TW201434785A - 粒子穩定之泡沫材料、漿體、產品以及其相關之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了水泥質產品以及水泥質漿體，以及形成該產品之方法。為了降低在該水泥質產品中之密度，在該漿體以及形成產品之方法中包含泡沫材料。該漿體包括水泥質粒子、水、和例如由壓縮空氣形成之氣泡。取代在氣泡氣體/水介面使用去垢劑化學物之方法，本發明使用針對漿體中水泥質粒子之表面改性劑。該改性粒子作用從而在該漿體中產生穩定泡沫材料。作為引入模式之實施例，表面改性劑可以(例如，以固體或溶液)直接添加至形成該產品之大批水泥質漿體。作為又一實施例，該表面改性劑與水、氣泡、和水泥質粒子，可以以單獨之形式添加，其作為該主要水泥質漿體之添加劑，其然後單獨之溶液被添加至主要水泥質漿體。

Description

粒子穩定之泡沫材料、漿體、產品以及其相關之方法 相關申請之交叉引用
本申請要求美國臨時專利申請號61/780,410(該專利於2013年3月13日提交)和美國非臨時專利申請號14/030,398(該專利於2013年9月18日提交)之權益，兩者均以其整體通過參考之方式併入本文。
已知多種水泥質材料用於製備大量不同之建築材料。該水泥質材料通常與水、以及其他需要之添加劑合併，以形成水泥質漿體。該水泥質材料或者與水水化反應從而使其按照預期之形狀發生凝固，否則該水乾燥後允許該水性水泥質漿體按照預期之幾何形狀硬化。這種水泥質材料之例子包括粉煤灰，波特蘭水泥，灰泥(α或者β形式之硫酸鈣半水化合物，或者硫酸鈣無水物)，和多種形式之石膏(硫酸鈣二水合物)，包括石膏粉和合成石膏(通常作為燃煤電廠煙道氣體脫硫作用之副產物)，等等。
這種水泥質材料用於形成建築產品，例如，僅舉幾個例子，用於內牆之和建築天花板之石膏牆板、吸聲磚、地板墊層和封蓋、耐黴板、水泥板、和外護套。
為了減少多種水泥質產品之密度，已知通過將氣泡引入該水泥質漿體。如果保持穩定，當該產品乾燥時，該氣泡轉化成空氣空隙。該氣泡可以以泡沫材料之形式引入，該泡沫材料通常在如現有技術已知之泡沫材料產生系統中製備。去垢劑、或者肥皂、表面活性劑用水稀釋，並且在這種泡沫材料產生系統中與氣體合併。採用該去垢劑，通過降低包圍它們之液體張力，以解決該氣泡之穩定性。該泡沫材料含有空氣、水，然後添加去垢劑至該水泥質漿體，以減少該最終產品之密度。
現存之泡沫材料系統用於製備水泥質產品，還沒有令人完全滿意。泡沫材料穩定性通常系有問題，因為泡沫材料可能會由於剪切力或者與漿體中之固體接觸在漿體中而破碎，從而導致泡沫材料浪費。另外，遞送其他成分和泡沫材料也系有困難之，因為其他成分可能會破壞氣泡，從而損害在製造過程中之效率。
因此，仍然需要新技術將泡沫材料引入至水泥質漿體，以製備多種建築材料。
在一個方面中，本發明提供了形成一產品之漿體。該漿體包含水、水泥質粒子、被水牆包圍之氣泡、和表 面改性劑。該表面改性劑對至少一些該水泥質粒子之表面有效改性。該改性粒子發揮穩定該氣泡之作用，以足夠在該產品中形成空氣空隙。
在又一個方面中，本發明提供一發泡之水泥質產品。該產品包含多孔水泥質組分，其可以系該產品之部分或者全部。該水泥質組分由漿體形成，該漿體包含水、水泥質粒子、被水牆包圍之氣泡、以及對至少一些該水泥質粒子之表面有效改性之表面改性劑。該改性粒子充分地穩定該氣泡，以在該組分中形成空氣空隙。
在又一個方面中，本發明提供一發泡之石膏產品(例如板)。該產品包括含凝固型石膏組合物，其包括一交聯晶體石膏基質。該含凝固型石膏組合物由漿體形成，該漿體包括水、灰泥粒子、被水牆包圍之氣泡、以及有效改性至少一些該灰泥粒子表面之表面改性劑。該改性灰泥粒子充分地穩定該氣泡，以在該產品中形成空氣空隙。
在又一個方面中，本發明提供一製備石膏板之方法。在該方法中，水、被水牆包圍之氣泡、水泥質粒子、表面改性劑、以及可選之其他添加劑在漿體中混合。該表面改性劑有效地對至少一些該水泥質粒子之表面進行改性。該改性之水泥質粒子起充分穩定在該漿體中之氣泡之作用，以在該產品中形成空氣空隙。該漿體設置在一第一覆蓋片材和一第二覆蓋片材之間，形成一板前體。該板前體被切成板，然後將該板乾燥。在一些實施方案中，穩定該氣泡之該水泥質粒子系灰泥粒子，其經歷了表面改性，從而有效穩定氣泡。 在其他實施方案中，耐熱促進劑粒子用於一預混合物，以使該氣泡在與該表面改性劑相關聯之表面改性過程中穩定。然後該預混合物可以加入至灰泥漿體中。
在又一個方面中，本發明提供一方法將一水泥質發泡之漿體之預混合物引入至一煆燒石膏之混合後水性分散體。該水泥質發泡之漿體包含耐熱促進劑、表面改性劑、澱粉和具有水牆之氣泡，其中該表面改性劑對至少一些該水泥質粒子之表面有效改性，這樣使得該改性粒子充分地穩定該氣泡，在該產品中形成空氣空隙。該方法包括在一混合器腔室中形成一煆燒石膏之水性分散體。該方法也包括排放該水性分散體至一排出裝置。該水泥質發泡之漿體被引入到排出裝置內之水性分散體中。
第1圖系一石膏立方體密度(pcf)與在形成該石膏立方體漿體中之沒食子酸丙酯之量(g)之圖譜；其中，該圖譜說明了該沒食子酸丙酯對於在實施例1中描述之測試系列中石膏立方體密度之影響，按照本發明實施方案。
第2圖系一溫度(°F)與水化時間(分鐘)之圖譜，解釋了包含在漿體中之沒食子酸丙酯之不同量對於形成石膏立方體之水化時間之影響，在實施例1中描述之測試系列，按照本發明實施方案。
第3圖系一立方體抗壓強度(psi)與立方體密度(pcf)之 圖譜，其由於使用根據本發明實施方案之粒子穩定化泡沫材料(particle stabilized foam)而變化，與由於水/灰泥比率(WSR)增加導致之密度降低相比，並使用表面活性劑泡沫材料進行比較，如在實施例3中描述之。
第4圖系一立方體抗壓強度(psi)與立方體密度(pcf)之圖譜，其解釋了可以被容納在粒子穩定化泡沫材料中之澱粉，遞送至灰泥漿體系統，在實施例4中描述之測試系列中，按照本發明實施方案。
本發明實施方案提供了一方法，形成和穩定在水泥質漿體中之泡沫材料，該漿體用於製備水泥質建築產品，並具有降低之密度。這種漿體正常地包括水泥質材料、水、和其他需要之添加劑。該水泥質材料或者在一水化反應中與水反應，允許凝固發生(伴隨過量之水乾燥掉，例如在一乾燥爐中)，或者該水乾燥掉以允許該水性水泥質漿體按照預期之形狀硬化。
本發明發明人驚訝和意外地發現，表面改性劑可以用於水性水泥質漿體，以有利地對在該漿體中之水泥質粒子表面進行改性。該改性粒子理想地穩定被引入至該水泥質漿體中之氣泡。該氣泡意外地保持穩定，儘管遇到系統中之其他組分和剪切。隨著水之烘乾，該泡沫材料氣泡變成了該最終產品中之空氣空隙，使得該產品之密度得到降低。因此，該漿體可以系基本不含去垢劑表面活性劑，其在常規發泡之 水泥質系統中減少在該氣泡/水交界處之表面張力。
該表面改性劑可以直接添加在該主要水泥質漿體中形成產品，例如，以固體或可溶形式之試劑，沒有使該試劑與水泥質粒子預發泡，例如添加劑。氣泡也引入到該系統，使得該氣泡在該主要水泥質漿體中形成。在一些實施方案中，儘管如此，該表面改性劑在一添加劑漿體中被與氣泡、以及水泥質粒子形式之添加劑合併，以形成泡沫材料，其中該泡沫材料被預混合(例如，在泡沫材料發生器系統中，如本領域所理解之)，然後添加至該主要水泥質漿體。
根據本發明實施方案合適之表面改性劑被用來調節在該漿體中之水泥質粒子之表面能量，以實現泡沫材料穩定。特別地，在該系統中之水泥質粒子之至少一些之表面能量可以重排，允許這種改性粒子發揮對於被漿體中液體包圍之氣泡之殼體之穩定劑作用。
在一些實施方案中，該表面改性劑系賦予疏水性之添加劑。可以使用多種賦予疏水性之添加劑，包括相對較短之兩親物，例如本文描述之沒食子酸酯類別。與去垢劑表面活性劑(它系小分子)不同，該水泥質粒子則大得多，例如，通常在數百微米至毫米級之數量級。因此，該表面改性劑，以賦予疏水性之添加劑之形式，可以聯合區域中之粒子。這種賦予疏水性之添加劑可以提供親水水泥質材料部分疏水性。儘管不希望受任何特定理論之約束，據相信，該水泥質材料(例如，灰泥，石膏，等)將重新在該漿體中自定位，使得該改性粒子之該疏水部分浸沒在該氣泡之空氣/氣體相中， 而該粒子之親水部分將聯合包圍該氣體相之液體，使得該氣泡穩定化。例如，應該理解，該水泥質粒子，例如灰泥、石膏和粉煤灰，系親水之，表現相當低之接觸角。隨著該粒子被給予部分疏水性(由於該賦予表面改性劑之疏水性之聯合)，該接觸角將增加該粒子之疏水區域。
例如，在一些實施方案中，至少一些該粒子之部分之接觸角，從較小之角度增加至至少約40度(例如，至少約43度，例如至少約50度)之角度，包括但不限於增加之接觸角，從約40度至約100度或更高，例如，從約40度至約90度，從約40度至約80度，從約40度至約70度，從約40度至約60度，從約40度至約50度，從約43度至約100度，從約43度至約90度，從約43度至約80度，從約43度至約70度，從約43度至約60度，從約43度至約50度，從約50度至約100度，從約50度至約90度，從約50度至約80度，從約50度至約70度，或從約50度至約60度。
為了增強該表面改性劑與水泥質粒子之聯合，在一些實施方案中，該漿體之pH值可以提升至高於7.0。通過增加該pH值，應當理解，更多之負電荷將存在於該水泥質粒子表面，其將促進該粒子與該表面改性劑之聯合。例如，在本發明中，該pH呈現至少約7.5，例如，從約7.5至約12，例如從約7.5至約11，約7.5至約10，約7.5至約9,7.5至約8，約8至約11，約8至約10，或者約8至約9。該pH可以通過任意合適之手段實現和/或維持。例如，該漿體可以具有pH調節劑，其可以系任何合適之pH調節化合物。在一些實施方 案中，該pH調節劑系一堿或者其他鹼性物質，例如氫氧化鈣、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、粉煤灰等等，或其組合物。該漿體可以包含任意合適之pH調節劑，假設提供合適量用於實現和/或維持該pH在上述描述之範圍以內。
在一些實施方案中，該表面改性劑以一種或多種沒食子酸酯種類。例如，在一些實施方案中，該表面改性劑特徵在於以下公式：
在公式1中，該R選自C1-C10烷基、C1-C10烯基、C1-C10炔基、C3-C12環烷基、C3-C12環烯烴基、或者C6-C10芳基，其中該烷基、烯基、和炔基系支鏈之或者無支鏈之，並且任意地被一個或多個取代基取代，該取代基選自鹵素、烷氧基、酯基、取代之醯胺、等等。在一些實施方案中，該R基團具有相對小之鏈長度，例如以以下形式：C1-C6烷基，C1-C6烯基，C1-C6炔基，C3-C8環烷基，C3-C8環烯烴基，C6-C8芳基，具有相同之支鏈和取代方案。在一些實施方案中，該沒食子酸酯種類系沒食子酸丙酯。
該表面改性劑可以以任意合適之量提供，並且該量根據需要之產品密度變化，由本領域普通技術人員所理解 之。預期之密度取決於應用。例如，吸聲磚可以較輕，由於吸聲性能(例如，10pcf以及更高，例如10-24pcf)，對於輕質應用石膏幹牆可以小於約35pcf，但系更高之例如防火等級產品，包括但不限於X類型板，具有約50pcf或更少之密度。水泥板可以具有約100pcf或更少之密度(例如，從約25pcf至約80pcf)。
在一些實施方案中，根據應用和預期之密度，該表面改性劑提供之量基於該水泥質粒子之重量，從約0.1%至約7%，例如，從約0.5%至約7%，約1%至約7%，約0.1%至約6%，約0.5%至約6%，約1%至約6%，約2%至約6%，約2%至約5%，或者約3%至約5%。另外，任意合適之泡沫材料密度可以形成，例如，從約3pcf至約50pcf，例如，從約3pcf至約40pcf，約3pcf至約30pcf，約3pcf至約20pcf，約3pcf至約10pcf，約3pcf至約5pcf(例如，3.7pcf)，約4pcf至約50pcf，約4pcf至約40pcf，約4pcf至約30pcf，約4pcf至約20pcf，約4pcf至約15pcf，或者約4pcf至約10pcf。應當理解，本發明實施方案該粒子穩定之泡沫材料可以被調節，形成預期之泡沫材料空隙尺寸分佈，在空氣空隙之間平均壁厚度(例如，至少約30微米)，以及泡沫材料空隙(空隙具有孔尺寸直徑至少約5微米)與蒸發水空隙(空隙具有小於5微米之孔尺寸直徑)之體積比，例如約0.7：1至約9：1。參見例如，共同指定之美國專利公佈2007/0048490和2008/0090068。
因為該泡沫材料系通過該表面改性之水泥質粒 子來穩定，漿體可以基本不含有去垢劑表面活性劑，其常規使用在水/氣體介面減少表面張力，例如烷基醚硫酸鹽和/或烷基硫酸鹽，或其他已知之去垢劑表面活性劑。如本文使用之，“基本不含”這種去垢劑表面活性劑意思系形成水泥質產品該漿體含有基於該水泥質粒子重量之0wt.%，或者沒有這種去垢劑表面活性劑，或者無效量之或非實質量之這種去垢劑表面活性劑。無效量之例子系該量低於使用這種去垢劑表面活性劑實現預期目之之閾值，如本領域普通技術人員所理解之。非實質量可以系，例如約0.015%或者更少，約0.01%或者更少，或者約0.001%或更少，基於該水泥質粒子之重量，根據該成分，如本領域普通激素人員所理解之。
該粒子穩定化之發泡技術，根據本發明實施方案，可以與任意合適之水泥質材料(通常用於製備多種建築產品)使用。水泥質材料可以系屬於該凝固型或者非凝固型之。該水泥質材料之例子包括但不限於，粉煤灰、波特蘭水泥、灰泥(以其本文描述之多種形式)，以及硫酸鈣二水合物，來自本文描述之多種來源，等等。該粒子穩定發泡技術因此可以用於形成多種需要降低密度之建築產品，例如石膏幹牆、吸聲磚、地板墊層和封蓋、耐黴板、水泥板、外護套等等。
在一個解釋性之方面中，該粒子穩定化發泡技術可以用來降低作為幹牆使用之石膏板之密度。石膏板由灰泥漿體製備，其中通過水化反應，該灰泥被轉化成凝固型石膏晶體之交聯基質。該灰泥溶解成該石膏粒子成核和生長之液 體相。根據本發明，粒子穩定化泡沫材料用於形成該漿體，並且導致在最終產品中形成泡沫材料空隙。由於認為該泡沫材料首先被與該灰泥粒子聯合之表面改性劑所穩定，令人驚訝和意外之系，該泡沫材料保持穩定並且沒有明顯地崩塌，即使該灰泥溶解並且該石膏成核和生長。然而不希望受任何特定理論之約束，令人驚訝之相信，與該最終石膏粒子之充分聯接隨著其他灰泥粒子之溶解而發生。
該泡沫材料可以在該漿體中原位形成，和/或泡沫材料可以與水、氣泡、表面改性劑和水泥質添加劑粒子預混合，然後添加至該漿體。例如，在一些實施方案中，耐熱促進劑(HRA)可以用作水泥質添加劑粒子，來穩定該泡沫材料，然後將泡沫材料添加至灰泥漿體。HRA包括石膏(硫酸鈣二水合物)例子，其已知作為灰泥體系中之添加劑來播種，並且因此促進石膏晶體之成核。同樣地，HRA不系凝固型物質，因為它已經系二水合物之形式。這系常規之，以一種或多種已知之大量塗覆試劑中之一種來塗覆該硫酸鈣二水合物粒子，例如糖(例如蔗糖、葡萄糖等等)、澱粉、硼酸、或長鏈脂肪酸、和/或者其鹽。
因此，在一些實施方案中，泡沫材料之預混合物被製備。該泡沫材料之預混合物由HRA、水、表面改性劑(例如，賦予疏水性之試劑，例如沒食子酸酯種類，例如，沒食子酸丙酯)、和需要之pH調節劑形成。可以製備泡沫材料之預混合物，例如，在泡沫材料發生器體系中，其可以改性以適合該HRA水泥質材料之存在。添加泡沫材料之預混合物至該 漿體，並且令人驚訝地，它保持高度穩定，即使灰泥溶解並且即使經歷了暴露於剪切力和漿體之其他組分。其他組分可以包括分散劑、多磷酸鹽、澱粉等等。例如，在一些實施方案中，該泡沫材料可以在排出管道(在通常用於牆板製備之多葉式攪拌器主要攪拌器腔室之下游)中添加。在該主要攪拌器中，該煆燒石膏之主要水性分散體形成，通常通過動力混合之方式，(例如具有移動部件之電動力，包括轉子和槳葉，如現有技術中之)，如在例如，美國專利5,683,635，中描述之，以在具有高度攪拌之條件下攪拌其內容物。
由於該粒子穩定化泡沫材料系高度穩定之，令人驚訝地，其他添加劑可以添加至該預混合物，並且然後添加至該灰泥漿體(例如，在排出管道)。例如，在一些實施方案中，澱粉可以在該泡沫材料預混合物中與該HRA、表面改性劑和水組合，然後添加至混合後增加部分中之灰泥漿體。令人驚訝和意外地，澱粉之存在沒有使被該表面改性之HRA粒子穩定化之泡沫材料崩塌。這與常規去垢劑表面活性劑相反，其中澱粉在這種發泡體系中之存在將顯著破壞泡沫材料，使得澱粉不能滿意地添加在混合後設備中。
任意合適之澱粉可以包括在內。例如，該澱粉可以被預凝膠化、乙基化、酸改性、和/或酶改性。該澱粉可以以任意合適之量包括在內，例如，以該灰泥之重量，從約0.1%至約10%，例如，約0.3wt.%至約7wt.%，例如，約0.5wt.%至約6wt.%。
排出管道系主要混合器主體之下游，並且可以以 以下形式，例如現有技術已知之門-罐型引導設備，或者在美國專利6,494,609和6,874,930中描述之設備。在一些實施方案中，該排出管道可以包括一漿體分配器，具有一單一餵料入口或者多餵料入口，例如在美國專利申請公開2012/0168527 A1(申請號13/341,016)和美國專利申請公開2012/0170403 A1(申請號13/341,209)中描述之。在這些實施方案中，使用具有多餵料入口之漿體分配器，該排出管道可以包括一合適之流體分流器，例如在美國專利公開2012/0170403 A1中描述之。因此，在一些實施方案中，發泡漿體(例如，進一步包含澱粉)之該水泥質預混合物可以被添加在該混合器(例如，在所描述之門中，例如，在美國專利5,683,635和6,494,609)之排出管道中和/或在需要之主要主體中。在所有成分(包括水泥質漿體)添加後，從該排出管道排出漿體，根據本發明實施方案，將形成該板核心。該板核心漿體被排放至該移動面覆蓋片材上。
將澱粉包含在該泡沫材料預混合物漿體中，並在葉式混合器(即混合後引入)主要混合腔室下游之排出管道中添加該泡沫材料，表現出顯著之有益效果，根據本發明實施方案。例如，因為粘度增強，澱粉增加了水需要量。通過將澱粉與泡沫材料預混合物容納在內，並且遞送該澱粉至主要混合腔室之下游，澱粉對於水需要量之影響預期地延遲了。如果由於澱粉導致之粘度增加被延遲，直到該漿體接近於鋪在一覆蓋片材上，這系常見之，水需要量之增加之負面效應顯著地減少或者消失。令人驚訝之，該混合後添加之水 泥質泡沫材料漿體，包括澱粉，導致了該澱粉充分均勻之分散體進入該漿體，並且因此導致存在最終產品核心中。
例如，根據本發明之實施方案，該石膏板可以形成，以約40pcf或更少之密度，但系優選地該石膏板被製成輕質產品，具有密度約35pcf或更少，例如約20pcf至約35pcf，約27pcf至約35pcf，約24pcf至約34pcf，約27pcf至約34pcf，約30pcf至約34pcf，約24pcf至約32pcf，或者約27pcf至約32pcf。該石膏板密度具有充足之強度，即使在較低之密度，根據本發明實施方案。例如，在多個實施方案中，當該板被澆注成厚度約½英寸時，該板具有一起釘阻力至少約65lb(例如，至少約68lb，至少約72lb，至少約75lb，至少約77lb，等)，一核心硬度至少約11lb，和/或一抗彎強度在縱向上至少約36lb，和/或橫向上約107lb。
在又一個闡釋性實施方案中，本發明該顆粒穩定之發泡技術用於發泡粉煤灰系統，包括F類型粉煤灰、C類型粉煤灰以及其組合。本發明在降低含粉煤灰建築產品之密度方面具有一相當大之優點，因為粉煤灰一直被證明很難發泡，由於在粉煤灰中存在殘留之碳，其傾向於破壞泡沫材料。例如粉煤灰漿體可以包括在粉煤灰系統中已知之其他組分，例如包括，水硬性水泥，如波特蘭水泥；火山灰質材料，例如矽灰、爐渣、稻殼灰、火山灰、偏高嶺土、珍珠岩、浮石、碎玻璃、矽藻土等。本發明該粉煤灰混合物組合物也可以含有多種填充劑，包括沙(例如約50/50混合物等，基於沙和粉煤灰之重量)、集料、輕集料、碳酸鈣等。令人驚訝地，儘管 存在這種其他成分，該泡沫材料保持穩定。
因此，在實施方案中，形成產品之漿體包含水、水泥質粒子、具有水牆之氣泡、和表面改性劑，該表面改性劑有效對該水泥質粒子之至少一些之表面進行改性，這樣使得該改性粒子充分地穩定該氣泡，從而在該產品中形成空氣空隙。
在又一實施方案中，該漿體具有一pH至少約7.5。
在又一實施方案中，該漿體基本不含去垢劑表面活性劑。
在又一實施方案中，該水泥質粒子包含灰泥、硫酸鈣二水合物、波特蘭水泥、粉煤灰、或其組合。
在又一實施方案中，該水泥質粒子系親水之，並且該表面改性劑系一賦予疏水性之試劑，其給予該水泥質粒子至少部分疏水性。
在又一實施方案中，該表面改性劑包括一種或多種公式I之沒食子酸酯化合物： 其中R選自C1-C10烷基，C1-C10烯基，C1-C10炔基，C3-C12 環烷基，C3-C12環烯烴基，或者C6-C10芳基，其中該烷基、烯基、和炔基系支鏈之或者無支鏈之，並且任意地被一個或多個取代基取代，該取代基選自鹵素、烷氧基、酯基、取代之醯胺。
在又一實施方案中，R表徵為C1-C6烷基，C1-C6烯基，C1-C6炔基，C3-C8環烷基，C3-C8環烯烴基，C6-C8芳基，其中該烷基、烯基、和炔基系支鏈之或者無支鏈之，並且任意地被一個或多個取代基取代，該取代基選自鹵素、烷氧基、酯基、取代之醯胺。
在又一實施方案中，R為C1-C6烷基。
在又一實施方案中，該表面改性劑為沒食子酸丙酯。
在又一實施方案中，該表面改性劑基於該水泥質粒子之重量，存在之量從約0.1%至約7%。
在又一實施方案中，該漿體進一步包含澱粉，其量以水泥質粒子之重量為基礎，從約0.1%至約10%。
在又一實施方案中，該水泥質粒子包含耐熱促進劑，並且其中該漿體進一步包含澱粉。
在實施方案中，水泥質產品包括多孔水泥質組分，由漿體形成，該漿體包含水、水泥質粒子、被水牆包圍之氣泡、以及有效對至少一些該水泥質粒子之表面進行改性之表面改性劑，使得該粒子充分地穩定該氣泡，從而在該組分中形成空氣空隙。
在又一實施方案中，該產品為石膏幹牆、吸聲 磚、地板墊層、地板封蓋、耐黴板、水泥板、或外護套。
在實施方案中，石膏產品包括含凝固型石膏組合物，由一漿體形成，該漿體包括水、灰泥粒子、被水牆包圍之氣泡、以及有效改性至少一些該灰泥粒子表面之表面改性劑，使得該粒子充分地穩定該氣泡，從而在該產品中形成空氣空隙，該凝固型石膏組合物包括一石膏晶體基質。
在又一實施方案中，該凝固性石膏設置在形成板之兩片覆蓋片材之間，其中該板具有約35pcf或更少之密度。
在又一實施方案中，該漿體進一步包含澱粉、多磷酸鹽、分散劑、或其組合。
在實施方案中，一方法製造石膏板包括：將至少水、空氣、水泥質粒子、和表面改性劑混合，使得建立被水牆包圍之空氣氣泡，並且使得該表面改性劑有效改性至少一些該水泥質粒子之表面，從而充分穩定該氣泡，形成一發泡之漿體，其可以被任選地與一第二水泥質漿體合併形成一任選之合併之發泡之漿體；將該發泡之漿體或合併之漿體設置在一第一覆蓋片材和一第二覆蓋片材之間，以形成一板前體；將該板前體切割成板；並且使該板乾燥。
在又一實施方案中，該水泥質粒子包含灰泥。
在又一實施方案中，該水泥質粒子為耐熱促進劑，該漿體被與第二漿體合併，該第二漿體包含灰泥、水、以及任選之其他添加劑，並且該漿體為合併之漿體。
在又一實施方案中，該發泡之水泥質漿體包含耐熱促進劑水泥質粒子；該第二水泥質漿體為一在一主要混合 器腔室中形成之煆燒石膏之水性分散體；該第二水泥質漿體從該主要混合器腔室排放至排出裝置；並且該發泡之水泥質漿體被引入到該排出裝置。
應當注意，先前之描述僅僅系實施方案之實施例。其他示例性實施方案從本文整體描述看系明顯之。本領域普通技術人員應當理解，每個實施方案可以與其他本文提供之實施方案組合使用。
在以下實施例中，除非指明，大量固體粒子在一Hobat混合器中發泡，使用一打蛋器(whisk)將空氣引入至該漿體。
實施例1
該實施例解釋了灰泥(以硫酸鈣半水化合物之β形式)與粒子穩定技術之發泡，根據本發明實施方案。
為了形成石膏(硫酸鈣脫水物)立方體，灰泥之β形式(“β灰泥”)和水在漿體中反應使該灰泥水合，並且形成石膏。通過形成泡沫材料降低在該立方體中之密度，該漿體也包括表面改性劑。在初步評估中，測試了不同之表面改性劑，包括戊酸、己胺和沒食子酸酯種類(以沒食子酸丙酯之形式)。該戊酸和己胺對於形成任意合適穩定之泡沫材料系不成功之，而沒食子酸丙酯系成功之。即使具有沒食子酸丙酯，直到漿體pH升高，發泡才成功。
在測試系列中，500g灰泥、500g水、1g耐熱促進劑(HRA)、1.2mL之50%氫氧化鈉(NaOH)水溶液、 以及各種量之沒食子酸丙酯在Hobart混合器中合併，形成一系列漿體。每種漿體使用打蛋器混合一段時間，從30秒至2分鐘，以形成氣泡，最終發泡之漿體澆注2英寸×2英寸×2英寸之立方體。測量上升溫度設置(TRS，temperature rise set)以評估水化。
該結果可以參見第1圖和第2圖。如參見第1圖，評估了以沒食子酸丙酯形式之表面改性劑之量對於該製備之石膏之立方體密度之影響。立方體密度隨著沒食子酸丙酯量之增加而降低。例如，實現約29pcf之核心密度，示例了相對輕之產品，每500g灰泥使用3g之沒食子酸丙酯、規定量之氫氧化鈉，並使用引入空氣之打蛋器類型。已經發現，攪打比槳更合適製造泡沫材料，因為在攪打建立紊流作用，這系所希望之，因為它會產生大量小氣泡。
第2圖解釋了沒食子酸丙酯之量對於水化時間之影響。添加1g沒食子酸丙酯延緩凝固25分鐘，而使用2g沒食子酸丙酯將花費多於2小時，而使用3g沒食子酸丙酯延緩凝固僅僅10分鐘。
實施例2A
實施例2A和2B解釋了小量水泥質粒子之發泡，以耐熱促進劑(HRA)之形式，使用粒子穩定技術，並且添加該發泡之材料之材料至灰泥漿體中，根據本發明實施方案。由於HRA已經包含硫酸鈣二水合物，它在添加水後不凝固。
在先前之評估中，測定在100g水中發泡10g之HRA所需要之合適量之沒食子酸丙酯，預期在範圍從約0.15g至約0.45g之沒食子酸丙酯。在該測試中選取0.3g。考慮各種量之氫氧化鈉，識別最低之量來調節合適pH至實現最優之表面改性和發泡結果。
評估pH對於在100g水中之10g HRA之發泡影響。在100g水中之10g HRA之漿體pH為約7.4，同時添加0.3g沒食子酸丙酯使pH降低至6.7。如在下表1中所看到之，為了發泡10g HRA，0.4mL之10%氫氧化鈉水溶液被鑒定。
如結果所示出之，約7.5和更大之pH對於發泡HRA之漿體系合適之。沒有合適之pH值，該漿體可以部分地發泡或者完全之發泡，但系具有高發泡密度。但系具有合適之pH值，該泡沫材料密度可以低至0.06g/mL或者3.7pcf，具有預期範圍從約3pcf至約50pcf，根據本發明實施方案。
實施例2B
為了研究發泡水對於泡沫材料效率之影響，10g之HRA、0.3g之沒食子酸丙酯、和0.4mL之10%氫氧化鈉溶液被添加至各種量之水中形成漿體。該漿體被混合約0.5至3分鐘，直到發泡。該泡沫材料然後被添加至含有500g灰泥和不同量水之碗中，使得最終水/灰泥比率為1.0。該發泡之 漿體用來澆注立方體，進行密度測量。下表2示出了發泡水對於立方體密度之影響。
如參見表2，當水量太高，最終製備之泡沫材料材料也較不穩定。應當注意，除了沒食子酸丙酯之量和pH，該泡沫材料體積取決於該“HRA/發泡水”比率。應當注意，HRA/發泡水比率範圍從約0.04至約0.5(例如，約0.35)系合適之，根據本發明實施方案。
實施例3
該實施例比較了根據本發明粒子穩定發泡技術實施方案之泡沫材料粒子與其他技術對於降低產品密度之影響，特別系使用表面活性劑泡沫材料和使用高水/灰泥比率(WSR)來引入高蒸發水空隙含量使得產品密度下降。
第3圖系立方體抗壓強度(psi)與立方體密度(pcf)之圖譜，與使用本發明實施方案該粒子穩定泡沫材料 製備之立方體，以及使用常規表面活性劑泡沫材料和不同WSR製備之立方體。實驗條件為1.5%HRA，2%預凝膠玉米澱粉，0.5% Daxad 19分散劑，和3滴基於螯合劑之Versenex 80二乙烯三胺五乙酸。當表面活性劑泡沫材料或粒子穩定泡沫材料被使用時，該WSR固定為1.0。
如參見第3圖，使用粒子穩定泡沫材料呈現相似之立方體強度結果，如參見使用表面活性劑泡沫材料和升高WSR。
實施例4
該實施例解釋了粒子穩定泡沫材料表現高發泡穩定性，根據本發明實施方案。該實施例也解釋了在HRA漿體中之發泡可以添加澱粉，這系本發明令人驚訝和意外之結果。
進行試驗以確定HRA穩定之發泡漿體系否能攜帶澱粉而不擾亂該泡沫材料，並且確定立方體抗壓強度與澱粉分別添加至該灰泥漿體中相比之相對影響。試驗條件如下：400g灰泥，6g HRA,8g之預凝膠澱粉，2g鈉中和之陰離子分散劑，商業可獲得之為Daxad 19(Geo Specialty Chemicals)，和3滴基於螯合劑之Versenex 80二乙烯三胺五乙酸，WSR為1，0.3沒食子酸丙酯，和0.4mL之10% NaOH。通過混合HRA、發泡水、沒食子酸丙酯、NaOH、和分散劑形成泡沫材料混合物。預凝膠澱粉與水首先預混合，並且添加至發泡混合物或者作為溶液添加至灰泥漿體。在添 加該泡沫材料漿體至灰泥漿體後，該泡沫材料漿體混合物使用具有Hobat混合器混合30秒鐘，漿速為2。該結果在下面表3和第4圖中列出。
第4圖表現了立方體抗壓強度和密度曲線。如在第4圖中所見之，該結果顯示，與將澱粉引入與泡沫材料分離之灰泥漿體相比，在該HRA泡沫材料漿體中添加之預凝膠澱粉沒有導致對於立方體抗壓強度之任何不利效應。該實施 例表明，令人驚訝之，當包含在該HRA/表面改性劑漿體中時，該澱粉不具有明顯之泡沫材料脫穩定效應，並且在添加至該灰泥漿體後，在該灰泥漿體中之組分也沒有明顯具有消泡效應。
實施例5
該實施例解釋了使用泡沫材料發生器，HRA之發泡。如上文指出之，該固體可以在Hobat混合器中發泡，使用打蛋器將空氣引入先前實施例之漿體。在實施例2B中用於測試HRA之發泡之相同配方，在氣體量改變之泡沫材料產生器中測試。
泡沫材料成功製備，並具有預期密度。據發現，由於泡沫材料產生器沒有為被測試漿體而設計，在該泡沫材料產生器中有一些偶然堵塞問題。
實施例6
該實施例解釋了發泡額外固體粒子，與根據本發明實施方案之粒子穩定化技術。更加具體地，評估了粉煤灰、波特蘭水泥、α硫酸鈣半水化合物(“α灰泥”)、合成石膏、和石膏粉。所有這些材料施用上文討論之沒食子酸丙酯成功發泡。
應當注意，施用波特蘭水泥和粉煤灰，發現沒有必要額外提高pH，因為pH已經被相信對於這些材料足夠高。至於對於α灰泥、石膏粉、和合成石膏，該發泡程式與上文 描述之關於β灰泥、和在實施例1和實施例2中之HRA之案例相同。已經發現，對上文該之材料之任意組合進行發泡，系可行之。
除非在本中另作說明或通過文字明確地作相反說明，否則在描述本發明之上下文中(尤其在以下專利申請範圍之上下文中)，術語“一”、“該”、和“至少一個”以及類似之表述之使用應解釋為涵蓋單個和多個參考物。除非在本中另作說明或通過文字明確地作相反說明，在一個或多個專案清單之後之術語“至少一個”(例如“A和B中之至少一個)應解釋為意指選自該清單專案之一個專案(A或者B)，或者該清單專案之兩個或多個之組合(A和B)。除非另外指出，術語“包括”、“具有”、“包含”和“含有”應解釋為開放性之術語(即，意思為“包括但不限於)。除非另作說明，否則對於本文中值之範圍之敍述只系想要用作獨立地提及在該範圍內之各單獨值之簡化方法，並且各單獨值都將併入本說明書中，就如同在本文中對其獨立地進行敍述一般。除非在本文中另作說明或通過文字另外明確地作相反說明，否則本文該之所有方法可以任何次序進行。除非另作聲明，否則本文所提供之任何實例和所有實例或示範性術語(例如“諸如”)之使用都只系想要用於更好地說明本發明，並且不形成對本發明範圍之限制。不應將本說明書中之術語解釋為指示任何非所申請之元素為實踐本發明所必需。
在本文中描述了本發明優選之實施方案，包括發明人已知之用於實施本發明之最佳模式。在閱讀了上面之描 述之基礎上，這些優選之實施方案之變化對於本領域之普通技術人員可能會變得顯而易見。本發明人期望技術人員適當採用這些變化，並且本發明人希望本發明也可以實施，而不系如本文具體描述之。因此，本發明包括經適用法律允許之在該申請專利範圍所附之該主題事項中記載之所有修飾和等同物。此外，在該上述元素中之之任何組合其所有可能之變化形式由本發明所包括，除非在本文中另有說明或以其他方式與上下文明顯矛盾。

Claims (10)

  1. 一種形成一產品之漿體，該漿體包括：(a)水；(b)水泥質粒子；(c)具有水牆之氣泡；以及(d)表面改性劑，該表面改性劑對該水泥質粒子之至少一些之表面有效改性，這樣使得該改性粒子充分地穩定該氣泡，從而在該產品中形成空氣空隙。
  2. 如申請專利範圍第1項之漿體，其中該漿體具有一pH至少約7.5。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之漿體，其中該表面改性劑包括一種或多種公式I之沒食子酸酯化合物： 其中R選自C1-C10烷基、C1-C10烯基、C1-C10炔基、C3-C12環烷基、C3-C12環烯烴基、或者C6-C10芳基，其中該烷基、烯基、和炔基系支鏈之或者無支鏈之，並且任意地被一個或多個取代基取代，該取代基選自鹵素、烷氧基、酯基、取代 之醯胺。
  4. 如申請專利範圍第3項之漿體，其中R表徵為C1-C6烷基，C1-C6烯基，C1-C6炔基，C3-C8環烷基，C3-C8環烯烴基，C6-C8芳基，其中該烷基、烯基、和炔基系支鏈之或者無支鏈之，並且任意地被一個或多個取代基取代，該取代基選自鹵素、烷氧基、酯基、取代之醯胺。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任意一項之漿體，其中該表面改性劑為沒食子酸丙酯。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任意一項之漿體，其中該表面改性劑基於該水泥質粒子之重量，存在之量從約0.1%至約7%。
  7. 一種水泥質產品，包括：多孔水泥質組分，由一漿體形成，該漿體包含水、水泥質粒子、被水牆包圍之氣泡、以及對至少一些該水泥質粒子之表面有效改性之表面改性劑，使得該粒子充分地穩定該氣泡，從而在該組分中形成空氣空隙。
  8. 一種石膏產品，包括：一種含凝固型石膏組合物，由漿體形成，該漿體包括水、灰泥粒子、被水牆包圍之氣泡、以及有效改性至少一些該灰 泥粒子表面之表面改性劑，使得該粒子充分地穩定該氣泡，從而在該產品中形成空氣空隙，該凝固型石膏組合物包括石膏晶體基質。
  9. 如申請專利範圍第8項之石膏產品，其中該凝固性石膏設置在形成一板之兩片覆蓋片材之間，其中該板具有一密度約35pcf或更少。
  10. 一種製備石膏板之方法，包括：(a)將至少水、空氣、水泥質粒子、和表面改性劑混合，使得建立被水牆包圍之空氣氣泡，並且使得該表面改性劑有效改性至少一些該水泥質粒子之表面，從而充分穩定該氣泡，形成一發泡之漿體，其可以被任選地與一第二水泥質漿體合併形成一任選之合併之發泡之漿體；(b)將該發泡之漿體或合併之漿體設置在一第一覆蓋片材和一第二覆蓋片材之間，以形成一板前體；(c)將該板前體切割成板；(d)並且使該板乾燥。
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