CN1458912A - 用于石膏板的表面活性剂组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种石膏组合物，组合使用了石膏和水，其含有表面活性剂组合物，其中表面活性剂组合物含有式H(CH2)nOSO3 －M+的烷基硫酸盐，其中：n在6－16之间，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10－11之间，M是一价阳离子。本发明也关于一种用于制造石膏组合物的方法和一种用所述组合物获得的石膏板。本发明进一步关于一种用于制造石膏板的方法。本发明可用于制造减轻的石膏板。

Description

用于石膏板的表面活性剂组合物
本发明涉及一种含有一种表面活性剂组合物的石膏组合物，尤其是用于制造泡沫石膏板，并且涉及一种制造这种使用了表面活性剂组合物的石膏板的方法，以及因此制造的泡沫石膏板。
石膏板是一种用凝固石膏(二水合硫酸钙)制成的预制平行六面体构件，其每一表面覆盖有纸版或纸或无机纤维。从而形成的复合材料表现出良好的机械性能，其表面的薄板既作为增强又作为饰面。
石膏芯板是用石膏浆料制成，石膏浆料主要是通过混合可水合硫酸钙和水形成，如果适当加入传统的掺合物。在本文中，术语“可水合硫酸钙”应当被理解为，无水硫酸钙(无水石膏II或III)或α或β晶形的半水合硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)。这些化合物为本领域技术人员所熟知，它们通常通过煅烧石膏得到。
浆料通过烧石膏的水合作用快速凝固。随后板在干燥器中加热，以除去过量的水。
除了石膏板的机械强度，减轻石膏板是一个基本问题。为了减轻石膏板，一般是通过在石膏浆料中加入泡沫中而将空气引入浆料。
泡沫通常是使用适当的装置通过将空气引入含水表面活性剂溶液中而形成。
为了提高现有的石膏板，尤其是为了获得表现出良好机械强度的具有较低密度的石膏板，关于所得到的石膏板的密度已经进行了许多研究，以使所用的表面活性剂最优化。
出于双重经济利益而期望降低石膏板的密度：首先，可以减轻产品从而有助于其运输；其次，通过降低对石膏的需求可以克服产量限制。这是因为煅烧石膏费时，而且该阶段对于生产线的速率可能是一个限制步骤。除此之外，对于石膏需求的减少可以降低与煅烧相关的生产成本。因此，石膏板密度的降低可以降低运输成本，可以增加生产线速率，同时可以降低生产成本。
用于减轻石膏板的表面活性剂组合物是已知的。因此，在WO9516515中公开了一种基于烷基硫酸盐和烷基醚硫酸盐的表面活性剂组合物。在该组合物中，烷基硫酸盐与烷基二醚硫酸盐或烷基三醚硫酸盐的比率是至少12∶1，优选在30∶1到60∶1之间。
在该文献中指出不期望是单独的烷基硫酸盐。
而且，文献WO 9009495教导了基本上为球形的大气泡可促进石膏板良好的机械强度，只要这些气泡是“不连续的”，即分离且完整的，并且只要它们优选地均匀分布在石膏板的芯板中。这种类型的气泡分布是用含有与下式相应的烷基醚硫酸盐的表面活性剂获得的：
       CH3(CH2)xCH2-(OCH2CH2)y-OSO3M
其中至少90％的x在6-8之间，y的平均值在0.4-1.3之间，M阳是离子，其形成水溶性表面活性剂。这种烷氧基化程度小于1的表面活性剂相当于乙氧基化烷基硫酸盐(烷基醚硫酸盐)的混合物和非乙氧基化烷基硫酸盐的混合物。因此，该组合物含有44wt.％-85wt.％的烷基硫酸盐(y＝0)。
然而，已经证明这种具有均匀分布的大气泡的结构不一定用这种类型的表面活性剂组合物来获得。
US-A-5,643,510公开了一种含有烷基硫酸盐和烷基醚硫酸盐的混合物的表面活性剂组合物，它可以控制气泡的大小。而且，该文献教导了没有使用会形成不稳定泡沫的烷基硫酸盐，这是因为它们7.32g/m2的消耗量对于含有烷基硫酸盐和烷基醚硫酸盐的起泡剂的消耗量而言是过高的消耗量，起泡剂的消耗量的数量级是0.98-2.92g/m2(0.2-0.6磅/1000平方英尺)。正如所描述的，单独使用烷基硫酸盐导致表面活性剂的消耗显著过量。
然而，根据成本，优选使用烷基硫酸盐而不是烷基醚硫酸盐作为表面活性剂。这是因为，尽管烷基硫酸盐可以通过相应脂肪醇的直接硫酸盐化获得，但必须首先进行乙氧基化阶段以得到烷基醚硫酸盐。该阶段不仅昂贵，而且还会导致形成不期望的副产品。
然而，到目前为止，由于烷基硫酸盐的发泡能力不够，所以它们只能与烷基醚硫酸盐一起作为混合物使用。结果是为了获得期望泡沫体积，需要相当高的剂量，这导致了相当大的额外成本。
因此本发明意在解决的问题包括提供一种廉价的表面活性剂，该表面活性剂可以用商业途径获得的产品很容易地制备且表现出强大的发泡能力。
对所形成的泡沫体积和一旦加入到石膏浆料中时的稳定性评价表面活性剂的质量。
就所使用的各种泡沫产生方法而言，表面活性剂的稳健性也构成一个期望性能。
所遇到的另一个问题涉及表面活性剂溶液的可转移性。这是因为常常发生这样的情况，即表面活性剂在一种类型的石膏上产生高度满意的结果，但在使用了不同类型石膏的另一位置仍然令人失望。因此有利的是具有一种可获得的表面活性剂溶液，它可以使对于各种类型的石膏获得类似结果成为可能。
最后，即使石膏板被减轻，石膏板也必须表现出极好的机械特性。
因此本发明的一个主题是一种含有一种表面活性剂组合物的石膏组合物，其解决了这些问题。表面活性剂组合物，不管是二元组合物还是三元组合物，都构成本发明的主题。
因此本发明的主题是一种石膏组合物，组合使用了石膏和水，其含有一种表面活性剂组合物，其中表面活性剂组合物含有式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐，其中n是6-16，烷基硫酸盐组合物中碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子。
术语“nm”，即组合物中的碳原子平均数，应被理解为指表面活性剂组合物中用浓度的重量百分比表示的烷基硫酸盐的n值的总数。根据一个实施方案，nm在10.1-10.7之间。
表面活性剂组合物中碳原子个数n特别优选地在6-14之间。
根据一个实施方案，表面活性剂组合物含有三种烷基硫酸盐。
表面活性剂组合物优选地含有40-90wt.％的癸基硫酸盐。而且，表面活性剂组合物优选地含有0-30wt.％，优选1-25wt.％的辛基硫酸盐。最后，表面活性剂优选地含有10-50wt.％的十二烷基硫酸盐。
根据一个有利的实施方案，一价阳离子M选自钠和铵。
根据本发明的一种尤其有利的表面活性剂含有55-75wt.％的癸基硫酸钠，0-15wt.％的辛基硫酸钠和18-37wt.％的十二烷基硫酸钠。
进一步，表面活性剂组合物可以额外地包括一种螯合剂和/或一种水溶助长剂。
本发明的另一个主题是一种用于制造根据本发明的石膏组合物的方法，包括阶段：
-用石膏和水制备石膏浆料；
-用含有式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐的表面活性剂组合物形成泡沫，
其中n是6-16之间的一个数字，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子，和水；和
-混合石膏浆料和表面活性剂泡沫。
本发明的另一个主题是一种从这样的石膏组合物获得的石膏板。
最后，本发明的最后一个主题涉及一种用于制造石膏板的方法，包括阶段：
-用石膏和水制备石膏浆料；
-用含有式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐的表面活性剂组合物形成泡沫，
其中n是6-16之间的一个数字，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子，和水；和
-混合石膏浆料和表面活性剂泡沫；
-将石膏组合物倾注到外部材料的两层之间；
-干燥石膏板。
根据一个优选的实施方案，石膏组合物如上所定义。
下面将参考附图详细描述本发明的其它特性和优点，其中：
-图1表示用根据本发明的表面活性剂组合物获得的石膏板的微结构的照片，
-图2表示用对比表面活性剂组合物获得的石膏板的微结构的照片。
因此本发明的一个主题是一种含有基于烷基硫酸盐的表面活性剂组合物的石膏组合物，它使得制造表现出良好机械强度的泡沫石膏板成为可能。
根据本发明的石膏组合物含有石膏、水和表面活性剂组合物。而且，它可以包括其它通常使用的添加剂。
正如图1和2所示，正如在截面上观察到的，泡沫石膏板的结构在用传统表面活性剂(从Cognis获得的F1919)获得的板和用根据本发明的组合物(实施例1)获得的板之间明显不同。观察到传统的石膏板结构的特征在于存在小气泡。相反，用含有根据本发明的表面活性剂的石膏组合物获得的石膏板表现出较大的、分离的且完整的气泡。性能不同是石膏板中结构不同的结果。
事实上，已经发现本发明的一个主题的一些烷基硫酸盐组合物没有表现出这些缺点，由于这个原因烷基硫酸盐没有被用作制造石膏板的表面活性剂。一方面，它们表现出非常高的发泡能力，因此不会导致表面活性剂的过量消耗。另一方面，这些组合物可以使获得与石膏浆料相比稳定的泡沫成为可能。因此，将这些泡沫引入石膏浆料中可以使获得具有良好机械性能的泡沫石膏板成为可能。
而且，这样的表面活性剂组合物是稳健的。在本文中，术语“稳健的”应被理解为指这样的一个事实，即表面活性剂组合物可以通过不同的泡沫产生方法形成给定量的泡沫。例如，这样的泡沫产生方法是：韦林氏掺合器(Waring Blender)，用该仪器通过交叉且锋利的刀片的高速搅拌可以形成泡沫；哈密顿仪(Hamilton Beach)，其中搅拌是用轻微齿形的涡轮进行的；或者Ultraturax，具有一个配备有高速旋转的刀片(转片)和侧面开槽(挡板)的涡轮。在工业泡沫产生过程(在串联离心泵中，Babcock-BSH静态发生器，等等)中再次遇到了稳健性。
而且，用根据本发明的表面活性剂组合物形成的泡沫可以使对于用不同类型的石膏制备的石膏板实现重量上的类似减少成为可能。因此，该表面活性剂组合物的优点在于它对于所用石膏的质量相对不敏感。
而且，用表面活性剂组合物形成的泡沫的特性对于温度相对不敏感。因此，当水的温度变化时，所产生的泡沫体积基本上保持不变。
根据本发明的表面活性剂组合物的另一个有利特性是所获得的石膏板的密度恒定性。这是因为已经发现，单独使用烷基硫酸盐导致具有高度易变密度的石膏板。就其本身而言，含有根据本发明的表面活性剂组合物的石膏组合物导致具有恒定密度的石膏板。术语“恒定密度”应被理解为指，密度在板内部及同一批板之间的变化不超过3％，优选2％。而且，已经证明根据本发明的石膏和石膏板的外部薄板之间的粘合质量非常好。
用根据本发明的组合物获得的石膏板具有极好的机械特性。通常根据石膏板芯板的抗挠强度、芯板的硬度、石膏板的球印痕(ballprint)和最终强度来评价石膏板的机械强度。正如在ASTM标准C473-方法B中描述的，石膏板对被埋入0.25英寸钉头的抗性，也称为“起钉抗性”，其具有极大的实际价值。
而且，结果是所获得的石膏板在石膏和外部薄板之间显示出良好的粘合。这特别是由于用根据本发明的表面活性剂组合物获得的气泡的结构。
而且，用于根据本发明的石膏组合物的表面活性剂组合物包括式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐，其中n是6-16之间的一个数字，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子。
该组合物可以容易地通过简单地将C12烷基硫酸盐，如从Cognis获得的Texapon K12-98或者从Kao Corporation SA获得的Emal E30加入到C8和C10烷基硫酸盐(例如Kao Corporation SA出售的Emal A10DE)的混合物中而获得。
与式H(CH2)n-OSO3M对应的烷基硫酸盐通常是通过对应醇的硫酸盐化获得。原则上，由于这些醇容易得到，n通常是偶数。然而，n是奇数的烷基硫酸盐也可以用于本发明的上下文中。
参与组合物的烷基硫酸盐的链优选地含有8-12个碳原子。
表面活性剂组合物可以额外地包括一种水溶助长剂。例如，这样的水溶助长剂是甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、聚乙二醇和聚丙二醇，以及乙二醇单烷基醚、烷基多苷及其混合物。
组合物可以有利地包括一种螯合剂(sequestering agent)或螯合剂(chelating agent)，它可以使镁或钙离子保持在溶液中，尤其是硬水中。例如，这样的螯合剂(sequestering agent)或螯合剂(chelating agent)是羟基羧酸及其盐，醛醣和酮醣，无机络合剂，更特别地是磷酸盐、硼酸盐和多磷酸盐，更特别地是选自乙二胺四乙酸(EDTA)、三乙酸腈(NTA)等等的有机络合剂，和具有包括羟基和/或胺和/或羧酸盐基的聚合物结构的磷酸衍生物。
所获得的泡沫使得就板的重量而言将0.01-0.04wt.％的表面活性剂(以干物质表示)引入石膏板中成为可能。这表示石膏板体积的20-40％的体积。
泡沫石膏板可以进一步有利地包括传统上使用的掺合物，如流化剂、增塑剂、促进剂、淀粉等等。
从下述实施例的观点出发，本发明将更好理解，这些实施例是以例证的方式给出并且没有隐含的限制。
实施例
实施例1
用StLoubès的石膏制备体积为0.1m2且厚度为12.5mm的小型板，其中石膏是用具有如下特性的天然石膏的闪蒸煅烧获得：
-  石膏含量         ：68.8％
-  无水石膏         ：0.90％
-  镁氧             ：3.70％
-  白云石           ：8.80％
-  滑石粉           ：0.80％
-  金云母           ：1.10％
-  微斜长石         ：3.80％
-  石英             ：9.50％
-  天青石           ：0.60％
-  斜绿泥石         ：2.00％
这些板是以下述方式制备：
泡沫是通过在设置为55伏电压的Hamilton Beach型泡沫发生器中用170ml温度为22℃的水将5.25ml含有烷基硫酸钠的组合物的50g/l溶液的混合物搅拌1分钟产生的，其中烷基硫酸钠含有7.7wt.％的C8烷基，73.1wt.％的C10烷基和19.2wt.％的C12烷基，考虑这些成分的摩尔量，平均碳原子数为10.23。随后将泡沫加入到700g温度为50℃的水和1130g温度为22℃的石膏的混合物中。在纸版的两层薄板之间沉淀石膏浆料。装满后除去过量浆料。随后在烘箱中在从100℃到200℃的不断增加的温度下将小型板干燥超过15分钟，然后在从200℃到90℃的不断增加的温度下干燥超过25分钟。
实施例2
根据实施例1制造石膏板，但用相同量的含有84.2wt.％的C10烷基硫酸盐和15.8wt.％的C12烷基硫酸盐的表面活性剂取代实施例1中的表面活性剂组合物。组合物中平均碳原子数nm是10.32。
实施例3
根据实施例1制造石膏板，但用相同量的含有95wt.％的C10烷基硫酸盐和5wt.％的C12烷基硫酸盐的表面活性剂取代实施例1中的表面活性剂组合物。组合物中平均碳原子数nm是10.10。
实施例4
根据实施例1制造石膏板，但用相同量的含有5.5wt.％的C8烷基硫酸盐，83.5wt.％的C10烷基硫酸盐和11wt.％的C12烷基硫酸盐的表面活性剂取代实施例1中的表面活性剂组合物。组合物中平均碳原子数nm是10.10。
实施例5
根据实施例1制造石膏板，但用相同量的含有烷基硫酸盐(AS)和烷基醚硫酸盐(AES)的表面活性剂取代实施例1中的表面活性剂组合物。表面活性剂是由Cognis出售，名为F1919。
实施例6
根据实施例1制造石膏板，但用相同量的含有烷基硫酸盐(AS)和烷基醚硫酸盐(AES)的表面活性剂取代实施例1中的表面活性剂组合物。表面活性剂由Stepan出售，名为α起泡剂(alphafoamer)。
用在给定浓度下能形成的泡沫体积，评价表面活性剂组合物的起泡能力。评价时，用170ml水混合5.5ml的表面活性剂组合物的50g/l溶液。在设置为6000转/分钟的Hamilton Beach搅拌器中将所获得的溶液搅拌1分钟。立刻测量所形成的泡沫体积。结果记录在下述表1中。
一旦干燥到符合French Standard 72-302的恒定重量，称取根据这些实施例制备的板的重量并且确定出这些板每平方米的重量。结果记录在下述表1中。
                     表1
 实施例  nm  泡沫体积(ml)  单位重量(kg/m2)
 1  10.23  760  8.31
 2  10.32  710  8.43
 3  10.1  690  8.78
 4  10.1  730  8.56
 5*  AS+AES  755  8.44
 6*  AS+AES  750  8.75
*对比例
根据本发明的组合物，与烷基硫酸盐的混合物和烷基醚硫酸盐的混合物相比不需要过量，就可以获得类似泡沫体积。所获得泡沫稳定，并且导致石膏板重量的减少，这些石膏板的重量与根据现有技术获得的石膏板的重量相等或更大。实施例1举例说明了根据本发明的表面活性剂组合物的一种优选的实施过程。实施例4和实施例3又证明了这些性能可以超过与二元组合物相比具有相同给定nm的烷基硫酸盐的三元组合物。这是因为不仅三元组合物产生较大量的泡沫，而且所述三元组合物使获得与用具有相同nm的二元组合物获得的板的密度相比具有更低密度的板成为可能。
组合物X、Y和Z相当于下述烷基硫酸盐混合物(wt.％)：
X：25％C8-75％C10
Y：50％C8-50％C10
Z：75％C8-25％C10
这使得可以证明当nm小于10时，对于与表1中实施例的剂量相同的剂量，所产生的泡沫不充分。随后所产生的泡沫不能在板中实现足够水平的重量减少的事实也反映了这一点。在等量的泡沫体积(与实施例3相比的组合物X)，重量的不充分降低证明了所获得的泡沫的不稳定性。这可以从表2中显示的实验结果表现出来。
                         表2
实施例  nm  泡沫体积(ml)  单位重量(kg/m2)
X  9.35  690  9.06
Y  9  685  9.13
Z  8.5  680  9.86
为了评价这些板的机械性能，测量从板上取下的5×5cm2样品的耐压强度。根据NF Standard P72-302测量芯板破坏时的球印痕和负荷(三点弯曲试验)。
根据ASTM Standard C473，Method B测量芯板的硬度。Rc是板的耐压强度与每平方米重量的比率。对于相同厚度的两块板，比率Rc使得比较具有不完全相同重量的板的耐压强度成为可能。这证明了表面活性剂组合物对机械强度特性产生的改进。
依靠根据本发明的组合物所获得的石膏板的所有特性比依靠现有技术的组合物所获得的石膏板的所有特性都优越或者与其相同。
因此，在充分的机械性能上，优选的实施过程相当于导致最大重量减少的实施过程。这是实施例1(与nm为10.23相应的组合物)，其相当于优选的实施过程。
这些测量的结果记录与下述表3中。
                              表3
 实施例  nm  耐压强度(MPa)  球印痕(mm)  芯板硬度(DaN)  起钉(DaN  Rc(Mpam2/kg)
 1  10.23  2.99  19.3  8.6  32.9  0.35
 2  10.32  3.06  19.0  7.8  32.4  0.36
 3  10.1  3.34  18.9  9.8  34.6  0.38
 4  10.1  3.36  18.9  9.4  33.6  0.39
 5*  AS+AES  2.33  20.0  6.9  30.2  0.27
 6*  AS+AES  2.59  19.8  7.6  32.6  0.29
*对比例
而且，所制备的石膏板的特征在于纸版和芯板之间的粘合性的测量。该测量包括将纸版从板上撕下，以及评价纸版从芯板上的剥离百分比。在干燥板上进行干粘合试验。在90％湿度在可控气氛中在30℃下再加湿2小时后，在2小时后进行湿粘合试验。结果记录于下述表4中。
                           表4
 实施例  干粘合(剥离百分比)  2小时后的湿粘合(剥离百分比)
 1  0  5
 2  0  3
 3  0  3
 4  0  3
 5*  12  100
 6*  3  30
*对比例
关于粘合性，在2小时后不管是干粘合还是湿粘合，尤其是关于含有烷基醚硫酸盐的表面活性剂，这些结果证明了根据本发明的组合物的优越性。

Claims (14)

1.一种石膏组合物，组合使用了石膏和水，其含有一种包括了式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐的表面活性剂组合物，其中n是6-16，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中表面活性剂组合物的nm在10.1-10.7之间。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其中表面活性剂组合物含有三种烷基硫酸盐。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中表面活性剂组合物包括40wt.％-90wt.％的癸基硫酸盐。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的组合物，其中表面活性剂组合物包括0wt.％-30wt.％的辛基硫酸盐。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的组合物，其中表面活性剂组合物包括10wt.％-50wt.％的十二烷基硫酸盐。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的组合物，其中M选自钠和铵。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的组合物，其中表面活性剂组合物包括55wt.％-75wt.％的癸基硫酸钠，0-15wt.％的辛基硫酸钠和18-37wt.％的十二烷基硫酸钠。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，表面活性剂组合物额外地包括一种螯合剂。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的组合物，表面活性剂组合物额外地包括一种水溶助长剂。
11.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的石膏组合物的方法，包括阶段：
-用石膏和水制备石膏浆料；
-用含有式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐的表面活性剂组合物形成泡沫，
其中n是6-16之间的一个数字，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子，和水；和
-混合石膏浆料和表面活性剂泡沫。
12.用根据权利要求11所述的石膏组合物获得的石膏板。
13.用于制造石膏板的方法，包括阶段：
-用石膏和水制备石膏浆料；
-用含有式H(CH2)nOSO3 -M+的烷基硫酸盐的表面活性剂组合物形成泡沫，
其中n是6-16之间的一个数字，烷基硫酸盐组合物中的碳原子平均数nm在10-11之间，M是一价阳离子，和水；和
-混合石膏浆料和表面活性剂泡沫；
-将石膏组合物倾注到外部材料的两层之间；
-干燥石膏板。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其中石膏组合物是根据权利要求2-10中任一项定义的。
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