CN104619672A - 基于石膏的建筑产品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种建筑产品包含通过有机粘合剂黏合的二水硫酸钙颗粒。所述二水硫酸钙颗粒每个具有最长尺寸和横向尺寸，其中所述横向尺寸对应于颗粒关于由最长尺寸限定的轴的最大宽度。所述二水硫酸钙颗粒具有低的长宽比，使得至少75％的二水硫酸钙颗粒的横向尺寸的值为最长尺寸的值的至少20％。

Description

基于石膏的建筑产品及其制造方法
本发明涉及基于石膏的建筑产品、可用于形成这种建筑产品的制剂以及由石膏制备这种建筑产品的方法。
石膏是硫酸钙的天然存在形式，为稳定的二水合物(CaSO42H2O)形式。本文所用的术语“石膏”表示处于所述稳定的二水合物状态的硫酸钙；并包括天然存在的矿物、通过合成衍生的等价物(例如由燃料工业和/或再循环过程获得的石膏)和通过抹灰用石膏(stucco)(硫酸钙半水合物)或无水石膏的水合作用而形成的二水合物材料。
石膏的性质使得其非常适合用于工业和建筑灰泥(plaster)以及其它建筑产品例如石膏墙板。石膏是丰富的和通常廉价的原材料，通过脱水和再水化的连续步骤，其可被铸造、模塑或以其它方式成型为有用的形状。例如，石膏墙板(也称为灰泥板或干墙)是作为夹在纸护板之间的凝固石膏芯而形成的。
通常通过研磨和在例如约120℃至170℃的温度下、通常在大气压下煅烧而制备石膏以用作灰泥。这产生部分脱水的石膏，典型地为β晶形的半水合物的形式，其通过将其与水混合形成水性的抹灰用石膏浆料、糊料或分散体，然后使所述浆料通过从水性介质中再结晶而固化，可将该β型半水合物用作建筑或建造材料。
通过这种已知的煅烧和再水合过程形成的硫酸钙颗粒的表征特性(characterising feature)在于它们是针形的(needle-shaped)，即，针状的(acicular)。有效地，因此这种颗粒具有高的长宽比，所述长宽比为颗粒的最长尺寸与其横向尺寸的比率。
石膏墙板通常由硬化的含石膏的芯组成，所述芯的表面具有纸或适合于接纳涂层例如油漆(paint)的其它纤维材料。通常通过以下方式制造石膏墙板：在两个盖片(cover sheet)之间夹入(sandwich)主要包含煅烧石膏的水性芯浆料，并通过煅烧石膏的再水合使水性石膏芯浆料固化或硬化，通常随后在干燥器中进行热处理以除去过量的水。石膏浆液固化(即，与水性浆料中存在的水反应)和干燥后，将形成的片切成所需尺寸。
然而，将石膏煅烧成部分脱水形式和干燥步骤均是能量密集工艺(energyintensive process)，因此，目标是提供一种方法，其中石膏可用于制造具有较小物化能(embodied energy)的建筑产品。
在本发明最通常的情况下，本发明可提供一种通过将颗粒基质与粘合剂直接混合而形成的建筑产品(例如，提供分割(partition)的板)。粘合剂有效地将基质胶合在一起，但不希望粘合剂和基质之间发生任何化学反应。基质可包含例如二水硫酸钙、沙、碳酸钙或其它惰性硬颗粒。替代地，基质可包含橡胶。典型地，粘合剂是有机的。典型地，粘合剂是粘弹性胶。
通常，基质提供建筑产品的至少50wt％，优选至少60wt％，最优选至少65wt％。
典型地，基质为二水硫酸钙。在该情况下，所述方法可避免煅烧和干燥的能量密集工艺。
由于建筑产品中存在的硫酸钙颗粒没有经历煅烧和再水合过程，它们通常不以针状形式生长。
因此，考虑到二水硫酸钙颗粒的形状，尤其是它们的长宽比，区分经直接混合二水硫酸钙和粘合剂形成的建筑产品与经已知的煅烧和再水合过程形成的产品是通常可能的。典型地，通过直接混合颗粒和粘合剂形成的产品中的二水硫酸钙颗粒，具有比在已知的煅烧和再水合过程中形成的针状颗粒更多的块状形状。
因此，在第一方面，本发明可提供一种建筑产品，其包含通过有机粘合剂黏合的二水硫酸钙颗粒，
所述二水硫酸钙颗粒每个具有最长尺寸和横向尺寸，所述横向尺寸对应于颗粒关于由最长尺寸限定的轴的最大宽度，
所述二水硫酸钙颗粒具有低的长宽比，使得至少75％的二水硫酸钙颗粒的横向尺寸的值为最长尺寸的值的至少20％。
根据本发明的该方面的产品中提供的硫酸钙颗粒可以是例如板状或块状，而不是针状。有效地，因此，硫酸钙颗粒具有低的长宽比，例如，低于10，在某些情况下低于5，在其他情况下低于3的长宽比。
横向尺寸交叉延伸于最长尺寸，例如垂直于最长尺寸。
通常，至少85％的二水硫酸钙颗粒具有最长尺寸的至少20％的横向尺寸。
典型地至少75％的，在一些情况下至少85％的二水硫酸钙颗粒具有最长尺寸的至少30％的横向尺寸。在某些情况下，至少75％的二水硫酸钙颗粒具有最长尺寸的至少40％，在一些情况下至少50％或至少60％的横向尺寸。
典型地，二水硫酸钙颗粒的D50粒度(即，大于刚好50wt％颗粒的等效粒径的等效粒径值)大于3μm，在某些情况下大于20μm或大于50μm。通常，D50粒度小于2mm，在某些情况下小于0.5mm，在某些情况下小于250μm。二水硫酸钙颗粒的D50尺寸可通过例如激光粒度测量法测量。
典型地，建筑产品为自支撑体。例如，它可以是整体件(monolithic element)例如石膏板。术语“自支撑体”不包括涂层(例如通过施加密封(jointing)化合物产生的那些)，因为涂层不是自支撑的，而是在基底上支撑的。通常，建筑产品为刚性体。
在某些实施方案中，建筑产品可具有近似平面的形状(即，其沿一个维度的尺寸比沿其余两个维度低得多)。在替代实施方案中，建筑产品可具有块状的形状。典型地，建筑产品的体积大于0.005m3，优选大于0.007m3，更优选大于0.01m3。
该建筑产品中所用的石膏颗粒优选是天然的。替代地，它们可来源于工业来源，条件是它们是二水合物的形式。在某些情况下，石膏可以是天然的和合成的二水硫酸钙的混合物。例如，二水硫酸钙颗粒可包含经烟道气脱硫形成的石膏。
典型地，粘合剂可包括植物来源的有机粘合剂，例如醇酸树脂，例如，基于来自植物或植物油(例如，亚麻子油)的多不饱和脂肪酸来源的甘油三酯的醇酸树脂。其它合适的这种有机粘合剂包括大豆蛋白、松树树脂(例如松香、改性松香和它们的衍生物、聚萜烯、改性萜烯、萜烯-酚树脂或松香酯树脂)、淀粉和淀粉衍生物以及改性天然胶乳(rubber latex)。
淀粉粘合剂可包括预胶化淀粉和非预胶化淀粉。预胶化淀粉的优选实例为Staramic 747TM。非预胶化淀粉的优选实例为天然玉米淀粉。
优选地，粘合剂包含淀粉或大豆蛋白。有机粘合剂可以是水性胶(water-based glue)。
在某些情况下，粘合剂可包含聚氨基聚酰胺-表氯醇(PAE)树脂和蛋白质的粘合剂组合物，例如在US 2008/0050602中描述的。
在某些情况下，粘合剂可包含有机粘合剂化合物的混合物。粘合剂可包含天然的和/或合成的化合物。
在某些情况下，粘合剂可以改性的、交联的形式提供。如本领域公知的，交联可通过加成、消除、取代、缩合、矿物或金属络合、辐射固化和/或偶联反应诱导。
虽然粘合剂典型地是植物来源的有机粘合剂，但其它形式的粘合剂也是可能的。例如，粘合剂可以是合成的有机粘合剂，例如它可来源于石化产品。例如，粘合剂可以是例如CA1230695中描述的粘合剂组合物，其在此通过引用并入。
在该情况下，粘合剂可包含，例如，脂族或芳香族烃树脂、酚树脂、二甲苯树脂或香豆酮-茚树脂。这些树脂可以以粘合剂组合物的形式提供，其进一步包含一种或多种以下组分：天然或合成的聚合物的水性分散体、无机填料、纤维填料和表面活性剂。
典型地，粘结剂不包含纤维素或纤维素增稠剂(例如可见于密封化合物中)。在其他情况下，纤维素或纤维素增稠剂以小于建筑产品的0.2wt％的量存在，优选小于0.1wt％。
典型地，建筑产品包含至少0.5wt％的有机粘合剂，优选至少1wt％，在某些情况下至少5wt％。通常，建筑产品包含小于30wt％的有机粘合剂，优选小于20wt％，更优选小于15wt％。
通常，建筑产品包含至少50wt％的二水硫酸钙颗粒，优选至少60wt％，更优选至少65wt％。典型地，建筑产品包含小于99wt％的二水硫酸钙颗粒，优选小于95wt％，更优选小于90wt％。
根据本发明的第一方面的建筑产品可进一步包含无机粘合剂例如水泥、石灰灰泥，或另一种火山灰粘合剂。无机粘合剂典型地以建筑产品的至多20wt％的量存在，优选至多15wt％。
无机粘合剂的存在不是必需的，因为建筑产品的强度主要来源于有机粘合剂。事实上，在本发明的某些实施方案中，不存在无机粘合剂，或存在小于1wt％的无机粘合剂。
在某些情况下，粘合剂可包含两种或更多种材料的混合物，例如，有机材料与无机材料混合。
因为石膏具有2.32kg/m3的密度，所以经常希望通过加入轻质填料来降低基于石膏的产品的密度，在下表中列出的那些轻质填料通过实例的方式给出：
表
*Ecocradle和Greensulate为商标
轻质填料典型地以颗粒形式提供，所述粒度通常位于30μm至4mm的范围内。
也可以加入其它填充材料，例如石英砂、白云石或碳酸钙。
由于建筑产品组成的结果，所述建筑产品典型地具有大致比得上常规石膏板的密度的密度。也就是说，根据本发明的第一方面的建筑产品的最低密度可大约为250kg/m3，可能大约为300kg/m3或400kg/m3。在这些情况下，该建筑产品的形成方法可典型地包括将稳定泡沫体加入到二水硫酸钙和粘合剂混合物中。
典型地，根据本发明的第一方面的建筑产品的最高密度大约1600kg/m3，可能大约为1400kg/m3或1300kg/m3。
密度也可能位于所述最高值和最低值之间的范围内。
建筑产品可以是板的形式。在该情况下，所述板可进一步包括增强纤维。这种增强纤维可包括玻璃纤维(典型地为切割纤维)或通常用于石膏板中的其它纤维。根据本发明的这种板可具有或不具有表面增强材料或衬片；当使用表面增强材料时，它可以例如是纤维粗麻布(fibre scrim)、纤维网格布(fibremesh)、纸、玻璃毡(mat)、聚酯毡、天然纤维毡(例如麻、木、竹或亚麻)、棉/聚酯毡、聚酯/玻璃毡。在某些实施方案中，衬片可具有蜂窝结构。优选地，衬片包含3层纸。
适当时，其它非有害材料、助剂和成分可存在于建筑产品中。这种非有害材料可包括任选的其他成分，例如防潮剂(例如硅油或蜡、杀菌剂、杀真菌剂、着色剂和阻燃剂)、流化剂、表面活性剂(例如阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或二者的混合物)、稳定的泡沫体、挥发性有机化合物的吸附剂(即，VOC清除剂)和干燥剂。当粘合剂包含醇酸树脂时，干燥剂的存在可能是特别优选的。
在第二方面，本发明提供一种制造基于石膏的产品的方法，其包括以下步骤：
○提供一定数量的二水硫酸钙颗粒；
○提供有机粘合剂以将二水硫酸钙颗粒粘合在一起；和
○混合二水硫酸钙颗粒和粘合剂。
通常，所述方法进一步包括使二水硫酸钙和粘合剂的混合物固化以提供建筑产品的步骤，所述建筑产品为自支撑体。
粘合剂可以粉末形式提供，或作为水溶液或水乳液/分散体。通常，所述方法包括固化粘合剂的步骤，以确保石膏颗粒之间的结合。
本发明的第二方面的方法可进一步包括加入无机粘合剂，例如水泥、石灰灰泥或另一种火山灰粘合剂的步骤。认为使用无机粘合剂可增强基于石膏的产品的机械性质，尤其是产品的早期强度和定形(setting)。
根据本发明所用的石膏优选为天然的并且可在与粘合剂混合之前粉碎或研磨。
因为石膏具有2.32kg/m3的密度，所以经常希望通过加入轻质填料，例如与本发明的第一方面相关所列出的那些，来降低基于石膏的产品的密度。
除此之外，或者作为替代，基于石膏的产品的密度可通过加入泡沫体来降低。
根据本发明的第二方面的方法的建筑产品的形成中所用的组分可各自单独包含本发明的第一方面的建筑产品中存在的组分的任选特征。
通过本发明的第二方面的方法形成的建筑产品可具有本发明的第一方面的建筑产品的任何任选特征。
在第三方面，本发明可提供一种石膏制剂，其包含
i)细碎的石膏(即，二水硫酸钙)，作为制剂的主要重量比；和
ii)植物衍生的有机粘合材料，作为石膏的粘合剂，占制剂的较小重量比。
根据本发明的第三方面的石膏制剂的组分可各自单独包含本发明的第一方面的建筑产品中存在的组分的任选特征。
本发明的某些有利特征和可实施的方式现在参照以下附图在以下示例性实施例(worked illustrative Example)中进行说明：
图1为根据本发明的第一方面的第一实施方案的建筑产品的扫描电子显微图像。
图2为根据本发明的第一方面的第二实施方案的建筑产品的扫描电子显微图像。
图3为基于石膏的建筑产品的对比例的扫描电子显微图像。
图4显示较高放大倍率下图3的建筑产品。
图5显示较低放大倍率下图3的建筑产品。
图6显示根据本发明实施方案的复合样品中石膏颗粒的典型粒度分布。
实施例1
由石膏、淀粉粘合剂和任选的填充材料制备棱晶形状的测试样品。淀粉为非预胶化淀粉(在该情况下，天然玉米淀粉)，或为两种预胶化淀粉(预胶化淀粉1＝得自Tate&Lyle的staramic747；预胶化淀粉2＝得自Tate&Lyle的ICB 1300)中的一种。所测量的密度和弯曲强度展示于表1中。
表1
实施例2
由石膏、醇酸树脂粘合剂、填充材料和任选的干燥剂制备棱晶形状的测试样品。醇酸树脂为Cray Valley的商品。OMG Borcher的干燥剂用于几个实施例。所测量的密度和弯曲强度展示于表2中。
表2
实施例3
由石膏、基于蛋白质的粘合剂(Soyad，由Hercules组开发)和填充材料制备棱晶形状的测试样品。所测量的密度和弯曲强度展示于表3中。
表3
实施例4
由石膏、松树来源的粘合剂(萜烯苯酚乳液TR602)和填充材料制备棱晶形状的测试样品。所测量的密度和弯曲强度展示于表4中。
表4
弯曲强度的测量
制成后，将棱晶在40℃干燥24小时，随后在25℃和50％湿度下再调制(conditioned)24小时。使用Zwick万能试验机在三点弯曲下测量棱晶的弯曲强度。
棱晶的制备
以下方案用于制备含有淀粉粘合剂的棱晶。类似的方法用于含有其它粘合剂的棱晶。
1.混合粉末：石膏和添加剂(例如轻质填料)
2.混合水与淀粉粉末
3.将石膏粉末混合物倒入水/淀粉混合物中
4.在混合器(例如Kenwood混合器)中混合粉末混合物和水直到得到均匀的浆料
5.如果样品包含泡沫体作为轻质剂，则优选在该阶段将本领域已知方法单独生成的泡沫体加入
6.将浆料倒入模具中
7.撇去过量的石膏浆料
8.将模具放在托盘上。模具可用金属托盘覆盖。
9.在合适的温度下将模具中的样品固化/干燥合适的时间，例如在140℃进行1h30，在40℃进行24h，或在40℃和140℃之间的温度进行1h30的时间。
在室温下测试样品的机械性能。测试之前将样品保持室温(15-25℃)至少一天。
该方法可用于制造具有～13mm厚度的板。在该情况下固化步骤为：在120℃进行1h10。此外，如本领域已知的方式，可在倒入石膏浆糊(paste)之前和之后在两侧加入纸衬垫。
扫描电子显微图像
图3、4和5显示根据已知的煅烧和再水合工艺生产的石膏灰泥板(gypsumplasterboard)的扫描电子显微图像。可以看出，该过程导致具有高的长宽比的针状石膏晶体形成。针的长度为大约20μm。
相反，图1和2显示根据本发明的不同实施方案的石膏复合材料的扫描电子显微图像。图1显示具有大豆蛋白粘合剂的复合材料，而图2显示具有淀粉粘合剂的灰泥板。石膏晶体对应于显微图像的淡色区，而深色区对应于用于固定样品的粘合剂和/或环氧树脂。
可以看出，在本发明的石膏灰泥板中，石膏颗粒与针状相比更像块状。此外，图1和2所示的建筑产品中的石膏颗粒的尺寸比图3至5所示的对比例中存在的石膏针的尺寸大得多。
图6显示本发明实施方案的复合样品中的石膏颗粒的典型粒度分布。从中可以看出，复合样品中的一般石膏颗粒具有1至100μm的粒度。大部分颗粒(按体积测量)具有20至60μm的粒度。

Claims (17)

1.一种建筑产品，其包含通过有机粘合剂黏合的二水硫酸钙颗粒，
所述二水硫酸钙颗粒每个具有最长尺寸和横向尺寸，其中所述横向尺寸对应于颗粒关于由最长尺寸限定的轴的最大宽度，
所述二水硫酸钙颗粒具有低的长宽比，使得至少75％的二水硫酸钙颗粒的横向尺寸的值为最长尺寸的值的至少20％。
2.根据权利要求1的建筑产品，其中所述横向尺寸的值为最长尺寸的值的至少40％。
3.一种建筑产品，其包含通过有机粘合剂黏合的二水硫酸钙颗粒，其中90wt％的二水硫酸钙颗粒具有1μm至3mm的粒度。
4.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其中所述建筑产品为自支撑体。
5.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其中粘合剂为任选经交联改性的植物来源的有机粘合剂。
6.根据权利要求5的建筑产品，其中粘合剂包含以下一种或多种：
·大豆和/或大豆衍生物；
·淀粉和/或淀粉衍生物。
7.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其中粘合剂以产品的0.5-30wt％的量存在。
8.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其中二水硫酸钙颗粒以产品的50-90wt％的量存在。
9.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其具有250-1600kg/m3的密度。
10.根据前述权利要求中任一项的建筑产品，其进一步包含无机粘合剂，所述无机粘合剂任选地包含水泥材料。
11.根据权利要求10的建筑产品，其中无机粘合剂以至多20wt％的量存在。
12.一种基于石膏的产品的制造方法，其包括以下步骤：
o提供一定数量的二水硫酸钙颗粒；
o提供粘合剂以将二水硫酸钙颗粒黏合在一起；和
o混合二水硫酸钙和粘合剂。
13.根据权利要求12的方法，其进一步包括使二水硫酸钙和粘合剂的混合物固化以提供建筑产品的步骤，所述建筑产品为自支撑体。
14.根据权利要求12或13的制造方法，其中粘合剂以粉末形式提供，且粘合剂任选地包含水。
15.根据权利要求12至14中任一项的制造方法，其进一步包括提供与二水硫酸钙和粘合剂混合的填充材料的步骤。
16.根据权利要求12至15中任一项的制造方法，其进一步包括将稳定的泡沫体加入到二水硫酸钙和粘合剂的混合物中的步骤。
17.根据权利要求12-16中任一项的制造方法制备的建筑产品。
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