CN1199901C - 石膏组合物及相关方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种凝固的石膏组合物及其制备方法。凝固的石膏组合物包含具有高的水孔隙率的嵌合的凝固石膏基质的连续相和/或由含有高的水与烧石膏比的混合物(如膏剂)制得。还公开了一种含有该凝固的石膏组合物的制品。

Description

石膏组合物及相关方法
                       技术领域
本发明总的来说涉及石膏组合物和石膏组合物的制备方法。更具体地，本发明涉及凝固的低密度石膏组合物及其制备方法。
                       发明背景
凝固的石膏(二水硫酸钙)是一种许多类型的制品中通常含有的公知材料。例如，凝固的石膏是用常规烧石膏制得的成品(如用熟石膏进行粉饰的建筑物内墙)中的主要成分，也是常见的用于建筑物的内墙和天花板的内墙干饰面的纸饰面石膏板的主要成分。而且，凝固的石膏是石膏/纤维素复合纤维板及其制品的主要成分，并且在填平石膏板边缘结合处的制品中也含有它。许多特殊材料，例如用于精密机加工的造型和塑模的材料生产的制品也含有大量的凝固石膏。
这些含石膏制品通常是由烧石膏(半水硫酸钙和/或无水硫酸钙)和水(若合适，还可有其它的成分)形成混合物制得的。该混合物被铸型成所需要的形状或铸型在所需要的表面上，然后通过烧石膏与水反应形成结晶的水合石膏(二水硫酸钙)的基质以使其硬化而形成凝固(即再水合)石膏。可形成凝固的石膏晶体的嵌合(interlocking)基质的烧石膏的水合是所需要。从而赋予含石膏制品中的石膏结构以强度。利用适度的加热除去剩余的自由水(即未反应的水)来得到干制品。
人们继续努力，通过用低密度的材料(例如发泡的珍珠岩或气泡)替代凝固的石膏基质的一部分来制造许多这种重量较轻的含石膏制品，以提高例如其吸声和/或绝缘性能以及处理和运输效率。但是，以前用以制造重量相当轻的含石膏制品的的努力并不完全令人满意，这是因为，例如当用大量的泡沫产生出足以得到低密度的含石膏制品的孔隙率时，这些制品可能仍不能达到所需要的例如吸声和绝缘性能。结果，生产低密度的含石膏制品易受到由提供的较大量的发泡剂可能产生的副作用的影响，有时仍不能得到所需要的结果。最近，美国专利5,041,333公开了由纤维状烧石膏形成的石膏板。纤维状烧石膏的制备耗时且昂贵，因此用纤维状烧石膏制造石膏板也很昂贵。
生成密度足够低的含石膏制品的另一个问题是在制造、处理和工业应用过程中应兼顾其尺寸稳定性。例如，在制造凝固的石膏制品时，在石膏凝固后，通常在基质中留有大量的自由水(即未反应的水)。在干燥凝固的石膏以除去剩余水的过程中，在水蒸发时，基质中嵌合的凝固石膏晶体有靠拢的趋势。此时，当水从石膏基质的晶隙离去时，凝固石膏用于抵抗石膏晶体上的水施加的毛细水压力的自然力使该基质趋于收缩。随着含水的烧石膏混合物中水量的增加，缺乏尺寸稳定性愈发成为问题。
甚至在得到了最终的干燥制品后也需要关注尺寸稳定性。尤其是在改变了温度和湿度的条件下，凝固的石膏例如容易膨胀或收缩。例如，石膏板的石膏基质的晶隙中吸收水分或处于高湿度下的砖由于致使受潮的板膨胀而加剧了下陷问题。
如果这种尺寸的不稳定性可以避免或减少，就会产生有各种优点。例如，如果石膏板在干燥时不收缩，现有的石膏板生产方法将会产出更多的产品，依赖其具有精致的形状和尺寸比例的所需要的含石膏制品(如用于造型和塑模)可更好地达到其使用目的。
从而，由上述的内容将理解本领域需要无须含有大量的轻质填充剂或由发泡产生的气泡即可具有低密度的凝固石膏组合物。也将理解本领域需要表现出增强的尺寸稳定性、绝缘性和/或吸声性能的低密度的凝固石膏组合物。本发明提供了这样的一种凝固的石膏组合物及其制备方法。本发明的这些和其它优点以及其它的有创新的特点可从本文的描述中明显看出。
                       发明概述
本发明提供了一种凝固的石膏组合物及其制备方法。优点在于，本发明的凝固的石膏组合物是低密度的，并且证实了它具有增强的尺寸稳定性(如抗收缩)、绝缘性和/或吸声性能。
一方面，本发明提供了一种由这样的方法制备的凝固的石膏组合物，该方法包括使用至少烧石膏和水形成混合物。理想的是，用于制备混合物的水和烧石膏的重量比至少约是3∶1。该实施方式中，也就是用含有至少30wt.％非纤维状烧石膏来形成凝固的石膏组合物。该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏基质的条件下。
另一方面，本发明提供了一种由这样的方法制备的凝固的石膏组合物，该方法包括使用至少烧石膏和水形成混合物，其中用于制备混合物的水和烧石膏的重量比至少约是4.5∶1。该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏基质的条件下。
另一方面，本发明提供了一种由这样的方法制备的凝固的石膏组合物，该方法包括使用烧石膏、水和增强材料形成混合物，该增强材料选自三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物、表面活性剂以及它们的结合。本发明的该实施方式中，用于制备混合物的水和烧石膏的重量比至少约是3∶1。该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏基质的条件下。
再一方面，本发明提供了一种凝固的石膏组合物，该石膏组合物含有嵌合凝固石膏基质的连续相。该基质包括石膏和蒸发的水的孔隙。根据蒸发的水的孔隙率“EWVV”测试(下面将描述)，基质理想的蒸发的水的孔隙率至少约是69％。本发明的该实施方式中，即用含有至少30wt.％非纤维状烧石膏的烧石膏来形成凝固的石膏组合物。
另一方面，本发明提供了一种凝固的石膏组合物，该石膏组合物含有嵌合凝固石膏基质的连续相，其中，该基质包括石膏和蒸发的水的孔隙，并且根据EWVV测试基质的蒸发的水的孔隙率至少约是69％。本发明的该实施方式中，凝固的石膏组合物由增强材料制得，该增强材料选自三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物、表面活性剂以及它们的结合。
另一方面，本发明提供了一种凝固的石膏组合物，该石膏组合物含有嵌合凝固石膏基质的连续相，其中，该基质包括石膏和蒸发的水的孔隙，并且根据EWVV测试蒸发的水的孔隙率至少约是80％(例如80-97％)。
例如，本发明的石膏组合物可以板的形式提供。该板可以制品的形式提供，例如诸如墙板、门芯、结构绝缘板系统组件、吸声砖、绝缘板或类似物。此时，该制品还可包括多重板(例如多层板)。例如，该制品可以包括第二个更致密的石膏板，从而使第二石膏板的密度大于含有本发明石膏组合物的板的密度。
参考附图和下面详细描述的优选实施方式可以很好地理解本发明。
                       附图简述
图1是根据本发明的一方面的一种石膏板层复合体的示意图。
图2是根据本发明的另一方面的天花板砖形式的制品的透视图。
图3是根据本发明的另一方面的层状复合体的示意图。
                   本发明的详细描述
本发明提供了一种低密度凝固石膏组合物，该石膏组合物含有嵌合凝固石膏基质的连续相，其中该基质有提高的蒸发的水的孔隙率。该低密度凝固石膏组合物优选由含有高比率的水与烧石膏的混合物(如膏剂)制得。
烧石膏可以是纤维状或非纤维状。如美国专利2,341,426所述，非纤维状的烧石膏是指可由现有技术的工艺在常压下在煅烧炉中制得。纤维状的烧石膏如美国专利4,029,512和5,041,333中所述。优选至少30wt.％的石膏组合物由非纤维状的烧石膏形成。更优选至少50wt.％的石膏组合物由非纤维状的烧石膏形成，并且在一些实施方式中，用于制造膏剂(或混合物)以铸型成该创新的石膏组合物的烧石膏实质上由非纤维状的烧石膏组成。
烧石膏可以α型半水硫酸钙、β型半水硫酸钙、水溶性无水硫酸钙或其混合物的形式存在。优选烧石膏包括至少30％的β型半水硫酸钙，更优选至少50％的β型半水硫酸钙。一些实施方式中，烧石膏实质上由β型半水硫酸钙组成。
尤其是，本发明的凝固石膏组合物的特征在于，由于凝固基质的连续相中存在高的蒸发的水的孔隙率，从而使其具有相对疏松和开放的结构。在用于制备凝固石膏组合物的混合物中，例如利用高比率的水与烧石膏来产生高的蒸发的水的孔隙率。凝固石膏的嵌合基质由各种尺寸和形状的晶体组成，在某种程度上取决于用于制备凝固石膏组合物的混合物中水与烧石膏的比率。例如，一些实施方式中，晶体相对长(例如，至少在一个方向上约为10-40μm或更长)和/或可以是各种构型，如针型、小片等或它们的结合。
更重要的是，尽管凝固石膏组合物中有高的蒸发的水孔隙率，本发明的凝固石膏组合物有所需要的低密度，仍可证明它有充分的强度和有利的抗机械变形(如抗下陷)。而且，本发明的凝固石膏组合物表现出尺寸稳定性，从而在制备凝固石膏组合物的过程中抗收缩(例如由于干燥应力引起的收缩)，甚至在制备凝固石膏组合物的过程中存在高浓度的水亦如此。另外，凝固石膏组合物中高的蒸发的水孔隙率有助于赋予所需要的吸声性能，这是因为与高的蒸发的水孔隙率有关的疏松结构提供了在凝固石膏组合物中用于吸声的更大的空间，从而减少了被本发明的凝固石膏组合物反射和通过其传递的声音的量。
根据本发明，凝固石膏组合物含有嵌合凝固石膏基质的连续相。该基质包括石膏和提高的蒸发的水孔隙率。蒸发的水孔隙率与连续相有关，连续相排除了不连续性而不是蒸发的水孔隙，例如，由于组合物中纸纤维、轻质填充剂或泡沫气孔的存在而产生的不连续性。一些实施方式中，基质的蒸发的水孔隙率根据EWVV测试至少约是69％(例如约69％-约97％)。优选蒸发的水孔隙率根据EWVV测试至少是约74％-约95％。例如，在一些情形下，基质的蒸发的水孔隙率根据EWVV测试至少是约79％-约89％。
一些实施方式中，本发明的凝固的石膏组合物由这样的方法制得，该方法包括使用烧石膏和水以水和烧石膏的重量比至少约是3∶1形成混合物。该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏基质的条件下。当用于制备混合物的烧石膏包括至少30wt.％非纤维烧石膏时，优选水和烧石膏的重量比为约3∶1-约12∶1。更优选用于制备混合物的水和烧石膏的重量比至为约4.5∶1-约9∶1，更加优选用于制备混合物的水和烧石膏的重量比为约5∶1-约8∶1。这些实施方式中，非纤维状烧石膏优选β型半水硫酸钙。
一些实施方式中，本发明的凝固的石膏组合物的制备方法包括形成混合物(如膏剂)，它包括水和纤维状或非纤维状烧石膏或以各种方法结合或制备的纤维状和非纤维状烧石膏的组合，水和烧石膏的重量比至少是约4.5∶1-约12∶1。更理想地，该实施方式中用于制备混合物的水和烧石膏的重量为约5∶1-约8∶1，更优选为约5∶1-约7∶1。
理想的是，本发明的凝固石膏组合物有相对低的密度。如严格来讲，一些实施方式中，凝固石膏组合物有约20lb/ft3(≈320kg/m3)或更小的密度，如约15lb/ft3(≈240kg/m3)或更小，或一些实施方式中，为约12lb/ft3(≈192kg/m3)或更小。
优选本发明的凝固的石膏组合物由包含一种或多种增强材料的含水的烧石膏混合物制得，以在制备凝固的石膏组合物的过程中提高强度和/或尺寸稳定性(如通过减小由干燥应力引起的收缩)。理想的是，增强材料的选择应不会拖延形成本发明的凝固石膏组合物的速度或是有不利的影响。例如，增强材料可选自三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物或表面活性剂。本发明的实践中可利用每一类型的一种或多种增强材料。也可以利用增强材料的多种组合。例如可以利用一种三偏磷酸盐化合物和一种或多种多磷酸铵、一种聚羧基化合物和一种表面活性剂。还可以利用例如多磷酸铵和一种或多种三偏磷酸盐化合物、一种聚羧基化合物和一种表面活性剂。
在制备凝固的石膏组合物时，可以往含水的烧石膏混合物中加入适量的增强材料，如占烧石膏重量的约0.01％-约5％。优选加入或掺杂含水烧石膏混合物中的增强材料的量占烧石膏重量的约0.1％-约5％，更优选加入或掺杂含水烧石膏混合物中的增强材料的量占烧石膏重量的约0.5％-约2％。
尤其优选使用三偏磷酸盐化合物(如盐或其阴离子部分)。在烧石膏的水合以形成凝固的石膏的过程中，三偏磷酸盐化合物的掺杂导致了凝固的石膏的强度的提高，包括其抗机械变形(例如下陷)的提高。在这方面，发现利用三偏磷酸盐化合物使强度的提高尤其理想，这是因为凝固石膏的密度的减小和嵌合基质中蒸发的水孔隙率的提高。三偏磷酸盐化合物可以是以盐的形式，例如三偏磷酸钠、三偏磷酸钙、三偏磷酸钠钙、三偏磷酸钾、三偏磷酸铵、三偏磷酸锂等。也可以用这些盐的组合。一些实施方式中，三偏磷酸盐化合物是三偏磷酸钠。
如果掺杂的话，三偏磷酸盐化合物可以单独加入，或是与至少一种具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、至少一种聚羧基化合物和/或一种表面活性剂一起加入。如果加入的话，用于制造凝固的石膏组合物的水/烧石膏混合物中，三偏磷酸盐化合物加入量或掺杂量优选占烧石膏重量的约0.1％-约2％，更优选加入或掺杂含水烧石膏混合物中的三偏磷酸盐化合物的量占烧石膏重量的约0.5％-约1％。
多磷酸铵(如盐或其阴离子部分)优选具有1000-3000个重复单元。如果掺杂的话，用于制造凝固的石膏组合物的多磷酸铵加入或掺杂水/烧石膏混合物中的量优选占烧石膏重量的约0.1％-约2％，更优选加入或掺杂含水的烧石膏混合物中的多磷酸铵化合物的量占烧石膏重量的约0.5％-约1％。
聚羧基化合物(如酸、盐或其阴离子部分)包括至少两种羧基盐或离子基团，至少两种羧酸基团，或至少一种羧酸盐或离子基团和至少一种羧酸基团。优选聚羧基化合物可溶于水。聚羧基化合物是有益的，这被认为是因为当形成凝固石膏的嵌合基质时，它们有助于晶体的结合。结果聚羧基化合物理想地提高了强度，从而有助于减少在处理和加工过程中对凝固石膏组合物的损坏，并且增强了凝固石膏组合物的尺寸稳定性。本发明优选的聚羧基化合物有100,000道而顿-1百万道而顿的分子量。分子量越高，因为粘度太高而不理想，而分子量较低(锐减至100,000道而顿以下)则效果也较小。
一些实施方式中，聚羧基化合物具有约200,000道而顿-约700,000道而顿的分子量，优选有约400,000道而顿-约600,000道而顿(如约500,000道而顿)。例如，聚羧基化合物可选自但不局限于聚丙烯酸盐、聚甲基丙烯酸盐、聚乙基丙烯酸盐等或它们的组合。一些实施方式中，聚羧基化合物是聚丙烯酸盐，此时，聚丙烯酸盐优选有约200,000道而顿-约700,000道而顿的分子量，更优选有约400,000道而顿-约600,000道而顿。例如，ACRYSOL644是一种合适的聚丙烯酸盐，可从Rohm & Haas，Philadelphia，pennsylvania购得。
如果掺杂的话，用于制造凝固的石膏组合物的水/烧石膏混合物中加入或掺杂的聚羧基化合物优选占烧石膏重量的约0.05％-约2％，更优选加入或掺杂含水烧石膏混合物中的聚羧基化合物的量占烧石膏重量的约0.1％-约0.4％。
值得一提的是，聚羧基化合物可以单独加入或是与其它增强材料一起加入。例如，聚羧基化合物可以与一种三偏磷酸盐化合物、一种有500-3000个重复磷酸盐单元(如1000-3000重复磷酸盐单元)的多磷酸铵和/或一种表面活性剂一起加入。
在制造本发明的凝固的石膏组合物的过程中，将一种或多种表面活性剂加入水/烧石膏混合物中，有益于减少混合物的表面张力，从而有助于减少干燥应力，以致于使凝固石膏组合物的收缩减至最小。在这点上，认为是通过减少烧石膏的含水混合物的表面张力，减少了液体施加在石膏晶体的毛细水压力，由于石膏晶体对水溶液的相应的抵抗力，当未反应的水溶液从基质蒸发时，从而使嵌合的晶体状基质结构收缩的趋势减弱了。因此，在本发明的实践中，尤其有用的表面活性剂的特征是具有将水的表面张力减少至约40dyne/cm或更小的能力。更优选的是，表面活性剂的特征是具有将水的表面张力减少至约35dyne/cm或更小的能力。合适的表面活性剂的例子包括但不限于乙酰基乙二醇基表面活性剂、含氟表面活性剂和含硅表面活性剂。可以将一种或多种表面活性剂掺杂到混合物中以形成凝固的石膏组合物，也可使用不同类型的表面活性剂的各种组合。
典型的乙酰基乙二醇基表面活性剂是DYNOL604，可从AirProducts of Lehigh Valley，Pennsylvania购得。典型的含氟表面活性剂可以是烷基磺酸钠型阴离子氟表面活性剂(如LODYNES-103A)、烷基铵氯化物型阳离子氟表面活性剂(如LODYNES-106A)或烷基氨基酸型两性氟表面活性剂(如LODYNES-100)。适用于本发明的典型的表面活性剂也可以是市售的如LODYNES-228M的含氟/含硅的表面活性剂的混合。LODYNE系列的表面活性剂可从Ciba of Basel，Switzerland购得。
表面活性剂可以任何适宜的有效量加入。优选加入或掺杂水/烧石膏混合物的表面活性剂的量为约0.01％-约1％，更优选加入或掺杂含水的烧石膏混合物中的表面活性剂的量占烧石膏重量的约0.05％-约0.2％。值得一提的是，表面活性剂可以作为唯一的增强材料加入到石膏组合物中，或是与其它增强材料的组合一起加入，例如与三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元(如1000-3000个重复磷酸盐单元)的多磷酸铵、聚羧基化合物或它们的混合物一起加入。
石膏组合物也可包含任选的添加剂，例如但不局限于增强剂、粘结剂(如乳胶聚合物)、发泡珍珠岩、液体发泡剂形成的气孔、淀粉如预胶化的淀粉或纤维状的支柱底板(如在含有本发明石膏组合物的石膏板上)。可将这些任选的添加剂的各种组合掺杂到凝固的石膏组合物中。若需要，也可将这些添加剂掺杂到还含有一种或多种增强材料的凝固的石膏组合物中。
若需要，本发明石膏组合物可含有任选的增强剂，以提高加工过程中强度和的过滤效率，这将在下面详细描述。例如，增强剂可以含有纤维素(如纸)纤维、矿物纤维、其它合成纤维等或它们的结合。增强剂如纸纤维可以适量加入。例如，一些实施方式中，增强剂的量占凝固石膏组合物重量的约2％-约15％。
为了更便于减小密度，本发明的凝固石膏组合物可选择性地含有由液体发泡剂(与蒸发的水孔隙正好相反)产生的气孔。尤其是，在制备过程中，如电流板的生产过程中，可将液体泡沫加入含水的烧石膏中。在本发明的实践中，可利用任何适宜的发泡剂，例如PFM33，其可从GEO speciality chemicals，Ambler，pennsylvania得到。
另外，石膏组合物也可选择性地含有淀粉，如预胶化的淀粉或用酸改性的淀粉。预胶化的淀粉的掺杂提高了凝固且干燥的石膏模压品的强度，并且在湿度增加的条件下(如与水和烧石膏比率的增加有关的情况下)避免了纸分层或将纸分层的风险降至最低。本领域的普通技术人员会明了原料淀粉预胶化的方法，如在至少约185°F(≈85℃)的温度下在水中煮原料淀粉，或用其它的方法。合适的预胶化的淀粉的例子包括但不局限于PCF1000淀粉(由Lauhoff Grain Company购得)、AMERIKOR 818和HQM PREGEL淀粉(均由Archer DanielsMidland Company购得)。如果掺杂，预胶化的淀粉可以任何适量存在。例如，如果掺杂，可将预胶化的淀粉加入用于形成凝固石膏组合物的混合物中，以使其以占凝固石膏组合物重量的0.5％-10％的量存在。
石膏组合物还可含有纤维状的支柱底板(mat)。纤维状的支柱底板可以是纺织或无纺的。优选纤维状的支柱底板由可容纳水合时石膏组合物的膨胀的材料组成。例如，纤维状的支柱底板可以是纸支柱底板、纤维玻璃支柱底板或其它的合成纤维支柱底板。一些实施方式中，纤维状支柱底板是无纺的并且可含有纤维玻璃。理想的是，在铸型过程中，可将纤维状的支柱底板贴在石膏模压品的表面上，以形成平面，并改善完整性、外观和在生产、处理和应用领域中干燥石膏模压品的可操作性。另外，纤维状的支柱底板可用作成品(如天花板砖)的暴露面，从而提供了一个有美感的、另人愉悦的、整体式的、理想光滑的外观。如果加入，纤维状的支柱底板可以具有任何合适的厚度。例如一些实施方式中，纤维状的支柱底板的厚度为约0.003英尺(≈0.0076cm)-约0.15英尺(≈0.381cm)。
一些实施方式中，例如，当本发明的石膏组合物存在某些制品如吸声砖中，吸声性能(如噪音的减小)是理想的。本发明的石膏组合物根据ASTM E 1042-92优选表现出至少为约0.4的噪音减小系数，更优选其噪音减小系数是1.0或接近1.0。例如一些实施方式中，本发明的石膏组合物显示出至少是约0.5的噪音减小系数，甚至更优选其噪音减小系数是约0.6，还更优选其噪音减小系数至少是约0.7，甚至更优选其噪音减小系数至少是约0.8，并且还更优选其噪音减小系数至少是约0.9。一般来说，根据本发明，随着凝固石膏的嵌合基质中蒸发的水孔隙率以及用于制备凝固石膏组合物的混合物中水与烧石膏的比率的增加，吸声值(如通过测量噪音减小系数得到的)也增加。
另一方面，本发明提供了一种含有本发明的石膏组合物的制品。例如，可以是墙板、门芯、结构绝缘板系统组件、吸声砖、绝缘板等的形式。
除本发明的凝固石膏组合物外，制品可含有第二种凝固石膏组合中，它比本发明的凝固石膏组合物更致密。例如，本发明的石膏组合物和更致密的第二种石膏组合物可以包括在不同的石膏板中，板是层状的，从而在制品中形成了复合石膏板。优选第二种石膏板的密度至少约是20lb/ft3(≈320kg/m3)，更优选密度至少约是30lb/ft3(≈479kg/m3)，并且更优选密度至少约是40lb/ft3(≈639kg/m3)。第二种凝固石膏组合物的密度可以更高(如至少约50lb/ft3(≈799kg/m3)，至少约60lb/ft3(≈959kg/m3)，或更高)。相对来说，本发明的凝固石膏组合物优选小于20lb/ft3(≈320kg/m3)的密度，如小于约15lb/ft3(≈240kg/m3)的密度，或小于约12lb/ft3(≈192kg/m3)的密度。
致密的石膏板的存在是理想的，这是因为例如它提供了形成本发明的低密度凝固石膏组合物的封套(envelope)。而且，致密的石膏板的提供了例如加工过程中的湿强度和最终复合体中的干强度。致密的石膏板的加入也可理想地增强了防火和抗下陷，同时也反射声音(而本发明的低密度石膏板吸声)，从而有助于使声音穿透含有该石膏复合体的制品的程度降至最低。
参考图1示意性地说明了复合体10。复合体10包括含有本发明的凝固石膏组合物的第一石膏板12，还包括含有第二种凝固石膏组合物的第二石膏板14，因此它比第一石膏板12更致密。增强支柱底板(如多孔支柱底板)可任选地夹在板12和板14之间，以便于生产低密度板12，并且提高复合体10的整体强度。复合体10中，板12和4可以是任何适宜的厚度。例如，第一板12的厚度可以是0.5英寸(≈1.27cm)-2英寸(≈5.08cm)，而第二板14的厚度可以是0.0625英寸(≈0.159cm)-0.25英寸(≈0.635cm)。
第一石膏板12包括第一表面16和第二表面18，第二石膏板14包括第一表面20和第二表面22。石膏板12的表面16与石膏板14的表面20接触。纤维状的支柱底板24贴在石膏板12的表面18上。复合体10还可包括位于石膏板14的表面22上的墙板纸26。
图2说明典型制品即天花板砖28中的复合体10。如图1所示，致密板、本发明的低密度凝固石膏板和纤维状的支柱底板分别以数字14、12和24表示。天花板砖28包括壁架30，以便于使用中悬挂安装。
图3说明两个复合体10A和10B结合形成的多层复合体32(如含有多于一种的组合物)。多层复合体32包括第一石膏板12A和12B和更致密的第二石膏板14A和14B。墙板纸26A和26B分别位于石膏板14A和14B的外表面22A和22B上。两个复合体10A和10B可以任何适宜的方式结合。例如，复合体10A和10B可通过粘结层34结合。尽管图1显示出了粘结层34，复合体10A和10B可通过任何的其它合适的材料来结合，该材料例如但不限于石膏、粘结剂、胶水、乳胶、粘合剂等。应理解，一些实施方式中(如利用多步工艺)，如果需要，单个的第一石膏板12可夹在两个致密的第二石膏板14A和14B之间。
现在来描述本发明的凝固的石膏组合物的制备方法，形成烧石膏和水的混合物(如膏剂或悬浮液)。本发明的凝固的石膏组合物的的蒸发的水的孔隙率随着用于制备含水的烧石膏混合物中的水与烧石膏的重量比成比例的变化，该混合物铸型成凝固的石膏组合物。因此，用于制备该混合物的水与烧石膏的重量比越高，凝固石膏嵌合基质中的蒸发的水孔隙率越大，并且凝固石膏组合物的密度越低。
优选地，用于制备该混合物的水与含有至少30wt.％的非纤维状烧石膏的烧石膏的重量比至少为约3∶1更优选约3∶1-约12∶1。一些实施方式中，用于制备该混合物的水与含有至少30wt.％的非纤维状烧石膏的烧石膏的重量比为约4.5∶1-约9∶1，或者用于制备该混合物的水与含有至少30wt.％的非纤维状烧石膏的烧石膏的重量比为约5∶1-约8∶1。应理解，本发明的实践中，可利用纤维状和非纤维状烧石膏各种比例的混合物。当凝固石膏组合物由大于70％的纤维状烧石膏形成时，用于制备该混合物的水与烧石膏的重量比为约4.5∶1-约12∶1，优选该实施方式中水与烧石膏的重量比为约4.5∶1-约9∶1，更优选水与烧石膏的重量比为约5∶1-约8∶1。
铸型混合物之前，可将一种或多种增强材料加入烧石膏的含水混合物中，该增强材料如三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物、表面活性剂或它们的结合。加入烧石膏的含水混合物中的增强材料量优选基于形成混合物的烧石膏的加入量。
也是在铸型混合物之前，含水的烧石膏混合物可任选地加入添加剂，例如但不局限于增强剂(如纤维)、粘合剂(如乳胶等聚合物)、发泡珍珠岩、形成可将孔隙引入凝固基质组合物中的泡沫的液体发泡剂、淀粉(如预胶化的淀粉)、加速剂、延缓剂、杀虫剂、杀真菌剂、杀菌剂、防水剂、本领域的普通技术人员知道的其它添加剂，以及它们的组合。
理想的是，在湿的时候搅拌包括增强材料和其它任选的添加剂的含水的烧石膏混合物，然后铸型(如成板型)。在铸型过程中，可任选地将本文所述的纤维状支柱底板贴在混合物的表面上。为了减少干燥成本，如需要，可过滤该湿的石膏模压品(如在约20-约50mmHg下)，从而在烧石膏整个水合后除去过量的水。然后将过滤或未过滤的石膏模压品干燥(如在炉或窑中)以形成干燥的凝固石膏组合物。
重要的是，本发明的石膏组合物表现出尺寸稳定性，尤其是在加工过程中的抗收缩性。在此，凝固的石膏组合物在制备过程中产生了约2％或更小的收缩，更优选收缩约是1％或更小，甚至更优选收缩约是0.1％或更小。尤其令人惊讶的是，可制成具有如此低的收缩程度的如此低密度的凝固石膏组合物。
本领域的技术人员可以理解，干燥后可进行进一步的处理。例如，凝固的石膏组合物可用表面涂料、树脂和/或硅酸盐浸渍，以增强石膏组合物和改善其物理、化学和机械性能。
严格举例来说，用于制备低密度凝固石膏板的典型工艺流程图可阐述如下：
             灰泥，加速剂和其它干燥添加剂
                        ↓
           所需要的水，纸纤维浆+Acrysol 644
                        ↓
               发泡剂(表面活性剂溶液)
                        ↓
                   混合/搅拌(湿)
                        ↓
               石膏模压品/最终凝固
                        ↓
                  干燥(强度提高)
                      流程1
为了形成复合体(如用于制品中的)，提供了在接近每一边缘处有双折痕的墙板纸。理想的是将折痕边缘折叠以形成托架。将石膏膏剂的致密层置于来自石膏板混合机的纸上，该层的厚度和布置的调节是本领域的普通技术人员应知道的。使剩余的含水石膏组合物经过另外的混合工艺以加入更多的水(如需要，可加入增强材料和/或本文所述的任选添加剂)，以制备形成本发明的低密度凝固石膏组合物的混合物。然后用辊子、清洁设备等本领域普通技术人员熟知的设备将用于低密度层的膏剂置于致密层上。如果需要，可贴敷纺织或无纺纤维状支柱底板。
这些复合体的形成可在常规石膏板生产线上进行凝固工艺。当复合体几乎水合时，低密度板的上部可任选地穿孔，以提高干燥性能，并且增强其噪音减少性能。然后用例如板刀或高压切割喷嘴将复合体切成所需要的长度。然后可将该板干燥，如使有纸的一侧向下，而无纸或纤维状支柱底板的一侧向上。
其它整饰的变化取决于所需要的制品。例如，对于天花板砖，整饰涉及锯成所需要的尺寸、定型、涂覆和包装。也可涉及其它应用的整饰工艺，例如面层压(纸边向外)、后层压(纸边向里)、尺寸整饰(锯边)和所需要的涂覆工艺。
本发明的凝固石膏组合物的蒸发的水孔隙率由下面描述的蒸发的水孔隙率(EWVV)测试来确定。测试使用扫描电子显微镜和成像显微镜分析来确定凝固石膏的嵌合基质中水的孔隙率。由于发泡剂或类似物，该测试能区分凝固石膏组合物中的孔隙。
准备(EWVV)测试时，首先制备出凝固石膏组合物。然后按如下方法制备用于SEM分析的凝固石膏组合物的试样：首先将环氧树脂(用Buhler环氧树脂)和环氧树脂硬化剂在高真空条件下放入单个杯中以除去气体。除气后，在引入极小量的空气的旋转杯中，将环氧树脂和硬化剂以6∶1的比例在常压下混合5分钟。然后将内置有混合物和该样品的杯放在橡胶安装杯中，然后置于高真空条件下。接着用遥控电机使环氧树脂杯倾斜进入其位置，从而将环氧树脂混合物倒在石膏样品上。将空气缓慢引入小室，加压驱使环氧树脂进入所有的空间以形成凝固石膏。在固化之前，将样品签插入环氧树脂中，以避免确认样品出现混乱。
固化后用120微米，随后是75微米、45微米和15微米金属粘结的金刚石轮进行的研磨，研磨足够的样品以提供石膏样品的横截面图。
研磨之后进行抛光，用9微米(30分钟)和1微米(30分钟)的METADI(可从Buhler，Lake Bluff，Illinois购得)，在TEXMET(也可从Buhler购得)上的油基金刚石浆液以120RPM的转速进行。
然后用装有碳附着的Denton Vacuum Desk II喷镀系统将样品涂覆上一薄层碳。应注意在抛光的横截面上提供均匀的碳涂层，以避免图像采集时亮度和对比度的波动。
然后将每一个样品涂上银粉，以使在300X放大倍数下SEM成像时提供磨光的接触。所有的样品在装有固态后散射电子探测器的Topcon SM300 SEM中成像。肉眼选择成像，从而分析的面积仅为凝固石膏基质的连续相，该基质包括蒸发的水孔隙，并且排除了大尺寸的不连续性，例如，泡沫气孔、纸纤维等，它们不是嵌合的凝固石膏基质的连续相的一部分。SEM分析使用本文所述的计算机软件，按照King等“An Effective SEM-Based Image Analysis System for QuantitativeMineralogy”Kona Powder and Particle，No.11(1993)(其引入本文作为参考)中描述的方法进行。图像分析提供了凝固石膏组合物的嵌合基质的蒸发的水孔隙率。
下面的实施例进一步说明本发明，当然不应构成对其范围的任何限制。
                        实施例1
          实验室制备石膏模压品和各种测试过程
根据本发明制备凝固的含石膏组合物样品，并且比较它们的干燥密度、噪音减少值(NRC)和干燥收缩。
通过干混300gβ半水硫酸钙和2.0g含二水硫酸钙的细研磨颗粒的凝固加速剂，该二水硫酸钙涂有糖以维持效率并且经过如美国专利3,573,947(其引入本文作为参考)所述加热，以各种水与灰泥(如烧石膏)的比例来制备石膏模压品。然后在5升的WARING混料器中，将样品与温度为70°F(≈21℃)的各种量的水龙头的水混合，使其浸湿5秒钟并且在低速下混合10-25秒。水与灰泥(即烧石膏)的量是变化的，以使水与灰泥比例为约1∶1-约9∶1。将由此形成的膏剂注入所需要的模子中，来制备石膏模压品(6英寸直径和半英寸厚度的环)。在半水硫酸钙凝固形成石膏模压品(二水硫酸钙)之后，将该环从模子中移出，并且在112°F(≈44.4℃)下在通风炉中干燥至少24小时或直到其重量不再改变为止。然后用干燥的石膏模压品作EWVV测试，测量其密度、NRC以及干燥收缩。
石膏模压品的密度由测得的体积和重量得到。石膏模压品的收缩由其干燥前后的尺寸差计算得到。石膏模压品的NRC值由标准阻抗管测试(每ASTM过程的ASTM E1042-92)得到。石膏模压品的蒸发的水孔隙率由上述的蒸发的水孔隙率测试得到。
下表1总结了EWVV测试结果，它是三个测试样品的平均值。结果显示有约87％的纯石膏样品(有约13％的杂质)。EWVV值直接随着用于制备凝固石膏嵌合基质的烧石膏的纯度的变化而变化。因此，用具有高纯度的烧石膏意味具有着EWVV值高。用杂质百分数大的烧石膏意味着具有低的EWVV值。在300X放大倍数下分析每一个样品的十个图像，对这十个图像进行上述对EWVV测试的图像分析。总结的测量值是十个图像分析的平均值，基于EWVV测试自身，估计有约+/-5％的实验误差。
表中：
TMP表示三偏磷酸钠；
APP表示多磷酸铵；
PC表示分子量为约500,000的聚(丙烯酸)；和
S表示能够降低铸型凝固石膏的烧石膏混合物的水的表面张力约40dynes/cm的表面活性剂，。
                                           表I
 实施例号   烧石膏gms     水gms   水/烧石膏的比           添加剂，基于烧石膏的干重wt％TMP         APP         PC        S   EWVV
  1     300     300     1     ----     ----     ----   ----   0.509
  2     300     600     2     ----     ----     ----   ----   0.611
  3     300     900     3     0.2     ----     ----   ----   0.741
  4     300     1200     4     0.5     0.5     ----   ----   0.774
  5     300     1500     5     1     1     ----   ----   0.841
  6     300     1800     6     1     ----     0.1   ----   0.845
  7     300     2100     7     1     ----     0.2   0.01   0.848
  8     300     2400     8     1     ----     0.25   0.01   0.874
  9     300     2700     9     1     ----     0.3   0.01   0.882
表I中的数据表明，凝固石膏嵌合基质的水孔隙率随着水与烧石膏比例的变化而变化。尤其是，可以看出凝固石膏组合物的EWVV值随着混合物中水与灰泥的比例的增加而增加，该混合物形成了凝固石膏组合物。数据也表明意想不到的高比例的水与灰泥也可用于制备具有蒸发的水孔隙程度非常高的凝固石膏嵌合基质。从表II可以看出，由于这些组合物的低密度和/或吸收性能，它们是有益的。
表II表明，用各种水与灰泥的比例以及根据本发明的各种增强材料来制备凝固石膏组合物。为了达到对比的目的，也包括了不含有增强材料的凝固石膏组合物。
                                             表II
    测试号     烧石膏gms     水gms     水/烧石膏比                 添加剂基于烧石膏的干重wt％TMP         APP         PC        S   收缩率％   NRC值   密度pcf
    1     300    300     1   ----   ----   ----   ----   0   0.21   54.3
    2     300    600     2   ----   ----   ----   ----   0   0.21   30.6
    3     300    900     3   ----   ----   ----   ----   0.5   0.23   ----
    4     300    900     3   0.1   ----   ----   ----   0   ----   21.4
    5     300    900     3   ----   ----   0.05   ----   0   ----   ----
    6     300    900     3   ----   ----   ----   0.01   0   ----   ----
    7     300   1200     4   ----   ----   ----   ----   2.1   ----   ----
    8     300   1200     4   0.5   ----   ----   ----   0   0.25   17.3
    9     300   1200     4   ----   0.5   ----   ----   0   ----   ----
    10     300   1200     4   ----   ----   0.2   ----   0   ----   ----
    11     300   1200     4   ----   ----   ----   0.02   0   ----   ----
    12     300   1500     5   ----   ----   ----   ----   5.8   ----   ----
    13     300   1500     5   0.5   0.5   ----   ----   0   0.3   13.5
    14     300   1500     5   ----   ----   0.2   ----   0   ----   ----
    15     300   1500     5   ----   ----   ----   0.05   0   ----   ----
    16     300   1800     6   ----   ----   ----   ----   31.1   ----   ----
    17     300   1800     6   1.0   1.0   ----   ----   0   0.34   11.5
    18     300   1800     6   ----   ----   0.3   ----   0   ----   ----
    19     300   1800     6   ----   ----   0.2   0.05   0   ----   ----
    20     300   2100     7   ----   ----   ----   ----   51.3   ----   ----
    21     300   2100     7   1.0   1.0   ----   ----   2.5   ----   ----
    22     300   2100     7   0.5   ----   0.2   0.02   0   0.39   11.3
    23     300   2400     8   ----   ----   ----   ----   56.7   ----   ----
    24     300   2400     8   0.5   ----   0.3   0.05   0   0.48   11.1
    25     300   2400     8   0.5   0.5   0.2   0.01   0   ----   ----
    26     300   2700     9   0.5   ----   0.3   0.05   ----   0.56   ----
    27     300   3000     10   ----   ----   ----   ----   66.7   ----   ----
    28     300   3000     10   0.1   ----   0.3   0.05   0   0.63   ----
表II中的数据进一步表明根据本发明可以制备出低密度凝固石膏组合物。数据还表明，随着用于含水烧石膏混合物(该混合物形成了凝固石膏组合物)中水与灰泥比例的增加，凝固石膏组合物的密度降低了。密度的降低是由于用高比例的水与灰泥制成的凝固石膏组合物中蒸发的水孔隙程度的提高。
数据还表明，测量NRC值可知，提高的吸声性能可由本发明使用高比例的水与灰泥制成的凝固石膏组合物来实现。由于在这些组合物中没有其它有助于吸声的如纸纤维等的吸声添加剂，可以认为表II中给出的NRC值是凝固石膏嵌合基质本身的值。凝固石膏嵌合基质的高的NRC值使制备具有高NRC值的低密度石膏基吸声砖成为可能，并且还可通过选择添加剂和其它本领域已知的提高吸声性能的技术来进一步提高其吸声行为。另外，利用本发明的高NRC的组合物，用更少的纸或其它已知的吸声增强剂并且仍能达到吸声砖的要求或超过工业标准是可能的。
而且，根据本发明用增强材料制得的低密度凝固石膏组合物比不用增强材料制得的低密度凝固石膏组合物更不易收缩。因此，各种尺寸或形状的凝固石膏组合物，包括例如板、吸声砖、护墙板、门芯等，可以制成标准尺寸和公差而无大的收缩和随之而来的损失(如刮磨)。
本文所引用的所有的参考文献，包括专利、专利申请和出版物，它们的全部内容引入本文作为参考。
通过侧重于优选的实施方式对本发明进行了描述，很明显对本领域普通技术人员来说，可以利用优选实施方式的变化形式，这意味着本发明除了具体描述的方式外，可以其它的形式实施。因此，本发明包括所有的包含于所附权利要求定义的精神和范围内的改进。

Claims (21)

1.一种由下面的方法制备的凝固的石膏组合物，该方法的特征在于包括：
制备一种至少由烧石膏、水和增强材料形成的混合物，该增强材料选自三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物、表面活性剂以及它们的结合，其中混合物中存在的水和烧石膏的重量比至少是3∶1；和
将该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏的嵌合基质的条件下。
2.权利要求1的石膏组合物，其特征在于增强材料是三偏磷酸钠或三偏磷酸钠和至少一种具有1000-3000重复单元的多磷酸铵。
3.权利要求1的石膏组合物，其特征在于聚羧基化合物是分子量为200,000道而顿-700,000道而顿的聚丙烯酸。
4.权利要求1的石膏组合物，其特征在于表面活性剂选自乙酰基乙二醇基表面活性剂、含氟表面活性剂、含硅表面活性剂和它们的结合。
5.权利要求1的石膏组合物，其特征在于表面活性剂的特征在于它具有将表面张力减少至40dyne/cm或更低的能力。
6.权利要求1的石膏组合物，其特征在于所述的组合物根据ASTM E1042-92有至少0.4的噪音减少系数。
7.权利要求1的石膏组合物，其特征在于所述的组合物进一步由下述的至少一种形成：纤维状的支柱底板、粘合剂、发泡珍珠岩、淀粉、增强剂和由液体泡沫形成的气孔。
8.权利要求1的石膏组合物，其特征在于用于制备混合物的水和烧石膏的重量比至少是4.5∶1-9∶1。
9.权利要求1的石膏组合物，其特征在于β半水硫酸钙至少占所述烧石膏重量的50％。
10.一种含有石膏板的制品，其特征在于该石膏板包括权利要求1所述的石膏组合物。
11.权利要求10的制品，其特征在于还含有第二个石膏板，并且所述的第二石膏板的密度大于该石膏组合物的密度。
12.权利要求11的制品，其中该第二石膏板有至少20lb/ft3的密度，并且其中石膏组合物有小于201b/ft3的密度。
13.权利要求11的制品，其特征在于还含有墙板纸，其中墙板纸置于第二石膏板上。
14.权利要求11的制品，其特征在于还含有第三个石膏板，并且所述的第三石膏板的密度大于该石膏组合物的密度。
15.权利要求14的制品，其特征在于还含有第二种石膏组合物，并且所述的第二种石膏组合物的密度小于该第二石膏板和第三石膏板的密度。
16.权利要求1的石膏组合物，其特征在于用于形成混合物的增强材料的量约占所述烧石膏重量的0.01％-5％。
17.权利要求1的石膏组合物，其特征在于增强材料是一种三偏磷酸化合物和一种聚羧基化合物，或一种具有500-3000个重复磷酸单元的多磷酸铵和聚羧基化合物。
18.权利要求1的石膏组合物，其特征在于用于制备混合物的水和烧石膏的重量比是3∶1-12∶1。
19.权利要求1的石膏组合物，其特征在于用于制备混合物的水和烧石膏的重量比是5∶1-8∶1。
20.权利要求1的石膏组合物，其特征在于凝固石膏组合物最多收缩2％.
21.一种制备凝固石膏组合物的方法，它包括：
制备一种至少由烧石膏、水和增强材料形成的混合物，该增强材料选自三偏磷酸盐化合物、具有500-3000个重复磷酸盐单元的多磷酸铵、聚羧基化合物、表面活性剂以及它们的结合，其中用于制备该混合物的水和烧石膏的重量比至少是3∶1；和
将该混合物保持在足以使烧石膏形成凝固石膏的嵌合基质的条件下。
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