CN103596736A - 制造石膏产品的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

生产石膏产品的方法和系统，包括用于混合石膏和水的混合器以及进入系统的两个泡沫进料，其中所述泡沫进料各自包括不同气泡尺寸分布的泡沫。

Description

制造石膏产品的方法和装置
本发明涉及用于生产建造目的用(例如用在灰泥板等的制造中)的石膏灰泥(plaster)产品的制造方法和相关装置。
石膏是硫酸钙的天然存在形式，呈稳定的二水合物(CaSO4·2H2O)的形式。本文中使用的术语“石膏”是指处于那种稳定的二水合物状态的硫酸钙，且包括天然存在的矿物、合成得到的等同物、和通过灰墁(stucco)(硫酸钙半水合物)或无水石膏的水合所形成的二水合物材料。
石膏的性能使得它高度适用于工业和建筑灰泥以及其它建筑产品例如石膏墙板。它是丰富的和通常廉价的原材料，其通过相继的脱水和再水合步骤可以被浇铸、模塑或以其它方式形成为有用的形状。例如，石膏墙板(亦称作灰泥板或干式墙)是作为夹在纸盖片之间的凝固石膏芯形成的。
石膏通常是通过在相对低的温度(例如约120-170℃)下、通常在大气压下研磨和煅烧而制备的以用作灰泥。这产生部分脱水的石膏，典型的是呈β晶形的半水合物的形式，其通常具有不规则的晶体结构。β半水合物可通过如下用作建筑或建造材料：将其与水混合以形成含水灰墁浆料、糊料或分散体，然后使该浆料通过从含水介质重结晶而凝固。
已知在这样的石膏产品的制造中使用泡沫。由泡沫产生的气泡有助于降低石膏产品的重量以使该产品的运送和处理是更加成本有效的。气泡的大小和分布对于所生产的灰泥板的芯的机械性能具有影响。
泡沫通常通过利用一定量的产生泡沫的表面活性剂(其用水稀释且然后与经压缩的空气组合)来生产。然后将这种泡沫注入到通常是高剪切混合器的混合器中。
典型的泡沫产生器包括填充有孔隙空间受控的渗透性多孔介质(例如多孔玻璃或陶瓷的填充珠粒)的管。然后通过将发泡剂和空气流的共混物注入到该管中来生产泡沫。在这种情况下，然后通过优化施加到该管上的背压来控制所生产的泡沫的结构。这样的泡沫产生器称为静态泡沫产生器。典型的静态泡沫产生器描述在US4455271中，其通过引用并入本文。
其它泡沫产生器包括使水与发泡剂彻底混合以生产泡沫的内部旋转机构。在一些情况下，旋转叶片可配备有容许泡沫气泡(foam bubble)的成核的混合室。这些通常称为动态泡沫产生器。典型的动态泡沫产生器描述在US4057443中，其通过引用并入本文。
然而泡沫产生器在石膏产品生产线内的布置和使用对泡沫结构和最终形成石膏产品结构(例如灰泥板结构)的一部分的气泡的尺寸提供很少的控制。
WO2005/080294公开了生产具有所添加泡沫的受控的气泡尺寸和分布的石膏浆料的理念。其提出通过在两个不同的空气共混器中分离来自混合器的排出物可生成双峰分布。然后浆料的这些分离料流可在沉积至生产线传送带上之前再组合成一种浆料混合物。WO2005/080294涉及将石膏浆料用作液体以生成发泡浆料的理念。其提出在不添加水(其必然与预制泡沫一同而来)的情况下提供泡沫。然而，还是难以控制浆料内的泡沫气泡的大小和分布且因此在凝固灰泥板内产生的气穴(air pocket)的分布和大小。
US5484200(其通过引用并入本文)公开了使用第一混合器和与该第一混合器相比在相对低的剪切条件下操作的第二混合器。将泡沫引入第二混合器中，其减少空气的不均匀分布和因此在成品板产品中的空隙。
根据本发明，提供的是生产石膏产品的装置，其包括用于将石膏与水混合的混合单元和至少两个泡沫产生器，所述泡沫产生器各自生产不同的泡沫且均布置成将同时的单独的泡沫进料提供至该混合单元中。
通过提供来自两个不同的泡沫产生器的泡沫以在混合单元中与石膏和水混合，有可能独立地改变泡沫的某些特性，从而实现在石膏/水/泡沫浆料中改善的性能组合。优选地，该装置被构造成容许对所述至少两个泡沫产生器的每一个独立地控制泡沫产生过程的物理参数(例如温度、空气流和与泡沫的化学组成无关的其它参数)。此外，所述装置还可构造成容许独立地控制泡沫产生过程的某些化学参数(例如，表面活性剂类型和数量)。
相对于泡沫产生过程的化学参数的控制，泡沫产生过程的物理参数的控制是优选的，因为物理参数的控制不需要改变泡沫的配方(例如，通过使用额外的添加剂或改变泡沫的不同化学成分的相对量)。此外，通过优先于泡沫产生过程的化学参数来控制物理参数，有可能减少材料变化(例如杂质)对泡沫气泡尺寸的影响。
优选地，提供两个泡沫产生器，其各自布置成生产具有不同的空气体积分数的泡沫。这可例如通过如下实现：改变空气流入一个或两个泡沫产生器的速率、或在不同的操作温度下运行所述泡沫产生器。
例如，两个泡沫产生器中的第一个可适配成生产具有在100g/l-300g/l之间，优选200g/l-300g/l之间的密度的泡沫。这样的泡沫典型地称为高密度泡沫或湿泡沫。这样的泡沫被认为是相对稳定的，这意味着在已经产生泡沫后，泡沫内的空气气泡的尺寸和尺寸分布不显著改变或发展。
泡沫产生器中的第二个可适配成生产具有在20g/l-100g/l之间，优选30g/l-50g/l之间的密度的泡沫。这样的泡沫典型地称为低密度泡沫或干泡沫。这样的泡沫被认为是相对不稳定的，结果是在泡沫内最初形成的气泡易于合并，因此典型地获得大的气泡尺寸。由于其低的稳定性，这样的泡沫直至现在一直被认为是不适于混入到石膏浆料中，尤其是在工业规模(而不是实验规模)的生产期间。此外，已经发现当引入到石膏浆料中的泡沫完全由低密度、不稳定的泡沫组成时，难以实现均匀的重量轻的石膏产品。
通过向混合单元提供不同密度的泡沫，有可能实现对所得石膏产品的多孔结构的改善的控制。例如，低密度和高密度泡沫的混合物可容许将大的孔隙引入到最终的石膏产品中，同时减少与仅将低密度的不稳定泡沫混合到石膏浆料中相关的缺点。有效的是，使用两种不同的泡沫容许高密度泡沫的稳定性与低密度泡沫的高空气含量组合，以便提供可易于与石膏浆料混合的泡沫，同时将高水平的孔隙率引入至所得石膏产品中。
而且，使用具有不同的空气含量和密度的泡沫可提供在石膏产品(例如，灰泥板)内改善的气泡尺寸分布。特别是，据认为小气泡(在高密度泡沫中产生)和大气泡(在低密度泡沫中产生)的混合物可导致其中较小的孔隙填充较大的孔隙之间的间隙的石膏产品中的孔隙结构，从而有可能容许石膏产品的总孔隙率增大。
事实上，据认为对于给定的石膏产品密度，通过使用高密度和低密度泡沫所实现的多孔网络的改善可导致所得石膏产品的改善的机械性能。
典型地，将高密度泡沫和低密度泡沫以如下比率添加到石膏浆料混合物中：1份高密度泡沫对9份低密度泡沫，优选2份高密度泡沫对8份低密度泡沫，更优选3份高密度泡沫对7份低密度泡沫。
所述两个泡沫产生器可均为静态泡沫产生器。替代地，所述两个泡沫产生器可均为动态泡沫产生器。作为另一种替代，所述两个泡沫产生器中的一个可为静态泡沫产生器，且另一个泡沫产生器可为动态泡沫产生器。
在所述两个泡沫产生器中的一个或两个为动态泡沫产生器的情况下，泡沫内空气气泡的尺寸的变化可通过改变叶片的旋转速度来实现。典型地，叶片的旋转速度保持在1500rpm-3000rpm之间。旋转速度越高，泡沫气泡尺寸越小。
在所述两个泡沫产生器中的一个或两个为静态泡沫产生器的情况下，泡沫内空气气泡的尺寸的变化可通过改变渗透性多孔介质内的孔隙尺寸和/或孔隙尺寸分布(即，通过改变在例如提供渗透性多孔介质的多孔玻璃或陶瓷内的多孔空间网络的参数)来实现。
在所述两个泡沫产生器均为动态泡沫产生器的情况下，所述两个泡沫产生器可构造成在不同的旋转速度下操作。
所使用的表面活性剂典型地为在灰泥板生产工厂中使用的标准阴离子发泡剂，例如具有在8-12C之间的碳链长度的烷基醚硫酸钠或烷基醚硫酸铵。
使用两个以上的泡沫产生器可容许控制石膏产品内的气泡尺寸分布而无需改变产生泡沫的表面活性剂的组成。也就是说，通过泡沫产生过程的物理参数的改变可基本上或完全地控制注入到混合器中的用于形成石膏产品的泡沫的结构。
然而，在某些情况下，两个泡沫产生器中的第一个可布置成使用第一表面活性剂且两个泡沫产生器中的第二个可布置成使用具有与该第一表面活性剂不同的组成的第二表面活性剂。
而且，两个泡沫产生器中的第一个可使用这样的发泡溶液，其具有比两个泡沫产生器中的第二个所使用的发泡溶液高的表面活性剂浓度。例如，两个泡沫产生器中的第一个可构造成使用每100g灰墁0.01g-0.1g的表面活性剂浓度，而两个泡沫产生器中的第二个可构造成使用每100g灰墁0.005g-0.01g的表面活性剂浓度。
优选地，混合单元包括第一混合器和第二混合器，该第二混合器位于第一混合器的下游，以便接收第一混合器中生产的石膏浆料。典型地，将第一混合器布置成接收来自两个泡沫产生器中的第一个的泡沫，而将第二混合器布置成接收来自两个泡沫产生器中的第二个的泡沫，将两个泡沫产生器中的第二个布置成生产具有与两个泡沫产生器中的第一个所生产的泡沫不同的密度的泡沫。
典型地，在提供两个混合器的情况下，第一个即上游混合器布置成在比第二个即下游混合器高的剪切下操作。典型地，在这种情况下，提供给上游混合物的泡沫具有比提供给下游混合器的泡沫高的密度。通过仅向下游混合器(其在比上游混合器低的剪切速率下操作)供应低密度的不稳定泡沫，有可能减少对不稳定的低密度泡沫的结构的损坏，使得低密度泡沫的大气泡保留在石膏浆料内，导致最终石膏产品中大的孔隙。
替代地，可将两个泡沫产生器中的每一个所产生的泡沫直接供应到第二个即下游混合器中，而无需经过第一个即上游混合器。在这种情况下也有可能减少对低密度的不稳定泡沫的损坏，使得增加了在低密度泡沫内的大气泡被保留的概率。
而且，根据本发明，提供的是生产石膏产品的方法，其中在混合单元内将煅烧石膏与水混合，并且将至少两个不同的泡沫进料同时引入到该混合单元中，第一泡沫进料包括与第二泡沫进料相比不同的空气体积分数。
优选地，生产石膏产品的方法包括：将所述石膏与水在两个混合器中进行混合，该两个混合器提供所述混合单元，各混合器同时提供有泡沫进料，该泡沫进料包括不同气泡尺寸分布的泡沫。
现在将参照以下附图说明本发明的某些特征。
附图说明
图1是本发明的一个实施方案的示意图。
图2是本发明的另一个实施方案的示意图
图3是本发明的另一个实施方案的示意图。
图4是本发明的另一个实施方案的示意图。
图5是实施例1的试样的石膏抛光截面的扫描电子显微照片。
图6是比较例1的试样的石膏抛光截面的扫描电子显微照片
图7是比较例2的试样的石膏抛光截面的扫描电子显微照片。
图8是比较例3的试样的石膏抛光截面的扫描电子显微照片。
图9是示出比较例4的结果的图。
现在将仅示例性地参照附图更详细地描述本发明。
参照图1，石膏产品制造工艺总体示于10处。石膏产品制造工艺用在灰泥板的制造中，且包括混合器12，将干石膏粉从源14经由导管16输送到该混合器12中。
将水经由另一导管18输送到混合器12中。
将两个泡沫产生器20和22布置成提供两个单独的泡沫输入24、26，所述两个单独的泡沫输入在经由泡沫进料导管28进料到所述混合器中之前组合。在图1中所示的实施方案中，泡沫产生器20和22以及它们各自的进料导管24和26彼此平行地定位。
在操作中，粉状石膏或石膏灰泥通过导管16连续地供应，且水通过其导管18提供。将水和石膏彻底混合在一起。泡沫产生器20和22产生的泡沫经由它们各自的导管24和26混合在一起，以提供一个“经混合的”泡沫进料28。然后将该经混合的泡沫进料28引导到混合器12中。
替代地，可将两个泡沫产生器所产生的泡沫料流分开注入到浆料混合器中，各泡沫料流在各自的注入点处注入。图2示出了这样的布置，其中泡沫产生器20a和22a产生分开注入到混合器12a中而未预先混合在一起的泡沫料流。
当在石膏产品制造过程内需要添加剂和其它成分时(通常就是这样)，它们可在任何阶段通过专门设置的入口加入。
参照图3，石膏板制造工艺总体示于110处。在本发明的这种实施方案中，提供两个混合器112和113。混合器112和113两者同时产生经发泡的石膏浆料。然而，与第二混合器113相比，第一混合器112可优选为相对高的剪切。将由混合器112产生的石膏混合物经由导管(未示出)进料到第二混合器113中。
在泡沫产生器120和122中产生平行的泡沫料流。将该泡沫料流混合并注入到第二(低剪切混合器)113中。
高剪切混合器112提供高反应性的浆料，而低剪切混合器113容许在避免对泡沫结构的损坏的同时将泡沫并入该混合器中。
替代地，一个泡沫产生器可产生注入到上游混合器中的泡沫料流，而另一个泡沫产生器可产生注入到下游混合器中的泡沫料流。这样的布置示于图4中，其中泡沫产生器120a产生注入到高剪切混合器112a中的泡沫料流，而泡沫产生器122a产生注入到低剪切混合器113a(其在高剪切混合器112a的下游)中的泡沫料流。
典型地，注入到高剪切混合器112a中的泡沫料流具有比注入到低剪切混合器113a中的泡沫料流小的气泡尺寸。因此，可降低对较不稳定的泡沫(即，具有较大的气泡尺寸的泡沫料流)的损坏。
还可向混合器12、12a、112、113、112a、113a中加入许多其它添加剂，其没有在本文中讨论或说明，但却是本领域中公知的添加剂。这样的添加剂可包括缓凝剂(retarder)、加速剂、纤维材料和淀粉。各自均将在混合过程中的指定阶段经由合适的导管输送。
实施例1
使用下列组成制备用于测量抗拔钉性(nail pull resistance)和压缩强度的样品：
表1
组分 重量(php，对于100份的灰墁)
灰墁(硫酸钙半水合物) 100
淀粉 0.5
缓凝剂 0.004
总水(包括泡沫水) 75
泡沫 参见表2
泡沫预制:
-将发泡剂在水中稀释以形成发泡溶液(即以0.1/ww，对于100份的灰墁)。使用来自
Figure BDA0000429393870000071
的STEOL DES32，(32%活性)。
-将发泡溶液流和空气流分成两个部分，所述两个部分均对各自的泡沫产生器(泡沫产生器1和泡沫产生器2)进行供料(aliment)。两个泡沫产生器均为动态泡沫产生器。
-将由泡沫产生器1和泡沫产生器2产生的泡沫组合以形成最终的泡沫。所述泡沫对于来自泡沫产生器1和泡沫产生器2的泡沫是以分别30%-70%体积分数的比例组合的。
-由泡沫产生器1和泡沫产生器2产生的泡沫、以及最终的泡沫的性质示于表2中。
表2
Figure BDA0000429393870000081
灰泥浆料制备：
-称取灰墁和干组分(即1000g)。
-将所述灰墁和所述干组分干混在一起。
-称量所需量的水(即650g)。水温需要近似为40℃。
-将工艺水置于配备有电动速度控制器的WaringTM Commercial4L共混器中。
-然后在30秒的时间期间将干的粉末倒入所述共混器中。
-再等待30秒以使所述灰墁浸湿。
-在60秒时，开始以15000rpm进行混合10秒。
样品制备：
-停止所述共混器并开始将所需量的泡沫添加到初始浆料(即100g)中。
-可使用刮铲或以较低的速度水平(即约6700rpm)使用共混器在10秒期间温和地进行泡沫与初始浆料的混合。
-然后将浆料倒入以下模具中：
a)迷你板样品(即150mm×150mm×12.5mm)；用于测量抗拔钉性的墙板纸板封套(envelope)。
b)用于测量压缩强度的圆柱体样品(即
Figure BDA0000429393870000082
)。
-然后将样品在所述模具中保持以凝固，于通风的烘箱中以高的初始温度和然后低的最终温度干燥直至它变干。
-将样品在40℃下适应24小时，称重并进行压缩试验和拔钉试验。拔钉试验根据ASTM C473(方法B：恒定速率的十字头速度)进行。
比较例1
使用与实施例1相同的方法制备用于测量抗拔钉性和压缩强度的样品，不同的是泡沫预制按下面详述的进行。
泡沫预制：
-将发泡剂在水中稀释以形成发泡溶液(即以0.1/ww，对于100份的灰墁)。使用来自
Figure BDA0000429393870000091
的STEOL DES32，(32%活性)。
-使用表3中给出的参数使发泡溶液流和空气流通过泡沫产生器1(动态泡沫产生器)。
表3
Figure BDA0000429393870000092
比较例2
使用与实施例1相同的方法制备用于测量抗拔钉性和压缩强度的样品，不同的是泡沫预制如下面详述的进行。
泡沫预制：
-将发泡剂在水中稀释以形成发泡溶液(即以0.1/ww，对于100份的灰墁)。使用来自
Figure BDA0000429393870000093
的STEOL DES32，(32%活性)。
-使用表4中给出的参数使发泡溶液流和空气流通过泡沫产生器2(动态泡沫产生器)。
表4
Figure BDA0000429393870000094
比较例3
使用与实施例1相同的方法制备用于测量抗拔钉性和压缩强度的样品，不同的是泡沫预制如下面详述的进行。
泡沫预制：
-将发泡剂在水中稀释以形成发泡溶液(即以0.1/ww，对于100份的灰墁)。使用来自
Figure BDA0000429393870000095
的STEOL DES32，(32%活性)。
-将发泡溶液流和空气流注入到第一泡沫产生器(泡沫产生器1)中。然后将所产生的泡沫再注入到第二泡沫产生器(泡沫产生器2)中，以产生参比泡沫。因此，使发泡溶液相继地通过泡沫产生器1和泡沫产生器2。泡沫产生器1和泡沫产生器2均为动态泡沫产生器。
-在泡沫产生中使用的参数在表5中给出。
表5
Figure BDA0000429393870000101
结果:机械测试
对于650kg/m3的等效干芯密度，实施例1和比较例1-3的机械性能示于表6中。
表6
Figure BDA0000429393870000102
结果：显微照相
图6和图7分别是比较例1和2的抛光截面的扫描电子显微照片。图6和图7的比较显示：当使用泡沫产生器2(而不是泡沫产生器1)产生泡沫时，形成显著更大的孔隙尺寸。
比较例4
根据比较例1的方法(即使用比较例1中详述的泡沫预制方法以及实施例1的灰泥浆料制备和样品制备方法)制备样品。混合器的旋转速度在混合泡沫和初始浆料的步骤期间是变化的。
图9显示了使用这种方法制备的四个石膏样品的孔隙尺寸分布随混合器的旋转速度的变化。
曲线1显示了使用6700rpm(每分钟转数)的混合器旋转速度制备的样品的孔隙尺寸分布。
曲线2显示了使用8700rpm(每分钟转数)的混合器旋转速度制备的样品的孔隙尺寸分布。
曲线3显示了使用10400rpm(每分钟转数)的混合器旋转速度制备的样品的孔隙尺寸分布。
曲线4显示了使用12000rpm(每分钟转数)的混合器旋转速度制备的样品的孔隙尺寸分布。
表7中所示的孔隙尺寸分布图表是通过在用水充分再饱和的多孔石膏样品上进行1H-NMR弛豫测量(relaxometry)获得的。关于该分析技术及其在表征基于石膏的多孔结构中的可行性的技术细节描述在下列学术文献中：[Jaffel,H.等人，J.Phys.Chem.B,2006,110(14),7385–7391；Song,K.M.等人，J.Mat.Science,2009,44(18),5004-5012]。所示结果使用横向NMR弛豫衰减(其使用标准CPMG脉冲序列获得)的逆拉普拉斯变换获得。
由这些结果，可看出较高的混合器速度导致较小的最终石膏产品孔隙尺寸和较低的泡沫效率因子(Foam Efficiency Factor)，如在表7中示出的。
表7
混合器速度(rpm) 泡沫效率因子(%)
12000 37
10400 48
8700 88
6700 98

Claims (11)

1.根据本发明提供的是生产石膏产品的装置，其包括具有至少一个混合器和至少两个泡沫产生器的生产线，所述混合器用于混合石膏和水，所述泡沫产生器各自产生不同的泡沫且均被布置成向所述生产线中提供同时的、单独的泡沫进料，其中所述装置被构造成容许对所述至少两个泡沫产生器的每一个独立地控制泡沫产生过程的至少一个物理参数。
2.根据权利要求1的生产石膏产品的装置，其中所述至少一个物理参数是泡沫产生温度。
3.根据权利要求1的生产石膏产品的装置，其中所述至少一个物理参数是空气流入速率。
4.根据权利要求1的生产石膏产品的装置，其中所述泡沫产生器中的至少一个是动态泡沫产生器，和所述至少一个物理参数是所述动态泡沫产生器的旋转速度。
5.根据权利要求1的生产石膏产品的装置，其中所述泡沫产生器中的至少一个是静态泡沫产生器，该静态泡沫产生器包括多孔填料介质，所述至少一个物理参数是该多孔填料介质的孔隙尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生产石膏产品的装置，其中所述两个泡沫产生器被布置成生产在不同气泡尺寸分布内的气泡尺寸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述泡沫产生器中的至少一个被布置成使用第一表面活性剂，且至少一个其它的泡沫产生器被布置成使用第二表面活性剂，所述第一表面活性剂具有比所述第二表面活性剂高的浓度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中提供至少两个混合器，所述两个混合器包括第一混合器和安置在该第一混合器下游以接收在该第一混合器中生产的石膏浆料的第二混合器，所述第一混合器被布置成接收来自第一泡沫产生器的泡沫，且所述第二混合器被布置成接收来自第二泡沫产生器的泡沫，所述第一和第二泡沫包括不同的气泡尺寸分布。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一泡沫产生器被布置成生产与由第二泡沫产生器生产的气泡相比具有较小尺寸分布的气泡。
10.根据本发明还提供的是生产石膏产品的方法，其中将煅烧石膏与水混合，并将至少两个不同的泡沫进料同时引入到石膏和水的混合物中，所述第一泡沫进料与所述第二泡沫进料相比包括不同的气泡分布，
其中所述第一泡沫进料是在第一泡沫产生过程中产生的且所述第二泡沫是在第二泡沫产生过程中产生的，所述第一泡沫产生过程的至少一个物理参数是独立于所述第二泡沫产生过程受到控制的。
11.根据权利要求10的方法，其中所述方法包括将煅烧石膏与水在两个混合器中混合，各混合器同时提供有泡沫进料，该泡沫进料包括不同气泡尺寸分布的泡沫。
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