CN108349811A - 用于似水泥的浆料的发泡改性剂、方法和产品 - Google Patents
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Abstract
公开泡沫改性剂，例如适用于石膏或水泥浆料。所述泡沫改性剂包含添加到包括发泡剂，如烷基硫酸盐表面活性剂的石膏或水泥浆液的脂肪醇。在一些实施例中，所述脂肪醇可为C6‑C16脂肪醇。这类泡沫改性剂的用途可用于例如使泡沫稳定、降低发泡剂的浪费、改进在最终产品中的空隙大小控制，和改进石膏板材制造工艺。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2015年10月1日提交的美国临时专利申请第62/235,979号和2016年6月17日提交的美国专利申请第15/186,320号以及2016年6月17日提交的15/186,336的权益，所述专利以引用的方式并入。
背景技术
凝固石膏(即，二水合硫酸钙)为在许多产品(包括用于建筑物构造和重塑的板和其它产品)中使用的众所周知的材料。一个这类板(通常被称作石膏板材)呈夹在两个覆盖片材(例如纸面板材)之间的凝固石膏芯形式并且常用于建筑物的内壁和天花板的干壁构造。一个或多个致密层(通常被称作“撇渣面层”)可包括在芯的两侧上，通常在纸-芯界面处。
在板材制造期间，灰泥(即，呈半水合硫酸钙和/或硫酸钙硬石膏形式的烧石膏)、水和其它成分按需要通常在叶式混合器(如用于所属领域的术语)中混合。使浆液形成并且从混合器排放到携带具有已经施用撇渣面层中的一个(如果存在)(通常在混合器的上游)的覆盖片材的移动传送器上。将浆液铺展在纸上(其中撇渣面层任选地包括在纸上)。另一个覆盖片材(在具有或没有撇渣面层的情况下)施用到浆液上以借助于例如形成板等来形成期望厚度的夹层结构。浇铸混合物并且通过使烧石膏与水反应以形成结晶水合石膏(即，二水合硫酸钙)的基体使其硬化以形成凝固(即，复水)石膏。烧石膏的期望水合使得能够形成凝固石膏晶体的互锁基体，由此向在产品中的石膏结构赋予强度。需要热量(例如在窑中)以驱除剩余游离(即，未反应的)水以得到干燥产品。
因为在安装时的较高效率，所以期望板材重量降低。举例来说，提升需求要少得多，这导致较长工作天数和较小损伤。较轻重量的板材还更“绿色”，因为这可引起降低运输花费和能量消耗。为了降低板材的重量，可将发泡剂引入到浆液中以在最终产品中形成空气空隙。然而，通过其性质，发泡剂大体上不稳定，使得泡沫气泡趋于容易破裂，特别地在存在似水泥的材料的情况下，由此导致浪费和低效率。
此外，在石膏板材包封中用空气代替块状物降低重量，但是块状物的损失还导致较小的强度。补偿强度损失为在所属领域中重量降低努力中的显著障碍。
应了解此背景描述已由本发明人创建以辅助读者，并且不视为参照先前技术也不作为所指示的问题中任一个本身在所属领域中理解的指示。虽然在一些方面和实施例中描述的原理可缓解在其它系统中固有的问题，但是应了解，保护的创新的范围由所附权利要求书定义，而不是由本公开的任何实施例解决本文中提到的任何具体问题的能力定义。
发明内容
在一个方面，本公开提供包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成的石膏板材：安置在两个覆盖片材之间的凝固石膏芯。凝固石膏芯包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：至少由水、灰泥和泡沫形成的石膏晶体基体。泡沫由发泡剂和包含脂肪醇的泡沫稳定剂形成。优选地，发泡剂包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐或其任何组合。在一些实施例中，发泡剂实质上不包括烯烃和/或炔烃发泡剂。不希望受任何特定理论束缚，认为脂肪醇与发泡剂相互作用以使泡沫稳定并且使得较好控制在最终产品中形成的空气空隙。在一些实施例中，泡沫稳定剂包含脂肪醇但是实质上不包括脂肪酸烷醇酰胺和/或羧酸氨基乙磺酸盐。在一些实施例中，与在没有脂肪醇的情况下制备的相同板材相比，板材呈现增强的强度。
在另一个方面，本公开提供制备似水泥的(例如石膏或水泥)板材的方法。通常预生成泡沫。因此，方法包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：通过将空气插入到发泡剂和包含脂肪醇的泡沫稳定剂的水性混合物中预生成泡沫。优选地，发泡剂包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐或其任何组合。可将稳定和不稳定发泡剂共混。在一些实施例中，发泡剂实质上不包括烯烃和/或炔烃发泡剂。将泡沫引入(例如注射)到浆液中。
所述方法包括至少混合水、灰泥和泡沫以形成似水泥的浆液；将浆液安置在第一覆盖片材和第二覆盖片材之间以形成板材前体；将板材前体切割成板材；和干燥板材。在优选的实施例中，脂肪醇可在预混物中与发泡剂组合，并且例如在混合器中将预混物按需要添加到灰泥、水和其它添加剂中。虽然不希望受理论束缚，但是认为脂肪醇大体上溶解于水性发泡剂中。在一些实施例中，泡沫稳定剂包含脂肪醇但是实质上不包括二醇和/或酰胺化合物。
在另一个方面，本公开提供形成发泡石膏浆液的方法。所述方法包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：将发泡剂与脂肪醇组合以形成水性肥皂混合物；由水性肥皂混合物生成泡沫；和将泡沫添加到包含灰泥和水的石膏浆液以形成发泡石膏浆液。不希望受任何特定理论束缚，在泡沫夹带在石膏浆液中时，泡沫气泡形成有围绕接合浆液的气泡的壳。进一步认为存在脂肪醇期望地使壳在界面处稳定。
在另一个方面，本公开提供包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成的浆液：水、灰泥、发泡剂和脂肪醇，其中当浇铸浆液并且干燥为板材时，与在没有脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，板材具有提高的强度。
在另一个方面，本公开提供使发泡结构在似水泥的浆液中稳定的方法，例如用于制备似水泥的(例如石膏或水泥)板材。在所述方法中，脂肪醇可与发泡剂组合。在一些实施例中，发泡剂与脂肪醇混合以形成水性肥皂混合物。泡沫由水性肥皂混合物生成。将泡沫添加到包含似水泥的材料(例如灰泥或水泥)和水的石膏或水泥浆液以形成发泡似水泥的浆液。不希望受任何特定理论束缚，认为在泡沫夹带在似水泥的浆液中时，泡沫气泡形成有围绕接合浆液的气泡的壳。进一步认为存在脂肪醇期望地使壳在界面处稳定。
为了制备板材，将发泡似水泥的浆液以粘结关系施用到顶部(或面)覆盖片材以形成具有第一主表面和第二主表面的发泡似水泥的芯浆液。发泡似水泥的芯浆液的第一主表面面对顶部覆盖片材。将底部(或背)覆盖片材以粘结关系施用到发泡似水泥的芯浆液的第二主表面以形成板材前体的湿组件。如果需要，那么撇渣面层可在芯和覆盖片材中的任一个或两个之间施用。切割板材前体并且干燥以形成板材产品。
在另一个方面，本公开提供由水和水泥材料(例如波特兰(Portland)水泥、高铝水泥、氧化镁水泥等，和这类材料的共混物)的芯混合物形成的水泥板材。发泡剂和脂肪醇也包括在混合物中。任选地，在一些实施例中，轻重量的凝集物(例如膨胀粘土、膨胀矿渣、膨胀页岩、珍珠岩、膨胀玻璃珠粒、聚苯乙烯珠粒等)可包括在混合物中。水泥板材包含安置在两个覆盖片材之间的水泥芯。水泥芯可至少由水、水泥、发泡剂和脂肪醇形成。
在另一个方面，本公开提供形成发泡水泥浆液的方法。所述方法包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：将发泡剂与脂肪醇组合以形成水性肥皂混合物；由水性肥皂混合物生成泡沫；和将泡沫添加到包含水泥(例如波特兰水泥、高铝水泥、氧化镁水泥等，或其组合)和水的水泥浆液以形成发泡水泥浆液。在泡沫夹带在水泥浆液中时，泡沫气泡形成有围绕接合浆液的气泡的壳。不希望受任何特定理论束缚，存在脂肪醇期望地使壳在界面处稳定。
在另一个方面，本公开提供包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成的浆液：水、水泥、发泡剂和脂肪醇，其中当形成浆液并且干燥为板材时，与在没有脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，板材具有提高的强度。
附图说明
图1为均在具有和没有聚羧酸酯醚的情况下泡沫高度(mm)(Y轴)对不存在脂肪醇的发泡剂溶液(X轴)的条形图，如在本文实例1中所描述。
图2为泡沫高度(mm)(Y轴)对含有发泡剂1B的发泡剂溶液(X轴)的条形图，如在本文实例1中所描述。
图3为泡沫高度(mm)(Y轴)对含有发泡剂1C的发泡剂溶液(X轴)的条形图，如在本文实例1中所描述。
图4为泡沫高度(mm)(Y轴)对含有发泡剂1B的发泡剂溶液的时间(X轴)的图，如在本文实例1中所描述。
图5为泡沫高度(mm)(Y轴)对含有发泡剂1C的发泡剂溶液的时间(X轴)的图，如在本文实例1中所描述。
图6A-6C为在没有任何脂肪醇的情况下制备的对照墙板2A的横截面在20倍放大下的光学显微照片图像，如在本文实例2中所描述。
图7A-7C为用与1％的十二烷醇共混的发泡剂制备的墙板2B的横截面在20倍放大下的光学显微照片图像，如在本文实例2中所描述。
图8A-8C为用与1％的癸醇共混的发泡剂制备的墙板2C的横截面在20倍放大下的光学显微照片图像，如在本文实例2中所描述。
图9A-9C为用与1％的辛醇共混的发泡剂制备的墙板2D的横截面在20倍放大下的光学显微照片图像，如在本文实例2中所描述。
图10为在对照墙板2A中体积分布(％)(Y轴)对空隙大小的条形图，如在本文实例2中所描述。
图11为用1％十二烷醇改性的发泡剂制备的墙板2B中空隙的体积分布(％)(Y轴)对空隙大小(微米)(X轴)的条形图，如在本文实例2中所描述。
图12为用1％癸醇改性的发泡剂制备的墙板2C中体积分布(％)(Y轴)对空隙大小(微米)(X轴)的条形图，如在本文实例2中所描述。
图13为用1％辛醇改性的发泡剂制备的墙板2D中体积分布(％)(Y轴)对空隙大小(微米)(X轴)的条形图，如在本文实例2中所描述。
具体实施方式
本公开的实施例提供适用于似水泥的浆料(例如石膏或水泥浆料)和适用于相关产品的泡沫改性剂和方法。泡沫改性剂为脂肪醇，其虽然不希望受任何特定理论束缚，但是被认为用以帮助稳定泡沫。石膏和水泥浆料可为具有不同类型和量的材料的复杂系统。在浆液内的成分为泡沫贡献应力，这可致使泡沫气泡破裂，引起空气空隙大小分布的控制降低。出人意料地和出乎意料地，本发明人已发现，例如在制备泡沫的预混物中包括脂肪醇与发泡剂可引起泡沫稳定性的改进，由此使得较好控制泡沫(空气)空隙大小和分布。通过形成这类鲁棒发泡系统，在一些实施例中控制的芯结构可引起改进的板材强度，如例如改进的钉拉阻力(有时简单地称为“钉拉”)、芯硬度等中所见。在一些实施例中，与在没有脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，板材具有提高的强度。可按需要调整芯结构的空气空隙大小分布，例如以具有可较高或较低的平均空隙直径，例如包含较大的空气空隙或较小的空气空隙，如可预先确定的。
脂肪醇可与适用于在石膏浆料中生成泡沫的任何合适发泡剂组合物一起使用。选择合适发泡剂以在最终产品中产生空气空隙，使得可降低板材芯的重量。在一些实施例中，发泡剂包含稳定肥皂、不稳定肥皂，或稳定和不稳定肥皂的组合。在一些实施例中，发泡剂的一种组分为稳定肥皂，并且其它组分为稳定肥皂和不稳定肥皂的组合。在一些实施例中，发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
可获得并且可根据本公开的实施例使用许多商业上已知的发泡剂，如来自宾夕法尼亚州安布勒的GEO特种化学品(GEO Specialty Chemicals，Ambler，PA)的肥皂产品的HYONIC系列(例如25AS)。其它可商购的肥皂包括来自伊利诺伊州诺思菲尔德的斯泰潘公司(Stepan Company，Northfield，Illinois)的Polystep B25。本文所描述的发泡剂可单独或与其它发泡剂组合使用。
根据本公开的实施例，一些类型的不稳定肥皂为具有不同链长和不同阳离子的烷基硫酸盐表面活性剂。合适的链长可为例如C8-C12，例如C8-C10或C10-C12。合适的阳离子包括例如钠、铵、镁或钾。不稳定肥皂的实例包括例如十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸镁、癸基硫酸钠、十二烷基硫酸铵、十二烷基硫酸钾、癸基硫酸钾、辛基硫酸钠、癸基硫酸镁、癸基硫酸铵、其共混物，和其任何组合。
根据本公开的实施例，一些类型的稳定肥皂为具有不同(大体上较长)链长和不同阳离子的烷氧基化(例如乙氧基化)烷基硫酸盐表面活性剂。合适的链长可为例如C10-C14，例如C12-C14或C10-C12。合适的阳离子包括例如钠、铵、镁或钾。稳定肥皂的实例包括例如月桂醇醚硫酸钠、月桂醇醚硫酸钾、月桂醇醚硫酸镁、月桂醇醚硫酸铵、其共混物，和其任何组合。在一些实施例中，可使用来自这些列表的稳定和不稳定肥皂的任何组合。
发泡剂的组合和其添加在制备发泡石膏产品中的实例公开于美国专利5,643,510中，所述专利以引用的方式并入本文。举例来说，可将形成稳定泡沫的第一发泡剂和形成不稳定泡沫的第二发泡剂组合。在一些实施例中，第一发泡剂为具有8-12个碳原子的烷基链长和1-4个单元的烷氧基(例如乙氧基)链长的肥皂。第二发泡剂任选地为具有6-20个碳原子，例如6-18个碳原子或6-16个碳原子的烷基链长的未烷氧基化(例如未乙氧基化)肥皂。调节这两种肥皂的相应量使得控制板材泡沫结构直到达到约100％稳定肥皂或约100％不稳定肥皂。
在一些实施例中，发泡剂呈烷基硫酸盐和/或烷基醚硫酸盐的形式。这类发泡剂比烯烃(如烯烃硫酸盐)优选，因为烯烃大体上在分子前部处含有双键，由此使其不期望地更具反应性，甚至当制备为肥皂时。因此，优选地，发泡剂包含烷基硫酸盐和/或烷基醚硫酸盐，但是基本上不含烯烃(例如烯烃硫酸盐)和/或炔烃。基本上不含烯烃或炔烃意指发泡剂含有(i)以灰泥的重量计0wt％，或没有烯烃和/或炔烃，或(ii)无效的或(iii)非实质量的烯烃和/或炔烃。无效量的实例为低于阈值量以使用烯烃和/或炔烃发泡剂实现预期目的的量，如所属领域的普通技术人员应了解。非实质量可为例如以灰泥的重量计，低于约0.001wt％，如低于约0.005wt％，低于约0.001wt％，低于约0.0001wt％等，如所属领域的普通技术人员应了解。
发泡剂以任何合适的量包括在石膏浆液中。举例来说，在一些实施例中，包括的发泡剂的量为约0.01重量％到约0.25重量％的灰泥，例如约0.01重量％到约0.1重量％的灰泥、约0.01重量％到约0.03重量％的灰泥，或约0.07重量％到约0.1重量％的灰泥。
脂肪醇可为任何合适的脂肪族脂肪醇。应理解，如贯穿本文所定义，“脂肪族”是指烷基、烯基或炔基，并且可为经取代或未经取代的、分支或非分支的和饱和或不饱和的，并且相对于一些实施例通过本文阐述的碳链表示，例如Cx-Cy，其中x和y为整数。因此术语脂肪族还指具有保持基团疏水性的杂原子取代基的链。脂肪醇可为单一化合物，或可为两种或更多种化合物的组合。
在一些实施例中，脂肪醇为C6-C20脂肪醇，如C10-C20脂肪醇或C6-C16脂肪醇(例如C6-C14、C6-C12、C6-C10、C6-C8、C8-C16、C8-C14、C8-C12、C8-C10、C10-C16、C10-C14、C10-C12、C12-C16、C12-C14或C14-C16脂肪族脂肪醇等)。实例包括辛醇、癸醇、十二烷醇等或其任何组合。
C6-C20脂肪醇包含直链或支链C6-C20碳链和至少一个羟基。羟基可在碳链上的任何合适位置处附接但是优选地处于或接近于任一个末端碳。在某些实施例中，羟基可在碳链的α-、β-或γ-位处附接，例如C6-C20脂肪醇可包含以下结构亚单元： 因此，根据一些实施例，期望脂肪醇的实例为1-十二烷醇、1-十一醇、1-癸醇、1-壬醇、1-辛醇，或其任何组合。
在一些实施例中，泡沫稳定剂包含脂肪醇并且基本上不含脂肪酸烷醇酰胺或羧酸氨基乙磺酸盐。在一些实施例中，泡沫稳定剂基本上不含二醇，但是在一些实施例中可包括二醇，例如以使得较高表面活性剂含量。基本上不含前述成分中的任一种意指泡沫稳定剂含有(i)以这些成分中的任一种的重量计0wt％，或(ii)无效的或(iii)非实质量的这些成分中的任一种。无效量的实例为低于阈值量以使用这些成分中的任一种实现预期目的的量，如所属领域的普通技术人员应了解。非实质量可为例如以灰泥的重量计，低于约0.0001wt％，如低于约0.00005wt％，低于约0.00001wt％，低于约0.000001wt％等，如所属领域的普通技术人员应了解。
脂肪醇可以任何合适的量存在于石膏浆液中。在一些实施例中，脂肪醇的存在量为约0.0001重量％到约0.03重量％的灰泥，例如约0.0001重量％到约0.001重量％的灰泥、约0.0002重量％到约0.0075重量％的灰泥、约0.0001重量％到约0.003重量％的灰泥，或约0.0005重量％到约0.001重量％的灰泥。
在优选的实施例中，为了增强效率，发泡剂、泡沫水和脂肪醇在添加到石膏浆液之前组合。以此方式制备使得脂肪醇能够直接作用于泡沫以提供期望稳定性效应，而不是在石膏浆液中稀释并且与浆液的其它组分竞争进入泡沫气泡。
可将脂肪醇添加到发泡剂并且通常将其溶解。因为脂肪醇大体上水不可溶，所以在一些实施例中，在泡沫生成之前所述脂肪醇被添加到肥皂并且首先溶解。根据本公开的实施例，脂肪醇可溶解于稳定或不稳定发泡剂中。在一些实施例中，具有溶解的脂肪醇的第一发泡剂随后与另一种发泡剂共混(例如，具有溶解的脂肪醇的稳定发泡剂与不稳定发泡剂共混，或具有溶解的脂肪醇的不稳定发泡剂与稳定发泡剂共混)。
在添加到石膏浆液之前，在表面活性剂(发泡剂)和脂肪醇之间的任何有效重量比例可用于最终发泡剂-脂肪醇共混物。举例来说，发泡剂相对于脂肪醇存在的重量比可为约5000∶1到约5∶1，例如约5000∶1到约1000∶1、约500∶1到约100∶1，或约500∶1到约10∶1。为了说明，在一个实施例中，典型最终发泡剂-脂肪醇共混物具有30重量％表面活性剂和1重量％脂肪醇，其中混合物的剩余部分由水构成。
发泡剂和脂肪醇可通过混合(搅拌、搅动)在容器中共混。额外发泡剂可通过注射添加。根据优选的实施例，泡沫在遇到似水泥的浆液之前预生成并且预稳定。虽然不希望受理论束缚，但是认为在表面活性剂与似水泥的浆液混合之前，形成其中用脂肪醇改性的表面活性剂的薄膜。预生成泡沫涉及加压空气与肥皂溶液的高剪切混合。此预生成发泡剂为优选的，因为这产生泡沫，这与在没有制备泡沫的情况下在混合期间仅夹带一些空气的系统相反。这些空气夹带系统仅通过简单地共混含有一些肥皂的浆液来添加气泡。泡沫可区别于这类混合气泡系统，因为预生成泡沫气泡大小更均匀并且可控制。
在将发泡剂组合物共混物与脂肪醇组合之后，生成泡沫，并且随后添加(例如注入)到浆料。用于生成泡沫的方法和设备为众所周知的。参见，例如美国专利4,518,652；2,080,009；和2,017,022。可由水性发泡剂-脂肪醇混合物预生成泡沫。举例来说，发泡剂和脂肪醇组合的最终组合物可经由剂量调节引导到泡沫发生器装置。制备泡沫的一种方法使用将肥皂溶液与空气混合的泡沫发生器。混合的任何方法(包括搅动、扰流或混合)可用于将肥皂与空气组合致使气泡形成。举例来说，泡沫发生器装置可包括混合的压缩空气和表面活性剂溶液以便生成泡沫。控制水和空气的量以生成特定密度的泡沫。调节泡沫体积用于控制总干燥产品重量。
如果需要，那么发泡剂的混合物可“离线”预共混，即，与制备发泡石膏产品的工艺分开。然而，优选的是，同时和持续共混第一发泡剂和第二发泡剂，作为混合工艺的一体化“在线”部分。这可例如通过泵送分开的不同发泡剂的料流并且在用于生成水性泡沫的料流的泡沫发生器处或恰好在其之前使料流在一起来完成，所述水性泡沫的料流随后插入到烧石膏浆液中并且与其混合。通过以此方式共混，在共混物中第一发泡剂和第二发泡剂的比率可简单并且高效地调节(例如通过改变分开的料流中的一个或两个的流动速率)以实现在发泡凝固石膏产品中的期望空隙特征。这类调节将响应于检查最终产品以确定是否需要这类调节来进行。这类“在线”共混和调节的进一步描述可见于美国专利5,643,510和5,683,635，所述专利以引用的方式并入。
可将浆液和预生成的泡沫组合以制备发泡石膏组合物。组合石膏浆液和预生成泡沫的一种方法为通过加压泡沫并且迫使其进入浆液。至少一个实施例使用泡沫环以分配泡沫。泡沫环为使得浆液流动通过其的成形设备。其包括用于在浆液通过环时将加压泡沫排放到浆液中的一个或多个喷口或狭槽。泡沫环的使用公开于美国专利6,494,609中，所述专利以引用的方式并入本文。组合泡沫和浆液的另一种方法为通过将泡沫直接添加到混合器。在一个实施例中，使泡沫环或其它泡沫注射设备取向以将泡沫注射到混合器的排放管道中。此工艺在共同转让的美国专利第5,683,635号中描述，所述专利以引用的方式并入。不管泡沫生成或引入到浆液中的方式，本发明方法的重要特征为脂肪醇在引入到浆液中之前在泡沫生产或生成中的一些点处组合或添加。成形石膏组合物以形成石膏芯。
可调整用本公开的脂肪醇和发泡剂方案形成的凝固石膏芯的石膏晶体基体以具有任何期望孔径分布。根据期望空隙大小和分布，肥皂的使用因产品而异，如将由所属领域的普通技术人员了解。用于按需要调节空隙大小的技术为众所周知的并且将由所属领域的普通技术人员理解。参见例如美国专利5,643,510和US 2007/0048490。举例来说，可通过调节在水性肥皂混合物中肥皂的浓度来精细控制发泡石膏芯的空隙大小分布。在已制备发泡石膏芯之后，对石膏芯的内部的检测显示空隙结构。通过从初始或先前浓度变化肥皂浓度产生空隙大小分布的改变。如果内部具有太大的小空隙部分，那么可降低在水性肥皂混合物中的肥皂浓度。如果发现太多非常大的长方形或不规则状的空隙，那么可提高肥皂浓度。虽然可通过使用的产品、地点或原材料来变化最优空隙大小分布，但是此工艺技术适用于朝向期望空隙大小分布移动，不管如何定义。在许多实施例中，期望空隙大小分布是为所使用的石膏配制物产生高强度芯的一种空隙大小分布。
举例来说，在一些实施例中，凝固石膏芯包含具有相对大的空气空隙的平均空气空隙直径的空气空隙，如直径至少约100微米的平均空气空隙直径、直径至少约150微米的平均空气空隙直径、直径至少约200微米的平均空气空隙直径、直径至少约250微米的平均空气空隙直径、直径至少约300微米的平均空气空隙直径，或直径至少约350微米的平均空气空隙直径等。
在一些实施例中，凝固石膏芯包含具有相对小的空气空隙的平均空气空隙直径的空气空隙，如直径小于约100微米的平均空气空隙直径、直径小于约90微米的平均空气空隙直径、直径小于约80微米的平均空气空隙直径、直径小于约70微米的空气平均空隙直径、直径小于约60微米的平均空气空隙直径，或直径小于约50微米的平均空气空隙直径等。
在一些实施例中，石膏晶体基体具有包含空隙的孔径分布，其中具有最大频率的空气空隙大小的直径为约100微米或更小、约80微米或更小、约70微米或更小，或约50微米或更小。在其它实施例中，石膏晶体基体具有包含空气空隙的孔径分布，其中具有最大频率的空气空隙大小的直径为至少约100微米，如直径为至少约150微米、至少约200微米等。
在一些实施例中，为了增强强度，凝固石膏芯包括通过大空隙(即，直径为至少约100微米)贡献的相当大的空隙体积。举例来说，在一些实施例中，通过直径为至少约100微米的空隙贡献凝固石膏芯的总空隙体积的至少约20％，如凝固石膏芯的总空隙体积的至少约30％、凝固石膏芯的总空隙体积的至少约40％、凝固石膏芯的总空隙体积的至少约50％、凝固石膏芯的总空隙体积的至少约60％、凝固石膏芯的总空隙体积的至少约70％、凝固石膏芯的总空隙体积的至少约80％，或凝固石膏芯的总空隙体积的至少约90％。为了增强重量降低同时维持强度，在一些实施例中，在高频率下的较小的大体上分散的空气空隙(即，直径小于约100微米和/或直径小于约50微米)可安置在大空隙之间。在一些实施例中，具有最大频率的空气空隙大小的直径为约100微米或更小、约80微米或更小、约70微米或更小，或约50微米或更小，而同时通过直径为至少约100微米的空气空隙贡献的空隙体积可为根据上文陈述的体积百分比中的任一种的任一种。在一些实施例中，空气空隙的分布相对窄，这可通过芯结构的显微照片或其它图像的图像分析表征。
如本文所用，由在芯中单个空气空隙的最大直径计算术语平均空气空隙大小(也被称作平均空气空隙直径)。最大直径与弗雷特(Feret)直径相同。每个空气空隙的最大直径可从样品的图像获得。图像可使用提供二维图像的任何合适技术，如扫描电子显微法(SEM)拍摄。可在SEM图像中测量许多空气空隙的孔径，使得空隙的横截面(孔)的随机性可提供平均直径。对在贯穿样品的芯中随机定位的多个图像中的空隙进行测量可改进此计算。此外，基于若干二维SEM图像构建芯的三维体视学模型也可改进平均空隙大小的计算。另一种技术为提供三维图像的X射线CT扫描分析(XMT)。另一种技术为光学显微法，其中光对比可用于帮助测定例如空隙的深度。空隙可手动或通过使用图像分析软件(例如，由美国国立卫生研究院(NIH)开发的ImageJ)测量。所属领域的普通技术人员应了解，从图像手动测定空隙大小和分布可通过目测每个空隙的尺寸测定。样品可通过将石膏板材切片获得。
蒸发水空隙(大体上具有直径为约5μm或更小的空隙)还连同前述空气(泡沫)空隙贡献空隙。在一些实施例中，孔径大于约5微米的空隙与孔径为约5微米或更小的空隙的体积比为约0.5∶1到约9∶1，例如约0.7∶1到约9∶1、约0.8∶1到约9∶1、约1.4∶1到约9∶1、约1.8∶1到约9∶1、约2.3∶1到约9∶1、约0.7∶1到约6∶1、约1.4∶1到约6∶1、约1.8∶1到约6∶1、约0.7∶1到约4∶1、约1.4∶1到约4∶1、约1.8∶1到约4∶1、约0.5∶1到约2.3∶1、约0.7∶1到约2.3∶1、约0.8∶1到约2.3∶1、约1.4∶1到约2.3∶1、约1.8∶1到约2.3∶1等。
虽然不希望受任何特定理论束缚，但是认为当泡沫引入到石膏浆液(有时被称作“灰泥浆液”)时脂肪醇增强由发泡剂形成的泡沫气泡的稳定性。进一步认为泡沫气泡在与周围石膏浆液的界面处形成外壳。认为脂肪醇增强并且使在界面处的壳稳定以由此提供对空隙大小和分布的改进的控制。此外，因为改进稳定性、较小泡沫气泡破裂，并且因此在一些实施例中需要较少发泡剂以实现与在没有脂肪醇的情况下制备的相同板材相比的相同期望板材重量降低。进一步认为发泡剂形成胶束。在此方面，发泡剂大体上为具有疏水性尾部和亲水性头部的表面活性剂。脂肪醇可并入到表面活性剂胶束中，使得来自表面活性剂和来自脂肪醇的疏水区彼此邻接以通过在疏水区之间的疏水性相互作用保护泡沫气泡。
石膏浆液包括水和灰泥。任何合适类型的灰泥可用于石膏浆液，包括α半水合硫酸钙、B半水合硫酸钙、无水硫酸钙。灰泥可为纤维状或非纤维状。本公开的实施例可适应任何合适的水与灰泥比率(WSR)。在一些实施例中，WSR为约0.3到约1.5，例如约0.3到约1.3、约0.3到约1.2、约0.3到约1、约0.3到约0.8、约0.5到约1.5、约0.5到约1.3、约0.5到约1.2、约0.5到约1、约0.5到约0.8、约0.7到约1.5、约0.7到约1.3、约0.7到约1.2、约0.7到约1、约0.8到约1.5、约0.8到约1.3、约0.8到约1.2、约0.8到约1、约0.9到约1.5、约0.9到约1.3、约0.9到约1.2、约1到约1.5、约1到约1.4、约1到约1.2等。
出人意料地和出乎意料地，改进泡沫空隙的稳定性和本文所描述的相关所得益处可甚至在存在多种石膏浆液添加剂和用于形成板材芯的量的情况下实现。因而，根据本公开的实施例包含发泡剂和脂肪醇的改进改性预发泡混合物可用于制备包括超轻质板材、抗霉和抗水性板材和防火产品的多种类型的石膏产品。
石膏浆液可包括如所属领域中已知的促进剂或迟延剂以调节凝固的速率。促进剂可呈多种形式(例如湿石膏促进剂、耐热性促进剂和气候稳定促进剂)。参见例如美国专利3,573,947和6,409,825。在其中包括促进剂和/或迟延剂的一些实施例中，促进剂和/或迟延剂各自在用于形成板材芯的灰泥浆液中的量以固体计可为如约0重量％到约10重量％的灰泥(例如约0.1％到约10％)，例如约0重量％到约5重量％的灰泥(例如约0.1％到约5％)。
其它添加剂可包括在石膏浆液中以提供期望特性，包括生强度、抗下垂性、抗水性、抗霉性、防火等级、热特性、板材强度等。合适添加剂的实例包括例如强度添加剂，如淀粉、分散剂、多磷酸盐、高膨胀颗粒、吸热添加剂、纤维、硅氧烷、氧化镁等，或其任何组合。本文单数术语添加剂的使用是用于便利性，但是应理解涵盖复数，即，在组合中多于一种添加剂，如所属领域的普通技术人员将容易地理解。
在一些实施例中，石膏浆液包括淀粉，其相对于在没有淀粉的情况下的板材的强度有效地提高石膏板材的强度(例如经由提高的钉拉阻力)。可使用任何合适强度增强淀粉，包括羟基烷基化淀粉，如羟基乙基化或羟基丙基化淀粉，或其组合，或预胶凝化淀粉，其大体上比大体上提供纸-芯粘结增强而非芯强度增强的酸改性迁移淀粉优选。任何合适预胶凝化淀粉可包括在增强添加剂中，如在US 2014/0113124 A1和US 2015/0010767-A1中所描述，包括其中描述的其制备方法和期望粘度范围。
如果包括，那么预胶凝化淀粉可呈现任何合适粘度。在一些实施例中，预胶凝化淀粉为中等范围粘度淀粉，如根据如所属领域中已知的和如在US 2014/0113124 A1中阐述的VMA方法测量，所述VMA方法以引用的方式并入本文中。根据一些实施例，期望预胶凝化淀粉的中等范围粘度(例如根据VMA方法当在于水中淀粉的15wt％溶液中测量时)可为约20厘泊到约700厘泊，例如约约20厘泊到约600厘泊、约20厘泊到约500厘泊、约20厘泊到约400厘泊、约20厘泊到约300厘泊、约20厘泊到约200厘泊、约20厘泊到约100厘泊、约30厘泊到约700厘泊、约30厘泊到约600厘泊、约30厘泊到约500厘泊、约30厘泊到约400厘泊、约30厘泊到约300厘泊、约30厘泊到约200厘泊、约30厘泊到约100厘泊、约50厘泊到约700厘泊、约50厘泊到约600厘泊、约50厘泊到约500厘泊、约50厘泊到约400厘泊、约50厘泊到约300厘泊、约50厘泊到约200厘泊、约50厘泊到约100厘泊、约70厘泊到约700厘泊、约70厘泊到约600厘泊、约70厘泊到约500厘泊、约70厘泊到约400厘泊、约70厘泊到约300厘泊、约70厘泊到约200厘泊、约70厘泊到约100厘泊、约100厘泊到约700厘泊、约100厘泊到约600厘泊、约100厘泊到约500厘泊、约100厘泊到约400厘泊、约100厘泊到约300厘泊、约100厘泊到约200厘泊等。根据一些实施例，预胶凝化淀粉可制备为挤出淀粉，例如其中淀粉通过在挤出机中在一个步骤中预胶凝化和酸性改性来制备，如在US 2015/0010767-A1中所描述，所述挤出方法以引用的方式并入本文中。
如果包括，那么淀粉可以任何合适的量存在。在一些实施例中，淀粉在石膏浆液中的存在量为约0重量％到约20重量％的灰泥，例如约0重量％到约15重量％的灰泥、约0重量％到约10重量％的灰泥、约0.1重量％到约20重量％的灰泥、约0.1重量％到约15重量％的灰泥、约0.1重量％到约10重量％的灰泥、约0.1重量％到约6重量％的灰泥、约0.3重量％到约4重量％的灰泥、约0.5重量％到约4重量％的灰泥、约0.5重量％到约3重量％的灰泥、约0.5重量％到约2重量％的灰泥、约1重量％到约4重量％的灰泥、约1重量％到约3重量％的灰泥、约1重量％到约2重量％的灰泥等。
在一些实施例中，石膏浆液可任选地包括至少一种分散剂以增强流动性。分散剂可以具有其它干燥成分的干燥形式和/或以具有其它液体成分的液体形式包括在灰泥浆液中。分散剂的实例包括萘磺酸盐，如聚萘磺酸和其盐(聚萘磺酸盐)和衍生物，其为萘磺酸和甲醛的缩合产物；以及聚羧酸盐分散剂，如聚羧酸醚，例如PCE211、PCE111、1641、1641F，或PCE 2641型分散剂，例如MELFLUX 2641F、MELFLUX 2651F、MELFLUX 1641F、MELFLUX 2500L分散剂(巴斯夫(BASF))和可购自高帝斯有限公司(Coatex，Inc.)的COATEX Ethacryl M；和/或木质素磺酸盐或磺化的木质素。萘磺酸盐分散剂可用于便于形成较大气泡并且因此在最终产品中形成较大空隙，并且聚羧酸盐(如聚羧酸酯醚)可用于形成较小气泡并且因此在产品中形成较小空隙。因为在制造期间空隙结构改变成产品为期望的，所以可在工艺中进行这类分散剂调节和其它改变，如普通技术人员应了解。木质素磺酸盐为水溶性阴离子聚电解质聚合物，来自使用亚硫酸盐制浆的木浆生产的副产物。适用于本公开的实施例的实践原理的木质素的一个实例为可购自Reed Lignin有限公司(Reed Lignin Inc.)的Marasperse C-21。
较低分子量分散剂大体上为优选的。较低分子量萘磺酸盐分散剂为有利的，因为其倾向于比较高粘度、较高分子量分散剂更低的水需求。因此，约3,000到约10,000(例如约8,000到约10,000)的分子量为优选的。如另一种说明，对于PCE211型分散剂，在一些实施例中，分子量可为约20,000到约60,000，其呈现比分子量高于60,000的分散剂较小的迟延。
萘磺酸盐的一个实例为可购自GEO特种化学品的DILOFLO。DILOFLO为于水中45％萘磺酸盐溶液，但是其它水溶液，例如在约35重量％到约55重量％固体含量的范围内也为可容易获得的。萘磺酸盐可以干燥固体或粉末形式使用，例如可购自GEO特种化学品的LOMAR D。萘磺酸盐的另一个实例为可购自GEO特种化学品的DAXAD。
如果包括，那么分散剂可以任何合适的量提供。举例来说，在一些实施例中，分散剂的存在量为例如约0重量％到约0.7重量％的灰泥、0重量％到约0.4重量％的灰泥、约0.05重量％到约5重量％的灰泥、约0.05重量％到约0.3重量％的灰泥，或约1重量％到约5重量％的灰泥。
在一些实施例中，如果需要，那么石膏浆液可任选地包括一种或多种含磷酸盐化合物。举例来说，适用于一些实施例的含磷酸盐组分包括水溶性组分并且可呈离子、盐或酸形式，即，缩合磷酸，其中各自包含两个或更多个磷酸单元；缩合磷酸盐的盐或离子，其中各自包含两个或更多个磷酸盐单元；和正磷酸盐的一价盐或一价离子以及水溶性非环多磷酸盐。参见例如美国专利6,342,284；6,632,550；6,815,049；和6,822,033。
在一些实施例中磷酸盐组合物(如果添加)可增强生强度、抗永久变形(例如下陷)性、尺寸稳定性等。可使用三偏磷酸盐化合物，包括例如三偏磷酸钠、三偏磷酸钾、三偏磷酸锂和三偏磷酸铵。三偏磷酸钠(STMP)为优选的，但是其它磷酸盐可为合适的，包括例如四偏磷酸钠、具有约6到约27个重复磷酸盐单元并且分子式为Nan+2PnO3n+1，其中n＝6-27的六偏磷酸钠、分子式为K4P2O7的焦磷酸四钾、分子式为Na3K2P3O10的三聚磷酸三钠二钾、分子式为Na5P3O10的三聚磷酸钠、分子式为Na4P2O7的焦磷酸四钠、分子式为Al(PO3)3的三偏磷酸铝、分子式为Na2H2P2O7的酸式焦磷酸钠、具有1,000-3,000个重复磷酸盐单元并且分子式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n＝1,000-3,000的多磷酸铵，或具有两个或更多个重复磷酸单元并且分子式为Hn+2PnO3n+1，其中n为二或更大的聚磷酸。
如果包括，那么含磷酸盐化合物可以任何合适的量存在。为了说明，在一些实施例中，含磷酸盐化合物的存在量可为例如约0.1重量％到约1重量％，例如约0.2重量％到约0.4重量％的灰泥。
可任选地包括抗水性或抗霉性添加剂，如硅氧烷。如果包括，那么在一些实施例中，硅氧烷优选地以乳液形式添加。随后浆液成形并且在促进硅氧烷聚合以形成高度交联硅酮树脂的条件下干燥。可将促进硅氧烷聚合以形成高度交联的硅酮树脂的催化剂添加到石膏浆液。如在美国专利7,811,685中所描述，在一些实施例中，可包括氧化镁以有助于催化和/或抗霉性和/或抗水性。如果包括，那么氧化镁以任何合适的量存在，如约0.02重量％到约0.1重量％，例如约0.02重量％到约0.04重量％的灰泥。
在一些实施例中，由瓦克化学股份有限公司(德国慕尼黑)(Wacker-Chemie GmbH(Munich，Germany))以名称SILRES BS 94出售的无溶剂甲基氢硅氧烷流体可用作硅氧烷。此产品为不含水或溶剂的硅氧烷流体。预期在一些实施例中，以灰泥的重量计，可使用约0.05％到约0.5％，例如约0.07％到约0.14％的BS 94硅氧烷。举例来说，在一些实施例中，以干燥灰泥重量计，优选的是使用约0.05％到约0.2％，例如约0.09％到约0.12％的硅氧烷。
在一些实施例中，石膏浆液可包括任何合适的耐火添加剂。合适的耐火添加剂的实例包括高膨胀颗粒、高效吸热添加剂、纤维等，或其任何组合，如在美国专利8,323,785中所描述，这类添加剂的描述以引用的方式并入本文中。在一些实施例中可使用蛭石、三水合铝、玻璃纤维和其组合。
举例来说，根据一些实施例适用的高膨胀颗粒可呈现在约1560°F(约850℃)下加热一小时之后约300％或更大的其初始体积的体积膨胀。在一些实施例中，可使用高膨胀蛭石，其在温度为约1560°F(约850℃)的腔室中放置一小时之后具有其初始体积的约300％到约380％的体积膨胀。如果包括，那么高膨胀颗粒(如蛭石)可以任何合适的量存在。在一些实施例中，其存在量为约1重量％到约10重量％，例如约3重量％到约6重量％的灰泥。
三水合铝(ATH)(也被称作三水合氧化铝和水合氧化铝)可由于其结晶或化合物水含量而提高防火性。ATH为高效吸热添加剂的合适实例。这类高效吸热(HEHS)添加剂在引起从板芯的石膏二水合物组分脱水和释放水蒸汽的温度范围中具有超过相当量石膏二水合物的吸热能力的吸热能力。这类添加剂通常选自组合物，如三水合铝或在与石膏二水合物相同或类似温度范围中分解、释放水蒸汽的其它金属氢氧化物。虽然可使用相对于相当量的石膏二水合物具有提高的吸热效率的其它HEHS添加剂(或HEHS添加剂的组合)，但优选的HEHS添加剂当用于旨在用于防火或其它高温应用的石膏板时提供相对于石膏二水合物的充分提高的吸热效率，以抵消重量的任何提高或HEHS添加剂的其它不期望特性。如果包括，那么吸热添加剂(如ATH)以任何合适的量存在。在一些实施例中，包括的吸热添加剂的量为约1重量％到约8重量％，例如约2重量％到约4重量％的灰泥。
纤维可包括矿物质纤维、碳和/或玻璃纤维和这类纤维的混合物，以及为板提供相当益处的其它相当纤维。在一些实施例中，将玻璃纤维并入石膏芯浆液和所得结晶芯结构中。在这类实施例中的一些中，玻璃纤维的平均长度可为约0.5到约0.75英寸并且直径为约11到约17微米。在其它实施例中，这类玻璃纤维的平均长度可为约0.5到约0.675英寸并且直径为约13到约16微米。如果包括，那么纤维(如玻璃纤维)以任何合适的量存在，如约0.1重量％到约3重量％，例如约0.5重量％到约1重量％的灰泥。
根据本公开的实施例的石膏板材在具有期望密度范围的多种不同产品中具有实用性，包括但不限于干壁(其可涵盖不仅用于墙而且用于天花板和其它场所的这类板材，如在所属领域中理解)、防火板材、抗霉板材、抗水性板材等。板材重量为厚度的函数。因为板材通常以不同厚度制备，所以在本文中使用板材密度作为板材重量的量度。合适厚度的实例包括3/8英寸、二分之一英寸、5/8英寸、3/4英寸或一英寸。根据本公开的实施例的石膏板材的优点可在包括至多较重板材密度的密度范围下看出，例如约43pcf或更小，或40pcf或更小，如约17pcf到约43pcf、约20pcf到约43pcf、约24pcf到约43pcf、约27pcf到约43pcf、约20pcf到约40pcf、约24pcf到约40pcf、约27pcf到约40pcf、约20pcf到约37pcf、约24pcf到约37pcf、约27pcf到约37pcf、约20pcf到约35pcf、约24pcf到约35pcf、约27pcf到约35pcf等。
如在本文中所提及，从石膏墙板去除块状物已导致相当难以补偿伴随的强度损失。考虑到改进泡沫空隙稳定性，本公开的一些实施例出人意料地和出乎意料地使得能够使用具有良好强度和/或期望火或热特性、较低水需求和如本文所描述的添加剂的高效使用的较低重量板材。举例来说，在一些实施例中，板材密度可为约17pcf到约35pcf，例如约17pcf到约33pcf、17pcf到约31pcf、17pcf到约28pcf、约20pcf到约32pcf、约20pcf到约31pcf、约20pcf到约30pcf、约20pcf到约30pcf、约20pcf到约29pcf、约20pcf到约28pcf、约21pcf到约33pcf、约21pcf到约32pcf、约21pcf到约33pcf、约21pcf到约32pcf、约21pcf到约31pcf、约21pcf到约30pcf、约21pcf到约29pcf、约21pcf到约28pcf、约21pcf到约29pcf、约24pcf到约33pcf、约24pcf到约32pcf、约24pcf到约31pcf、约24pcf到约30pcf、约24pcf到约29pcf、约24pcf到约28pcf，或约24pcf到约27pcf等。
覆盖片材可呈任何合适的形式。应理解，关于覆盖片材，术语“面”和“顶部”片材在本文中可互换地使用，而术语“背”和“底部”同样地在本文中可互换地使用。举例来说，覆盖片材可包含纤维素纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、矿绵或前述材料的组合。片材中的一个或两个可包含单个片材或多个片材。在优选的实施例中，覆盖片材包含纤维素纤维。举例来说，纸片材(如Manila纸或牛皮纸)可用作背片材。有用的覆盖片材纸包括可购自伊利诺伊州芝加哥的美国石膏公司(United States Gypsum Corporation，Chicago，IL.)的Manila 7-层纸和News-Line 3-层或7-层纸；可购自印第安纳州新港的国际纸业(InternationalPaper，Newport，IN)的Grey-Back 3-层纸和Manila Ivory 3-层纸；和可购自伊利诺伊州芝加哥的美国石膏公司的Manila重纸和MH Manila HT(高拉伸)纸。覆盖片材纸的实例为5-层NewsLine。
此外，纤维素纸可包含任何其它材料或材料的组合。举例来说，一个或两个片材，特别是面(顶部)片材可包括聚乙烯醇、硼酸或如本文所描述的多磷酸盐(例如三偏磷酸钠)以增强纸的强度。在一些实施例中，纸可与聚乙烯醇、硼酸和/或多磷酸盐中的一种或多种的溶液接触使得纸至少部分润湿。在一些实施例中，纸可至少部分饱和。在一些实施例中，聚乙烯醇、硼酸和/或硼酸可渗透在纸中的纤维。聚乙烯醇、硼酸和/或多磷酸盐的溶液可呈任何合适的量并且可以任何合适方式施用，如将在所属领域中了解。举例来说，溶液可呈在聚乙烯醇、硼酸和/或多磷酸盐之间存在的每种成分的于水中约1重量％到约5重量％固体的形式，其可添加在一种溶液中或如果需要那么添加在多种溶液中。
在一些实施例中，一个或两个片材可包含玻璃纤维、陶瓷纤维、矿棉，或前述材料的组合。根据本公开的一个或两个片材可大体上为亲水性的，意指片材至少部分能够将水分子吸附到片材的表面上和/或将水分子吸收到片材中。
在其它实施例中，覆盖片材可“实质上不含”玻璃纤维陶瓷纤维、矿棉，或其混合物，这意指覆盖片材含有(i)以片材的重量计0wt％，或没有这类玻璃纤维陶瓷纤维、矿棉，或其混合物，或(ii)无效的或(iii)非实质量的玻璃纤维陶瓷纤维、矿棉，或其混合物。无效量的实例为低于阈值量以使用玻璃纤维陶瓷纤维、矿棉，或其混合物实现预期目的的量，如所属领域的普通技术人员应了解。以灰泥重量计，非实质量可为例如低于约5wt％，如低于约2wt％、低于约1wt％、低于约0.5wt％、低于约0.2wt％、低于约0.1wt％，或低于约0.01wt％，如所属领域的普通技术人员应了解。然而，如果需要，那么在替代实施例中，这类成分可包括在覆盖片材中。
在一些实施例中，顶部和/或底部片材的热导率小于约0.1w/(m.k.)。举例来说，顶部和/或底部片材的热导率小于约0.05w/(m.k.)。
如果需要，那么在一些实施例中，一个或两个覆盖片材可任选地包括任何合适量的在寻求这类特性时充分赋予更大的耐火性的无机化合物或无机化合物的混合物。合适无机化合物的实例包括三水合铝和氢氧化镁。举例来说，覆盖片材可包含具有高结晶水含量的任何无机化合物或无机化合物的混合物，或在加热时释放水的任何化合物。在一些实施例中，在片材中无机化合物或无机化合物的总混合物的量在片材的约0.1重量％到约30重量％的范围内。用于片材的一种或多种无机化合物可具有任何合适粒度或合适粒度分布。
在一些实施例中，ATH的添加量可为片材的总重量的约5％到约30％。ATH通常在室温下非常稳定。高于在约180℃和205℃之间的温度，ATH通常经历吸热分解释放水蒸汽。用于这类ATH添加剂的分解热量大于约1000焦耳/克，并且在一个实施例中为约1170焦耳/克。在不受理论束缚的情况下，认为ATH添加剂当加热高于205℃时根据下式分解以释放大约35％的结晶水作为水蒸汽：Al(OH)3→Al2O3+3H2O。
包含高水含量的无机粒子(如ATH)的覆盖片材可提高板材的耐火性。在一些实施例中，将无机化合物或化合物的混合物并入到片材中。覆盖片材(如包含ATH的纸)可通过首先将纤维素纤维在水中以约1％稠度稀释，随后以预先确定的比率与ATH粒子混合来制备。可将混合物倒入模具中，模具的底部可具有金属丝网以排出水。在排出之后，纤维和ATH粒子保持在金属丝上。可将湿片材转移到吸墨纸并且在约200-360°F下干燥。
在一些实施例中，如对于包括在覆盖片材中或在灰泥浆液中所描述，例如小于约20μm的ATH粒子为优选的，但是可使用任何合适来源或等级的ATH。举例来说，ATH可以品牌名称SB 432(10μm)或710(1μm)从商业供应商(如Huber)获得。
在一些实施例中，覆盖片材可包含氢氧化镁。在这些实施例中，氢氧化镁添加剂处于或高于180℃到205℃的分解热优选地大于约1000焦耳/克，如约1350焦耳/克。在这类实施例中，可使用任何合适的氢氧化镁，如可商购自包括俄亥俄州阿克伦的阿卡罗化学公司(Akrochem Corp.ofAkron，Ohio)的供应商。
在其它实施例中，覆盖片材“实质上不含”无机化合物(如ATH、氢氧化镁，或其混合物)，这意指覆盖片材含有(i)以片材的重量计0wt％，或没有这类无机化合物(如ATH、氢氧化镁，或其混合物)，或(ii)无效的或(iii)非实质量的无机化合物(如ATH、氢氧化镁，或其混合物)。无效量的实例为低于阈值量以使用无机化合物(如ATH、氢氧化镁，或其混合物)实现预期目的的量，如所属领域的普通技术人员应了解。非实质量可为例如低于约5wt％，如低于约2wt％、低于约1wt％、低于约0.5wt％、低于约0.1wt％、低于约0.05wt％、低于约0.01wt％等。
覆盖片材还可具有任何合适的总厚度。在一些实施例中，覆盖片材中的至少一个具有相对高的厚度，例如厚度为至少约0.014英寸。在一些实施例中，优选地，存在甚至较高厚度，例如至少约0.015英寸、至少约0.016英寸、至少约0.017英寸、至少约0.018英寸、至少约0.019英寸、至少约0.020英寸、至少约0.021英寸、至少约0.022英寸，或至少约0.023英寸。可采用这些范围的任何合适上限，例如范围的上端为约0.030英寸、约0.027英寸、约0.025英寸、约0.024英寸、约0.023英寸、约0.022英寸、约0.021英寸、约0.020英寸、约0.019英寸、约0.018英寸等。总片材厚度是指附接到石膏板材的每个片材的厚度总和。
覆盖片材可具有任何合适密度。举例来说，在一些实施例中，覆盖片材中的至少一个或两个的密度为至少约36pcf，例如约36pcf到约46pcf，如约36pcf到约44pcf、约36pcf到约42pcf、约36pcf到约40pcf、约38pcf到约46pcf、约38pcf到约44pcf、约38pcf到约42pcf等。
覆盖片材可具有任何合适重量。举例来说，在一些实施例中，较低基本重量覆盖片材(例如由纸形成)例如至少约33lb/MSF(例如约33lb/MSF到约65lb/MSF、约33lb/MSF到约60lb/MSF、33lb/MSF到约58lb/MSF约33lb/MSF到约55lb/MSF、约33lb/MSF到约50lb/MSF、约33lb/MSF到约45lb/MSF等，或小于约45lb/MSF)可用于一些实施例。在其它实施例中，一个或两个覆盖片材的基本重量为约38lb/MSF到约65lb/MSF、约38lb/MSF到约60lb/MSF、约38lb/MSF到约58lb/MSF、约38lb/MSF到约55lb/MSF、约38lb/MSF到约50lb/MSF、约38lb/MSF到约45lb/MSF。
然而，如果需要，那么在一些实施例中，可使用甚至较重基础重量，例如以进一步增强钉拉阻力或增强处置，例如以便于最终用户的期望“感觉”特征。因此，覆盖片材中的一个或两个的基本重量可为例如至少约45lb/MSF(例如约45lb/MSF到约65lb/MSF、约45lb/MSF到约60lb/MSF、约45lb/MSF到约55lb/MSF、约50lb/MSF到约65lb/MSF、约50lb/MSF到约60lb/MSF等)。如果需要，那么在一些实施例中，一个覆盖片材(例如当安装时“面”纸侧)可具有前述较高基本重量，例如以增强钉拉阻力和处置，同时如果需要，那么另一个覆盖片材(例如当安装板材时“背”片材)可具有在某种程度上较低重量基础(例如重量基础为小于约60lb/MSF，例如约33lb/MSF到约55lb/MSF、约33lb/MSF到约50lb/MSF、约33lb/MSF到约45lb/MSF，或约33lb/MSF到约40lb/MSF)。
在一些实施例中，石膏板材产品呈现超过在常规墙板中发现的防火性。为了实现防火性，板材可任选地由增强最终板材产品的防火性的某些添加剂形成，如本文所描述。当板材在组件中通过某些测试时，一些耐火板材视为“防火”。
根据一些实施例，石膏板材被配置成满足或超过根据UL U305、U419、U423的遏制火灾和结构完整性要求和/或等效的耐火测试程序和标准的防火等级，例如其中板材含有如本文所讨论的耐火添加剂。因此本公开提供石膏板材(例如在厚度为1/2英寸或5/8英寸下降低重量和密度)及其制备方法，在一些实施例中，根据各种UL标准的遏制火灾和结构完整性程序和标准(如本文中所论述的那些)所述石膏板材能够符合防火等级(例如17分钟、20分钟、30分钟、3/4小时、一小时、两小时等)。
可测试石膏板材，例如在组件中根据保险商实验室(UnderwritersLaboratories)UL U305、U419和U423规范和等效于那些耐火测试程序中的任一项的任何其它耐火测试程序。应理解，本文对保险商实验室的特定耐火测试程序，如UL U305、U419和U423进行的参考例如还包括耐火测试程序，如通过任何其它实体颁布的一个，其等效于所讨论的特定UL标准。
举例来说，在一些实施例中，石膏板材有效地抑制热量传输通过根据UL设计编号U305、U419或U423中的任一项构造的组件，组件具有带有单层石膏板的第一侧和带有单层石膏板的第二侧。根据ASTM E119-09a的时间-温度曲线加热在组件的第一侧上的石膏板材的表面，而根据ASTM E119-09a在组件的第二侧上的石膏板的表面设置有温度传感器。在耐火板材的一些实施例中，当加热时，在约50分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，和/或或在约50分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。在一些实施例中，板材的密度为约40磅每立方英尺或更小。期望地，板材具有如本文所描述的良好强度，如芯硬度为至少约11磅(5kg)，例如至少约13磅(5.9kg)，或至少约15磅(6.8kg)。
在一些实施例中，当加热在浓缩层中具有耐火添加剂的耐火石膏板材的组件的第一侧上的表面时，在约55分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，和/或在约55分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。在其它实施例中，当加热在组件的第一侧上的石膏板材的表面时，在约60分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，和/或在约60分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。在其它实施例中，当加热在组件的第一侧上的石膏板的表面时，在约50分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，和/或在约50分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。在其它实施例中，当加热在组件的第一侧上的石膏板的表面时，在约55分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，和/或在约55分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。在其它实施例中，当加热在组件的第一侧上的石膏板的表面时，在约60分钟之后，温度传感器的最大单一值小于约325°F加环境温度，并且在约60分钟之后，温度传感器的平均值小于约250°F加环境温度。
在一些实施例中，在浓缩层中具有耐火添加剂的耐火石膏板材有效地抑制热量传输通过当根据UL设计编号U305构造时的组件以便实现根据ASTM E119-09a的一小时防火等级。在一些实施例中，板材有效地抑制热量传输通过当根据UL设计编号U419构造时的组件以便实现根据ASTM E119-09a的一小时防火等级。在一些实施例中，石膏板材有效地抑制热量传输通过当根据UL设计编号U423构造时的组件以便实现根据ASTM E119-09a的一小时防火等级。在一些实施例中，板材的绝热指数(TI)为约20分钟或更长和/或高温收缩(S)为约10％。在一些实施例中，板材的高温厚度膨胀(TE)与S的比率(TE/S)为约0.2或更大。
此外，在一些实施例中，石膏板材可呈降低重量和密度的形式，当加热到约1560°F(850℃)时，耐火石膏板材在x-y方向(宽度-长度)上的高温收缩小于约10％，并且在Z方向(厚度)上的高温厚度膨胀大于约20％。在另外其它实施例中，当用于壁或其它组件时，这类组件具有与用较重、较致密商业防火板制备的组件相当的耐火测试性能。在一些实施例中，板的高温收缩通常在x-y方向(宽度-长度)上小于约10％。在一些实施例中，在1570°F(855℃)下，z方向高温厚度膨胀与x-y高温收缩的比率为至少约2到高于约17。
在一些实施例中，根据本公开的原理形成的耐火石膏板材及其制备方法可提供呈现当在约1800°F(980℃)下加热一小时时平均抗收缩性为约85％或更大的板。在其它实施例中，石膏板材呈现当在约1800°F(980℃)下加热一小时时平均抗收缩性为约75％或更大。
在覆盖片材之间的石膏层可有效地提供约20分钟或更长的绝热指数(TI)。板材可具有如本文所描述的期望密度(D)。在覆盖片材之间的石膏层可有效地提供TI/D的比率为约0.6分钟/磅每立方英尺(0.038分钟/(kg/m3))或更大的石膏板材。
在一些实施例中，根据本公开制备的石膏板材满足根据ASTM标准C473-10的测试协议。举例来说，在一些实施例中，当以1/2英寸的厚度浇铸板材时，板材的钉拉阻力为至少约65lbf(磅力，其有时被理解这为力的测量的所属领域的普通技术人员为方便起见简单地称作“磅(lb或lbs)”)，如根据ASTM C473-10(方法B)测定，例如至少约68lbf、至少约70lbf、至少约72lbf、至少约74lbf、至少约75lbf、至少约76lbf、至少约77lbf等。在各种实施例中，钉拉阻力可为约65lbf到约100lbf、约65lbf到约95lbf、约65lbf到约90lbf、约65lbf到约85lbf、约65lbf到约80lbf、约65lbf到约75lbf、约68lbf到约100lbf、约68lbf到约95lbf、约68lbf到约90lbf、约68lbf到约85lbf、约68lbf到约80lbf、约70lbf到约100lbf、约70lbf到约95lbf、约70lbf到约90lbf、约70lbf到约85lbf、约70lbf到约80lbf、约72lbf到约100lbf、约72lbf到约95lbf、约72lbf到约90lbf、约72lbf到约85lbf、约72lbf到约80lbf、约72lbf到约77lbf、约72lbf到约75lbf、约75lbf到约100lbf、约75lbf到约95lbf、约75lbf到约90lbf、约75lbf到约85lbf、约75lbf到约80lbf、约75lbf到约77lbf、约77lbf到约100lbf、约77lbf到约95lbf、约77lbf到约90lbf、约77lbf到约85lbf，或约77lbf到约80lbf。
关于挠曲强度，在一些实施例中，当以二分之一英寸厚度浇铸板材时，板材的挠曲强度为在纵向上至少约36lbf(例如至少约38lbf、至少约40lbf等)和/或在横向上至少约107lbf(例如至少约110lbf、至少约112lbf等)，如根据ASTM标准C473-10，方法B测定。在各种实施例中，板材的挠曲强度在纵向上可为约36lbf到约60lbf，例如约36lbf到约55lbf、约36lbf到约50lbf、约36lbf到约45lbf、约36lbf到约40lbf、约36lbf到约38lbf、约38lbf到约60lbf、约38lbf到约55lbf、约38lbf到约50lbf、约38lbf到约45lbf、约38lbf到约40lbf、约40lbf到约60lbf、约40lbf到约55lbf、约40lbf到约50lbf，或约40lbf到约45lbf。在各种实施例中，板材的挠曲强度在横向上可为约107lbf到约130lbf，例如约107lbf到约125lbf、约107lbf到约120lbf、约107lbf到约115lbf、约107lbf到约112lbf、约107lbf到约110lbf、约110lbf到约130lbf、约110lbf到约125lbf、约110lbf到约120lbf、约110lbf到约115lbf、约110lbf到约112lbf、约112lbf到约130lbf、约112lbf到约125lbf、约112lbf到约120lbf，或约112lbf到约115lbf。
此外，在一些实施例中，板材的平均芯硬度可为至少约11lbf，例如至少约12lbf、至少约13lbf、至少约14lbf、至少约15lbf、至少约16lbf、至少约17lbf、至少约18lbf、至少约19lbf、至少约20lbf、至少约21lbf，或至少约22lbf，如根据ASTM C473-10，方法B测定。在一些实施例中，板材的芯硬度可为约11lbf到约25lbf，例如约11lbf到约22lbf、约11lbf到约21lbf、约11lbf到约20lbf、约11lbf到约19lbf、约11lbf到约18lbf、约11lbf到约17lbf、约11lbf到约16lbf、约11lbf到约15lbf、约11lbf到约14lbf、约11lbf到约13lbf、约11lbf到约12lbf、约12lbf到约25lbf、约12lbf到约22lbf、约12lbf到约21lbf、约12lbf到约20lbf、约12lbf到约19lbf、约12lbf到约18lbf、约12lbf到约17lbf、约12lbf到约16lbf、约12lbf到约15lbf、约12lbf到约14lbf、约12lbf到约13lbf、约13lbf到约25lbf、约13lbf到约22lbf、约13lbf到约21lbf、约13lbf到约20lbf、约13lbf到约19lbf、约13lbf到约18lbf、约13lbf到约17lbf、约13lbf到约16lbf、约13lbf到约15lbf、约13lbf到约14lbf、约14lbf到约25lbf、约14lbf到约22lbf、约14lbf到约21lbf、约14lbf到约20lbf、约14lbf到约19lbf、约14lbf到约18lbf、约14lbf到约17lbf、约14lbf到约16lbf、约14lbf到约15lbf、约15lbf到约25lbf、约15lbf到约22lbf、约15lbf到约21lbf、约15lbf到约20lbf、约15lbf到约19lbf、约15lbf到约18lbf、约15lbf到约17lbf、约15lbf到约16lbf、约16lbf到约25lbf、约16lbf到约22lbf、约16lbf到约21lbf、约16lbf到约20lbf、约16lbf到约19lbf、约16lbf到约18lbf、约16lbf到约17lbf、约17lbf到约25lbf、约17lbf到约22lbf、约17lbf到约21 lbf、约17lbf到约20lbf、约17lbf到约19lbf、约17lbf到约18lbf、约18lbf到约25lbf、约18lbf到约22lbf、约18lbf到约21lbf、约18lbf到约20lbf、约18lbf到约19lbf、约19lbf到约25lbf、约19lbf到约22lbf、约19lbf到约21 lbf、约19lbf到约20lbf、约21 lbf到约25lbf、约21 lbf到约22lbf，或约22lbf到约25lbf。
根据本公开的实施例的产品可在典型制造线上制备。举例来说，板制造技术在例如美国专利7,364,676和美国专利申请公开2010/0247937中描述。简单来说，在石膏板材的情况下，工艺通常涉及将覆盖片材排放到移动传送器上。因为石膏板材通常“面向下”形成，所以在这类实施例中，此覆盖片材为“面”覆盖片材。
将石膏浆液的干和/或湿组分进料到混合器(例如叶式或非叶式混合器)，在所述混合器中搅动所述组分以形成石膏浆液。混合器包含主体和排放管道(例如如所属领域中已知的闸-罐-保护罩布置，或如在美国专利6,494,609和6,874,930中所描述的布置)。在一些实施例中，排放管道可包括具有单个进料口或多个进料口的浆液分配器，例如在美国专利申请公开2012/0168527 A1和美国专利申请公开2012/0170403 A1中描述的那些。在那些实施例中，使用具有多个进料口的浆液分配器，排放管道可包括合适的分流器，如在美国专利申请公开2012/0170403 A1中描述的那些。发泡剂可添加在混合器的排放管道中(例如在闸中，如例如在美国专利5,683,635和6,494,609中所描述)或添加在主体中(如果需要)。在已添加所有成分(包括发泡剂)之后，从排放管道排放的浆液为主要石膏浆液并且将形成板材芯。此板材芯浆液排放到移动面覆盖片材上。
面覆盖片材可承受呈浆液的相对密集层形式的薄撇渣面层。另外，如所属领域中已知的，可例如由形成面撇渣面层的相同浆液料流形成硬边缘。在其中将泡沫插入到排放管道中的实施例中，第二石膏浆液的料流可从混合器主体去除以形成致密撇渣面层浆液，其随后可用于形成如所属领域中已知的面撇渣面层和硬边缘。如果包括，那么通常在芯浆液沉积之前通常在混合器的上游面撇渣面层和硬边缘沉积到移动面覆盖片材上。在从排放管道排放之后，根据需要将芯浆液铺展在面覆盖片材(任选地承受撇渣面层)上并且用第二覆盖片材(通常“背”覆盖片材)覆盖以形成呈为最终产品的板材前体的夹层结构形式的湿组件。第二覆盖片材可任选地承受第二撇渣面层，其可由与用于面撇渣面层(如果存在)的相同或不同的第二(致密)石膏浆液形成。覆盖片材可由纸、纤维垫或其它类型的材料(例如箔、塑料、玻璃垫、非织造材料，如纤维素和无机填料的共混物等)形成。
将由此提供的湿组件传送到其中产品大小设定成期望厚度(例如经由形成板)的形成工作台并且传送到其中所述湿组件被切割成期望长度的一个或多个刀片部分。使湿组件硬化以形成凝固石膏的互锁结晶基体，并且使用干燥工艺(例如通过将组件运输通过窑)去除过量水。出人意料地和出乎意料地，已发现，根据本公开的实施例制备的具有根据本公开的实施例制备的预胶凝化、部分水解淀粉的板材因为淀粉的低水需求特征而在干燥工艺中需要显著较少的时间。这是有利的，因为其降低能量成本。
在一些实施例中，本发明的脂肪醇可用于使板材芯的发泡剂在具有浓缩层的复合物板材中稳定，如美国申请62/184,060、62/290,361和15/186,176(同时提交)中所描述，所述专利以引用的方式并入本文中。举例来说，脂肪醇和发泡剂可用于使用在美国申请62/184,060中描述的成分、量、板材尺寸和生产方法制备具有在浓缩层中更加浓缩的添加剂的低密度板材芯。
在一些实施例中，脂肪醇可用于水泥板材产品。水泥可由水和水泥材料(例如波特兰水泥、高铝水泥、氧化镁水泥等，和这类材料的共混物)的芯混合物形成。发泡剂和脂肪醇也包括在混合物中。任选地，在一些实施例中，轻重量的凝集物(例如膨胀粘土、膨胀矿渣、膨胀页岩、珍珠岩、膨胀玻璃珠粒、聚苯乙烯珠粒等)可包括在混合物中。可用于形成水泥板材的其它添加剂包括例如分散剂、纤维(例如玻璃、纤维素、PVC等)、促进剂、迟延剂、火山灰材料、半水合硫酸钙(例如α半水合硫酸钙)、填料等，或其组合。
脂肪醇可用于形成发泡水泥浆液的方法。所述方法包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成：将发泡剂与脂肪醇组合以形成水性肥皂混合物；由水性肥皂混合物生成泡沫；和将泡沫添加到包含水泥(例如波特兰水泥、高铝水泥、氧化镁水泥等，或其组合)和水的水泥浆液以形成发泡水泥浆液。在泡沫夹带在水泥浆液中时，泡沫气泡形成有围绕接合浆液的气泡的壳。不希望受任何特定理论束缚，认为存在脂肪醇期望地使壳在界面处稳定。还可将其它添加剂添加到水泥浆液，例如分散剂、纤维(例如玻璃、纤维素、PVC等)、促进剂、迟延剂、火山灰材料、半水合硫酸钙(例如α半水合硫酸钙)、填料等，或其组合。制备水泥板材(和其中包括的添加剂)的方法在例如美国专利第4,203,788号；美国专利第4,488,909号；美国专利第4,504,335号；美国专利第4,916,004号；美国专利第6,869,474号；和美国专利第8,070,878号中描述。
当形成浆液并且干燥为板材时，与在没有脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，包含以下、由以下组成，或基本上由以下组成的水泥浆液可具有提高的强度：水、水泥、发泡剂和脂肪醇。
以下(一个或多个)实例进一步说明本发明，但当然所述实例不应解释为以任何方式限制本发明的范围。
实例1
本实例展示在存在和不存在聚羧酸盐分散剂的情况下脂肪醇对发泡剂的发泡特性的影响。
具体来说，对发泡剂溶液进行发泡、表面张力和稳定性实验。测试三种类型的发泡剂(肥皂)。发泡剂1A为稳定肥皂，呈CS230形式，其为可商购自斯泰潘(伊利诺伊州诺思菲尔德)的月桂基醚硫酸盐共混物。此外，测试两种不稳定肥皂，被标识为发泡剂1B和发泡剂1C。发泡剂1B为Polystep B25，其为可商购自斯泰潘的烷基硫酸盐共混物，并且发泡剂1C为Hyonic 25AS，其为可商购自Geo特种化学品(宾夕法尼亚州安布勒)的烷基硫酸盐共混物。每种发泡剂充当表面活性剂并且从而形成表面活性剂溶液，因为其需要水。
通过在如在图2-5和表1中指示的一些样品中添加脂肪醇进行表面活性剂溶液改性。测试的脂肪醇为1-辛醇、1-癸醇和1-十二烷醇。每种溶液含有30wt％表面活性剂和1wt％脂肪醇(在存在的情况下)。一些溶液通过添加0.1wt％(1000ppm)的呈Ethacryl MTM形式的聚羧酸酯醚(PCE)分散剂(可商购自法国格内的高帝斯集团(Coatex Group，Genay，France))进一步改性。包括PCE以评估肥皂改性剂对具有用于石膏产品的表面活性聚合分散剂的系统的影响。每种溶液的其余部分为水。通过将在小瓶中10ml的表面活性剂溶液震荡(手动)60秒并且以mm为单位报告泡沫高度进行发泡研究。
图1-3为说明发泡结果的条形图。图1示出单独和在存在1000ppm的呈Ethacryl MTM(高帝斯)形式的聚羧酸酯醚分散剂的情况下均用稳定肥皂和不稳定肥皂生成的泡沫的结果。图1示出聚羧酸盐对两种不稳定肥皂的发泡具有强影响。
图2和3说明单独或在1000ppm的呈Ethacryl MTM(高帝斯)形式的聚羧酸酯醚分散剂的情况下用1wt％脂肪醇改性的不稳定表面活性剂溶液(分别为发泡剂1B和1C)生成的泡沫。图2-3展示用1wt％的脂肪醇的肥皂改性改变不稳定肥皂的发泡特性。具体来说，在存在脂肪醇的情况下生产更鲁棒的泡沫结构，如通过脂肪醇降低聚羧酸盐对发泡的相对影响所展示。期望较低泡沫高度，因为其指示降低聚羧酸盐的相对表面活性。在癸醇的情况下，发泡甚至随在溶液中的PCE降低。癸醇产生较低泡沫高度，因为表面活性剂-脂肪醇络合物具有比聚羧酸盐较高的对空气/水界面的亲和力。
此外，使用平板法进行表面张力测试。在平板法中，通过将铂板浸入溶液以便测定液体的空气/液体界面张力进行测试。使用Kruss K12张力计(德国汉堡的克鲁斯股份有限公司(Kruss GmbH，Hamburg，Germany))以便测定测试液体的表面张力改变。这使得较好理解在空气/液体界面和表面活性剂布置处发生的改变。
如在表1中所见，对发泡剂1B(即，Stepan Polystep B25)的溶液进行表面张力测试。在用1wt％十二烷醇进一步溶液改性和不进一步溶液改性的情况下进行测试。溶液含有不同浓度(分别为1000ppm和5000ppm)的发泡剂1B(即，Stepan Polystep B25)。此外，在用量为0.1wt％(1000ppm)的呈Ethacryl MTM(高帝斯)形式的聚羧酸酯醚分散剂溶液改性和不溶液改性的情况下进行测试。表面张力值以毫牛顿每米为单位(mN/m)。
表1
表1的结果示出存在呈十二烷醇形式的脂肪醇有利于生产比在没有十二烷醇的情况下更鲁棒(例如强)的泡沫。另外，可看出，当脂肪醇与发泡剂一起使用时不存在对由使用聚羧酸盐分散剂引起的表面张力的任何有害影响，指示泡沫的稳定性(例如强度)。当与未改性的表面活性剂相比时，十二烷醇改性的表面活性剂溶液的表面张力降低。较低表面张力大体上指示较高表面活性，并且可使表面活性剂使用率降低以实现相同发泡特性。
此外，评估由不稳定发泡剂1A和1B生成的泡沫的降解。考虑单独和当用脂肪醇改性表面活性剂溶液时的发泡剂，如图4和5中阐述的。通过测量随老化时间的以mm为单位的泡沫高度来测定降解。
如在图4和5中所见，用脂肪醇改性表面活性剂溶液还影响降解。在图5中，“1k”是指在溶液中1000ppm的发泡剂。对于所有改性的肥皂，泡沫高度较高，并且结果示出改性的肥皂以比常规发泡剂更慢定速降解。泡沫高度的快速降低指示不稳定气泡和大量液体从泡沫排出。在所有情况下，用脂肪醇改性的肥皂溶液持续较长并且不与常规未改性的肥皂一样快速降解。
实例2
本实例展示在墙板制造中脂肪醇对发泡剂的发泡特性的影响。
在商业制造线上制备墙板。每个板材由阐述于表2中的配制物制备。板材各自通过将肥皂与水共混并且随后生成泡沫和将泡沫与石膏浆液混合用以40∶60的比率的呈烷基醚硫酸盐和烷基硫酸盐形式的发泡剂制备。烷基醚硫酸盐呈Geo Hyonic PFM 33形式，而烷基硫酸盐呈Geo Hyonic 25 AS形式(两者均可购自Geo特种化学品)。
BMA为球研磨促进剂，其含有石膏并且通过用葡萄糖干磨制备。分散剂为呈可商购自德国巴斯夫的BASF Melflux 541形式的聚羧酸盐分散剂。迟延剂为二亚乙基三胺五乙酸的五钠盐(VersenexTM80，可商购自密歇根州米德兰的陶氏化学公司(DOW ChemicalCompany，Midland，MI))的水溶液的1％溶液，并且通过将1份(重量)的VersenexTM80与99份(重量)的水混合来制备。
将干和湿成分分别引入到混合器中以形成灰泥浆液(有时被称作石膏浆液)。将浆液排放到在传送器上行进的移动纸覆盖片材上，使得浆液铺展在纸上以形成芯。在使用辊的情况下将致密撇渣面层施用到纸覆盖片材上。致密浆液围绕辊的边缘行进以形成板材的边缘。将第二覆盖片材施用到芯以形成呈长的连续带形式的板材前体的夹层结构。使带凝固，并且切割、窑干燥和加工以形成最终板材产品。
表2
| 重量(lb/MSF) | 重量％(以灰泥的重量计) | |
| 灰泥 | 1880 | ---- |
| 水 | 1223 | 65.05％ |
| 分散剂(BASF 541) | 3.2 | 0.17％ |
| 总肥皂 | 0.6 | 0.03％ |
| BMA | 6 | 0.32％ |
| 淀粉(酸改性的) | 6.5 | 0.35％ |
| 迟延剂(Versenex) | 0.2 | 0.01％ |
| 玻璃纤维 | 6 | 0.32％ |
| 板材重量 | 2240 | --- |
由表2的配制物制成四种类型的板材，其差别与存在长链醇与发泡剂相关。板材2A为对照并且不包括脂肪醇对发泡剂的任何改性。板材2B用包括添加到发泡剂的1％的1-十二烷醇的发泡剂制备。板材2C用包括1％的1-癸醇的发泡剂制备。板材2D用包括1％的1-辛醇的发泡剂制备。发泡剂通过肥皂溶液与加压空气的高剪切混合借助于泡沫生成设备制备并且引入到在浆液出口之前的主混合器外部的浆液中。
从在20X放大下的光学显微镜拍摄的图像从每种类型的板材的芯拍摄。从板材2A-2D中的每一个拍摄总共九个光学显微图像。来自每个板材的九个图像从在同一板材芯中的九个不同点拍摄并且为每个板材随机选择三个，这些图像作为在图6A到9C中的芯的实例呈现。图6A-6C为来自对照板材2A的图像。图7A-7C为来自板材2B的图像。图8A-8C为来自板材2C的图像。图9A-9C为来自板材2D的图像。如在这些图中所见，在引入肥皂改性剂之后芯结构受影响。如在图6A-6C中所示，对照板材2A的芯结构具有相当大数目的较大空隙，而板材2B(图7A-7C)和板材2D(图9A-9C)示出较大空隙的大小的降低并且降低总空隙大小，而板材2C(图8A-8C)示出空隙大小的增大。
分析每个条件的六个图像。借助于可购自魁北克朗基尔的Clemex Technologies有限公司(Clemex Technologies，Inc.，Longueuil，Quebec)的Clemex Vision PE分析用于空隙分析的随机选自每个实验条件的图像(即，图6A-6C、7A-7C、8A-8C、9A-9C)。对于每个图像，手动测量每个空隙的空隙(气泡)大小直径。通过软件提供分布。在表3中报告结果的概述。
表3
通过软件测定算术平均值并且所述算术平均值指示来自在板材内的所有空隙的空隙直径(以微米为单位)的算术平均值。根据由软件开发的分布图测定体积平均值并且所述体积平均值指示以体积称重的平均空隙大小。
此外，图10-13为说明板材2A(图10)、2B(图11)、2C(图12)和2D(图13)中的每一个的体积分布的条形图。条形图示出作为以微米为单位的空隙大小的函数的空隙体积频率。
如从表3和图10-13看出，在对照板材2A中的空隙大体上较大并且更分散，而板材2B和2D的空隙较小并且分布更窄。对照板材的空隙较大并且更均匀分布。在对照板材2A中空隙的分布为双峰，而在板材2B和2D中的分布为单峰和高斯(Gaussian)。
这些结果展示在发泡剂中表面活性剂(肥皂)改性足以诱导在墙板中的空隙大小分布改变，而不另外改变配制物或表面活性剂剂量。这些结果进一步示出在不需要新表面活性剂共混物的情况下可容易地实现更有利的分布(更窄或更宽)。
实例3
本实例说明肥皂改性可降低发泡剂共混物的表面张力。具体来说，使用如在实例1中所描述的平板法用Kruss K12张力计进行表面张力测试。
对发泡剂3A(即，Stepan B25)和发泡剂3B(即，Hyonic 25AS)的溶液进行表面张力测试。在不进一步溶液改性的情况下(对照)并且还在用1wt％十二烷醇、1wt％癸醇和1wt％辛醇进一步溶液改性的情况下进行每种发泡剂的测试。溶液含有不同浓度(分别为2000ppm、1000ppm和500ppm)的发泡剂。结果在表4中示出。
表4
表4的结果示出存在脂肪醇有利于生产更具表面活性的肥皂共混物。举例来说，可看出，改性肥皂的表面张力降低，指示泡沫的稳定性(例如强度)改进。当与未改性的表面活性剂相比时，醇改性的表面活性剂溶液的表面张力降低。较低表面张力大体上指示较高表面活性，并且可使表面活性剂使用率降低以实现相同发泡特性。
本文所引用的所有参考文献，包括公开案、专利申请和专利以引用的方式并入，其引用程度就如同每一参考文献单独地并且特定地指示为以引用的方式并入并且全文阐述于本文中一般。
除非本文另外指示或明显与上下文相矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求书的上下文中)，使用的术语“一个(种)”和“所述”及“至少一个(种)”以及类似指示物应理解为涵盖单数与复数两者。除非本文另外指示或明显与上下文相矛盾，否则在一个或多个项目的列表后使用的术语“至少一个”(例如“A和B中的至少一个”)应理解为意指选自所列项目的一个项目(A或B)或者两个或更多个所列项目的任何组合(A和B)。如本文所用，应理解，术语“粘结关系”不一定意指两层立即接触。除非另外指出，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放的术语(即，意指“包括但不限于”)。另外，各处叙述“包含”(或其等效物)，“包含”视为并入“基本上由...组成”和“由...组成”。因此，“包含”(一种或多种)要素的一个实施例支持“基本上由以下组成”和“由以下组成”的实施例：所叙述(一种或多种)要素。各处叙述“基本上由...组成”视为并入“由...组成”。因此，“基本上由(一种或多种)要素组成”的一个实施例支持“由所叙述(一种或多种)要素组成”的实施例。除非在本文中另外指示，否则对本文中值范围的叙述仅旨在充当个别提及属于所述范围的每一单独值的简写方法，并且每一个单独值并入本说明书中，如同在本文中个别地叙述一般。除非本文另外指示或另外明显与上下文相矛盾，否则本文所述的所有方法可以任何合适的顺序执行。除非另外要求，否则本文中所提供的任何和所有实例或例示性语言(例如，“如”)的使用仅旨在更好地说明本发明并且不对本发明的范围造成限制。本说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非要求保护的要素对于实践本发明是必需的。
本发明的优选的实施例描述于本文中，包括本发明人已知的进行本发明的最佳模式。在阅读前文描述之后，那些优选的实施例的变型对于所属领域的普通技术人员可变得显而易见。本发明人期望技术人员按需要采用这些变型，并且本发明人旨在以不同于本文中特定描述的其它方式来实践本发明。因此，本发明包括如适用法律所准许的所附权利要求书中所叙述的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另外指示或另外明显与上下文相矛盾，否则本发明涵盖上述要素以其所有可能的变化形式的任何组合。
Claims (75)
1.一种石膏板材，包含：
(a)安置在两个覆盖片材之间的凝固石膏芯；
(b)所述凝固石膏芯包含至少由水、灰泥和泡沫形成的石膏晶体基体；其中：
所述泡沫由包含至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐或其任何组合的发泡剂和脂肪醇形成。
2.根据权利要求1所述的石膏板材，其中用于形成所述芯的所述水和灰泥呈约0.3到约1.5的水-灰泥比率。
3.根据权利要求1或2所述的石膏板材，其中与在没有所述脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，所述板材具有提高的强度。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的石膏板材，其中所述板材当以二分之一英寸的标称厚度形成时根据ASTM C473-10，方法B的钉拉阻力为至少约68lb的力。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的石膏板材，其中所述板材的芯硬度为至少约11lb的力，如根据ASTM C-473-10测定。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的石膏板材，其中所述脂肪醇为C6-C20脂肪醇。
7.根据权利要求6所述的石膏板材，其中所述脂肪醇为C8-C12脂肪醇。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的石膏板材，其中所述脂肪醇为辛醇、癸醇、十二烷醇或其任何组合。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的石膏板材，其中所述脂肪醇的存在量为所述灰泥的约0.0001重量％到约0.03重量％。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的石膏板材，其中所述发泡剂包含烷基乙氧基化硫酸盐表面活性剂。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的石膏板材，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的石膏板材，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐和乙氧基化烷基硫酸盐表面活性剂的组合。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的石膏板材，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的石膏板材，其中所述发泡剂的存在量为所述灰泥的约0.01重量％到约0.1重量％。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的石膏板材，其中所述凝固石膏芯进一步由分散剂形成。
16.根据权利要求15所述的石膏板材，其中所述分散剂为萘磺酸盐、聚羧酸盐、木质素磺酸盐、磺化的木质素，或其任何组合。
17.根据权利要求16所述的石膏板材，其中所述分散剂的存在量为所述灰泥的约0.05重量％到约5重量％。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的石膏板材，其中所述凝固石膏芯进一步由非迁移淀粉形成，与在没有所述淀粉的情况下制备的相同板材相比，所述非迁移淀粉提高所述板材的强度。
19.根据权利要求1到15中任一项所述的石膏板材，其中所述凝固石膏芯进一步由多磷酸盐形成。
20.根据权利要求1到15中任一项所述的石膏板材，其中所述板材的密度为约40pcf的更小。
21.根据权利要求1到15中任一项所述的石膏板材，其中所述板材的密度为约17pcf到约35pcf。
22.根据权利要求1到15中任一项所述的石膏板材，其中所述板材的密度为约17pcf到约31pcf。
23.根据权利要求1到15中任一项所述的石膏板材，其中所述板材的密度为约17pcf到约28pcf。
24.根据权利要求1到23中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含直径为至少约100微米的平均空隙直径的空隙。
25.根据权利要求1到23中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含直径为至少约150微米的平均空隙直径的空隙。
26.根据权利要求1到23中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含直径为至少约200微米的平均空隙直径的空隙。
27.根据权利要求1到23中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含直径小于约100微米的平均空隙直径的空隙。
28.根据权利要求1到27中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含空隙，其中具有最大频率的空气空隙大小的直径为约100微米或更小。
29.根据权利要求1到27中任一项所述的石膏板材，其中所述石膏晶体基体的孔径分布包含空隙，其中具有最大频率的所述空气空隙大小的直径为至少约100微米。
30.一种制备似水泥的板材的方法，包含：
(a)通过将空气插入到包含至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐，或其组合的发泡剂和脂肪醇的水性混合物中预生成泡沫；
(b)至少混合水、似水泥的材料和所述泡沫以形成浆液；
(c)将所述浆液安置在第一覆盖片材和第二覆盖片材之间以形成板材前体；
(d)将所述板材前体切割成板材；和
(e)干燥所述板材。
31.根据权利要求30所述的方法，其中与在没有所述脂肪醇的情况下制备的相同板材相比，所述板材具有提高的强度。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述脂肪醇为C6-C16脂肪醇。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述脂肪醇为C8-C12脂肪醇。
34.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述脂肪醇为辛醇、癸醇、十二烷醇或其任何组合。
35.根据权利要求30到34中任一项所述的方法，其中所述脂肪醇的存在量为所述灰泥的约0.0001重量％到约0.03重量％。
36.根据权利要求30到35中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含稳定肥皂。
37.根据权利要求30到36中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含不稳定肥皂。
38.根据权利要求30到37中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含稳定和不稳定肥皂的组合。
39.根据权利要求30到38中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
40.根据权利要求30到39中任一项所述的方法，其中所述凝固石膏芯进一步由分散剂形成。
41.根据权利要求30到40中任一项所述的方法，其中所述凝固石膏芯进一步由非迁移淀粉形成，与在没有所述淀粉的情况下制备的相同板材相比，所述非迁移淀粉提高所述板材的强度。
42.根据权利要求30到41中任一项所述的方法，其中所述凝固石膏芯进一步由多磷酸盐形成。
43.根据权利要求30到42中任一项所述的方法，其中所述板材的密度为约17pcf到约31pcf。
44.根据权利要求30到43中任一项所述的方法，其中所述板材的密度为约17pcf到约28pcf。
45.一种形成发泡石膏浆液的方法，所述方法包含：
(a)将发泡剂与脂肪醇组合以形成水性肥皂混合物；
(b)由所述水性肥皂混合物生成泡沫；和
(c)将所述泡沫添加到包含灰泥和水的石膏浆液以形成所述发泡石膏浆液。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述脂肪醇为C6-C16脂肪醇。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述脂肪醇为C8-C12脂肪醇。
48.根据权利要求45所述的方法，其中所述脂肪醇为辛醇、癸醇、十二烷醇或其任何组合。
49.根据权利要求45到48中任一项所述的方法，其中所述脂肪醇的存在量为所述灰泥的约0.0001重量％到约0.03重量％。
50.根据权利要求45到49中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含烷基乙氧基化硫酸盐表面活性剂。
51.根据权利要求45到50中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
52.根据权利要求45到51中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐和乙氧基化烷基硫酸盐表面活性剂的组合。
53.根据权利要求45到52中任一项所述的方法，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
54.一种包含水、灰泥、发泡剂和脂肪醇的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，与在没有所述脂肪醇的情况下形成的相同板材相比，所述板材具有提高的强度。
55.根据权利要求54所述的浆液，其中所述水和灰泥呈约0.3到约1.5的水-灰泥比率。
56.根据权利要求54或55所述的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，所述板材当以二分之一英寸的标称厚度形成时根据ASTM C473-10，方法B的钉拉阻力为至少约68lb的力。
57.根据权利要求54到56中任一项所述的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，所述板材的芯硬度为至少约11磅，如根据ASTM C-473-10测定。
58.根据权利要求54到57中任一项所述的浆液，其中所述脂肪醇为C6-C16脂肪醇。
59.根据权利要求54到58中任一项所述的浆液，其中所述脂肪醇为C8-C12脂肪醇。
60.根据权利要求54到59中任一项所述的浆液，其中所述脂肪醇为辛醇、癸醇、十二烷醇或其任何组合。
61.根据权利要求54到60中任一项所述的浆液，其中所述脂肪醇的存在量为所述灰泥的约0.0002重量％到约0.0075重量％。
62.根据权利要求54到61中任一项所述的浆液，其中所述发泡剂包含烷基乙氧基化硫酸盐表面活性剂。
63.根据权利要求54到62中任一项所述的浆液，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
64.根据权利要求54到63中任一项所述的浆液，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐和乙氧基化硫酸盐表面活性剂的组合。
65.根据权利要求54到64中任一项所述的浆液，其中所述发泡剂包含烷基硫酸盐表面活性剂。
66.根据权利要求54到65中任一项所述的浆液，其中所述发泡剂的存在量为所述灰泥的约0.01重量％到约0.25重量％。
67.根据权利要求54到66中任一项所述的浆液，其中所述浆液进一步包含分散剂。
68.根据权利要求54到67中任一项所述的浆液，其中所述浆液进一步包含多磷酸盐。
69.根据权利要求54到68中任一项所述的浆液，其中所述浆液进一步包含非迁移淀粉，与在没有所述淀粉的情况下制备的相同板材相比，所述非迁移淀粉提高所述板材的强度。
70.根据权利要求54到69中任一项所述的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，所述板材的密度为约17pcf到约35pcf。
71.根据权利要求54到69中任一项所述的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，所述板材的密度为约17pcf到约31pcf。
72.根据权利要求54到69中任一项所述的浆液，其中当浇铸所述浆液并且干燥为板材时，所述板材的密度为约17pcf到约28pcf。
73.一种水泥板材，包含：
(a)安置在两个覆盖片材之间的水泥芯；
(b)所述水泥芯至少由水、水泥和泡沫形成；其中：
所述泡沫由包含至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐或其组合的发泡剂和脂肪醇形成。
74.一种制备似水泥的板材的方法，所述方法包含：
(a)获得在水性混合物中的包含至少一种烷基硫酸盐、至少一种烷基醚硫酸盐或其组合的发泡剂；
(b)通过在所述水性混合物中包括脂肪醇使所述发泡剂稳定；
(c)通过将空气插入到所述水性混合物中预生成泡沫；
(d)将所述泡沫插入到至少包含似水泥的材料和水的似水泥的浆液中以形成发泡似水泥的浆液：
(e)将所述发泡似水泥的浆液以粘结关系施用到第一覆盖片材以形成具有第一主表面和第二主表面的发泡似水泥的芯浆液，其中所述发泡似水泥的芯浆液的所述第一主表面面对所述第一覆盖片材；
(f)将第二覆盖片材以粘结关系施用到所述发泡似水泥的芯浆液的所述第二主表面以形成板材前体的湿组件；
(g)切割和干燥所述板材前体以形成板材产品。
75.根据权利要求74所述的方法，进一步包含将撇渣面层施用在所述芯和所述覆盖片材中的任一个或两个之间。
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