TW201350652A - 建築基材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係為一種建築基材及其製造方法，其包括複數二水硫酸鈣顆粒，並利用一有機黏著劑互相黏接，此二水硫酸鈣顆粒具有直向尺寸以及橫向尺寸，此橫向尺寸對應到軸線定義的直向尺寸之顆粒的最大寬幅，此二水硫酸鈣顆粒具有低的長寬比例，例如至少75%的二水硫酸鈣顆粒，其中此橫向尺寸的數值至少是該直向尺寸的值數的20%。

Description

建築基材及其製造方法
本發明係為有關一種建築基材，特別是指一種製作利用石膏製造為石膏基板之建築基材及其製造方法。
在石膏形成二水合硫酸鈣(CaSO4 2H2O)之前，石膏係以硫酸鈣的形式存在於大自然中，在此我們稱為石膏，石膏係為一種非常穩定的狀態存在於自然界，自然界存在的石膏也包含有天然存在的礦物，石膏係以合成產生等價的物體(例如透過燃料工業和/或再循環流程)，以形成二水合物材料，如灰泥(半水硫酸鈣)或硬石膏。
石膏的特性使石膏非常適合用於工業、建築中的水泥或其他建築產品，如石膏牆，石膏也是一個使用效益高且便宜的材料，石膏可根據倒入模具形狀，並透過重複的烘乾以及再水合塑造成型，可作為其他的形狀，當然也可將石膏夾設於二襯紙間以形成塑造成型，如石膏牆板、石膏板等。
目前一般製作石膏係在一般正常大氣壓力下攝氏溫度120度至170度經細磨或鑄燒，得乾燥的β型半水石膏，可用於混合水形成水粉泥漿後，塗佈於建築或建築基材上，使β型半水石膏藉由水中的水分子重新結晶。
經過鍛燒或再水合的碳酸鈣顆粒形狀係為針狀，因此這樣的 顆粒具有較高長寬比例，長寬比例係為顆粒中橫向尺寸與直向尺寸的比例。
石膏牆板一般係含有一石膏芯於中心，石膏芯的表面可鋪設襯紙或塗佈其他纖維材料，其係可於石膏芯表面一層層塗上，或利用襯紙直接夾帶石膏芯，其技術主要係將石膏泥漿設置於兩個薄片襯紙之間，並將石膏泥漿鍛燒，使石膏變硬，並利用高溫烘乾移除多餘的水分，使石膏泥漿凝結(於石膏泥漿與水反應)與乾燥，再將所形成的片材被切成所需的尺寸，係為一種常見的製作技術。
總之，石膏的燒成成型以及乾燥的步驟係相當重要的一環，因此本發明提供一種方法，其利用合成石膏板可用來實現形成一建築基材。
一般來說本發明提供一種建築基材，(如分割的石膏板)，本發明利用石膏顆粒直接與黏著劑混合形成，使石膏與黏著劑混合，但黏著劑與石膏混合時不會有化學反應產生。石膏包括二合水硫酸鈣、砂石、碳酸或其他惰性硬質粒子。另外，石膏可以包括橡膠。且通常情況下，黏著劑是有機的，且係具有黏性的膠體。
在一般情況下的建築基材中主要的基體佔至少50重量百分比(wt%)，較佳者佔60重量百分比(wt%)，最佳者佔65重量百分比(wt%)。
通常情況下，基體係為二水合硫酸鈣。本實施例能避免使用密集的煅燒與乾燥之方法。
二水合硫酸鈣若作為建築基材的過程中沒有經歷鍛燒或再水合的過程，所長成的形狀就不會長成針狀。
直接將二合水硫酸鈣混合黏著劑通常能改變建築基材顆粒所形成的形狀，能與經過鍛燒與再水合後形成的形狀區別，值得注意的是 他們的比例。通常情況下直接將二合水硫酸鈣顆粒與黏著劑混合會形成塊狀顆粒，不會與鍛燒或再水合相同，讓顆粒形成針狀。
本發明提供一種建築基材，其包括複數二水硫酸鈣顆粒，利用一有機黏著劑互相黏接，此二水硫酸鈣顆粒具有直向尺寸以及橫向尺寸，此橫向尺寸對應到軸線定義的直向尺寸之顆粒的最大寬度，此二水硫酸鈣顆粒具有低的長寬比，例如至少75%的二水硫酸鈣顆粒，其中此橫向尺寸的數值至少是直向尺寸的數值的20%。
本發明的二水硫酸鈣顆粒係為板狀或塊狀，而不是為針狀，因此，硫酸鈣顆粒具有低的長寬比(aspect ratio)，例如，低於10的長寬比，較佳情況下可低於5，最佳的情況下則達到低於3。
橫向尺寸係延伸交叉於直向尺寸，例如垂直於直向尺寸。
通常至少85%的二水合硫酸鈣顆粒中的橫向尺寸大小至少為直向尺寸大小的20%。
典型的來說至少75%的二合水硫酸鈣顆粒的橫向尺寸大小係為直向尺寸大小的30%，其他例子也顯示至少85%的二水硫酸鈣顆粒的橫向尺寸大小係為直向尺寸大小的30%，在某些情況下至少75%的二水硫酸鈣顆粒的橫向尺寸大小係為直向尺寸大小的40%，另一種情況下，橫向尺寸大小係為直向尺寸大小的50%或橫向尺寸大小係為直向尺寸大小的60%。
典型的D50的二水合硫酸鈣顆粒(即，等效粒徑的值大於50重量百分比(wt%)的等效粒徑顆粒)大小比3μm更大，一般D50顆粒大小係小於2mm，亦可小於0.5mm，更可小於250μm。其中二水合硫酸鈣D50的顆粒大小係靠雷射粒徑分析(laser granulometry)。
典型的建築基材係為自撐體(self-supporting body)，例如，建築基材可為一巨大的元件石膏板，通常建築基材係為堅固的本體，上述之 自撐體不包括塗層(如建築基材上塗佈的黏著劑)，因塗層係塗佈於自撐體表面，並不具有支撐作用。
在某些實施例中，建築基材具有接近平面的形狀(也就是說，其沿一維的尺寸大大低於沿其它兩個維度)，在其它實施例中建築基材可為短而結實的形狀。典型的建築基材的面積大於0.005m3，較佳者大於0.007m3，最佳者大於0.01m3。
應用於建築基材的石膏最好是自然的，或它們也可經由工業練成帶二水化合物的形式。在某些情形下，石膏係為天然的二合水硫酸鈣混合物，例如二水硫酸鈣顆粒可包括經由石油氣體脫硫形成石膏。
黏著劑係為有機植物黏著劑，為醇酸樹脂，如來自植物或蔬菜油(亞麻子油)中多不飽和脂肪酸中的三酸甘油酯所提煉出來。其它合適的的有機黏著劑包括大豆蛋白(soy protein)，松樹的樹脂(如松香(rosin)，改性松香(modified rosins)和它們的衍生物，聚萜烯(poly-terpene)，改性萜烯(modified terpenes)，萜烯-酚醛樹脂(terpene-phenol resins)或松香酯樹脂(rosin ester resins))，澱粉和澱粉衍生物，或天然橡膠膠乳。
澱粉黏著劑包含預膠化澱粉(pre-gelatinised starches)與不預膠化澱粉(non pre-gelatinised starches)，預膠化澱粉係為Staramic 747TM，而不預膠化澱粉係天然的玉米澱粉。
黏著劑最好包括澱粉或大豆蛋白質，有機黏著劑可為水性膠。
在某些情況下，黏著劑可包括一種黏著劑組合物的聚氨基聚醯胺-表氯醇(polyaminopolyamide-epichlorohydrin，PAE)、樹脂(resin)和蛋白質(protein)，如專利編號：US2008/0050602中所描述的。
在某些情況下黏著劑可包含具有有機黏著劑化合物的混合 物，黏著劑亦可包括天然/或合成的化合物。
在某些情況下，黏著劑也可以應用在交叉結合兩個交叉物體，交叉結合包括可為新增，除去、取代、凝結、礦物或金屬化合物，輻射固化，和/或進行偶聯反應，上述皆係為本領域已知的接合方法。
雖然典型的黏著劑是由植物製成的有機黏著劑，但黏著劑也是有可能為其他形式。例如，黏著劑可以是合成的有機黏著劑，例如有機黏著劑是來自於石油化工。或者黏著劑可以是一種黏著劑組合物CA1230695中所描述的，在此作為實施例以供參考。
有機黏著劑可以包括，例如，脂肪族(aliphatic)或芳香族的烴類樹脂(aromatic hydrocarbon resins)，酚醛樹脂(phenol resins)，二甲苯樹脂(xylene resin)或苯並呋喃-茚樹脂(coumarone-indene resi)。這樣的樹脂的黏著劑組合物的形式，也可包括一個或多個組合物如：天然或合成的聚合物，無機填料(inorganic filler)，纖維狀填料(inorganic filler)，和表面活性劑的水性分散液(surfactant)。
通常情況下，黏著劑不包括纖維素(cellulose)或纖維素增稠劑(cellulosic thickeners)，但可能會發現密封劑(compounds)，在某些例子中纖維素或纖維素增稠劑於建築基材中應少於0.2重量百分比(wt%)，最好少於0.1重量百分比(wt%)。
本案建築基材中的有機黏著劑最佳實施例最少應佔0.5重量百分比(wt%)，較佳實施例應少於1重量百分比(wt%)，最多也必須少於5重量百分比(wt%)，在一般情況下，建築基材的有機接著劑應小於30重量百分比(wt%)，較佳者小於20重量百分比(wt%)，最佳者小於15重量百分比(wt%)。
本案建築基材包括至少50重量百分比(wt%)的二水合硫酸鈣顆粒，較佳者至少佔60重量百分比(wt%)，最佳者具有至少65重量百分比 (wt%)。而一般的建築基材包括至少99重量百分比(wt%)的二水合硫酸鈣顆粒，較佳者包括95重量百分比(wt%)，最佳者為90重量百分比(wt%)。
本發明的建築基材可進一步包括一無機黏著劑，如水泥，石灰的灰泥，或者為火山灰黏著劑，無機黏著劑通常不多於建築基材20重量百分比(wt%)，較佳者則不多於15重量百分比(wt%)。
目前無機黏著劑係為非必要的材料，本案主要係依靠有機黏著劑作為黏著劑，事實上本案的實施例中並不具有無機黏著劑，或具有少於1重量百分比(wt%)的無機黏著劑。
在某些情況下，黏著劑可以包括兩種或多種材料的混合物，例如有機材料與無機材料混合。
由於石膏的密度係為2.32kg/m3，為了減少本案建築基材所的密度，需添加輕重量材質的東西，以下表格則係為本案建築基材添加各種不同材質的所形成的密度表格。
Ecocradle與Greensulate係為商標。
上述的輕量填充材料通常以顆粒形式提供，粒徑一般介於30μm至4mm的範圍內。
當然也可加入其他的填充材料，如石英砂，白雲石或碳酸鈣。
本案之建築基材密度較大於普通石膏板。也就是說，根據本發明的第一方面的建築產品的密度最低的大約是250kg/m3，但也有可能是300kg/m或3400kg/m3。在這些情況下，此建築產品形成的過程中通常可以包括加入穩定的泡沫塑料(foam)、二水合硫酸鈣和黏著劑的混合物。
建築基材最高密度根據第一外觀大約密度為1600kg/m3也可能為1400kg/m3或1300kg/m3。
且介於上述最高密度與最低密度也是有可能的。
建築基材係為一固定形狀的板子，在這個實施例中進一步包括一強力纖維(reinforcing fibres)，強力纖維包括玻璃纖維(glass fibres)(如切斷纖維(cut fibres))或其他纖維以加入石膏板中，上述的石膏板可於表面加固或襯紙，當然也可不於表面加固或襯紙。當使用於石膏板表面加固，可使用纖維柔光網罩(fibre scrim)，纖維網布(fibre mesh)，紙，玻璃纖維氈(glass mat)，聚酯氈(polyester mat)，天然纖維墊(natural fibre mat)(如麻，木，竹，或亞麻)，棉/聚酯氈(cotton/polyester mat)，聚酯/玻璃纖維氈(polyester/glass mat)。若係使用襯紙則可使用具有蜂房狀結構(honeycomb structure)的襯紙，且若使用襯紙最好係使用6層襯紙服貼於石膏上。
其他非有害的材料，輔劑與成分，在適當的時候，可以在建築產品呈現。這樣的非有害的材料可包括可選的其它成分，如防潮劑(如矽油或蠟，殺菌劑(bactericide)，殺真菌劑(fungicide)，著色劑和阻燃劑，液化劑(fluidisers)，表面活性劑(例如陰離子表面活性劑，陽離子表面活性劑，或兩者的混合物)，穩定的泡沫塑料(foam)，吸附劑的揮發性有機化合物(即，揮發性有機化合物的清除劑)或乾燥劑係包括醇酸樹脂。
另外，本發明提供一種建築產品製作方法，提供複數二合水硫酸鈣顆粒；提供一黏著劑結合該等二合水硫酸鈣顆粒；以及混合二合水硫酸鈣顆粒與黏著劑。
混合二合水硫酸鈣顆粒與黏著劑，並固化形成為一建築基材，係為一自撐體(self-supporting body)。
黏著劑可能為粉末狀，或水溶液或乳狀或水中分散粉體，黏著劑可供黏接，以確保石膏顆粒之間互相黏接。
本發明黏著劑更可為一無機黏著劑，例如水泥，石灰灰泥，或其他火山灰黏著劑，透過使用無機黏著劑可提高石膏的物理強度，特別是建築基材的早期強度和設置。
石膏最好是選用自然的，且在使用黏著劑之前最好壓碎或經研磨過的細粉。
由於石膏的密度為2.32kg/m3，為了縮小石膏板的密度，因此必需添加輕量的東西，有關上述表格所述。此外，加入泡沫塑料也可降低石膏板密度。
此實施例的黏著劑可任意搭配上述之材質成分使用，建築基 材的顆粒形狀皆相同為板狀或塊狀。
第三個觀點，本發明可提供一種製作石膏的材料粉，包括細碎的石膏(即，二水合硫酸鈣)，作為主要配方重量的比例；一黏著劑用於混合石膏，係為有機植物的黏著劑，所佔的整體比重較小。此實施例之建築基材的組成部分可任意搭配上述之材質成分使用。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
第一圖係為本發明之第一實施例於電子顯微鏡下的建築基板示意圖。
第二圖係為本發明之第二實施例於電子顯微鏡下的建築基板示意圖。
第三圖係為習知石膏建築基材於電子顯微鏡下示意圖。
第四圖係為第一圖放大倍率示意圖。
第五圖係為第一圖較小倍率示意圖。
第六圖係為本發明石膏分子的典型顆粒分布示意圖。
例子1
實驗片中的物體結晶係由石膏、澱粉黏著劑以及任何一種纖維材料所組成的結晶，其澱粉可為非預膠化(non pre-gelatinised)的澱粉(如玉米粉)，或為一種或兩種化合物合成的預膠化澱粉(pre-gelatinised)(如預膠化澱粉1(re-gelatinised starch)1=Tate & Lyle的staramic 747；預膠化澱粉2=Tate & Lyle的ICB 1300，其密度以及彎曲強度列表則如表1所示：
例子2
實驗片中的物體結晶形狀係由石膏、醇酸樹脂接合劑、纖維材料、以及任意一種的乾燥劑配製而成。醇酸樹脂接合劑係為Cray Valley的商業產品，乾燥劑則係為OMG Borcher的商業產品。其密度以及彎曲強度列表則如表2所示：
例子3
實驗片的物體結晶形狀係包括石膏、蛋白質基板黏著劑(Soyad，由Hercules group公司發展出來)以及填充材質。其密度以及彎曲強度列表則如表3所示：
例子4
實驗片的物體結晶形狀係包括石膏、松樹衍伸物黏著劑(烯酚乳膠TR602)以及填充材質。其密度以及彎曲強度列表則如表4所示：
抗彎強度的測量係利用建築基材製程後在40度的狀態下烘乾24小時，並在25度與濕度50%的空調中放置24小時形成結晶後，利用Zwick 通用測試機台做三點測試結晶晶粒抗彎強度。
生產結晶的方法：
下面的所述之步驟係用來生產含有澱粉黏著劑的石膏結晶。
1、混合粉末：混合石膏粉末和添加劑(例如填料輕重量材質)。
2、混合水以及澱粉黏著劑。
3、倒入石膏和添加劑，並與水與澱粉黏著劑混合。
4、將石膏、添加劑、水與澱粉黏著劑倒入一攪拌器(如Kenwood混合器)內混合，直到有一個攪拌均勻的漿料。
5、如果添加劑係為泡沫塑料輕重量材質，在本實施例中最好是在該階段加入泡沫塑料的輕重量材質。
6、將均勻的漿料倒入到模具。
7、除去過量的漿料。
8、將模具放在托盤上，覆蓋模具的托盤可為金屬托盤。
9、利用適當的時間與合適的溫度固化/乾燥模具中的漿料，例如，在140℃下放置1小時30分鐘，在40℃下放置24小時，或於1小時30分之間，溫度於40℃與140℃之間。
這些樣品係在室溫下進行機械性能測試，且這個樣品在測試前會先置於室溫(15-25℃)下至少一天。
利用上述之方法可用製作厚度13mm的石膏板，此實施例的步驟為在120℃下放置1小時10分。本實施例係於石膏兩側加入襯紙，係在漿料倒入模具之前與之後，係為一般習知的技術。最後將製作出的石膏結晶成品於電子顯微鏡下掃描。
第三圖、第四圖與第五圖中電子顯微鏡下所看到結晶係為一 般傳統經過鍛燒或再水合的石膏板，其石膏結構看起來係由針狀的顆粒組成，具有較高的長寬比率，針狀的長度近乎於20μm。
接下來請參照第一圖與第二圖，其係為本發明的結構示意圖，第一圖係利用大豆蛋白的黏著劑混合，第二圖的石膏板則係利用澱粉的黏著劑混合，如圖所示，顯微鏡中石膏結晶係為較明亮的區域，而較暗的區域則係具有黏著劑或環氧基樹酯的區域。
根據第一圖與第二圖所示，我們可以看到本發明之石膏板塊具有較多的塊狀體，此外第一圖與第二圖中建築基材的石膏結晶顆粒較大於圖式中第三圖至第五圖針狀顆粒的呈現。
第六圖係本發明實施例典型的石膏板塊顆粒分佈圖，可看到多數的石膏分子組成標本的顆粒大小大約在1至100μm。多數顆粒(按體積計算)大小則介於20與60μm中。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (17)

  1. 一種建築基材，包括：複數二水硫酸鈣顆粒，其利用一有機黏著劑互相黏接，該二水硫酸鈣顆粒具有直向尺寸以及橫向尺寸，該橫向尺寸對應到軸線定義的直向尺寸之顆粒的最大寬度，該二水硫酸鈣顆粒具有低的長寬比例，例如至少75%的二水硫酸鈣顆粒，其中該橫向尺寸的數值至少是該直向尺寸的數值的20%。
  2. 如請求項1所述之建築基材，其中該橫向尺寸大小的數值至少是該直向尺寸大小數值的40%。
  3. 一種建築基材，包括：複數二水硫酸鈣顆粒，其利用一有機黏著劑互相黏接，其中該二水硫酸鈣顆粒佔90重量百分比(wt%)，且該二水硫酸鈣顆粒大小係為1μm至3mm。
  4. 根據任一請求項所述之建築基材，其中該建築基材係為自支撐體(self-supporting body)。
  5. 根據任一請求項所述之建築基材，其中該黏著劑係為有機植物黏著劑以供接著。
  6. 如請求項5所述之建築基材，其中該黏著劑包括至少一個大豆或大豆衍伸物，或澱粉或澱粉衍伸物。
  7. 根據任一請求項所述之建築基材，其中該黏著劑於該建築基材佔0.5~30重量百分比(wt%)。
  8. 根據任一請求項所述之建築基材，其中該二水硫酸鈣顆粒佔該建築基材50~90%重量百分比(wt%)。
  9. 根據任一請求項所述之建築基材，其中該建築基材密度係 250-1600kg/m3。
  10. 根據任一請求項所述之建築基材，更包括一無機黏著劑，其包括一黏性材料。
  11. 如請求項10所述之建築基材，其中該無機黏著劑不大於20重量百分比(wt%)。
  12. 一種建築基材製作方法，步驟包括：提供複數二合水硫酸鈣顆粒；提供一黏著劑結合該等二合水硫酸鈣顆粒；以及混合該二合水硫酸鈣顆粒與該黏著劑。
  13. 如請求項12所述之建築基材製作方法，其中該混合該二合水硫酸鈣顆粒與該黏著劑，並固化形成為一建築基材，係為一自支撐體(self-supporting body)。
  14. 如請求項12或13所述之建築基材製作方法，其中該黏著劑係為粉末，該黏著劑並包括水。
  15. 如請求項12至14所述之建築基材製作方法，更包括提供一填充材料與該二合水硫酸鈣顆粒與該黏著劑混合。
  16. 如請求項12至15所述之建築基材製作方法，更包括添加一穩定泡沫塑料(foam)與該二合水硫酸鈣顆粒與該黏著劑混合。
  17. 一種根據請求項12-16任一項之製作方法所製備的建築基材。
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