CN103443048A - 石膏基淤浆、发泡石膏板以及生产发泡石膏板的方法 - Google Patents

石膏基淤浆、发泡石膏板以及生产发泡石膏板的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于生产石膏板的淤浆，其包含烧石膏、水、发泡剂和聚结剂。所述发泡剂在所述淤浆中形成多个气泡。泡沫通常用所述发泡剂预先形成且将所述泡沫用于形成所述淤浆，从而使得所述泡沫在所述淤浆中形成多个气泡。所述聚结剂使由所述泡沫形成的多个气泡聚结。所述聚结剂通常聚结多个由所述泡沫形成的小且部分连接的气泡以形成更大且更离散的气泡。还公开了一种石膏板以及形成所述淤浆和石膏板的方法。所述石膏板包括由所述淤浆形成的石膏层。所述石膏层限定了多个分散于其中的气泡，所述气泡由所述淤浆的所述泡沫和聚结剂形成。

Description

石膏基淤浆、发泡石膏板以及生产发泡石膏板的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年2月23日提交的美国临时专利申请61/445,946的优先权，在此通过引用将其全文并入中。
技术领域
本发明通常涉及一种淤浆和由所述淤浆形成的石膏板，更具体地涉及一种包含烧石膏、水、发泡剂和聚结剂的淤浆，一种由所述淤浆形成的石膏板以及形成所述淤浆和石膏板的方法。
相关技术描述
石膏板为由两个覆板或面板(正面/背面)以及夹在所述板之间的石膏层(或石膏芯)构成的复合材料。所述面板的物理性质、面板/石膏芯的结合性和所述石膏芯的强度均影响所述石膏板的物理性质。
常规石膏芯含有约60-80体积%的空气，这部分取决于用于形成所述石膏芯的组分以及在石膏芯生产期间形成的泡沫的量和结构。石膏芯由发泡的淤浆形成，例如在制备淤浆时通过向所述淤浆中引入泡沫而夹杂空气。所述泡沫预先产生并连续供入淤浆中并与淤浆均匀混合。所述泡沫通常通过在泡沫发生器中使用发泡剂、发泡水和空气而预先产生。石膏芯中的空气泡尺寸和分布影响石膏板的强度(例如拔钉)以及面板与石膏芯之间的结合性。石膏芯中的空气泡的尺寸、形状和分布可有所不同。保留在所述空气泡之间的石膏芯包含在空气泡之间形成固体基体的石膏晶体。一般而言，所述气泡之间的固体基体越宽，则石膏芯的强度越大。所述固体基体通常由石膏晶体以及更少程度的淀粉制成。在形成所述板的过程中，应理解的是在降低石膏板的重量且同时保持石膏板的强度之间存在微妙的平衡。
最近，石膏工业已经试图在石膏芯中获得更理想的空气泡分布。大多数努力涉及改变发泡剂的化学性质以产生较不稳定的泡沫，以便在石膏芯的生产期间添加至淤浆中。一般而言，相对于由稳定发泡剂所产生的泡沫而言，发泡剂本身越不稳定，则产生的泡沫聚结程度就越高。这通常导致在石膏芯中产生更大且更离散的气泡。大多数努力集中在通过减少发泡剂分子中的乙氧基量(甚至降至0个乙氧基)、改变其链长和在直链和支化结构之间做出改变而降低泡沫稳定性。
遗憾的是，将稳定的发泡剂变为较不稳定的发泡剂以在石膏芯中获得所期望的泡沫结构需要进行许多工艺改变。这些改变需要熟练的人员且可在石膏板生产过程中导致工艺问题和产量损失。产品之间的发泡剂变化使生产工艺复杂化且可能需要改变发泡剂的添加率。
因此，仍存在提供用于生产石膏板的改进的淤浆的机会。此外，仍存在提供经改进的石膏板以及制备淤浆和石膏板的改进方法的机会。
发明简述和优点
本发明提供了一种用于生产石膏板的淤浆。所述淤浆包含烧石膏、水、发泡剂和聚结剂。所述发泡剂在淤浆中形成多个气泡。所述聚结剂使由所述发泡剂所形成的多个气泡聚结。还提供了一种石膏板和形成所述淤浆和石膏板的方法。所述石膏板包括由所述淤浆形成的石膏层。所述石膏层限定了分散于其中且由所述淤浆的发泡剂和聚结剂形成的多个气泡。
所述聚结剂可起在所述淤浆固化成假塑性状态(其也可称为淤浆的硬化)之前使经发泡的淤浆部分坍塌(或聚结)的作用，因此使得所述经发泡的淤浆中的一些气泡可以聚集在一起，从而在所述淤浆中形成更大的气泡而不导致气泡结构总体坍塌。所述聚结剂还有助于稳定所得的气泡，直至石膏基体固化。一旦石膏基体固化，基于由所述发泡剂和聚结剂形成的泡沫的多个气泡(例如空气泡)分散于其中。所述聚结剂通常使多个由发泡剂形成的小且部分连接的气泡聚结，从而形成更大且更离散的气泡。据信气泡结构越均匀且越分离，则提供越低的石膏层体积密度，从而降低石膏板的重量，同时相对于常规石膏板基本上保持或者甚至改善了石膏板的强度。
附图简介
通过当结合附图考虑时参考下文详述，将容易地理解且更好地理解本发明的其他优点，在所述附图中：
图1为本发明石膏板的石膏层横截面的扫描电子显微镜(SEM)照片，其显示了多个气泡；
图2为对照1的横截面的SEM照片，其显示了具有多个较小气泡的石膏层；
图3为实施例1的横截面的SEM照片，其显示了具有多个较大气泡的石膏层；
图4为对照3的横截面的SEM照片，其显示了具有多个较小气泡的石膏层；
图5为实施例2的横截面的SEM照片，其显示了具有多个较大气泡的石膏层；
图6为在第一生产场地生产的对照石膏板的横截面图；
图7为在第一生产场地生产、使用聚结剂2且具有多个较大气泡的本发明石膏板的横截面图；
图8为在第二生产场地生产的对照石膏板的横截面图；
图9为在第二生产场地生产、使用聚结剂2且具有多个较大气泡的本发明石膏板的横截面图；
图10为在第三生产场地生产的对照石膏板的横截面图；
图11为在第三生产场地生产、使用聚结剂2且具有多个较大气泡的本发明石膏板的横截面图；和
图12为在第四生产场地生产、使用聚结剂2且具有多个较大气泡的本发明石膏板的横截面图。
发明详述
本发明提供了一种淤浆，由所述淤浆形成的石膏板以及制备所述淤浆和石膏板的方法。所述淤浆可用于形成石膏板，更具体地用于形成所述石膏板的石膏层(例如石膏芯)。所述淤浆在本领域中也可称为灰泥浆。所述石膏板在本领域中也可称为干墙、糊墙纸板、石膏墙板、墙板等。所述石膏板不限于任何特定的用途，即所述石膏板可用于墙壁、天花板、地板、瓷砖基板、拱腹等。所述石膏板和方法将在下文进一步描述。现在描述所述淤浆的示例性实施方案。
所述淤浆通常包含烧石膏、水、发泡剂和聚结剂。所述淤浆通常包含含发泡剂的泡沫，从而使得所述淤浆通常包含烧石膏、水、泡沫和聚结剂。所述淤浆还可包含一种或多种添加剂如常规添加剂。合适的添加剂的实例将在下文进一步描述并例示。
本发明不限于任意特定种类的烧石膏。烧石膏在本领域中也可称为半水硫酸钙(CaSO4·0.5H2O)、灰泥或熟石膏。合适的烧石膏实例以及来源、方法和获得所述烧石膏的反应描述于：Martin等的美国专利8,016,961；Sethuraman等的美国专利6,706,128；Sethuraman等的美国专利6,422,734；和Sethuraman等的美国专利6,783,587；下文称为所引入的参考文献，其公开内容通过引用全文并入，只要所引入的公开内容不与本发明的一般范围冲突。
烧石膏可与水反应，由此形成包含二水硫酸钙和通常残留的水的反应产物。烧石膏与水之间的反应通常如下所示：
CaSO4·0.5H2O+0.5H2O→CaSO4·2H2O+热量
在该反应中，使烧石膏在相当短的时间内再次水合成其二水合物状态(CaSO4·2H2O)。所述反应所需的实际时间通常取决于所用的煅烧炉类型和用于形成烧石膏的石膏岩种类(例如，如所引入的参考文献所述)。反应时间可通过使用添加剂如促进剂和阻滞剂(这在下文进一步描述)在一定程度上控制。如上所述，所述反应释放出热量，即所述反应为放热的。在该反应期间，由于(水合)反应产物形成/固化，所述淤浆通常由流体状态转化至硬或“固化”状态。所述淤浆通常在约15-约40秒之后固化(即流体更少或硬质)。这在本领域中可称为硬化阶段。在固化后，可将所述淤浆切成不同长度。
烧石膏可以以不同量使用。所述淤浆通常以使得由其形成的石膏层，即反应产物具有通常的厚度，如小于1英寸的厚度，更通常为约1/4-约5/8英寸的厚度的方式生产和操作。存在于所述淤浆中的烧石膏的量取决于所需的板厚。例如，当希望板厚为1/2英寸时，所述淤浆通常以约337-约1180磅/1000平方英尺(msf)，约548-约970磅/msf，或者约674-约843磅/msf的量含有烧石膏。可使用以msf给出的烧石膏的量并根据由所述淤浆形成的石膏层的不同厚度加以调节。例如，对5/8英寸厚的板而言，所述淤浆通常以约1785-约2040磅/msf的量含有烧石膏。石膏板的总体尺寸和生产方法将在下文进一步描述。
水和烧石膏通常以约0.5-约1.5，约0.75-约1.25或者约0.80-约1.0的重量比反应。通常希望提供足够的水以使烧石膏与其反应，然而不使用这样的量的水，该量使得在反应后移除残留水过分耗时或昂贵。
如上所述，烧石膏与水之间的反应是放热的。因此，在形成所述淤浆之后，所述淤浆首先具有初始温度(T1)和峰值温度(T2)，同时所述淤浆由流体转变至假塑性状态直至最终固化态。换言之，在发生反应时，烧石膏与水的反应产物具有T1和T2。各温度也可称为混合物或淤浆温度，例如初始淤浆温度T1和峰值淤浆温度T2。T1可为环境温度，这取决于所述淤浆的生产场所。或者，T1可低于环境温度，更通常地由于在制备所述淤浆之前将一种或多种淤浆组分加热而比环境温度更高。然而非典型地，应理解的是也可在制备所述淤浆之前将一种或多种组分冷却。当烧石膏与水之间发生反应以形成反应产物时，也可将所述淤浆本身加热或冷却(或置之不理)。
T2通常为发生反应时所述淤浆所达到的最高温度。所述淤浆的温度且因此反应产物的温度由于所述放热反应所释放出的热量而由T1升高至T2。所述淤浆/反应产物的T1通常为约21.0-约52.0℃，约23.0-约48.0℃或者约30.0-约43.0℃。所述淤浆/反应产物的T2通常为约43.0-约74.0℃，约45.0-约70.0℃或者约45.0-约55.0℃。
所述发泡剂可为任意种类的发泡剂，包括但不限于所引入的参考文献中所述的发泡剂。所述发泡剂通常包含一种或多种肥皂/表面活性剂和溶剂的溶液。所述发泡剂通常包含阴离子表面活性剂；然而，也可使用其他种类的表面活性剂，如阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂等。所述溶剂通常为水(从而使得所述溶液为水性的)、醇(例如乙醇、异丙醇等)或其组合。所述发泡剂通常包含约30-约60重量%的肥皂/表面活性剂活性物质。如上所述，所述发泡剂的其余部分可为溶剂(例如水或醇)或溶剂的组合。所述发泡剂可用于通过任意数量的常规泡沫产生方法而产生泡沫。
在特定实施方案中，所述发泡剂的表面活性剂包括硫酸盐或磺酸盐。在其他实施方案中，所述发泡剂的表面活性剂包括醚硫酸铵。合适发泡剂的具体实例包括包含如下物质的那些：烷基硫酸铵；基于每摩尔发泡剂平均具有至少1.5摩尔氧化乙烯的烷基醚硫酸盐、基于每摩尔发泡剂平均具有至少4.0摩尔氧化乙烯的烷基醚硫酸盐；具有C8-C12链的磺酸盐乙氧基化分子，例如基于每摩尔发泡剂平均具有4.0摩尔氧化乙烯；烷基芳基磺酸盐、C12-C16α-磺化甲酯、α-烯烃磺酸盐及其混合物；基于每摩尔发泡剂平均具有1.5-2.5摩尔氧化乙烯的烷基醚硫酸盐、十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺十二烷基苯磺酸盐；由化学式CH3(CH2)bCH2(OCH2CH2)cOSO3M2描述的发泡剂，其中b具有6.5-7.5的平均值；其中c为每摩尔发泡剂的氧化乙烯平均摩尔数且为1.5-2.5；且M2选自钠、钾、镁、铵、季铵及其混合物；或其中c为约2.2，且M2选自钠、铵和铵的有机季化衍生物。应理解的是可使用任意数量的发泡剂以便为所述淤浆产生泡沫。在特定实施方案中，所述发泡剂包括
Figure BDA0000386858340000061
FA-406，其商购自Northfield，Illinois的Stepan Company。也可使用获自Stepan Company的其他发泡剂，以及获自其他公司如Thatcher TF的发泡剂，其商购自Thatcher Chemical Company，Salt Lake City，Utah；和PFM，例如
Figure BDA0000386858340000063
PFM30，其商购自Lafayette，Indiana的Geo Specialty Chemicals。
合适发泡剂的其他具体实例包括包含如下物质的那些：具有至少10个碳链的烷基硫酸盐、基于每摩尔发泡剂平均具有少于1.3摩尔氧化乙烯的烷基醚硫酸盐及其混合物；月桂基硫酸铵和基于每摩尔发泡剂具有约0.4-1.3摩尔氧化乙烯的烷基醚硫酸盐；由化学式R(OCH2CH2)aOSO3M1描述的发泡剂，其中R表示分子量最高为约169的直链和支链烃及其混合物；其中a为每摩尔发泡剂的氧化乙烯平均摩尔数且为0.4-1.3，且M1选自钠、钾、镁、铵、铵的有机季化衍生物及其混合物；或者其中a为约0.8，且M1选自铵及其有机季化衍生物。在特定实施方案中，所述发泡剂包括商购自Stepan Company的Alpha
Figure BDA0000386858340000071
所述发泡剂可以以不同量使用。所述发泡剂通常以约0.1-约2.0磅/1000平方英尺(msf)，约0.4-约1.25磅/msf或者约0.5-约0.9磅/msf的量存在于所述淤浆中。所述发泡剂可包含上述表面活性剂中两种或更多种的组合。在特定实施方案中，所述淤浆含有一种发泡剂。在其他实施方案中，所述淤浆含有两种或更多种不同的发泡剂。
所述发泡剂可呈各种形式，如液体、薄片或粉状。所述发泡剂可用于产生泡沫，所述泡沫在反应产物的形成过程中在淤浆中形成多个气泡。“形成”通常意指所述发泡剂，即包含发泡剂的泡沫在形成过程中将气泡引入淤浆中和/或在淤浆中形成气泡。气泡通常为空气泡，但也可含有其他气体。气泡可具有不同尺寸和形状，这将在下文进一步描述。一般而言，所述发泡剂本身是发泡的从而使得其在添加前含有气泡从而形成所述淤浆。发泡可简单地通过机械搅拌将发泡剂、水和空气混合以形成泡沫(在本文中也称为预先形成的泡沫)而进行。所述预先形成的泡沫可与水一起添加至烧石膏和水中和/或在烧石膏和水组合之后添加。所述泡沫可通过在泡沫发生器中将发泡剂、泡沫水和空气组合而产生。
所述聚结剂使由所述发泡剂形成的多个气泡，即包含发泡剂的泡沫聚结。所述聚结剂通常使多个气泡聚结以产生较大的气泡。尽管可使用许多不同的聚结剂以实现该目的，然而优选选择具有延迟的聚结作用的聚结剂，从而使得聚结剂直至从首先将所述聚结剂加入淤浆中起已经过一段时间之后才使多个气泡聚结。换言之，当聚结剂与由发泡剂形成的气泡一起存在于所述淤浆中时，聚结剂的聚结作用延迟一段时间。此外，在该潜伏期中，聚结剂通常有助于稳定所得的气泡结构。该时间段通常少于反应产物固化所需的时间(例如约15-约40秒)，从而使得聚结剂可发生作用。
所述聚结剂通常起着由通过所述泡沫形成的气泡形成更大且离散的气泡的作用。这基于聚结机理。在该机理中，据信所述聚结剂使水从隔离两个或更多个气泡的层中排出，使所述层变薄，并最终使所述层破裂从而导致两个或更多个气泡消失并由其形成一个或多个更大的气泡。还据信所述聚结剂使这些较大的气泡稳定，从而使得其在反应产物固化时仍存在，从而使得所述反应产物限定了由所述泡沫和聚结剂形成的多个气泡(即由其形成的各泡沫形成)。
所述聚结剂具有浊点(TCP)。所述聚结剂的TCP通常处于所述淤浆/反应产物的T1和T2之间。因此，所述聚结剂在所述淤浆的温度达到聚结剂的TCP之后使所述淤浆中的多个气泡聚结。该温度点不必精确，因为TCP可变化，然而通常在由所述泡沫形成的气泡开始聚结之前经过一段时间。据信当所述淤浆/反应产物的温度高于TCP时，所述聚结剂的聚结作用通常提高。
TCP为聚结剂开始从溶液中下沉或沉淀出时的温度。随着聚结剂的温度继续升高，越来越多的聚结剂(或表面活性剂)从溶液中沉出。在这些温度下，沉淀的聚结剂起消泡剂的作用，而仍处于溶液中的聚结剂起聚结剂的作用。据信尽管即使在低于聚结剂的TCP下也可发生聚结，但聚结作用和所得的气泡结构受到在和高于聚结剂的TCP下的转变的积极影响。据信该作用使得所述淤浆且因此使得所述反应产物具有改善的气泡结构。该气泡结构有助于降低石膏基体的体积密度(这意味着降低单位体积的重量)，同时通常保持石膏板的其他所需性能，例如足够的拔钉和压缩强度。气泡结构可含有下文所述的不同尺寸和形状的气泡(或空隙、孔隙、空穴等)。所述气泡通常含有空气，然而还可存在其他气体如惰性气体，例如氮气。
TCP可通过本领域的各种方法，例如根据ASTM D2024所述的方法测定。通常将一定量(例如1重量%)的聚结剂添加至水中以形成溶液，并使所述溶液的温度升高直至所述溶液变得模糊或浑浊，这通常表明所述聚结剂从溶液中沉出。所述聚结剂通常具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃，约18.0-约60.0℃或约20.0-约60.0℃的TCP。应理解的是相对于仍处于淤浆中(即与所述发泡剂组合)的聚结剂的TCP，单独聚结剂的TCP可向高于或低于上述温度的方向偏移。然而，仍据信基于TCP转化，还保留本文所述的作用。
如上所述，烧石膏与水之间的反应是放热的。因此，所述淤浆的温度在混合后(即反应产物开始形成后)通常由T1显著升高至T2。该温度变化可由T1至T2升高15-20℃或更高。通过选择具有处于该范围(T1，T2)之内的TCP的合适聚结剂，可控制所述淤浆且因此反应产物中的气泡形成和聚结。还可以以使得所述聚结剂可基于超过或不超过的TCP而活化或失活的方式控制所述淤浆的温度。
如上所述，T1可变化。这可基于灰泥温度和/或水温度而发生，且该条件可基于天，尤其是基于季节而变化。T1的最大影响因素通常为用于形成所述淤浆的灰泥的温度。为了形成灰泥，开采、干燥、压碎和煅烧天然石膏以形成灰泥。因此，提供以形成所述淤浆的灰泥的温度可根据自煅烧起经历的时间以及在添加至混合器之前所述灰泥储存的储存条件而变化。基于这些因素，可选择对各场所、淤浆的T1和/或T1和T2的范围而言具有合适TCP的聚结剂。
在特定的生产场所，淤浆的T1和淤浆的温度范围可通过各种方式评估，例如通过猜测和检查、通过参考至少一种先前在该场所形成的淤浆的历史温度数据而计算所述反应的温度范围、根据Hess定律计算所述反应的温度范围等。一旦确定特定生产场所的淤浆的T1和温度范围(T1，T2)，就可使用具有所需TCP的合适聚结剂。
在特定实施方案中，所述聚结剂包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物(即PO/EO嵌段共聚物)。合适嵌段共聚物的具体实例包括：例如通过在氧化丙烯(PO)与丙二醇的缩合产物上加成氧化乙烯(EO)而获得的直链嵌段聚合二醇；和例如通过将氧化乙烯加成至乙二醇以提供具有指定分子量的亲水物且加成聚氧化丙烯以在所述分子外部获得疏水嵌段从而获得的反向嵌段共聚物。
将所述共聚物PO/EO/PO的疏水嵌段和亲水嵌段反转形成了类似于规整EO/PO/EO嵌段共聚物的表面活性剂，然而具有一些显著的差异。不受限于任何特定理论，据信尽管EO/PO/EO直链嵌段共聚物倾向于获得更好的乳化剂和分散剂且涵盖更宽范围的分子量，然而反向嵌段共聚物(即PO/EO/PO嵌段共聚物)具有更低的发泡性、更高的消泡性和降低的胶凝倾向。此外，反向嵌段共聚物通常由仲羟基封端，与通常封端EO/PO/EO直链嵌段共聚物的伯羟基相比，所述仲羟基具有更低的反应性和酸性。这些嵌段共聚物在本领域中也可称为泊洛沙姆或三嵌段共聚物。在特定实施方案中，所述聚结剂包含商购自BASF Corporation，Florham Park，New Jersey的嵌段共聚物表面活性剂。
在其他实施方案中，所述聚结剂包括烷氧基化醇，如脂肪醇烷氧基化物。示例性非离子表面活性剂为高和低泡表面活性剂，如烷氧基化高级醇，其中所述醇含有6-18个碳原子，且低级氧化烯(2或3个碳原子)的摩尔数为3-12。示例性非离子表面活性剂包括获自BASF Corporation的低泡表面活性剂。这些表面活性剂通常为直链和/或支化醇与氧化丙烯和氧化乙烯的混合物的反应产物，其包含被羟基封端的氧化丙烯与氧化乙烯的混合链。具体实例包括与6-12摩尔氧化乙烯和3摩尔氧化丙烯缩合的C6-C10脂肪醇。
在特定实施方案中，所述聚结剂为EO/PO嵌段共聚物。在其他实施方案中，所述聚结剂为EO/PO反向嵌段共聚物。在其他实施方案中，所述聚结剂为醇烷氧基化物。在其他实施方案中，所述聚结剂为直链(EO/PO/EO)和/或反向(PO/EO/EO)嵌段共聚物和/或醇烷氧基化物的组合。所述聚结剂在本领域中也可称为非离子表面活性剂。
所述聚结剂通常具有约1-约31或约1-约15的亲水-亲油平衡值(HLB)。如果使用的话，所述EO/PO嵌段共聚物通常具有约7-约15的亲水-亲油平衡值(HLB)。如果使用的话，所述EO/PO反向嵌段共聚物具有约1-约7的亲水-亲油平衡值(HLB)。
所述聚结剂通常具有约1000-约4000平均分子量。如果使用的话，所述EO/PO嵌段共聚物通常具有约2000-约3500平均分子量。如果使用的话，所述EO/PO反向嵌段共聚物通常具有约2000-约3500平均分子量。
所述聚结剂通常具有约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)或亲水嵌段含量，基于100份聚结剂分子。如果使用的话，所述EO/PO嵌段共聚物通常具有约20-约45重量%的EO含量。如果使用的话，所述EO/PO反向嵌段共聚物通常具有约20-约45重量%的EO含量。
所述聚结剂可以以不同量使用。所述聚结剂通常以约0.01-约1.0磅/1000平方英尺(msf)，约0.05-约0.5磅/msf或约0.10-约0.25磅/msf的量存在于所述淤浆中。所述发泡剂和聚结剂通常以约20:1-约3:1，约7.5:1-约5:1或约7:1-约6:1的重量比存在于所述淤浆中。
所述淤浆还可含有添加剂组分。所述添加剂组分可包括任意种类的添加剂。合适的添加剂实例包括所引入的参考文献中所述的那些，以及淀粉、促进剂、纤维(如纸和/或玻璃纤维)、钾碱、粘土、硼酸、增塑剂、阻燃剂、防霉剂、增稠剂、分散剂或其组合。所述添加剂组分可以以不同量使用且可包含一种或多种上述添加剂。特定添加剂的具体用量可参考下文实施例部分而得知。所述添加剂可以以高于或低于其中具体描述的那些量的量使用。
所述淤浆可通过常规方法形成。该类方法的实例和用于形成所述淤浆的装置描述于所引入的参考文献中。所述淤浆通常使用混合器或输送机形成。提供所述淤浆的各组分并添加至混合器中。所述混合器通常具有一个或多个进料口，例如用于干组分如烧石膏的进料口，和一个或多个用于湿组分如水和泡沫的进料口。将所述组分在混合器中混合以形成(发泡的)淤浆。可将各组分在不同时间且以不同组合添加至所述混合器中。
所述聚结剂可作为添加至所述淤浆中的水的一部分添加，例如作为用于形成所述淤浆的拌合用定量水、纸浆水或泡沫水的一部分。还可将所述聚结剂经由淤浆出料口的导管添加至所述淤浆中，从而使得当淤浆通过所述淤浆出料口时，将聚结剂添加至所述淤浆中，此时淤浆沉积在覆板上。还可将所述聚结剂直接添加至混合器和/或泡沫发生器中。所述聚结剂可作为纯净物或作为稀释液的一部分添加至所述淤浆中。如果使用的话，可以以类似方式添加其他添加剂组分。
如上所述，一旦烧石膏与水接触，它们通常就开始反应以形成反应产物。所述发泡剂在淤浆中形成多个气泡，即由所述发泡剂形成的泡沫在所述淤浆中形成多个气泡。通常经过一段时间之后，例如在所述淤浆的温度达到聚结剂的TCP之后，所述聚结剂开始使所述淤浆中的多个气泡聚结。通常将淤浆供至其上置有覆板的输送机。成型板撇去发泡的淤浆，从而使得反应产物具有一定的厚度。
所述聚结剂的延迟聚结作用允许淤浆通过成型板而不损失其体积。如果所述发泡的淤浆消泡过快，则通常损失其初始体积且需要更多的泡沫以保持维持淤浆厚度(这最终转化为由其形成的反应产物/石膏层的厚度)所必需的体积。此外，即使当一些气泡继续坍塌或聚结时，所述泡沫和聚结剂的组合以及所得的石膏基体和气泡也基本上保持石膏层固化时的厚度。在特定实施方案中，例如在成型板之前、在成型板处和/或在成型板之后，所述聚结剂基本上开始聚结由邻近成型板的泡沫形成的气泡。通常将所述淤浆输送通过成型板。
由所述泡沫形成的气泡和聚结剂的组合在石膏层中形成了多个气泡。所述气泡通常具有约150-约800微米，约200-约700微米或约300-约600微米的平均直径。
通常将第二覆板施加至所述石膏层上以形成石膏板；然而，所述石膏板也可仅具有正好一个覆板和石膏层。可将所述覆板折叠以包封所述石膏层的边缘。所述石膏层通常夹在所述覆板之间。所述覆板可由不同材料如纸或玻璃纤维形成。所述覆板可彼此相同或不同，且可称为面板和背板。合适覆板的实例描述于所引入的参考文献中。某些类型的覆板可具有赋予所需阻燃性和防霉性的添加剂或填充物。
可向所述石膏板施加热量以从石膏层中移除残留的水。可使用各种移除残留水的方法，例如通过使用干燥机或干燥室。可使用特定分散剂/增塑剂以降低水量，因此降低生产石膏板所需的最终干燥时间/能量。
最后，可将所述石膏板切成不同长度。所述石膏板的尺寸通常包括约48英寸(～120cm)至约52英寸(～137cm)的宽度，和1/4英寸(～6mm)至约1英寸(～25mm)、约1/2英寸(～13mm)至约5/8英寸(～16mm)或约1/4英寸至约3/8英寸(～10mm)的厚度。可生产具有不同边缘的石膏板，例如使用两种不同的边缘处理方法：斜切边缘，其中斜切所述板的长边以在前端具有宽斜面，从而使得待涂饰的嵌缝材料与主板面贴合；和在整个表面容纳涂饰性灰泥的薄涂层(罩面层)时，使用平边。本发明不限于任意特定尺寸或结构的石膏板。
所述石膏板可具有不同物理性质。相对于相同总体尺寸的常规石膏板而言，所述石膏板通常由于其中所限定的气泡而具有减轻的重量。据信所述石膏板还具有接近或者甚至超过相同总体尺寸的常规石膏板强度的强度。
由该淤浆生产的石膏板重量取决于该板的厚度。例如1/2英寸厚的石膏板通常具有小于约1500磅/1000平方英尺(msf)，约1200-1400磅/msf或约1200-1350磅/msf的重量。所述石膏板还应具有足够的强度和纸-芯粘合强度以满足ASTM C1396对墙板的所设定的要求。该类特性通过各种不同的衡量指标衡量，包括但不限于拔钉强度、潮湿变形、压缩强度和潮湿纸芯粘合完整性。
尽管本文已泛泛描述了石膏淤浆和板，本发明的聚结剂也可用于其他工业中，包括但不限于水泥工业、砂浆(石工)工业和路面工业。本发明的聚结剂尤其可用于其中希望策略性夹带空气泡的任意组合物中。该类组合物可包括混凝土组合物，包括通常包含水泥(如卜特兰水泥)、水、集料和任选的本领域已知的其他常规添加剂的混凝土组合物。水泥组合物及其组分的实例描述于美国专利6,489,381；美国专利4,772,328；美国专利4,018,618；美国专利6,545,067；美国专利6,803,396；美国公开号2002/0132946；美国专利4,018,618；美国专利7,008,990；美国专利7,399,355；美国专利7,655,710；美国专利7,855,260；美国专利7,612,150；美国专利7,202,319；美国公开号2010/0210761；美国公开号2007/0227404；美国专利6,617,387；美国专利6,803,396；美国专利5,258,072；美国专利6,809,148；美国专利6,656,994；美国专利5,258,072和美国专利5,783,549中；其公开内容通过引用全部并入本文中，条件是所引入的公开内容不与本发明的一般范围冲突。
应理解的是可对下文实施例做出许多改变，同时仍获得相同或相似的结果。因此，示意本发明淤浆和石膏板的实施方案的下文实施例旨在阐述而非限制本发明。
实施例
淤浆和石膏板的实施例使用常规方法形成。参照附图，可知晓不同石膏芯和石膏板的横截面。如附图所示，相对于对照/对比石膏芯和石膏板而言，使用本文所公开的淤浆生产的本发明石膏芯和石膏板含有更大的气泡。
图1一般性地显示了聚结剂对由在石膏板生产厂进行的试验获得的石膏芯中的气泡的影响。正如所示的那样，所述石膏芯含有大气泡和位于所述气泡之间的厚石膏壁。
下表I显示了在添加本文所公开的聚结剂之后的拔钉结果。如该表所示，板重基本上与1/2英寸石膏板相同，但拔钉强度提高约17%。据信该强度提高由图1所示的气泡结构所导致。
表I
对照1 实施例1
板重量(磅/msf) 1595 1598
发泡剂1(磅/msf) 0.66 0.77
聚结剂1(磅/msf) 0.0 0.07
拔钉(lbf) 82 96
发泡剂1为商购自Stepan Company的醚硫酸铵。
聚结剂1为商购自BASF Corporation的EO/PO反向嵌段共聚物，其具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)和约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)(基于100重量份所述反向EO/PO嵌段共聚物)。
下表II显示了具有和不具有本发明聚结剂的其他实施例。还使用各种添加剂。
表II
聚结剂2为商购自BASF Corporation的EO/PO反向嵌段共聚物，其具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)和约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)(基于100重量份所述反向EO/PO嵌段共聚物)。
促进剂为球磨促进剂，将其以干状态供入所述淤浆中。
纤维素醚为商购自AkzoNobel Corporation的乙基羟乙基纤维素。所述纤维素醚起增稠剂作用且有助于调节淤浆的流动性。将其以干状态供入淤浆中。
所述普通淀粉为酸改性的玉米淀粉，将其以干状态供入所述淤浆中。
所述水包括纸浆水、拌合用定量水和泡沫水。所述纸浆水可为约180磅/msf，泡沫水可为约100-约525磅/msf，且拌合用定量水可为约220-约660磅/msf。
其他益处可通过参照表II和附图得知。例如，可更好地理解对照3(～50至300微米)和实施例2(～400至800微米)之间的气泡尺寸的不同。据认为实施例2具有优异的气泡结构和物理性质。如上所述，据信这些物理性质由本发明的聚结剂提供，尤其是当聚结作用延迟从而使得在经过一段时间之后才开始作用，例如所述淤浆位于输送机之上和/或位于成型板处。聚结作用可在所述淤浆形成之后且反应产物固化之前的任意时间处开始。可使用两种或更多种不同的聚结剂，从而使得可利用两种或更多种聚结作用和相应的时间段。
图7-12显示了石膏板的其他对照和本发明的实施例。所述石膏板在美国的不同生产场所生产。图7的石膏板含有基于100份相应发泡剂为约10重量%的聚结剂2，图9、11和12的石膏板各自含有基于100份相应发泡剂为约25重量%的聚结剂2。如这些图所示，相对于对照板，本发明石膏板具有优异的气泡结构。
如图所述，就气泡结构而言，当所述气泡越大且离散时，气泡之间的固体分(包括石膏)越宽。据信该气泡结构延缓了在进行拔钉试验时石膏芯中的裂纹扩展。还据信石膏芯中越大且离散的气泡在所述板/石膏芯界面处具有越多的石膏晶体或越少的气泡，从而获得更好的纸-芯粘合性。还据信所述石膏芯中的气泡尺寸分布越窄，则气泡之间的空间越大，这导致拔钉强度越高。
应理解的是所附权利要求不限于描述发明详述中所述的特定化合物、组合物或方法，其可在落入所附权利要求范围内的特定实施方案之间变化。就本文所存在的用于描述各实施方案的特定特征或方面的任意马库什组而言，应理解的是可独立于所有其他马库什成员由相应马库什组的各成员获得不同的、特定的和/或预料不到的结果。马库什组的各成员可单独存在和/或组合，并为所附权利要求范围内的特定实施方案提供足够的支持。
还应理解的是用于描述本发明各实施方案的任何范围和子范围独立和集合地落入所附权利要求的范围之内，且应理解为描述和设想包括其中的整数和/或分数值的所有范围，即使本文没有明确写明该值。本领域技术人员容易地知晓所列数值范围和子范围充分描述本发明的各实施方案且使其能够实施，且该范围和子范围可进一步划分成相关的1/2、1/3、1/4、1/5等。仅作为一个实例，范围“0.1-0.9”可进一步划分成较低的1/3，即0.1-0.3；中间的三分之一，即0.4-0.6；和较高的三分之一，即0.7-0.9，其独立且集合地落入所附权利要求的范围内，且可独立和/或集合地存在且为所附权利要求范围内的特定实施方案提供足够的支持。
此外，就限定或修饰范围的语言如“至少”、“大于”、“小于”、“不大于”等而言，应理解的是该语言包括子范围和/或上限或下限。作为另一实例，范围“至少10”本身包括至少10至35的子范围，至少10至25的子范围，25-35的子范围等，且各子范围可独立和/或集合地存在并为所附权利要求范围内的特定实施方案提供足够的支持。最后，可存在处于所公开的范围内的单独值且为所附权利要求范围内的特定实施方案提供足够的支持。例如，范围“1-9”包括各个单独的整数如3，以及包括小数点的单独数值(或分数)如4.1，其可存在且为所附权利要求范围内的特定实施方案提供足够的支持。
此处已以示意性方式描述了本发明，应理解的是所用的术语旨在描述该词语的特性，而非限制。鉴于上述教导，本发明的许多改进和变型是可能的。本发明可以以除落入所附权利要求的范围内的具体描述的方式以外的方式实施。此处明确公开了独立和从属权利要求(单一从属权利要求和多项从属权利要求)的所有组合的主题。

Claims (48)

1.一种石膏板，其包括覆板和位于所述覆板之上的石膏层，所述石膏层限定了多个分散于其中的气泡且包含如下物质的反应产物：
烧石膏；和
水；
其中在所述烧石膏与水之间发生放热反应，所述反应产物在形成过程中具有初始温度(T1)至峰值温度(T2)的温度；
所述反应在如下物质存在下进行：
发泡剂，其包含用于产生泡沫从而在所述反应产物中形成多个气泡的表面活性剂；和
聚结剂，其具有处于所述反应产物的初始温度(T1)与峰值温度(T2)之间的浊点(TCP)；
其中在所述反应产物的温度达到所述聚结剂的浊点(TCP)之后，所述聚结剂聚结所述反应产物中的多个气泡，由此在所述石膏层中由通过所述泡沫产生的多个气泡形成多个气泡。
2.如权利要求1所述的石膏板，其中所述聚结剂具有根据ASTMD2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)。
3.如权利要求1或2所述的石膏板，其中在形成过程中，所述反应产物的初始温度(T1)为约21.0-约52.0℃，且所述反应产物的峰值温度(T2)为约43.0-约74.0℃。
4.如权利要求1、2或3所述的石膏板，其中所述发泡剂和所述聚结剂以约20:1-约3:1的重量比存在。
5.如权利要求1-4中任一项所述的石膏板，其中所述聚结剂具有根据ASTM D2024为约18.0-约60.0℃的浊点(TCP)。
6.如权利要求1-5中任一项所述的石膏板，其中所述聚结剂包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物。
7.如权利要求6所述的石膏板，其中所述EO/PO嵌段共聚物各自具有约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)，基于100重量份所述EO/PO嵌段共聚物。
8.如权利要求6或7所述的石膏板，其中所述聚结剂为所述反向EO/PO嵌段共聚物。
9.如权利要求1-5中任一项所述的石膏板，其中所述聚结剂包括醇烷氧基化物。
10.如权利要求1-9中任一项所述的石膏板，其中所述聚结剂以约0.01-约1.0磅/1000平方英尺(msf)所述石膏板的量存在。
11.如权利要求1-10中任一项所述的石膏板，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括硫酸盐或磺酸盐。
12.如权利要求1-11中任一项所述的石膏板，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括醚硫酸铵。
13.如权利要求1所述的石膏板，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括醚硫酸铵，且所述聚结剂为反向EO/PO嵌段共聚物，其中所述反向EO/PO嵌段共聚物具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)和约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)，基于100重量份所述反向EO/PO嵌段共聚物。
14.如权利要求13所述的石膏板，其中所述发泡剂和所述聚结剂以约7.5:1-约5:1的重量比存在。
15.如权利要求13所述的石膏板，其中所述发泡剂以约0.1-约2.0磅/1000平方英尺(msf)所述石膏板的量存在，且所述聚结剂以约0.05-约1.0磅/1000平方英尺(msf)所述石膏板的量存在。
16.如权利要求1-13中任一项所述的石膏板，其中所述发泡剂以约0.1-约2.0磅/1000平方英尺(msf)所述石膏板的量存在。
17.如权利要求1-16中任一项所述的石膏板，其还在至少一种的添加剂组分存在下形成，所述添加剂组分包括淀粉、促进剂、玻璃纤维、钾碱、增稠剂、硼酸或其组合。
18.如权利要求1-17中任一项所述的石膏板，其中所述水和所述烧石膏以约0.5-约1.5的重量比反应。
19.如权利要求1-18中任一项所述的石膏板，其中所述多个气泡具有约200-约800微米的平均直径。
20.如权利要求1-19中任一项所述的石膏板，其具有小于约1500磅/1000平方英尺(msf)的重量。
21.如权利要求1-20中任一项所述的石膏板，其进一步包括与所述覆板隔开的第二覆板，从而使得所述石膏层夹在所述覆板之间。
22.一种形成用于生产石膏板的石膏层的淤浆的方法，所述方法包括如下步骤：
提供烧石膏；
提供水；
提供由包含表面活性剂的试剂预先形成的泡沫；
提供具有浊点(TCP)的聚结剂；和
将所述烧石膏、水、泡沫和聚结剂混合以形成淤浆，其中烧石膏与水经历放热反应，且所述泡沫在所述淤浆中形成多个气泡；
其中所述淤浆具有初始温度(T1)至峰值温度(T2)的温度；和
其中所述聚结剂的浊点(TCP)处于所述淤浆的初始温度(T1)和峰值温度(T2)之间，从而使得在所述淤浆的温度达到所述聚结剂的浊点(TCP)之后，所述聚结剂使所述淤浆中的多个气泡聚结，由此在所述石膏层中由通过所述泡沫产生的多个气泡形成多个气泡。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述聚结剂具有根据ASTMD2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)。
24.如权利要求22或23所述的方法，其中所述淤浆的初始温度(T1)为约21.0-约52.0℃，且所述淤浆的峰值温度(T2)为约43.0-约74.0℃。
25.如权利要求22-24中任一项所述的方法，其中所述发泡剂和所述聚结剂以约10:1-约5:1的重量比存在。
26.如权利要求22-25中任一项所述的方法，其中所述聚结剂具有根据ASTM D2024为约18.0-约60.0℃的浊点(TCP)。
27.如权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述聚结剂包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述EO/PO嵌段共聚物各自具有约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)，基于100重量份所述EO/PO嵌段共聚物。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中所述聚结剂为所述反向EO/PO嵌段共聚物。
30.如权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述聚结剂包括醇烷氧基化物。
31.如权利要求22-30中任一项所述的方法，其中所述聚结剂以约0.05-约1.0磅/1000平方英尺(msf)所述淤浆的量存在。
32.如权利要求22-31中任一项所述的方法，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括硫酸盐或磺酸盐。
33.如权利要求22-31中任一项所述的方法，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括醚硫酸铵。
34.如权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述发泡剂的所述表面活性剂包括醚硫酸铵，且所述聚结剂为反向EO/PO嵌段共聚物，其中所述反向EO/PO嵌段共聚物具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)和约10-约50重量%的氧化乙烯(EO)，基于100重量份所述反向EO/PO嵌段共聚物。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述发泡剂和所述聚结剂以约7.5:1-约5:1的重量比存在于所述淤浆中。
36.如权利要求34或35所述的方法，其中所述发泡剂以约0.5-约2.0磅/1000平方英尺(msf)所述淤浆的量存在，且所述聚结剂以约0.05-约1.0磅/1000平方英尺(msf)所述淤浆的量存在。
37.如权利要求22-33中任一项所述的方法，其中所述发泡剂以约0.5-约2.0磅/1000平方英尺(msf)所述淤浆的量存在。
38.如权利要求22-37中任一项所述的方法，进一步包括在所述混合步骤之前将一部分水和与所述烧石膏分离的发泡剂预混的步骤。
39.如权利要求22-38中任一项所述的方法，进一步包括在所述混合步骤之前将一部分水和与所述烧石膏分离的聚结剂预混的步骤。
40.如权利要求22-39中任一项所述的方法，进一步包括提供添加剂组分的步骤，从而使得所述混合步骤进一步定义为将烧石膏、水、泡沫、聚结剂和添加剂组分混合以形成淤浆。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述添加剂组分包括淀粉、促进剂、玻璃纤维、钾碱、增稠剂、硼酸或其组合。
42.如权利要求22-41中任一项所述的方法，进一步包括提供第二覆板并将所述第二覆板与所述覆板相对地施加至所述石膏层上从而使得所述石膏层夹在所述覆板之间的步骤。
43.如权利要求22-42中任一项所述的方法，进一步包括向所述石膏板施加热量以便从所述石膏层中移除残留水的步骤。
44.一种生产石膏板的方法，所述方法包括如下步骤：
提供覆板；
提供烧石膏；
提供水；
提供由发泡剂预先形成的泡沫；
提供聚结剂；
在混合器中将所述烧石膏、水、泡沫和聚结剂混合以形成淤浆，其中所述泡沫在所述淤浆中形成多个气泡；和
将所述淤浆由所述混合器施加至所述覆板上从而在所述覆板上形成石膏层；
其中在所述淤浆位于所述覆板上之后，所述聚结剂开始使所述多个气泡聚结，从而使得所述石膏层限定多个分散于其中且由所述泡沫和聚结剂形成的气泡。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述覆板和淤浆由所述混合器运动至成型板，且在所述淤浆邻近所述成型板时，所述聚结剂开始使所述多个气泡聚结。
46.一种用于生产石膏板的淤浆，所述淤浆包含：
烧石膏；
水；
发泡剂，其包含用于产生泡沫以在所述淤浆中形成多个气泡的表面活性剂；和
聚结剂，其包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物和/醇烷氧基化物，其中所述聚结剂具有根据ASTMD2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)从而使得所述聚结剂使由所述泡沫形成的多个气泡聚结。
47.一种石膏板，其包括覆板和位于所述覆板之上的石膏层，所述石膏层限定了多个分散于其中的气泡且包含如下物质的反应产物：
烧石膏；和
水；
所述反应在如下物质存在下进行：
发泡剂，其包含用于产生泡沫从而在所述反应产物中形成多个气泡的表面活性剂；和
聚结剂，其包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物和/或醇烷氧基化物，其中所述聚结剂具有根据ASTMD2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)从而使得所述聚结剂使由所述泡沫形成的多个气泡聚结，由此在所述石膏层中形成多个气泡。
48.一种生产石膏板的方法，所述方法包括如下步骤：
提供覆板；
提供烧石膏；
提供水；
提供由包含表面活性剂的发泡剂预先形成的泡沫；
提供包括氧化乙烯-氧化丙烯(EO/PO)嵌段共聚物和/或反向EO/PO嵌段共聚物和/或醇烷氧基化物的聚结剂，其中所述聚结剂具有根据ASTM D2024为约16.0-约60.0℃的浊点(TCP)；
将所述烧石膏、水、泡沫和聚结剂混合以形成淤浆，其中所述泡沫在所述淤浆中形成多个气泡且所述聚结剂使所述多个气泡聚结；和
将所述淤浆施加至所述覆板从而在所述覆板上形成石膏层，其中所述石膏层限定了多个分散于其中且由所述泡沫和所述聚结剂形成的气泡。
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