糖。HRA还描述在美国专利No.2,078,199中，该专利的内容通过引用并入本文。这二者都是优选的促凝剂。这些促凝剂减少水合时间并减小流动性。

另一优选的促凝剂已知是湿石膏促凝剂或WGA。关于湿石膏促凝剂的用途和制备方法的描述公开在美国专利No.6,409,825中，该专利的内容通过引用并入本文。该促凝剂包含选自有机膦化合物、含磷酸酯化合物或其混合物的至少一种添加剂。湿石膏促凝剂表现出相当长的使用寿命并随时间保持其有效性，使得湿石膏促凝剂可以在使用前制备、储存、甚至长距离运输。湿石膏促凝剂的用量为每千平方英尺板制品约5至约80磅(24.3至390g/m²)。

先由肥皂水性混合物产生泡沫。一种制备泡沫的方法是使用将该肥皂溶液与空气混合的发泡剂。任何混合方法可以用于使肥皂和引起泡沫泡形成的空气结合，包括搅拌、湍流或混合。控制水和空气的量以产生特定密度的泡沫。对泡沫体积的调节用来控制干制品的总重量。

如果需要，可以“离线”预混发泡剂混合物，离线即与制造泡沫石膏制品的工艺分开。但是，优选作为整个混合工艺的“在线”部分同时连续混合第一和第二发泡剂。这可以例如通过泵送不同发泡剂的单独料流，并使料流在用来产生水性泡沫流的发泡剂接着引入煅烧石膏浆料中并与其混合时或正好在这之前混合在一起来完成。通过以此方式混合，混合物中第一和第二发泡剂的比例可以简单并高效地加以调节(例如通过改变单独料流的一种或两种的流量)以在泡沫凝结石膏制品中实现期望的空隙特性。针对最终制品的检查结果进行这种调节，以确定是否需要这种调节。这种“在线”混合和调节的进一步描述可见于美国专利No.5,643,510和5,683,635中，它们在前已通过引用并入。以类似方式可以将增强剂与发泡剂或泡沫水离线预混，或者可以作为单独组分在泡沫产生工艺的任何阶段加入。

接着将所制备的泡沫加入包含水硬组分的石膏浆料中。可以使用任何形式的煅烧石膏，包括但不限于α或β灰泥。也可考虑使用无水硫酸钙、合成石膏或石膏粉。其它水硬材料包括水泥和飞灰任选包含在浆料中。

将水以任意量加入浆料以形成可流动的浆料。水的用量根据浆料的应用、所用分散剂、所用灰泥和添加剂的性质变化较大。壁板的水与灰泥之比(“WSR”)优选基于灰泥干重量的约0.1至约1.2。在一些实施方案中，优选WSR为约0.4至约0.9。在其它实施方案中，使用约0.7至约1.2的WSR。基于适度加入某些分散剂，WSR甚至可以在实验室测试中进一步减小。

用于制备浆料的水应该与实际用来最佳控制浆料和凝结石膏的性质的水一样纯。熟知盐和有机化合物用于改变浆料凝结时间，从促凝剂到阻凝剂广泛变化。某些杂质在形成二水合物晶体互锁基体时导致结构不规则，从而降低凝结产品的强度。因此通过使用实际无污染物的水来增强产品强度和稠度。

石膏浆料的某些添加剂在它们混合时影响泡沫的泡沫泡尺寸分布。不同聚羧酸盐分散剂例如可以稳定泡沫或使泡沫不稳定。趋于稳定泡沫的添加剂包括某些PCE分散剂，而萘磺酸盐和某些淀粉趋于使泡沫空间不稳定。稳定的泡沫是泡沫泡长期持续、尺寸通常或多或少保持恒定的那些。彼此聚结并生长得更大的泡沫泡不稳定。在选择待加入的增强组分的类型或量时，应该考虑这些添加剂的效果。

泡沫石膏芯的空隙尺寸分布可以通过调节肥皂水性混合物中肥皂浓度来精密控制。在已制备泡沫石膏芯后，检查石膏芯内部即揭示了空隙结构。空隙尺寸分布可以通过自初始或之前浓度改变肥皂浓度而变化。如果内部具有过大的小空隙部分，可以减小肥皂水性混合物中的肥皂浓度。如果发现过多非常大的椭圆形或不规则形状的空隙，可以增大肥皂浓度。虽然最佳空隙尺寸分布可以根据产品、位置或所用原料而变化，但本工艺技术适合于达到期望的空隙尺寸分布，不管它是如何定义的。许多实施方案中的期望空隙尺寸分布是为所用的石膏配料产生高强度芯的空隙尺寸分布。

将浆料和预产生的泡沫混合以制备泡沫石膏组合物。混合石膏浆料和预产生的泡沫的一种方法是对泡沫加压并迫使其进入浆料内。至少一个实施方案使用泡沫环分布泡沫。泡沫环是允许浆料流过它的成型装置。它包括一个或多个喷嘴或狭槽用以在浆料通过该环时使加压泡沫释放到浆料内。泡沫环的使用公开在美国专利No.6,494,609中，它们通过引用并入本文。另一混合泡沫和浆料的方法是将泡沫直接加入混合器中。在一个实施方案中，泡沫环或其它泡沫喷射装置定位成将泡沫喷入混合器的排放导管内。该工艺描述在共同转让的美国专利No.5,683,635中，它通过引用并入。不管泡沫产生或引入浆料内的方式，本发明方法的重要特征在于在泡沫引入浆料内之前，在泡沫产生或生成的某点处混合或加入增强剂。

实施例1

使用泡沫水的各种添加剂在实验室制造石膏模。由具有2克CSA的600克半水合硫酸钙(USG,Southard,OK)、足够提供0.75水/灰泥比的水(计量水和泡沫水)、预混在计量水中的0.15%萘磺酸盐分散剂(基于干态，作为灰泥的百分比)和泡沫水溶液制备石膏浆料，该泡沫水溶液组成如下：按泡沫水溶液重量为0.5wt%PFM33稳定肥皂、0.5wt%STMP和0.25至2.0wt%如表1所示的淀粉材料。

实验室混合顺序和程序如下：

1.将具有分散剂的水置入Hobart混合器槽中；

2.将预混有促凝剂的灰泥加入槽中并浸泡较短时间，之后开始机械混合；

3.使用Hobart混合器混合材料。在混合过程中，加入泡沫以控制密度。泡沫加入量根据得到42.5pcf+/-1.7pcf的干密度所需的量来实验确定。

对于下列用于比较多种强度增强剂性能的每一测试，保持下面参数基本恒定：促凝剂的量、分散剂的量、目标干密度和芯空隙分布。

表I

每一样品组包括6个样品。测试每个样品的物理性质，包括密度和压缩强度。全部6个样品的平均值和标准偏差示于如下表II中。

表II

这些表表明可以通过泡沫水的添加剂实现板强度的显著差异。密度较高的产品具有较高强度。在相近密度时，以上测试样品中的一些具有明显更高的压缩强度。例如，对照样品1和使用0.5%Hibond的样品14具有相近的密度，但是加入Hibond导致压缩强度平均增长约20%，从2581增加到3113lb/ft³。这是几乎3个标准偏差的差异，证实了结果的统计意义。因此，在泡沫加入石膏浆料之前向泡沫中加入增强剂允许减少添加剂的量。而且，通过以此方式加入增强剂，该增强剂更有效地存在于泡沫泡与周围浆料的界面处。

虽然已经示出并描述提高石膏板强度的方法的具体实施方案，但本领域技术人员将认识到在不脱离以下权利要求所述的本发明较宽方面的情况下可以对其做出变化和修改。

Claims (10)

1.一种在泡沫泡与石膏浆料的界面处形成硬化外壳结构的方法，包括：

从促凝剂、水溶性聚磷酸盐、水溶性聚磷酸盐与淀粉的混合物、硼酸、纤维、甘油或其组合中选择增强组分；

将发泡剂和所述增强组分与水混合形成肥皂水性混合物；

由肥皂水性混合物产生泡沫；以及

将泡沫加入包含水硬组分的石膏浆料中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发泡剂包括稳定肥皂。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述发泡剂还包括不稳定肥皂。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述发泡剂包括不稳定肥皂。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述增强组分的存在量基于所述水硬组分的重量为约0.25至约3.5%。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述选择步骤的所述增强组分选自三偏磷酸钠与淀粉的混合物、三偏磷酸钠、甘油、硼酸及其组合。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合步骤的所述肥皂水性混合物不含其它组分。

8.一种在泡沫泡与石膏浆料的界面处形成硬化外壳结构的方法，包括：

选择增强组分；

将发泡剂和所述增强组分与水混合形成肥皂水性混合物；

由肥皂水性混合物产生泡沫；以及

将泡沫加入包含水硬组分的石膏浆料中，

其中由所述浆料形成石膏板，所述石膏板相比泡沫中缺少增强剂的板具有增加的强度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述增强组分是三偏磷酸钠。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述加入泡沫通过将泡沫引入用于混合石膏浆料的混合器的排放导管中来实施。