CN106457171B - 产生泡沫的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备用于掺入到水泥质浆料中的泡沫的装置，其包括具有用于接收气体进料和表面活性剂进料的进口和用于容许泡沫离开的出口的管道。所述管道容纳对沿所述管道的流体流提供部分阻隔的多孔塞子，该塞子包括以规则阵列堆积的且限定在其间延伸的孔的三维网络的多个粒子。所述装置包括位于所述塞子和所述管道之间的弹性组件。

Description

产生泡沫的装置和方法
本发明涉及产生泡沫的装置和方法，具体地产生在石膏板的制造中使用的含水泡沫的装置和方法。
石膏(硫酸钙)是天然发现的、而且也是可以合成得到的矿物。石膏取决于硫酸钙化合物的水合度可以多种形式存在。换言之，石膏可例如以二水合物形式(CaSO4.2H2O)、半水合物形式(也称为灰泥(stucco))、或无水石膏形式存在。石膏可通过脱水或再水合在其不同形式之间变换。
石膏的性质使其非常适用在工业和建筑灰泥(plaster)以及其它建筑产品例如石膏墙板中。它是丰富的且通常廉价的原材料，其通过相继的脱水和再水合步骤可被浇铸、模塑或以其它方式成形为有用的形状。例如，石膏墙板(亦称为灰泥板或干式墙)是作为夹在纸护板(cover sheet)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，以灰泥的形式使用。这产生部分脱水的石膏，其典型地呈β晶形的半水合物。β半水合物可通过如下用作建筑或建造材料：将其与水混合而形成含水的灰泥浆料、糊料或分散体，和然后使该浆料通过从含水介质中重结晶而凝固。
已知在石膏产品的制造中使用泡沫。由泡沫提供的空气体积分数有助于降低石膏产品的重量，使得所述产品的运送和处理更加成本有效。
泡沫通常通过向其供应空气进料(feed)和表面活性剂进料的泡沫产生器产生。典型的泡沫产生器包括用于将水和表面活性剂发泡剂充分混合以产生泡沫的内部旋转机构。在一些情况中，旋转叶片可装备有容许泡沫气泡成核的混合室。这样的泡沫产生器通常称为动态泡沫产生器。典型的动态泡沫产生器描述于US 4057443中，其通过引用并入本文。
其它泡沫产生器包括装填有孔空间受控的渗透性多孔介质例如多孔玻璃或陶瓷的堆积(packed)珠粒的管。然后通过将表面活性剂发泡剂和空气同时引入到所述管中而产生泡沫。在该情况中，然后通过调节施加到所述管上的背压来控制所产生的泡沫的结构。这样的泡沫产生器称为静态泡沫产生器。
用在灰泥板生产中的标准泡沫通常使用动态类型/高剪切泡沫产生器生产。使用这种技术，可通过利用发泡剂的化学不稳定性实现对于最终产品的泡沫形态和孔度(孔尺寸，pore size)分布的大致(粗略)操纵。典型的获得这种不稳定性的方式是通过将不同发泡剂以不同的化学组成共混在一起进行的。在该情况下，所述泡沫通常称为“活性的”。它产生小的气泡(在50μm和100μm之间)，其将逐渐聚结(合并，coalesce)而产生单分散分布的或大或小的气泡。典型的可提供这种类型的快速聚结动力学的活性发泡剂是由GEOSpeciality chemicals以商品名PFM(8、10、15和33)供应的那些。这些发泡剂的典型的化学组成描述于US5714001，其通过引用并入本文。
然而，过大的泡沫气泡由于与石膏板衬里的受损结合(通常称为“起泡(blistering)”)、差的机械性能以及产品在美学上的不可接受而可导致生产线不稳定。
令人意外地，已经发现，由具有单分散气泡尺寸分布的泡沫(而不是多分散的泡沫)制备的石膏产品可具有更好的强度重量比。
术语“分散度”源于聚合物学，其中它可用来指代混合物中的分子或粒子的尺寸的不均匀性。一批物体如果这些物体具有基本相同的尺寸、形状或质量则可称为“单分散的”。具有不一致的尺寸、形状和/或质量的一组物体可称为“多分散的”。
因此，本发明，以其最概括性而言，可涉及单分散泡沫在轻质建筑材料中的用途和/或制备这样的单分散含水泡沫的方法和装置。
在第一方面中，本发明可提供石膏产品的制备方法，其包括如下步骤：提供石膏灰泥浆料，和将泡沫掺入到所述浆料中，其中所述泡沫的气泡尺寸分散系数低于1.4。
气泡尺寸分散系数作为面积重量平均气泡尺寸与数均气泡尺寸的比率进行计算。
即，
所述气泡尺寸分散度优选地低于1.2。
经常，泡沫气泡尺寸分布的定量依赖于2D图像分析技术。当将这些类型的技术应用到二进制类型的图像时，可获得累积面积相对于气泡直径和累积数量相对于气泡直径的曲线。这些曲线的拐点分别提供重均气泡尺寸和数均气泡尺寸。
典型地，在混合机例如高剪切混合机中将所述泡沫掺入到所述石膏灰泥浆料中。随后从所述混合机将所述浆料提取出，并使其凝固和干燥，如本领域所熟知的。由所述浆料形成的石膏产品的实例可为石膏灰泥板。优选地，所述灰泥板为具有低于800kg/m2、优选地低于560kg/m2的密度的轻质产品。
已经发现，使用具有较大气泡尺寸的泡沫制备的石膏产品可具有改善的强度对重量的比率。因此，优选所述泡沫具有至少100μm的平均气泡尺寸。还优选通过将泡沫掺入到石膏中所产生的孔具有至少300μm、更优选至少400μm的平均直径。
通过使气体和表面活性剂进料沿着管道经过且通过包括内部的三维多孔网络的塞子而产生所述泡沫。所述塞子由以规则阵列排列的多个粒子例如球形珠粒提供。
三维多孔网络的配置(构造，provision)有助于保证泡沫在其通过所述塞子时精炼(精制，提纯，refined)非常多次，从而有助于实现高水平的泡沫气泡尺寸的均匀性。这相对于包括多个沿着管长度布置的穿孔圆盘的已知的静态泡沫产生装置(例如在US 6,422,734中公开的)呈现显著的改善。这样的布置不能够提供可通过使用三维多孔网络实现的为数众多的精炼循环。
因此，在第二方面中，本发明可提供制备泡沫的装置，其包括具有用于接收气体进料和表面活性剂进料的进口和用于容许泡沫离开的出口的管道，所述管道容纳对沿着该管道的流体流提供部分阻隔的塞子，所述塞子包括以规则阵列堆积的多个粒子，所述粒子限定(限定)在其间延伸的三维孔网络，其中所述装置包括位于所述塞子和所述管道之间的弹性(弹回的，能恢复原位的，resilient)组件。
典型地，所述塞子包括具有基本相同的直径的多个球形粒子。
球形粒子将自然而然地趋于堆积成常见的规则(晶体)阵列，使得各球形粒子典型地具有12个其它球形粒子作为其最近的邻接粒子(neighbour)。实践中，球形粒子以类似于在例如六方密堆积或立方密堆积的金属中的原子的方式堆积在一起。这样的规则阵列可包括局部的不规则(缺陷，irregularity)，例如其中具有不同取向的个别子阵列相遇，但是这些不规则仅代表所述粒子的总排列的一小部分。
这种排列导致具有低尺寸差异的球形粒子之间的空隙。因此，所述塞子往往促进具有界限分明的(良好界定的，well-defined)气泡尺寸的通常单分散的泡沫的形成。
优选的是，珠粒的直径大于0.5mm、优选地大于1mm且小于3mm，因为已经发现，将较大的气泡尺寸的泡沫掺入到石膏浆料中可导致所得石膏产品的改善的强度重量比。
参考颗粒堆积理论，球形粒子的规则排列可借助其中通过堆积四个相同的粒子所留下的最小间隙可由以下关系式定量的密堆积晶体学模型进行描述：
DG＝0.225DS
其中DS：粒子的直径，DG：在假想四面体的顶点处布置的四个粒子之间的间隙中拟合的(fitting)假想球的直径。例如，在1mm尺寸的球形粒子的规则阵列中，将得到的最小间隙为225μm。
已经发现，在所述塞子的外侧面处，粒子的堆积由于所述管道的内表面所强加的限制而可能变得较不规则。这些“边缘效应”可通过配置位于塞子和管道之间的弹性组件而减轻。弹性组件起到适应(容纳，accommodate)塞子的外部粒子以减少对于粒子的规则排列的破坏的作用。此外，弹性组件可起到对塞子施加压缩力，从而进一步增强粒子的规则堆积和减少粒子排列中的间隙的可能性。
弹性组件可为位于管道内侧的衬套。
优选地，所述装置包括用于在衬套的径向向内方向上对衬套施加压力的手段。这有助于保证衬套推向(urge against)塞子，从而进一步降低在塞子的表面处出现过大的空隙。在该情况下，所述管道可优选地包括气动夹管阀。工业夹管阀的典型模型是由AKOInnovations SAS,5Rue Gilardoni,68210Retzwiller,France所制造的那些。
优选地，在管道的出口处设置滤网以将粒子保持在塞子内。然而，已经发现，粒子可阻塞滤网中的开孔，从而抑制泡沫从管道离开。因此，在一种优选的实施方式中，所述滤网包括指向塞子的下游端的凸出物阵列，所述凸出物排列成在其间提供开孔的相应阵列以容许泡沫离开塞子。由此提供的滤网的三维表面有助于减少由粒子所引起的滤网开孔的阻塞。
典型地，凸出物在塞子的方向上向内逐渐变细。例如，凸出物可具有半球形的形状。在该情况下，半球形的凸出物典型地以二维密堆积阵列排列。
优选地，半球形的凸出物的直径为塞子粒子的直径的一倍至四倍。
典型地，进口在管道的下游方向上向外张开。典型地，出口在管道的下游方向上逐渐变细。因此，进口和出口之一或两者在形状上可为例如圆锥形。这通常有助于改善进入管道的气体和表面活性剂的流动和/或改善离开管道的泡沫的流动。
在某些实施方式中，所述装置包括用于将泡沫添加剂引入到泡沫中的导管。
在第三方面，本发明可提供泡沫的制备方法，其包括如下步骤：
提供根据本发明的第二方面的装置；
将第一进料和第二进料经由管道进口供应到管道，所述第一进料包括气体，且所述第二进料包括表面活性剂溶液；和
驱使第一进料和第二进料通过塞子以形成泡沫。
典型地，所述装置包括布置在管道的径向内侧的衬套，且所述方法包括在衬套的径向向内方向上对衬套施加压力的额外步骤。在该情况下，所述压力典型地大于3巴。通常，所述压力小于9巴。
通常，固定所述装置使得所述管道竖立。在该情况下，进口典型地位于出口上方。这可实现流动在所述管道内的更好分布，从而降低由于重力而引起任何有害影响。
通常，所述管道出口处的气体压力大于1巴。典型地，所述压力小于8巴、优选地小于3巴。
通常，所述方法包括将稳定添加剂加入到泡沫的步骤。例如，稳定添加剂可为选自如下的胶体试剂：明胶和含淀粉的糊料(例如淀粉糊料)；流变改进剂；或增稠剂(增稠剂的优选实例为黄原胶、瓜尔豆胶、海藻酸盐、纤维素醚和淀粉醚)。
典型地，在泡沫已经离开管道之后将添加剂加入到泡沫。
优选地，所述方法包括将泡沫掺入到液压粘结剂浆料(例如石膏灰泥浆料)中的附加步骤。然后，可使所述浆料成形并容许其凝固和干燥，正如本领域所熟知的。
在第四方面中，本发明可提供水泥质产品，其中芯孔隙率分散度低于1.4。
孔度分散系数作为面积重量平均孔度对数均孔度的比率进行计算。
即，
优选地，孔度分散度低于1.2。
芯孔隙率(porosity)是指水泥质产品的内部区域中的孔隙率，其中孔度和分布是基本规则的。它排除了水泥质产品表面区域上的孔隙率。实践中，在距水泥质产品的原样凝固的(as-set)表面至少5mm的深度处测量芯孔隙率。
水泥质产品的芯中的平均孔度优选为至少300μm、更优选地至少400μm。
典型地，水泥质产品为石膏产品。
现在将参考以下图通过实施例的方式对本发明进行描述，在图中：
图1是根据本发明第二方面的实施方式的管道的示意性截面图。
图2a是图1的实施方式的滤网之一的示意性平面图。
图2b是图2a的滤网的示意性截面图。
图3a是图1的实施方式的塞子和衬套的示意性截面图。
图3b是根据未构成发明一部分的说明性实例的保持在刚性衬套内的粒子塞子的截面图。
图4(a)和(b)是显示根据对比例1和实施例1生产的泡沫分别在累积面积和累积数量方面的气泡尺寸分布的图。
图5(a)和(b)是显示根据对比例1和实施例1生产的石膏样品分别在累积面积和累积数量方面的孔度分布的图。
参考图1，气动夹管阀10提供流体流动的通道。所述夹管阀包括刚性外壳12和柔性内套管14。所述刚性外壳12和所述柔性内套管14在形状上通常各自是圆筒形的，所述柔性内套管14设置在所述刚性外壳12的径向内侧。
外壳12具有紧固到各自相应端的凸缘(法兰)13a,b。内套管14在外壳12和相应的凸缘13a,b之间的各自相应端处加固(紧闭，secure).
内套管14可由弹性体材料例如橡胶制成。
外壳12在内套管的各端处接触内套管14，而外壳12的中段高出内套管14，从而在外壳12和内套管14之间提供通常环形的间隙16。
外壳12具有容许空气进入环形间隙16中的空气进口12a。
内套管14容纳以密堆积三维阵列排列而形成塞子18的多个球形珠粒。例如，珠粒可以三维六方密堆积阵列、三维立方密堆积阵列、或这两种堆积排列的混合方式排列。可出现局部的堆积不规则，例如其中具有不同取向的子阵列相遇，但是总体而言，珠粒的堆积通常是规则的。
珠粒的直径通常在1-5mm的范围内、优选地在1-3mm的范围内。
多个珠粒通过分别设置在塞子18的上游端和塞子18的下游端处的两个支持滤网20a,b承载于夹管阀10内。
参考图2a和2b，各支持滤网20具有拥有排列在一侧的半球形的凸出物23的基础圆盘21。半球形的凸出物以密堆积阵列排列，使得在滤网的中心区域中，每个凸出物接触六个其它凸出物(靠近滤网边缘的凸出物由于边缘效应而各自接触较少的其它凸出物)。凸出物之间的间隙限定延伸通过基础圆盘的厚度的开孔。
半球形的凸出物起到保持球形珠粒远离基础圆盘21的作用，使得珠粒无法阻塞基础圆盘中的开孔。典型地，半球形的凸出物具有珠粒半径的一倍至四倍的半径。
进口管道22a设置在夹管阀的上游端处。进口管道22a在夹管阀的下游方向上向外张开。
出口管道22b设置在夹管阀的下游端处。出口管道在夹管阀的下游方向上逐渐变细。
使用时，向环形间隙16提供空气以将所述间隙内的空气压力增大到例如约6巴。增大的压力导致内套管14在径向向内方向上变形，使得其被推向塞子18的表面。这有助于减小塞子和内套管之间的空间，且有助于保证边缘效应(例如珠粒的堆积规则性的下降)得以减小。因此，内套管的配置有助于促进珠粒在横跨塞子的整个主体中规则堆积。
围绕塞子18提供弹性衬套和将其用来在塞子上传递压缩力的效果在图3中进行说明。图3b显示其中将粒子18’的塞子保持在刚性衬套14’中的对比例。增大的空隙因由于刚性衬套无法适配粒子导致的堆积不规则而存在于塞子的边缘处。此外，由于粒子阵列中的间隙而在塞子的主体中存在缺陷。图3a显示弹性衬套14如何可帮助在塞子18的边缘处使粒子适配，而在塞子上施加压缩力有助于减少塞子内的缺陷。
将空气进料28和表面活性剂溶液进料30提供到进口管道22a且在压力下驱使其通过支持滤网20a、塞子18和支持滤网20b，从而提供在出口22b处离开夹管阀10的泡沫进料32。典型地，出口处的泡沫压力为约2巴。
定位夹管阀10，使得外壳12和内套管14竖立，且进口管道22a高于出口管道22b。
仅通过说明的方式呈现以下工作实施例。
对比例1
通过使空气和发泡剂溶液的恒定流经过装备有转子/定子部件的泡沫产生器(即动态泡沫产生器)而产生泡沫。泡沫产生条件设定于下：
-泡沫产生器速度：约2900rpm
-转子/定子间隙：约0.5mm
-发泡剂：来自GEO Speciality Chemicals的Hyonic PFM10发泡剂(这是一种不稳定的发泡剂)
-发泡剂浓度：约0.5wt％
-泡沫密度：约91g/l
实施例1
通过使空气和发泡剂溶液移动通过图1中所示类型的静态泡沫产生装置而产生泡沫。在该情况下，泡沫产生条件设定于下：
-装填粒子：约1mm直径的球形粒子。
-泡沫产生器背压：约2巴
-夹管阀内压力：约6巴
-发泡剂：来自Stepan Company的STEOL DES32i(这是一种具有C8-C12范围内的平均碳链长度的基于烷基醚硫酸盐的发泡剂)
-发泡剂浓度：约1wt％
-泡沫密度：约91g/l
发泡浆料的制备
然后经预产生的泡沫与预混合的石膏灰泥浆料以多个比例轻缓共混以产生具有不同密度水平(从0.5至最大0.8g/cm3)的多个石膏样品。典型的浆料组成示于表1中：
表1
目标物的干密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.8 0.7 0.6 0.5
灰泥 1 1 1 1
水(相对于灰泥的重量比) 0.77 0.75 0.72 0.69
泡沫(相对于灰泥的重量比) 0.03 0.05 0.08 0.11
结果：泡沫的形态和石膏样品的显微结构的定量分析
泡沫的形态和石膏样品的芯结构通过使用光学显微镜设备和软件进行分析。
图3(a)中的曲线1和2显示分别在对比例1和实施例1中产生的泡沫气泡的累积体积分布。曲线1’和2’显示所述累积体积分布的各自的第一导数(derivative)。对比例1和实施例1的体均气泡尺寸分别通过曲线1’和曲线2’的峰位置进行定义。
类似地，图3(b)中的曲线3和4显示分别在对比例1和实施例1中产生的泡沫气泡的累积数量分布。曲线3’和4’显示累积数量分布的各自的第一次导数。对比例1和实施例1的数均气泡尺寸分别通过曲线3’和曲线4’的峰位置进行定义。
气泡尺寸分散度作为体均气泡尺寸对数均气泡尺寸的比率进行计算。
图4(a)中的曲线5和6显示分别在对比例1和实施例1中制备的石膏样品的芯中存在的孔的累积体积分布。曲线5’和6’显示累积体积分布的各自的第一次导数。对比例1和实施例1的石膏样品的体均孔度分别通过曲线5’和曲线6’的峰位置进行定义。
类似地，图4(b)中的曲线7和8显示分别在对比例1和实施例1中制备的石膏样品的芯中存在的孔的累积数量分布。曲线7’和8’显示所述累积数量分布的各自的第一导数。对比例1和实施例1的石膏样品的数均孔度分别通过曲线7’和曲线8’的峰位置进行定义。
孔度分散度作为体均孔度对数均孔度的比率进行计算。
表2
结果：机械试验
对比例1和实施例1的压痕强度结果列于表3中。该试验包括使用约8mm直径的球形头部压痕工具测量压痕强度。所述压痕强度(也称为刚性)对应于关联应力(N)对于变形(mm)的曲线的斜率。
表3

Claims (13)

1.制备用于掺入到水泥质浆料中的泡沫的装置，其包括具有用于接收气体进料和表面活性剂进料的进口和用于容许泡沫离开的出口的管道，所述管道容纳对沿所述管道的流体流提供部分阻隔的多孔塞子，该塞子包括以规则阵列堆积的多个粒子，所述粒子限定在其间延伸的孔的三维网络，
其中所述装置包括位于所述塞子和所述管道之间的弹性组件。
2.根据权利要求1的装置，其中所述弹性组件包括设置在所述管道的径向内侧上的衬套。
3.根据权利要求2的装置，其还包括用于在所述衬套的径向向内方向上对所述衬套施加压力以促使所述衬套压向粒子塞子的手段。
4.根据权利要求1-3任一项的装置，其中所述出口包括滤网，所述滤网包括指向所述塞子的下游端的凸出物阵列，所述凸出物排列成在其间提供相应的开孔阵列以容许泡沫离开所述塞子。
5.根据权利要求4的装置，其中所述凸出物是半球形的。
6.根据权利要求5的装置，其中所述凸出物的直径为球形粒子的直径的一倍至四倍。
7.根据权利要求1-3任一项的装置，其中所述出口沿着所述管道的下游方向逐渐变细，和/或所述进口沿着所述管道的下游方向向外张开。
8.制备用于掺入到石膏浆料中的泡沫的方法，其包括如下步骤：
提供根据前述权利要求任一项的装置；
将第一进料和第二进料经由所述管道的进口供应到所述管道，所述第一进料包括气体且所述第二进料包括表面活性剂；和
驱使第一进料和第二进料通过所述多个粒子而形成泡沫。
9.根据权利要求8的方法，其还包括在所述衬套的径向向内方向上对所述衬套施加压力以促使所述衬套压向珠粒塞子的步骤。
10.根据权利要求9的方法，其中所述压力在3-9巴的范围内。
11.根据权利要求8-10任一项的方法，其中所述管道的出口处的气体压力落在1-3巴的范围内。
12.根据权利要求8-10任一项的方法，其还包括向所述泡沫加入稳定添加剂的步骤。
13.根据权利要求8-10任一项的方法，其包括将所述泡沫掺入到液压粘结剂浆料中的附加步骤。
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