KR101576516B1 - 석고 보드 생산을 위한 효율적인 습윤 전분 제조 시스템 - Google Patents

석고 보드 생산을 위한 효율적인 습윤 전분 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감량식 정량 전분 피더, 벤투리 믹서, 조절 가능한 속도로 피더로부터 벤투리 믹서로 건조 전분을 공급하기 위한 진공 픽업 유닛, 약 2 중량%에서부터 약 10 중량%까지의 전분의 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 조절 가능한 속도로 벤투리 믹서에 물을 공급하기 위한 제1 워터 펌프 및 전분 예비 분산액에 보충수를 공급하기 위한 제2 워터 펌프를 포함하는 석고 벽판을 위한 습윤 전분 제조 시스템을 제공하며, 시스템에는 적당한 시스템 제어 수단들이 구비된다. 본 시스템은 미리 젤라틴화된 전분의 양이 보드 믹서의 이전에 전분이 물에 미리 분산되지 않는 시스템보다 적어도 약 10% 더 적게 되도록 전분의 더 효율적인 사용을 제공한다. 시스템은 보드 강도가 증가되고 및 보드 중량이 감소된 석고 벽판을 포함하는 석고 함유 제품들을 만들기 위해 사용될 수 있다.

Description

석고 보드 생산을 위한 효율적인 습윤 전분 제조 시스템{EFFICIENT WET STARCH PREPARATION SYSTEM FOR GYPSUM BOARD PRODUCTION}
본 발명은 석고 함유 제품들의 생산 중에 석고 함유 슬러리들에 전분 분산액을 첨가하기 전에 물에 전분을 미리 분산시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 보드 강도가 증가되고 보드 중량이 감소된 석고 벽판(wallboard)을 포함하는 석고 함유 제품들을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
석고(황산칼슘 2수화물)는, 그 특정한 특성들로 인해 산업 및 건축 제품들, 특히 석고 벽판을 제조하는 데 일반적으로 많이 사용된다. 석고는 탈수(또는 소성) 및 재수화의 공정을 통해, 유용한 형상들로 주조, 몰딩, 또는 성형될 수 있는 풍부하고 일반적으로 저렴한 원료이다. 석고 벽판 및 다른 석고 제품들이 제조되는 기본 재료는 1 내지 1/2 물 분자들이 제거되고, 황산칼슘(CaSO4·2H2O)의 2수화물 형태의 열 변환에 의해 제조되며, 대개 "스터코(stucco)"라 불리는, 황산칼슘(CaSO4·1/2H2O)의 반수화물 형태이다. 재수화 후에, 반수화물이 용해되며, 석고 결정들이 침전되고, 결정 덩어리는 고형화 및 고체화되, 고형화된 석고 재료를 제공한다.
석고 함유 제품들을 만들기 위해, 석고 함유 슬러리들이 일반적으로 제조된다. 석고 함유 슬러리들은 스터코와 물, 및 예를 들어, 전분, 분산제, 촉진제, 바인더, 유리 섬유, 및 종이 섬유 등과 같은 다른 공지된 성분들과 첨가제들을 함유할 수 있다. 통상적으로, 건조 전분이 건조 스터코에 첨가되며 다른 건조 성분들과 함께 생산 라인에서 보드 믹서로 도입된다.
전분은 고형화된 석고 코어 내의 석고 결정들의 좋은 바인더인 것으로 알려져 있으며, 보드 강도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 전분은 벽판 제품의 고형화된 석고 코어와 커버 시트 사이에서 개선된 계면 결합을 제공하는 기능을 할 수 있다.
석고 함유 슬러리들에 (예를 들어, >99%의 입자들이 100 메시 스크린을 통과한) 미세 분말의 미리 젤라틴화된 옥수수 전분의 사용이 본 기술분야에서 공지되어 있다. 그러나, 미세 분말의 전분은 생산하는 데 여분의 에너지를 필요로 하며 더 많은 비용이 소요되며, 또한 이의 생산 및 적용 중에 취급하기 어려운 미세 먼지를 생성한다. 다른 문제점은 원하는 석고 함유 슬러리를 만들기 위해 스터코 및 물과 혼합될 때 미세한 전분이 추가적인 처리수를 필요로 할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 일 파운드의 건조 미세 분말 전분은 석고 슬러리 제조에서 물의 수요를 약 10 lb/MSF(1,000 평방 피트) 증가시킬 수 있다.
굵은 전분은 먼지가 심하지 않고 만들기가 더 쉽고 취급하기가 더 쉽기 때문에, 더 큰 입자 크기의 전분인, 굵은 전분이 석고 함유 슬러리에 사용될 수 있다. 더구나, 더 큰 입자 크기는 슬러리에 더 적은 물을 필요로 한다. 그러나, 더 큰 입자 크기로 인해, 예를 들어 접촉 시간이 일반적으로 1초보다 짧고 보드 믹서에 의해 물 및 스터코와 혼합되는 아주 단기간 동안에, 표준 건조 기반 처리 설비를 사용하여 석고 슬러리에 굵은 전분을 완전히 분산시키는 것이 어렵다. 만약 석고 슬러리에 더 큰 입자 크기의 미리 젤라틴화된 전분을 효과적으로 분산시키는 방법이 발견될 수 있다면, 물의 사용이 감소될 수 있을 것이며 비용 절약이 실현될 수 있을 것이다. 게다가, 만약 더 큰 입자 크기의 미리 젤라틴화된 전분의 사용이 또한 보드 강도를 증가시킨다면, 이는 본 기술분야에 대한 다른 유용한 기여로서 역할을 할 것이다.
더구나, 만약 표준 생산 라인에서 보드 믹서에 대한 도입 전에 적당하게 미리 젤라틴화된 전분 분산액을 효과적으로 제조하기 위한 방법이 발견될 수 있다면, 이는 본 기술분야에서 유용한 기여를 나타낼 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 건조 전분의 저장을 위한 감량식 정량 전분 피더(loss-in-weight starch feeder), 벤투리 믹서, 조절 가능한 속도로 피더로부터 벤투리 믹서로 건조 전분을 공급하기 위한 진공 픽업 유닛, 약 2 중량%에서부터 약 10 중량%까지의 전분의 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 조절 가능한 속도로 벤투리 믹서에 물을 공급하기 위한 제1 워터 펌프; 및 전분 예비 분산액에 보충수(gauging water)를 공급하기 위한 제2 워터 펌프를 가지는 석고 벽판을 생산하기 위한 습윤 전분 시스템을 포함한다.
석고 보드 생산 라인 상의 보드 믹서로 조절 가능한 속도 및 측정 가능한 농도로 보충수 중의 전분 예비 분산액을 이송하기 위한 슬러리 배출 컨트롤러, 및 실제 슬러리 배출 농도와 목표 슬러리 배출 농도 사이의 차이를 계산하며, 차이에 근거하여, 전분 공급 속도를 조절하기 위해 전분 피더에 신호를 보내며/보내거나 물 공급 속도를 조절하기 위해 제1 워터 펌프에 신호를 보내기 위한 제어 수단을 포함하는 시스템에 추가적인 공정 제어 수단들이 선택적으로 추가된다.
본 발명의 일 실시예에서, 습윤 전분 시스템은 예비 분산액을 탈기시키며 큰 전분 입자들을 더 가수분해하기 위해 약 2% 내지 약 10%의 전분 예비 분산액을 위한 홀딩 탱크(holding tank)를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 습윤 전분 시스템은 보충수 중의 전분 예비 분산액과 스터코를 받아들이기 위한 보드 믹서를 더 포함할 수 있다. 더구나, 보드 믹서까지 보충수에 있는 전분 예비 분산액의 유동 속도는 조절될 수 있거나, 대안적으로 일정하게 유지될 수 있다.
벤투리 믹서에 조절 가능한 속도로 건조 전분을 공급하는 단계, 전분의 중량에 기초하여 약 2%에서부터 약 10%까지의 농도로 전분 슬러리를 형성하기 위해 벤투리 믹서에서 물로 전분을 습윤시키는 단계, 보충수에 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 보충수로 전분 슬러리를 이송시키는 단계, 슬러리 배출 컨트롤러에 의해 전분 예비 분산액의 이송 속도를 계산하는 단계, 및 생산 라인의 보드 믹서로 보충수 중의 전분 예비 분산액을 이송시키는 단계를 포함하는, 석고 벽판의 생산을 위해 보충수에 있는 전분 예비 분산액을 제조하기 위한 방법이 더 제공된다. 선택적으로, 전분 슬러리는 보충수에 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 보충수로 슬러리를 이송하기 전에 (예를 들어, 홀딩 탱크로) 재순환될 수 있다.
석고 벽판의 생산을 위해, 물에 전분의 예비 분산의 다음에, 미리 젤라틴화된 전분 분산액이 스터코 함유 슬러리에 첨가된다. 그 결과로 나온 전분 함유 스터코 함유 슬러리가 제1 종이 커버 시트에 부착되며, 제2 종이 커버 시트는 석고 벽판을 형성하기 위해 부착된 슬러리의 위에 배치된다. 석고 벽판은 석고 함유 슬러리가 절단될 만큼 충분히 경화된 후에 원하는 길이로 절단되며, 그 결과로 나온 석고 벽판은 가마에서 건조된다. 적절하다면, (나프탈렌술포네이트들과 같은) 분산제들,(트리메타포스페이트들과 같은) 처짐 저항 및 강도 증강제(sag resistance and strength additives)들, 촉진제들, 바인더들, 종이 섬유, 유리 섬유, 및 다른 공지된 성분들을 포함하는, 다른 종래의 성분들이 또한 슬러리에 사용될 것이다. 비누 거품이 또한 최종 석고 벽판 제품의 밀도를 감소시키기 위해 첨가될 수 있다.
본 발명에 따르면, 사용되는 전분의 양은 보드 믹서의 이전에 전분이 물에 미리 분산되지 않은 시스템보다 적어도 약 10% 더 적을 것이다.
도1은 본 발명에 따른 습윤 전분 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도2는 본 발명에 따른 습윤 전분 시스템의 대안적 실시예를 도시한다.
일 양상에서, 본 발명은 건조 전분의 저장을 위한 감량식 정량 전분 피더, 벤투리 믹서, 조절 가능한 속도로 피더로부터 벤투리 믹서로 건조 전분을 공급하기 위한 진공 픽업 유닛, 약 2 중량%에서부터 약 10 중량%까지의 전분의 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 조절 가능한 속도로 벤투리 믹서에 물을 공급하기 위한 제1 워터 펌프, 및 전분 예비 분산액에 보충수를 공급하기 위한 제2 워터 펌프를 포함하는 예상외로 효과적인 습윤 전분 제조 시스템을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 습윤 전분 시스템은 미리 젤라틴화된 옥수수 가루와 처리수의 분산액이 보드 믹서로 도입되기 전에 석고 벽판을 제조하는데 사용되는 처리수 내에 미리 젤라틴화된 옥수수 가루를 완전히 분산시키는데 사용된다. 더구나, 본 시스템은 약 1100 lb/MSF 내지 약 1300 lb/MSF의 건조 중량을 가지는 경량의 1/2 인치 석고 벽판들을 제조하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 습윤 전분은 워터 매니폴드(water manifold)의 이전에 보충수와 혼합될 수 있다. 이 혼합은 보충수에 걸쳐 습윤 전분을 균일하게 분포시킴으로써 추가적인 효과를 제공한다. 그에 의해, 이는 고형화된 석고 코어에 전분의 양호한 분포를 보장한다.
본 발명은 석고 보드 생산 중에 믹서에서 전분 및 덩어리 형성을 감소시키는데 효과적이라는 것이 뜻밖에 발견되었다.
본 발명은 어떤 부정적인 영향 없이 석고 벽판의 생산에서 미리 젤라틴화된 전분의 사용을 약 10 내지 20%(즉, 26 lbs/MSF에서부터 20 내지 23 lbs/MSF까지) 감소시키는데 효과적이라는 것이 뜻밖에 더 발견되었다.
시스템은 감량식 정량 피더(loss-in-weight feeder)와 같은 전분 피더, 진공 픽업 유닛, 및 스키드 탑재 습윤 시스템(skid mounted wetting system)을 사용할 수 있다. 스키드는 시스템의 주요 양상이다. 이는 피더에 의해 계량되는 전분을 습윤시키는 데 필요한 제어 수단들 및 설비를 포함한다. 또한 이는 보드 믹서로 전분 슬러리를 펌핑하는 계량 펌프를 가진다. 플랜트는 혼합 스키드에 70 psi의 물을 제공할 수 있다. 스키드는 제제(formulation)에 의해 요구되는 속도로 보드 믹서에 습윤 전분 슬러리를 제공한다.
습윤 시스템은 감량식 정량 피더에 의해 측정되는 건조 분말을 완전히 젖게 하기 위해 벤투리에서 형성된 진공을 사용하는, Missouri, St. Louis의, SemiBulk Systems Inc.로부터 이용 가능한, Vacucam EJM 2000인, Vacucam Ejector Mixer와 같은, 벤투리 믹싱 시스템(venturi mixing system)이다. 물의 압력은 기어 펌프를 사용하여 벤투리에서 유지된다.
유용한 감량식 정량 피더는 New Jersey, Moonachie의, Acrison Inc.로부터 이용 가능한, Acrison 270 "In-Line" Weigh Feeder이다. 유용한 진공 픽업 유닛은 Missouri, St. Louis의, SemiBulk Systems Inc.로부터 이용 가능하다.
일 실시예에서, 습윤 전분은 전분 슬러리를 탈기시키며 전분이 물에서 팽윤과 가수분해가 되기 시작하기 위한 시간을 제공하는 홀딩 탱크로 배출된다. 이 탱크로부터 전분 슬러리는 생산 라인 상의 보드 믹서의 이전에 보충수로 분산되기 위해 보충수 라인으로 다시 계량된다.
이 시스템은 석고 보드 제조 방법들에서 미리 젤라틴화된 전분의 사용을 적어도 10% 감소시킬 것이다.
이 시스템에 의해 2개의 주요 효과가 제공된다. 전분은 최종 제품의 고형화된 석고 코어에 더 완전히 분산되도록 보충수에 완전히 분산된다. 또한 전분은 완전히 젖게 되며 가수분해되기 때문에 믹서에 들어갈 때에 더 반응적인 상태에 있으며, 그러므로 전분 분산액은 보드 믹서에서 초기 석고 수화 공정 중에 더 크고 유익한 효과를 줄 수 있다.
도1에 도시된 시스템(10)의 일 실시예에, 진공 픽업 유닛(30)에 연결된 감량식 정량 피더(20)가 도시된다. 시스템은 건조 전분을 완전히 젖게 하기 위해 벤투리에서 형성된 진공을 사용하는, 벤투리 믹서(40), 홀딩 탱크(50), 및 계량 펌프(55)를 포함하는 세미-벌크 믹싱 스키드(semi-bulk mixing skid)(35)를 포함한다.
온도가 제어된 물이 보충수 스트레이너(70)의 출력 측에 있는 스키드 공급 펌프(60)에 공급된다. 이런 동일한 물이 보충수 펌프(80)에 공급된다.
믹싱 스키드 제어 수단들은 시스템이 물을 필요로 할 때마다 물을 요구할 것이다. 정상적인 작동 하에서, 이는 (보드 믹서(200)를 통하는) 보드 라인이 전분을 요구할 때일 것이다. 보드 라인(200)은 전분을 요구할 것이며 그에 따라 스키드(35)는 원하는 석고 보드 제제에서 요구되는 농도를 형성하기 위해 전분과 물을 요구할 것이다. 예를 들어, 2%의 미리 젤라틴화된 전분 용액이 요구된다면, 2 파운드의 전분이 98 파운드의 물에 첨가될 것이다.
생산의 시작 또는 전환 중에 유동은 바뀔 수 있지만, 전분 농도는 일반적으로 균일하게 유지된다. 홀딩 탱크(50)에 대한 공급을 일정하게 유지하기 위해, 제어 수단들이 홀딩 탱크(50)에서 액체 레벨을 일정하게 유지하기 위해 제공된다. 생산의 시작 또는 전환의 혼란 중에 더 많은 전분 슬러리가 홀딩 탱크를 채우기 위해 요구될 때에, 스키드 제어 수단들은 더 많은 전분을 요구할 것이고 더 많은 물이 농도를 일정하게 유지하기 위해 첨가될 것이다. 만약 홀딩 탱크가 설정 레벨보다 높게 된다면, 더 적은 전분(그에 따른 더 적은 물)이 요구될 것이며, 그에 의해 전분 슬러리의 농도를 일정하게 유지한다.
이 일정한 전분 농도는 계량 펌프(55)가 피더와 같이 작동할 수 있도록 한다. 제제의 변화는 계량 펌프의 속도 변화를 초래한다. 공급 속도가 크게 변화된다면 전분 농도의 변화가 요구된다. 이를 위해 작업자 제어 농도 설정점이 있다.
스키드(35)로부터 나오는 전분 및 물 슬러리의 유동 속도는 보충수 펌프(80)의 유동 속도를 결정된다. 전분 슬러리가 보충수에 다시 첨가되기 때문에, 바이어싱 프로그램(biasing program)이 믹서(40)로 향하는 물의 유동을 일정하게 유지하는 데 사용된다. 전분 레벨들이 증가될 때, 보충수 펌프는 느려지며, 그에 의해 유동을 감소시킨다.
필요할 때까지 전분 슬러리가 루프(92)에서 재순환될 수 있는 3방 밸브(90)가 배치되어 있다. 밸브(90)가 바뀔 때, 전분 슬러리(51)는 보충수 중의 전분 슬러리 예비 분산액(91)를 형성하기 위해 매니폴드(100)의 이전과 보충수 3방 밸브(95)의 다음에서 보충수 흐름(81)에 첨가된다. 슬러리 3방 밸브(90)가 보드 믹서(200)를 향하도록 전환될 때, 바이어싱 프로그램은 보드 믹서(200)로 향하는 물의 유동이 일정하도록 보충수 유동을 감소시킨다.
도2에 도시된 시스템의 대안적 실시예에서, 공급 펌프(60)는 기어 펌프(60a)로 대체되며, 전분 슬러리를 위한 유동 제어 수단이 제거된다.
이 실시예에서, 계량 시스템은 감량식 정량 피더(20)일 수 있다. 펌프(60a)는 어떤 주어진 시간에 습윤이 되는 데 필요한 최대량의 전분에 의해 결정되는 일정한 속도로 작동된다. 보충수 라인(81)에서부터 펌프(60a)까지의 유동은 생산의 시작 후에는 일정하다.
계량 펌프(55)의 속도는 홀딩 탱크(50)의 레벨에 의해 제어된다. 정상 상태에 도달한 후에 이는 일정할 것이다. 보충수 라인(81)으로부터 나오는 유동이 무엇이 될 것인가가 알려져 있기 때문에 이는 또한 미리 설정될 수 있다. 레벨 제어는 마모 및 점성 변화를 위해 조절될 것이다.
고형화된 석고 코어에서 공기(방울)의 공간 크기들 및 분포를 제어하기 위해, 그리고 고형화된 석고 코어의 밀도를 제어하기 위해 비누 거품이 도입되는 것이 바람직하다. 비누 거품은 원하는 밀도를 만드는데 효과적인 양으로, 그리고 제어되는 방식으로 첨가된다. 비누의 바람직한 범위는 약 0.2 lb/MSF에서부터 약 0.7 lb/MSF까지이며, 비누의 보다 바람직한 레벨은 약 0.45 lb/MSF 내지 약 0.5 lb/MSF이다. 공정을 제어하기 위해, 작업자는 보드 형성 라인의 헤드를 모니터링해야 하며, 엔베롭(envelope)이 채워지도록 유지해야 한다. 엔베롭이 채워지도록 유지되지 않는다면, 석고 슬러리가 필요한 체적에 채울 수 없기 때문에, 중공의 엣지들을 가지는 벽판들이 초래된다. 보드의 제조 중에 공기 방울들의 파열을 방지하기 위해(공기 방울들을 더 양호하게 유지하기 위해) 비누의 사용을 증가시킴으로써, 또는 공기 거품 비율을 증가시킴으로써 엔베롭 체적은 채워진다. 따라서, 일반적으로, 엔베롭 체적은 비누 사용을 증가시키거나 감소시킴으로써, 또는 공기 거품 비율을 증가시키거나 감소시킴으로써 제어되며 조절된다. 헤드를 제어하는 기술은 전체 슬러리 체적을 증가시키기 위해 비누 거품을 첨가함에 의하거나, 또는 전체 슬러리 체적을 감소시키기 위해 비누 거품 사용을 감소시킴에 의한 테이블 상의 "동적 슬러리"에 대한 조절들을 포함한다.
특히 미리 젤라틴화된 전분을 포함하는, 전분이 본 발명에 따라 제조되는 석고 함유 슬러리들에 사용되어야 한다. 바람직한 미리 젤라틴화된 전분은, 예를 들어, Missouri, St. Louis의, Bunge Milling으로부터 이용 가능한 미리 젤라틴화된 옥수수 가루인, 미리 젤라틴화된 옥수수 전분이며, 이는 다음의 일반적인 분석 결과를 가지며: 수분 7.5%, 단백질 8.0%, 오일 0.5%, 조섬유 0.5%, 회분 0.3%; 0.48 psi의 가공전 강도를 가지며; 35.0 lb/ft3의 느슨한 벌크 밀도(loose bulk density)를 가진다. 미리 젤라틴화된 옥수수 전분은 석고 함유 슬러리에 사용되는 건조 스터코의 중량에 근거하여, 적어도 약 0.5 중량%에서 약 10 중량%까지의 양으로 사용되어야 한다. 더 바람직한 실시예에서, 미리 젤라틴화된 전분은 석고 함유 슬러리에 사용되는 건조 스터코의 중량에 근거하여, 약 0.5 중량%에서부터 약 4 중량%까지의 양으로 존재한다.
다른 유용한 전분들은 미리 젤라틴화된 쌀 전분과 미리 젤라틴화된 밀 전분을 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는다.
과잉의 물은 결국에는 가열 공정에서 사용되는 고가의 연료들에 기인한 비경제적이며 값비싼 가열에 의해 배출되어야 하기 때문에, 슬러리의 물/스터코(w/s) 비, 또는 "WSR"은 중요한 파라미터이다. 처리수의 양, 및 그 결과로서 WSR이 낮게 유지되는 것이 유리하다. 본 발명에서, WSR은 전분 사용 레벨과 스터코 특성들(입자 크기/형상)에 따라서, 약 0.3에서부터 약 1.5까지의 범위에 있을 수 있다. 바람직한 실시예에서, WSR은 약 0.3에서부터 약 1.2까지의 범위에 있을 수 있다. 더 바람직한 실시예에서, WSR은 약 0.7에서부터 약 0.9까지의 범위에 있을 수 있으며, 이는 많은 공지된 공정들과 비교하여 대체로 더 낮은 물 수요의 상태를 만든다.
나프탈렌술포네이트 분산제들이 나프탈렌술폰산들과 포름알데히드의 축합 생성물들인, 폴리나트탈렌술폰산과 이의 염들(폴리나프탈렌술포네이트들) 및 유도체들을 포함하는 본 발명에 따라 제조된 석고 함유 슬러리들에 선택적으로 사용될 수 있다. 특히 바람직한 폴리나프탈렌술포네이트들은 나트륨 및 칼슘 나프탈렌술포네이트를 포함한다. 나프탈렌술포네이트들의 평균 분자량은, 비록 분자량이 약 8,000 내지 22,000인 것이 바람직하며, 분자량이 약 12,000 내지 17,000인 것이 더 바람직하지만, 약 3,000에서부터 27,000까지의 범위에 있을 수 있다. 상업적인 제품으로서, 더 높은 분자량의 분산제는 더 낮은 분자량의 분산제보다 더 높은 점성, 및 더 낮은 고형물 함량을 가진다. 유용한 나프탈렌술포네이트들은 Ohio, Cleveland의, GEO Specialty Chemicals로부터 이용 가능한 DILOFLO; Massachusetts, Lexington의, Hampshire Chemical Corp.으로부터 이용 가능한 DAXAD; 및 Indiana, Lafayette의, GEO Specialty Chemicals로부터 이용 가능한 LOMAR D를 포함한다. 나프탈렌술포네이트들은 바람직하게는 예를 들어, 35 내지 55 중량%의 고형물 함량의 범위에 있는 수용액으로서 사용된다. 예를 들어, 40 내지 45 중량%의 고형물 함량의 범위에 있는 수용액의 형태로 나프탈렌술포네이트들을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또는, 적절하다면, 나프탈렌술포네이트들이, 예를 들어, LOMAR D와 같은, 건조 고형물 또는 분말 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에 유용한 폴리나프탈렌술포네이트들은 일반적인 구조(I)를 가진다:
Figure 112011020824181-pct00001
여기서 n은>2이며, 여기서 M은 나트륨, 칼륨, 및 칼슘 등이다.
바람직하게는 약 45 중량%의 수용액으로서, 나프탈렌술포네이트 분산제는 석고 복합재 제제에 사용되는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.5 중량%에서부터 약 3.0 중량%까지의 범위로 사용될 수 있다. 나프탈렌술포네이트 분산제의 더 바람직한 범위는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.5 중량%에서부터 약 2.0 중량%까지이며, 가장 바람직한 범위는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.7 중량%에서부터 약 2.0 중량%까지이다. 이와 대조적으로, 공지된 석고 벽판은 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.4 중량% 이하의 수준으로 이 분산제를 함유한다.
다른 방식으로 말하면, 건조 중량을 기준으로, 나프탈렌술포네이트 분산제는 석고 복합재 제제에 사용되는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.1 중량%에서부터 약 1.5 중량%까지의 범위로 사용될 수 있다. 건조 고형물을 기준으로, 나프탈렌술포네이트 분산제의 더 바람직한 범위는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.25 중량%에서부터 약 0.7 중량%까지이며, (건조 고형물을 기준으로) 가장 바람직한 범위는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.3 중량%에서부터 약 0.7 중량%까지이다.
메타포스페이트와 폴리포스페이트를 포함하는 강도 증강제들이 본 발명에 따라 제조된 석고 함유 슬러리들에 선택적으로 사용될 수 있다. 임의의 적당한 수용성 메타포스페이트 또는 폴리포스페이트가 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 복염들, 즉 2개의 양이온들을 가지는 트리메타포스페이트 염들을 포함하는 트리메타포스페이트 염이 사용되는 것이 바람직하다. 특히 유용한 트리메타포스페이트 염들은 나트륨 트리메타포스페이트, 칼륨 트리메타포스페이트, 칼슘 트리메타포스페이트, 나트륨 칼슘 트리메타포스페이트, 리튬 트리메타포스페이트, 및 암모늄 트리메타포스페이트 등, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 바람직한 트리메타포스페이트 염은 나트륨 트리메타포스페이트이다. 예를 들어, 약 10 내지 15 중량%의 고형물 함량의 범위에 있는 수용액으로서 트리메타포스페이트 염을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에 참고로 포함된, Yu 등의 미국 특허 제6,409,825호에 설명된 바와 같은, 다른 환상 또는 비환상 폴리포스페이트들이 또한 사용될 수 있다.
비록 나트륨 트리메타포스페이트는 일반적으로 석고 슬러리에 사용되는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.05 중량%에서부터 약 0.08 중량%까지의 범위로 사용되지만, 나트륨 트리메타포스페이트는 석고 함유 조성물들의 공지된 강도 증강제이다. 본 발명의 실시예들에서, 나트륨 트리메타포스페이트(또는 다른 수용성 메타포스페이트 또는 폴리포스페이트)는 석고 복합재 제제에 사용되는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.12 중량%에서부터 약 0.4 중량%까지의 범위로 존재할 수 있다. 나트륨 트리메타포스페이트(또는 다른 수용성 메타포스페이트 또는 폴리포스페이트)의 바람직한 범위는 석고 복합재 제제에 사용되는 건조 스터코의 중량에 기초하여 약 0.12 중량%에서부터 약 0.3 중량%까지이다.
종이 섬유가 본 발명에 따라 제조된 석고 함유 슬러리들에 사용될 수 있다. 유용한 형태의 종이 섬유는 표백되거나 표백되지 않은 미처리 종이 섬유들이다. 다른 셀룰로오스 섬유 재료들이 단독으로 또는 종이 섬유와의 조합으로, 사용될 수 있다.
예를 들어, 여기에 참고로 포함된, Yu 등의 미국 특허 제6,409,825호에 설명된 바와 같은, 습윤 석고 촉진제(WGA)인, 촉진제들이 본 발명의 석고 함유 조성물들에 사용될 수 있다. 하나의 바람직한 열 저항 촉진제(HRA)가 랜드플라스터(황산 칼슘 2수화물)의 건식 그라인딩으로 만들어질 수 있다. 당, 포도당, 붕산, 및 전분과 같은 소량의 첨가제들(통상적으로 약 5 중량%)이 이 HRA를 만드는데 사용될 수 있다. 당 또는 포도당이 현재 바람직하다. 다른 유용한 촉진제는 여기에 참고로 포함된, 미국 특허 제3,573,947호에 설명된 바와 같은, "기후 안정된 촉진제" 또는 "기후 안정 촉진제" (CSA)이다.
다른 석고 슬러리 첨가제들은 바인더, 방수제, 유리 섬유, 점토, 살생물제, 및 다른 공지된 성분들을 포함할 수 있다.
알파 및 베타의, 2개의 형태의 스터코가 있다. 2개의 타입의 스터코는 상이한 소성에 의해 제조된다. 본 발명들에서 베타 또는 알파 형태의 스터코가 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서 석고 벽판을 제조하는 데 사용되는 유용한 석고 함유 슬러리 제제는 약 20에서부터 약 23 lb/MSF까지의 미리 젤라틴화된 전분, 약 5 lb/MSF의 분산제, 약 26 lb/MSF 나트륨 트리메타포스페이트 용액(~11% STMP 농도로), 및 약 2 lb/MSF까지의 유리 섬유를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따라 제조된 석고 벽판은 커버 시트들 또는 표면 시트들을 포함하며, 이들 사이에 고형화된 석고 코어가 석고 함유 슬러리로부터 형성된다. 본 발명에 따르면, 석고 함유 슬러리들은 전분을 포함할 것이다. 고형화된 석고 함유 코어 재료는 2개의 대체로 평행한 커버 시트들, 예를 들어 종이 커버 시트들 사이에 끼인다. 다양한 타입의 종이 커버 시트들이 본 기술분야에 공지되어 있으며 모든 이와 같은 타입의 종이 커버 시트들이 본 발명에 사용될 수 있다.
비록 본 기술분야에서 공지된 다른 유용한 커버 시트 재료들(예를 들어 섬유 유리 매트들)이 사용될 수 있지만, 커버 시트들은 종래의 석고 벽판과 같이 종이로 제조될 수 있다. 종이 커버 시트들은 석고 벽판에 강도 특성을 제공한다. 유용한 커버 시트 종이는 Illinois, Chicago의, United States Gypsum Corporation으로부터 이용 가능한 Manila 7-ply와 News-Line 5-ply; Indiana, Newport의, Caraustar로부터 이용 가능한, Grey-Back 3-ply와 Manila Ivory 3-ply; 및 Illinois, Chicago의, United States Gypsum Corporation으로부터 이용 가능한 Manila 고중량 종이와 MH Manila HT(고 인장) 종이를 포함한다. 종이 커버 시트들은 상부 커버 시트들, 또는 표면 종이, 및 하부 커버 시트들, 또는 배면 종이를 포함한다.
섬유 매트들이 또한 하나 또는 2개의 커버 시트들로서 사용될 수 있다. 하나의 유용한 섬유 매트는 유리 섬유의 필라멘트들이 접착제에 의해 함께 결합된 유리 섬유 매트이다. 바람직하게는 섬유 매트들은 유리 섬유의 필라멘트들이 접착제에 의해 함께 결합된 부직포 유리 섬유 매트들일 것이다. 가장 바람직하게는, 부직포 유리 섬유 매트들은 무거운 수지 코팅을 가질 것이다. 예를 들어, 수지 코팅으로부터 초래되는 매트 중량의 약 40 내지 50%를 가지고, 약 1.2 내지 2.0 lb/100 ft2의 중량을 가지며, Johns-Manville로부터 이용 가능한 Duraglass 부직포 유리 섬유 매트들이 사용될 수 있다. 다른 유용한 섬유 매트들은 직조 유리 매트들과 비셀룰로오스 직물을 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는다.
종래의 석고 벽판의 생산 중에, 상부 또는 표면 종이가 아래에 놓여지고 생산 라인을 따라 먼저 이동되며, 그 결과로 상부 또는 표면 종이가 접촉하여 벽판 제품의 상부 또는 표면을 형성함에도 불구하고, 상부 또는 표면 종이가 공정의 "하부" 로서 본 기술분야에서 공지된 것을 구성한다는 것이 여기에서 주목된다. 반대로, 하부 또는 배면 종이는 마지막에 제조 공정에서 공정의 "상부"로서 공지된 것에 적용된다. 이 동일한 관행들이 본 발명의 석고 보드들의 형성 및 제조에 적용될 것이다.
비누 거품에 의해 만들어지는 기공들은 발포된 저밀도의 고형화된 석고 코어와 커버 시트들 사이의 결합 강도를 감소시킬 수 있다. 절반보다 더 큰 체적의 복합재 석고 보드가 거품으로 인한 기공들로 구성될 수 있기 때문에, 거품은 발포된 저밀도의 고형화된 석고 코어와 종이 커버 시트들 사이의 결합을 방해할 수 있다. 선택적으로, 이는 코어에 커버 시트들을 적용하기 전에 상부 커버 시트와 하부 커버 시트 양쪽 모두의 석고 코어 접촉 표면들에 비발포(또는 감소된 발포) 결합 고밀도 층을 제공함으로써 대처될 수 있다. 이 비발포, 또는 대안적으로, 감소된 발포, 결합 고밀도 층의 제제는 일반적으로 거품이 추가되지 않는 것, 또는 대체적으로 감소된 양의 거품이 추가되는 것을 제외하고는, 석고 슬러리 코어의 제제와 동일할 것이다. 선택적으로, 이 결합 층을 형성하기 위해, 거품은 코어 제제로부터 기계적으로 제거될 수 있거나, 상이한 거품이 없는 제제가 발포된 저밀도의 고형화된 석고 코어/표면 종이 계면에 적용될 수 있다. 본 발명의 원리들에 따라 제조된 석고 보드들의 바람직한 일 실시예에서, 추가적인 결합 층들(상부)은 위에 설명된 바와 같이 습윤 전분 예비 분산 시스템에 의해 제공되는 바와 같은 고형화된 석고 코어에서 전분의 더 효율적이며 완전한 분포에 어느 정도 기인할 수 있는 증가된 종이-대-코어 및 석고 결정 결합 때문에 함께 생략될 수 있다.
다음의 실시예들은 본 발명을 더 설명하지만, 물론, 어떤 방식으로 이의 범위를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1
미리 분산된 수용성 전분을 함유하는 샘플 석고 슬러리 제제들
예시적인 석고 함유 슬러리 제제들이 아래의 표 1에 나타나 있다. 표 1의 값들은 표시된 것을 제외하고는, 파운드의 건조 중량(lb/MSF)으로 표시된다.
Figure 112011020824181-pct00002
1. 45% 수용액
2.HYONIC25AS와 PFM 33 비누들의 혼합물(Indiana, Lafayette의, GEO Specialty Chemicals로부터 이용 가능함). 동적인 제조 공정 중에, 비누 비율이 70/30에서부터 원하는 목표 범위까지, 예를 들어, 70/30에서부터 80/20 내지 85/15까지 또는 95/5까지의 범위에 있을 수 있다는 것에 주목한다.
실시예 2
미리 분산된 전분을 사용하여 석고 벽판의 제조
샘플 석고 벽판들이 미리 젤라틴화된 옥수수 전분이 약 80℉의 처리수에서 미리 분산되었으며 본 발명에 따라 처리(계량)수에 첨가되며 보드 믹서로 주입되는 것을 제외하고는, 여기에 참고로 포함된, Yu 등의 미국 특허 제6,342,284호와 Yu 등의 미국 특허 제6,632,550호에 따라서, 실시예 1의 석고 슬러리의 더 낮은 전분 및 더 높은 전분 제제들을 사용하여 제조되었다. 이는 별도의 거품의 형성 및 이 특허들의 실시예 5에 설명된 바와 같은 다른 성분들의 슬러리로의 거품의 도입을 포함한다.
실시예 3
미리 분산되며 (습윤된) 미리 젤라틴화된 옥수수 전분으로 제조된 ½인치 석고 벽판에 대한 테스트 결과들
테스트 석고 벽판들은 실시예 2에 따라 제조되었다.
Figure 112011020824181-pct00003
1. 90℉/ 90% 상대 습도
2. 이 테스트 조건들 하에서, < 50%의 퍼센티지 실패율은 허용될 수 있다는 것이 잘 이해된다.
†. ASTM 표준: 77 lb
MD:기계 길이 방향
CMD: 기계 폭 방향
못 뽑기 저항, 엣지 및 코어 경도, 및 굽힘 강도 테스트들이 ASTM C-1396에 따라 수행되었다. 게다가, 일반적인 석고 벽판은 대략 ½인치 두께이며 약 1600 내지 1800 lb/MSF 사이의 중량을 가진다는 것이 주목된다.
표 2에 도시된 바와 같이, 양쪽 모두의 벽판들은 강도와 못 뽑기 저항에 대한 ASTM 표준들을 초과하며, 보드 중량을 대체로 감소시킨다. 양쪽 모두의 벽판들은 또한 우수한 코어 경도와 가습 결합(종이-대-코어) 특성을 보인다. 더 낮은 전분 레벨의 보드가 모든 강도 표준들과 다른 보드 기준들을 만족시키고, 전분 레벨을 약 12% 감소시키며, 이는 상당한 재료와 비용 절약을 초래한다는 것은 주목할 만하며 뜻밖이다. 더 높은 전분 레벨 제제와 비교하여, 전분 레벨들이 본 시스템에 의해 제공되는 제제들에서 최대 약 25% 감소되었더라도, 관찰된 강도, 코어 경도, 및 가습 결합(종이-대-코어) 특성들은 유지될 것이다.
여기에 인용된, 간행물들, 특허 출원서들, 및 특허들을 포함하는, 모든 참고문헌들은 각각의 참고문헌이 참고로 포함되기 위해 개별적 및 구체적으로 표시되며 여기에 그 전체가 설명되는 것과 동일한 범위로 여기에 참고로 포함된다.
본 발명을 설명하는 맥락에서(특히 다음의 청구항들의 맥락에서) 용어 "한(a)" 과 "하나(an)" 와 "상기(the)" 및 유사한 지시어들(referents)의 사용은, 여기에서 별도로 지시되지 않거나 문맥상 분명하게 모순되지 않으면, 단수 및 복수 양쪽 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 여기서 값들의 범위들의 설명은, 여기에 별도로 지시되지 않으면, 단지 범위 내에 있는 각각의 개별적인 값을 개별적으로 언급하는 간단한 전달법으로서 역할을 하기 위한 것이며, 각각의 개별적인 값은 여기에 개별적으로 기술되는 것처럼 명세서에 포함된다. 여기에 설명된 모든 방법들은 여기에 별도로 지시되지 않거나 문맥상 분명하게 모순되지 않는 한 임의의 적당한 순서로 수행될 수 있다. 여기에 제공되는 어떤 및 모든 실시예들, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "와 같은")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며 별도로 주장되지 않는 한 본 발명의 범위에 대한 한정을 하지 않는다. 명세서의 언어는 본 발명의 실시에 필수적인 것으로서 어떤 청구되지 않은 요소들을 지시하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명을 실시하기 위해 발명자들에게 공지된 최선의 형태를 포함하는, 본 발명의 바람직한 실시예들이 여기에서 설명된다. 설명된 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 받아들어져서는 안 된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (18)

  1. 석고 함유 벽판의 생산을 위해 전분 예비 분산액을 제조하기 위한 시스템에 있어서,
    건조 전분의 저장을 위한 전분 피더;
    벤투리 믹서;
    상기 피더에서 상기 벤투리 믹서로 조절 가능한 속도로 상기 건조 전분을 공급하기 위한 진공 픽업 유닛;
    2 중량%에서부터 10 중량%까지의 전분의 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 상기 벤투리 믹서에 조절 가능한 속도로 물을 공급하기 위한 제1 워터 펌프; 및
    보충수 중의 상기 전분 예비 분산액을 제조하기 위해 상기 전분 예비 분산액에 보충수를 공급하기 위한 제2 워터 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전분 피더는 감량식 정량 피더(loss-in-weight feeder)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 건조 전분은 미리 젤라틴화된 옥수수 분말인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    석고 보드 생산 라인 상의 보드 믹서에 조절 가능한 속도 및 측정 가능한 농도로 상기 보충수 중의 상기 전분 예비 분산액을 이송하기 위한 슬러리 배출 컨트롤러; 및
    실제 슬러리 배출 농도와 목표 슬러리 배출 농도 사이의 차이를 계산하고, 상기 차이에 근거하여, 상기 전분 공급 속도를 조절하기 위해 상기 전분 피더에 신호를 보내며/보내거나 상기 물 공급 속도를 조절하기 위해 상기 제1 워터 펌프에 신호를 보내기 위한 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전분 예비 분산액을 탈기하기 위하여 그리고 2 중량% 내지 10 중량%의 전분 예비 분산액을 홀딩하기 위하여 상기 홀딩 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보충수 중의 전분 예비 분산액과 스터코를 받아들이기 위한 보드 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보충수로의 상기 전분 예비 분산액의 유동 속도는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보충수로의 상기 전분 예비 분산액의 유동 속도는 일정하게 조절 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 보드 믹서는 물, 스터코, 상기 스터코의 중량에 기초하여 0.5 중량%에서부터 10 중량%까지의 양으로 존재하는 미리 젤라틴화된 전분, 상기 스터코의 중량에 기초하여 0.2 중량%에서부터 2 중량%까지의 양으로 존재하는 나프탈렌술포네이트 분산제, 상기 스터코의 중량에 기초하여 0.1 중량%에서부터 0.4 중량%까지의 양으로 존재하는 나트륨 트리메타포스페이트, 및 상기 스터코의 중량에 기초하여 0.2 중량%까지의 양으로 존재하는 유리 섬유를 포함하는 슬러리를 함유하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 슬러리는 0.2 lb/MSF에서부터 0.7 lb/MSF까지의 양으로 존재하는 비누를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 물/스터코 비는 0.7에서부터 1.3까지인 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 물/스터코 비는 0.7에서부터 0.9까지인 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 미리 젤라틴화된 전분의 양은 상기 전분이 상기 보드 믹서의 이전에 물에 미리 분산되지 않는 시스템보다 적어도 10% 더 적은 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 석고 벽판의 생산을 위해 보충수 라인(line) 중의 전분 예비 분산액을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 벤투리 믹서로 조절 가능한 속도로 건조 전분을 공급;
    (b) 상기 전분의 중량에 기초하여 2%에서부터 10%까지의 농도의 전분 슬러리를 형성하기 위해 상기 벤투리 믹서에서 물로 상기 전분을 습윤;
    (c) 상기 보충수 라인 중의 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 상기 벤투리 믹서에서 상기 벤투리 믹서 외부의 보충수 라인으로 상기 전분 슬러리를 이송; 및
    (d) 상기 보충수 라인 내의 상기 전분 예비 분산액을 생산 라인의 보드 믹서로 이송을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    슬러리 배출 컨트롤러에 의해 전분 예비 분산액의 이송 속도의 계산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전분 슬러리는 상기 보충수 중에 전분 예비 분산액을 형성하기 위해 상기 슬러리를 상기 보충수로 이송하기 전에 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 건조 전분은 미리 젤라틴화된 옥수수 분말인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 보드 믹서를 향한 보충수 중의 전분 예비 분산액의 유동 속도는 일정한 것을 특징으로 하는 방법.
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