JP6196477B2 - 軽量石膏ボード及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この出願は２００６年１１月２日出願の米国特許出願第１１／５９２，４８１号明細書の一部継続出願であって、これは２００６年６月７日出願の米国特許出願第１１／４４９，１７７号明細書の一部継続出願であって、および、これはまた、２００６年６月２日出願の米国特許出願第１１／４４５，９０６号明細書の一部継続出願であって、これらの各々は、２００５年６月９日に出願の米国仮特許出願第６０／６８８，８３９号明細書の利益を主張する。前述の特許出願の各々の全開示は、参照により本明細書に援用されている。
本発明は、強化高密度化表面を備える著しく厚い壁を有する大型の気泡を含む微小構造を有する軽量石膏ウォールボードに関する。本発明はまた、この微小構造を有する軽量ウォールボードを形成する方法に関する。
石膏（硫酸カルシウム二水和物）は、一定の特性により、石膏ウォールボードなどの工業製品および建築製品の形成における使用にきわめて一般的とされている。石膏は豊富であると共に一般に安価な原料であり、これは、脱水プロセスおよび再水和プロセスを介して、有用な形状に、キャストされ、成形され、または、他の方法で形成されることが可能である。石膏ウォールボードおよび他の石膏製品が形成される基材は、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）の二水和物形態の熱転換により１−１／２水分子が除去されて製造される、通例「スタッコ」と呼ばれる硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ）の半水和物形態である。
石膏ウォールボードなどの従来の石膏含有製品は低価格および易加工性などの多くの利点を有するが、製品が切断またはドリルされると相当量の石膏粉塵が生成される可能性がある。このような製品の形成に用いられるスラリーにおける処方成分としてデンプンを用いる石膏含有製品の形成において種々の改良が達成されてきている。のりのようなアルファ化デンプンは、石膏ウォールボードを含む石膏含有製品の曲げ強さおよび圧縮強度を高めることが可能である。公知の石膏ウォールボードがデンプンを約１０ｌｂｓ／ＭＳＦ未満のレベルで含有する。
スラリーの適切な流動性を確保するために、アルファ化デンプンを含有する石膏スラリー中において相当量の水を用いる必要もある。残念ながら、この水のほとんどは最終的には乾燥により除去されなければならず、これは、乾燥プロセスにおいて用いられる燃料のコストが高いために費用がかかる。この乾燥ステップはまた長い時間を要する。ナフタレンスルホン酸分散剤の使用はスラリーの流動度を高めることが可能であり、それ故、水要求量の問題が克服されることが見出された。加えて、使用レベルが十分に高い場合には、
ナフタレンスルホン酸分散剤はアルファ化デンプンと架橋して、乾燥後に石膏結晶に一緒に結合することが可能であり、それ故、石膏複合体の乾燥強度を高めることが可能であることもまた見出された。それ故、アルファ化デンプンとナフタレンスルホン酸分散剤との組み合わせは、固化した石膏結晶を一緒に結合するのり様効果をもたらす。トリメタリン酸塩は、石膏スラリーの水要求量に影響を与えると過去においては認識されていない。しかしながら、本発明者らは、特定の分散剤の存在下にトリメタリン酸塩のレベルをこれまで知られていないレベルにまで高めることで、高デンプンレベルの存在下であっても予想外に少ない水の量で適切なスラリー流動性を達成することが可能となることを発見した。
これは、次いで、乾燥のための燃料使用量が低減され、ならびに、その後の水除去プロセスステップに関連するプロセス時間が短縮されるために、当然のことながら非常に望ましい。それ故、本発明者らはまた、石膏ボードの乾燥強度は、ウォールボードの形成に用いられるスラリーにおいて、ナフタレンスルホン酸分散剤をアルファ化デンプンと組み合わせて用いることにより増大させることが可能であることも発見した。
本発明の石膏ウォールボードは、表面板を有さない吸音板またはタイルとは区別されるべきである。また、本発明のウォールボードは、ポリスチレンを軽量凝集体として含む吸音板またはタイルとは区別されるべきである。重要なことに、前述の吸音板およびタイルは、石膏ウォールボードに適用されるＡＳＴＭ規格の多くに適合しない。例えば、公知の吸音板は、本発明のものを含む石膏ウォールボードに要求される曲げ強さは有さない。反対に、吸音板またはタイルをＡＳＴＭ規格に適合させるためには、吸音板またはタイルの露出した表面が、石膏ウォールボードには望ましくないであろう中空の気泡または凹部を有することが求められ、釘引抜き耐性および表面硬度特性に悪影響を及ぼすであろう。
粉塵の発生が、すべてのウォールボードを設置する際の潜在的な問題である。石膏ウォールボードが、例えば、切断、鋸引き、ルータ加工、スナッピング、釘打あるいはねじ込み、またはドリリングにより加工される場合、相当の量の石膏粉塵が発生する可能性がある。本開示の目的に関して、「粉立（ｄｕｓｔｉｎｇ）」および「粉塵発生」とは、例えば、ウォールボードの切断、鋸引き、ルータ加工、けがき／スナッピング、釘打あるいはねじ込み、またはドリリングによる石膏含有製品の加工の最中の、風媒性の粉塵の周囲の作業空間への放出を意味する。加工はまた、一般に、通常のボードの取り扱いを含むことが可能であり、輸送、運搬および設置中のボードの偶発的なスナッピングおよびガウジングで生じる粉塵が含まれる。このような粉塵発生が顕著に低減された低密度ウォールボードを製造するための方法を見出すことができれば、これは、技術分野に対する特に有用な寄与を表すであろう。
しかも、ボード重量を軽量化しながら石膏ウォールボードの強度を高める方法を見出すことができれば、これもまた、技術分野に対する特に有用な寄与となろう。公知のウォールボード製品中の気泡は、気泡間の壁厚が平均約２０〜３０ミクロンであって比較的薄い壁を有する。増大された厚さの壁および強化高密度化表面、従って、高い壁強度を有する気泡を含む微小構造を有する、新規のジャンルの石膏ウォールボードを提供することが可能であれば、当該技術分野に対する重要で、かつ、有用な寄与がなされるであろう。さらに、気泡間の壁の厚さおよび表面密度を増加させながら気泡サイズを大きくして、高い強度および取り扱い特性を有する低密度ウォールボードを製造する方法を見出すことができれば、これは、技術分野に対するさらに他の重要な寄与を表すこととなる。
本発明は、一般に、２枚の実質的に平行なカバーシートの間に形成された固化石膏コアを含む軽量石膏ウォールボードを含み、固化石膏コアは、少なくとも約３０ミクロン〜約２００ミクロンの平均厚および強化高密度化表面を有する壁を備える、固化石膏コア全体にわたって分散された気泡を有する。固化石膏コアは、水、スタッコ、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約１０重量％の量で存在するアルファ化デンプン、スタッコの重量に基づいて約０．２重量％〜約２重量％の量で存在するナフタレンスルホン酸分散剤、スタッコの重量に基づいて約０．１重量％〜約０．４重量％の量で存在するトリメタリン酸ナトリウム、および任意により、スタッコの重量に基づいて約０．２重量％以下の量で存在するガラス繊維を含む石膏含有スラリーから形成されている。最後に、石鹸の泡が、約２７ｐｃｆ〜約３０ｐｃｆの固化石膏コア密度をもたらすために効果的な量で存在するであろう。「ｐｃｆ」という用語は、１立方フィート当たりのポンド（ｌｂ／ｆｔ３）として定義される。
本発明に基づいて形成された石膏ウォールボードは、高い強度を有しながら、従来のウォールボードよりもかなり軽い重量を有する。加えて、本発明の実施形態に基づいて形成された軽量石膏ウォールボードは、ウォールボードコアの微小構造を一緒に強化する強化された表面を有する著しく厚い壁を有する大型の気泡を有し、際立った強度および取り扱い特性を有するウォールボードを提供することが見出された。加えて、際立った強度および取り扱い特性を有するこのような軽量石膏ボードの形成方法を説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す１５×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：０８）の走査型電子顕微鏡写真である。 図２は、本発明の一実施形態を示す１５×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：３０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図３は、本発明の一実施形態を示す１５×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図４は、本発明の一実施形態を示す５０×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：０８）の走査型電子顕微鏡写真である。 図５は、本発明の一実施形態を示す５０×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：３０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図６は、本発明の一実施形態を示す５０×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図７は、本発明の一実施形態を示す５００×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図８は、本発明の一実施形態を示す２，５００×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図９は、本発明の一実施形態を示す１０，０００×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図１０は、本発明の一実施形態を示す１０，０００×倍率でのキャスト石膏キューブサンプル（１１：５０）の走査型電子顕微鏡写真である。 図１１は、固化石膏コアにおける気泡分布、気泡サイズ、気泡間の平均壁厚および壁の強化された表面を示す、１５×倍率での対照ボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１２は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡分布、気泡サイズ、気泡間の平均壁厚および壁の強化された表面を示す、１５×倍率での本発明に基づくウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１３は、固化石膏コアにおける気泡分布、気泡サイズ、気泡間の平均壁厚および壁の強化された表面を示す、５０×倍率での図１１の対照ボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１４は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡分布、気泡サイズ、気泡間の平均壁厚および壁の強化された表面を示す、５０×倍率での図１２のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１５は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡間の平均壁厚および微小構造特徴を示す、５００×倍率での図１２のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１６は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡間の平均壁厚および微小構造特徴を示す、２５０×倍率での図１２のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１７は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡間の平均壁厚および微小構造特徴を示す、５００×倍率での図１６のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１８は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡間の平均壁厚および微小構造特徴を示す、１，０００×倍率での図１６のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。 図１９は、本発明の実施形態に基づく固化石膏コアにおける気泡間の平均壁厚および微小構造特徴を示す、２，５００×倍率での図１６のウォールボードのサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。
スタッコ、アルファ化デンプン、ナフタレンスルホン酸分散剤、トリメタリン酸ナトリウム、任意によりガラス繊維、および適切な量の石鹸の泡を含む石膏含有スラリーを用いて形成された石膏ウォールボードは大きい気泡容積をもたらし、ここで、気泡を囲う（従って、気泡の間の）壁は、実質的により厚いと共に強化された表面を有し、従って、従来のウォールボード中に見られる気泡よりも強いことが予想外に見出された。大きい気泡容積はボード密度および重量を低減させると共に、より厚い強化された壁は、固化石膏コアの微小構造を強化することによってウォールボードをより強くする。その結果、本発明に基づいて形成された仕上軽量ウォールボードは、際立った釘引抜き強度、曲げ強さ、コア／エッジ硬度、および他の非常に望ましい特性を有する。さらに、好ましい一実施形態において、本発明に基づいて形成された１／２インチ仕上軽量石膏ウォールボードの乾燥重量は、約２７ｐｃｆ〜約３０ｐｃｆの低ボードコア密度を有して、約１１５０ｌｂ／ＭＳＦ〜約１２６０ｌｂ／ＭＳＦの範囲であることが可能である。
石鹸の泡の導入は、平均で、直径約１００ミクロン未満であるが、一般に、直径約１０ミクロン超、および、好ましくは直径約２０ミクロン超、およびより好ましくは直径約５０ミクロン超であることが可能である小さな気泡（バブル）をもたらす。本発明は、これらの小さいエアバブルが、蒸発性の水泡（一般に直径約５ミクロン以下、通常は直径約２ミクロン未満）と共に、一般に、仕上ウォールボード製品における固化石膏コア全体に均等に分布されていることを必要とする。例えば、固化石膏コアは約７５％〜約９５％、および、好ましくは約８０％〜約９２％の総気泡容積を有することが可能であり、ここで、
総気泡容積の少なくとも６０％が約１０ミクロン超の平均直径を有する気泡を含み、総気泡容積の少なくとも１０％が約５ミクロン未満の平均直径を有する水泡を含む。気泡および水泡として約８０％〜約９２％の固化石膏コアの総気泡容積（総コア気泡容積）を有する、この様式で調製された低密度ボードコアは、粉塵発生が顕著に低減されると共に風媒性とならないように、ボードの切断、鋸引き、ルータ加工、スナッピング、釘打あるいはねじ込み、またはドリリングに曝された気泡中に、相当の量の微細な粉塵および他のデブリを捕捉すると考えられている。より好ましくは、本ウォールボードの固化石膏コアは、
平均で直径約５０ミクロン〜直径約３００ミクロンの範囲にある気泡を有することが可能である。
一実施形態においては、気泡の壁は、平均で、平均厚約３０ミクロン超、約２００ミクロン以下を有する。好ましくは、気泡の壁厚は、平均で少なくとも約５０ミクロンである。より好ましくは、気泡の壁厚は、平均で、約７０ミクロン〜約１２０ミクロンである。
加えて、図１５〜１９に示されているとおり、より小さい結晶サイズ（特にきわめて小さい、きわめて微細な針としての）および結晶のより高密度の充填は、より厚い気泡壁を形成する役割を有する。
壁の表面の強化は、アルファ化デンプン／分散剤／トリメタリン酸ナトリウムが、ボードの最初の乾燥の最中に気泡表面に移行して壁表面の針の隙間を埋め、これにより、表面を緻密化することでもたらされると考えられている。これは固化石膏コアの微小構造を強化し、高い強度および増強された取り扱い特質を有するウォールボードをもたらす。得られる強化高密度化表面は、例えば、図１５中の「Ａ」で見ることが可能であり、ここで、
図示された高密度化領域は壁の表面に沿って延びる。この強化された表面は、移行したアルファ化デンプン、分散剤、およびトリメタリン酸ナトリウムを含むと考えられている一方で、本発明者らは、この説明に束縛されることは意図しておらず、強化された表面はこれらの物質の全３種未満を含んでいてもよく、実際に、異なる供給源またはメカニズムに由来していてもよいと認識する。
好ましい実施形態において、軽量石膏ウォールボードは、２枚の実質的に平行なカバーシートの間に形成された固化石膏コア、固化石膏コア全体にわたって分散された気泡を有する固化石膏コアを含み、気泡は、強化高密度化表面を有する厚くされた壁により画定されている。好ましい固化石膏コアは、水、スタッコ、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約１０重量％の量で存在するアルファ化デンプン、スタッコの重量に基づいて約０．２重量％〜約２重量％の量で存在するナフタレンスルホン酸分散剤、スタッコの重量に基づいて約０．１重量％〜約０．４重量％の量で存在するトリメタリン酸ナトリウム、
および任意によりスタッコの重量に基づいて約０．２重量％以下の量で存在するガラス繊維を含む石膏含有スラリーから形成されている。
硫酸カルシウム半水和物（スタッコ）の再水和および結果的な硬化は、特定の理論量の水（１−１／２モル水／１モルのスタッコ）を、硫酸カルシウム二水和物結晶を形成するために必要とする。しかしながら、商業的プロセスは、一般に、過剰量の水を要求する。
この過剰量のプロセス水は、一般に実質的に不規則な形状であると共に、他の水泡と相互に連続もしている石膏結晶マトリックス中に蒸発性の水泡をもたらして、固化石膏結晶の間の一般に連続的なネットワーク中に不規則なチャネルを形成する。対照的に、気泡（バブル）は、石鹸の泡を用いて石膏スラリー中に導入される。これらの気泡は、一般に、球状／丸い形状であると共に、一般に他の気泡からは分離されていて、それ故、一般に非連続的でもある。これらの水泡は、気泡の壁中に分布されていることが可能である（例えば、図８〜１０を参照のこと）。
粉塵捕捉の効力は固化石膏コアの組成に応じる。ナフタレンスルホン酸分散剤は、使用レベルが十分に高ければ、アルファ化デンプンに架橋して乾燥後に石膏結晶を一緒に結合し、それ故、石膏複合体の乾燥強度を高めることが可能であることが見出された。
さらに、ここにきて、アルファ化デンプンとナフタレンスルホン酸分散剤との組み合わせ（有機相）は、固化石膏結晶を一緒に結合する際にのり様効果をもたらし、ならびに、
この配合物が特定の気泡容積および気泡分布と組み合わされる場合、仕上ウォールボードのけがき／スナッピングの際にはより大きなサイズの破片が発生することが、予想外に見出された。この結果は、本発明の増大された壁厚および強化された高密度化壁表面微小構造によってさらに強調される。より大きな石膏破片は、一般に、風媒性の低い粉塵をもたらす。対照的に、従来のウォールボード配合物が用いられる場合、より小さな破片が発生し、それ故、より多くの粉塵が発生する。例えば、従来のウォールボードは、鋸での切断の際に、約２０〜３０ミクロンの平均直径、および、約１ミクロンの最小直径を有する粉塵破片を発生させる可能性がある。対照的に、本発明の石膏ウォールボードは、鋸での切断の際に、約３０〜５０ミクロンの平均直径、および、約２ミクロンの最小直径を有する粉塵破片を発生させ；けがき／スナッピングは、さらに大きな破片をもたらすことが可能である。
より軟質のウォールボードにおいては、粉塵は、水泡および気泡の両方において捕捉されることが可能である（例えば、単一の結晶粉塵としての小さい石膏針の捕捉）。より硬質のウォールボードは、固化石膏コアのより大きな塊または破片がこれらのボードの加工で発生するために、気泡における粉塵の捕捉が好まれる。この場合、粉塵破片は水泡に対しては大きすぎるが、気泡中には閉じ込められる。本発明の一実施形態によれば、固化石膏コア中における好ましい気泡／孔径分布を導入することにより、粉塵の捕捉の増大を達成することが可能である。空気および水泡の分布として、小さいおよび大きい気泡サイズの分布を有することが好ましい。一実施形態においては、好ましい気泡分布は、石鹸の泡を用いて調製することが可能である。以下の実施例６および７を参照のこと。
固化石膏コア中の気泡（約１０ミクロン超）対水泡（約５ミクロン未満）の比は、約１．８：１〜約９：１の範囲であることが可能である。固化石膏コア中の気泡（約１０ミクロン超）対水泡（約５ミクロン未満）の好ましい比は、約２：１〜約３：１の範囲であることが可能である。一実施形態においては、固化石膏コア中の気泡／孔径分布は、計測された全気泡のパーセンテージとして、約１０〜３０％の約５ミクロン未満の気泡〜約７０〜９０％の約１０ミクロン超の気泡の範囲であるべきである。換言すると、固化石膏コア中の気泡（１０ミクロン超）対水泡（５ミクロン未満）の比は、約２．３：１〜約９：１の範囲である。好ましい実施形態において、固化石膏コア中の気泡／孔径分布は、計測された全気泡のパーセンテージとしての、約３０〜３５％の約５ミクロン未満の気泡〜約６５〜７０％の約１０ミクロン超の気泡の範囲であるべきである。換言すると、固化石膏コア中の気泡（１０ミクロン超）対水泡（５ミクロン未満）の比は約１．８：１〜約２．３：１の範囲である。
平均気泡（バブル）サイズは直径約１００ミクロン未満であることが好ましい。好ましい実施形態において、固化石膏コア中の気泡／孔径分布は：約１００ミクロン超（２０％）、約５０ミクロン〜約１００ミクロン（３０％）、および約５０ミクロン未満（５０％）である。すなわち、好ましい気泡／孔径中央値は約５０ミクロンである。
気泡は、発泡低密度固化石膏コアとカバーシートとの間の結合強度を低減させる可能性がある。容積基準で複合体石膏ボードの半分超が泡による気泡から構成され得るため、泡は、発泡低密度固化石膏コアと紙カバーシートとの間の接合に干渉する可能性がある。これは、上面カバーシートあるいは底面カバーシートの一方、または、上面カバーシートおよび底面カバーシートの両方の石膏コア接触面上に、これらのカバーシートのコアへの適用に先立って、非発泡（または低発泡）接合性高密度層を任意により設けることにより対処される。この非発泡、代替的には、低発泡接合性高密度層配合物は、典型的には、石鹸がまったく添加されないか、または、実質的に少ない量の石鹸（泡）が添加されることとなること以外は、石膏スラリーコア配合物と同一となる。任意により、この接合性層を形成するために、泡をコア配合物から機械的に除去することが可能であり、または、異なる無泡配合物を発泡低密度固化石膏コア／表紙界面に適用することが可能である。
石鹸泡は、固化石膏コアにおける気泡（バブル）サイズおよび分布を導入することおよび制御すること、ならびに、固化石膏コアの密度を制御することが好ましい。石鹸の好ましい範囲は、約０．２ｌｂ／ＭＳＦ〜約０．７ｌｂ／ＭＳＦであり；石鹸のより好ましいレベルは約０．４５ｌｂ／ＭＳＦ〜約０．５ｌｂ／ＭＳＦである。
石鹸泡は、所望の密度をもたらすために効果的な量、および、制御された様式で添加されなければならない。プロセスを制御するために、オペレータは、ボード形成ラインのヘッドを監視して、エンベロープの充填状態を維持しなければならない。エンベロープの充填状態が維持されない場合には、スラリーは必要な容積を充填することができないために、中空のエッジを有するウォールボードがもたらされてしまう。エンベロープ容積の充填状態は、石鹸の使用量を増やして、ボードの製造中のエアバブルの破裂を防止（エアバブルのより良好な保持のために）することにより、または、空気発泡速度を高めることにより維持される。それ故、一般に、エンベロープ容積は、石鹸の使用量を増減することにより、または、空気発泡速度を増減することにより制御されると共に調節される。ヘッド制御の技術分野は、石鹸の泡を添加してスラリー容積を増加させることによる、または、石鹸の泡の使用量を増やしてスラリー容積を低減させることによる、テーブル上での「動的スラリー」への調節を含む。
本発明の一実施形態によれば、スタッコ、アルファ化デンプン、およびナフタレンスルホン酸分散剤を含有する石膏含有スラリーから形成された仕上石膏含有製品が提供されている。ナフタレンスルホン酸分散剤は、乾燥スタッコの重量に基づいて約０．１％〜３．０重量％の量で存在する。アルファ化デンプンは、配合物中の乾燥スタッコの重量に基づいて少なくとも約０．５重量％以下〜約１０重量％の量で存在する。スラリー中において用いられ得る他の処方成分としては、バインダ、防水剤、紙繊維、ガラス繊維、クレイ、
殺生剤、および促進剤が挙げられる。本発明は、新たに配合された石膏含有スラリーに石鹸の泡を添加して、例えば石膏ウォールボードといった仕上石膏含有製品の密度を低減させること、ならびに、固化石膏コア中の小さい気泡（バブル）および水泡の形態での、約７５％〜約９５％、および、好ましくは約８０％〜約９２％の総気泡容積の導入により粉立を制御することが必要である。好ましくは、平均孔径分布は、約１ミクロン（水泡）〜約４０〜５０ミクロン（気泡）であろう。
場合により、約０．５重量％以下〜約１０重量％アルファ化デンプン、約０．１重量％以下〜約３．０重量％ナフタレンスルホン酸分散剤、および最低でも少なくとも約０．１２重量％以下〜約０．４重量％トリメタリン酸塩（すべては石膏スラリー中に用いられる乾燥スタッコの重量に基づく）の組み合わせは、石膏スラリーの流動度を予想外に、かつ、顕著に増加させる。これは、石膏ウォールボードなどの石膏含有製品の形成に用いられるために十分な流動性を有する石膏スラリーを製造するために必要とされる水の量を実質的に低減させる。標準的な配合物（トリメタリン酸ナトリウムとして）の少なくとも約２倍であるトリメタリン酸塩のレベルが、ナフタレンスルホン酸分散剤の分散剤活性を増進させると考えられている。
ナフタレンスルホン酸分散剤は、本発明に基づいて調製された石膏含有スラリー中に用いられなければならない。本発明において用いられるナフタレンスルホン酸分散剤としては、ナフタレンスルホン酸およびホルムアルデヒドの縮合物であるポリナフタレンスルホン酸およびその塩（ポリナフタレンスルホン酸塩）および誘導体が挙げられる。特に望ましいポリナフタレンスルホン酸塩としては、ナフタレンスルホン酸ナトリウムおよびカルシウムが挙げられる。ナフタレンスルホン酸塩の平均分子量は、約３，０００〜２７，０００の範囲であることが可能であるが、分子量は、約８，０００〜２２，０００であり、
より好ましくは分子量は約１２，０００〜１７，０００であることが好ましい。市販の製品としては、より高分子量の分散剤は、低分子量分散剤より高い粘度、および、より低固形分含有量を有する。有用なナフタレンスルホン酸塩としては、Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，ＯｈｉｏのＧＥＯ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製のＤＩＬＯＦＬＯ；Ｌｅｘｉｎｇｔｏｎ，ＭａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓのＨａｍｐｓｈｉｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．製のＤＡＸＡＤ；および、Ｌａｆａｙｅｔｔｅ，ＩｎｄｉａｎａのＧＥＯ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製のＬＯＭＡＲ Ｄが挙げられる。ナフタレンスルホン酸塩は、例えば３５〜５５重量％固形分含有量の範囲で水溶液として用いられることが好ましい。例えば約４０〜４５重量％固形分含有量の範囲で、水溶液の形態のナフタレンスルホン酸塩を用いることが最も好ましい。代替的に、適切な場合には、ナフタレンスルホン酸塩は、例えばＬＯＭＡＲ Ｄなどの乾燥固体または粉末形態で用いられることが可能である。
本発明において有用なポリナフタレンスルホン酸塩は、一般構造（Ｉ）：
を有し、式中、ｎは＞２であると共に、式中、Ｍはナトリウム、カリウム、カルシウム等である。
好ましくは約４５重量％水溶液としてのナフタレンスルホン酸分散剤は、石膏複合体配合物中に用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて約０．５％〜約３．０重量％の範囲で用いられ得る。ナフタレンスルホン酸分散剤のより好ましい範囲は、乾燥スタッコの重量に基づいて約０．５％〜約２．０重量％であり、および最も好ましい範囲は、乾燥スタッコの重量に基づいて約０．７％〜約２．０重量％である。対照的に、公知の石膏ウォールボードは、この分散剤を、乾燥スタッコの重量に基づいて約０．４重量％以下のレベルで含有する。
換言すると、ナフタレンスルホン酸分散剤は、乾燥重量基準で、石膏複合体配合物中に用いられ得る乾燥スタッコの重量に基づいて約０．１％〜約１．５重量％の範囲で用いられ得る。ナフタレンスルホン酸分散剤のより好ましい範囲は、乾燥固形分基準で、乾燥スタッコの重量に基づいて約０．２５％〜約０．７重量％であり、および、最も好ましい範囲（乾燥固形分基準で）は乾燥スタッコの重量に基づいて約０．３％〜約０．７重量％である。
石膏含有スラリーは、任意により、例えばトリメタリン酸ナトリウムといったトリメタリン酸塩を含有することが可能である。いずれかの好適な水溶性メタリン酸塩またはポリリン酸塩を本発明に基づいて用いることが可能である。２個のカチオンを有するトリメタリン酸塩である複塩を含む、トリメタリン酸塩が用いられることが好ましい。特に有用なトリメタリン酸塩としては、トリメタリン酸ナトリウム、トリメタリン酸カリウム、トリメタリン酸カルシウム、トリメタリン酸ナトリウムカルシウム、トリメタリン酸リチウム、トリメタリン酸アンモニウム等、またはこれらの組み合わせが挙げられる。好ましいトリメタリン酸塩はトリメタリン酸ナトリウムである。水溶液としてのトリメタリン酸塩を、例えば、約１０〜１５重量％固形分含有量の範囲で用いることが好ましい。本明細書において参照により援用される、Ｙｕらへの米国特許第６，４０９，８２５号明細書に記載されているとおり、他の環式または非環式ポリリン酸塩もまた用いられることが可能である。
トリメタリン酸ナトリウムは、一般に、石膏スラリー中に用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて約０．０５％〜約０．０８重量％の範囲で用いられるが、石膏含有組成物において公知の添加剤である。本発明の実施形態において、トリメタリン酸ナトリウム（または他の水溶性メタリン酸塩あるいはポリリン酸塩）は、石膏複合体配合物中に用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて約０．１０％〜約０．４重量％の範囲で存在することが可能である。トリメタリン酸ナトリウム（または他の水溶性メタリン酸塩またはポリリン酸塩）の好ましい範囲は、石膏複合体配合物中に用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて約０．１２％〜約０．３重量％である。
スタッコにはαおよびβの２種の形態がある。これらの２種のタイプのスタッコは、異なるか焼手段により生成される。本発明においては、スタッコのβまたはα形態のいずれが用いられてもよい。
特にアルファ化デンプンを含むデンプンが、本発明に基づいて調製される石膏含有スラリーにおいて用いられなければならない。好ましいアルファ化デンプンは、以下の典型的な分析値を有する例えばＳｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭｉｓｓｏｕｒｉのＢｕｎｇｅ Ｍｉｌｌｉｎｇ製のアルファ化コーンフラワーといったアルファ化コーンデンプンである：水分７．５％、タンパク質８．０％、油０．５％、粗繊維０．５％、灰分０．３％；０．４８ｐｓｉの生強度を有し；および３５．０ｌｂ／ｆｔ３の粗嵩密度を有する。アルファ化コーンデンプンは、石膏含有スラリーにおいて用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて少なくとも約０．５重量％以下〜約１０重量％の量で用いられるべきである。より好ましい実施形態において、アルファ化デンプンは、石膏含有スラリー中において用いられる乾燥スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約４重量％の量で存在する。
本発明者らは、乾燥強度（特にウォールボードにおける）の予想外の増加を、約０．１重量％〜３．０重量％ナフタレンスルホン酸分散剤の存在下に、少なくとも約０．５重量％以下〜約１０重量％アルファ化デンプン（好ましくはアルファ化コーンデンプン）を用いることにより達成することが可能であることをさらに発見した（デンプンおよびナフタレンスルホン酸レベルは、配合物中に存在する乾燥スタッコの重量に基づく）。この予想外の結果は、水溶性トリメタリン酸塩またはポリリン酸塩の存在に関わらず達成することが可能である。
加えて、アルファ化デンプンは、本発明に基づいて形成される乾燥石膏ウォールボードにおいて少なくとも約１０ｌｂ／ＭＳＦ以上のレベルで用いられることが可能であり、さらに、高い強度および低重量を達成することが可能であることが予想外に見出された。石膏ウォールボードにおける３５〜４５ｌｂ／ＭＳＦもの高さのレベルのアルファ化デンプンが効果的であることが証明されている。例として、以下の表１および２に示されている配合物Ｂは４５ｌｂ／ＭＳＦを含むが、それでもなお、優れた強度を有する１０４２ｌｂ／ＭＳＦのボード重量をもたらした。この例（配合物Ｂ）においては、４５重量％水溶液としてのナフタレンスルホン酸分散剤を１．２８重量％のレベルで用いた。
ナフタレンスルホン酸分散剤とトリメタリン酸塩との組み合わせが、アルファ化コーンデンプン、および、任意により、紙繊維またはガラス繊維と組み合わされる場合に、本発明ではさらなる予想外の結果が達成され得る。これらの３種の処方成分を含有する配合物から形成された石膏ウォールボードは、高い強度および低い重量を有すると共に、製造における水要求量が少ないために経済的により望ましい。紙繊維の有用なレベルは、乾燥スタッコの重量に基づいて約２重量％以下の範囲であることが可能である。ガラス繊維の有用なレベルは、乾燥スタッコの重量に基づいて約２重量％以下の範囲であることが可能である。
本明細書において参照により援用されるＹｕらへの米国特許第６，４０９，８２５号明細書に記載のとおり、促進剤を、本発明の石膏含有組成物において用いることが可能である。１種の望ましい耐熱性促進剤（ＨＲＡ）は、粉末石膏（硫酸カルシウム二水和物）の乾式粉砕から形成されることが可能である。糖質、ブドウ糖、硼酸、およびデンプンなどの少量の添加剤（通常は約５重量％）をこのＨＲＡを形成するために用いることが可能である。現在では糖質、またはブドウ糖が好ましい。他の有用な促進剤は、本明細書において参照により援用される米国特許第３，５７３，９４７号明細書に記載されている「天候安定性促進剤」または「天候安定促進剤」（ＣＳＡ）である。
水／スタッコ（ｗ／ｓ）比は、過剰量の水は最終的には加熱により除去されなければならないために重要なパラメータである。本発明の実施形態において、好ましいｗ／ｓ比は約０．７〜約１．３である。
他の石膏スラリー添加剤としては、促進剤、バインダ、防水剤、紙繊維またはガラス繊維、クレイ、殺生剤、および他の公知の構成成分を挙げることが可能である。
カバーシートは従来の石膏ウォールボードにあるような紙で形成されていてもよいが、
当該技術分野において公知である他の有用なカバーシート材料（例えば、繊維状ガラスマット）が用いられてもよい。紙カバーシートは石膏ウォールボードに強度特質をもたらす。有用カバーシート紙としては、Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩｌｌｉｎｏｉｓのＵｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｙｐｓｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＭａｎｉｌａ ７−ｐｌｙおよびＮｅｗｓ−Ｌｉｎｅ ５−ｐｌｙ；Ｎｅｗｐｏｒｔ，ＩｎｄｉａｎａのＣａｒａｕｓｔａｒ製のＧｒｅｙ−Ｂａｃｋ ３−ｐｌｙおよびＭａｎｉｌａ Ｉｖｏｒｙ ３−ｐｌｙ；Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩｌｌｉｎｏｉｓのＵｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｙｐｓｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＭａｎｉｌａ厚紙およびＭＨ Ｍａｎｉｌａ ＨＴ（高張力）紙が挙げられる。紙カバーシートは、上面カバーシートまたは表紙、および、底面カバーシートまたは裏紙を含む。好ましい裏カバーシート紙は５−ｐｌｙ Ｎｅｗｓ−Ｌｉｎｅである。好ましい表カバーシート紙としては、ＭＨ Ｍａｎｉｌａ ＨＴ（高張力）紙およびＭａｎｉｌａ ７−ｐｌｙが挙げられる。
繊維状マットもまた、カバーシートの一方または両方として用いられ得る。１種の有用な繊維状マットは、ガラス繊維のフィラメントが接着剤により一緒に接合されているガラス繊維マットである。繊維状マットは、ガラス繊維のフィラメントが接着剤によって一緒に接合されている不織ガラス繊維マットであることが好ましいであろう。最も好ましくは、不織ガラス繊維マットは、厚い樹脂コーティングを有するであろう。例えば、約１．２〜２．０ｌｂ／１００ｆｔ２の重量を有すると共にマット重量の約４０〜５０％が樹脂コーティングに由来する、Ｊｏｈｎｓ−Ｍａｎｖｉｌｌｅ製のＤｕｒａｇｌａｓｓ不織ガラス繊維マットを用いることが可能である。他の有用な繊維状マットとしては、これらに限定されないが、織ガラスマットおよび非セルロース系布が挙げられる。
以下の実施例が本発明をさらに説明する。これらは、本発明の範囲を如何様にも限定するとして解釈されるべきではない。
実施例１
サンプル石膏スラリー配合物
石膏スラリー配合物が以下の表１に示されている。表１中のすべての値は、乾燥スタッコの重量に基づく重量パーセントとして表記されている。括弧中の値は、ポンドでの乾燥重量（ｌｂ／ＭＳＦ）である。
実施例２
ウォールボードの調製
サンプル石膏ウォールボードを、本明細書において参照により援用される、Ｙｕらへの米国特許第６，３４２，２８４号明細書およびＹｕらへの６，６３２，５５０号明細書に準拠して調製した。これらの特許の実施例５に記載されている、個別の泡の発生および他の処方成分のすべてスラリーへの泡の導入が含まれる。
実施例１の配合物ＡおよびＢを用いて形成した石膏ウォールボード、ならびに、通常の対照ボードに対するテスト結果が以下の表２に示されている。この実施例および以下の他の実施例のとおり、釘引抜き耐性、コア硬度、および曲げ強さテストをＡＳＴＭ Ｃ−４７３に準拠して実施した。追加的に、典型的な石膏ウォールボードはおよそ１／２インチ厚であり、約１６００〜１８００ポンド／１，０００平方フィートの材料またはｌｂ／ＭＳＦの重量を有することに注目されたい。（「ＭＳＦ」は、１０００平方フィートについての技術分野における標準的な略記であり；箱、波型の媒体およびウォールボードについての面積計測値である。）
表２に示されているとおり、配合物ＡおよびＢスラリーを用いて調製した石膏ウォールボードは、対照ボードと比して重量の顕著な低減を有する。表１を再度参照すると、配合物Ａボード対配合物Ｂボードの比較が最も顕著である。水／スタッコ（ｗ／ｓ）比は配合物Ａおよび配合物Ｂにおいて類似している。顕著に高いレベルのナフタレンスルホン酸分散剤もまた配合物Ｂにおいて用いられている。また、配合物Ｂにおいては、配合物Ａの１００％超の増加である約６重量％もの実質的により多量のアルファ化デンプンを用いたところ、これは、著しい強度の増加を伴った。そうであっても、必要とされる流動性をもたらすための水要求量は、配合物Ｂスラリーにおいては少ないままであり、配合物Ａと比してその差は約１０％である。両方の配合物における低い水要求量は、実質的により高いレベルのアルファ化デンプンの存在下においても石膏スラリーの流動度を高める、石膏スラリー中のナフタレンスルホン酸分散剤とトリメタリン酸ナトリウムとの組み合わせの相乗的効果による。
表２に示されているとおり、配合物Ｂスラリーを用いて調製したウォールボードは、配合物Ａスラリーを用いて調製したウォールボードと比して実質的に高い強度を有する。多量のナフタレンスルホン酸分散剤およびトリメタリン酸ナトリウムと組み合わせた多量のアルファ化デンプンの組み込みにより、配合物Ｂボードにおける釘引抜き耐性は、配合物Ａボードより４５％向上した。曲げ強さにおける相当の増加もまた配合物Ａボードに比して配合物Ｂボードにおいて観察された。
実施例３
１／２インチ石膏ウォールボード重量軽減試験
スラリー配合物およびテスト結果を含むさらなる石膏ウォールボード実施例（ボードＣ、ＤおよびＥ）が以下の表３に示されている。表３のスラリー配合物は、スラリーの主構成成分を含む。括弧中の値は、乾燥スタッコの重量に基づく重量パーセントとして表記されている。
表３に示されているとおり、ボードＣ、Ｄ、およびＥを、対照ボードと比して、実質的に多量のデンプン、ＤＩＬＯＦＬＯ分散剤、およびトリメタリン酸ナトリウム（パーセンテージ基準で、デンプンおよび分散剤については約２倍の増加、ならびに、トリメタリン酸塩については２〜３倍の増加）を有するスラリーから、ｗ／ｓ比を一定に維持しながら形成した。それにもかかわらず、ボード重量は、顕著に低減され、かつ、釘引抜き耐性により計測される強度は劇的に影響されていなかった。従って、本発明の実施形態のこの実施例においては、新規の配合（例えば、ボードＤなど）は、同一のｗ／ｓ比および適切な強度を維持しながら、有用で流動性のスラリー中に多量のデンプンを配合させることが可能である。
実施例４
湿潤石膏キューブ強度テスト
Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩｌｌｉｎｏｉｓのＵｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｙｐｓｕｍ Ｃｏｒｐ．製のＳｏｕｔｈａｒｄ ＣＫＳボードスタッコおよび実験室における水道水を用いて湿潤キューブ強度テストを行って、これらの湿潤圧縮強度を測定した。以下の実験室テスト手法を用いた。
スタッコ（１０００ｇ）、ＣＳＡ（２ｇ）、および約７０°Ｆの水道水（１２００ｃｃ）を、各湿潤石膏キューブキャストのために用いた。アルファ化コーンデンプン（２０ｇ、スタッコ重量基準で２．０％）およびＣＳＡ（２ｇ、スタッコ重量基準で０．２％）を、ナフタレンスルホン酸分散剤およびトリメタリン酸ナトリウムの両方を含有する水道水溶液との混合に先立って、先ず、プラスチックバッグ中でスタッコと完全に乾燥混合した。用いた分散剤はＤＩＬＯＦＬＯ分散剤であった（表４に示されているとおり１．０〜２．０％）。様々な量のトリメタリン酸ナトリウムもまた表４に示されているとおり用いた。
乾燥処方成分および水溶液を、最初に、実験用Ｗａｒｎｉｎｇブレンダー中で組み合わせ、生成した混合物を１０秒かけて飽和させ、次いで、この混合物を、スラリーを形成するために１０秒間低速で混合した。このように形成したスラリーを、３つの２インチ×２インチ×２インチキューブ金型にキャストした。次いで、キャストキューブを金型から外し、計量し、およびプラスチックバッグ中にシールして、圧縮強度テストを実施する前の水分の損失を防止した。湿潤キューブの圧縮強度は、ＡＴＳマシーンを用いて計測すると共に、平方インチ当たりのポンド（ｐｓｉ）での平均として記録した。得られた結果は以下のとおりであった。
表４に示されているとおり、本発明の約０．１２〜０．４％範囲にトリメタリン酸ナトリウムレベルを有するサンプル４〜５、１０〜１１、および１７は、一般に、この範囲外でトリメタリン酸ナトリウムを有するサンプルと比して優れた湿潤キューブ圧縮強度を提供する。
実施例５
１／２インチ軽量石膏ウォールボードプラント製造試験
さらなる試験を実施し（試験ボード１および２）、スラリー配合を含むテスト結果が以下の表５に示されている。表５のスラリー配合は、スラリーの主構成成分を含む。括弧中の値は、乾燥スタッコの重量に基づく重量パーセントとして表記されている。
表５に示されているとおり、試験ボード１および２を、対照ボードと比して、わずかにｗ／ｓ比を低減させながら、実質的に多量のデンプン、ＤＩＬＯＦＬＯ分散剤、およびトリメタリン酸ナトリウムを有するスラリーから形成した。それにもかかわらず、釘引抜き耐性および曲げ試験により計測した強度は維持されたかまたは向上されたと共に、ボード重量は顕著に低減した。従って、本発明の実施形態のこの実施例においては、新たな配合（例えば、試験ボード１および２など）は、実質的に同一のｗ／ｓ比および適切な強度を維持しながら、有用で流動性のスラリー中に多量のトリメタリン酸塩およびデンプンを配合させることが可能である。
実施例６
１／２インチ超軽量石膏ウォールボードプラント製造試験
さらなる試験（試験ボード３および４）を、配合物Ｂ（実施例１）を用いて、アルファ化コーンデンプンを１０％濃度（湿潤デンプン調製）に水で調製すると共に、ＨＹＯＮＩＣ ２５ ＡＳおよびＰＦＭ ３３石鹸（Ｌａｆａｙｅｔｔｅ，ＩｎｄｉａｎａのＧＥＯ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製）のブレンドを用いたこと以外は、実施例２のとおり実施した。例えば、試験ボード３を、６５〜７０重量％の範囲のＨＹＯＮＩＣ ２５ ＡＳでのＨＹＯＮＩＣ ２５ ＡＳおよびＰＦＭ ３３のブレンドと、残量のＰＦＭ ３３とで調製した。例えば、試験ボード４は、ＨＹＯＮＩＣ ２５ＡＳ／ＨＹＯＮＩＣ ＰＦＭ ３３の７０／３０重量／重量ブレンドで調製した。試験結果が以下の表６に示されている。
２００６年１１月２日出願の親米国特許出願第１１／５９２，４８１号明細書に見られるこの実施例に記載の配合物は、強化高密度化表面を有する著しく厚い壁を備える大型の気泡を有する以下の実施例７〜９に記載の石膏ウォールボードをもたらすことに注目されたい。表６に示されているとおり、釘引抜きおよびコア硬度により計測した強度特質はＡＳＴＭ規格を超えていた。曲げ強さもまたＡＳＴＭ規格を超えて計測された。また、本発明の実施形態のこの実施例においては、新たな配合物（例えば、試験ボード３および４など）は、適切な強度を維持しながら、有用で流動性のスラリー中に多量のトリメタリン酸塩およびデンプンを配合させることが可能である。
実施例７
ボード重量および鋸での切断結果の関数としての１／２インチ厚石膏ウォールボードコアにおける気泡容積割合計算
さらなる試験を、気泡容積および密度（試験ボードＮｏ．５〜１３）を測定するために、配合物Ｂ（実施例１）を用いて、アルファ化コーンデンプンを１０％濃度（湿潤デンプン調製）に水で調製し、０．５％ガラス繊維を用い、およびナフタレンスルホン酸（ＤＩＬＯＦＬＯ）を４５％水溶液として１．２重量％のレベルで用いたこと以外は実施例２のとおり実施した。石鹸の泡発生機を用いて石鹸泡を形成し、所望の密度をもたらすために効果的な量で石膏スラリー中に導入した。本実施例において、石鹸は、０．２５ｌｂ／ＭＳＦ〜０．４５ｌｂ／ＭＳＦのレベルで用いた。すなわち、石鹸の泡の使用量は適切に増減した。各サンプルにおいて、ウォールボード厚は１／２インチであると共にコア容積は、３９．１ｆｔ３／ＭＳＦで均一であると仮定した。気泡容積を、表紙および裏紙を除去した４ｆｔ幅のウォールボードサンプルにわたって計測した。表紙および裏紙は、１１〜１８ｍｉｌの範囲の厚さを有することが可能である（各面）。気泡容積／孔径および孔径分布は、走査電子顕微鏡検査（以下の実施例８を参照のこと）およびＸ線ＣＴスキャンテクノロジー（ＸＭＴ）により測定した。
表７に示されているとおり、７９．０％〜９２．１％の範囲で総コア気泡容積を有する試験ボードサンプルを形成し、これらは、それぞれ、２８ｐｃｆから１０ｐｃｆ以上の範囲のボードコア密度に対応する。実施例として、８１．８％の総コア気泡容積および２３ｐｃｆのボードコア密度を有する試験ボード１０の鋸での切断では、対照ボードよりも約３０％少ない粉塵が発生した。追加の実施例として、約７５〜８０％の総コア気泡容積よりも顕著に少ない、バインダ（分散剤を伴う、または伴わないデンプンとして）が少ない従来の配合でのウォールボードを形成した場合、切断、鋸引き、ルータ加工、スナッピング、釘打あるいはねじ込み、またはドリリングの際には、顕著に激しい粉塵発生が予期されることとなる。例えば、従来のウォールボードは、鋸での切断で、約２０〜３０ミクロンの平均直径、および約１ミクロンの最小直径を有する粉塵破片を発生させる可能性がある。対照的に、本発明の石膏ウォールボードは、鋸での切断で、約３０〜５０ミクロンの平均直径、および約２ミクロンの最小直径を有する粉塵破片を発生させ；けがき／スナッピングではさらに大きな破片を生じさせるであろう。
石膏含有スラリーを形成するために用いられる数々の重要な構成成分、すなわち：スタッコ、ナフタレンスルホン酸分散剤、アルファ化コーンデンプン、トリメタリン酸ナトリウム、ならびに、ガラス繊維および／または紙繊維の組み合わせは、十分なおよび効果的な量の石鹸の泡と組み合わされて、ナイフでの切断、鋸での切断、けがき／スナッピング、ドリリング、および通常のボードの取り扱いの最中での石膏粉塵の形成をも劇的に低減する、有用な低密度石膏ウォールボードの製造において相乗的な効果を有することが可能であることが示された。
実施例８
試験ボードＮｏ．１０におけるエアバブル気泡サイズおよび水泡サイズの測定、ならびに、石膏結晶形態学
試験ボードＮｏ．１０を調製するためのプラント試験からのキャスト石膏キューブ（２インチ×２インチ×２インチ）を走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）により分析した。エアバブル気泡および蒸発性水泡、ならびに、石膏結晶サイズおよび形状を観察すると共に計測した。
３つのサンプルキューブを形成し、それぞれに、１１：０８、１１：３０、および１１：５０とラベルを付した。図１〜３は、エアバブル気泡サイズおよび各サンプルについての分布を１５×倍率で示す。図４〜６は、エアバブル気泡サイズおよび各サンプルについての分布を５０×倍率で示す。
より高倍率で、サンプルキューブ１１：５０について図７〜１０に示されているとおり、１０，０００×倍率以下で、例えば、一般に実質的により大きなエアバブル気泡壁中の水泡を観察した。ほとんどすべての石膏結晶が針であり；プレート状のものはほとんど観察されなかった。針の密度および充填は、エアバブル気泡の表面上で様々であった。石膏針は、エアバブル気泡壁中の水泡においても観察された。
ＳＥＭ結果は、本発明に基づいて形成された石膏含有製品において、気泡および水泡は、一般に、固化石膏コア全体に均一に分布されていることを実証している。観察した気泡サイズおよび気泡分布もまた、生成された石膏粉塵の相当の量が、通常のボードの取り扱いの際、ならびに、切断、鋸引き、ルータ加工、スナッピング、釘打あるいはねじ込み、
またはドリリングの最中に曝された周囲の気泡中に捕捉されることとなると共に、風媒性とならないよう、気泡および水泡（総コア気泡容積）として十分な自由空間が形成されていることを実証する。
実施例９
低粉塵石膏ウォールボードにおける粉塵捕捉
実施例７のとおり本発明の教示に基づいてウォールボードを調製した場合、ウォールボードの加工で生じる石膏粉塵は、少なくとも５０重量％が直径約１０ミクロンより大きい石膏破片を含むであろうことが予期される。切断、鋸引き、ルータ加工、けがき／スナッピング、釘打あるいはねじ込み、およびドリリングによるウォールボードの加工によって発生した粉塵の合計の少なくとも約３０％以上が捕捉されるであろう。
実施例１０
追加の１／２インチ軽量石膏ウォールボードプラント製造試験配合物
実施例７〜９は、大きい気泡容積を有する軽量ウォールボードをもたらす。残りの実施例は、実施例７〜９のものに類似するが、ウォールボード微小構造の増大された壁厚および強化された高密度化気泡壁表面をもハイライトしている。これに関連して、実施例８の図５および６の顕微鏡写真は、本発明による大型の気泡および増大された厚さの壁の両方を含む微小構造を示すことに注目すべきである。
それ故、以下の表８に示されているとおり、さらなるスラリー配合物（試験１４）を調製した。表８のスラリー配合は、スラリーの主構成成分を含む。括弧中の値は、乾燥スタッコの重量に基づく重量パーセントとして表記されている。
実施例１１
追加の１／２インチ軽量石膏ウォールボードプラント製造試験
プラント試験配合物１４および実施例１０の対照配合物Ａを用いて形成した石膏ウォールボード、ならびに、２種の従来の競合するボードについてのテスト結果が以下の表９に示されている。７０°Ｆ／５０％相対湿度で２４時間のコンディショニングの後、ウォールボードサンプルを、釘引抜き耐性、エッジ／コア硬度、曲げ強さ、および１６時間加湿接合についてテストした。釘引抜き耐性、エッジ／コア硬度、加湿たわみ、および曲げ強さテストをＡＳＴＭ Ｃ−４７３に準拠して実施した。不燃性をＡＳＴＭ Ｅ−１３６に準拠して実施した。表面燃焼特質テストをＡＳＴＭ Ｅ−８４に準拠して実施して、延焼指数（Ｆｌａｍｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｉｎｄｅｘ）（ＦＳＩ）を測定した。ボードサンプルを、走査電子顕微鏡検査（以下の実施例１２を参照のこと）およびエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）により分析した。ボードサンプルはまた、Ｘ線ＣＴスキャンテクノロジー（ＸＭＴ）により分析されることが可能である。
鋸での切断およびドリリングテストによる粉塵発生計測値。ドリリングによる粉塵発生を測定するために、ボール盤を用いて仕上ウォールボードサンプルに５０個の孔をドリルして、得られた石膏粉塵を回収した。手鋸引きによる粉塵発生を測定するために、仕上ウォールボードの５つの１フィート長の切片を切り出して、得られた石膏粉塵を回収した。
冠鋸引きによる粉塵発生を測定するために、４インチ径の５つの円を仕上ウォールボードサンプルに切り出して、得られた石膏粉塵を回収した。
表９に示されているとおり、釘引抜き耐性、曲げ強さ、およびエッジ／コア硬度により計測した試験ボード１４強度特質は、従来の競合するボードに対して優れていると共にＡＳＴＭ規格を超えていた。加湿たわみ（たるみ）は、従来の競合するボードに対して優れていると共にＡＳＴＭ規格を超えていた。加湿接合：優れた紙対コア接合（無破壊）に追加して、試験ボードＮｏ．１４は、表９に示されているとおり、接合強度について最良の結果を有していた。最後に、ＡＳＴＭ規格での不燃性テストへの合格に追加して、試験ボードＮｏ．１４は、ＡＳＴＭ規格下でクラス−Ａ材料として判定された。
加えて、試験ボードＮｏ．１４サンプルを、外観、シートの摺れ、曲げテスト、肩に載せた運搬、曲がり角での回転、エッジドラッグ、エッジドロップ、けがきおよびスナップ、やすりがけ（ｒａｓｐｉｎｇ）、孔の切断、スクリューでの取り付け、釘での取り付け、および１０フィート半径について評価することにより、取り扱い、ステージング、および設置順序について査定した。評価の結論は、試験ボードＮｏ．１４の取り扱い特性は、
対照ボードＡおよび表９の他の従来の競合性石膏ボードと同等であるかまたはこれらを超えていた。
実施例１２
試験ボードＮｏ．１４におけるエアバブル表面特徴の測定、および石膏結晶形態学
実施例８と同様に、試験ボードＮｏ．１４を調製するためのプラント試験からのキャスト石膏キューブ（２インチ×２インチ×２インチ）を走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）により分析した。エアバブル気泡および蒸発性水泡、ならびに、石膏結晶サイズおよび形状を観察すると共に計測した。
ＳＥＭ結果は、再度、本発明に基づいて形成された石膏含有製品において、気泡および水泡は、一般に、固化石膏コア全体に均一に分布されていることを実証している。観察した気泡サイズおよび気泡分布もまた、生成された石膏粉塵の相当の量が、通常のボードの取り扱いの際、ならびに、切断、鋸引き、ルータ加工、スナッピング、釘打あるいはねじ込み、またはドリリングの最中に曝された周囲の気泡中に捕捉されることとなると共に、
風媒性とならないよう、気泡および水泡（総コア気泡容積）として十分な自由空間が形成されていることを実証する。
図１１〜１９のＳＥＭ結果は、実施例８のＳＥＭ顕微鏡写真に対応する高倍率で壁厚を示す。これらのＳＥＭ結果は、図１３および１４に示されているとおり、試験ボードＮｏ．１４および対照ボードＡをそれぞれ比較して、以下の２つの向上点を実証する：１）試験ボード中のエアバブル気泡は対照ボード中のものよりも実質的に大きく、および２）試験ボード中の気泡間の平均壁厚は対照ボード中の気泡間の平均壁厚よりもかなり大きかった。一般に、試験ボードＮｏ．１４における気泡間の平均壁厚は、少なくとも約５０ミクロン以下〜約２００ミクロンであった。対照的に、対照ボードＡにおける気泡間の平均壁厚は一般に約２０〜３０ミクロンであった。追加的に、図１５の５００×顕微鏡写真は、
気泡の壁に沿って顕微鏡写真の右方向に延びている強化高密度化表面「Ａ」を示す。
上述のとおり、より大きな気泡間の平均壁厚は、仕上ウォールボードに対してより高い強度、すなわち、より良好な釘引抜き耐性、より良好なコア／エッジ硬度、ならびに、例えばドリリング、切断および鋸引きの際の粉塵低減といったより良好な取り扱い特質を提供する。
実施例１３
平均気泡サイズ、壁厚および高密度化強化壁表面の存在の測定
コアサンプルは、テストされるべきウォールボードサンプルをけがくことにより調製されればよく、コアをスナッピングして適切なサイズのサンプルに分けた。次いで、例えば、けがきがなされた領域にわたって強制空気流を向けることにより、ゆるいデブリが除去される。次いで、コアサンプルが、従来の走査型電子顕微鏡写真技術を用いて取り付けられると共にコートされる。
平均気泡サイズ
コアサンプルにおける無作為な位置で撮影した５０×倍率での１０枚の顕微鏡写真を準備する。これらの１０枚の顕微鏡写真における気泡の各々にまたがる最大の断面距離を計測する。計測した距離を加算すると共に、平均最大断面距離を算出する。これが、サンプルの平均気泡サイズとなる。
平均壁厚さ
コアサンプルにおける無作為な位置で撮影した５０×倍率での１０枚の顕微鏡写真を準備する。顕微鏡写真の水平縁部および垂直縁部が交差する気泡の各々間の距離を縁部に沿って計測する。すべての計測した距離を加算すると共に、平均距離を算出する。これがサンプルの平均壁厚である。
高密度化強化壁表面
コアサンプルにおける無作為な位置で撮影した１０枚の５００×顕微鏡写真を準備する。これらの顕微鏡写真中に見られる拡大された気泡を、図１５において特徴Ａと識別されているもののような、気泡の縁に沿った太い白色のラインについて調べる。これらの太い白色のラインの存在が、サンプルにおける高密度化強化気泡壁表面の存在を示す。
本発明を説明する文脈における（特に以下の特許請求の範囲の文脈における）「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」という用語、ならびに、同様の指示対象の使用は、本明細書において他に示されていない限りにおいて、または、文脈により明らかに矛盾しない限りにおいて、単数形および複数形の両方をカバーすると理解される。本明細書における値の範囲の言及は、本明細書において他に示されていない限りにおいて、単に、その範囲内に属する個別の値の各々への個別の参照の省略的な方法のためと意図されており、および、各個別の値は、本明細書において個別に言及されたかのように、本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、本明細書において他に示されていない限りにおいて、または文脈により明らかに矛盾しない限りにおいて、いかなる好適な順番で実施されることも可能である。本明細書におけるいかなるおよびすべての例、または例示的な言い回し（例えば、「などの（ｓｕｃｈ ａｓ）」）の使用は、単に、本発明をよりよく明らかにすることだけを意図し、特許請求されていない限りにおいて、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書におけるいかなる言い回しも、特許請求されていないいずれかの構成要素を本発明の実施に必須として示すと解釈されるべきではない。
本発明の好ましい実施形態は、本明細書において、本発明を実施するための本発明者らに公知である最良の形態を含んで記載されている。例示の実施形態は単に例示であり、本発明の範囲を限定するとすべきではないことが理解されるべきである。
［付記１］
２枚の実質的に平行なカバーシートの間に形成された固化石膏コアを含み、固化石膏コアは固化石膏コア全体にわたって分散された気泡を有し、前記気泡は約３０〜約２００ミクロンの平均厚を有する壁を有する石膏ウォールボード。
［付記２］
前記気泡の壁が約５０〜約２００ミクロンの平均厚を有する、付記１に記載の石膏ウォールボード。
［付記３］
前記気泡の壁が強化高密度化表面を有する、付記１に記載の石膏ウォールボード。
［付記４］
前記固化石膏コアが：
水、スタッコ、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約１０重量％の量で存在するアルファ化デンプン、スタッコの重量に基づいて約０．２重量％〜約２重量％の量で存在するナフタレンスルホン酸分散剤、スタッコの重量に基づいて約０．１重量％〜約０．４重量％の量で存在するトリメタリン酸ナトリウム、およびスタッコの重量に基づいて０〜約０．２重量％の量で存在するガラス繊維を含む石膏含有スラリーから形成されている、付記３に記載の石膏ウォールボード。
［付記５］
前記アルファ化デンプンが、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約４重量％の量で存在している、付記４に記載の石膏ウォールボード。
［付記６］
水／スタッコ比が約０．７〜約１．３である、付記４に記載の石膏ウォールボード。
［付記７］
前記カバーシートが紙を含む、付記１に記載の石膏ウォールボード。
［付記８］
少なくとも１枚のカバーシートが高張力紙である、付記７に記載の石膏ウォールボード。
［付記９］
少なくとも１枚のカバーシートが、繊維状マット、不織ガラス繊維マット、織ガラスマットおよび非セルロース系布からなる群から選択される、付記３に記載の石膏ウォールボード。
［付記１０］
２枚の実質的に平行なカバーシートの間に形成された固化石膏コアを含み、前記固化石膏コアは固化石膏コア全体にわたって分散された気泡を有し、前記気泡は強化高密度化表面および約３０〜約２００ミクロンの平均厚を有する壁を有し、ならびに、前記固化石膏コアは約２７ｐｃｆ〜約３０ｐｃｆの密度を有する、軽量石膏ウォールボード。
［付記１１］
前記固化石膏コアが：
水、スタッコ、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約１０重量％の量で存在するアルファ化デンプン、スタッコの重量に基づいて約０．２重量％〜約２重量％の量で存在するナフタレンスルホン酸分散剤、スタッコの重量に基づいて約０．１重量％〜約０．４重量％の量で存在するトリメタリン酸ナトリウムおよびスタッコの重量に基づいて０〜約０．２重量％の量で存在するガラス繊維を含む石膏含有スラリーから形成されている、
付記１０に記載の軽量石膏ウォールボード。
［付記１２］
前記アルファ化デンプンが、スタッコの重量に基づいて約０．５重量％〜約４重量％の量で存在している、付記１１に記載の石膏ウォールボード。
［付記１３］
少なくとも１枚のカバーシートが高張力紙である、付記１０に記載の軽量石膏ウォールボード。
［付記１４］
少なくとも１枚のカバーシートが、繊維状マット、不織ガラス繊維マット、織ガラスマットおよび非セルロース系布からなる群から選択される、付記１０に記載の軽量石膏ウォールボード。
［付記１５］
２枚の実質的に平行な紙カバーシートの間に形成された固化石膏コアを含み、前記固化石膏コアは固化石膏コア全体にわたって分散された気泡を有し、前記気泡は約７０〜約１２０ミクロンの平均厚を有する壁を有し、前記固化石膏コアは：
水、スタッコ、スタッコの重量に基づいて約３重量％の量で存在するアルファ化デンプン、スタッコの重量に基づいて約１．５重量％の量で存在するナフタレンスルホン酸分散剤の４５重量％水溶液、スタッコの重量に基づいて約０．３重量％の量で存在するトリメタリン酸ナトリウムおよびスタッコの重量に基づいて０〜約０．２重量％の量で存在するガラス繊維、ならびに、石鹸の泡を含む石膏含有スラリーから形成されており、
少なくとも１枚のカバーシートが高張力紙であり、
前記固化石膏コアが約２９ｐｃｆの密度を有し、
ならびに、１／２インチ厚ボードについて約１２００ｌｂ／ＭＳＦの乾燥重量、少なくとも約７７ｌｂ／ＭＳＦの釘引抜き耐性、および少なくとも約１１ｌｂ／ＭＳＦのコア硬度を有する軽量石膏ウォールボード。

Claims (20)

  1. ２枚のカバーシートの間に配置された固化石膏コアを含む軽量石膏ボードであって、
    前記固化石膏コアは石膏結晶マトリックスを含み、
    前記石膏結晶マトリックスは前記石膏結晶マトリックス内に気泡を画定し隔てる壁を有し、
    前記壁は、走査型電子顕微鏡画像を用いて計測して、３０ミクロンから２００ミクロンの平均壁厚を有し、
    前記石膏結晶マトリックスは、ＡＳＴＭ Ｃ−４７３に基づいて、前記固化石膏コアの平均コア硬度が少なくとも１１ポンド（約５ｋｇ）となるように形成されており、
    前記軽量石膏ボードの密度が１２ｐｃｆ（約１９０ｋｇ／ｍ ３ ）〜３１ｐｃｆ（約５００ｋｇ／ｍ３ ）である、
    ことを特徴とする軽量石膏ボード。
  2. ２枚のカバーシートの間に配置された固化石膏コアを含む軽量石膏ボードであって、
    前記固化石膏コアは石膏結晶マトリックスを含み、
    前記石膏結晶マトリックスは前記石膏結晶マトリックス内に気泡を画定し隔てる壁を有し、
    前記壁は、走査型電子顕微鏡画像を用いて計測して、３０ミクロンから２００ミクロンの平均壁厚を有し、
    前記気泡は、走査型電子顕微鏡画像を用いて計測して、１００ミクロン未満の直径の平均孔径を有し、
    前記石膏結晶マトリックスは、ＡＳＴＭ Ｃ−４７３に基づいて、前記固化石膏コアの平均コア硬度が少なくとも１１ポンド（約５ｋｇ）となるように形成されており、
    前記軽量石膏ボードの密度が１２ｐｃｆ（約１９０ｋｇ／ｍ ３ ）〜３５ｐｃｆ（約５６０ｋｇ／ｍ３ ）である、
    ことを特徴とする軽量石膏ボード。
  3. 前記軽量石膏ボードの密度は、２４ｐｃｆ（約３８０ｋｇ／ｍ３）〜３４ｐｃｆ（約５４５ｋｇ／ｍ３）である、請求項２に記載の軽量石膏ボード。
  4. 前記軽量石膏ボードの密度は、２４ｐｃｆ（約３８０ｋｇ／ｍ３）〜３１ｐｃｆ（約５００ｋｇ／ｍ３）である、請求項１から３のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  5. 前記気泡の前記平均孔径は、１０ミクロン〜１００ミクロンである、請求項１から４のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  6. 前記気泡の前記平均孔径は、２０ミクロン〜１００ミクロンである、請求項１から５のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  7. 前記気泡の前記平均孔径は、５０ミクロン〜１００ミクロンである、請求項１から６のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  8. 前記壁の平均厚さは、５０ミクロン〜２００ミクロンである、請求項１から７のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  9. 前記壁の平均厚さは、７０ミクロン〜１２０ミクロンである、請求項１から８のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  10. 前記固化石膏コアは、水、スタッコ、及び、デンプンを含むスラリーから形成され、
    前記デンプンは、前記固化石膏コアのコア硬度を、該デンプンを含まないスラリーから形成された固化石膏コアと比較して大きくするのに有効な量で存在する、請求項１から９のいずれか１項に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  11. 前記スラリーは、さらに、泡、及び、ナフタレンスルホン酸分散剤を含む、請求項１０に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  12. 前記デンプンは、アルファ化デンプンを含み、
    ナフタレンスルホン酸分散剤がスタッコの重量に基づいて０．１重量％〜３重量％の量で存在し、
    前記アルファ化デンプンは、スタッコの重量に基づいて０．５重量％〜１０重量％の量で存在する、請求項１０又は１１に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  13. 前記スラリーは、さらに、水溶性ポリリン酸含有化合物を含む、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  14. 前記壁は、走査型電子顕微鏡画像を用いて孔径を計測したとき、（ｉ）１００ミクロン超の直径の孔径を有する気泡、（ｉｉ）５０ミクロン〜１００ミクロンの直径の孔径を有する気泡、及び（ｉｉｉ）５０ミクロン未満の直径の孔径を有する気泡を画定する、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  15. 前記固化石膏コアは、０．７〜１．３の範囲の水／スタッコ比を用いて形成される、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の軽量石膏ボードの製造方法。
  16. ２枚のカバーシートの間に配置された固化石膏コアを含む軽量石膏ボードであって、
    前記固化石膏コアは石膏結晶マトリックスを含み、
    前記石膏結晶マトリックスは前記石膏結晶マトリックス内に気泡を画定し隔てる壁を有し、
    前記気泡間の前記壁の平均厚さは、Ｘ線ＣＴスキャンテクノロジー解析による三次元画像を用いて計測して、３０ミクロンから２００ミクロンであり、
    前記気泡は、Ｘ線ＣＴスキャンテクノロジー解析による三次元画像を用いて計測して、１００ミクロン未満の直径の平均孔径を有し、
    前記石膏結晶マトリックスは、ＡＳＴＭ Ｃ−４７３に基づいて、前記固化石膏コアの平均コア硬度が少なくとも１１ポンド（約５ｋｇ）となるように形成されており、
    前記軽量石膏ボードの密度が１２ｐｃｆ（約１９０ｋｇ／ｍ ３ ）〜３５ｐｃｆ（約５６０ｋｇ／ｍ３ ）である、
    ことを特徴とする軽量石膏ボード。
  17. 前記軽量石膏ボードの密度は、２４ｐｃｆ（約３８０ｋｇ／ｍ３）〜３４ｐｃｆ（約５４５ｋｇ／ｍ３）である、請求項１６に記載の軽量石膏ボード。
  18. 前記軽量石膏ボードの密度は、２４ｐｃｆ（約３８０ｋｇ／ｍ３）〜３１ｐｃｆ（約５００ｋｇ／ｍ３）である、請求項１６又は１７に記載の軽量石膏ボード。
  19. 前記壁の平均厚さは、７０ミクロン〜１２０ミクロンである、請求項１６から１８のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
  20. 前記気泡の前記平均孔径は、１０ミクロン〜１００ミクロンである、請求項１６から１９のいずれか１項に記載の軽量石膏ボード。
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