JP2014520218A - 撥水性ファイバーボード - Google Patents

Abstract

吸音建築材料および製造のための方法は、均一に分散させた反応性シリコーンを取り込んで撥水性および物理的特性を改善する。
【選択図】なし

Description

本分野は、吸音建築材料またはファイバーボードに加えて、その製造のための方法に、より詳細には、増加した撥水性および改善された物理的特性を有するファイバーボードに関する。ファイバーボードは、ボード構築物内に均質に分散させた反応性シリコーンを含む。

建築業において周知のように、吸音建築材料またはファイバーボードは、天井タイル、天井パネル、壁パネルまたは壁タイルの形態であり得る。ボードは、ファイバー、フィラー、バインダーおよび他の成分のスラリーから調製される。

ボードは典型的には、当該技術分野において公知のように水フェルト化プロセスにおいてスラリーを使用して調製する。ファイバー、フィラー、バインダーおよび他の成分の分散物は、移動する多孔性支持体（脱水のための長網抄紙形成機等）上に流される。分散物は、最初に重力によって、次いで真空吸引によって脱水される。湿潤したベースマットを加熱した対流乾燥オーブン中で乾燥し、乾燥した材料を所望される寸法に切断し、任意でコーティングして吸音パネルおよびタイルを生産する。

便宜上、本発明は、小部屋壁の隔壁または他の部屋の間仕切りとして多くの場合用いられるタイプの壁パネルを特に参照して以下に記述される。壁カバーは、典型的には、水ベースの接着剤を使用して隔壁に適用される。

壁パネルは、ベースファイバー、フィラーおよびバインダーから製造されたベースマットまたはコアを含む繊維状パネル構造として提供されることが公知である。ベースファイバーは通常鉱物繊維（鉱物綿またはガラス繊維等）である。さらに、有機繊維を使用することができる。多くの場合、有機繊維はリサイクル新聞紙の形態のセルロース系繊維である。フィラーは一般にパーライト、粘土、炭酸カルシウムまたはスタッコ（石膏）である。バインダーは典型的にはデンプン、ラテックスまたは類似の材料である。これらの材料または成分は水性スラリー中で組み合わされ、上記のような水フェルト化プロセスにおいて処理される。乾燥に際して、バインダーは他の材料との結合を形成して、コアに強度および剛性を提供する繊維状ネットワークを提供する。

典型的な隔壁として使用するために、コアは、使用の間にパネルの立体配置で平面のままであるように十分な強度および剛性を有するべきである。好ましくは、パネル密度は内部の構造壁と結合した結束の認識の提供に十分である。例えば、壁密度は約１６ポンド／フィート^３（ｐｃｆ）を超えなくてはならない。

これらの物理的特性に加えて、隔壁は、その後の壁フィニッシングおよび／または壁使用適用において課される液体接触に耐えるのに十分な撥水性を提示するべきである。しかしながら、記載の構築物は多孔性で親水性の傾向があり、吸湿性および壁表面に適用された液体の進入が起こりやすい。所望される審美的な外観を提供するために隔壁表面に壁カバー（ファブリック等）を接着により適用することは慣習的である。

多くの場合、ファブリックまたは他の壁カバーは水ベースの接着剤を使用して適用される。パネルによる吸水性または水の自然な吸い上げは、壁カバーとパネルとの間の所望される強い接着性結合の達成を妨害することが見出されている。不十分な接着の多くの実例において、水ベースの接着剤は、強い接着性結合を形成せずに、パネルの中への吸収または取り込みによって接着境界から時期尚早に除去されると考えられる。

水ベースの接着剤の進入を遅らせてより良好な結合を提供するために、サイジング剤をパネルに使用して撥水剤として作用させる。典型的なサイジング材料は紙サイジング材料（イミダゾリドン反応性サイジング剤等）を含む。

上記のサイジング剤は、壁カバーと隔壁との間の結合を改善するが、比較的大量の製品が有効性のために必要とされるので、それらは完全に満足ではない。さらに、従来の薬剤は、乾燥または硬化の間の所望されないレベルの揮発性有機物コンポーネントまたはＶＯＣによって特徴づけられる。加えて、これらの製品のＭＳＤＳ指標はそれぞれ０．３％および０．１１３％のホルムアルデヒド含有量を含む。

現行の製品は適用可能な基準内であるが、プロセッシングおよび最終製品の両方におけるＶＯＣおよびホルムアルデヒドを減少させることが所望される。例えば、イミダゾリドンベースのサイジング剤はＶＯＣに寄与し、生産工場排気系で観察される「青いもや」に関与すると考えられる。もやを減少または消失させることが所望される。任意の事例において、イミダゾリドン薬剤はプロセスのＶＯＣおよび製品のホルムアルデヒドの両方に寄与し得る。

米国特許第５９６４９３４号明細書は、吸音タイルの組成物中に含有される膨張パーライトの水分保持は、最初にシリコーンと共にパーライトを噴霧コートし、処理したパーライトを高温で乾燥させてシリコーンを硬化させることによって、減少させることができることを教示する。処理したパーライトを含有する組成物は、水フェルト化プロセスを使用して、吸音タイルへと形成することができる。シリコーン処理したパーライトを含有するベースマットの水分保持は、生じたタイルの物理的特性に影響を与えずに減少される。水分保持の低下は製造ラインのスピード増加を可能にすることが示される。

米国特許第５５３９０２８号明細書は、ポリメチル水素シロキサン（ＰＭＨＳ）を含むシリコーン溶液のスラリーの中への取り込みを使用して、ボードの物理的特性に影響を与えずに、水耐性を改善するためのファイバーボードを形成することを開示する。ファイバーボードは、鉱物繊維、非繊維状無機フィラーおよび有機繊維およびバインダー（デンプン等）を含有することができる。

反応性添加物が吸音建築材料またはファイバーボードにおいて取り込まれて撥水性を改善できることが見出された。反応性添加物は、材料またはボードの物理的特性も改善する。

反応性添加物は比較的低いレベルで隔壁成分中に含まれて撥水性を提供することができる。さらに、達成された撥水性のレベルは、水ベースの接着剤を使用して、その後に適用される壁カバーについて改善された接着を提供するのに十分である。添加物は、コアまたはベースマットの形成に使用される水性スラリー中で均一に分散されて、所望される撥水性を提供する。

反応性添加物は、反応性のシリコーンまたはシリコーン溶液、そして特に置換された反応性の側鎖および／または末端を備えたポリジメチルシロキサン骨格を有するものを含む。例えば、ポリエーテル側鎖等の親水性側鎖である。１つの好ましいシリコーンは、α−イソ−トリデシル−オメガ−ヒドロキシポリグリコールエーテル側鎖を含む。他の好ましいシリコーンは類似のポリエーテル側鎖を有しており、アミノ官能性ポリジメチルシロキサンをさらに含む。

スラリー組成物中の反応性シリコーンの均一分散物は、イミダゾリドン薬剤のものより優れた所望される撥水性を提供することも見出された。さらに、反応性シリコーンは、使用量の低下および有効性の増加に起因して壁パネル適用における撥水処理の価格を低下させることが見出された。

反応性シリコーンはパネルの機械的特性も改善する。特に、破壊係数（ＭＯＲ）の増加およびボール硬度によって特徴づけられる強度の改善が達成される。ポリメチル水素シロキサン（ＰＭＨＳ）シリコーンの先行技術使用が改善されたパネル物理的特性をもたらさないので、これは非常に予想外なことである。加えて、他の物理的特性に対する有害効果は撥水性のために要求されるシリコーンレベルでは観察されていない。

改善された物理的特性を提供する濃度での反応性シリコーンが上記の接着目的のために所望される撥水性も提供することが見出された。したがって、もたらされた隔壁は破壊係数の増加によって指摘されるような撥水性の増加および強度の改善を有する。

さらに、反応性シリコーンは、プロセッシングと関連する好ましくないＶＯＣ排出を消失させないにしても減少させる傾向がある。実際、好ましいシリコーンは、すべての有機排出物を実質的に消失させるように硬化の際の水副産物によって特徴づけられる。

典型的な組成物において、ファイバーおよびフィラーのコンポーネントは主成分を構成する。しかしながら、成分の幅広い変動を用いることができる。例えば、以下のチャートは典型的な天井および壁の組成物を要約する。組成物は以下の表においてリストされるような１つまたは複数の例示的タイプのファイバー、フィラー、バインダーまたは反応性シリコーンを含有し得ることが認識されるべきである。本明細書におけるパーセンテージは、コメントまたは文脈によって特別の指示の無い限り、固形物に基づいた重量パーセントである。

成分 範囲％ 好ましい％
ファイバー
鉱物綿 ５〜８０％ ３０〜４０％
ファイバー ５〜８０％ ３０〜４０％
セルロース（再生紙） ０〜２５％ １５〜２０％

フィラー
パーライト １５〜７０％ ２５〜３５％
粘土 ０〜２５％ ０〜１０％
炭酸カルシウム ０〜２０％ ５〜１５％

バインダー
トウモロコシデンプン ３〜１８％ ５〜１５％
ラテックス ０〜８％ ０〜５％

反応性シリコーン
ＰＤＭＳ（ポリエーテル） ０．０２〜０．５％ ０．１〜０．１５％
ＰＤＭＳ（ポリエーテル／アミノ） ０．０２〜０．５％ ０．１〜０．１５％

ファイバー、フィラーおよびバインダーの成分は、公知の様式において約３％〜６％の固形物のレベルで水性スラリー中で組み合わせられる。反応性シリコーンはスラリーの中に追加され均一にブレンドされる。シリコーン中に存在する親水基は、シリコーンの一様な分布ならびにファイバーおよびフィラーのスラリー成分の充分な浸透および湿潤を促進する。

本明細書において対象となる隔壁または壁パネルは、通常鉱物繊維（鉱物綿またはガラス繊維等）であるベースファイバーを含む。さらに、有機繊維（リサイクル新聞紙に由来するセルロース系繊維等）を使用することができる。フィラーは一般にパーライト、粘土、炭酸カルシウムまたはスタッコである。バインダーは典型的にはデンプン、ラテックスまたは類似の材料である。これらの材料または成分は典型的には、水性スラリー中で組み合わされ、上記のような水フェルト化プロセスにおいて処理される。

水ベースの接着剤を使用する壁カバーのその後の適用の間に遭遇する接着問題を解決するために、多数の撥水剤またはサイジング剤を評価した。さらに、ＶＯＣおよびホルムアルデヒドのプロセッシングおよび最終使用のレベルに対する撥水剤またはサイジング剤の寄与を決定した。評価した薬剤は以下の商業的に入手可能な製品を含む。
・イミダゾリドンＡ−イミダゾリドン反応性サイジング。サイジングは４５％の固形物を含有する乳化物として供給され、乾燥ストック重量に基づいて約０．７５％の添加率で評価された。
・イミダゾリドンＢ−イミダゾリドン反応性サイジング。このサイジングは３０％の固形物を含有する乳化物として供給され、乾燥ストック重量に基づいて約１．１２５％の添加率で評価された。
・ＳＩＬＲＥＳ ＢＳ １０４２は６０％の固形物を含有する乳化物としてＷａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧによって供給された反応性ＰＤＭＳである。シリコーンはα−イソ−トリデシル−オメガ−ヒドロキシポリグリコールエーテル側鎖を有し、硬化副産物は水である。
・ＳＩＬＲＥＳ ＢＳ １３０６も５５％の固形物を含有する乳化物としてＷａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧによって供給された反応性ＰＤＭＳである。シリコーンにはα−イソ−トリデシル−オメガ−ヒドロキシポリグリコールエーテル側鎖およびアミノ官能性側鎖を有する。硬化副産物はメタノールである。
・パラフィンワックスＡ−非硬化パラフィンワックス乳化物。
・パラフィンワックスＢ−非硬化パラフィンワックス乳化物。

Ｔａｐｐｉボードを製作する手順
３つの壁パネルＴａｐｐｉボードを以下の配合を使用して調製した。３５％の鉱物綿；３０％のパーライト；１８％のリサイクル新聞紙；１３％のトウモロコシデンプンおよび４％の粘土。ストック稠度は４．５％の固形物であり、０．０８％の羊毛状のものをスラリーに追加した。ボードは０．５’’の厚みおよび１７ポンド／フィート^３（ｐｃｆ）の標的密度で形成された。異なるグレードの壁パネルは、１６ｐｃｆ〜２４ｐｃｆにわたる製品密度および約３／８’’〜約３／４’’にわたる厚みに従ってシミュレートすることができる。

Ｔａｐｐｉボードを形成した後、湿潤ボードを６００°Ｆで４５分間空気循環オーブン中で乾燥させた。その後は、乾燥は３時間３００°Ｆで完了した。Ｔａｐｐｉボードは３’’×１０’’および４’’×４’’サンプルへと切断され試験された。

試験手順
ＭＯＲおよびボール硬度測定はＡＰＬ Ｉｎｓｔｒｏｎ（モデル１１３０）にて実行された。３’’×１０’’サンプルをＭＯＲ測定のために使用した。硬度試験において、２’’の直径の鋼ボールを１／８’’の深度までボードの中へ一定率で圧迫し、最大力を報告する。

４’’×４’’の正方形サンプルを吸水試験のために使用した。サンプルを最初に個別に秤量し、次いで７０°Ｆの水道水中に浸漬し、水面のおよそ６〜８インチ下の深度で１時間保持した。１時間後に、サンプルを水から取り込み、過剰な表面水を乾燥したペーパータオルにより軽く叩くことによって除去した後に、再秤量した。

吸水の絶対量は、各々のサンプルについての浸漬前後の重量差異として表現される。パーセント吸水は、試験サンプルのもとの乾燥重量と比較した吸収された水のパーセントである。

試験結果を以下の表１中で報告する。

表１を参照すると、全体的な試験結果から、用いられた少ない濃度でさえ撥水剤としてのシリコーンの有効性が示される。さらに、対照およびワックスベースの製品と比較してＭＯＲ値の増加がある。シリコーンは、ボードの物理的特性に悪影響を及ぼさなかった。

３つのＴａｐｐｉボードを上記のように調製して、ＶＯＣのプロセッシングおよび最終製品レベル特徴を評価した。ボード組成物は以下の成分を含んでいた。３５％の鉱物綿；３０％のパーライト；１８％のリサイクル新聞紙；１３％のトウモロコシデンプンおよび４％の粘土。ストック稠度は４．５％の固形物であり、およそ０．０８％の羊毛状のものを追加した。ボードは０．５’’の厚みおよび２３ポンド／フィート^３（ｐｃｆ）の標的密度で形成された。この配合を変動させて、撥水剤を含有しないＴａｐｐｉボードサンプル１、０．４５％のイミダゾリドンＡを含有するＴａｐｐｉボードサンプル２、および０．１２％のＳＩＬＲＥＳ ＢＳ １０４２を含有するＴａｐｐｉボードサンプル３を提供した。

湿潤Ｔａｐｐｉボードを形成した後に、３．６２５’’×５．５’’のサンプルを各々のボードから切断し、密封したプラスティック容器中に配置し、ＶＯＣ放出測定前に約４０Ｆ°で冷蔵庫中で保存した。

様々な薬剤のＶＯＣ寄与を測定する目的のために、ＡＲＣＡＤＩＳブランドオーブン系を使用した。オーブン系は、分析のためのオーブン空気の捕捉をともなう、小さな（例えば４’’×６’’）パネルサンプルの収容および乾燥のために電気的に加熱するキャビネットからなる。その目的のために、オーブン系は、全炭化水素含有量（ＴＨＣ）の測定のために解析器／検知器へのサンプル排出と共にオーブン空気を送達するための空気輸送系も含む。水は全ＴＨＣ中に含まれない。

各々のＴａｐｐｉボードサンプルを同じ場所でオーブン中で配置して、比較において不均等な加熱の効果を回避する。全炭化水素含有量（ＴＨＣ）濃度を、各々のサンプルについて約２時間および５分間の全試験継続期間の間の乾燥プロセスを通して測定した。ｐｐｍにおけるＴＨＣ濃度を秒における乾燥時間に対してプロットした。全体的なＶＯＣ排出は、ＴＨＣ曲線ｖｓ秒における乾燥時間下の面積と等しいと考えられる。以下の表２中で、全体的なＶＯＣ排出をｐｐｍ−ｓにおいて以下に報告する。

対照サンプル１と比較して、サンプル２（０．３４％のイミダゾリドンＡを含有する）およびサンプル３（０．１２％のＳＩＬＲＥＳ ＢＳ １０４２を含有する）は、ＶＯＣの増加を示した。しかしながら、ＶＯＣ増加の程度はサンプル２よりもサンプル３についてはるかに少なかった。したがって、撥水性シリコーンの添加は乾燥プロセスの間のＶＯＣを増加させることが見出されるが、それにはわずかな増加のみであるので、ＳＩＬＲＥＳ ＢＳ １０４２は好ましい。試験しなかったが、それらは化学的に類似して、似た添加率を要求するので、イミダゾリドンＢはイミダゾリドンＡに類似するＶＯＣの増加を有するであろうことが期待される。示されるように、ＢＳ １０４２はイミダゾリドンＡと比較して減少したＶＯＣ量を提供する。

試作生産工場の操業により、イミダゾリドン反応性イミダゾリドンＢの生産使用にわたる反応性シリコーンの優れた性能が確認された。試作操業において、スラリーを生産水フェルト化ライン上でプロセシングして、ＢＳ １０４２およびイミダゾリドンＢを比較した。上記の好ましい範囲内で鉱物綿、パーライト、リサイクル新聞紙、トウモロコシデンプンおよび粘土の典型的なパーセンテージを含むスラリー組成物を調製した。ストック稠度は４．５％の固形物であり、同一の羊毛状のものを比較されるスラリーに添加した。

１３００ガロン／分（ｇｐｍ）のスラリーフロー率を使用した。試作操業において、ＢＳ １０４２（６０％の％固形物）を０．１５ｇｐｍの率で追加し、反応性シリコーンはスラリー中に存在する全固形物に基づいて１．５重量％の濃度で追加されると見なされる。比較の対照操業において、イミダゾリドンＢ（３０％の固形物）を０．４０ｇｐｍの率でＢＳ １０４２の代わりに追加した。各々の事例において、約７５０００ｆｔ^２の壁ボードは、０．５’’と等しい厚みおよび２３ｐｃｆの密度の標的規格で生産された。（これらの規格は商品の１つの形態に対応し、上で指摘されるように、他の商品は異なる厚みおよび密度を有することができる。）

工場排気系は、撥水性薬剤の使用により従来関連する青いもやの同定のために生産の間にモニタリングされた。青いもやは、ＢＳ １０４２に関して上で観察された少ないＴＨＣと一致して、工場排気中で検出されなかった。

工場試験の間の観察されたさらなる長所は、シリコーン添加物を取り込んでいる壁ボードの生産の間のスラリー中の泡生成の減少である。典型的には、スラリープロセッシングは消泡剤を添加したときでさえ泡蓄積をもたらす。シリコーン薬剤は消泡剤を支援して、他の撥水薬剤（イミダゾリドンＢ等）の使用により要求される消泡剤添加物の量の除去および／または低下を可能にする。

標準的な品質管理試験を試作操業材料および対照材料に関して実行した。試験結果を表３中で以下に報告する。

指摘されるように、ＢＳ １０４２はイミダゾリドンＢと比較して、はるかに高いＭＯＲ結果をもたらす。シリコーンの反応性側鎖は強度の改善と関連すると考えられる。シリコーンの親水性側鎖は水性スラリーによってベースマット構造の浸透および湿潤の改善を引き起こすことができ、それによって互いのベースマット成分と硬化したシリコーンとの間の連結を促進する。

この開示が例示のためであり、様々な変更は、この開示中に含まれる教示の適正な範囲から逸脱せずに、細部の追加、修飾または削除によって行なえることが明らかである。それゆえ、本発明は、以下の請求項により必ずそのように限定されている程度以外は、この開示の特定の細目に限定されていない。

Claims (10)

1. 水ベースの接着剤による壁カバーの適用のために増加した撥水性を有する隔壁であって、硬化およびスラリー成分との相互作用のために水性スラリーの全体にわたって均一に分散させたファイバー、フィラー、バインダーおよび反応性シリコーン化合物の水性スラリーから形成され、それによって水性スラリーから形成された隔壁が増加した撥水性を有し、それによって水ベースの接着剤の適用に際して水の吸収力を減少させ、反応性シリコーンについて以外は同じ成分から同一に形成された隔壁と比較して、もたらされた隔壁への壁カバーの接着を促進する、隔壁。
2. 前記反応性シリコーンが、水性スラリー中の固形物の全重量に基づいて、約０．０２重量％〜約０．５％重量％の量で存在するポリジメチルシロキサンである、請求項１に記載の隔壁。
3. 前記反応性シリコーンが、硬化副産物として水を有するポリジメチルシロキサンである、請求項１に記載の隔壁。
4. 前記ファイバーが鉱物綿、ガラス繊維およびセルロース系繊維からなる群から選択され、前記フィラーがパーライト、炭酸カルシウムおよび粘土およびスタッコからなる群から選択され、前記バインダーがデンプンおよびラテックスからなる群から選択され、前記反応性シリコーンがポリエーテル側鎖を備えたポリジメチルシロキサンである、請求項１に記載の隔壁。
5. 水性スラリーの全体にわたって均一に分散させたファイバー、フィラー、バインダーおよび反応性シリコーン化合物の水性スラリーの乾燥製品を含む吸音建築材料であって、前記シリコーンが硬化およびスラリー成分と相互作用し、それによって反応性シリコーンについて以外は同じ成分から同一に形成された吸音建築材料と比較して、増加した撥水性および増加した機械的特性を有する、吸音建築材料。
6. 前記反応性シリコーンが、水性スラリー中の固形物の全重量に基づいて、約０．０２重量％〜約０．５重量％の量で存在するポリジメチルシロキサンである、請求項５に記載の建築材料。
7. 前記反応性シリコーンが、硬化副産物として水を有するポリジメチルシロキサンである、請求項５に記載の建築材料。
8. ファイバー、フィラー、バインダーおよび反応性シリコーンを含む水性スラリーを形成すること、前記反応性シリコーンを前記水性スラリー中で均一に分散させること、前記反応性シリコーンが鉱物繊維、フィラーおよびバインダーの湿潤および浸透を改善する傾向のある親水性側鎖を含むこと、ならびに前記スラリーを脱水および乾燥させて、反応性シリコーンについて以外は同じ成分から同一に形成された吸音材料と比較して増加した撥水性を備えた前記吸音材料を形成することを含む、水フェルト化プロセスにおいて吸音建築材料を製作するための連続プロセス。
9. 前記反応性シリコーンが、前記成分と相互作用して、反応性シリコーンについて以外は同じ成分から同一に形成された吸音材と比較して増加した機械的特性を備えた前記吸音材料を提供する、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記反応性シリコーンが、水性スラリー中で固形物の全重量に基づいて、約０．０２重量％〜約０．５重量％の量で存在するポリジメチルシロキサンである、請求項９に記載のプロセス。