TWI404696B - 具改良抗水性之纖維板 - Google Patents

Description

具改良抗水性之纖維板

本發明係關於具改良抗水性之纖維板。

由於石膏產品之現成可用性及低成本，故常用於工業及建築產品中，尤其石膏板或壁板。藉由使石膏(亦稱作二水合硫酸鈣或土石膏)脫水及再水合，可成形為多種適用形狀之物品。石膏產品為阻燃的，至少部分係因為兩個水分子與各硫酸鈣分子締合所致。若無增強材料，則成形之乾燥石膏相當脆，且不能支撐重的負荷或承受較大力之衝擊。

已知添加諸如木纖維或紙纖維之主體材料以改良壁板之拉伸強度及撓曲強度。然而，二水合硫酸鈣之減少及可燃物質之添加會降低成品之阻燃性且使成本增加。

人們曾試圖製造諸如纖維板之經顆粒增強之無紙面石膏產品，但並未產生期望之強度提高。不希望受到理論限制，咸信在石膏顆粒與增強顆粒間之結合不足，以致在界面處分離且複合物不能形成一堅實之板。

在Baig之美國專利第5,320,677號中，其揭示可藉由在煅燒石膏之前將二水合硫酸鈣與木材顆粒混合而製造堅固之複合產品。在由石膏及顆粒形成稀漿料後，在壓力下將其加熱至至少140℃以將二水合硫酸鈣轉變為α型半水合硫酸鈣(亦稱作粉刷灰泥或熟石膏)。在此方法中使用之α型之特徵在於形成伸長之針狀晶體。當晶體形成時，其中一些會形成於顆粒表面中之孔、空穴及其他缺陷中。當漿料冷卻時，粉刷灰泥再水合形成石膏晶體與增強顆粒之聯鎖基質。

已在改良石膏產品之抗水性上進行相當大量的工作。在美國專利第2,198,776號中建議以包括蠟及瀝青之烴降低水分吸收。已使用包括金屬皂及聚矽氧之無機材料作為成品石膏產品之表面上之塗層。例如使用蠟之產品之抗水性並非完全可再現的。由於當前在製造設備上使用之蠟系統之結果會有變化，故必須超量使用蠟(總成本較高)以確保將浸漬值保持在可接受之量內。

先前技術教示當將矽氧烷以乳液形式添加至漿料中時為適用的。在Englert之美國專利第5,817,262號中將矽氧烷乳液添加至纖維板產品中。在煅燒後將穩定乳液添加至石膏之水性漿料中隨後再水合。藉由使漿料脫水形成濾餅，在多孔表面上加壓該濾餅。隨後使濾餅定型，隨後在一習知窯中乾燥。然而，此板缺乏期望之強度。

本發明之一目的係提供一具有改良抗水性及更高強度之纖維板面板。

本發明包括在催化劑存在下向石膏纖維板中添加抗水性添加劑，得以滿足或超越上述目的或其他目的，其導致形成同時具有改良強度及較佳抗水性之板。

更特定言之，包括纖維板之物品係由包括錨定於主體顆粒之孔中之α半水合煅燒硫酸鈣、α半水合煅燒硫酸鈣、聚矽氧化合物、氧化鎂及水之可抽吸、可流動之漿料製造。氧化鎂可催化由聚矽氧化合物變為聚矽氧樹脂之反應。

在製造抗水性纖維板之較佳方法中，二水合硫酸鈣係與主體顆粒及水組合以形成漿料，其在壓力下經加熱以煅燒二水合硫酸鈣形成α半水合煅燒硫酸鈣。解除壓力後，將聚矽氧化合物及氧化鎂添加至漿料中。使漿料脫水以形成濾餅，隨後使該濾餅成形為所需形狀且容許其定型。

亦已發現不必為在石膏漿料中有效使用矽氧烷而使用真乳液。矽氧烷可形成為在足以使產品成形、定型且乾燥之時間內保持穩定之分散液。當與以矽氧烷乳液製造之板相比時，自包括分散於水中之矽氧烷的漿料製造之板具有增加之強度。

本發明之纖維板之抗水性得以改良。所用氧化鎂催化劑使得矽氧烷之聚合更迅速且更完全，其賦予產品額外之拒水性。該等結果無需不利地改變纖維板之物理性質而得以實現。

藉由形成可抽吸、可流動之石膏漿料來製造本發明之顆粒增強之石膏物品。該漿料之主要組份為含石膏之物質。起始含石膏之物質包括以包括土石膏、白土及任何合成等效物或其混合物之其任何形式存在之二水合硫酸鈣。一種較佳石膏為KCP石膏，其係由Allegheny Energy Supply(Willow Island,WV)作為發電廠廢氣清潔之副產物而製造之合成石膏。包括土石膏及白土之其他適合之石膏產品係獲自United States Gypsum Company,Gypsum,OH。與習知紙面乾壁不同，濕石膏可以漿料使用而無需首先將其乾燥。較佳石膏具有相對高之純度且經精細研磨。石膏之粒度分佈較佳包括至少92%之負100篩目或更小之顆粒。石膏可作為乾燥粉末或作為水性漿料之形式引入。

石膏漿料之另一組份為主體顆粒。"主體顆粒"意欲指能夠增強石膏之任何物質之諸如纖維、碎片或薄片之任何宏觀顆粒。通常不溶於漿料液體中之顆粒其中亦應具有可達空隙；無論坑、裂痕、裂隙、裂縫、中空核心或其他表面缺陷，其可由漿料滲入且硫酸鈣晶體可形成於其中。亦希望該等空隙存在於顆粒之可感知部分上。當空隙豐富且良好分佈於顆粒表面上時，主體顆粒與石膏之間之物理結合會增強。主體顆粒較佳具有比石膏更高之拉伸強度及撓曲強度。尤其木纖維或紙纖維之木質纖維素纖維為充分適於本發明之漿料及方法之主體顆粒之實例。使用以含石膏之組份之重量計約0.5重量%至約30重量%之主體顆粒。更佳地，成品包括約3重量%至約20重量%、更佳約5%至約15%之主體顆粒。儘管以下之討論係針對木纖維，但其並非意欲為限制性的，而為適用於本文之適合化合物之更寬種類之代表。

木纖維較佳為再生紙、木漿、紙板、木片、其他木質纖維素纖維來源或其混合物之形式。再生紙板容器為主體顆粒之尤其較佳來源。該等顆粒可需先加工以使塊破裂、分離過大及過小之材料，且在一些情況下預先萃取諸如半纖維素、黃烷類及其類似物之可不利影響石膏煅燒之污染物。

本發明之另一組份為能夠在石膏基質中形成聚矽氧網之矽化合物。聚矽氧化合物較佳為適於聚合為聚矽氧聚合物之低分子量之經氫改質之矽氧烷。較佳以於水中之乳液、膠體或分散液之形式添加聚矽氧化合物。保持聚矽氧化合物大體上分散直至聚矽氧聚合物形成之聚矽氧化合物與水之任何混合物適用於本發明。

儘管先前技術利用矽氧烷乳液，但在本發明中較佳使用未形成真乳液之矽氧烷。水及聚矽氧化合物較佳在一高強度混合裝置中組合，其產生於水中之聚矽氧油之良好分散液。該分散液較佳注入在成形製程上游之高壓煅燒爐與靜態混合器之間之石膏漿料中。在乾燥步驟中，在氧化鎂存在下，選定之聚矽氧化合物應適於固化或聚合為聚矽氧聚合物以向成品提供改良抗水性。較佳聚矽氧化合物為Wacker Chemical Corporation(Adrian,MI)之SILRES BS 94。

較佳地，聚矽氧組份存在之量在以含石膏物質之重量計約0.08%至約1%之範圍內。更佳地，聚矽氧組份存在之量為約0.2重量%至約0.8重量%或約0.4%至約0.5%。選定之聚矽氧化合物較佳對組成石膏產品之石膏及木纖維為化學上穩定的。聚矽氧組份較佳不干擾任何改變石膏之物理性質或定型時間之添加劑，且適於在產品之最終乾燥過程中在物品達到之核心溫度下固化。

藉由遍及石膏基質分散之聚矽氧聚合物之存在賦予石膏抗水性。其係藉由添加遍及漿料分散之矽氧烷及催化劑溶液而實現。需要亦被稱作"鎂氧"之氧化鎂催化聚矽氧化合物。聚矽氧聚合物之原位形成確保聚合物及所得抗水性遍及成品分佈。較佳地，氧化鎂存在之量為以石膏組份之重量計約0.08%至約1.5%。較佳地，氧化鎂存在之量為約0.3%至約1.0%，且更佳約0.5%至1.0%。

視煅燒溫度而定，市場上存在至少三種等級之氧化鎂。"僵燒"氧化鎂係在1500℃與2000℃之間煅燒，除去大部分(若非全部)之反應性。MagChem P98－PV(Martin Marietta Magnesia Specialties,Bethesda,MD)及BayMag 96(Baymag,Inc.of Calgary,Alberta,Canada)為"僵燒"氧化鎂之實例。MagChem 10(Martin Marietta Magnesia Specialties,Bethesda,MD)為"燒硬"氧化鎂之實例。"燒硬"氧化鎂係在1000℃至約1500℃之溫度下煅燒。其具有窄範圍之反應性、高密度，且通常用於諸如動物飼料及肥料之其中需要緩慢降解或化學反應性之應用中。第三種等級為由在約700℃至約1000℃之溫度下煅燒產生之"輕燒"或"苛性"氧化鎂。此類型之氧化鎂用於包括塑料、橡膠、紙及紙漿加工、鋼質鍋爐添加劑、黏著劑及酸中和之寬範圍之應用中。輕燒氧化鎂之實例包括BayMag 30、BayMag 40及BayMag 30(－325篩目)(BayMag,Inc.of Calgary,Alberta,Canada)。較佳使用僵燒氧化鎂。輕燒氧化鎂之高活性導致產生氫之不欲之反應，其使得產品在其定型時膨脹並破裂。

藉由將氧化鎂混合於水中製造催化劑漿料。使用足夠量之水以形成稀的、可抽吸之漿料。包括新鮮水、自此過程再循環之水或自諸如石膏板製造過程之其他過程再循環之水的多種不同水源係適用的。使用熟習此項技術者熟知之重量損失或容積定量器法將氧化鎂計量加入一混合槽中。將水連續饋入該槽中且使用高強度混合以將粉末分散於液相中。隨後使用一正排量泵、較佳一單螺旋泵將所得催化劑漿料注入石膏漿料中。

混合主體顆粒與石膏之漿料後，將其在壓力下加熱以煅燒石膏，使其轉變為α半水合硫酸鈣。不希望受到理論限制，咸信稀漿料浸濕主體顆粒，攜帶溶解之硫酸鈣進入其中之空隙及裂隙中。半水合物最終在主體顆粒之空隙中及其上原位成核並形成晶體。形成之晶體主要為針狀晶體，當其形成時其配合於主體顆粒中更小之裂隙中且緊緊錨定。因此，α半水合硫酸鈣係物理錨定於主體顆粒之空隙中。視情況將諸如礬之晶體改質劑添加至漿料中(General Alum & Chemical Corporation,Holland,OH)。以礬製造石膏纖維板之方法描述於2005年7月28日公開之美國專利公開案第2005/0161853號中，其係以引用的方式併入本文中。

保持高溫及壓力歷時足以使大部分二水合硫酸鈣轉變為半水合硫酸鈣之時間。在以上列出之條件下，約15分鐘為使二水合物形式溶解且使α半水合物形式再結晶之足夠時間。當在釜中之壓力下時，咸信使用主體顆粒作為自其錨定且長成長的針狀晶體的成核部位，溶解之α半水合硫酸鈣晶體形成於主體顆粒之裂隙及空間中且滲入其中。當煅燒完成後，將釜上之壓力解除至大氣壓，且將可選添加劑添加至漿料中。在形成富含纖維之半水合物後，視情況可將漿料急驟乾燥為α半水合物以備以後使用。

使用漿料溫度控制再水合之開始。在低於160℉之溫度下，二水合晶體之聯鎖基質重新形成，其中一些二水合物晶體係錨定於主體顆粒之空隙中。其產生主體顆粒已併入其中之極堅固之二水合物晶體基質。在形成二水合物基質後，亦自矽氧烷分子形成聚矽氧聚合物基質。因為該等基質兩者均由遍及漿料分散之重複單元形成，所以形成其中聚矽氧基質形成於石膏基質周圍之二水合物晶體基質與聚矽氧聚合物基質兩者之纏結系統。氧化鎂係遍及由聚矽氧聚合物基質圍繞之產品物品分佈。

必要時可選添加劑係包括於產品漿料中以在必要時改質成品之性質。添加加速劑(高達約35 lb./MSF(170 g/m² ))以改質水合反應發生之速率。較佳定型加速劑HRA(United States GypSum Company,Gypsum,OH)為以每100磅二水合硫酸鈣約5至25磅糖之比率具有糖之新研磨之二水合硫酸鈣。其進一步描述於以引用的方式併入本文中之美國專利第2,078,199號。亦視情況添加礬至纖維板中用於定型加速。礬具有在漿料脫水過程中有助於小顆粒絮凝之額外優點。視情況將諸如蠟之其他抗水性物質添加至漿料。當其自釜中出來後，將亦包括防腐劑、阻燃劑及強度增強組份之添加劑添加至漿料中。

希望以輕柔攪拌或混合連續攪拌漿料以保持所有顆粒懸浮。在半水合物已形成且作為長的針狀半水合物晶體自溶液沉澱析出後，當漿料自釜中排出時，產品漿料上之壓力釋放。此時通常添加矽氧烷乳液及其他所需添加劑。

在一較佳實施例中，纖維板係由石膏漿料製造。含石膏之組份為石膏且主體顆粒為紙纖維。紙漿料經水力碎漿為4%之懸浮液且石膏係以約40%之含固量分散於水中以形成漿料。將該等兩個液體流組合以形成具有約70重量%至約95重量%之水之稀石膏漿料。在足以使石膏轉變為α半水合硫酸鈣之溫度下在一壓力容器中處理石膏漿料。將蒸汽注入該容器中以使容器之溫度高達290℉(143℃)與約315℉(157℃)之間並產生自生壓力。較低溫度約為二水合硫酸鈣在合理時間內會煅燒為半水合物形式之實際最小值。較高溫度約為無纖維分解之不當風險之煅燒之最高溫度。釜溫度較佳在約290℉(143℃)至約305℉(152℃)之等級上。

煅燒之後，將添加劑注入石膏漿料流中。可將一些添加劑在添加至石膏漿料中之前組合。在使漿料於一高位調漿箱中分散之前，較佳將聚矽氧分散液及催化劑漿料單獨注入石膏漿料中。較佳使用一與以引用的方式併入本文中之美國專利公開案第2002/0117559號中所揭示類似的大的靜態混合器分散添加劑。在靜態混合器之不規則內表面上之漿料及添加劑之通過產生足夠紊流以使添加劑遍及漿料分佈。

趁熱將漿料抽吸入沿形成區域之寬度分佈漿料之長網式高位調漿箱。自高位調漿箱，漿料沈積於其中大量水被移除且濾餅形成於其上之連續排水結構上。多達90%之未結合之水可藉由氈合傳送帶自濾餅移除。較佳由真空輔助脫水以移除額外之水。實際上，較佳在半水合物冷卻且轉變為二水合物之前移除大量水。濾餅之形成及其脫水描述於美國專利第5,320,677號中，其係以引用的方式併入本文中。

包括複數個該等主體顆粒之漿料經壓製且成形為任何所需形狀。可使用包括壓製、鑄造、模製及其類似物之任何成形方法。將水移除後，將濾餅冷卻至再水合可開始之溫度。然而，仍有必要提供額外外部冷卻以使溫度足夠低以在可接受之時間內影響再水合。

在濾餅仍能成型時，較佳將其濕壓為所需尺寸、密度及厚度之板或面板。若欲使該板產生特定表面紋理或層壓表面修整，則較佳在此步驟中或隨後對表面進行修飾。用於製造織紋面板之方法及自其製造之面板之描述係更詳細描述於美國專利第6,197,235中，其係以引用的方式併入本文中。在濕壓過程中，其較佳在逐漸增加之壓力及增加之水移除的情況下發生以保持產品完整性，發生兩件事情。移除額外之水，進一步將濾餅冷卻至再水合發生之溫度。半水合硫酸鈣晶體在木纖維中及周圍原位轉變為二水合物晶體。

在再水合充分完成後，濾餅保持其形狀，將其切割、送至一窯中以乾燥且修整為板。在乾燥步驟中，提高產品之溫度至足夠高以促進過量水分之蒸發係重要的，但應足夠低以使得不發生煅燒。希望在使得產品核心溫度達到至少165℉(74℃)、更佳約165℉(74℃)與約190℉(93℃)之間之核心溫度之條件下乾燥產品。

當基本上定型時，由於主體顆粒併入石膏基質中，所以複合材料展示增加之強度，尤其撓曲強度。聚矽氧樹脂充當塗層及黏合劑以保護主體顆粒，其通常減少主體顆粒暴露於水分中及因而發生之膨脹。

在以下之實例中，根據以引用的方式併入本文中之ASTM Standard D 1037測試吸水率。在測試開始時對每邊5吋(12.5 cm)之產品材料之樣品稱重以確定乾重。隨後將樣品浸漬於水中兩個小時且再次稱重以確定濕重。隨後以濕重與乾重之差除以乾重再均乘以100，計算作為乾重之百分比之吸收之水之量。除非另外注明，否則所有量均以乾重計。

實例1

當將樣品浸漬於水中歷經預定時期後，藉由量測吸收之水之量測試纖維板樣品之抗水性。若在浸漬後樣品之重量比乾燥樣品重量重小於10%，通常認為樣品具有抗水性，而對於一些實施例目標吸水率小於5%。

纖維板之基本組成展示於表I中。以表II中列出之量添加BS 94矽氧烷及僵燒氧化鎂。

在每分鐘連續生產兩呎纖維板之試驗設備上獲得資料且其包括15重量%之主體顆粒，其中10%為紙纖維。石膏為來自Gypsum,OH之合成石膏。對照樣品不具有抗水性添加劑。如表II中所注明供給SILRES BS 94矽氧烷及僵燒氧化鎂。以每100加侖漿料1公升之速率添加作為晶體改質劑之液體礬(48%含固量)。

量測SILRES BS 94矽氧烷且將其添加至在一高剪切Ross混合器中之水中。將試驗設備上之驅動裝置設定為每分鐘2呎及4吋成形板。將試驗設備煅燒反應器預熱30分鐘，隨後排放。在漿料被引入反應器中之前，將蒸汽添加至295℉下之反應器中歷時額外30分鐘。將煅燒之漿料與自高位調漿箱上游之靜態混合器上游直接注入之HRA及礬添加劑漿料組合。將所得漿料脫水、壓縮且使其定型，隨後乾燥以移除過量水。隨後將經乾燥之面板切割為用於自所得板切割之浸漬測試之尺寸及樣品。將樣品在水中浸泡兩個小時用於係以引用的方式併入本文中之ASTM C1037中說明之吸水率測試。使用浸泡過程中之增重計算吸水率。

該等測試證明在纖維板系統中吸水率值之再現性小於10%。

實例2

在其中以每分鐘40呎(每分鐘12.3公尺)製造"板之商業規模試驗設備上使用氧化鎂催化矽氧烷。成品之密度為67－69 lb/ft³ (1.13－1.16 g/cc)。該等成份之每一者之量展示於表III中。以與組份量中所指示稍微不同之量測試兩種不同之鎂源。

使石膏及再生紙纖維一起變為漿料且經一在295℉(146℃)下之連續煅燒釜抽吸歷時22分鐘之標稱滯留時間。在急驟降至大氣溫度及壓力後，將包括MgO及矽氧烷之剩餘添加劑抽吸入經煅燒之漿料流中。

將所得石膏漿料抽吸至一長網式高位調漿箱中且經多孔成形結構脫水。使用7個真空度為4至10" Hg之真空箱以利於白水移除。容許水經過氈合線中之開口。在成形臺上之初始水移除後，與壓力組合應用額外真空以進一步加固墊。在再水合或定型之部分產生後，使用額外壓縮以產生所需面板厚度以及賦予其他所需物理及機械性質。

該等定型面板在一110℉(43℃)之恆溫批式乾燥機中乾燥隔夜。

根據以上描述之ASTM C 1037測試板樣品之吸水率。結果報導於以下之表IV中。具有一致小於5%之吸水率之纖維板展示欲以商業規模製造。

此資料證明展示小於5%吸水率之纖維板可以商業規模獲得。

實例3

將具有如實例2中之組成之P98氧化鎂催化之矽氧烷與包括2.5%蠟之抗水性板進行比較。所有產品係由實例2中教示之相同方法進行製造及測試。目標吸收為小於5%之吸收之水。將以SILRES BS 94矽氧烷製造之樣品1、2及3與以蠟製造之習知纖維板進行比較。

此測試證明與更傳統之含蠟纖維板相比，可實現更低之水要求。

雖然已展示且描述具有改良抗水性之纖維板之特定實施例，但熟習此項技術者應瞭解可對其進行改變及修改而不悖離其更寬泛之態樣及如以下申請專利範圍中所提出之本發明。

Claims (20)

1. 一種具有改良強度之可抽吸、可流動漿料，其包含：錨定於主體顆粒之孔中之α半水合煅燒硫酸鈣；α半水合煅燒硫酸鈣；聚矽氧化合物；氧化鎂催化劑，該氧化鎂催化劑催化由聚矽氧化合物變為聚矽氧樹脂之反應；及水，其中該聚矽氧化合物係分散於水中。
2. 如請求項1之漿料，其中該聚矽氧化合物存在之量為以該α半水合煅燒硫酸鈣及錨定於主體顆粒之孔中之該α半水合煅燒硫酸鈣之組合重量計約0.08%至約1.0%。
3. 如請求項1之漿料，其中該氧化鎂存在之量為以該α半水合煅燒硫酸鈣及錨定於主體顆粒之孔中之該α半水合煅燒硫酸鈣之組合重量計約0.08%至約1.5%。
4. 如請求項1之漿料，其中該聚矽氧化合物包含低分子量之經氫改質之矽氧烷。
5. 如請求項1之漿料，其中該等主體顆粒包含木纖維及紙纖維中之至少一者。
6. 如請求項1之漿料，其中該氧化鎂為僵燒氧化鎂或燒硬氧化鎂。
7. 如請求項2之漿料，其中該聚矽氧化合物係以約0.4%至約0.5%之量存在。
8. 如請求項4之漿料，其中該經氫改質之矽氧烷為經氫改質 之甲基矽氧烷。
9. 如請求項6之漿料，其中該氧化鎂為僵燒氧化鎂。
10. 如請求項3之漿料，其中該氧化鎂係以約0.3%至約0.4%之量存在。
11. 一種製造具有改良強度之抗水性纖維板之方法，其包含：將二水合硫酸鈣及主體顆粒與水組合以形成漿料；在壓力下加熱該漿料以煅燒該二水合硫酸鈣形成α半水合煅燒硫酸鈣；解除該壓力；將聚矽氧化合物及氧化鎂催化劑添加至該漿料中，其中該聚矽氧化合物係分散於水中，該氧化鎂催化劑催化由聚矽氧化合物變為聚矽氧樹脂之反應；使該漿料脫水以形成一濾餅；使該濾餅成形為所需形狀；及使該濾餅定型。
12. 如請求項11之方法，其中該成形步驟包含氈合該漿料以形成該濾餅。
13. 如請求項12之方法，其中該脫水步驟包括將一真空裝置應用於該濾餅。
14. 如請求項13之方法，其進一步包含在一窯中乾燥該濾餅。
15. 一種具有改良強度之纖維板物品，其包含：遍及該物品分佈之主體顆粒，其具有形成於由該等主體顆粒中之空隙、裂隙、坑、裂痕、裂縫、中空核心及 其他表面缺陷組成之群之至少一者中的複數個二水合硫酸鈣晶體；遍及該物品分佈之二水合硫酸鈣晶體之聯鎖基質，其包括來自形成於該等主體顆粒中之該複數個二水合硫酸鈣晶體中之一或多個晶體；在該硫酸鈣基質周圍遍及該物品分佈之聚矽氧聚合物基質；及由該聚矽氧聚合物基質圍繞之遍及該物品分佈之氧化鎂。
16. 如請求項15之物品，其中該氧化鎂為僵燒氧化鎂。
17. 如請求項15之物品，其中該聚矽氧為經氫改質之矽氧烷。
18. 如請求項15之物品，其中該等主體顆粒為木纖維或紙纖維。
19. 如請求項11之方法，其中該聚矽氧化合物存在之量為以該二水合硫酸鈣之重量計約0.08%至約1%。
20. 如請求項11之方法，其中該氧化鎂存在之量為以該二水合硫酸鈣之重量計約0.08%至約1.5%。