JP2005521623A - スプレー可能で機械加工可能な媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】機械加工可能なプラスター組成を提供する。
【解決手段】混合物は水とともに水和して機械加工可能なプラスター組成を形成し、スプレー可能なスラリーを調合する際に使用される。混合物は重量でおよそ８０％からおよそ９８％の硫酸カルシウム半水塩、前述のプラスター混合物を基板に接着するための重量でおよそ１％からおよそ５％の粘着性バインダ、及び重量でおよそ０．００１％からおよそ１０％の多糖体を含有する。混合物の重量に対しておよそ１０％からおよそ５０％の水を混合物に加えて、混合物をスラリーにする。

Description

本願は良質な安定性を持つスプレー可能で機械加工可能な媒体に関する。さらに具体的に、本発明は良質な機械加工性とスプレー特性を持つスプレー可能な石膏に関するものである。

本発明は、スプレー可能で機械加工可能な組成物に関し、特に鋳型に注入したり、こてで塗りつけたり、スプレーで基板へ塗布したり、あるいは寸法的に精密な模型を作成するよう望ましい形状に機械加工するなど応用可能なプラスター混合物に関する。

石膏（ｇｙｐｓｕｍ）はまた、硫酸カルシウム二水塩、白土（ｔｅｒｒａ ａｌｂａ)、あるいは粉末石膏としても知られる。焼き石膏（Ｐｌａｓｔｅｒ ｏｆ Ｐａｒｉｓ）はまた、焼石膏（ｃａｌｃｉｎｅｄ ｇｙｐｓｕｍ）、スタッコ、あるいは硫酸カルシウム半水塩（ｃａｌｃｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ｓｅｍｉｈｙｄｒａｔｅ、ｃａｌｃｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ｈａｌｆ−ｈｙｄｒａｔｅ、ｃａｌｃｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ ｈｅｍｉｈｙｄｒａｔｅ）としても知られる。発電所からの燃焼ガスの脱硫処理からの副産物である合成石膏も使用可能である。採掘された際、原石膏は二水和物の形状を持つ。この形状において、硫酸カルシウムの各分子はおよそ二つの水分子を伴う。半水和塩を生じるには、以下の化学式によって石膏を焼成し、水和状態から水分を取り払う。

ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ→ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ＋３／２Ｈ_２Ｏ

硫酸カルシウム半水塩は少なくとも二つの結晶形状を生じることができる。アルファ焼石膏は、連続工程ないし硫酸カルシウム二水塩を圧力下で仮焼する塊岩工程（ｌｕｍｐ ｒｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）によって製造される。アルファ焼石膏はベータ焼石膏と比較してより少ない針状結晶を生じるため、結晶同士はより密集し、結果としてより高密度で強力なプラスターを形成する。この結晶形態は水が結晶間を容易に流動できるため、流動性あるスラリーを形成するのにより少ない水が必要となる。より長い結晶はベータ焼石膏の特性である。この結晶構造は結晶同士がよりゆったりと集まっているため、やや低密度の生成物となる。ベータ形状はまた、焼石膏を流動化する際により多くの水を必要とする。二水塩の仮焼が大気圧下で行われた場合にベータ形状が得られ、アルファ焼石膏と比較して経費が低くなる。

硫酸カルシウム半水塩を水と混合し、結果として生じる生成物であるスラリーを望ましい形状に成形することによって、多くの有用な石膏製品が形成される。生産物スラリーは、硫酸カルシウム半水塩が十分な水と反応し、この半水塩をマトリクス状に絡み合った二水塩結晶に転換する。マトリクスが形成するにつれて、生産物スラリーは固形化して望ましい形状を維持するようにして凝固される。この際、余分な水は製品を乾燥して生産物から除去されなければならない。

添加物が使用されていない場合、焼石膏スラリーへ加える水の量が凝結した石膏マトリクスの密度を決定する。より多くの水が使用されるにつれて、スラリーの容積が増える。純粋な硫酸カルシウム半水塩の理論的水需要量は１８．６重量％である。水和した硫酸カルシウムマトリクスはもともとスラリーの占めていた容積を満たし、余分な水を石膏マトリクスの結晶間の隙間に閉じ込める。同等量の石膏において、隙間はより大きく多数であると水の比率が増すにつれて余分な水を取り込む。空間数および各々の大きさが増えるにつれて、マトリクスの密度および強度は、余分な水が全く無い組成と比較して低下する。しかしながら、余分な水がないスラリーは配合しにくく、特にベータ焼石膏の場合は難しい。

使用される水の量がスラリーの可塑性を決める。可塑性はプラスターの特性であり、これによってあらゆる方向において永久的および継続的なデフォルメを可能にする。低粘性の素材とは対照的に、塑性材料は流動を開始する際にかなりの力を必要とする。低塑性の素材は通常「不良」または作業しづらいと特徴化され、高塑性であれば「高品位」または作業しやすいと特徴化される。

ある種の製造工程において、使用される鋳型は模型から鋳造される。鋳型を作成するひとつの方法には、ＣＮＣないしその他の高性能スライス盤を使用しての基板の成形を伴う。

自動車や船舶、航空宇宙産業などのように模型が大きい場合には、模型を製造するために大量の基板材が必要となる。従って基板材が軽量で経済的であることが望ましい。また高度な寸法精度のためにも素材は機械加工が可能でなければならない。それゆえに素材は鋭利な角と滑らかな輪郭を保ち、また室温から２５０°Ｆ（１２１°Ｃ）において寸法的に安定していなければならない。

大型の模型を作成する際、始めに実物大の模型よりも基板をやや小さめに設定することがよくある。通常は基板を製造する際にケミカルボードや発砲スチロールなどの安価な素材が使用される。模型よりも大きくなるまで、この基板に機械加工可能な素材によって一連の層を塗布される。コーティングされた基板は最終的に、望ましい形に機械加工される。

機械加工可能な組成物を形成するプラスター混合物は既知されている。特に、イモルディノ（Ｉｍｍｏｒｄｉｎｏ）の米国特許第５，５３４，０５９は機械加工が可能な組成物としての高密度の石膏組成について記述し、これは容易に彫刻が可能で、鋭利な角や滑らかな輪郭を保持でき、さらに室温から２５０°Ｆ（１２１°Ｃ）において寸法的に安定している。このプラスターはプラスター強度を向上し、機械加工中のちり発生を防ぐために重合体バインダを含有する。イモルディノの特許に開示されたように、バインダはエチレン／酢酸ビニル／塩化ビニル三重合体である。望まれる粘稠性を得るために、好ましくは重量で多くとも１０から２０％の重合体ポリマーがプラスターへ加えられる。イモルディノの構造には、機械加工中の摩擦を最小限に抑えるために内部潤滑剤を加えることが開示されている。さらに組成物はスプレーで塗布すると重力の影響により、組成物が固定化して機械加工可能な濃度を形成する前に流動してしまうことから、基板にスプレー塗布することはできない。

カリジアン（Ｋａｌｉｇｉａｎ）らの米国特許第６，３５５，０９９は内部バインダ、外部バインダ、凝固促進剤および凝結遅延剤システムを使用した機械加工可能なプラスターを開示する。適切な凝固時間は利用可能であるが，凝固促進剤システムは複雑で温度やその他の状態に対して敏感である。

基板にスプレー塗布するよう適応された機械加工可能な材料もまた既知されており、それらはポリエステルおよびポリウレタンフォームである。ポリエステルは一度に１／１６インチ（１．６ｍｍ）の膜しか塗布できないため望ましくない。従って相当の厚さを形成するのに非常に多くのコーティングが必要となる。また次のコーティングの前に塗布された表面が乾燥しなければならないため、この方法は時間がかかる。

ポリウレタンフォームは、均一の厚さの塗布表面を形成せず、また塗布部に通常多数の気泡を生じるため望ましくない。従って寸法精度を得るには、機械加工後に厳しい表面処理が必要になる。ポリエステルおよびポリウレタンフォームは静電気を発生し、機械加工中に望ましくない量の粉塵が発生する。

静電気と粉塵の組合わせは不必要な問題を生じる。さらにポリウレタンを加工する際に使用されるイソシアン酸塩は発癌物質として認知されている。
このように、この分野においてスラリーの凝固化時間を安定化し、スプレー塗布された組成物を素早く機械加工可能な厚さにする方法が必要となる。またさらに、ほぼ一定した水需要量においてアルファ焼石膏に対してベータ焼石膏の濃度を上げる必要がある。これらの必要性が満たされた場合、スプレー可能で機械加工可能なプラスター生産物をより速く、より少ない廃棄物および／あるいはより低費用で製造することが可能になる。

それゆえに、多糖類をスプレー可能で機械加工可能なプラスター組成物に使用することで、一定した時間、温度および剪断力の範囲においてより安定して、簡易化した急結システムの使用が可能になる。

水とともに、混合物はスプレー可能なスラリーの調合に使用され、これは水和して機械加工可能なプラスター組成物を形成する。混合物は重量でおよそ８０％からおよそ９８％の硫酸カルシウム半水塩、前述のプラスター混合物を基板に接着するためのおよそ１％からおよそ５％の接着バインダ、そしておよそ１％から２０％の多糖類を含有する。混合物は、その重量に対し重量％で１０％からおよそ５０％の水を加えることによってスラリー化される。

意外にもこの調合において、多糖類は増粘剤として作用するだけでなく、凝固促進剤と凝結遅延剤の量を減らす働きも行う。より簡易的な凝固促進剤システムはより大きな変更要素においてより制御しやすく、安定性も上昇する。結果として生じるスプレー可能なプラスターはスプレー加工中に望ましい可塑性をより長時間持続する。このスラリー（あるいはプラスター）は高温において安定している。塗装の際にスプレーガンを介して吹付けられる際に避けられないスラリーに対して付与される広範囲に亘る剪断力に対しても確実なスプレーを可能にする。

また多糖類の濃度を多くとも２０％まで上昇すると、内部バインダの代わりをすることも発見されている。スプレー可能なプラスターは粘性の無い表面にスプレー塗布された際、結合してお互いに接着しあう。乾燥時において、プラスターは良好な機械加工性と潤滑性を持つ。機械加工処理中、プラスターは結合して模型から均一に切断される。これは細かいプラスター粉塵の発生量を最低限に留め、結果として作業場をより清潔にし、清掃時間を削減する。好都合にも、これらの利点は通常ポリエチレングリコールを加えた場合に表面上に起こる蝋状集積を伴わない。

また改善されたスプレー可能な生産物はより速く乾燥するため、より効率的な作業工程を可能にする。製品は弛みや滴ることなくより高速にスプレー塗布できる。望ましい厚さに集積した後、わずか３０分後には機械加工が可能となる。

本発明は、スプレー可能なスラリーを形成するために水に加えられ、また凝固後に容易に望ましい形状に機械加工されうる乾燥混合物に関するものである。上記のような混合物は凝固したプラスターの切断や成形を必要とするプラスター模型やその他の製品を製作するうえで有用である。乾燥混合物は硫酸カルシウム半水塩、外部バインダおよび多糖類を含有する。内部バインダは本発明の幾つかの実施例における多糖類の一部を置換する。

乾燥混合物の主要構成要素は硫酸カルシウム半水塩である。乾燥混合物組成には、重量でおよそ８０％からおよそ９８％の半水塩を含有することが好ましい。さらに乾燥混合物のおよそ８０％からおよそ９５％、あるいは８８％からおよそ９５％が硫酸カルシウム半水塩であることがより好ましい。

アルファ硫酸カルシウム半水塩（α−ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）あるいはベータ硫酸カルシウム半水塩（β−ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）のいずれかが混合物に使用できる。アルファ形状の硫酸カルシウム半水塩結晶はベータ形状ほどとがっていない。このあまりとがっていない結晶形状が浸水を容易にし、水と混合された際により流動しやすくなる。このアルファ形状の低水需要量は、ベータ形状の硫酸カルシウム半水塩を使用してできる硫酸カルシウム半水塩の絡みあうマトリクスと比較して、より密接密集した高密度の複合物を結果として生じる。当分野において既知されるように、アルファおよび／あるいはベータ硫酸カルシウム半水塩の組合わせは、加工可能なスラリーを形成するために必要な水量を調節し、これは最終的な鋳造模型の密度を左右する。

アルファないしベータ焼石膏、あるいは両方の組合わせのいずれかを特定の用途に対して選択されるかは、多数の要素に起因する。費用が第一の関心事であるなら、大体の場合においてベータ焼石膏が好ましくは使用される。またベータ形状は手で切りやすいことから、手による模型の彫刻が予想される場合にもベータ焼石膏が好まれる。しかしながら、強度を上げるために水の使用量を最低限にするような幾つかの実施例においては、アルファ形状が好まれる。特定用途へアルファ焼石膏、ベータ焼石膏あるいはこれら二つの組合わせからのどれを選択するかは当分野における技術者であれば既知している。

本組成物の乾燥混合物はまた、基板および機械加工可能な厚さの接合点における接着剤強度を向上するための接着バインダも含む。接着バインダは、接合特性を持つ再分散可能な重合体粉末であることが好ましい。機械加工可能な厚み部分の、空気中に露出した、基板に接触していない表面へ水とともにマイグレーションしないよう、接着バインダは疎水性であるべきである。乾燥混合物内における接着バインダの濃度は低いため、接着バインダのガラス遷移温度、Ｔ_ｇ、は室温以上であることは重要ではない。さらに、これらの物理的特性を持つ接合重合体が乳剤ないし再分散可能な粉末形状として加えられる。

好ましくは、接着バインダは、噴霧乾燥されてポリ（ビニルアルコール）（保護コロイドとしても知られる）でコーティングされたポリ（酢酸ビニル）に基づく重合体であることが好ましい。このコーティングは接着バインダの水の再分散を向上する。ひとつの実施例において、乾燥混合物は重量でおよそ０．１％から５％、好ましくは２％のエチレン／酢酸ビニル共重合体を含有する。エチレン／酢酸ビニル共重合体はミシガン州エードリアンのワッカーポリマーシステムズ（Ｗａｃｋｅｒ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＬＰの商品名ＶＩＮＮＡＰＡＳ ＲＰ２２６、あるいはＥｌｏｔｅｘ ５０Ｅ２００（ニュージャージー州ブリッジウォーターのナショナルスターチアンドケミカル）（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｒｃｈ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）として入手可能である。エチレン／酢酸ビニル共重合体の変わりに純粋な酢酸ビニル同種重合体を使用してもよい。

最も一般に市販されている粉末状の酢酸ビニル同種重合体は、各粉末顆粒が親水性素材によってコーティングされているため、水再分散性である。重合体のこれらの種のいずれも粉末状あるいは乳液状として存在し、乾燥混合物やスラリー水を使うどちらのシステムにも添加できる。

ポリビニルアルコールは接着バインダとしての使用が可能である。しかしながら、ポリ（ビニルアルコール）は非常に水溶性が高いため、凝固する間に機械加工可能な厚み表面へ移動する傾向がある。結果として、ポリ（ビニルアルコール）の濃度勾配が基板でない接触表面に局地化し、これによって水分蒸散を抑制し、また混合中に空気を搬入する傾向があり結果として結晶構造に欠陥を及ぼす。凝固時間もポリ（ビニルアルコール）の遅延性質に起因して長くなり、また搬入する空気のために寸法安定性も減少する。その他にも、当分野において既知されるアクリルバインダから代替接着バインダを選択することも可能であるが、これらもポリ（ビニルアルコール）と同様に空気を搬入し、凝固時間も遅延することから、あまり望ましくない。

高い分子量を持つ多糖類は乾燥混合物のもうひとつの構成成分である。多糖類は分散剤として働き、均一分布を十分に保証するために結晶マトリクスが形成されるまでスラの構成要素を懸濁状態に維持する。砂あるいは凝結体は凝固が抑制される。多糖類はまたスラリーが凝固するまで粘度を一定に保つ粘度調整剤としての機能をも果たす。低粘度のスラリーは低圧力とより高容量でのポンプ注入を可能にし、以前の組成物よりも強度な乾燥された生産物を生じる。同時に混合物の可塑性が向上するため、剪断応力下で流入し、剪断応力が除去された時点で流入を停止する。スプレー塗布された場合、製品はより速くパターン上で形成され、凝固後に強度が上がる。多糖類の添加後に変じるその他の特性には、粒子の懸濁性の向上、滲みの減少、作業性の向上、より容易な塗布、および改善されたポンプ揚げが含まれる。

本発明で使用される特に好ましい多糖類は多様である。生体高分子ゴムが最も好ましい。スクレログルカンやシゾフィランなどのグルカン製品が特に好ましい。スクレログルカンはスクレロチウム属の糸状菌から生じる。シゾフィランはスエヒロタケ属の菌によって生じられる体外多糖である。スクレログルカンおよびシゾフィランは多糖類であり、その１−３の線状鎖は、およそ３０からおよそ３５パーセントの線状鎖が１−６結合によって結合する単一のＤ−グリコシルユニットと連結する。

平均分子量は５ｘ１０^６と同じかそれ以上である。これらは非イオン性ホモ多糖類である。連鎖は三重螺旋状に自己結合している。これらは水中に溶解して擬似プラスチック溶液を生じる。これら化合物の補足的な特性および作成法は米国特許第４，９５４，４４０に記載され、この参照により開示に含まれる。好ましいスクレログルカンはＳＫＷケミカル株式会社（ＳＫＷ Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｉｎｃ）（カリフォルニア州マリエッタ）から商品名ＢＩＯＢＩＳで市販されている。キサンタンガムやウェランガムなどのその他の多糖類ガムも本発明において使用が可能である。

ヘテロ多糖類は高い分子量を持ち、一般に少なくとも二つの異なる種類の単糖類を含む線状炭水化物重合体である。Ｓ−６５７などの重合した反復単位を形成する少なくとも二種類の異なる単糖類が、ここに参照される米国特許第５，１７５，２７８号及び同第６１１０２７１号に開示されている。この多糖類は本発明に特に有用なキサンタンガムの一例である。好ましい多糖類であるＳ−６５７は、およそ二百万ダルトン以上の分子量を持つ延長され絡みあった三つ折の左巻き二重螺旋を形成し、商品名ディユタン（Ｄｉｕｔａｎ）でケルコバイオポリマーズ社（Ｋｅｌｃｏ Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）（カリフォルニア州サンディエゴ）から市販されている。

多糖類は乾燥成分の重量でおよそ０．００１％からおよそ１０％の量が有用である。好ましい範囲は、乾燥重量につき０．０１％からおよそ２％、およそ０．０５％からおよそ１％、そしておよそ０．０５％からおよそ５％である。以下に詳細に説明される内部バインダを含む実施例において、重量で０．００１％から５％の多糖類濃度が有用的である。

これらの実施例において、多糖類濃度の好ましい範囲は重量で０．０１％からおよそ２％、０．０２％から１％、そして０．０１％からおよそ０．６％である。任意の内部バインダが使用されない場合は、より高濃度の多糖類、およそ０．００１％からおよそ１０％が使用される。内部バインダを持たない実施例における好ましい多糖類濃度にはおよそ０．０５％からおよそ２％、０．１％からおよそ１％、そしておよそ０．０７％からおよそ０．９％が含まれる。

乾燥混合物は、任意的に乾燥プラスター混合物を水と混ぜてスラリーを形成する際に分散する内部潤滑分散バインダを含有し、凝固後に硫酸カルシウム水塩結晶体構造全体の部分に沈殿し、また機械加工の際に硬化した組成物が鋭利な角を保持することを可能にする。内部バインダはスラリー中に分散し、その後に凝固した後で硫酸カルシウム二水和物の結晶構造中のいたる部分に沈殿する。絡みあった硫酸カルシウム水塩結晶中の内部バインダの沈殿物は結晶体構造内での亀裂の発生を抑制する。これによって硬化した組成物は室温から２５０°Ｆ（１２１°Ｃ）において寸法安定性もち、また機械加工の際に鋭利な角と滑らかな輪郭を保持することができる。さらに、内部バインダは機械加工中に一般に均等な寸法でのシェービング加工を促進し、粉塵の発生を大幅に減少する。

好ましい実施例において、内部バインダは自由に流動し、室温で重合体が硬化するのに十分なガラス転移温度Ｔ_ｇを持つ水分再分散可能な重合体粉末であると考えられる。幾つかの好ましい実施例において、重合体は水溶性であり、その水溶性度はバインダの分子量と反比例する。

内部バインダは高い分子量の非結晶ポリエチレングリコール粉末であることが好ましい。ポリ（エチレングリコール）は市販されており、多くの既知および従来の重合技術によって用意できる。好ましい実施例において、スラリーに一定した重合体分布をもたらすために８，０００ダルトンの平均分子量を持つポリ（エチレングリコール）粉末が使用される。非粉末状のポリ（エチレングリコール）もまた考慮される。

自由流動する水再分散可能な重合体の添加は、凝固後の組成物を機械加工に適したものとする。この重合体は吸湿性効果によってスラリーの可塑性をわずかに向上することが明らかになっている。

このポリマーは、吸湿性効果を有することから、スラリーに於ける可塑性を僅かに向上させる事が知られている。
水のプラスタータに対する割合が固定された場合、吸湿性効果はわずかな厚味増し作用をもたらす。このわずかな厚味増し化作用は特に垂直表面へのスプレー塗布機能を向上する。さらに、ポリ（エチレングリコール）は固有の潤滑特性を実証する。この特性は機械加工中の摩擦を最低限に抑えるため、機械加工中での内部バインダの集塊化を抑制する。

乾燥混合物は重量で多くとも１３％、好ましくは１〜１３％、より好ましくは４から１２％ないし３から７％、さらにより好ましくはおよそから６％の範囲でポリ（エチレングリコール）粉末を含有する。上記の好ましい範囲内ではより低濃度の内部バインダは組成物の強度を向上するが、機械装置の摩耗も上昇することが考慮される。内部バインダーが高い濃度の時には、強度は低下するが、機械装置上での摩耗が少なくなると言う効果がある。

従って、好ましい６―８％の範囲内において、６％は比較的向上した強度を提供するのに対し、８％は比較的向上した潤滑性を提供する。ポリ（エチレングリコール）は商品名ＣＡＲＢＯＷＡＸ（コネチカット州ダンベリー、ユニオンカーバイド社）から市販されている。

酢酸ビニルを主成分としたエチレン／酢酸ビニル／塩化ビニルおよびエチレン／酢酸ビニル／バーサテ−トビニル三元重合体などの再分散可能な粉末重合体派生物が内部バインダとして使用されうる。さらにビニル／アクリル共重合体、エチレン／酢酸ビニル／バーサテートビニルアクリレート三重合体、スチレンアクリル共重合体、および酢酸ビニル−バーサテートビニル共重合体もまた内部バインダとして使用可能である。

しかしながら上記のように多糖類分を増加することによって内部バインダを全部ないし部分的に置換することができる。多糖類濃度が上昇する時に、内部バインダ濃度が低下するように、これら二つの構成要素がスライドスケールを形成することが期待される。しかしこの逆も起こり得るため、ＰＥＧなどの幾つかの内部バインダー濃度が上昇する場合などに注意が必要である。ＰＥＧは高濃度において蝋状の表面を生じ、これは機械加工からの削りくずを切削表面や、切削工具や模型自体へ付着させる。これは粘った削りくずの塊を生じるため定期的に除去する必要があり、また清掃が困難である。ＰＥＧ濃度は、削りくずが機械加工中に切断表面からきれいにはずれ落ちる範囲に保たれることが好ましい。

高度に枝分かれした、水分散可能で、自由流動重合体であるメトキシポリエチレングリコールもまたポリ（エチレングリコール）の替わりに内部バインダとして使用できる。本組成物において、メトキシポリエチレングリコールの好ましい分子量は２，０００から５，０００ダルトンの間である。

乾燥混合物に加えられる水の量は重量で乾燥混合物の１０％から５０％の範囲である。好ましい水の含有量はおよそ２０％から４０％であり、より好ましくは２８％から３２％である。添加される適切な水量の選択は当業者によって認知されている。速乾性でスプレー可能なプラスターは、乾燥混合物の重量でおよそ１５％から２５％の範囲の水を含有することが好ましい。

スラリーと凝固後のプラスター性質を最大限に調整できるよう、スラリーを調合する際に使用される水は現実的にできる限り純粋に近いものがよい。スラリーの凝固時間を変更する為の塩や有機化合物はよく知られ、これらは凝固促進剤から凝固抑制剤まで様々である。幾つかの不純物は二水和物結晶の絡みあったマトリクスが形成されるにつれて構造上に不規則性をもたらし、凝固後の生成品の強度を減少する。従って生成品強度と整合性は、現実的に可能な限り不純物の含有されていない水の使用によって向上される。

もうひとつの実施例において、好ましい水含有量の範囲はおよそ１５％からおよそ２５％である。スラリー流動性の向上は低水量でのポンプの使用が可能なスラリー形成を可能にする。あらゆるプラスター組成において、水添加量の増加は凝固後のプラスター強度を低下させる。スプレー可能なプラスターが強度を必要とする場合、水の添加を減少させてより強い製品を作成する。速乾性処方もまた、より少量の水を乾燥すればよいので、水量を減少させることで実現される。

スプレー可能なプラスターはその他のプラスター組成と比較して、凝固時間のより精密な制御を必要とする。一旦スラリー調合のために水が加えられると、硫酸カルシウム二水和物の結晶が形成しはじめる。スラリーがスプレー器具を通過するまでには、結晶は器具を詰まらせることなく通過するのに十分に小さいままでなければならない。スプレー器具からスプレー塗布される際には、スラリーは基板ないしプラスターの前の層上に流れることなく付着できるよう十分な厚味を持つものでなければならない。凝固時間はしばしば長い作業時間を必要とするほど遅延するので、より早い凝固と仕上げを必要とする場合は凝固促進剤を使用する。

凝固時間を短縮するために使用される乾燥混合物への好ましい添加物には、硫酸アルミニウムなどの酸や硫酸塩が含まれ、乾燥した凝結体の無い重量に対し、最大１０重量％まで使用される。本発明における凝固促進剤の濃度は従来技術と比較して減少し、重量で１％以下であることが好ましい。

細かく粉体化された硫酸カルシウム二水和物もまた好ましい凝固促進剤である。新しく準備されたばかりのものは高い効力を持つ。しかし使用前に貯蔵されるとその効果を失う。この参照により開示に含まれる米国特許第２，０７８，１９８号は、砂糖と混合された硫酸カルシウム二水和物を有する改善された凝固促進剤を開示する。この混合物は硫酸カルシウム二水和物が古くなることによる劣化を防ぐ。共に粉体化された砂糖と硫酸カルシウム二水和物の混合物を加熱してカラメル状の砂糖が硫酸カルシウム二水和物をコーティングすることが、ここで参照される米国特許第３，５７３，９４７号に開示されている。溶けた砂糖のコーティングはさらに硫酸カルシウム二水和物を安定化させ、加熱されていない砂糖／二水和物混合物と比較して著しく経年劣化作用を減少させる。このように準備された粉体状の硫酸カルシウム二水和物は「ＣＳＡ」（イリノイ州シカゴのＵＳジプサム社（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｙｍｓｕｍ Ｃｏ．））として例に参照される。

硫酸カリウムが凝固物中に存在することによって、機械加工可能な層の厚みが減少することから、混合物への硫酸カリウムの添加は最低限にとどめるべきである。硫酸アルミニウムなどのその他の凝固促進剤は市販されており、機械加工可能でプラスターに基づく組成物を成形する分野の専門家に既知されている。

機械加工性を向上し機械加工可能な厚みの密度を減少するため、あらゆる実施例に不活性充填剤を加えてもよい。好ましい充填剤は表面がコーティングされた、低密度の細かい真珠岩であり、ノーブルパーライト（Ｎｏｂｌｅ Ｐｅｒｌｉｔｅ） ２００Ｃ（オランダ、アクゾ ノーベル株式会社）などであり、乾燥したプラスターに基づく重量で多くとも１パーセントまでを構成する。その他の既知の不活性充填材には炭酸カルシウム、グラファイト、樹脂ミクロスフェア（ｒｅｓｉｎ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ）などが含まれる。

消泡剤もまた乾燥混合物に添加してもよい。消泡剤は当分野において既知されており、スラリー内への空気の巻き込みを減少するために使用されるため、スプレー塗布後の組成物内の気泡を減少する。乾燥混合物の重量でおよそ０．１％から１％、より好ましくは０．２％から０．８％が消泡剤であると望ましい結果を生じる。本発明における好ましい消泡剤はＦＯＡＭＡＳＴＥＲ ＣＮ消泡剤であり、ペンシルバニア州アンブラーのジオスペシャルティーケミカルズ（Ｇｅｏ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）から入手できる。その他多数の消泡剤が市販されており、当業の専門家であれば容易に好ましい消泡剤に適した代替品を見つけることができる。

本発明の焼石膏組成物は、特定の用途によって多くのその他の添加物を任意に含む。これらの添加物には増量剤、高分子樹脂、防腐剤などが含まれる。特定の目的および適切な濃度のための添加物は当業者のよって認知されている。色素、染料および着色料などの着色剤も有用な添加剤であり、特にフローリング用途に有用である。あらゆる既知の着色剤が本発明に使用可能である。二酸化チタンは特に組成物を白くする際に有用である。着色剤はこの種の組成物に従来使用される量で使用され、また従来の方法によって添加される。好ましい増量剤にはマセオセル（Ｍａｔｈｅｏｃｅｌ（ミシガン州ミッドランドのダウケミカル））などのセルロース増量剤が含まれる。エロテックス（Ｅｌｏｔｅｘ ５０Ｅ２００（ニュージャージー州ブリッジウォーター））のナショナルスターチ＆ケミカルなどの高分子樹脂がスラリーの表面特性を調整するために任意に添加される。その他の添加物は硫酸カルシウム半水塩のスラリー又はそれにより得られた凝固プラスター等の性質を調節することが知られている。その他の添加物がスラリーないし凝固した石膏製品の特定性質を調節することは当業者によって明かに知らされている。これら添加物は本発明の実施例と共に、周知の目的のために有用に使用されることが考慮される。

本発明のあらゆる実施例は成分調合済みの状態で、あるいは硫酸カルシウム半水塩が水和して硫酸カルシウム二水和物を形成するのを抑制するためにキレート剤を使用したスラリー形状で保管できる。ピロリン酸四ナトリウムなどのキレート剤が乾燥混合物に添加されうる。使用者が混合物を水と混合する際、キレート剤の存在がスラリーの凝固を抑制する。凝固を開始するには、その時点でキレート効果を反転するために凝固促進剤をスラリーに添加する。硫酸塩、例えば硫酸アルミニウムなどの凝固促進剤が機械加工可能なプラスター組成物の分野における専門家によって既知されている。

本発明に基づいて作成されたスプレー可能なプラスターは当分野において認知されるあらゆる適切なスプレー器具を用いて基板に塗布することが可能である。このプラスターは米国特許第６，２７３，３４５に開示されたスプレーガンを用いて効果的に塗布され、この参照により開示に含まれる。このスプレーガンは銃を介してプラスタースラリーを送り出す。プラスタースラリーが銃を飛び出す際に、溶滴は液体凝固促進剤からの噴霧を介して発射される。凝固促進剤はプラスター溶滴をコーティングし、プラスター凝固率を上昇することによって模型表面に塗布されるとともに素早く凝固する。液体凝固促進剤は塩およびその他の硫酸カルシウム半水塩の凝固時間を縮小することが知られる化合物の水溶液であることが好ましい。好ましい水溶液の凝固促進剤には硫酸カルシウム二水和物、硫酸亜鉛および硫酸アルミニウムが含まれることが、ここで参照されるイモルディノの米国特許第６，３７９，４５８号に開示される。

これらとその他の実施例は以下の例において実証される。特に記載のない限り、例に示される数量の単位は全てポンドである。濃度ないし割合は乾燥した凝結体の無い重量を基に計算される。

下記の例において、凝固時間の参照はＡＳＴＭ Ｃ−４７２によるビカー凝固時間を参照しており、この参照によって本開示に含まれる。ビカー凝固時間はプラスターが手練用の水に添加される時点から、およびスラリーが機械練り用にミキサーから取り出される時点から始まる。試料は望まれる用途のために標準の稠性を持つよう５０グラムの乾燥した凝結体の無い材料と十分な水とから構成される。試料はパティを形成するようアクリルシート上に流し出される。３００グラムのビカー針をパテイの中心と外縁の中程に、パティ表面に垂直になるよう立てる。針はパティ表面に保持され、自身の重みで自由に落下よう放たれる。凝固時間は針がパティの最下部まで貫通できない時点で判断される。貫通の度合いが不明確な場合、針を少し押して下の表面に触れているかどうかを判断する。

改良されたスプレー可能で機械加工可能なプラスター調合が多糖類分散剤を用いて開発された。比較調合物の組成である＃１調合と、本組成物の調合である＃３調合を比較した。調合は以下の表１に示される。

材料を集め、重さを計量して両方のプラスターを調合した。乾燥材料は一緒に混合された。水をカップ内に計量した。乾燥材料を水に混ぜ入れ、均質な混合物が得られるまで混ぜ合わした。調合＃１（比較混合物）は非常に粘性があり、カップから流出する際に補助が必要であった。より低い粘性を持つ＃３調合はカップから補助なく流出した。

多糖類が添加された場合、二つのセットの凝固促進剤は除去され、凝結促進剤の量が著しく減少した。これによって温度にそれほど敏感でなく、低粘性を持ち、容易にスプレー塗布できるスラリーが開発された。

二つの試料両方に対してブルックフィールド粘度試験（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ Ｔｅｓｔ センチポイズ法）を行った。各試料の粘性は固形化するまで毎分検査された。粘度試験の結果は以下に要約されている。

スプレー可能で機械加工可能なプラスターの第１調合物（比較混合物）は試験の間中、より高い粘性を示した。第１調合と比較して、第３調合はスプレー塗布の際より低エネルギーを要した。米国特許第６，２７３，３４５に記載されたスプレー器具を用いて垂直表面にスプレー塗布した際、第３調合は基板によりよく接着し、変形なく急速に集積することが観察された。

内部バインダを必要としないスプレー可能で機械加工可能なプラスター調合が開発された。プラスターは表３の組成に従って作成された。

本例に基づいて作成されたプラスターは例１のように混合され、例２のようにスプレー塗布された。スプレー特性は例２の第３調合物に相当することが観察された。

第３調合物と比較して、内部バインダを含有しない調合は類似のスプレー性質を持っていた。機械加工中において、バインダを含有しない調合は第３調合と比較して機械加工された表面により少ない切削が付着した。第３調合は切削が付着する蝋状表面を持つ。表面が見えるよう、定期的に停止して表面の切削を拭き取る必要があった。

多糖類の添加によって建築装飾に適したプラスターが作成された。本組成物の試料であるＨＰ ＦＧＲ、および比較試料であるＦＧＲが以下のように調合された。

石膏セメントは初めに乾燥材料を混ぜ合わして調合された。湿性材料は水の入ったミキサーに加えられ、混ぜ合わせて均質溶液を作った。その後、乾燥材料をふるいにかけてミキサーに入れ、均質なスラリーが得られるまで混ぜ合わせた。各スラリーは鋳型に注ぎ込まれ、厚さ０．５インチの鋳型シートを形成した。

試験方法Ａである試験方法Ｄ２５６に従って、鋳型シートから試験片を十個切り取った。各試験片は幅０．５インチ、長さ２．５インチ（６．３ｃｍ）で厚さ０．５インチ（１．３ｃｍ）であった。本発明の調合法、ＨＰ ＦＧＲ、および比較試料の試験結果が以下の表５に記載される。

上記のように比較試料と比べて、多糖類分散剤と調合された試料において密度、圧縮強度および硬度は全て著しく高い。試料の調合は、本発明のスプレー可能なプラスターもまた首尾よく鋳造できることを実証している。これはまた、こてで伸ばしたり、あるいは従来の方法で仕上げ処理をすることも可能である。

ここに記載される実施例および例は発明の例証を目的としており、本発明の範囲はこれに限られない。本発明のスプレー可能で機械加工可能なプラスターに関する特定の実施例が記載されているが、広義に渡る態様および請求項に述べられた本発明から逸脱することなく修正および変更が行われることが当業者によって理解される。

Claims (22)

1. 水和して機械加工可能なプラスター組成物を形成するスプレー可能なスラリーを調合するための水と共に用いられる混合物であって、
   重量でおよそ８０％から９８％の硫酸カルシウム半水塩と、
   前述のプラスター混合物を基板へ接着するための重量でおよそ１％から５％の接着バインダと、
   およそ０．００１％から１０％の多糖類と、
   を有する混合物。
2. 当該混合物は、さらに内部バインダを有する事を特徴とする請求項１に記載の混合物。
3. 当該混合物に於いて、当該内部バインダはポリ（エチレングリコール）である事を特徴とする請求項２に記載の混合物。
4. 混合物において、当該内部バインダはおよそ８，０００ダルトンの分子量を持つポリ（エチレングリコール）である事を特徴とする請求項２に記載の混合物。
5. 混合物において、当該内部バインダはポリ（エチレングリコール）であり、また当該接着バインダはエチレン／酢酸ビニル共重合体である事を特徴とする請求項２に記載の混合物。
6. 混合物において、当該接着バインダは接着特性を持つ水再分散組成物である事を特徴とする請求項１に記載の混合物。
7. 混合物において、当該接着バインダはエチレン／酢酸ビニル共重合体である事を特徴とする請求項１に記載の混合物。
8. 当該混合物は、さらに高分子樹脂を有する事を特徴とする請求項１に記載の混合物。
9. 当該混合物において、当該多糖類は２，０００，０００ダルトンを超える分子量を持つ事を特徴とする請求項８に記載の混合物。
10. 当該混合物は重量でおよそ８０％から９０％の前述の硫酸カルシウム半水塩と、重量でおよそ０．０１％から１％間の前述の多糖類と、重量でおよそ１％から５％の前述の接着バインダを有する事を特徴とする請求項１に記載の混合物。
11. 当該混合物において、当該内部バインダはポリ（エチレングリコール）であり、当該の接着バインダはエチレン／酢酸ビニル重合体である事を特徴とする請求項１０に記載の混合物。
12. 当該混合物は、さらに１％未満の消泡剤を含有する事を特徴とする請求項１０に記載の混合物。
13. 当該混合物が重量でおよそ６％からおよそ９％の当該ポリ（エチレングリコール）を有する事を特徴とする請求項１１に記載の混合物。
14. 水和して機械加工可能なプラスターを形成するスプレー可能なスラリーであって、当該スラリーは、
    硫酸カルシウム半水塩と、
    接着バインダと、
    多糖類と
    からなる乾燥混合物を含み、且つ
    前述の乾燥混合物の重量に対しておよそ１０％からおよそ５０％の水を有する事を特徴とするスプレー可能なスラリー。
15. 当該スラリーが乾燥混合物の重量に対して３２重量％未満の水を有する事を特徴とする請求項１４に記載のスラリー。
16. 当該スラリーが乾燥混合物の重量に対して２５重量％未満の水を有する事を特徴とする請求項１５に記載のスラリー。
17. 当該スラリーに於いて、当該硫酸カルシウム半水塩はアルファ硫酸カルシウム半水塩である事を特徴とする請求項１４に記載のスラリー。
18. 当該スラリーは、さらに消泡剤を有する事を特徴とする請求項１４に記載のスラリー。
19. 当該スラリーに於いて、当該消泡剤が、当該混合物に対しておよそ０．２重量％からおよそ０．８重量％含まれている事を特徴とする請求項１８に記載のスラリー。
20. 当該スラリーは、さらに、クエン酸ナトリウム、クエン酸、酒石酸、酒石酸ナトリウム、タンパク質性物質、あるいはリン酸塩のうち少なくともひとつを含む凝固率抑制剤を含有する事を特徴とする請求項１４に記載のスラリー。
21. 成形されたプラスター製品を作成する方法であって、
    硫酸カルシウム半水塩と、前述のスラリーを基板に接着するための接着バインダと、重量で０．０１％から１０％の多糖類と、水とを有するスラリーを混ぜ合わせる工程と、
    当該スラリーを基板上へのスプレー塗布する工程と、
    硬化プラスターを形成するため、当該スラリーを凝固させる工程と、
    硬化したプラスターを工作機械を用いて望ましい形状にするための機械加工を施す工程とを含んでいる事を特徴とする成形されたプラスター製品を作成する方法。
22. 基板上に成形された石膏製品であって、
    当該製品は、基板上にスプレー塗布されて接着された、凝固乾燥したスラリー生産物を機械加工することによって成形された製品であり、スラリーは、硫酸カルシウム半水塩と、当該プラスター混合物を基板に接着するための接着バインダと、重量で０．００１％から１０％の多糖類と、水を有する事を特徴とする基板上に成形された石膏製品。