CN1148506C - 矿物纤维板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造矿物纤维板的方法，该方法包括将矿物纤维(60wt%至90wt%、有机粘接剂(2wt%至19wt%)、无机微纤维(1wt%至20wt%)、絮凝剂(0.5wt%至3wt%)、热膨胀树脂细颗粒(0.5wt%至10wt%)作为配方的组分均匀地分散在水中，制备成淤浆，然后淤浆用湿法成形并干燥。其中，热膨胀树脂细颗粒膨胀后的颗粒直径不小于0.03mm但小于3.0mm，上述直径的膨胀度至少是3倍，而且该热膨胀树脂细颗粒的膨胀温度介于50℃至105℃之间。上述生产工艺能够提高生产率，并且用该工艺获得的矿物纤维板重量轻、且具有极好的吸音性能和耐火性能。

Description

矿物纤维板的制造方法
                        技术领域
本发明涉及一种制造矿物纤维板的方法，该纤维板的主要成分包括矿渣棉等矿物纤维。这种矿物纤维板重量轻，且具有极好的吸音性能、耐火性能以及极好的生产效率。
                        背景技术
用矿渣棉作为主要原料采用湿法或半湿法生产工艺制造的矿物纤维板已经被用作建筑物天花板的主要的内装修材料。对这种材料的性能要求主要是耐火性能和吸音性能。但是，潜在的问题包括提高制作效率、进一步提高吸音性能、从经济角度降低运输成本、降低原材料成本以及提高生产率。作为满足这些要求的一种方法，可以考虑减轻材料的重量。现在生产的矿物纤维板的密度通常是大约400kg/m3；但在打算降低密度(比如说，把密度降低到200kg/m3至300kg/m3作为减轻重量解决上述问题的尺度)时，可以考虑高比例地混入重量轻的成分，如多孔的珍珠岩、shirasu balloon等。高比例掺混重量轻的组分(如多孔的珍珠岩、shirasu balloon等)可以减轻重量并且对吸音性能也略有改进，但是，湿法成形后包含在材料中的水分将急剧上升，因此干燥用的能量急剧上升。此外，由于生产速度急剧下降，造成成本增加，从而抵消了减轻重量的大部分价值。
除了上述的混入重量轻的材料之外，还可以考虑高比例地混入具有良好的恢复性能的矿物纤维；但是具有良好的恢复性能的矿物纤维在水中的分散性差，而且板的各部分之间的密度差别大，因此没有获得在外观上和物理性能上都令人满意的矿物纤维板。
此外，按照湿法成形工艺，在模塑板上产生图案的常规方法包括纹辊压花、辊压裂隙(roll fissure)、辊压、立体喷沙加工等，但是所有的方法都需要机械设备，因此产生图案造型的步骤变成控制生产速度的步骤。由于采用机械生产，图案造型规整，不自然，缺乏天然质感。再就是，用辊压或喷沙制作的图案造型仅存在于表面层，因此，在采用立体加工时，不可能保留凹陷部分的图案。事实上，在湿法生产工艺中已经不可能在完整的原材料层上保留图案。
此外，产生吸音性能的常规方法由于需要添加细孔隙等而存在着增加生产步骤和破坏图案造型的问题。
                        发明内容
为了解决上述的潜在问题，本发明第一个目的是提供一种制作重量轻、吸音性能好、耐火性能好的矿物纤维板的高生产率的生产工艺，尤其是减轻矿物纤维板的重量，以致其密度降低到200kg/m3至300kg/m3，较好的情况大约介于140kg/m3至160kg/m3之间(如上所述，目前生产的矿物纤维板的密度通常是大约400kg/m3)。
本发明第二个目的是赋予矿物纤维板以天然的凹凸图案，该图案因为没有采用机械加工所以不同于机械加工的常规图案。
这就是说，本发明的要点是一种生产矿物纤维板的工艺，该工艺的特征是将矿物纤维(60wt％至90wt％)、有机粘接剂(2wt％至19wt％)、无机微纤维(1wt％至20wt％)、絮凝剂(0.5wt％至3wt％)、热膨胀树脂细颗粒(0.5wt％至10wt％)作为配方的组分均匀地分散在水中，制备成淤浆，然后淤浆用湿法成形并干燥。其中，热膨胀树脂细颗粒膨胀后的颗粒直径不小于0.03mm且不大于3.0mm，上述直径的膨胀度至少是3倍，而且该热膨胀树脂细颗粒的膨胀温度介于50℃至105℃之间。
本发明中使用的矿物纤维是矿渣棉、矿棉等，其用量为60wt％至90wt％。当用量低于60wt％时，有机成分相应地增加，因此在耐火性能方面出现问题。当用量高于90wt％时，有机成分相应地减少，因此强度不足。特别是，在目标是减轻矿物纤维板的重量，以使其密度变成大约是140kg/m3至160kg/m3时，矿物纤维的用量必须控制在70wt％至90wt％之间。当用量低于70wt％时，有机成分相应地增加，因此在耐火性能方面出现问题。当用量高于90wt％时，有机成分相应地减少，因此强度不足。
在本发明中，用于粘接如矿物纤维等成分的有机粘接剂是树脂、淀粉、搅打后的纸浆等，其用量为2wt％至19wt％。当用量低于2wt％时，有机粘接剂将矿物纤维粘接的粘接力不足，于是在保持矿物纤维板强度方面出现问题。当用量超过19wt％时，在耐火性能方面准不燃性不明显，以致有机成分用量上限为19wt％。
具体地说，在目标是减轻矿物纤维板的重量，以使其密度变成大约是140kg/m3至160kg/m3时，必须使用搅打后的纸浆(0.5wt％至5wt％)和完全皂化的聚乙烯醇(1.5wt％至8wt％)作为有机粘接剂。搅打后的纸浆作为一种使淤浆分散体均化的物质，并且起滞留物质和粘接物质的作用。当用量低于0.5wt％时，不发挥上述作用，当用量高于5wt％时，抑制了热膨胀的树脂细颗粒的膨胀，导致耐火性能恶化。完全皂化的聚乙烯醇主要起粘接材料的作用，当它的用量低于1.5wt％时，强度不足；当其用量高于8wt％时，耐火性能恶化而且准不燃性不可能明显。采用完全皂化的聚乙烯醇的理由是为了阻止群集与粘滞现象。完全皂化的聚乙烯醇在热水中经过溶涨和溶解转变成透明的液体；但是，从湿法成形制作的湿毛坯的含水量考虑，完全皂化的聚乙烯醇应以相应的水溶液状态存在，其浓度至少是10wt％。但完全皂化的聚乙烯醇与相同浓度的淀粉浆相比，前者具有充分的流动性，因此不妨碍热膨胀树脂细颗粒的膨胀，因此膨胀更充分，以致与常规的淀粉基粘接剂相比能够降低密度。
在本发明中使用的无机微纤维包括海泡石、硅镁土等，它作为促进有机粘接剂和热膨胀树脂细颗粒滞留的物质发挥作用，并且本身作为固定剂对提高强度特性作出贡献。无机微纤维的用量是1wt％至20wt％。当它的用量低于1wt％时，不能充分地提高滞留作用和强度特性；当其用量高于20wt％时，于是作为主要原料的矿物纤维含量降低，密度增大，以致由于在湿法成形阶段排水困难而降低生产速度，所以也不符合需要。
具体地说，在目标是减轻矿物纤维板的重量，以使其密度变成大约是140kg/m3至160kg/m3时，无机微纤维的用量在1wt％至10wt％之间。当用量超过10wt％时，热膨胀树脂细颗粒的膨胀受到抑制，此外，当用量超过20wt％时，在湿法成形阶段排水困难变得相当显著，而且矿物纤维的比例相对减少，因此，密度有增大的趋势。
在本发明中使用的絮凝剂包括聚丙烯酰胺、改性聚丙烯酰胺、硫酸铝等，其用量介于0.5wt％至3wt％。当它的用量低于0.5wt％时，没有获得足够的絮凝作用，并且即使将用量增加的3wt％以上也见不到絮凝作用的增强。
本发明使用的热膨胀树脂细颗粒是至少含有一种发泡剂的树脂细颗粒，其中所用发泡剂诸如丙烷、丁烷、戊烷、异丁烷等；所用树脂诸如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈与偏二氯乙烯的共聚物、乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物等。在上述的热膨胀树脂细颗粒当中那些膨胀后直径介于0.03mm至3.0mm之间的、且该直径的膨胀度至少是3倍的、且膨胀起始温度介于50℃至105℃的细颗粒才被选用。为什么膨胀后直径要介于0.03mm至3.0mm之间，这是因为当该直径小于0.3mm时，树脂细颗粒保留在主要由矿物纤维组成的结构空穴中，因此不表现出增加矿物纤维板厚度的效果。当上述直径超过3.0mm时，板的结构变得粗糙并且矿物纤维板的强度和硬度都不足。
特别是，当目标是不用机械加工产生天然的凹凸图案时，膨胀后的直径必须调整到1.0mm至3.0mm之间。当膨胀后的直径小于1.0mm时，不足以形成有弯曲线条的图案，由这种弯曲线条图案形成天然的凹凸图案比较好。为什么膨胀后的直径的膨胀度至少是三倍，这是因为要获得减轻矿物纤维板重量的效果必须这样。为什么膨胀起始温度为50℃至105℃，这是为了避免室温下膨胀以及为了使膨胀在有机粘接剂开始硬化之前开始并结束。
热膨胀树脂细颗粒的用量介于0.5wt％至10wt％之间。低于0.5wt％时，重量不足够轻；高于10wt％时，带来一些问题，诸如矿物纤维板的性能随着热膨胀树脂细颗粒的不均匀性产生起伏、板表面的不平整、强度低以及耐火性能恶化等。
具体地说，在目标是减轻矿物纤维板的重量，以使其密度变成大约是140kg/m3至160kg/m3时，采用完全皂化的聚乙烯醇(它在燃烧时释放大量的热量)作为粘接剂，以致必须调整热膨胀树脂细颗粒的用量，使之介于0.5wt％至6.0wt％之间。用量超过6.0wt％时，耐火性能恶化并且准不燃烧性不可能明显。此外，当目标是不用机械加工赋予矿物纤维板天然的凹凸图案时，热膨胀树脂细颗粒的用量最好调整到0.5wt％至7.0wt％之间。超过7.0wt％时，在矿物纤维板中可能会出现诸如性能起伏、强度低等问题。在本发明中使用的热膨胀树脂细颗粒当它们存在于原始的淤浆中时，它们是未发泡的颗粒并且比重在1.0附近，以致它们很容易均匀地分散在淤浆之中并且不会在产品中引起密度斑纹。在淤浆经受湿法成形并且被切割成毛坯形状之后，在干燥阶段热膨胀树脂细颗粒被加热到膨胀温度，在这个温度下开始膨胀，借此使毛坯的厚度增加。膨胀在混入的粘接剂开始硬化之前开始并结束。当毛坯中的水分都已蒸发时，毛坯基本上变干并且粘接剂的调整基本结束。毛坯的温度进一步升高，在这个过程中，膨胀后的树脂细颗粒达到它们自身的熔点。在这个温度点，膨胀的细颗粒形成的泡沫熔化，借此细颗粒的体积返回到膨胀前的体积，并且在干燥之后，细颗粒起部分粘接作用。由热膨胀树脂细颗粒形成的空穴原封不动地保留着，并且有效地发挥减轻重量的作用、吸收声波的作用以及隔热作用。
毛坯在膨胀前的厚度是常规方法制备的毛坯厚度的1/3至2/3，因此排水加快了，从而改进了湿法成形的速度，并且由于在干燥窑中除去的水分变成常规毛坯的1/3至2/3，缩短了干燥的时间并减少了燃料的消耗。
本发明的矿物纤维板采用下述方法制备：在混合阶段，矿物纤维、有机粘接剂、无机微纤维、絮凝剂以及热膨胀树脂细颗粒按照给定的量加入水中并均匀地分散，以便获得由上述成分组成的淤浆，上述成分总量大约占5％。在湿法成形阶段淤浆脱水，形成湿的毛坯。在湿毛坯被切割成给定的尺寸并干燥、硬化之后，获得原始板。原始板经受粗加工，如果有必要，把表面弄平，然后如果有必要至少再经受一次加工，该加工从纹辊压花、适合对板边缘进行抛光和涂敷的边缘加工中选择，以便获得最终产品。
                         具体实施方式
实施例1至5
表1列出了每种实施例的成分，将这些成分按照表1所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化，获得本发明的矿物纤维板。
对照实施例1至5
表1还列出了每个对照实施例的成分，将这些成分按照表1所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化，获得用于对照的矿物纤维板。
实施例1至5以及对照实施例1至5中每个实施例与每个对照实施例的湿法成形性质以及获得的矿物纤维板的物理性质都进行了测量，得到的结果在表1中列出。
关于表1至表3所示的物理性质，断裂时的挠曲载荷、消声系数以及耐火性能分别按照JIS A 1408、JIS A 1409以及建设部1231号和1828号通告进行测量。
实施例6至8
表2列出了每种实施例的成分，将这些成分按照表2所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化，获得本发明的矿物纤维板。
对照实施例6至9
表2还列出了每个对照实施例的成分，将这些成分按照表2所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化，获得用于对照的矿物纤维板。
实施例6至8与对照实施例6至9中每个实施例与每个对照实施例的湿法成形性质以及获得的矿物纤维板的物理性质都进行了测量，得到的结果在表2中列出。
实施例9至14
表3列出了每种实施例的成分，将这些成分按照表3所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化、表面平整和装饰表面，获得本发明的矿物纤维板。
对照实施例10和11
表3还列出了每个对照实施例的成分，将这些成分按照表3所示的混合比例加到水中并且使它们在水中分散均匀，以便获得淤浆，淤浆总量的5wt％由上述成分组成。用长网造纸成形机使淤浆湿法成形，然后经干燥、硬化、表面平整和装饰表面，获得用于对照的矿物纤维板。
实施例9至14与对照实施例10至11中每个实施例与每个对照实施例的造纸性质以及获得的矿物纤维板的物理性质都进行了测量，得到的结果在表3中列出。
正象从表1至表3所示的湿法成形性质和物理性质中所看到的那样，膨胀前的毛坯厚度是常规毛坯厚度的1/3至2/3，以致排水得到增强，导致在湿法成形速度方面得到改进，并且在干燥前毛坯的含水量大大减少，达到常规毛坯的1/3至2/3，以致缩短了干燥时间并且减少了燃料消耗量。因此，每个实施例的流程速度指数是对照实施例的1.4至1.7倍，或者更高，对照实施例能够反映出普通的常规产品的特征。这意味着实施例的生产率远远超过对照实施例的生产率。此外，在物理性质方面(见表1)，干燥后的密度是190kg/m3至300kg/m3，这达到了目标值200kg/m3至300kg/m3，即达到了减轻矿物纤维板重量的目的，并且消声系数是0.59至0.75，从这个数据也可以看出充分的效果。
在表2中干燥后的密度是140kg/m3至160kg/m3，这达到了不高于180kg/m3目标值，即达到了减轻矿物纤维板重量的目标，并且消声系数是0.85，从这个数据也可以看出充分的效果。
在表3中干燥后的密度是180kg/m3至280kg/m3，这达到了减轻矿物纤维板重量的目标，并且消声系数是0.6至0.75，从这个数据也可以看出充分的效果。此外，本发明的一个重要的目标即不用机械加工赋予矿物纤维板天然的凹凸图案也已经充分地实现了。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
每种成分的混合比例(固体％) 苯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm)直径膨胀倍数(倍)膨胀温度(℃) - - 1  0.5 3     0.8 -
 5     5
 80     90
丙烯腈-偏二氯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm)直径膨胀倍数(倍)膨胀温度(℃) 1     0.2 3     0.1 7     0.1
10 5     3
    80     100     100
    矿渣棉(％)淀粉(％)纸浆(％)硅镁土(％)珍珠岩(％)聚丙烯酰胺(％)硫酸铝(％)  85.55250.51.0  83.55250.51.0 85.55250.51.0  83.55250.51.0  79.55250.51.0
湿法成形性质     湿法成形后的水分(干成分的百分比，％)湿法成形后的厚度(mm)  9512.5  9510.4 9512.1  959.6  957.9
物理性质     干燥后的厚度(mm)干燥后的密度(kg/m3)断裂时的挠曲载荷(kgf，No.5试样)流程速度指数消声系数(NRC)外观耐火性能  15300271600.59好不燃烧  15250251900.59好准不燃烧 15290271650.61好不燃烧  15230252050.75好准不燃烧  15190252400.75好准不燃烧
待续
续表1
对照实施例1 对照实施例2 对照实施例3 对照实施例4 对照实施例5
各种成分的混合比例(固体％) 苯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm) - 0.3  0.8 -
直径膨胀倍数(倍)  3
膨胀温度(℃)  90
丙烯腈-偏二氯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm) 3  0.02 - 15  0.1 -
直径膨胀倍数(倍)  10  3
膨胀温度(℃)  80  100
矿渣棉(％)淀粉(％)纸浆(％)硅镁土(％)珍珠岩(％)聚丙烯酰胺(％)硫酸铝(％) 83.55250.51.0 86.25250.51.0 71.55250.51.0 46.5525400.51.0 86.55250.51.0
湿法成形性质 湿法成形后的水分(干成分的百分比，％)湿法成形后的厚度(mm) 9515 9515 885 30015 9515
物理性质 干燥后的厚度(mm)干燥后的密度(kg/m3)断裂时的挠曲载荷(kgf，No.5试样)流程速度指数消声系数(NRC)外观耐火性能 15360331000.48好准不燃烧 15360301000.48好不燃烧 15120152700.75非常不平整可燃烧 1527022450.52好不燃烧 15360301000.48好不燃烧
表2
实施例6 实施例7 实施例8 对照实施例6 对照实施例7 对照实施例8 对照实施例9
各种成分的混合比例(固体％) 苯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm)直径膨胀倍数(倍)膨胀温度(℃) 3  0.8 3  0.8 5  0.8 3  0.8 3  0.8 3  0.8
5 5 5 5 5 5
 90  90  90  90  90  90
矿渣棉(％)完全皂化聚乙烯醇(％)搅打后的纸浆(％)硅镁土(％)聚丙烯酰胺(％)亚硫酸铝(％)淀粉(％) 85.02.5350.51.0- 83.55250.51.0- 82.03.5350.51.0- 83.5-250.51.05 77.55850.51.0- 73.552150.51.0- 86.5-250.51.05
湿法成形性质 湿法成形后的水分(干成分的百分比，％)湿法成形后的厚度(mm) 956.7 956.7 955.8 959.6 9511 9511.5 9515
物理性质 干燥后的厚度(mm)干燥后的密度(kg/m3)断裂时的挠曲载荷(kgf，No.5试样)流程速度指数消声系数(NRC)外观耐火性能 15160202950.85好不燃烧 15160252950.85好准不燃烧 15140203400.85好准不燃烧 15230252050.75好准不燃烧 15260301800.75好准不燃烧 15280272450.70好准不燃烧 15360301000.48好不燃烧
表3
实施例9 实施例10 实施例11 实施例12 对照实施例10 实施例13 对照实施例11 实施例14
各种成分混合比例(固体％) 苯乙烯型热膨胀树脂(％) 膨胀后直径(mm)直径膨胀倍数(倍)膨胀温度(℃) 5 1.0 3  1.5 2  2.0 1  2.5 5  0.5 1 4.0 10  2.0
5  4  3  3  5 3  3
90  90  90  90  90 90  90
矿渣棉(％)淀粉(％)纸浆(％)硅镁土(％)聚丙烯酰胺(％)亚硫酸铝(％) 81.55250.51.0 83.55250.51.0 84.55250.51.0 85.55250.51.0 86.55250.51.0 81.55250.51.0 85.55250.51.0 73.58250.51.0
湿法成形性质 湿法成形后的水分(干成分的百分比％)湿法成形后的厚度(mm) 957.5 958.3 959.6 9511.7 9515 9510 9510.8 955.4
物理性质 干燥后的厚度(mm)干燥后的密度(kg/m3)断裂时的挠曲载荷(kgf，No.5试样)流程速度指数消声系数(NRC)图案状态(形成弯曲线条图案)耐火性能 15180262450.75好准不燃烧 15200252250.75好准不燃烧 15230252050.70好准不燃烧 15280271750.60好不燃烧 15360301000.48无不燃烧 15240271950.72小准不燃烧 15260231850.59太大不燃烧 15130152650.70太大燃烧

Claims (6)

1.一种制造矿物纤维板的方法，包括将以下组合物组分：
矿物纤维60wt％至90wt％；
有机粘接剂2wt％至19wt％；
无机微纤维1wt％至20wt％；
絮凝剂0.5wt％至3wt％；
热膨胀树脂细颗粒0.5wt％至10wt％，其膨胀温度介于50℃至105℃之间，膨胀后颗粒直径不小于0.03mm但小于3.0mm，上述直径的膨胀度至少是3倍，
均匀地分散在水中，制备成淤浆，然后淤浆用湿法成形并干燥。
2.根据权利要求1的方法，其中所述热膨胀树脂细颗粒的用量是0.5wt％至7wt％。
3.根据权利要求1或2的方法，其中上述热膨胀树脂细颗粒膨胀后的直径不小于0.03mm，但小于1.0mm。
4.根据权利要求1或2的方法，其中上述有机粘接剂是搅打后的纸浆或完全皂化的聚乙烯醇。
5.根据权利要求4的方法，其中组合物组分是：
    矿物纤维70wt％至90wt％；
    搅打后的纸浆0.5wt％至5wt％；
    完全皂化的聚乙烯醇1.5wt％至8wt％；
    无机微纤维1wt％至10wt％
    絮凝剂0.5wt％至3wt％；
    热膨胀树脂细颗粒0.5wt％至6wt％，膨胀后颗粒直径不小于0.03mm但小于1.0mm。
6.根据权利要求2的方法，其中上述热膨胀树脂细颗粒的膨胀后颗粒直径不小于1.0mm但小于3.0mm。
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