PL188000B1

PL188000B1 - Sposób wytwarzania płyty gipsowej

Info

Publication number: PL188000B1
Application number: PL32848797A
Authority: PL
Inventors: Mark H. Englert
Original assignee: United States Gypsum Co
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2004-11-30
Also published as: JP2000505775A; NZ331224A; JP4493732B2; EP0889861A1; CZ260598A3; SK110498A3; CN1211230A; BG62482B1; ES2224289T3; HUP0002822A3; AU5610898A; HK1019441A1; HU222267B1; KR100758830B1; AR010839A1; AU717815B2; PL328487A1; IL125767A; NO983833D0; US5817262A

Abstract

1. Sposób wytwarzania plyty gipsowej odpornej na wode, znamienny tym, ze do wodnej zawiesiny zawierajacej siarczan wapnia i czastki wypelniacza dodaje sie wodna emulsje siloksanu, stabilna w warunkach utrzymywania zawiesiny, zawiesine z siloksanem umieszcza sie na plaskiej porowatej powierzchni ksztaltujacej, formuje sie placek filtracyjny i usuwa sie z niego wieksza czesc wody, która odpro- wadza sie poprzez porowata powierzchnie ksztaltujaca, nastepnie prasuje sie placek filtracyjny i usuwa sie z niego dalsza ilosc wody, utworzona plyte suszy sie i usuwa sie z plyty pozostala wolna wode, przy czym podczas suszenia ogrzewa sie rdzen plyty do temperatury, w której nastepuje utwar- dzenie siloksanu. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płyty gipsowej, która jest odporna na działanie wody, zwłaszcza sposób wytwarzania kompozytowej płyty gipsowej, nadającej się do stosowania w budownictwie.

Gips (dwuwodzian siarczanu wapnia) jest materiałem powszechnie stosowanym do wytwarzania wyrobów budowlanych, zwłaszcza gipsowych płyt ściennych, bowiem stanowi on łatwo dostępny i tani surowiec. Poprzez proces odwodnienia i ponownego uwodnienia, gips może być odlewany, formowany lub inaczej kształtowany w żądane wyroby, które są niepal4

188 000 ne i względnie stabilne wymiarowo w środowisku o dużej wilgotności. Jednakże z uwagi na fakt, że gips jest kruchym materiałem krystalicznym, o stosunkowo niewielkiej wytrzymałości na rozciąganie i zginanie, zastosowania gipsu są zazwyczaj ograniczone do zastosowań niekonstrukcyjnych, nie przenoszących obciążenia i nie pochłaniających uderzeń.

Ścienna płyta gipsowa, zwana również płytą gipsową lub suchą ścianą, wykonana jest z rdzenia z uwodnionego gipsu umieszczonego sandwiczowo pomiędzy arkuszami osłonowymi z wielu warstw papieru i jest używana głównie na ściany wewnętrzne i sufity. Ze względu na kruchość i słabe właściwości trzymania gwoździ i śrub w tym rdzeniu gipsowym konwencjonalna sucha ściana jako taka nie może wspierać dużych dodatkowych obciążeń ani pochłaniać znacznych uderzeń.

Nadal poszukiwane są zatem usilnie środki do polepszenia wytrzymałości na rozciąganie, zginanie, trzymanie gwoździ i śrub oraz odporności udarowej gipsu i wyrobów budowlanych.

Innym łatwo dostępnym materiałem, który jest również szeroko stosowany w produktach budowlanych, jest materiał lignocelulozowy, zwłaszcza w postaci włókien drzewnych i włókien papieru. Przykładowo, oprócz tarcicy postaciami wyrobów przetworzonych z materiału lignocelulozowego, stosowanych w budownictwie, są płyta wiórowa, płyta pilśniowa, płyta plastrowa, sklejka i twarda płyta pilśniowa (płyta pilśniowa o dużej gęstości). Materiały takie mają lepszą wytrzymałość na rozciąganie i zginanie niż gips. Jednakże są one również droższe, mają słabą odporność na ogień i często ulegają spęcznieniu lub wypaczeniu przy działaniu wilgoci. Pożądane są zatem ekonomiczne środki do ulepszenia tych ograniczających zastosowanie właściwości wyrobów budowlanych z materiału celulozowego.

Różne usiłowania połączenia korzystnych właściwości gipsu i włókien celulozowych, zwłaszcza włókien drzewnych, osiągnęły bardzo ograniczone powodzenie. Próby dodawania włókien celulozowych (lub innych włókien tego rodzaju) do gipsu i/lub rdzenia płyty gipsowej powodowały zwykle osiągnięcie niewielkiego (jeśli w ogóle było) zwiększenia wytrzymałości ze względu na niemożność osiągnięcia dotychczas żadnego istotnego spojenia pomiędzy włóknami a gipsem. Patenty USA numery 4.328.178; 4.239.716; 4.392.896 i 4.645.548 ujawniają ostatnie przykłady, gdzie włókna drzewne lub inne włókna naturalne były mieszane z zawiesiną gipsu sztukatorskiego (półwodzian siarczanu wapnia), by służyć jako wzmocnienie płyty z powtórnie uwodnionego gipsu itp.

Patent USA nr 4.734.163 przedstawia proces, w którym surowy lub niekalcynowany gips jest drobno mielony i mieszany na mokro z 5-10% miazgi papierowej. Miazga ta zostaje częściowo odwodniona, uformowana w placek i dalej jest odwadniana przez walce dociskowe aż do uzyskania stosunku wody do ciał stałych mniejszego niż 0,4. Placek tnie się na surowe płyty, które po wyrównaniu i przycięciu są układane w stos pomiędzy podwójnymi płytami stalowymi i wprowadzane do autoklawu. Temperaturę w autoklawie podnosi się do około 140°C, by przetworzyć gips w półwodzian siarczanu wapnia typu alfa. Podczas późniejszego stopniowego chłodzenia płyt następuje powtórne uwodnienie półwodzianu do dwuwodzianu (gipsu) i płyta uzyskuje integralność. Następnie płyty są suszone i wykańczane według potrzeb.

Patent USA nr 5.320.677 (Baig) opisuje produkt kompozytowy i proces wytwarzania tego produktu, w którym rozcieńczona zawiesina cząstek gipsu i włókien drzewnych jest ogrzewana pod ciśnieniem w celu przetworzenia gipsu w półwodzian siarczanu wapnia typu alfa. Włókna drzewne mają pory lub puste przestrzenie na powierzchni, a kryształy półwodzianu typu alfa powstają wewnątrz, na i wokół tych pustych przestrzeni i porów włókien drzewnych. Ogrzana zawiesina jest następnie odwadniana w celu utworzenia placka filtracyjnego, korzystnie przy użyciu sprzętu podobnego jak przy produkcji papieru, a zanim zawiesina zostanie ochłodzona wystarczająco do powtórnego uwodnienia półwodzianu do gipsu, placek filtracyjny jest prasowany w płytę o żądanym kształcie. Prasowany placek filtracyjny jest chłodzony, a półwodzian zostaje powtórnie uwodniony do gipsu, by utworzyć stabilną wymiarowo, wytrzymałą i użyteczną płytę budowlaną. Następnie płyta ta jest wyrównywana i suszona. Proces opisany w patencie nr 5.320.677 różni się od wcześniejszych procesów tym, że kalcynacja gipsu odbywa się w obecności włókien drzewnych, podczas gdy gips jest

188 000 w postaci rozrzedzonej zawiesiny, tak że zawiesina ta nawilża włókna drzewne, wprowadzając rozpuszczony gips w puste przestrzenie włókien, a kalcynacja wytwarza iglaste kryształy półwodzianu siarczanu wapnia typu alfa in situ w tych pustych przestrzeniach i wokół nich.

Te znane wyroby, podobnie jak zwykła gipsowa płyta ścienna, płytka gipsowa, kształtka gipsowa, odlewy gipsowe itp., są stosunkowo słabo odporne na wodę. Kiedy zwykła gipsowa płyta ścienna zostanie np. zanurzona w wodzie, wówczas płyta ta szybko wchłania znaczną ilość wody i traci dużą część swej wytrzymałości. Badania wykazały, że kiedy cylinder o wymiarach około 5x10 cm (2 cale x 4 całe z materiałem rdzeniowym z płyty gipsowej był zanurzony w wodzie o temperaturze około 21°C (70°F), cylinder taki wykazywał pochłanianie wody 36% po zanurzeniu na 40 minut. W przeszłości czyniono wiele usiłowań w celu polepszenia odporności wyrobów gipsowych na wodę. Usiłowania te obejmowały wprowadzanie materiału odpornego na wodę, takiego jak metaliczne mydła, asfalty, siloksany, żywice itd., do zawiesiny półwodzianu siarczanu wapnia. Obejmowały one również usiłowanie powleczenia gotowego wyrobu gipsowego foliami lub powłokami odpornymi na wodę. Jeden specyficzny przykład dawnych prób zabezpieczenia gipsu przed wodą integralnie przez dodanie substancji hydrofobowych przedstawiono w US 2 198 776 (King i Camp). Opis ten dotyczy wprowadzania parafiny, siloksanu, asfaltu, itp., do wodnej zawiesiny, poprzez rozpylanie roztopionego materiału do zawiesiny.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania płyty gipsowej mającej większą wytrzymałość i stabilność wymiarową, niż znane wyroby, oraz mającej lepszą odporność na wodę.

Sposób wytwarzania płyty gipsowej, odpornej na wodę, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do wodnej zawiesiny zawierającej siarczan wapnia i cząstki wypełniacza dodaje się wodną emulsję siloksanu, stabilną w warunkach utrzymywania zawiesiny, zawiesinę z siloksanem umieszcza się na płaskiej porowatej powierzchni kształtującej, formuje się placek filtracyjny i usuwa się z niego większą część wody, którą odprowadza się poprzez porowatą powierzchnię kształtującą, następnie prasuje się placek filtracyjny i usuwa się z niego dalszą ilość wody, utworzoną płytę suszy się i usuwa się z płyty pozostałą wolną wodę, przy czym podczas suszenia ogrzewa się rdzeń płyty do temperatury, w której następuje utwardzenie siloksanu. Korzystnie, stosuje się emulsję siloksanu zawierającą przynajmniej jeden siloksan modyfikowany wodorem, zwłaszcza emulsję zawierającą siloksan wodorowometylowy. Korzystnie, stosuje się emulsję siloksanu zawierającą kationowy emulgator, w szczególności stosuje się emulsję zawierającą aminę czwartorzędową, jako kationowy emulgator, a zwłaszcza aminę czwartorzędową zawierającą jony Al⁺³.

Korzystnie, stosuje emulsję siloksanu zawierającą niejonowy emulgator, zwłaszcza emulsję z emulgatorem, którego wartość HLB wynosi powyżej 20.

Korzystnie, stosuje się zawiesinę z siloksanem, w której zawartość siloksanu w postaci stałej wynosi co najmniej 0,1% wagowych w odniesieniu do masy wszystkich ciał stałych w zawiesinie, zwłaszcza zawiesinę, w której zawartość siloksanu w postaci stałej wynosi 1 % do 2% wagowych w odniesieniu do masy wszystkich ciał stałych w zawiesinie.

Korzystnie, do zawiesiny z siloksanem dodaje się wodną emulsję katalizatora, który aktywuje utwardzanie siloksanu, przy czym emulsja jest stabilna w warunkach utrzymywana zawiesiny.

Korzystnie, stosuje się emulsję katalizatora zawierającą aminę pierwszorzędową, zwłaszcza emulsję katalizatora zawierającą nierozpuszczalną w wodzie pierwszorzędową aminę.

Korzystnie, stosuje się emulsję katalizatora zawierającą kationowy emulgator, zwłaszcza emulsję katalizatora zawierającą aminę czwartorzędową jako kationowy emulgator.

Korzystnie, stosuje się emulsję katalizatora zawierającą niejonowy emulgator, zwłaszcza emulsję katalizatora z emulgatorem, którego wartość HLB wynosi powyżej 20.

Korzystnie, stosuje się rozcieńczoną zawiesinę zmielonego materiału zawierającego siarczan wapnia i rozdrobnione lignocelulozowe cząstki wypełniacza, mające puste przestrze

188 000 nie w znacznej części swej struktury, nadające się do penetrowania przez zawiesinę, która to zawiesina zwilża cząstki wypełniacza.

Korzystnie, stosuje się zawiesinę zawierającą jako cząstki wypełniacza włókna papierowe lub włókna drzewne wybrane z grupy złożonej z chemicznie oczyszczonej miazgi drzewnej, mechanicznie oczyszczonej miazgi drzewnej, termomechanicznie oczyszczonej miazgi drzewnej i ich mieszaniny.

Korzystnie, stosuje się zawiesinę zawierającą 0,5 do 30% wagowych włókien drzewnych, zwłaszcza zawiesinę zawierającą 3 do 20% wagowych włókien drzewnych.

Korzystnie, prowadzi się następujące operacje:

zawiesinę z wytworzonymi kryształami półwodzianu siarczanu wapnia utrzymuje się w temperaturze pozwalającej na zachowanie tych kryształów, podaje się zawiesinę z siloksanem na płaską porowatą powierzchnię kształtującą i formuje się placek filtracyjny, zanim temperatura spadnie poniżej temperatury, przy której następuje uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia do kryształów dwuwodzianu, usuwa się z placka filtracyjnego większą część wody, a następnie chłodzi się placek filtracyjny do temperatury, przy której rozpoczyna się uwadnianie półwodzianu siarczanu wapnia, usuwa się dalszą ilość wody i formuje się płytę poprzez prasowanie placka filtracyjnego, przy czym kryształy półwodzianu siarczanu wapnia wokół cząstek wypełniacza uwadniająsię do kryształów dwuwodzianu siarczanu wapnia.

Dla wytworzenia odpornej na wodę płyty gipsowej, korzystnie, prowadzi się również następujące operacje:

miesza się razem zmielony gips, cząstki wypełniacza oraz wodę i wytwarza się rozcieńczoną zawiesinę, przy czym stosuje się cząstki wypełniacza posiadające puste przestrzenie na swej powierzchni i/lub wewnątrz swej struktury, nadające się do penetracji i nawilżenia przez rozcieńczoną wodną zawiesinę zawierającą zawieszony i/lub rozpuszczony gips, zawiesinę ogrzewa się, w zbiorniku ciśnieniowym z ciągłym mieszaniem, do temperatury umożliwiającej przekształcenie gipsu w półwodzian alfa siarczanu wapnia, utrzymuje się zawiesinę w powyższej temperaturze aż przynajmniej część półwodzianu siarczanu wapnia utworzy iglaste kryształy wewnątrz i wokół pustych przestrzeni w cząstkach wypełniacza, następnie do zawiesiny dodaje się wodną emulsję siloksanu, przy czym zawiesina ma temperaturę, w której są utrzymywane kryształy półwodzianu siarczanu wapnia, zawiesinę z siloksanem umieszcza się na płaskiej porowatej powierzchni kształtującej i formuje się placek filtracyjny zanim temperatura spadnie poniżej temperatury, przy której następuje szybkie uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia do kryształów dwuwodzianu, chłodzi się placek filtracyjny do temperatury, przy której rozpoczyna się uwadnianie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia, prasuje się ten placek filtracyjny i usuwa się zawartą w placku wodę, przy czym następuje uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia, które są wewnątrz i wokół pustych przestrzeni w cząstkach wypełniacza, i wytwarza się kryształy dwuwodzianu siarczanu wapnia, po czym suszy się wytworzoną płytę gipsową.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że dodawanie siloksanu (polimeru silikonowego) do zawiesiny zawierającej siarczan wapnia oraz substancję mającą większą wytrzymałość (przykładowo, włókno drzewne) polepsza odporność płyty gipsowej na wodę oraz wytrzymałość płyty. A zatem, jest możliwe uzyskanie wyrobu gipsowego, zwłaszcza wyrobu nadającego się do stosowania w budownictwie, który w porównaniu ze znanymi wyrobami ma lepszą wytrzymałość oraz większą odporność na wodę, to znaczy zachowuje swą wytrzymałość nawet przy wystawieniu na działanie wody, oraz jest odporny na ogień.

Odporne na wodę płyty gipsowe wytwarza się zwłaszcza przez dodawanie emulsji siloksanu do ogrzanej zawiesiny połwodzianu siarczanu wapnia i cząstek materiału o wytrzymałości większej niż gips, podawanie ogrzanej zawiesiny na porowatą płaską powierzchnię kształtującą w celu utworzenia placka filtracyjnego, który jest odwadniany i prasowany,

188 000 by wytworzyć płytę, zanim półwodzian zostanie całkowicie powtórnie uwodniony do gipsu. Korzystnie, prowadzi się dodawanie emulsji siloksanu stabilizowanej kationowym emulgatorem oraz emulsji katalizatora również stabilizowanej kationowym emulgatorem. Powyższą zawiesinę dodaje się do ogrzanej rozcieńczonej zawiesiny siarczanu wapnia, który był kalcynowany w takich warunkach, że iglaste kryształy półwodzianu typu alfa powstają wewnątrz i wokół pustych przestrzeni cząstek materiału o większej wytrzymałości, podawanie zawiesiny na porowatą płaską powierzchnię kształtującą w celu tworzenia placka filtracyjnego, który jest odwadniany z minimalną stratą emulsji siloksanu i katalizatora. Placek filtracyjny jest prasowany, w celu wytworzenia płyty, zanim półwodzian zostanie całkowicie powtórnie uwodniony do gipsu, po czym płyta jest suszona w warunkach, które powodują utwardzenie siloksanu wewnątrz płyty.

Określenie „gips” oznacza siarczan wapnia w stabilnej postaci dwuwodzianu, to znaczy CaSO4-2H2O, i obejmuje minerał występujący w stanie naturalnym, równoważniki uzyskane syntetycznie oraz dwuwodzianowy materiał wytworzony przez uwodnienie półwodzianu siarczanu wapnia (gipsu sztukatorskiego) i anhydrytu. Określenie „siarczan wapnia” oznacza siarczan wapnia w dowolnej ze swych postaci, a mianowicie, bezwodnik siarczanu wapnia, półwodzian siarczanu wapnia, dwuwodzian siarczanu wapnia oraz ich mieszaniny.

Określenie „cząstki wypełniacza” oznacza wszelkie cząstki makroskopowe, takie jak włókna, wióry lub płatki z substancji innej niż gips. Cząstki te, określane również jako „cząstki przyjmujące”, są zwykle nierozpuszczalne w ciekłej zawiesinie i posiadają w swej strukturze puste przestrzenie, tj. przestrzenie w postaci dołków, pęknięć, szczelin, wydrążonych rdzeni lub innych niedokładności powierzchni, w które może dostawać się rozcieńczalnik zawiesiny, i w których mogą powstawać kryształy siarczanu wapnia. Puste przestrzenie powinny występować w znacznej części struktury cząstki. Stwierdzono, że im więcej jest pustych przestrzeni i im lepiej są one rozmieszczone, tym lepsze i bardziej stabilne geometrycznie jest fizyczne spojenie pomiędzy gipsem a cząstką przyjmującą. Substancja cząstki przyjmującej powinna mieć żądane właściwości, których brak jest gipsowi, a korzystnie przynajmniej większą wytrzymałość na rozciąganie i zginanie. Włókna lignocelulozowe, zwłaszcza włókna drzewne, są przykładem cząstek przyjmujących szczególnie dobrze dostosowanych do materiału kompozytowego i procesu według wynalazku. Nie chcąc jednak ograniczać materiału i/lub cząstek, które kwalifikują się jako cząstki przyjmujące, poniżej często dla wygody zamiast tego szerszego określenia stosuje się nazwę włókna drzewne.

Używane tu określenie „włókno gipsowo-drzewne”, które czasami zastępowane jest skrótem GWF, ma obejmować mieszaninę materiału siarczanu wapnia i cząstek przyjmujących, np. włókien drzewnych, która jest stosowana do wytwarzania płyt, gdzie przynajmniej część materiału siarczanu wapnia występuje w postaci iglastych kryształów dwuwodzianu siarczanu wapnia usytuowanych w i wokół pustych przestrzeni cząstek przyjmujących, przy czym te kryształy dwuwodzianu są wytworzone in situ przez uwodnienie iglastych kryształów półwodzianu siarczanu wapnia w i wokół pustych przestrzeni wymienionych cząstek. Płyty GWF są korzystnie wytwarzane w procesie według patentu USA nr 5.320.677.

Użyte tu określenie „siloksan” oznacza modyfikowany wodorem siloksan o niskiej masie cząsteczkowej dostosowany do polimeryzacji w silikon. Używane tu określenie „emulsja siloksanu” oznacza emulsję wodną jednego lub więcej takich siloksanów, a którąjest stabilna w zawiesinie GWF w warunkach, które utrzymują w niej kryształy półwodzianu siarczanu wapnia. Emulsja siloksanu musi zawierać siloksan, który jest przystosowany do utwardzania lub polimeryzacji do silikonu podczas etapu suszenia płyty, by zapewnić polepszoną odporność na wodę gotowego wyrobu.

Używane tu określenie „emulsja katalizatora” oznacza emulsję wodną jednego lub więcej katalizatorów, a która jest stabilna w zawiesinie GWF w warunkach, które utrzymują w niej kryształy półwodzianu siarczanu wapnia. Emulsja katalizatora musi zawierać katalizator, który jest dostosowany do aktywacji utwardzania siloksanu do silikonu podczas etapu suszenia płyty, by zapewnić polepszoną odporność na wodę wykończonego wyrobu.

Zarówno siloksan jak i katalizator muszą być obojętne względem gipsu i włókien drzewnych, które tworzą produkt. Zarówno siloksan jak i katalizator muszą mieć postać

188 000 emulsji, które są stabilne w warunkach temperatury i elektrolitu, w których zawiesina półwodzianu i włókien drzewnych wyłania się z procesu kalcynowania, w którym gips jest przekształcany w postać alfa półwodzianu siarczanu wapnia. Siloksan musi być dostosowany do utwardzania w temperaturze rdzenia osiągniętej przez płytę podczas końcowego suszenia wyrobu. Co ważniejsze, obie emulsje nie tylko muszą być stabilne w obecności różnych dodatków, które są używane do regulowania krystalizacji półwodzianu oraz różnych przyspieszaczy lub opóźniaczy, które są stosowane w celu ustawienia procesu, w którym następuje powtórne uwodnienie do gipsu, ale emulsje te nie mogą przeszkadzać w działaniu tych dodatków. Co najważniejsze, duża część emulsji musi przywierać do cząstek włókien drzewnych z gipsem podczas tego procesu, w którym zawiesina jest odwadniana, by usunąć większość wody i utworzyć placek filtracyjny, a to w celu uniknięcia straty emulsji wraz z wodą usuwaną z zawiesiny. W korzystnym przykładzie realizacji zarówno emulsja siloksanu jak i emulsja katalizatora są stabilizowane poprzez zastosowanie stosownego kationowego emulgatora takiego jak kationowa amina czwartorzędowa lub stosowny niejonowy emulgator o wysokiej wartości HLB, taki jak poliol blokowy.

W procesie tym niekalcynowany gips i cząstki przyjmujące są mieszane razem z wystarczającą ilością cieczy, by utworzyć rozcieńczoną zawiesinę, która jest następnie podgrzewana pod ciśnieniem w celu przeprowadzenia kalcynacji gipsu, przetworzenia go w półwodzian siarczanu wapnia typu alfa. Chociaż mikromechanika wynalazku nie jest w pełni zrozumiała, uważa się, że rozcieńczalnik rozcieńczonej zawiesiny nawilża cząstki przyjmujące, wprowadzając rozpuszczony siarczan wapnia w puste przestrzenie w nich. Półwodzian w końcu wytwarza zarodki i tworzy kryształy, głównie kryształy iglaste, in situ w i wokół pustych przestrzeni cząstek przyjmujących. Jeżeli trzeba, do zawiesiny można dodać modyfikatory kryształów. Otrzymany kompozyt stanowią cząstki przyjmujące fizycznie złączone za pomocą kryształów siarczanu wapnia. To połączenie nie tylko tworzy dobre spojenie pomiędzy siarczanem wapnia, a bardziej wytrzymałymi cząstkami przyjmującymi, ale uniemożliwia również migrację siarczanu wapnia z cząstek przyjmujących, kiedy półwodzian jest następnie powtórnie uwadniany do dwuwodzianu (gipsu).

Wiele takich kompozytowych cząstek tworzy masę materiału, która może być zagęszczana, prasowana w płyty, odlewana, rzeźbiona, formowana lub inaczej nadawany jest jej żądany kształt przed końcowym utwardzeniem. Po końcowym utwardzeniu ten materiaił kompozytowy można ciąć, obrabiać dłutem, piłować, wiercić i inaczej obrabiać skrawaniem. Ponadto materiał ten wykazuje pożądaną odporność na ogień i stabilność wymiarów gipsu oraz pewne polepszenia (zwłaszcza wytrzymałości i wiązkości) wnoszone przez substancję cząstek przyjmujących.

Według korzystnego przykładu realizacji wynalazku cząstkami przyjmującymi są włókna papieru. Proces wytwarzania kompozytowego materiału złożonego z gipsu i włókien drzewnych według wynalazku rozpoczyna się od zmieszania pomiędzy około 0,5% do około 30%, korzystnie pomiędzy 3% do 20% wag. włókien drzewnych z odpowiednim uzupełnieniem zmielonego, ale niekalcynowanego, gipsu. Suchą mieszankę łączy się z wystarczającą ilością cieczy, korzystnie wody, aby utworzyć rozcieńczoną zawiesinę zawierającą 70-95% wagowo wody. Zawiesinę tę poddaje się procesom w zbiorniku ciśnieniowym w temperaturze wystarczającej do przetworzenia gipsu w półwodzian siarczanu wapnia. Pożądane jest ciągłe delikatne mieszanie zawiesiny, by rozbijać wszelkie zbrylenia włókien i utrzymywać wszystkie cząstki w zawiesinie. Po utworzeniu i wytrąceniu się półwodzianu z roztworu w postaci iglastych kryształów półwodzianu ciśnienie działające na zawiesinę produktu zmniejsza się, gdy zawiesina jest usuwana z autoklawu i dodaje się emulsję siloksanu oraz inne pożądane dodatki do zawiesiny. W stanie jeszcze gorącym zawiesinę przeprowadza się poprzez skrzynię głowicową na przenośnik filcowy, aby wytworzyć placek filtracyjny. Przenośnik filcowy może usuwać z placka filtracyjnego nawet 90% wody. Na skutek usunięcia wody placek filtracyjny jest chłodzony do temperatury, przy której może rozpocząć się powtórne uwodnienie. Może być jednak jeszcze konieczne zastosowanie dodatkowego zewnętrznego chłodzenia, by sprowadzić temperaturę wystarczająco nisko dla realizacji powtórnego uwodnienia w czasie możliwym do zaakceptowania.

188 000

Przed przeprowadzeniem zasadniczego powtórnego uwodnienia placek filtracyjny jest korzystnie prasowany na mokro w płytę o żądanej grubości i/lub gęstości. Jeżeli płycie tej ma być nadana specjalna tekstura powierzchni lub ma ona być poddana wykończeniu laminowanej powierzchni, korzystnie zostanie to przeprowadzone podczas lub po tym etapie procesu. W trakcie prasowania na mokro, co korzystnie przeprowadza się przy stopniowo rosnącym ciśnieniu, aby zachować integralność produktu, następują dwa zdarzenia. Usuwana jest dodatkowa ilość wody, np. około 50-60% pozostałej wody. W wyniku usunięcia dodatkowej ilości wody placek filtracyjny jest dalej chłodzony do temperatury, przy której następuje gwałtowne powtórne uwodnienie. Półwodzian siarczanu wapnia zostaje uwodniony do gipsu, tak że iglaste kryształy półwodzianu siarczanu wapnia są przetwarzane w kryształy gipsu in situ w i wokół włókien drzewnych. Po zakończonym powtórnym uwodnieniu płyty można ciąć i wyrównywać, jeśli trzeba, a następnie przepuszcza się je przez piec w celu wysuszenia. Korzystnie temperaturę suszenia należy utrzymywać stosunkowo niską aby uniknąć powtórnej kalcynacji gipsu na powierzchni, ale wystarczająco wysoką by aktywować utwardzanie siloksanu.

Aby osiągnąć maksymalne polepszenie odporności na wodę, za istotne uważa się stosowanie emulsji siloksanu, która jest stabilna w zawiesinie GWF przy temperaturze i w środowisku chemicznym istniejących w czasie tworzenia placka filtracyjnego z zawiesiny, nadawania kształtu i odwadniania. Stabilność emulsji siloksanu jest wyraźnie zwiększana przez zastosowanie stosownego kationowego emulgatora lub przez zastosowanie niejonowego emulgatora mającego wysoką wartość HLB w emulsji siloksanu. Stwierdzono, że emulsje siloksanu, które nie są wystarczająco stabilne, dają płyty GWF o gorszej odporności na wodę. Korzystnie wybrany siloksan i katalizator powinny mieć prędkość utwardzania wystarczającą by całkowicie utwardzić siloksan wewnątrz płyty GWF, gdy ta płyta jest suszona.

Płyta kompozytowa z gipsu i włókien drzewnych, wykonana według powyższego procesu, daje płytę GWF o lepszej odporności na wodę, jak również o synergistycznej kombinacji żądanych właściwości oferowanych przez znane płyty, to znaczy płyty wytworzone według procesu przedstawionego w patencie USA nr 5.320.677. Ponieważ płyta według przedmiotowego wynalazku ma ulepszoną odporność na wodę, zapewnia ona lepszą wytrzymałość, łącznie z wytrzymałością na wyciąganie gwoździ i śrub, w porównaniu z konwencjonalnymi płytami gipsowymi i znanymi płytami z gipsu i włókien drzewnych. Ponadto może być ona wytwarzana w pewnym zakresie gęstości i grubości.

Te i inne właściwości i zalety wynalazku będą oczywiste dla fachowców po zapoznaniu się z bardziej szczegółowym omówieniem wynalazku, zamieszczonym poniżej.

SZCZEGÓŁOWY OPIS PRZEDMIOTOWEGO WYNALAZKU

Podstawowy proces rozpoczyna się od zmieszania niekalcynowanego gipsu i cząstek przyjmujących (np. włókien drzewnych lub papierowych) z wodą w celu utworzenia rozcieńczonej zawiesiny wodnej. Źródłem gipsu może być surowa ruda lub produkt uboczny z procesu odsiarczania spalin lub z procesu wytwarzania kwasu fosforowego. Gips powinien być stosunkowo wysokiej czystości, to znaczy korzystnie co najmniej około 92-96%, i drobno zmielony, np. do ziarnistości odpowiadającej przechodzeniu 92-96% gipsu przez sito nr 100 lub o jeszcze mniejszej ziarnistości. Większe cząstki mogą przedłużać czas przetwarzania. Gips można wprowadzać albo w postaci suchego proszku, albo jako wodną zawiesinę.

Cząstki przyjmujące korzystnie stanowią włókna celulozowe, które mogą pochodzić z makulatury, miazgi drzewnej, wiórów drzewnych i/lub z innego źródła włókien roślinnych. Korzystne jest, by włókna te miały porowatą wydrążoną rozszczepioną i/lub szorstką powierzchnię, tak aby jej fizyczny kształt geometryczny zapewniał dostępne odstępy lub puste przestrzenie, które umożliwiają penetrację rozpuszczonego siarczanu wapnia. V/ każdym przypadku źródło takie, np. miazga drzewna, może również wymagać uprzedniej obróbki w celu rozerwania zbryleń, rozdzielenia materiału nadwymiarowego i podwymiarowego oraz w niektórych przypadkach wstępnej ekstrakcji materiałów pogarszających wytrzymałość i/lub zanieczyszczeń, które mogłyby mieć szkodliwy wpływ na kalcynację gipsu, takich jak półcelulozy, kwas octowy itd.

188 000

Zmielony gips i włókna drzewne są mieszane z wystarczającą ilością wody, by powstała zawiesina zawierająca w przybliżeniu 5-30% wag. ciał stałych, chociaż korzystne są zawiesiny zawierające 5-20% wag. ciał stałych. Ciała stałe w tej zawiesinie powinny zawierać 0,5-30% wag. włókien drzewnych, a korzystnie 3-20% włókien drzewnych, przy czym resztę stanowi głównie gips.

PRZETWARZANIE W PÓŁWODZIAN

Zawiesinę doprowadza się do zbiornika ciśnieniowego wyposażonego w ciągle działający mieszalnik lub urządzenie mieszające. W tym punkcie do zawiesiny można dodać, jeśli jest to pożądane, krystaliczne modyfikatory, takie jak kwasy organiczne, aby stymulować lub opóźnić krystalizację lub obniżyć temperaturę kalcynacji. Do zbiornika wprowadza się parę wodną, aby doprowadzić temperaturę wnętrza zbiornika do pomiędzy około 100°C (212°F) i około 177°C (350°F) i do autogenicznego ciśnienia. Dolna temperatura jest w przybliżeniu praktycznym minimum, przy którym dwuwodzian siarczanu wapnia będzie kalcynowany do stanu półwodzianu w rozsądnym czasie. Górna temperatura jest zbliżona do maksymalnej temperatury kalcynacji półwodzianu bez niepotrzebnego ryzyka spowodowania przetworzenia części półwodzianu siarczanu wapnia w bezwodnik. Temperatura w autoklawie jest korzystnie rzędu około 140°C (285°F) do 152°C (305°F).

Przy przetwarzaniu zawiesiny w tych warunkach przez wystarczający czas, np. rzędu 15 minut, wystarczająco dużo wody zostanie usunięte z cząsteczek dwuwodzianu siarczanu wapnia, by przetworzyć je w cząsteczki półwodzianu. Roztwór ten, wspomagany przez ciągłe mieszanie w celu utrzymywania cząstek w zawiesinie, będzie zwilżać i penetrować otwarte puste przestrzenie we włóknach przyjmujących. Po osiągnięciu nasycenia roztworu półwodzian będzie wytwarzać zarodki i rozpocznie się wytwarzanie kryształów w, na i wokół pustych przestrzeni oraz wzdłuż ścianek włókien przyjmujących.

Uważa się, że podczas obróbki w autoklawie rozpuszczony siarczan wapnia penetruje w puste przestrzenie we włóknach drzewnych i następnie wytrąca się jako iglaste kryształy półwodzianu wewnątrz, na i wokół pustych przestrzeni i powierzchni włókien drzewnych. Kiedy przetwarzanie jest zakończone, ciśnienie w autoklawie zostaje zmniejszone, wprowadzane są żądane dodatki, łącznie z emulsją siloksanu i emulsją katalizatora, typowo w skrzynce głowicowej, i zawiesina jest wyprowadzana na przenośnik odwadniający. W tym punkcie procesu do zawiesiny można dodawać konwencjonalne dodatki, obejmujące przyspieszacze, opóźniacze, środki konserwujące, środki powstrzymujące palenie i środki zwiększające wytrzymałość. Stwierdzono, że pewne dodatki, takie jak ziarnisty przyspieszacz (aby przyspieszyć uwadnianie półwodzianu siarczanu wapnia do gipsu) mogą znacznie wpływać na poziom polepszenia odporności na wodę uzyskiwanej dzięki emulsji siloksanu. W rezultacie K2SO4 (potaż) lub inne materiały są korzystne jako przyspieszacz w porównaniu z ałunem.

EMULSJE SILOKSANU

Przedmiotowy wynalazek szeroko rozważa poprawienie odporności na wodę płyt z gipsu i włókien drzewnych poprzez dodanie nadającego się do polimeryzacji siloksanu w postaci stabilnej emulsji do ogrzanej kalcynowanej zawiesiny gipsu i włókien drzewnych, która następnie jest kształtowana, odwadniana, prasowana i suszona w warunkach, które aktywują polimeryzację siloksanu, by utworzyć wysoce usieciowaną żywicę silikonową. Korzystnie, do zawiesiny gipsu i włókien drzewnych dodaje się katalizator aktywujący polimeryzację siloksanu, by tworzył wysoce usieciowaną żywicę silikonową.

Siloksan jest zasadniczo płynnym, linearnym siloksanem modyfikowanym wodorem, ale też może on być cyklicznym siloksanem modyfikowanym wodorem. Takie siloksany mają zdolność tworzenia wysoce usieciowanych żywic silikonowych. Takie płyny są dobrze znane przeciętnym specjalistom w tej dziedzinie i są dostępne w handlu oraz opisane w literaturze patentowej. Typowo, linearne siloksany modyfikowane wodorem przydatne w praktycznym wykorzystaniu przedmiotowego wynalazku zawierają siloksany o wzorze ogólnym:

RHSiO2/2 gdzie R oznacza nasyconą lub nienasyconą jednowartościową resztę węglowodorową.

188 000

W korzystnych przykładach wykonania R oznacza grupę alkilową, a najkorzystniej R oznacza metyl.

W korzystnym przykładzie wykonania niniejszego wynalazku płyn siloksanowy jest płynnym siloksanem wodorometylowym takim jak płyn Dow Coming's 1107, mający wzór ogólny:

(OSiMeH)_n gdzie n = 35, a polimer jest polimerem blokowym zakończonym SiMe3 (zgodnie z literaturą dotyczącą wyrobów Dow Corning).

Emulsję siloksanu korzystnie dodaje się do zawiesiny po wypuszczeniu jej z autoklawu, korzystnie bezpośrednio przed skrzynką głowicową, w celu zapewnienia wystarczającego czasu na dokładne zmieszanie emulsji siloksanu z zawiesiną przed tworzeniem placka filtracyjnego i przed etapem odwadniania w tym procesie. Temperatura zawiesiny w chwili dodawania emulsji siloksanu nie jest krytyczna, ale ważne jest, by emulsja siloksanu była stabilna w warunkach zawiesiny. Oznacza to, że emulsja siloksanu musi być stabilna przy temperaturze zawiesiny w chwili mieszania emulsji siloksanu z zawiesiną złożoną z gipsu i włókien drzewnych, a emulsja siloksanu musi pozostawać stabilna w obecności dodatków, takich jak przyspieszacze, które są obecne w zawiesinie. Emulsja siloksanu musi również pozostawać stabilna przez czas odwadniania i tworzenia płyty. Najważniejsze jest, że duża ilość siloksanu powinna zostać utrzymywana w placku filtracyjnym podczas procesu odwadniania. Przy takim znacznym zatrzymaniu zwykle będzie nadawany zauważalny wzrost odporności na wodę, gdy ilość emulsji siloksanu dodanej do zawiesiny jest wystarczająca, by zapewnić przynajmniej 0,1 % wag. siloksanu w stosunku do ciężaru wszystkich ciał stałych w zawiesinie. Preferuje się zastosowanie od około 1 % do około 2% wag. siloksanu, by uzyskać znaczny poziom polepszenia odporności na wodę.

EMULSJA KATALIZATORA

Katalizator zastosowany do aktywowania przekształcania siloksanu wodorometylowego w polimer silikonowy, to jest utwardzania siloksanu, jest korzystnie nierozpuszczalną w wodzie zasadą Brónsted, najlepiej wybraną z różnych pierwszorzędowych amin. Z poniżej opisanych powodów, preferowane jest wybranie katalizatora zdolnego do emulgowania przy użyciu emulgatora o wysokim HLB. W wyniku tego katalizator nie może być rozpuszczalny w wodzie (to znaczy, w celu utworzenia emulsji woda-w-oleju). Korzystne katalizatory do zastosowania w przedmiotowym wynalazku są alifatycznymi pierwszorzędowymi aminami, łącznie z alifatycznymi mono-, di- i poli-aminami otrzymanymi z kwasów tłuszczowych i kwasów żywicznych. Oprócz mono-, i dialkiloamin, stosowane katalizatory obejmują emulgatory o wzorze:

RNHCHCH2NH2, gdzie grupa alkilowa jest otrzymana z oleju kokosowego, talowego i sojowego lub jest 9-oktylodecenylem. Takie materiały spełniają kryteria katalizatora przekształcenia siloksanu w silikon i mogą być wybrane tak, że nie są one w znaczym stopniu rozpuszczalne w wodzie.

Wśród katalizatorów, które mogą być zastosowane znajdują się alifatyczne aminy sprzedawane przez Tomah Products, Inc. pod nazwą PA-17 i DA-17 oraz amina pochodząca z oleju kokosowego sprzedawana przez Akzo Nobel Chemicals, Inc. pod nazwą Armeen C.

Emulsja katalizatora jest korzystnie dodawana do zawiesiny równocześnie z emulsją siloksany przed skrzynką głowicową, w celu zapewnienia dostatecznego czasu na to, by obie emulsje całkowicie zmieszały się z zawiesiną przed utworzeniem placka filtracyjnego oraz etapem odwodnienia w procesie. Istotne jest, by emulsja katalizatora była stabilna w warunkach zawiesiny. Oznacza to, że emulsja katalizatora musi być stabilna w temperaturze zawiesiny w czasie, gdy emulsje są mieszane z zawiesiną gipsu i włókien drzewnych, a także emulsje muszą pozostać stabilne w obecności dodatków takich jak przyspieszacze, które są obecne w zawiesinie. Obie emulsje muszą również pozostać stabilne podczas etapów odwadniania i tworzenia płyty. Na koniec, musi być utrzymana duża ilość obu emulsji w placku filtracyjnym podczas procesów odwadniania.

188 000

EMULGATOR

Kluczowym aspektem przedmiotowego wynalazku jest to, że emulgator nadaje stabilność termiczną zarówno emulsji siloksanu jak i katalizatora. Ta stabilność temperatury jest krytyczna dla upewnienia się, że obie emulsje są stabilne i nie rozwarstwiają się w warunkach wysokich temperatur w obecności różnorakich soli i elektrolitów w zawiesinie GWF. Brak takiej stabilności termicznej i elektrolitycznej skutkuje natychmiastową polimeryzacją siloksanu, by utworzyć stały materiał, który nie jest całkowicie rozproszony w materiale tworzącym płytę mającą gorszą odporność na wodę. Kluczowym wskaźnikiem stabilności emulsji jest temperatura odwrócenia fazy (PIT), która może być określona jako temperatura, w której wewnętrzna i zewnętrzna faza emulsji nagle ulega odwróceniu (np. o/w na w/o lub odwrotnie). Wykazano, że na temperaturę odwrócenia fazy (PIT) niejonowych emulgatorów ma wpływ wartość HLB emulgatora. Można wyprowadzić pozytywną zależność HLB w stosunku do PIT, sugerując, że wiarygodnym środkiem do nadawania stabilności termicznej emulsji byłoby zastosowanie niejonowego emulgatora o wyższym HLB.

Dodanie soli obniża PIT, zatem niejonowy emulgator o wyższej wartości PIT [lub wyższej wartości HLB] wymagany jest w obecności elektrolitów w celu uzyskania bardziej stabilnej emulsji. Kationowe emulgatory w naturalny sposób nadają wyższą wartość PIT emulsji.

W przedmiotowym wynalazku emulgator może być albo kationowym albo niejonowym, chociaż system kationowy jest preferowany, ponieważ powoduje, że otrzymana emulsja zawiera kationy, pomagając w ten sposób zatrzymywać emulsję w zawierającym aniony placku filtracyjnym GWF podczas tworzenia placka filtracyjnego i procesu odwadniania.

W przypadku kationowego emulgatora emulgatory zawierające czwartorzędowy azot są korzystnym emulgatorem. Emulgatory zawierające czwartorzędowy azot utrzymują swój ładunek dodatni w szerokim zakresie pH. Te emulgatory aktywują ponadto termicznie stabilne emulsje. Pierwsze kryterium doboru stosownego emulgatora zawierającego czwartorzędowy azot zasadza się zatem na ilości reszty pierwszorzędowej aminy wyprowadzonej podczas procesu wytwarzania. Pierwszorzędowe aminy są silnymi katalizatorami przekształcania poli(wodorometylo-siloksanu) w silikon, a obecność pierwszorzędowej aminy może znacznie zmniejszyć stabilność danej emulsji siloksanu. Testowano pewną liczbę dostępnych czwartorzędowych emulgatorów pod względem ich zdolności aktywowania stabilnej emulsji poli(wodorometylosiloksanu). Korzystnym emulgatorem jest kationowy emulgator czwartorzędowej soli amonowej kwasu tłuszczowego, sprzedawany przez ICI Emulsifiers pod nazwą G-265. Ma on wartość HLB wynoszącą w przybliżeniu 33.

Według jego wytwórcy, emulgator G-265 zawiera około 0,9% pierwszorzędowej aminy. W celu związania tego zanieczyszczenia reszty pierwszorzędowej aminy do emulgatora G-265 dodano niewielką ilość siarczanu glinu (to jest ałun), silny kwas Lewisa. W korzystnym wykonaniu niniejszego wynalazku do każdych 5 g emulgatora G-265 dodaje się 1,0 g roztworu ałunu. Dodanie ałunu wprowadza jony Al, które wiążą wszelkie reszty pierwszorzędowej aminy. Przy wykorzystaniu tego mechanizmu nie ma już dostępnej pierwszorzędowej aminy do katalizowania reakcji polimeryzacji siloksanu. To daje większy stopień stabilności emulsji siloksanu.

W przypadku niejonowego emulgatora wartość HLB jest bezpośrednio związana z termiczną stabilnością otrzymanej emulsji. Preferuje się, by emulgator miał wysoką wartość HLB, korzystnie 20,0 lub wyższą.

Korzystnym niejonowym emulgatorem jest blokowy poliol sprzedawany przez PPG Industries pod nazwą Macol 27. Wartość HLB tego emulgatora wynosi 22,0.

ODWADNIANIE

Gorąca zawiesina zawierająca siloksan przepuszczana jest przez skrzynkę głowicową, która rozprowadza tę zawiesinę na płaskiej porowatej powierzchni kształtującej, by wytworzyć placek filtracyjny. Ten placek filtracyjny jest odwadniany przez odparowanie wody, kiedy zawiesina jest uwalniana z autoklawu i przez przechodzenie wody w zawiesinie przez porowatą powierzchnię kształtującą, korzystnie ze wspomaganiem za pomocą podciśnienia.

188 000

Chociaż odwadnianie powoduje chłodzenie placka filtracyjnego, usuwane jest tyle wody, ile jest to możliwe, podczas gdy temperatura zawiesiny wyrobu jest jeszcze względnie wysoka i zanim półwodzian zostanie przetworzony w gips. W urządzeniu odwadniającym usuwane jest nawet 90% wody z zawiesiny, przy czym pozostający placek filtracyjny ma w przybliżeniu 35% wody wagowo. Na tym etapie placek filtracyjny złożony jest z włókien drzewnych złączonych kryształami półwodzianu siarczanu wapnia, nadającego się do powtórnego uwodnienia i może być jeszcze rozkruszany na poszczególne włókna lub węzły kompozytu, kształtowany, odlewany lub zgęszczany w celu uzyskania większej gęstości.

Tworzenie placka filtracyjnego, odwadnianie placka filtracyjnego jest korzystnie przeprowadzane przy użyciu sprzętu papierniczego typu opisanego w patencie USA nr 5.320.677, co stanowi część tego ujawnienia.

PRASOWANIE 1 POWTÓRNE UWADNIANIE

Odwodniony placek filtracyjny jest korzystnie prasowany na mokro przez kilka minut, aby jeszcze zmniejszyć zawartość wody i zagęścić placek filtracyjny do żądanego kształtu, grubości i/lub gęstości. Chociaż usuwanie masy wody w etapie odwadniania będzie się znacznie przyczyniać do obniżenia temperatury placka filtracyjnego, może być pożądane dodatkowe zewnętrzne chłodzenie, aby osiągnąć żądany poziom w rozsądnym czasie. Temperatura placka filtracyjnego korzystnie jest zmniejszana poniżej około 49°C (120°F) tak, że może nastąpić stosunkowo szybkie powtórne uwodnienie. To powtórne uwodnienie powoduje rekrystalizację kryształów półwodzianu typu alfa do iglastych kryształów gipsu na miejscu fizycznie złączonych z włóknami drzewnymi.

Zależnie od przyspieszaczy, opóźniaczy, modyfikatorów kryształów lub innych dodatków zawartych w zawiesinie uwadnianie może zająć od kilku minut do godziny lub więcej. Ze względu na łączenie iglastych kryształów półwodzianu z włóknami drzewnymi i usuwanie większości cieczy nośnej z placka filtracyjnego migracja siarczanu wapnia zostaje powstrzymana i pozostaje jednorodny kompozyt. Powtórne uwadnianie powoduje rekrystalizację kryształów półwodzianu do kryształów dwuwodzianu in situ, to znaczy wewnątrz i wokół pustych przestrzeni włókien drzewnych, przez co zachowana zostaje jednorodność kompozytu. Wzrost kryształów łączy również kryształy siarczanu wapnia na sąsiednich włóknach, by utworzyć całą krystaliczną masę o wytrzymałości zwiększonej przez wzmocnienie włóknami drzewnymi.

Gdy uwodnienie jest zakończone, pożądane jest szybkie wysuszenie masy kompozytowej, by usunąć pozostałą wolną wodę. W przeciwnym razie higroskopijne włókna drzewne będą miały tendencję do zatrzymywania lub nawet absorbowania nie związanej wody, która później będzie parować. Jeżeli powłoka z siarczanu wapnia jest całkowicie utwardzona przed usunięciem dodatkowej wody, włókna mogą kurczyć się i będą wyciągane z gipsu, gdy nie związana woda paruje. W celu uzyskania optymalnych wyników pożądane jest usunięcie tak dużej ilości nadmiaru wolnej wody z masy kompozytowej, jak to jest tylko możliwe, zanim temperatura spadnie poniżej poziomu, przy którym zaczyna się uwadnianie.

SUSZENIE

Prasowana płyta, która typowo zawiera około 30% wag. wolnej wody, jest następnie szybko suszona przy stosunkowo wysokiej temperaturze, aby zmniejszyć zawartość wolnej wody do około 0,5% lub mniej w końcowym wyrobie. Podczas etapu suszenia ważne jest podniesienie wewnętrznej temperatury końcowego wyrobu dostatecznie wysoko na krótki czas, by uaktywnić polimeryzację siloksanu do silikonu. Oczywiście należy unikać warunków suszenia, które mają tendencję do kalcynowania gipsu. Stwierdzono, że pożądane jest przeprowadzanie suszenia w warunkach, przy których wyrób osiąga temperaturę rdzenia co najmniej 77°C (170°F), a korzystnie temperaturę rdzenia pomiędzy około 77°C (170°F) i 93°C (200°F). Utwardzona i wysuszona płyta może być cięta i inaczej wykańczana według potrzeby.

Po ostatecznym utwardzeniu ten unikatowy materiał kompozytowy wykazuje pożądane właściwości, do których przyczyniają się oba jego składniki. Włókna drzewne zwiększają wytrzymałość, zwłaszcza wytrzymałość na zginanie osnowy gipsowej, natomiast

188 000 gips działa jako powłoka i spoiwo, by chronić włókna drzewne, nadawać im odporność na ogień i zmniejszać rozszerzalność pod wpływem wilgoci.

Podane poniżej przykłady będą służyć do zilustrowania wytwarzania i testowania wyrobów z gipsu i włókien drzewnych o ulepszonej odporności na wodę według przedmiotowego wynalazku, ale jest zrozumiałe, że przykłady te są podane tylko dla ilustracji i że wiele innych wyrobów z gipsu i włókien drzewnych o ulepszonej odporności na wodę może być wytwarzane przy zastosowaniu odpowiednich odmian.

Przykład 1

Następująca emulsja siloksanu zawierająca 5% wag. siloksanu została przygotowana przy użyciu Dow Corning 1107 (opisano wyżej), stabilizowana za pomocą ICI G-265 (opisano wyżej).

Woda 3351,6 g

Olej siloksanu Dow Corning 1107 176,4 g

G-265 (100% aktywny) 2,7 g

Procedura: Dodano Dow Corning 1107 do mieszarki ze stali nierdzewnej. Dodano wodę i G-265 do szklanej zlewki. G-265 było lepkim płynem. Mieszano wodę i G-265 w zlewce przez 10 minut, by rozpuścić G-265. G-265 całkowicie rozpuścił się w wodzie. Dodano roztwór do mieszarki. Mieszarkę włączono przy niskiej prędkości na 60 sekund przy użyciu Mieszarki Waring 1-Gallon Commercial (model o trzech prędkościach).

Przykład 2

Przygotowano następującą emulsję katalizatora pierwszorzędowej aminy, zawierającą 4,9% pierwszorzędową aminę, przy użyciu Tomah DA-17 (opisano wyżej), stabilizowano za pomocą ICI G-265 (opisano wyżej):

Woda

Lodowy kwas octowy 13,2 g

G-265 (100% aktywny) 11,9 g

DA-17 (Tomah Products) 1g

Procedura: Podczas ciągłego mieszania indukcyjnego, 2514,6 g wody ogrzano do 70°C (158°F) w zlewce z mieszaniem indukcyjnym. Dodano 13,2 g lodowego kwasu octowego i 19,9 g emulgatora G-265 do tej zlewki. Do tego roztworu dodano 132,3 g DA-17 podczas mieszania. Usunięto ogrzewanie i pozwolono, by roztwór stopniowo ochłodził się do temperatury pokojowej podczas mieszania indukcyjnego.

Przykład 3

Produkt w postaci standardowej płyty GWF został wytworzony następująco: mieszaninę 85% wag. niekalcynowanego gipsu FGD (produkt uboczny odsiarczania spalin) i 15% wag. wypełniacza, zawierającego 3,75% włókien papierowych i 11,25 % włókien świerkowych, dodaje się do autoklawu z mieszalnikiem, oraz dodaje się wodę w ilości wystarczającej, aby wytworzyć zawiesinę zawierającą 15% wag. ciał stałych. Uzyskaną zawiesinę ogrzewa się pod ciśnieniem do około 146°C przez 15 minut, co umożliwia kalcynację gipsu i utworzenie półwodzianu alfa.

Ciśnienie w zawiesinie zmniejsza się, gdy zawiesina jest usuwana z autoklawu. Wynikowe parowanie wody schładza zawiesinę do temperatury w zakresie 82 do 100°C. Do zawiesiny dodaje się emulsje siloksanu i katalizatora, w ilości wskazanej poniżej, a następnie zawiesinę tę doprowadza się do skrzynki głowicowej linii kształtowania. Do zawiesiny dodaje się również przyspieszacze, takie jak 0,5% wag. K2SO4 (potaż) i 1% wag. dwuwodzianu siarczanu wapnia powleczonego cukrem (ujawniony w US 3 813 312), w odniesieniu do ciężaru wszystkich ciał stałych w zawiesinie. Zawiesinę tę rozprowadza się na porowaty przenośnik, na którym jest tworzony placek filtracyjny. Ten placek filtracyjny przepuszcza się przez podciśnieniowe urządzenie odwadniające, które usuwa około 60% wody. Temperatura placka spadła do około 49°C. Z tego placka filtracyjnego prasuje się płytę o grubości około 13 mm, przy czym jest ona poddawana dalszej obróbce podciśnieniowej, by usunąć jeszcze więcej wody i schłodzić płytę do około 35°C, w celu jak najlepszego powtórnego uwodnienia półwodzianu do gipsu. Po powtórnym uwodnieniu płytę tnie się na płyty i suszy się w warun

188 000 kach, które powodują, że rdzeń płyty osiąga przez krótki czas temperaturę około 93°C. Otrzymane płyty testowano w sposób niżej podany.

Przygotowano pięć płyt stosując niżej podane stężenia siloksanu (w stosunku do wszystkich ciał stałych w zawiesinie), w postaci emulsji z przykładu 1. We wszystkich przypadkach emulsja katalizatora z przykładu 2 została dodana do zawiesiny w ilości dostatecznej, by zapewnić 15% katalizatora w stosunku do ciężaru siloksanu.

Płyta nr 1 Kontrolna

Płyta nr 2 0,5% ^lR^lss^nu;; 15% katalizatora

Płyta nr 3 l,0%siloksauu ; 15% katalizatora

Płyta nr 4 1,5% iiloksanu ; 15% katalizatora

Płyta nr 5 2,0% ^ih^lssin^u ; 15% katalizatora

Testowano odporność na wodę próbek z każdej z płyt. Średnie wartości stwierdzonej odporności na wodę przedstawiono w podanej poniżej tabeli.

Tabela

Numer ptyty	Siloksan [%]	Test Cobb [% zwiększenia ciężaru]	Test zanurzenia [% zwiększenia ciężaru]
1	0,0	67,94	67,61
2	0,5	11,84	31,02
3	1,0	1,58	8,72
4	1,5	1,18	6,04
5	2,0	0,83	3,10

Wartości odporności na wodę dla trzech próbek były zdecydowanie bliskie, co wskazuje na dobre rozprowadzenie emulsji siloksanu wewnątrz płyty.

Stosowany do wytwarzania płyt emulgator G-265 jest dostępny w handlu i zawiera około 0,9% pierwszorzędowej aminy. Dla związania zanieczyszczenia spowodowanego obecnością reszty pierwszorzędowej aminy, do emulgatora dodano niewielką ilość siarczanu glinu (to jest ałunu) i silny kwas Lewisa. W tym celu dodano 1,0 g 10% roztworu ałunu na każde 5 g emulgatora G-265. Dodanie ałunu wprowadziło jony Al , które wiążą wszelkie zanieczyszczenie spowodowane resztą pierwszorzędowej aminy.

188 000

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania płyty gipsowej odpornej na wodę, znamienny tym, że do wodnej zawiesiny zawierającej siarczan wapnia i cząstki wypełniacza dodaje się wodną emulsję siloksanu, stabilną w warunkach utrzymywania zawiesiny, zawiesinę z siloksanem umieszcza się na płaskiej porowatej powierzchni kształtującej, formuje się placek filtracyjny i usuwa się z niego większą część wody, którą odprowadza się poprzez porowatą powierzchnię kształtującą, następnie prasuje się placek filtracyjny i usuwa się z niego dalszą ilość wody, utworzoną płytę suszy się i usuwa się z płyty pozostałą wolną wodę, przy czym podczas suszenia ogrzewa się rdzeń płyty do temperatury, w której następuje utwardzenie siloksanu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu zawierającą przynajmniej jeden siloksan modyfikowany wodorem.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu zawierającą siloksan wodorowometylowy.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu zawierającą kationowy emulgator.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu zawierającą aminę czwartorzędową, jako kationowy emulgator.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stosuje się aminę czwartorzędową zawierającąjony Al⁺³.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu zawierającą niejonowy emulgator.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosuje się emulsję siloksanu z emulgatorem, którego wartość HLB wynosi powyżej 20.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę z siloksanem, w której zawartość siloksanu w postaci stałej wynosi co najmniej 0,1 % wagowych w odniesieniu do masy wszystkich ciał stałych w zawiesinie.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę z siloksanem, w której zawartość siloksanu w postaci stałej wynosi 1 % do 2% wagowych w odniesieniu do masy wszystkich ciał stałych w zawiesinie.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do zawiesiny z siloksanem dodaje się wodną emulsję katalizatora, który aktywuje utwardzanie siloksanu, przy czym emulsja jest stabilna w warunkach utrzymywania zawiesiny.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora zawierającą aminę pierwszorzędową.
13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora zawierającą nierozpuszczalną w wodzie pierwszorzędową aminę.
14. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora zawierającą kationowy emulgator.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora zawierającą aminę czwartorzędową, jako kationowy emulgator.
16. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora zawierającą niejonowy emulgator. .
17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że stosuje się emulsję katalizatora z emulgatorem, którego wartość HLB wynosi powyżej 20.
18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się rozcieńczoną zawiesinę zmielonego materiału zawierającego siarczan wapnia i rozdrobnione lignocelulozowe cząstki wypełniacza, mające puste przestrzenie w znacznej części swej struktury, nadające się do penetrowania przez zawiesinę, która to zawiesina zwilża cząstki wypełniacza.

188 000
19 Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zawierającą jako cząstki wypełniacza włókna papierowe lub włókna drzewne wybrane z grupy złożonej z chemicznie oczyszczonej miazgi drzewnej, mechanicznie oczyszczonej miazgi drzewnej, termomechanicznie oczyszczonej miazgi drzewnej i ich mieszaniny.
20. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zawierającą 0,5 do 30% wagowych włókien drzewnych.
21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że stosuje się zawiesinę zawierającą 3 do 20% wagowych włókien drzewnych.
22. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiesinę z wytworzonymi kryształami półwodzianu siarczanu wapnia utrzymuje się w temperaturze pozwalającej na zachowanie tych kryształów, podaje się zawiesinę z siloksanem na płaską porowatą powierzchnię kształtującą i formuje się placek filtracyjny, zanim temperatura spadnie poniżej temperatury, przy której następuje uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia do kryształów dwuwodzianu, usuwa się z placka filtracyjnego większą część wody, a następnie chłodzi się placek filtracyjny do temperatury, przy której rozpoczyna się uwadnianie półwodzianu siarczanu wapnia, usuwa się dalszą ilość wody i formuje się płytę poprzez prasowanie placka filtracyjnego, przy czym kryształy półwodzianu siarczanu wapnia wokół cząstek wypełniacza uwadniają się do kryształów dwuwodzianu siarczanu wapnia.
23. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że miesza się razem zmielony gips, cząstki wypełniacza oraz wodę i wytwarza się rozcieńczoną zawiesinę, przy czym stosuje się cząstki wypełniacza posiadające puste przestrzenie na swej powierzchni i/lub wewnątrz swej struktury, nadające się do penetracji i nawilżenia przez rozcieńczoną wodną zawiesinę zawierającą zawieszony i/lub rozpuszczony gips, zawiesinę ogrzewa się, w zbiorniku ciśnieniowym z ciągłym mieszaniem, do temperatury umożliwiającej przekształcenie gipsu w półwodzian alfa siarczanu wapnia, utrzymuje się zawiesinę w powyższej temperaturze aż przynajmniej część półwodzianu siarczanu wapnia utworzy iglaste kryształy wewnątrz i wokół pustych przestrzeni w cząstkach wypełniacza, następnie do zawiesiny dodaje się wodną emulsję siloksanu, przy czym zawiesina ma temperaturę, w której są utrzymywane kryształy półwodzianu siarczanu wapnia, zawiesinę z siloksanem umieszcza się na płaskiej porowatej powierzchni kształtującej i formuje się placek filtracyjny zanim temperatura spadnie poniżej temperatury, przy której następuje szybkie uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia do kryształów dwuwodzianu, chłodzi się placek filtracyjny do temperatury, przy której rozpoczyna się uwadnianie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia, prasuje się ten placek filtracyjny i usuwa się zawartą w placku wodę, przy czym następuje uwodnienie kryształów półwodzianu siarczanu wapnia, które są wewnątrz i wokół pustych przestrzeni w cząstkach wypełniacza, i wytwarza się kryształy dwuwodzianu siarczanu wapnia, po czym suszy się wytworzoną płytę gipsową.