CN103534424A - 防水纤维板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸声建筑材料和制造方法，其引入了均匀分散的反应性有机硅以改进防水性和物理性质。

Description

防水纤维板
技术领域
本领域涉及吸声建筑材料或纤维板及其制造方法，更特别地涉及具有增加的防水性和改进的物理性质的纤维板。纤维板包括均匀分散于板构造内的反应性有机硅。
背景技术
吸声建筑材料或纤维板可为如建筑业中熟知的天花板瓷砖、顶棚镶板、墙板或墙面贴砖的形式。所述板可由纤维、填料、粘结剂和其他成分的浆料制得。
如本领域已知，通常在水制毡过程中使用浆料而制得板。纤维、填料、粘结剂和其他成分的分散体流动至移动多孔载体(如长网成型机)上以进行脱水。分散体首先通过重力，然后通过真空吸引而进行脱水。湿底垫在加热对流干燥烘箱中干燥，经干燥的材料切割至所需尺寸并任选地涂布以制得吸声面板和吸声瓦。
为了方便，特别地关于常用作体墙(cubical wall)中的隔墙或其他房间隔板的类型的墙板如下描述本发明。通常使用水基粘合剂将墙覆盖材料(wallcovering)施用至隔墙。
已知提供墙板作为包括由基本纤维(base fiber)、填料和粘结剂制得的底垫或芯部的纤维板结构。基本纤维通常为矿物纤维，如矿物棉或玻璃纤维。另外，可使用有机纤维。通常，有机纤维为回收新闻用纸形式的纤维素纤维。填料通常为珍珠岩、粘土、碳酸钙或灰泥(石膏)。粘结剂通常为淀粉、胶乳或类似材料。这些材料或成分在水性浆料中组合，并在如上所述的水制毡过程中加工。当干燥时，粘结剂与其他材料形成结合以提供纤维网络，所述纤维网络为芯部提供强度和刚性。
为了用作典型的隔墙，芯部应该具有足够的强度和刚性以在使用过程中在其面板构造中保持平面。优选地，面板密度足以提供与内部结构墙相关的团结感。例如，墙密度应该大于约16磅/ft3(pcf)。
除了这些物理特性之外，隔墙应该显示出足以承受在随后的墙面整饰和/或墙面使用应用中所施加的液体接触的防水性。然而，所述构造往往为多孔且亲水性的，易受湿气吸收和施用至墙表面的液体进入的影响。通常将墙覆盖材料(如织物)粘合性地施用至隔墙表面，以提供所需的美学外观。
通常，使用水基粘合剂施用织物或其他墙覆盖材料。已发现面板的吸水性或水的天然吸收妨碍获得墙覆盖材料与面板之间的所需的强的粘合性结合。在不充分粘附的许多情况中，据信水基粘合剂通过吸收或摄取至面板中而过早从粘附界面去除，而不会形成强的粘合性结合。
为了延迟水基粘合剂的进入并提供更好的结合，胶粘剂与面板一起使用以充当防水剂。典型的胶粘材料包括纸张胶粘材料，如咪唑烷酮反应性胶粘剂。
如上胶粘剂改进了墙覆盖材料与隔墙之间的结合，但它们并非完全令人满意的，因为需要相对较大量的产品以获得效力。此外，先前的试剂的特征在于在干燥或固化过程中不合意水平的挥发性有机组分或VOC。另外，这些产品的MSDS指示分别包括0.3％和0.113％的甲醛含量。
尽管目前的产品在可应用的标准内，但合意的是在加工和最终产品中降低VOC和甲醛。例如，咪唑烷酮基胶粘剂贡献VOC，并据信是在生产工厂排放系统处观察到的“蓝雾”的原因。合意的是降低或消除雾。在任何情况中，咪唑烷酮试剂可贡献过程VOC和产品甲醛。
美国专利5,964,934教导了可通过最初用有机硅喷涂珍珠岩，并在高温下干燥经处理的珍珠岩以固化有机硅，从而降低包含于吸声瓦的组合物中的膨胀珍珠岩的保水性。可使用水制毡过程将含有经处理的珍珠岩的组合物成型为吸声瓦。含有经有机硅处理的珍珠岩的底垫的保水性得以降低，而不影响所得瓷砖的物理性质。保水性的降低表示能够增加生产线速度。
美国专利5,539,028公开了将包含聚甲基氢硅氧烷(PMHS)的有机硅流体掺入用于形成纤维板的浆料中，以改进耐水性而不影响板的物理性质。纤维板可含有矿物纤维、非纤维无机填料、有机纤维和粘结剂(如淀粉)。
发明内容
已发现，可将反应性添加剂掺入吸声建筑材料或纤维板中以改进防水性。所述反应性添加剂也改进材料或板的物理性质。
反应性添加剂可以以相对较低的水平包含于隔墙成分中以提供防水性。此外，所获得的防水性水平足以提供随后的使用水基粘合剂施用的墙覆盖材料的改进的粘附。所述添加剂均匀分散于用于形成芯部或底垫的水性浆料中，以提供所需的防水性。
所述反应性添加剂包括反应性有机硅或有机硅流体，特别是具有聚二甲基硅氧烷主链的那些，所述聚二甲基硅氧烷主链具有取代的反应性侧链和/或末端。例如，亲水性侧链，如聚醚侧链。一种优选的有机硅包括α-异-十三烷基-ω-羟基聚乙二醇醚侧链。另一优选的有机硅具有类似的聚醚侧链，并进一步包括氨基官能化的聚二甲基硅氧烷。
也已发现，反应性有机硅在浆料组合物中的均匀分散提供了优于咪唑烷酮试剂的所需防水性。此外，已发现反应性有机硅由于更低的使用和增加的效力而降低了在墙板应用中的防水处理的成本。
反应性有机硅也改进了面板的机械性质。特别地，获得了特征在于增加的断裂模量(MOR)和球印硬度的改进的强度。由于聚甲基氢硅氧烷(PMHS)有机硅的现有技术使用不产生改进的面板物理性质，因此这是最出乎意料的。另外，在获得防水性的所需有机硅水平下未观察到对其他物理性质的不利影响。
已发现，反应性有机硅在也提供改进的物理性质的浓度下提供用于如上粘附目的的所需防水性。因此，所得隔墙具有增加的防水性和改进的强度，如由增加的断裂模量所示。
此外，反应性有机硅往往降低(如果不消除的话)与加工相关的不利的VOC排放。实际上，优选的有机硅的特征在于固化时的水副产物，以显著消除所有有机物排放。
在典型的组合物中，纤维和填料组分构成主要成分。然而，可使用多种成分。例如，如下图表总结了典型的天花板和墙组合物。应了解，组合物可含有如下表所列的示例性类型的纤维、填料、粘结剂或反应性有机硅中的一种或多种。除非通过评述或上下文另外指出，否则本文的百分比为基于固体的重量百分比。
Figure BDA0000403458530000041
纤维、填料和粘结剂组分以已知的方式以约3％至6％固体的水平在水性浆料中组合。将反应性有机硅添加并均匀共混至浆料中。存在于有机硅中的亲水性基团提高了有机硅的均匀分布以及纤维和填料浆料成分的完全渗透和润湿。
具体实施方式
本文感兴趣的隔墙或墙板包括基本纤维，所述基本纤维通常为矿物纤维，如矿物棉或玻璃纤维。另外，可使用诸如衍生自回收新闻用纸的纤维素纤维的有机纤维。填料通常为珍珠岩、粘土、碳酸钙或灰泥。粘结剂通常为淀粉、胶乳或类似材料。这些材料或成分通常在水性浆料中组合，并在如上所述的水制毡过程中加工。
评价多种防水剂或胶粘剂，以解决在随后的使用水基粘合剂施用墙覆盖材料的过程中遇到的粘附问题。另外，确定防水剂或胶粘剂对加工和VOC及甲醛的最终使用水平的贡献。被评价的试剂包括如下市售产品。
·咪唑烷酮A-一种咪唑烷酮反应性胶粘剂。所述胶粘剂作为含有45％固体的乳状液提供，其在约0.75％(以干燥原料重量计)的添加速率下进行评价。
·咪唑烷酮B-一种咪唑烷酮反应性胶粘剂。所述胶粘剂作为含有30％固体的乳状液提供，其在约1.125％(以干燥原料重量计)的添加速率下进行评价。
·SILRES BS1042为一种作为含有60％固体的乳状液由瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)提供的反应性PDMS。有机硅具有α-异-十三烷基-ω-羟基聚乙二醇醚侧链，且固化副产物为水。
·SILRES BS1306为一种作为含有55％固体的乳状液也由瓦克化学公司(Wacker Chemie AG)提供的反应性PDMS。有机硅具有α-异-十三烷基-ω-羟基聚乙二醇醚侧链和氨基官能侧链。固化副产物为甲醇。
·PARAFFIN WAXA-一种非固化石蜡乳状液。
·PARAFFIN WAX B-一种非固化石蜡乳状液。
Tappi板制造工序
使用如下配方制备三个墙板Tappi板：35％矿物棉；30％珍珠岩；18％回收新闻用纸；13％玉米淀粉和4％粘土。原料稠度为4.5％固体，将0.08％絮凝剂添加至浆料。板成型为具有0.5”厚度和17磅/ft.3(pcf)的目标密度。可根据16pcf至24pcf的产品密度和约3/8”至约3/4”的厚度模拟不同级别的墙板。
在形成Tappi板之后，湿板在600°F下在空气循环烘箱中干燥45分钟。之后，干燥在300°F下3小时完成。将Tappi板切割成3″x10”和4”x4”样品并测试。
测试工序
MOR和球印硬度测量在APL Instron(1130型)上进行。使用3”x10”样品用于MOR测量。在硬度测试中，以恒定速率将2”直径钢球压至板中1/8”的深度，记录最大的力。
使用4″x4″方形样品用于吸水测试。首先单独称重样品，然后将样品浸入70°F自来水中并在水面以下大约6-8英寸的深度处保持1小时。在1小时之后，从水中取出样品，并在通过用干纸巾轻拍而去除过量的表面水之后再称重样品。
绝对水吸收表示为每个样品浸入前后的重量差。百分比水吸收为经吸收的水相比于测试样品的初始干重的百分比。
测试结果记录于下表1中。
表1：
Figure BDA0000403458530000061
Figure BDA0000403458530000071
1基于浆料中的固体
参照表1，全部测试结果显示了即使在所用的低浓度下有机硅作为防水剂的效力。另外，相比于对照物和蜡基产品，存在MOR值的增加。有机硅未不利影响板的物理性质。
如上所述制备三个Tappi板以评价VOC加工和最终产品水平特性。板组合物包含如下成分：35％矿物棉；30％珍珠岩；18％回收新闻用纸；13％玉米淀粉和4％粘土。原料稠度为4.5％固体，添加大约0.08％的絮凝剂。板成型为具有0.5”的厚度和23磅/ft.3(pcf)的目标密度。改变该配方以提供不含防水剂的Tappi板样品1、含有0.45％咪唑烷酮A的Tappi板样品2和含有0.12％SILRES BS1042的Tappi板样品3。
在形成湿Tappi板之后，从每个板上切割3.625”x5.5”样品，并在VOC排放测量之前将所述样品置入密封塑料容器中，并储存于约40F.下的冰箱中。
为了测量各种试剂的VOC贡献，使用ARCADIS牌烘箱系统。所述烘箱系统由用于接收和干燥小的(例如4″x6″)面板样品的电加热的机箱组成，并捕获烘箱空气用于分析。为此，所述烘箱系统也包括空气传输系统，所述空气传输系统用于将烘箱空气与样品排放物一起递送至用于测量总烃含量(THC)的分析器/检测器。水不包括在THC总数中。
将每个Tappi板样品置于烘箱中相同位置处，以在比较中避免不均匀加热的影响。对于每个样品，在约2小时5分钟的总测试持续时间的整个干燥过程中测量总烃含量(THC)浓度。以ppm计的THC浓度相对于以秒计的干燥时间作图。总VOC排放被认为是等于在相对于以秒计的干燥时间的THC曲线下的面积。在下表2中，以ppm-s计如下记录总VOC排放。
表2：
Figure BDA0000403458530000072
Figure BDA0000403458530000081
1基于浆料中的固体的湿重％。
相比于对照样品1，样品2(含有0.34％咪唑烷酮A)和样品3(含有0.12％SILRES BS1042)显示了增加的VOC。然而，样品3的VOC增加程度比样品2小得多。因此，尽管发现有机硅防水剂的添加增加了干燥过程中的VOC，但优选SILRES BS1042，因为其仅具有略微增加。尽管未测试，但预期咪唑烷酮B具有与咪唑烷酮A类似的VOC增加，因为它们化学上类似，并要求同样的添加速率。如所示，相比于咪唑烷酮A，BS1042提供了降低量的VOC。
试验生产工厂运行确定了反应性有机硅相比于咪唑烷酮反应性咪唑烷酮B的生产用途的优良性能。在试验运行中，在水制毡生产线上加工浆料，以比较BS1042和咪唑烷酮B。制备包含在如上优选范围内的典型百分比的矿物棉、珍珠岩、回收新闻用纸、玉米淀粉和粘土的浆料组合物。原料稠度为4.5％固体，将相同的絮凝剂添加至比较浆料。
使用1300加仑/分钟(gpm)的浆料流动速率。在试验运行中，以0.15gpm的速率添加BS1042(60％％固体)，并认为反应性有机硅以1.5wt％(基于存在于浆料中的全部固体)的浓度添加。在比较对照物运行中，咪唑烷酮B(30％固体)代替BS1042以0.40gpm的速率添加。在每个情况中，制得具有目标规格(厚度等于0.5”，密度为23pcf)的约75000ft2的墙板。(这些规格对应于商业产品的一种形式，如上所述，其他商业产品可具有不同的厚度和密度。)
在生产过程中监测工厂排放系统，以确定与防水剂的使用相关的在此之前的蓝雾。在工厂废气中未检测到蓝雾，这与关于BS1042如上观察到的低THC一致。
在工厂试验过程中观察到的另一优点是在制造掺入有机硅添加剂的墙板过程中浆料中降低的泡沫产生。通常，即使添加消泡剂，浆料加工也导致泡沫累积。有机硅试剂协助消泡剂，从而允许消除和/或降低使用其他防水剂(如咪唑烷酮B)所需的消泡剂添加剂的量。
进行与试验运行材料和对照材料相关的标准质量控制测试。测试结果在如下表3中记录。
表3：
Figure BDA0000403458530000091
1％可燃物等于燃尽的量。
2由4”x4”样品吸收的绝对水量。
如所示，相比于咪唑烷酮B，BS1042产生高得多的MOR结果。据信有机硅的反应性侧链与改进的强度相关。有机硅的亲水性侧链可产生水性浆料对底垫结构的改进渗透和润湿，由此增强底垫成分彼此之间和与经固化的有机硅之间的连接。
应明显的是本公开内容为举例的方式，可在不偏离本公开内容中所包含的教导的清楚范围下通过增加、修改或去除细节而进行各种改变。因此，除了局限于如下权利要求书所必须限制的程度之外，本发明不限于本公开内容的特定细节。

Claims (10)

1.一种具有增加的防水性以用于用水基粘合剂施用墙覆盖材料的隔墙，所述隔墙由纤维、填料、粘结剂和反应性有机硅化合物的水性浆料形成，所述反应性有机硅化合物均匀分散于整个所述水性浆料中以用于固化和与浆料成分相互作用，由此由所述水性浆料所形成的隔墙具有增加的防水性，以从而减少施用所述水基粘合剂时的吸水，并且相比于由除了所述反应性有机硅之外的相同成分同样形成的隔墙提高所述墙覆盖材料对所述隔墙的所得粘附。
2.根据权利要求1所述的隔墙，其中以所述水性浆料中的固体的总重量计，所述反应性有机硅为以约0.02wt％至约0.5wt％的量存在的聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的隔墙，其中所述反应性有机硅为具有水作为固化副产物的聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的隔墙，其中所述纤维选自矿物棉、玻璃纤维和纤维素纤维，所述填料选自珍珠岩、碳酸钙、粘土和灰泥，所述粘结剂选自淀粉和胶乳，且所述反应性有机硅为具有聚醚侧链的聚二甲基硅氧烷。
5.一种吸声建筑材料，其包括纤维、填料、粘结剂和反应性有机硅化合物的水性浆料的干燥产物，所述反应性有机硅化合物均匀分散于整个所述水性浆料中，所述有机硅固化并与浆料成分相互作用，由此相比于由除了所述反应性有机硅之外的相同成分同样形成的吸声建筑材料，所述吸声建筑材料具有增加的防水性和增加的机械性质。
6.根据权利要求5所述的建筑材料，其中以所述水性浆料中的固体的总重量计，所述反应性有机硅为以约0.02wt％至约0.5wt％的量存在的聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求5所述的建筑材料，其中所述反应性有机硅为具有水作为固化副产物的聚二甲基硅氧烷。
8.一种用于在水制毡过程中制备吸声建筑材料的连续方法，所述连续方法包括：形成包含纤维、填料、粘结剂和反应性有机硅的水性浆料；在所述水性浆料中均匀分散所述反应性有机硅，所述反应性有机硅包含趋于改进所述矿物纤维、填料和粘结剂的润湿和渗透的亲水性侧链；以及将所述浆料脱水和干燥以形成所述吸声材料，相比于由除了所述反应性有机硅之外的相同成分同样形成的吸声材料，所述吸声材料具有增加的防水性。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述反应性有机硅与所述成分相互作用，以提供所述吸声材料，相比于由除了所述反应性有机硅之外的相同成分同样形成的吸声材料，所述吸声材料具有增加的机械性质。
10.根据权利要求9所述的方法，其中以所述水性浆料中的固体的总重量计，所述反应性有机硅为以约0.02wt％至约0.5wt％的量存在的聚二甲基硅氧烷。
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