CN1309101A - 生产石膏/木纤维板的二苯甲烷二异氰酸酯的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备改进石膏/木纤维板的方法。也公开了用该方法制备的制品。该方法包括:向硫酸钙材料和纤维素纤维的水浆料中添加二异氰酸酯,特别是二苯甲烷二异氰酸酯(MDI),其中MDI是作为乳液添加的,它们在浆料中是稳定的。该方法进一步包括:使含MDI的浆料通过平板多孔成型表面,形成滤饼;通过多孔表面除去滤饼中的大部分水;将滤饼压制成板并除去额外的水;和干燥板除去残存的游离水。
Description
本发明涉及改进复合材料；更具体地说，涉及物理性能得到改进的复合石膏/纤维素纤维材料，这种材料尤其可用于制备建筑制品。本发明特别涉及浸渍二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)的石膏/木纤维建筑板，在制板过程中，通过向石膏和木纤维中添加MDI乳液提高物理特性。
石膏(CaSO4·2H2O)具备的某些特性使其特别适合于制备工业制品和建筑制品；尤其是石膏墙板。石膏非常丰富并且通常是一种廉价原料，通过脱水作用和再水化作用，可将它们浇铸、模制或用其他方法制成有用的形状。它们也具有不燃性，当将它们置于潮湿环境中时尺寸相对稳定。但是，因为它们是易碎的结晶材料，抗拉强度和抗弯曲强度较低，所以其应用通常仅限于非结构、非承重和非吸收冲击的领域。
石膏墙板；即也称作石膏板或干饰面内墙(drywall)，由多层纸覆盖板之间夹层的再水化石膏芯构成，并大量用作内墙和天花板。因为石膏芯的易碎性和钉、螺丝夹持特性差，常规的干饰面内墙本身不能承载悬挂重物的荷重或吸收较大的冲击。因此，长期以来人们力求改进石膏墙板和建筑制品的抗拉、抗弯曲强度、钉和螺丝夹持强度以及抗冲击特性，并且目前也仍然是人们所迫切寻求的。
另一种易于买到和得到的材料是木素纤维材料，特别是木纤维和纸纤维，它们也广泛地应用于建筑制品行业。例如，除了木材外，刨花板、纤维板、糯米纸板、胶合板和Ahard@板(高密纤维板)是建筑工业中使用的一些木素纤维材料加工制品。这类材料的抗拉强度和抗弯强度要比石膏墙板优越。但是，它们的成本一般较高，防火性差，低密制品的强度不算太高。因此，也需要改善由纤维素材料制成的建筑制品的限制用途的特性。
USP5817262和5320677详细描述了结合石膏和纤维素纤维，尤其是木纤维有益特性的早期尝试，将这两项专利引入本文作为参考，并且它们被转让给了美国石膏公司。本发明的一个目的是改进USP5817262和5320677的技术，并且提供一种石膏/木纤维板(GWF)制品，这种制品具有改进的强度、抗冲击性、抗螺丝、钉拨出和尺寸稳定性。
制备复合GWF材料的一般方法以及根据USP5817262和5320677专利的教导是首先将约0.5-30％重量，优选3-20％重量的木纤维与相应磨碎的补充材料--未煅烧的石膏混合。将干混合物与足够量的液体，优选水混合，制成含水量约为70-95％重量的稀浆料。在加压容器，例如高压釜中处理浆料，处理温度为约285-305°F，使石膏足以转变成针状的CaSO4·1/2H2O晶体。需要连续地搅拌浆料，通过适度地搅拌或混合以打开任何纤维团，并使所有的颗粒悬浮在悬浮液中。在半水合物已经形成和已经从溶液中沉淀出半水合物晶体后，当浆料从高压釜中排出时，释放施加在产品浆料上的压力。此时向浆料中添加任何其他所需的添加剂。趁浆料仍热时，将其加入到料箱(head box)中，料箱再把浆料分布到多孔的毡制输送器(felting conveyor)上。在输送器上，浆料借助于真空泵的作用脱水，通过毡制输送器抽出水，在输送器的表面上形成滤饼。靠真空泵可除去滤饼中多达90％的未结合水。加热浆料的温度保持在高于约160°F的温度，直到已经基本上脱水，并将其湿压成板。由于除去了水，滤饼被冷却到再水化可以开始的温度。但是，仍然需要进行外部冷却，以使温度低到在可接受的时间内足以实现再水化的温度。
在彻底进行再水化之前，优选将滤饼湿压成所需厚度和/或密度的板。如果要使板具备特殊的表面结构或层压表面光度，那么最好在该处理步骤期间或处理步骤之后进行。在为确保制品的完整性，优选逐渐增加压力的湿压期间，有两种情况发生：(1)除去了另外的水，例如约50-60％的剩余水；和(2)由于除去了另外的水，滤饼被进一步冷却到迅速发生再水化的温度。CaSO4·1/2H2O水化成石膏，在木纤维内和木纤维周围针状CaSO4·1/2H2O晶体就地转变成石膏晶体。再水化完成后，如果需要的话，可切割和修整板材，然后置于窑中干燥。理想地，应保持较低的干燥温度，以避免在任何石膏的表面上发生再煅烧。
过去，GWF制品取决于作为唯一内部粘合剂的石膏。当使用石膏作为唯一芯粘合剂时，对于高密GWF制品例如55-pcf(磅/英尺3)外模板(exterior sheathing)和65-pcf衬底制品表现出极好的工作性，但是，对于低密板来说强度就不够高。特别是仅含石膏的GWF制品对于诸如家具部件和其他木基应用的关键性低密制品而言，其抗弯强度和刚度不够高。于是，人们已经开始寻找改进GWF制品物理特性的方法。
从二十世纪80年代初期开始，人们可以从市场上买到异氰酸酯的水分散液。人们根据特定二异氰酸酯MDI的用途，用这些分散液中的一种代替常规的酚甲醛树脂，将它们用作刨花板和定向钢绞绳板(OSB)的粘合剂。就MDI应用于GWF制品而言，这里描述的MDI乳液体系具有许多的优点，它们比用石膏作粘合剂优越。MDI是一种热固树脂，能与纤维素纤维中的两个羟基形成化学键以及通过异氰酸酯基团与水反应本身发生交联。如果需要的话，通过适当地使用催化剂，能够择优地催化这些反应中的任何一个反应。MDI也是一种抗潮湿和抗湿度的物质，如果在GWF板中适当地使用MDI，就能使该板具有改进的物理特性，例如改进的抗弯强度和抗拉强度、抗钉和螺丝拔出和抗冲击性。
添加到GWF浆料中的任何粘合剂例如MDI必需满足下列两个条件：(1)它们在料箱的温度和化学条件下必须是稳定的，和(2)粘合剂必须保持在基础底板中(basemat)。这些要求阻碍了先前将MDI掺入到GWF制品中的尝试。
早期不成功的尝试已经迫使人们使用纯MDI作为GWF制品的芯添加剂，其用量低，约占浆料总固含量的2％重量。在早期尝试中，纯MDI立即与料箱中的水发生反应，聚合成褐色的聚合材料，导致保持在GWF基础底板中的MDI以局部聚脲固体的形式存在。早期尝试中的这种即刻反应和局部化是令人讨厌的，这是因为MDI不起粘合剂的作用，而是包含在制品的芯中起惰性填料作用。在这种情况下，MDI不会提高GWF制品的强度。试验还表明：使用MDI和水的预混合物导致同样的失望结果，因为其稳定性极其有限。
在GWF加工中成功地运用MDI取决于MDI在料箱中是否稳定，以便在制板过程中，它们在一段时间后发生聚合，并且还取决于保持在滤饼或基础底板中的MDI。更具体地说，任何MDI添加剂在约180-205F的料箱温度下必须是稳定的，并且在浆料的离子环境中也是稳定的。浆料中的石膏和各种添加剂产生大量的多价阳离子。由于石膏的溶解性，存在的Ca2+离子浓度约为1800ppm。根据所使用的各种添加剂，可以有Al3+或K+离子存在。Al3+离子的典型浓度为900ppm，但是可以高达9000ppm。Al3+一般是由促凝剂明矾Al2(SO3)4产生的。K+离子的典型浓度为4500ppm，并且是由促凝剂硫酸钾K2SO4产生的。因此，理想的是用乳化剂或表面活性剂稳定MDI。因为MDI不是水溶性的，所以还要使用稳定化的表面活性剂。
在典型的乳液中，在高剪切下将水、MDI和合适的表面活性剂混合，以便使MDI以小滴的形式分散在水中。经混合赋予该系统的能量很大程度上控制形成的乳液的颗粒大小。在无合适的表面活性剂存在时，例如在MDI预混合物的情况下，在水中的MDI颗粒分散液将逐渐分成两个明显的相。表面活性剂的作用是通过稳定单个MDI颗粒防止这种相分离。在微观水平上，表面活性剂向MDI/水界面迁移，在该界面上形成一个层，其亲水部分朝外地指向水溶液，其疏水部分定向地与MDI液滴表面相邻。在这种情况下，表面活性剂可表现出与基质颗粒氢键键合，于是，当水被排掉时，它们保留在基础底板中，而不是随水一起被虹吸掉。除了氢键键合外，用石膏和基质颗粒机械捕集MDI也促进了MDI在基础底板中的高滞留。
表面活性剂一般被分成三类，非离子、阳离子和阴离子型表面活性剂。每一类表面活性剂都有一些优点和缺点，它们可以稳定什么材料，它们在高温下是如何起反应的，以及它们在电解质例如Ca2+、Al3+或K+离子的存在下是如何起反应的，而这些离子是在GWF配料时存在的。正如本领域熟练技术人员将认识到的，下面是三类表面活性剂适用性的极一般的规则。
一般来说，非离子表面活性剂比较不适合于高温环境，例如料箱中的温度。在这种环境中，表面活性剂的氧乙烯链(EO)本身易于卷曲。在这些条件下，它们不能起乳液稳定剂的作用。为了增加热稳定性，需要增加表面活性剂的疏水/疏脂平衡(HLB)值。非离子表面活性剂一般不受存在的电解质的影响，例如在GWF配料中可能存在的电解质。
阴离子表面活性剂一般不受高温的影响，达到了适合于料箱中温度的程度。但是，某些阴离子表面活性剂受到多价阳离子的不利影响，多价阳离子易于与阴离子部位键合。
阳离子表面活性剂一般既不受高温的影响，也不受存在的电解质的影响，因此，它们适合于处理GWF。但是，许多阳离子表面活性剂会含有少量的未反应的伯胺和仲胺，它们会催化MDI与水发生反应。这种副反应并不是令人所期望的，因为它们将导致局部形成脲聚合物团块，从而有害于最终制品的强度。未反应的伯胺和仲胺可通过加入添加剂例如路易斯酸除去。
人们还描述了表面活性剂是如何起作用的。外部表面活性剂不与MDI和水溶液中的任一相起反应，而是简单地存在于两相的界面处。其在界面的存在是一种动力学过程，表面活性剂分子连续不断地离开界面抵达本体溶液，以及从本体溶液抵达该界面。
如果使用外部乳化剂，MDI的耐久性要求MDI乳液使用高HLB的非离子型乳化剂。众所周知，相变型温度(PIT)直接随表面活性剂的HLB的改变而发生改变。因此，高HLB乳化剂使形成的外部稳定的乳液具有更高的热稳定性，于是，HLB值是表面活性剂的大体适用性的最好的第一手指标。另外，已经表明：可将阳离子乳化剂与高HLB非离子表面活性剂结合使用，以获得合适的热和电解质稳定性，而不存在单独使用阳离子乳化剂时的不良作用。
内部表面活性剂含有官能团，从而实际上与分散相发生化学反应。在内部稳定化的乳液中，氧乙烯链化学连接到MDI骨架上。通过改变氧乙烯链的分子量(即改变链上的EO基团的数量)，可以调整分子的Aeffective@HLB。
如果使用内部乳化剂，MDI的耐久性再次要求MDI乳液使用高HLB非离子乳化剂。正如上文讨论的，改变氧乙烯链的分子量可以调整HLB。因为相变型温度(PIT)直接随表面活性剂的HLB而发生改变，所以采用较多EO基团实现的高HLB可使得形成的内部稳定的乳液具有更高的热稳定性。
因为各种类型的表面活性剂具有不同的特性，所以必须发现一种单一的表面活性剂或表面活性剂的组合来稳定乳液，以使其具有所需的热和电解质稳定性。
本发明的一个主要目的是提供一种物理特性得到改进的石膏和纤维建筑板，它们是通过使石膏和其他具有较高强度的物质，例如木纤维组合制备的，并且在整个所述的板中分散有MDI粘合剂以获得更坚固的建筑制品。
本发明促进了二异氰酯化学物质MDI的应用，在任何易于从市场上买到的二异氰酸酯中，MDI具有的分子量最高，具有的蒸汽压最低。结果，在生产环境中使用MDI时，它们对环境相当友好并且较安全。这种异氰酸酯的所述特定用途也优于其他的二异氰酸酯化学物质例如甲苯二异氰酸酯(TDI)，与其它市售异氰酸酯相比，它可形成最硬的聚合物。加入硬质粘合剂是有利的，因为它们会使制品具有很好的抗弯强度，生产出硬质和刚性制品。
本发明的相关目的是提供一种这种石膏复合建筑板的生产方法，其中向CaSO4·1/2H2O和其他的诸如木纤维的高强物质的加热浆料中添加MDI，使所述加热的含MDI的浆料通过多孔平板成型平面，例如毡制输送器，制成有形的滤饼，将该滤饼进一步加工成石膏板制品。
本发明一个更具体的目的是提供一种无纸墙板，这种墙板具有均匀优越的强度，包括抗钉和螺丝拔出，穿过该板时发生膨胀并且尺寸更稳定，防火以及能够以实际成本生产。
按照本发明，最理想地是通过向CaSO4·1/2H2O材料的热稀浆料中添加MDI乳液实现本发明的主要目的，所述材料已经将它们在下列条件下煅烧：产生贯穿于其增强材料基质颗粒空隙中和周围的针状α半水合物晶体，并且使浆料通过多孔平板成型表面制成滤饼，脱水并使损失的MDI最小。在半水合物完全再水化成石膏前将滤饼压制成板，之后将板进行干燥，在乳液消失时，使MDI与残余水和纤维素纤维发生反应，并本身发生聚合。
本文使用的术语“石膏”是指稳定的二水合物状态的硫酸钙，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的矿物、合成产生的等同物、水化CaSO4·1/2H2O(灰泥(stucco))或无水硫酸钙形成的二水合物材料。本文使用的术语“硫酸钙材料”是指任何形式的硫酸钙，即无水硫酸钙、CaSO4·1/2H2O、CaSO4·2H2O和它们的混合物。
术语“基质颗粒”是指除石膏之外的物质的任何宏观颗粒，例如纤维、碎片或薄片。该颗粒一般难溶于浆液中，在其内部还应该有可达到的孔隙；无论是孔、裂纹、裂缝、空心还是其他的表面缺陷，它们均可以被浆料溶剂渗透，并在其中形成CaSO4·2H2O晶体。如果在颗粒的适当位置有孔隙存在就最好。大量的空隙和整个颗粒上孔隙的大量分布将改善物理结合以及增强MDI、石膏和基质颗粒间几何上的稳定键合。基质颗粒应该具有石膏所缺乏的物理特性，例如良好的抗拉性和抗弯强度。特别适合于本文所述方法和材料的纤维实例是纤维素纤维，特别是木素纤维素纤维例如木纤维。因此，无意对可用作“基质颗粒”的材料和/或颗粒进行限制，为方便起见，在下文中经常用木纤维来代替更广义的术语。
本文使用的术语“MDI乳液”是指MDI的水乳液，它们在GWF浆料中是稳定的，在该条件下保持了其中的CaSO4·1/2H2O晶体。
基本方法是首先使未经煅烧的石膏和基质颗粒(例如木纤维或纸纤维)与水混合形成含水稀浆料。石膏源可以采用原矿，也可以采用燃料气体脱硫化或磷酸法的副产品。石膏的纯度应该较高，即优选地至少为约92-96％，并且被磨细。可以使用大颗粒，但是会延长转变时间。石膏可以以干粉的形式加入，也可以经由含水浆料加入。
基质颗粒优选为纤维素纤维，它们可以来自废纸、木纸浆、木片、和/或其他的植物纤维源。优选使用100％纸纤维，但是也可以使用各种纤维的混合物，例如25％重量纸纤维和75％重量云衫纤维的混合物。优选地，植物纤维是多孔、空心、开裂的或具有粗糙的表面，以便其物理几何结构提供可达到的裂缝或孔隙，这些裂缝或孔隙用于容纳溶解硫酸钙的渗透。
根据纤维例如木纸浆的来源，还可在处理前散开纤维团，将其分成尺寸过大材料和尺寸过小材料，在某些情况下，预提取出阻强材料和/或污染物，例如会对石膏的煅烧产生不利影响的半纤维素或乙酸。
将研磨过的石膏和木纤维与足够量的水混合制成固含量约为5-30％重量的浆料，而固含量约为10-20％重量的浆料是优选的。浆料中的固体应该包括约0.5-30％重量的木纤维，优选约10％重量木纤维，其余的主要是石膏。
转变成半水合物
将浆料加料到压力容器，例如高压釜中，所述容器配有连续搅拌装置或混合装置。如有需要，在此时可向浆料中添加结晶改性剂，例如有机酸，以促进或延迟结晶或降低煅烧温度。向容器中注入蒸汽，使容器的内部温度升至自压下的约212°F(100℃)至约350°F(177℃)。温度下限差不多是实际操作的最低温度，在该温度下，操作生产线上在合理的时间内水合硫酸钙可被煅烧成半水合物状态。温度上限大约是煅烧半水合物的最高温度，在该温度下没有过度锻烧使CaSO4·1/2H2O转变成无水硫酸钙的危险。高压釜的温度优选约为285°F(140℃)-305°F(152℃)。
当在这些条件下处理浆料足够的时间，优选15分钟后，排出足够多的水以使CaSO4·2H2O晶体转变成针状半水合物晶体。借助于连续的搅拌使颗粒悬浮在悬浮液中，溶液润湿和渗透基质纤维的开口孔隙。当溶液达到饱和时，半水合物成核并在空隙内、空隙上和空隙周围以及沿着基质纤维壁开始形成晶体。
确信在高压釜中进行处理时，溶解的硫酸钙渗透到木纤维的空隙中，接着以针状半水合物晶体的形式沉淀在木纤维的空隙内、空隙上和空隙的周围以及木纤维的表面上。当转变完成后，降低高压釜的压力，添加所需的常规添加剂和MDI乳液，常规添加剂包括促凝剂、缓凝剂、保存剂、阻燃剂和强度增强剂，它们一般是在料箱中或刚好在进入料箱前加入的，然后从料箱中卸出浆料，输送到脱水输送器上。
MDI
在从高压釜中卸出浆料后，最好在马上进入料箱前添加MDI乳液，以便在形成滤饼和脱水步骤之前使MDI有足够的时间与浆料进行彻底的混合。添加MDI乳液时浆料的温度对所选择的具体乳液来说是关键。也就是说，必须配制这样的MDI乳液使得其在MDI乳液与石膏木纤维浆料混合时浆料的特定温度下是稳定的。MDI乳液在浆料中诸如促凝剂类的添加剂存在下必须是稳定的。不仅当被添加到浆料中时MDI乳液必须具有稳定性，而且在脱水和制板步骤的整个过程中都要保持稳定。最重要的是，在脱水过程中，在滤饼中应有足够比例的MDI存在。在有足够的滞留量的情形下，当添加到浆料中的MDI乳液的量足以使按浆料总固含量计至少有约3％重量的MDI存在时，会明显地提高物理特性。为实现更大的改善，优选使用约2-14％重量的MDI。优选的MDI是Mondur1441，由Bayer公司生产。
乳化剂
下列实施例描述了各种MDI乳液的制备方法，它们可在本发明公开的方法中使用，使GWF板具有改进的物理特性，但是应该清楚：这些是实施例，采用合适的变化方法可以制备物理特性得到改进的许多其他石膏木纤维制品。
优选的非离子型乳化剂是一种HLB值超过20的嵌段多元醇，具有合适的热稳定性。特别地，Macol27(一种HLB值为22的嵌段多元醇，由PPG工业公司生产)是一种优选的非离子外部乳化剂。
优选的外部乳液
优选的外部稳定的MDI乳液是一种Macol27稳定的Mondur1441乳液制备物(20.0％活性)。该乳液含有：
水 7960.8克
Mondur1441 MDI 1990.2克
Macol27(100％活性) 79.6克
该制备物所含的表面活性剂量按MDI重量计为4.0％活性表面活性剂。通过添加去离子水和Macol27制成稳定的乳液，Macol27是一种白色粉末。搅拌混合物大约10分钟，使Macol27溶解。随着剧烈机械搅拌，将MDI缓慢地添加到混合物中，形成稳定的乳液。
作为可供选择的另一种制备物，可以将诸如脂肪酸季胺(由Wilmington,Delaware的ICI Americas股份有限公司销售，名称为G-265)的阳离子乳化剂加入到Macol27中，添加比例为1份G-265对应于14份Macol27。
优选的内部乳液
优选的内部稳定的MDI乳液是在60℃(140°F)下与MDI Mondur1441混合的Union Carbide Carbowax5000制备物。Carbowax5000产品是一种甲氧基聚乙二醇，其平均分子量为5000(n=113)。该乳液含有下列成分：
Mondur1441 MDI 2000.00克
Carbowax5000(100％活性) 120.00克
该制备物含有按MDI重量计6.0％重量的聚乙二醇(PEG)。该稳定乳液通过向合适的混合容器中添加Mondur1441和Carbowax5000薄片制备。借助于机械装置例如搅拌棒连续地搅拌Carbowax5000和MDI，并加热到140°F180分钟，使Carbowax5000完全地溶解。冷却溶液至室温，以减弱MDI与水之间发生的反应。在快速的机械搅拌下，在合适容器中向7960克脱离子水中添加1990.2克Carbowax5000和MDI混合物，制成稳定的水乳液。
向浆料中添加乳液
一旦制成稳定的MDI乳液，就在浆料刚要进入料箱之前将它们加入到浆料中，典型地是加入到将浆料从高压釜输送到料箱的管道中。在管道内可以设置本领域技术人员熟知的机械搅拌装置，从而有助于将乳液混入浆料中。
脱水
使热的含MDI的浆料通过料箱，借助于该料箱将浆料分布在平板多孔的成型表面上，制成滤饼。当浆料从高压釜中卸出时通过蒸发并借助于水靠浆料的自重通过多孔成型表面使滤饼脱水，优选地借助于真空进行脱水。尽管因脱水导致滤饼冷却，但是在制品浆料的温度仍然较高时并且在半水合物转变成石膏之前应尽可能多地除去水。在脱水装置中除去多达90％的浆料中的水，使滤饼的水含量约为35％重量。在该阶段，滤饼由木纤维组成，木纤维由可再水化的CaSO4·1/2H2O晶体连结，并且仍可将它们破碎成单个的复合纤维或颗粒、成形、浇铸或密实成较高的密度。
滤饼的形成和滤饼的脱水最好采用US5320677所描述的类型的造纸设备进行，该专利并入本发明作为本发明公开的一部分。
压制和再水化
湿压脱水滤饼几分钟，进一步降低水含量，并将滤饼压制成所需形状、厚度和/或密度。尽管脱水步骤中排出的大量水会明显降低滤饼的温度，但是在适当的时间内为达到所要求的含量可以进行另外的外部冷却。理想地，将滤饼的温度降低到约120°F(49℃)以下，以便可以进行较快的再水化。在物理连结木纤维的地方，将α半水合物晶体再水化和再结晶成针状石膏晶体。
根据浆料中存在的促凝剂、缓凝剂、晶体改性剂或其他的添加剂，水化时间可以是从仅几分钟到1小时或1小时以上。因为针状半水合物晶体与木纤维的连结和大部分载液从滤饼中的除去，避免了硫酸钙的迁移，使它们均匀地分布在复合材料中。再水化的结果是使半水合物晶体就地(即在木纤维的空隙内和周围)再结晶成二水合物晶体，由此确保了复合材料的均匀性。晶体生长也连接了在相邻的纤维上的硫酸钙晶体，形成完整的结晶块，通过增强木纤维提高了其强度。
当水化完成时，理想的是迅速地干燥复合材料块，以除去残存的游离水。否则吸湿性木纤维易于保留、甚至是吸附未结合的水，而该未结合水是后期将要蒸发掉的。如果硫酸钙涂层在额外的水被排出之前就完全凝固，那么纤维会收缩，当未结合水被蒸发掉时，它们与石膏脱开。因此，为了获得理想的结果，最好在温度降低到水化开始的温度以下之前尽可能地除去复合材料块中尽可能多的过量游离水。
干燥
为了使最终制品中的游离水的含量降低到约0.5％或更少，随后在较高的温度下对压制板进行迅速地干燥，压制板通常含约30％重量的游离水。干燥温度不应超过200°F(93℃)，若高于该温度，石膏会被煅烧。可对凝固和干燥的板进行切割，再加工成所需的规格。
当最终凝固后，独有的复合材料表现出其所有组分所赋予的所需特性。木纤维增加了石膏基体的强度，特别是抗弯强度，而石膏起涂层和粘合剂的作用，保护木纤维，使其防火并降低因湿度引起的膨胀。MDI改善了材料的抗拉强度和抗弯强度以及改善了抗冲击强度和抗钉和螺丝拔出。
结果
下表概括了采用上述实施例1和2描述的内部和外部乳液实现的GWF墙板的强度增加。“MD”是指在机器方向上沿其最长的方向切割和分析试样。“ACMD”是指与机器方向垂直沿其最长的方向切割试样。诸如所表明的，MDI的添加量按浆料中总固含量的重量计为3％或6％。
在MDI的添加量为3％时，观察到比强度增加51％(内部乳化剂)和31％(外部乳化剂)。在MDI的添加量为6％时，观察到比强度增加57％(内部乳化剂)和10％(外部乳化剂)。MDI％ 密度(pcf) MOR(pci) 比强度(psi)对照值(0％MDI)MD 41.5 434 652
CMD 36.6 415 7083.00％(内部) MD 43.4 718 1031
CMD 38.7 667 10296.00％(内部) MD 45.4 718 987
CMD 41.1 760 11543.00％(外部) MD 43.5 718 851
CMD 38.7 667 9346.00％(外部) MD 41.4 446 673
CMD 39.8 533 835
本发明的表现形式和本文的描述仅仅是为了详细说明。很显然，在不违背本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下，本领域熟练技术人可对其作各种改变。
Claims (46)
1．一种复合材料的制备方法，包括：
将磨碎的石膏与增强材料的基质颗粒和足够量的液体混合制备稀浆料，该浆料含至少约70％重量的液体；在基质颗粒的存在下，通过在压力下加热稀浆料煅烧石膏，形成针状硫酸钙α半水合物晶体；向浆料中混入稳定的二异氰酸酯；和在半水合物再水化成石膏之前从煅烧石膏和基质颗粒中分离出大部分的液体。
2．根据权利要求1的方法，其中二异氰酸酯是二苯甲烷二异氰酸酯。
3．根据权利要求2的方法，其中将二苯甲烷二异氰酸酯稳定为水乳液。
4．根据权利要求2的方法，其中采用含非离子乳化剂的水乳液稳定二苯甲烷二异氰酸酯。
5．根据权利要求4的方法，其中非离子乳化剂是嵌段多元醇。
6．根据权利要求5的方法，其中嵌段多元醇具有的疏水/疏脂平衡值大于或等于20.0。
7．根据权利要求5的方法，其中嵌段多元醇是通过向低分子有机化合物中顺序加入两种或多种氧化烯制备的。
8．根据权利要求4的方法，其中以足够乳化二苯甲烷二异氰酸酯的量添加非离子乳化剂。
9．根据权利要求7的方法，其中嵌段多元醇存在的比例使得构成的表面活性剂，按二苯甲烷二异氰酸酯的重量计为4.0％。
10．根据权利要求4的方法，其中水乳液含有阳离子乳化剂。
11．根据权利要求10的方法，其中阳离子乳化剂是季盐型表面活性剂。
12．根据权利要求11的方法，其中阳离子乳化剂是脂肪季铵衍生物。
13．根据权利要求12的方法，其中阳离子乳化剂存在的量是每14份非离子乳化剂对应于1份阳离子乳化剂。
14．根据权利要求5的方法，其中嵌段多元醇是甲氧基聚乙二醇。
15．根据权利要求14的方法，其中甲氧基聚乙二醇构成聚乙二醇的含量按二苯甲烷二异氰酸酯的重量计为6.0％。
16．根据权利要求14的方法，其中甲氧基聚乙二醇的量足够乳化二苯甲烷二异氰酸酯。
17．一种复合材料的制备方法，包括：
将磨碎的石膏和大量的基质颗粒与水一起混合形成浆料，所述的基质颗粒一般难溶于所述水中并且具有可被含有所述石膏的浆料溶剂渗透的空隙并且所述浆料足够稀从而使所述的基质颗粒被浆料中的溶剂润湿，当在压力下加热时利于针状硫酸钙α半水合物晶体生长；在压力下加热浆料至足以将石膏煅烧成CaSO4·1/2H2O的温度；保持浆料的温度和压力，同时使硫酸钙分子成核并在基质颗粒的空隙内和周围就地形成晶体；释放压力，将粘合剂混入到浆料中；脱除浆料中的水制成脱水的固体；和干燥脱水的固体，从而基本上除去所有残存的游离水并稳定硫酸钙。
18．根据权利要求17的方法，其中粘合剂是二异氰酸酯。
19．根据权利要求18的方法，其中二异氰酸酯是二苯甲烷二异氰酸酯。
20．根据权利要求19的方法，其中二苯甲烷二异氰酸酯稳定在通过添加至少一种表面活性剂而产生的乳液中。
21．根据权利要求20的方法，其中乳液在钙、铝、钾、或硫酸根离子的存在下是稳定的。
22．根据权利要求20的方法，其中乳液在180-205°F的温度下是稳定的。
23．根据权利要求20的方法，其中通过机械捕集使二苯甲烷二异氰酸酯保留在脱水固体中。
24．根据权利要求17的方法，其中二苯甲烷二异氰酸酯是均匀地分散在脱水固体中的。
25．根据权利要求20的方法，其中表面活性剂是离子表面活性剂，其含量足以乳化二苯甲烷二异氰酸酯。
26．根据权利要求20的方法，其中构成表面活性剂的量按二苯甲烷二异氰酸酯的重量计为4.0％。
27．根据权利要求20的方法，其中表面活性剂是阳离子型表面活性剂。
28．根据权利要求27的方法，其中表面活性剂是脂肪季铵衍生物。
29．根据权利要求19的方法，其中MDI是通过含有至少一种非离子型和阳离子型表面活性剂的混合物稳定的。
30．根据权利要求29的方法，其中混合物含有嵌段多元醇和脂肪季铵衍生物。
31．根据权利要求30的方法，其中混合物是1份的脂肪季铵衍生物对14份嵌段多元醇。
32．一种复合材料，包含：非石膏材料的基质颗粒，并且在其表面上和主体部分内具有空隙；至少一部分在基质颗粒的空隙内和周围就地形成的针状石膏晶体，形成的硫酸钙结晶基质与基质颗粒物理地连结；和将基质颗粒彼此连结在一起的聚合的二异氰酸酯粘合剂。
33．根据权利要求32的复合材料，其中二异氰酸酯粘合剂是均匀分布在复合材料中的。
34．根据权利要求33的复合材料，其中二异氰酸酯粘合剂是二苯甲烷二异氰酸酯。
35．根据权利要求34的复合材料，其中二苯甲烷二异氰酸酯使最终制品的抗拉强度和抗弯强度至少增加了30％。
36．根据权利要求34的复合材料，其中基质颗粒是纤维素物质。
37．根据权利要求36的复合材料制品，其中纤维素物质是木纤维或纸纤维。
38．根据权利要求33的复合材料制品，其中制品具有的密度为38-45pcf。
39．一种复合材料板的制备方法，包括：将磨碎的石膏和基质颗粒与足够的水一起混合形成浆料，所述的基质颗粒具有可被含有所述石膏的浆料溶剂渗透的渗透空隙，并且所述浆料足够稀从而可以基本上润湿基质颗粒中的可渗透空隙，并且在压力下加热时有利于针状硫酸钙α半水合物晶体的形成；在压力容器中加热浆料至足以将石膏煅烧成硫酸钙α半水合物的温度，搅拌浆料，并保持浆料的温度直到至少部分的硫酸钙半水合物基本上结晶渗透基质颗粒的空隙；向浆料中添加二异氰酸酯；将加热的浆料卸到平板多孔的成型表面上，除去浆料中的大部分水形成滤饼；压制滤饼形成板，并在板的温度降低到硫酸钙半水合物将再水化成石膏的温度之前除去额外的水；冷却板至低于再水化温度，使硫酸钙半水合物再水化成石膏；并且干燥板，除去残存的游离水。
40．根据权利要求39的方法，其中二异氰酸酯是二苯甲烷二异氰酸酯。
41．根据权利要求40的方法，其中二苯甲烷二异氰酸酯是作为一种乳液添加到浆料中的。
42．根据权利要求41的方法，其中采用至少一种非离子型表面活性剂制备二苯甲烷二异氰酸酯乳液，所述的表面活性剂在浆料中是稳定的。
43．根据权利要求42的方法，其中表面活性剂保留在滤饼中。
44．根据权利要求43的方法，其中表面活性剂通过氢键保留在滤饼中。
45．根据权利要求42的方法，其中非离子型表面活性剂是嵌段多元醇。
46．根据权利要求42的方法，其中非离子表面活性剂是甲氧基聚乙二醇。
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