TWI638050B - 製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法及相關方法與產品 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示與經擠出的預膠凝化且部分水解澱粉相關的方法，該預膠凝化且部分水解澱粉藉由混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成澱粉前驅物來製備。該酸可為實質上避免螯合鈣離子之弱酸或較少量之強酸。在該方法中，該澱粉前驅物之預膠凝化及酸改質在擠壓機中在一個步驟中進行。亦揭示使用根據該等方法製備之澱粉來製備板的方法，以及藉由本發明之各種方法來製備的澱粉及板。

Description

製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法及相關方法與產品 相關申請案之交叉參考
本專利申請案主張2013年10月2日申請之美國專利申請案第14/044,582號、2013年10月14日申請之國際PCT申請案第PCT/US2013/064776號及2014年9月23日申請之美國專利申請案第14/494,547號的權益，前述專利申請案全部以全文引用之方式併入本文中。
澱粉一般含有兩種類型之多醣(直鏈澱粉及支鏈澱粉)且分類為碳水化合物。一些澱粉為預膠凝化的，其通常經由熱方法來進行。一般而言，預膠凝化之澱粉可與冷水一起形成分散液、漿料或凝膠。預膠凝化之澱粉一般為可消化的且已以多種方式加以使用，包括作為添加劑添加至多種食物產品中(例如在烘焙、點心、飲料、糖果、乳製品、肉汁醬、調理食品、醬料及肉中)及在醫藥中。
預膠凝化之澱粉的另一種用途為用於製備石膏 壁板。就此而言，在製板期間，按需要混合灰泥(亦即呈形式硫酸鈣半水合物之煆石膏及/或硫酸鈣硬石膏)、水、澱粉及其他成分，通常如該術語用於此項技術中時在銷釘式混合器中進行。形成漿料且自混合器排出至移動傳送機上，該傳送機帶有已塗覆有撇渣塗層(若存在)之一的覆蓋片(常在混合器上游)。將漿料鋪展在紙(其中視情況可在紙上包括有撇渣塗層)上方。藉助於例如形成板片或其類似物將另一個具有或不具有撇渣塗層之覆蓋片施用至漿料上，以形成所需厚度的夾層結構。
澆鑄混合物並且使之硬化以藉由使煆石膏與水反應形成結晶水合石膏(亦即二水合硫酸鈣)基質來形成凝固(亦即復水)石膏。所需煆石膏之水合使得能夠形成凝固石膏晶體之連鎖基質，進而為產品中之石膏結構賦予強度。需要加熱(例如在窯中)去除殘餘自由(亦即未反應之)水以得到無水產品。
預膠凝化澱粉常在該製程中添加水需求量。為在製造期間補償水需求量且使其具有足夠流動性，必須向灰泥漿料中添加含水量。此過量水在製造中產生低效率，包括乾燥時間增加，製造線速度較慢及能量成本較高。本發明人已發現預膠凝化及部分水解之澱粉所需水較少。
本發明人亦已發現用於製備預膠凝化且部分水解澱粉的技術尚未令人完全滿意。用於製備該等預膠凝化且部分水解澱粉的習知方法尚並非有效的，其產出較低且生產較慢以及能量成本較高。因此，在此項技術中需要改良的製 備預膠凝化且部分水解澱粉的方法，特定言之展現較低水需求量的改良之方法。
應瞭解，本發明人進行此背景描述以幫助讀者，而不應將其視為對先前技術之參考，亦不應視為指示所指示之問題中的任一者自身均在此項技術中有所瞭解。雖然所描述之原理在一些方面及實施例中可減輕其他系統中固有之問題，但應瞭解，所保護之創新的範疇由所附申請專利範圍界定，而不由所主張之發明解決本文提及之任何具體問題的能力界定。
在一個態樣中，本發明提供一種製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法，其包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及實質上避免螯合鈣離子之弱酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質。本發明亦提供一種根據此方法產生之澱粉。
在另一個態樣中，本發明提供一種製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法，其包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及強酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，其中該強酸之量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210 ℃(約410℉)之模溫下使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質。本發明亦提供一種根據此方法產生之澱粉。
在另一個態樣中，本發明提供一種製板之方法，其包含：(a)藉由以下步驟形成預膠凝化且部分水解澱粉：(i)混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，該酸選自由以下各者組成之群組：(1)實質上避免螯合鈣離子之弱酸，(2)其量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下之強酸，或(3)其任何組合；(ii)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(iii)在該具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之模具的擠壓機中使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質；(b)混合該預膠凝化及部分水解之澱粉與至少水及灰泥以形成漿料；(c)將該漿料安置於第一覆蓋片與第二覆蓋片之間以形成濕潤組合件；(d)將該濕潤組合件切割成板；及(e)乾燥該板。在一些實施例中，凝固石膏芯材之抗壓強度大於使用以不同方法製備之澱粉製得的凝固石膏芯材。在另一個態樣中，本發明提供一種根據此方法產生之板。
圖1為繪製黏度(左y軸)及溫度(右y軸)與時間(x軸)對比之連續黏度圖(amylogram)，其顯示如在實例2中所闡述，在16重量%之水分含量下擠出之澱粉的膠合概況，其中測試漿料之固體含量為10重量%。
圖2為繪製黏度(左y軸)及溫度(右y軸)與時間(x軸)對比之連續黏度圖，其顯示如在實例2中所闡述，在13重量%之水分含量下擠出之澱粉的膠合概況，其中測試漿料之固體含量為10重量%。
圖3為繪製溫度與時間對比之圖，其顯示如在實例3中所闡述，兩種含有預膠凝化且部分水解澱粉的漿料(其經3重量%之量的礬處理且分別經0.05重量%及0.0625重量%之量的延遲劑處理)及含有習知預膠凝化之玉米澱粉的第三漿料(其黏度為773厘泊且延遲劑之量為0.05重量%)的溫度上升凝固(TRS)水合速率。
本發明之實施例提供製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法。在一個態樣中，本發明提供一種製備板(例如石膏壁板)之方法。根據本發明之方法產生的預膠凝化且部分水解澱粉可以多種其他方式使用，諸如用於食物(例如在烘焙品、飲料、糖果、乳製品、速食布丁、肉汁醬、湯粉、調理食品、派餡、醬料及肉中)、醫藥、飼料、黏著劑及著色劑中。根據本發明之一些實施例製備的該等澱粉一般為可消化的，且可為食物產品提供所需黏度，且可保持原始基底材料之大部分功能特性。
本發明之實施例至少部分以以下出乎意料且未預期之發現為前提：在擠壓機中於單個步驟中使澱粉預膠凝化及酸改質。出乎意料且未預期地，與在獨立步驟中使澱粉 預膠凝化及酸改質相比，在擠壓機中於單個步驟中使澱粉預膠凝化及酸改質具有相當大之優勢。舉例而言，如本文所述，本發明的製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法在不犧牲所需特性(例如黏度、流動性、冷水溶性等)的情況下具有較高產出、較快生產及較低能量成本。
另外，已發現擠壓條件(例如高溫及高壓)可明顯地增加澱粉之酸水解速率。出乎意料且未預期地，此單個步驟製程使得可能使用弱酸(諸如礬)及/或較少量之強酸來用於澱粉酸改質。任一酸形式均提供其中來自酸之質子催化澱粉之水解的機制。習知酸改質製程包括純化及中和步驟。根據本發明之一些實施例，使用弱酸(例如礬)及/或少量強酸避免需要任何中和步驟及後續純化步驟，在習知系統中通常需要該後續純化步驟來純化澱粉與由該中和步驟產生之鹽。
根據本發明之實施例，擠壓製程不僅使澱粉預膠凝化，且亦使澱粉分子部分水解(亦即經由酸改質)。因此一個步驟中之擠壓製程提供物理改質(預膠凝化)及化學改質(酸改質、部分酸水解)兩者。預膠凝化向澱粉提供賦予強度(例如給諸如石膏板之最終產品)的能力。酸改質有利地使澱粉部分水解以向澱粉提供賦予強度給最終產品(諸如石膏板)及在產品製造中(諸如在石膏板製造過程的情況下)水需求量較低的能力。因此，根據本發明之實施例製備澱粉之方法的產品為預膠凝化及部分水解之澱粉。
根據一些實施例，本發明提供一種高效之酸改質 反應。如本文所述，在擠壓機中之預膠凝化及酸改質在高溫及/或高壓下進行，且可導致酸水解速率可為低溫(例如50℃)及/或低壓下習知酸水解速率的例如大致30,000倍或30,000倍以上。酸水解之速率經由在澱粉前驅物中使用低水分(約8重量%至約25重量%)含量去因此經由增加反應物之濃度而進一步增加。因為酸改質之此高效率，本發明人已發現，出乎意料且未預期地，可在澱粉前驅物中使用弱酸或極低含量之強酸以達成最佳酸改質且避免對中和及純化的需要，該中和及純化為習知系統中昂貴、費時且低效之需求。
根據一些實施例，水解經設計以將澱粉轉化為最佳尺寸範圍內之較小分子，該最佳尺寸範圍在本文中由預膠凝化且部分水解澱粉的所需黏度來界定。若澱粉過度水解，則其可不恰當地轉化為小分子(例如寡醣或糖)，該等小分子在石膏板之情況下可能導致板強度比由所需黏度的預膠凝化且部分水解澱粉所提供的板強度低。
預膠凝化且部分水解澱粉可藉由以下來製備(i)混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物。該酸可為：(1)實質上避免螯合鈣離子之弱酸，(2)其量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下之強酸，或(3)其任何組合。如本文所述，在擠壓機中於較高模溫及/或壓力下在一個步驟中使濕潤澱粉前驅物預膠凝化及酸改質。澱粉水解之程度產生如例如本文所述之所需黏度。
因此，在一些實施例中，預膠凝化且部分水解澱 粉可藉由以下來製得：混合至少水、非預膠凝化澱粉及實質上避免螯合鈣離子之弱酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物。隨後將該濕潤澱粉饋入擠壓機中。當在擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下的同時，使濕潤澱粉預膠凝化及酸改質，以使其至少部分水解。
在其他實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉可藉由以下來製得：混合至少水、非預膠凝化澱粉及強酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，其中該強酸之量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下。隨後將該濕潤澱粉饋入擠壓機中。當在擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下的同時，使濕潤澱粉預膠凝化及酸改質，以使其至少部分水解。
在一些實施例中，期望所得預膠凝化且部分水解澱粉在包括於灰泥漿料中時水需求量較低，且可適用於製造具有良好強度之板(例如石膏板)。因此，在另一個態樣中，本發明提供一種製造石膏板之方法，其使用用本發明之在擠壓機中於單個步驟中預膠凝化及酸改質的方法所製備的澱粉來進行。在一些實施例中，相對於此項技術中已知之其他預膠凝化澱粉，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的水需求量較低。
因此，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可包括在具有良好流動性之灰泥漿料中(例如藉由饋料線進入銷釘式混合器中)。在一些實施例中，可包括較 高量的根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉，此是因為不需要向系統中添加過量水，使得可達成甚至較高之強度及較低之板密度。所得板展現良好強度特性(例如具有良好芯材硬度、起釘抗性、抗壓強度等，或基於本文提供之各值的任何組合的其間之任何關係)。有利地，在製造石膏板期間摻雜根據本發明之方法製備的澱粉使得能夠因為強度增強而產生超低密度產品。石膏板可呈例如石膏壁板(常稱為乾壁)形式，其可涵蓋如在此項技術中所理解的不僅用於壁且亦用於之該板。然而，根據該方法製備之澱粉可具有其他應用，諸如用於食物產品中。
預膠凝化及酸改質
澱粉分類為碳水化合物且含有兩種類型之多醣，即直鏈及支鏈澱粉。澱粉顆粒為半結晶的(例如在極化光下所見)，且在室溫下不溶。將澱粉置放於水中且加熱(「蒸煮」)，藉由膠凝化過程使得澱粉顆粒之結晶結構熔化且澱粉分子溶解於水中，產生良好分散液。已發現，當將澱粉顆粒轉變成膠凝化形式時，最初澱粉顆粒在水中提供極少黏度，因為澱粉顆粒不可溶於水。隨著溫度升高，澱粉顆粒膨脹且結晶結構在膠凝化溫度下熔化。當澱粉顆粒膨脹最大時達成峰值黏度。進一步加熱將破壞澱粉顆粒且使澱粉分子溶解於水中，且黏度陡然下降。在冷卻之後，澱粉分子將再締合以形成3D凝膠結構，且黏度因凝膠結構而增加。一些商業澱粉以預膠凝化形式出售，而其他以顆粒形式出售。根據本發 明之一些實施例，就石膏板而言，顆粒形式進行至少一些程度之膠凝化。為了說明，就石膏板而言，在將澱粉添加至石膏漿料(在本文中亦稱為灰泥漿料)中之前使其預膠凝化(通常在混合器，銷釘式混合器中)。
因此，如本文所用，「預膠凝化」意謂澱粉在其包括於石膏漿料中或用於其他應用中之前具有任何程度之膠凝化。在與石膏板相關之一些實施例中，預膠凝化澱粉在包括於漿料中時可部分膠凝化，但在暴露於高溫時，例如在移除過量水之乾燥步驟期間在窯中變為完全膠凝化。在與石膏板相關之一些實施例中，預膠凝化澱粉甚至在離開窯後仍不完全膠凝化，只要根據黏度改質混合物(Viscosity Modifying Admixture；VMA)方法，澱粉在處於該等條件下時符合一些實施例之中範圍黏度特徵即可。
除非另有指示，否則當本文提及黏度時，其是根據VMA方法。根據此方法，使用Discovery HR-2混合型流變儀(TA Instruments Ltd)來量測黏度，該流變儀具有同心圓筒、具有輪葉幾何結構(直徑28mm且長度42.05mm)之標準杯(直徑30mm)。
當獲得澱粉時，使用差示掃描熱量測定(DSC)技術來測定澱粉是否完全膠凝化。DSC步驟可用於觀測澱粉是否完全膠凝化，例如確認未發生澱粉回凝。視使澱粉完全膠凝化所需之溫度而定，採用兩種程序之一，亦可如一般熟習此項技術者將瞭解的，藉由DSC來確定。
當其中DSC揭露澱粉完全膠凝化或膠凝化溫度 處於或低於90℃時，利用程序1。當其中膠凝化溫度高於90℃時利用程序2。因為在澱粉處於水中的同時量測黏度，所以程序2使用密封器皿中之加壓蒸煮以超溫加熱至高於100℃之溫度而不造成水明顯蒸發。程序1預訂用於已完全膠凝化之澱粉或用於膠凝化溫度至多90℃之澱粉，因為如下文所論述，膠凝化在作為開放系統且無法產生用於膠凝化之加壓條件的流變儀中進行。因此對具有較高膠凝化溫度之澱粉遵循程序2。無論如何，當量測黏度時，將澱粉(7.5g，乾質)添加至水中以達到50g之總重量。
在程序1中，將將澱粉分散於水中(澱粉及水之總重量的15%之澱粉)將樣品立即轉移至圓筒小室中。用鋁箔片覆蓋小室。以5℃/min且在200s-1之剪切速率下將樣品自25℃加熱至90℃。將樣品在200s-1之剪切速率下在90℃下保持10分鐘。以5℃/min且在200s-1之剪切速率下將樣品自90℃冷卻至80℃。將樣品在0s-1之剪切速率下在80℃下保持10分鐘。在80℃及100s-1之剪切速率下量測樣品之黏度，持續2分鐘。黏度為30秒至60秒之量測值的平均值。
程序2用於膠凝化溫度大於90℃之澱粉。根據澱粉工業中熟知之方法(例如藉由加壓蒸煮)來使澱粉膠凝化。將膠凝化之澱粉水溶液(總重量之15%)立即轉移至流變儀量測杯中且在80℃下平衡10分鐘。在80℃及100s-1之剪切速率下量測樣品之黏度，持續2分鐘。黏度為30秒至60秒之量測值的平均值。
黏度儀及DSC為兩種不同的描述澱粉膠凝化之 方法。澱粉膠凝化之程度可藉由例如來自DSC之熱分析圖例如使用峰面積(晶體之熔化)用於計算來測定。測定部分膠凝化之程度不太需要黏度圖(來自黏度儀)，但其為獲得以下資料之良好工具：諸如澱粉之黏度變化、膠凝化最大值、膠凝化溫度、澱粉回凝、保持期間之黏度、冷卻結束時之黏度等。對於膠凝化程度，DSC量測在過量水(尤其處於或高於67重量%)存在下進行。若澱粉/水混合物之含水量小於67%，則膠凝化溫度將隨著含水量降低而升高。當可用水有限時，難以熔化澱粉晶體。當澱粉/水混合物之含水量到達67%時，無論再向該澱粉/水混合物中添加多少水，膠凝化溫度將保持恆定。膠凝化起始溫度指示膠凝化之開始溫度。膠凝化結束溫度指示膠凝化之結束。膠凝化之焓表示在膠凝化期間熔化結晶結構之量。藉由使用來自澱粉DSC熱分析圖之焓，可指示膠凝化之程度。
不同澱粉具有不同膠凝化起始溫度、結束溫度及膠凝化焓。因此，不同澱粉可在不同溫度下變為完全膠凝化。應理解，當澱粉在過量水中加熱超出膠凝化結束溫度時，該澱粉完全膠凝化。另外，對任何特定澱粉，若在低於膠凝化結束溫度下加熱該澱粉，則該澱粉將部分膠凝化。因此，例如藉由DSC所測定的，當在過量水存在下在低於膠凝化結束溫度下加熱澱粉時，將發生部分及不完全膠凝化。當在過量水存在下在高於膠凝化結束溫度下加熱澱粉時，如藉由DSC所測定的，將發生完全膠凝化。膠凝化之程度可以不同方式加以調節，諸如藉由在低於膠凝化結束溫度下加熱該澱粉以 形成部分膠凝化。舉例而言，若使澱粉完全膠凝化之焓為4J/g，則當DSC顯示澱粉之膠凝化焓僅為2J/g時，此意謂50%之該澱粉已膠凝化。完全膠凝化之澱粉在藉由DSC進行量測時將不具有DSC熱分析圖膠凝化峰(焓=0J/g)
如所指出，膠凝化之程度可為任何適合之量，諸如約或70%以上等。然而，較小膠凝化度將使澱粉更近似於顆粒且可能無法全部獲得本發明之一些實施例的強度增強、較好(更完全)分散及/或水需求量降低之優點。因此，在一些實施例中，較佳存在較高膠凝化程度，例如至少約75%、至少約80%、至少約85%、至少約90%、至少約95%、至少約97%、至少約99%或完全(100%)膠凝化。在石膏板之情況下，可向漿料中添加膠凝化程度較低之澱粉，且在窯中發生另外之膠凝化(例如達到100%)。出於向漿料中添加之目的，「完全膠凝化」應理解為在處於或高於澱粉膠凝化溫度下充分蒸煮該澱粉或以其他方式使該澱粉如自DSC技術可見達成完全膠凝化。儘管在冷卻後可預期一些小程度之澱粉回凝，但對添加至石膏漿料中或用於其他應用中，在一些實施例中如一般熟習此項技術者將識別的，澱粉仍將理解為「完全膠凝化」。相比之下，出於本文中所論述之VMA方法的目的，在進行黏度量測中不接受該澱粉回凝。
澱粉分子可為酸改質的，以例如在葡萄糖單元之間水解糖苷鍵以達成所需分子量。使澱粉酸改質以達成分子量降低的一個益處為水需求量將降低。未經酸改質之習知預膠凝化澱粉的水需求量極高，其與較高能量成本相關聯。習 慣上已認為改質一般較佳在膠凝化之前進行，因為其傾向於較有效且成本密集性較低。然而，出乎意料且未預期地，本發明人已發現預膠凝化及酸改質可併入單個步驟中，以使得其可同時而非逐個進行。
製備澱粉之方法
根據本發明之一些實施例，在進入擠壓機之前，製備濕潤澱粉前驅物。濕潤澱粉前驅物可藉由任何適合之方法來製備。舉例而言，在一些實施例中，濕潤澱粉前驅物藉由向澱粉原料中添加水及酸來製備，該酸為(a)實質上避免螯合鈣離子之弱酸及/或(b)少量之強酸。
可選擇任何適合之澱粉原料來製備濕潤澱粉前驅物，只要其可用於製造預膠凝化且部分水解澱粉即可，諸如符合本發明之一些實施例的中範圍黏度特徵的一種澱粉原料。如本文所用，「澱粉」是指包括澱粉組分之組合物。因此，澱粉可為100%純澱粉或可具有其他組分，諸如常見於麵粉中之彼等組分(諸如蛋白質及纖維)，只要該澱粉組分構成澱粉組合物之至少約75重量%即可。澱粉可呈含有澱粉之麵粉(例如玉米粉)形式，諸如具有按麵粉重量計至少約75%(例如至少約80%、至少約85%、至少約90%、至少約95%等)澱粉的麵粉。任何適合的未改質之澱粉或麵粉可用於製備本發明之預膠凝化且部分水解澱粉的前驅物。舉例而言，澱粉可為CCM260黃色玉米粗粉、CCF600黃色玉米粉(Bunge North America)、Clinton 106(ADM)及/或Midsol 50(MGP Ingredients)。
濕潤澱粉前驅物可製備為具有任何適合之水分含量，以在擠壓機中達成所需預膠凝化及酸改質水準。舉例而言，在一些實施例中，濕潤澱粉前驅物之水分含量需要為按總澱粉前驅物之重量計約8重量%至約25重量%，諸如全部按濕潤澱粉前驅物之總重量計約8重量%至約23重量%，例如約8重量%約21重量%、約8重量%約20重量%、約8重量%約19重量%、約8重量%約18重量%、約8重量%至約17重量%、約8重量%至約16重量%、約8重量%至約15重量%、約9重量%至約25重量%、約9重量%至約23重量%、約9重量%至約21重量%、約9重量%至約20重量%、約9重量%至約19重量%、約9重量%至約18重量%、約9重量%至約17重量%、約9重量%至約16重量%、約9重量%至約15重量%、約10重量%至約25重量%、約10重量%至約23重量%、約10重量%至約21重量%、約10重量%至約20重量%、約10重量%至約19重量%、約10重量%至約18重量%、約10重量%至約17重量%、約10重量%至約16重量%、約10重量%至約15重量%、約11重量%至約25重量%、約11重量%約23重量%、約11重量%至約21重量%、約11重量%至約20重量%、約11重量%至約19重量%、約11重量%至約18重量%、約11重量%至約17重量%、約11重量%至約16重量%、約11重量%至約15重量%、約12重量%至約25重量%、約12重量%至約23重量%、約12重量%至約21重量%、約12重量%至約20重量%、約12重量%至約19重量%、 約12重量%至約18重量%、約12重量%至約17重量%、約12重量%至約16重量%、約12重量%至約15重量%、約13重量%至約25重量%、約13重量%至約23重量%、約13重量%至約21重量%、約13重量%至約20重量%、約13重量%至約19重量%、約13重量%至約18重量%、約13重量%至約17重量%、約13重量%至約16重量%、約13重量%至約15重量%、約14重量%至約25重量%、約14重量%至約23重量%、約14重量%至約21重量%、約14重量%至約20重量%、約14重量%至約19重量%、約14重量%至約18重量%、約14重量%至約17重量%、約14重量%至約16重量%或約14重量%至約15重量%。應理解當製備濕潤澱粉時，本文所描述之水分含量包括環境水分以及所添加之水。
在不希望受任何特定理論束縛的同時，咸信較低水分含量在擠壓機中導致更大摩擦。在一些實施例中，可製備水分含量允許在將濕潤澱粉饋入通過擠壓機時具有足夠機械能輸入之濕潤澱粉，以使得摩擦防止濕潤澱粉太易於移動通過擠壓機。摩擦增加可增加澱粉中氫鍵之破壞。
可將實質上避免螯合鈣離子的任何適合之弱酸混合至濕潤澱粉中。在不希望受任何特定理論束縛的情況下，螯合包括弱酸例如與鈣形成配位絡合物或以其他方式干擾石膏漿料內石膏晶體形成。該等干擾可為減少所形成石膏晶體之數目、延遲晶體之形成(使其速率降低)、減少石膏晶體之間相互作用等。關於不螯合鈣離子之術語「實質上」一般意謂至少90%(例如至少92%、至少95%、至少96%、至 少97%、至少98%或至少99%)可供使用之鈣離子不與酸螯合。
根據本發明之實施例的弱酸可定義為pKa值為約1至約6、例如約1至約5、約1至4、約1至3、約1至2、約1.2至約6、約1.2至約5、約1.2至約4、約1.2至約3、約1.2至約2、約2至約6、約2至約5、約2至約4、約2至約3、約3至約6、約3至約5、約3至約4、約4至約6或約4至約5之彼等弱酸。如在此項技術中所理解的，pKa值為酸強度之度量；pKa值愈低，酸愈強。
實質上避免螯合鈣離子之弱酸的特徵在於例如缺乏多結合位點，諸如多個傾向於結合鈣離子之羧基官能基(COO-)。在一些實施例中，弱酸之多結合位點(諸如多-COO-基團)量極少，或實質上不含多結合位點(諸如多-COO-基團)，以使得例如螯合極少(亦即實質上避免)或石膏晶體形成相對於在不存在弱酸之情況下形成的晶體實質上不受衝擊。在一些實施例中，舉例而言，硫酸鋁(礬)為用於製備濕潤澱粉之適當弱酸，此是因為其實質上避免螯合鈣離子。礬不具有多結合位點。
在一些實施例中，向濕潤澱粉前驅物中以任何適合之形式添加礬，諸如以含有所需固體含量之礬的液體形式添加。舉例而言，液體礬可包括在水溶液中，其中該礬以任何適合之量存在。可類似地添加其他弱酸。
濕潤澱粉可經混合以包括任何適合之量的實質上避免螯合鈣離子之弱酸，以使得所製備的預膠凝化且部分 水解澱粉具有所需黏度及較低水需求量且不過度水解為糖。舉例而言，在一些實施例中，以按澱粉重量計約0.5重量%至約5重量%之量包括該弱酸，諸如約0.5重量%至約4.5重量%，例如約0.5重量%至約4重量%、約0.5重量%至約3.5重量%、約0.5重量%至約3重量%、約1重量%至約5重量%、約1重量%至約4.5重量%、約1重量%至約4重量%、約1重量%至約3.5重量%、約1重量%至約3重量%、約1.5重量%至約5重量%、約1.5重量%至約4.5重量%、約1.5重量%至約4重量%、約1.5重量%至約3.5重量%、約1.5重量%至約3重量%、約2重量%至約5重量%、約2重量%至約4.5重量%、約2重量%至約4重量%、約2重量%至約3.5重量%、約2重量%至約3重量%、約2.5重量%至約5重量%、約2.5重量%至約4.5重量%、約2.5重量%至約4重量%、約2.5重量%至約3.5重量%或約2.5重量%至約3重量%。應理解此等量涵蓋弱酸組分，且當該弱酸處於溶液中時不包括該溶液之水或其他組分。
濕潤澱粉前驅物可製備為視情況可進一步包含可螯合鈣離子之二級酸，諸如酒石酸。因此在一些實施例中，二級酸(諸如酒石酸)可與任何適合的不螯合鈣離子之弱酸組合。已知酒石酸延遲石膏結晶。然而，與非螯合性弱酸組合，酒石酸避免石膏結晶之實質上延遲，使得經由酸改質之水解反應最佳化。除酒石酸之外，其他二級酸(諸如丁二酸或蘋果酸可為有益的，只要其不超出礬之加速效果即可。在一些實施例中，濕潤澱粉前驅物包括礬及酒石酸兩者。
若包括，則二級酸(例如酒石酸)可以任何適合之量存在。舉例而言，酒石酸可以按澱粉重量計約0.1重量%至約0.6重量%之量存在，例如約0.1重量%至約0.4重量%、約0.2重量%至約0.3重量%。
在一些實施例中，視情況可向濕潤澱粉中添加油以改良擠壓機內部澱粉之可傳送性。在一些實施例中，可能之油包括菜籽油、植物油、玉米油、大豆油或其任何組合。舉例而言，在一些實施例中，菜籽油或前述替代物之一可視情況以按澱粉重量計約0重量%至約0.25重量%之量添加，例如約0.1重量%至約0.2重量%、約0.1重量%至約0.15重量%、約0.15重量%至約0.25重量%、約0.15重量%至約0.2重量%或約0.2重量%至約0.25重量%。
根據一些實施例，藉由混合水、非預膠凝化澱粉及少量強酸來製備濕潤澱粉前驅物。在一些實施例中，強酸之pKa為約-1.7或-1.7以下。可使用任何該類強酸，且在一些實施例中，該強酸包含硫酸、硝酸、鹽酸或其任何組合。在一些實施例中，硫酸單獨或與其他酸組合為較佳的，因為硫酸根離子在石膏板實施例中可加速石膏結晶。
強酸之量相對較少，諸如按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下，例如按澱粉重量計約0.045重量%或0.045重量%以下、約0.04重量%或0.04重量%以下、約0.035重量%或0.035重量%以下、約0.03重量%或0.03重量%以下、約0.025重量%或0.025重量%以下、約0.02重量%或0.02重量%以下、約0.015重量%或0.015重量%以下、約 0.01重量%或0.01重量%以下、約0.005重量%或0.005重量%以下、約0.001重量%或0.001重量%以下、約0.0005重量%或0.0005重量%以下，諸如約0.0001重量%至約0.05重量%、約0.0001重量%至約0.045重量%、約0.0001重量%至約0.04重量%、約0.0001重量%至約0.035重量%、約0.0001重量%至約0.03重量%、約0.0001重量%至約0.025重量%、約from about 0.0001重量%至約0.02重量%、約0.0001重量%至約0.015重量%、約0.0001重量%至約0.01重量%、約0.0001重量%至約0.005重量%、約0.0001重量%至約0.001重量%、約0.0001重量%至約0.0005重量%。應理解此等量涵蓋強酸組分，且當該強酸處於溶液中時不包括該溶液之水或其他組分。舉例而言，習知強酸改質使用2%硫酸溶液與約35%之澱粉固體(2g硫酸用於35g澱粉)。百分比按純硫酸組分計。以硫酸組分之重量除以濕潤澱粉之重量來計算。舉例而言，若硫酸為50%純(其意謂溶液重量之一半為純硫酸)，則硫酸溶液之重量加倍。為了說明，對100g澱粉，添加0.1g純硫酸以達成0.1重量%。若硫酸溶液之濃度為50%，則添加0.2g之50%硫酸溶液以達成0.1重量%。
應理解存在不同等級之酸(>95%、98%、99.99%)。此等差異由術語「約」涵蓋，與澱粉前驅物中之強酸量有關。一般熟習此項技術者將容易地能夠測定本文所描述之重量%以包括不同等級。根據本發明之一些實施例使用的強酸量顯著小於在對35g澱粉使用例如至少約2g硫酸之習知系統中所包括的強酸量。在一些實施例中，如上文所描述 之少量強酸可與如本文所述的不螯合鈣離子之弱酸(諸如礬)組合使用。
本發明之實施例提供將濕潤澱粉前驅物饋入通過擠壓機，以使該濕潤澱粉前驅物在擠壓機中於單個步驟中預膠凝化及酸改質。應瞭解擠壓機為一般用於藉由使聚合物熔化且將其泵送通過模具來熔化該聚合物及將其加工為所需形狀的機器。擠壓機亦可使聚合物與其他成分混合，諸如顏料、加強纖維、無機填充劑等。擠壓機之目的為使饋入其中之成分全部分散及分配且在恆定溫度及壓力熔化該等成分。
擠壓機之組態及配置為此項技術中已知的。一般而言，擠壓機包含饋料斗(其傳遞饋入之材料)、預調節器(其包含用於調節聚合物與塑化劑(例如水)之加熱套)、擠壓機模組頭(其包含加熱區)、及模具組合件。擠壓機一般包括饋料螺旋鑽、滾刀及一或多個螺桿。存在饋料螺旋鑽以幫助將濕潤澱粉前驅物運送至擠壓機中。存在滾刀以將鏈狀預膠凝化且部分水解澱粉切割成較小球粒，以使得其可經研磨。螺桿幫助混合濕潤澱粉前驅物，將該濕潤澱粉前驅物運送通過擠壓機及提供機械剪切。如一般熟習此項技術者將理解的，擠壓機可為單螺桿或雙螺桿品種。參見例如Leszek Moscicki,Extrusion-Cooking Techniques,WILEY-VCH Verlag & Co.KGaA,2011。
在單螺桿擠壓機中，螺桿一般包含饋料區(其具有用於自饋料器導入口輸送固體且對該等固體進行壓縮之深通道)、壓縮部分(在此處螺桿通道逐漸變淺且聚合物熔化) 及定量部分(其具有將熔化之聚合物運送至模具中的淺通道)。一些螺桿經設計以包括混合裝置(例如自該螺桿延伸之銷釘)。
雙螺桿擠壓機一般具有以相同方向旋轉(亦即共旋轉)或以相對方向旋轉(亦即反向旋轉)的兩個螺桿。該兩個螺桿可在刮板非交錯或完全交錯的情況下旋轉。儘管在單螺桿擠壓機之情況下，所饋入之材料填充整個螺桿通道，但在雙螺桿擠壓機之情況下，僅填充螺桿通道之一部分，以使得下游饋入端口或排出口可用於添加某些成分。
模具組合件一般包含板片、間隔件及模頭。當擠出材料時，該製程可為連續的以使得材料以不定長度形式擠出，或半連續的以使得材料以多片形式擠出。所擠出之材料可為熱或冷的。
本發明提供一種在擠壓機中製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法。可使用任何適合之擠壓機，諸如單螺桿擠壓機(例如可自位於South Beloit,IL之American Extrusion International購得的Advantage 50)或雙螺桿擠壓機(例如可自位於Sabetha,KS之Wenger購得的Wenger TX52)。
如本文所述，將非預膠凝化澱粉、呈實質上避免螯合鈣離子之弱酸形式及/或較少量之強酸形式的酸以及水混合且饋入擠壓機中。在一些實施例中，可向擠壓機中添加另外之水。同在擠壓機中時，加熱元件及機械剪切之組合使澱粉熔化及預膠凝化，弱酸使澱粉如本文所述按需要部分水解為由黏度指示之所需分子量。因為機械能，擠壓機中之條件 亦將造成澱粉分子降解，其部分產生酸改質之相同效果。咸信根據一些實施例，因為擠壓機中之條件(例如高反應溫度及高壓力)促進此化學反應，所以可使用弱酸及/或較低量之強酸。因此，本發明之方法改良澱粉酸改質之效率。
主螺桿可以任何適合之速度運作，以達成所需混合及機械剪切。舉例而言，在一些實施例中，主螺桿可以約350RPM(±約100轉)之速度運作。饋料螺旋鑽可以任何適合之速度運作，以達成所需饋入速率。舉例而言，在一些實施例中。饋料螺旋鑽可以約14RPM(±約5RPM)之速度運作。
滾刀可以任何適合之速度運作。舉例而言，在各種實施例中，滾刀可以約400RPM至約1,000RPM之速度運作，例如約400RPM至約900RPM、約400RPM至約800RPM、約400RPM至約700RPM、約400RPM至約600RPM、約400RPM至約500RPM、約500RPM至約1,000RPM、約500RPM至約900RPM、約500RPM至約800RPM、約500RPM至約700RPM、約500RPM至約600RPM、約600RPM至約1,000RPM、約600RPM至約900RPM、約600RPM至約800RPM、約600RPM至約700RPM、約700RPM至約1,000RPM、約700RPM至約900RPM、約700RPM至約800RPM、約800RPM至約1,000RPM、約800RPM至約900RPM或約900RPM至約1,000RPM。
濕潤澱粉可在具有處於任何適合之溫度下之模具的擠壓機中預膠凝化及酸改質，以使得該濕潤澱粉在不使 材料燃燒之情況下變為足夠預膠凝化。舉例而言，濕潤澱粉可在具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之模具的擠壓機中預膠凝化及酸改質，例如在各種實施例中，約150℃至約205℃(約400℉)、約150℃至約199℃(約390℉)、約150℃至約193℃(約380℉)、約150℃至約188℃(約370℉)、約150℃至約182℃(約360℉)、約154℃(約310℉)至約210℃、約154℃至約205℃(約400℉)、約154℃至約199℃、約154℃至約193℃、約154℃至約188℃、約154℃至約182℃、約160℃(約320℉)至約210℃、約160℃至約205℃(約400℉)、約160℃至約199℃、約160℃至約193℃、約160℃至約188℃、約160℃至約182℃、約166℃(約330℉)至約210℃、約166℃至約205℃、約166℃至約199℃、約166℃至約193℃、約166℃至約188℃、約166℃至約182℃、約171℃(約340℉)至約210℃、約171℃至約205℃、約171℃至約199℃、約171℃至約193℃、約171℃至約188℃、約171℃至約182℃、約177℃(約350℉)至約210℃、約177℃至約205℃、約177℃至約199℃、約177℃至約193℃、約177℃至約188℃或約177℃至約182℃。雖然擠壓機之模具可為如本文所述之任何足夠溫度，但模溫一般超過澱粉晶體之熔化溫度。
膠凝化程度可為任何適合之量，諸如至少約70%或70%以上，例如至少約75%、至少約80%、至少約85%、至少約90%、至少約95%、至少約97%、至少約99%或完全(100%)膠凝化。在製造如下所述之壁板的情況下，可向灰 泥漿料中添加具有該類較低膠凝化度之澱粉，且例如在窯中發生另外之膠凝化(例如達到100%)。
擠壓機中之壓力可處於任何適合之水準，以達成用於預膠凝化及酸改質之適當條件。擠壓機內部之壓力藉由一般熟習此項技術者將識別的所擠出之原料、水分含量、模溫及螺桿速度來確定。舉例而言，擠壓機中之壓力可為至少約2,000psi(約13,800kPa)，諸如至少約2,250psi(約15,500kPa)、至少約2,500psi(約17,200kPa)、至少約2,750psi(約19,000kPa)、至少約3,000psi(約20,650kPa)、至少約3,500psi(約24,100kPa)、至少約4,000psi(約27,600kPa)、or至少約4,500psi(約31,000kPa)。在一些實施例中，壓力可為約2,000psi至約5,000psi(34,500kPa)，例如約2,000psi至約4,500psi約2,000psi至約4,000psi約2,000psi至約3,500psi約2,000psi至約3,000psi約2,000psi至約2,500psi約2,500psi至約5,000psi約2,500psi至約4,500psi約2,500psi至約4,000psi約2,500psi至約3,500psi約2,500psi至約3,000psi約3,000psi至約5,000psi約3,000psi至約4,500psi約3,000psi至約4,000psi約3,000psi至約3,500psi約3,500psi至約5,000psi約4,000psi至約5,000psi約4,000psi至約4,500psi或約4,500psi至約5,000psi。
出乎意料且未預期地，已發現本發明的在擠壓機中於單個步驟中製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法比在連續兩個步驟中使澱粉預膠凝化及酸改質快得多。用本發明之方法製備的預膠凝化且部分水解澱粉的量比用任何其他方法 製備之澱粉的量大得多。較高生產量及較快產出速率是因為高溫及/或高壓下之高反應速率。在一些實施例中，預膠凝化及酸改質在小於約5分鐘內進行，諸如小於約4分鐘，例如小於約3分鐘，小於約2分鐘，小於約90秒，小於約75秒，小於約1分鐘，小於約45秒，小於約30秒，小於約25秒，小於約20秒，小於約15秒或小於約10秒。另外，在一些實施例中，預膠凝化及酸改質在擠壓機中以受前述任何兩點束縛之速率進行。舉例而言，預膠凝化及酸改質速率可在約10秒與5分鐘之間，例如在約10秒與約4分鐘之間，在約10秒與約3分鐘之間，在約10秒與約2分鐘之間，在約10秒與約90秒之間，在約10秒與約75秒之間，在約10秒與約1分鐘之間，在約10秒與約45秒之間，在約10秒與約30秒之間，在約10秒與約25秒之間，在約10秒與約20秒之間，或在約10秒與約15秒之間。
本發明的製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法可為以任何足夠之速率進行的連續法。在一些實施例中，在擠壓機中以至少約100kg/hr之產生產出速率使澱粉預膠凝化及酸改質，諸如至少約150kg/hr、至少約200kg/hr、至少約250kg/hr、至少約300kg/hr、至少約350kg/hr、至少約400kg/hr、至少約450kg/hr,500kg/hr、至少約550kg/hr，例如至少約600kg/hr、至少約650kg/hr、至少約700kg/hr、至少約750kg/hr、至少約800kg/hr、至少約850kg/hr、至少約900kg/hr、至少約950kg/hr、至少約1,000kg/hr、至少約1,050kg/hr、至少約1,100kg/hr、至少約1,150kg/hr、至少約1,200 kg/hr、至少約1,250kg/hr、至少約1,300kg/hr、至少約1,350kg/hr、至少約1,400kg/hr、至少約1,450kg/hr或至少約1,500kg/hr。另外，在一些實施例中，在擠壓機中之生產產出速率可受前述任何兩點束縛。舉例而言，生產產出速率可在約100kg/hr與約1,500kg/hr之間(例如在約100kg/hr與約1,500kg/hr之間，在約100kg/hr與1,000kg/hr之間，在約250kg/hr與約1,500kg/hr之間，在約250kg/hr與約1,000kg/hr之間，在約600kg/hr與約1,250kg/hr之間，在約650kg/hr與約1,200kg/hr之間，在約700kg/hr與約1,100kg/hr之間，在約750kg/hr與約1,000kg/hr之間等)。
本發明人已發現在一些實施例中，擠壓機中之條件(例如高溫及高壓)尤其有利於在單個步驟中有效及充分地使澱粉預膠凝化及酸改質。當擠壓機混合濕潤澱粉時，其產生極高摩擦，進而產生熱量。因為在螺桿與擠壓機中之腔室之間的空間極小，所以在擠壓機中由螺桿產生剪切力。比機械能(SME)描述每單位質量之目標的機械能。SME將視水分含量而定。較高水分含量(例如出於流動性之目的)將導致低黏度及低摩擦，且因此導致較小SME。若存在較多水分，則將因為低黏度及低摩擦而產生較小SME。如本文所述的本發明之濕潤澱粉前驅物中的水分含量提供有效SME。
在擠壓機中，因為由如本文所述的本發明之實施例所提供的條件，使澱粉高度有效地預膠凝化。在不希望受任何特定理論束縛的同時，咸信根據本發明之一些實施例在擠壓機中良好混合所需要的水比在擠壓機中反應所需要的水 少。極低水分含量促進反應物之高度濃縮，其可使化學反應速率加速。擠壓機之高溫亦使反應速率明顯加速。當澱粉離開擠壓機時，反應以發生，使得其預膠凝化且部分水解。
在習知酸改質中，將澱粉添加至強酸溶液中。此習知方法使用之水及酸比如本文所述的在擠壓機中於一個步驟中同時而非連續地使澱粉預膠凝化及酸改質的出乎意料且未預期之方法所使用的水多得多。習知酸改質需要若干小時。在反應已發生之後，需要中和酸、純化且經洗去。中和及純化步驟費時且昂貴。
直至本發明人之出乎意料且未預期之發現為止，在習知酸改質中認為不需要是哦那個實質上避免螯合鈣離子之弱酸或較少量之強酸。此是因為在習知方法中，酸愈弱為強酸量愈小，則酸改質所需時間愈長。因此，在習知酸改質中，需要高量之強酸(例如pKa低於約-1.7)。出乎意料且未預期地，當根據本發明之實施例在擠壓機中如本文所述使用弱酸或較少量之強酸來製備預膠凝化且部分水解澱粉時，分別因酸性條件溫和且石膏結晶干擾較少而不需要中和及純化步驟。在一些實施例中，在預膠凝化且部分水解澱粉可能仍存在酸。
澱粉特性及在石膏板中使用該澱粉之優勢
根據本發明之實施例在擠壓機中製備的澱粉可為任何預膠凝化且部分水解澱粉。在一些實施例中，如本文所述，所製備之澱粉可按需要具有各種特性(例如中範圍黏 度、冷水溶性、冷水黏度等)。
根據本發明之實施例在擠壓機中製備的預膠凝化且部分水解澱粉可適用於石膏板中。舉例而言，如本文所述，根據本發明之實施例，對於在石膏板中之應用，預膠凝化及酸改質為有益的，例如出於強度目的而達成所需黏度(及因此達成分子量範圍)。在本文所論述的製造壁板之方法中，引入灰泥漿料中之澱粉可至少約70%膠凝化，例如至少約75%膠凝化、至少約80%膠凝化、至少約85%膠凝化、至少約90%膠凝化、至少約95%膠凝化、至少約97%膠凝化或100%膠凝化(亦即完全膠凝化)。
此外，根據本發明之實施例將如本文所述的包含實質上避免螯合鈣離子之弱酸的濕潤澱粉饋入擠壓機中使該澱粉水解，以達成所需黏度，因此表明達成所需分子量範圍。如一般熟習此項技術者應瞭解的，黏度進而指示預膠凝化且部分水解澱粉的分子量。
在一些實施例中，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可製備為具有任何適合之黏度。在一些實施例中，當預膠凝化且部分水解澱粉經歷根據其中該預膠凝化且部分水解澱粉以按該預膠凝化且部分水解澱粉與水總重量計15重量%之量處於水中的VMA方法之條件時，黏度表徵為具有「中範圍」黏度(亦即黏度為約20厘泊至約700厘泊)。因此，VMA方法用於測定預膠凝化且部分水解澱粉在經歷VMA方法之條件時是否展現中範圍黏度特徵。此不意謂預膠凝化且部分水解澱粉必須在此等條件下添加至石膏漿 料中。相反地，當向漿料中添加預膠凝化且部分水解澱粉時，其可呈濕潤形式(在各種濃度之澱粉水溶液中)或無水形式，且其不必如本文所述完全膠凝化或不必以其他方式處於VMA方法中所闡述之條件下。
在一些實施例中，預膠凝化澱粉之中範圍黏度可為約20厘泊至約700厘泊，諸如約20厘泊至約500厘泊、約30厘泊至約200厘泊或約100厘泊至約700厘泊。在本發明之實施例中，預膠凝化澱粉在VMA方法下測試時之黏度可舉例而言如在下表1A、1B及1C中所列。在該等表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示以厘泊為單位的預膠凝化澱粉之黏度。為易於呈現，各值表示「約」該值。舉例而言，表1A中第一個「X」為範圍「約20厘泊至約25厘泊」。
因此，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的黏度範圍可在表1A、1B或1C中所闡述之前述端點中的任一者之間且包括其中之任一者。或者，在一些實施例中，根據本文所描述之布拉班德方法(Brabender method)所量測，預膠凝化且部分水解澱粉的黏度(10%固體，93℃)為約5布拉班德單位(BU)至約33BU，例如約10BU至約30BU、約12BU至約25BU或約15BU至約20BU。
在一些實施例中，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可為其所塗覆至之產品(例如壁板)的強度提供明顯益處。因為澱粉含有含三個羥基之葡萄糖單體，所以澱粉提供許多用於與石膏晶體形成氫鍵之位點。在不希望受任何特定理論束縛的同時，咸信根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的分子尺寸允許使澱粉分子與石膏晶體對準之澱粉分子遷移率達到最佳，以促使澱粉與石膏晶體之良好結合，以例如經由氫鍵來加強所得結晶石膏基質。
根據與本文所描述之方法不同的另一種方法製備的例如黏度在中範圍以外之習知預膠凝化澱粉將分別具有較長鏈長度及較高分子量(黏度太高)以及較短鏈長度及較低分子量(黏度太低)，其不提供相同益處組合。亦咸信關於澱粉效率，當澱粉分子與石膏晶體充分結合時，另外之澱粉不添加明顯益處，因為該等晶體已結合以使得不存在澱粉黏著或結合之其他石膏晶體位點。因此，因為石膏晶體與根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的分子之間的結合最佳，所以結晶石膏基質之強度得以增強，且促成該強度所需澱粉與習知澱粉相比較少。本發明人已發現，在一些實施例中，具有例如中範圍黏度之經溶解澱粉分子(表示中範圍分子量之澱粉)允許使澱粉分子與石膏晶體對準之澱粉分子遷移率達到最佳，以促使良好的澱粉與石膏之氫鍵形成及芯材強度。
在一些實施例中，根據本發明之一些實施例製備 的預膠凝化且部分水解澱粉亦提供關於水需求量之優勢。向石膏漿料中添加習知預膠凝化澱粉需要向該等石膏漿料中添加另外之水以維持所需程度之漿料流動性。此是因為習知預膠凝化澱粉增加石膏漿料之黏度且降低其流動性。因此，使用習知系統中之預膠凝化澱粉已使得水需求量增加，使得在石膏漿料中將需要甚至愈加過量之水。
出乎意料且未預期地，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉(尤其具有所需中範圍黏度之澱粉)需要較少水，以使得對石膏漿料中水需求量之影響降低，尤其相比於習知澱粉降低。此外，因為根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的效率，使得可使用較少澱粉，根據本發明之一些實施例，對水需求量之正影響可能甚至更明顯。此較低水需求量在製造期間提供相當大之效率。舉例而言，過量水需要用於乾燥之能量輸入。作業線速度必須減緩以適應乾燥。因此，藉由降低石膏漿料中之水負載，可見較少能量源及成本以及較快生產速率。在一些實施例中，石膏漿料中水需求量之增加小於其他澱粉所需之水需求量的增加，諸如例如藉由不同方法製備的黏度高於700厘泊(例如約773厘泊)之預膠凝化澱粉。
在製備預膠凝化且部分水解澱粉中可選擇任何適合之非預膠凝化澱粉，只要其在擠壓機中足以預膠凝化及酸改質即可。如本文所用，「澱粉」是指包括澱粉組分之組合物。因此，澱粉可為100%純澱粉或可具有其他組分，諸如常見於麵粉中之彼等組分(諸如蛋白質及纖維)，只要該澱粉組 分構成澱粉組合物之至少約75重量%即可。澱粉可呈含有澱粉之麵粉(例如玉米粉)形式，諸如具有按麵粉重量計至少約75%(例如至少約80%、至少約85%、至少約90%、至少約95%等)澱粉的麵粉。舉例而言而不進行任何限制，澱粉可呈含有澱粉之玉米粉形式。
在一些實施例中，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可製備為具有所需冷水溶性。習知預膠凝化技術涉及使澱粉冷水可溶且一般需要在過量水中蒸煮澱粉。然而，此等習知技術並非有效。根據本發明之實施例的擠壓允許使加熱及機械剪切組合，其出乎意料且未預期地為可用於在單步驟製程中產生具有較低水分含量及冷水溶性的預膠凝化且部分水解澱粉的節能方法。冷水溶性定義為在室溫(約25℃)下可於水中溶解任何量。發現展現冷水中溶解性之澱粉可為石膏產品(例如壁板)之強度提供明顯益處。本發明之冷水可溶澱粉的冷水溶性大於約30%，且當添加至凝固石膏芯材時可增加該石膏芯材之強度。預膠凝化澱粉於水中之溶解性定義為澱粉在室溫水中溶解之量除以澱粉總量。
在一些實施例中，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性為約30%至約100%。在其他實施例中，所擠出的預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性為約50%至約100%。在本發明之實施例中，所擠出預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性可如例如表2中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應 值]」。所指示之值表示所擠出的根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性(表2)。為易於呈現，各值表示「約」該值。舉例而言，表2中之第一個「X」為範圍「約30%至約35%」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
在不希望受任何特定理論束縛的同時，咸信在擠壓期間機械能與熱能之組合為造成根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性的原因。咸信當澱粉經歷擠壓時，在澱粉分子之間的氫鍵斷裂。當所擠出之澱粉溶解於水中時，澱粉與水分子形式氫鍵。在預膠凝化製程之後，所擠出的預膠凝化且部分水解澱粉分子自由地與石膏晶體形成氫鍵，因此對石膏產品賦予較高強度。因此，因為展現冷水中溶解性之澱粉改良石膏壁板之強度，所需之澱粉與習知澱粉相比較少。
在一些實施例中，根據本文所描述之布拉班德方法所量測，預膠凝化且部分水解澱粉的冷水黏度(10%固體，25℃)為約10BU至約120BU，例如約20BU至約110BU、約30BU至約100BU、約40BU至約90BU、約50BU至約80BU或約60BU至約70BU。
在製板中使用根據該方法製備用途澱粉
在一些實施例中，可藉由以下步驟形成預膠凝化且部分水解澱粉來製板(例如石膏壁板)：藉由混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，該酸選自選自實質上避免螯合鈣離子之弱酸、其量為按澱粉重量計約0.01重量%或0.01重量%以下之強酸或其任何組合。
隨後將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中，其中模具之溫度為約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)，其 中使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質，以使得其至少部分水解。預膠凝化且部分水解澱粉可隨後與至少水及灰泥混合以形成漿料，其可隨後安置在第一覆蓋片與第二覆蓋片之間以形成濕潤組合件。濕潤組合件可隨後切割成板，隨後乾燥該板。較佳地，板之凝固石膏芯材的抗壓強度大於使用以不同方法製備之澱粉製得的凝固石膏芯材。
根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可出乎意料且未預期地以相對較低量(以固體/固體計)包括在漿料中且仍在板中達成明顯強度增強。因此，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可以按灰泥重量計約0.1重量%至約10重量%之量包括在石膏漿料中，例如約0.5%至約10%。
在一些實施例中，已發現使漿料中根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的量增加超出此等範圍不有效改良強度，此是因為在添加甚至更多澱粉後，強度水準可在某種程度上進入平線區。然而，若需要則可利用較高澱粉量，尤其在其中接受強度收益遞減的情況下。
在本發明之實施例中，可以如例如下表3A及3B中所列之量向石膏漿料中添加預膠凝化且部分水解澱粉。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示呈灰泥重量百分比形式之澱粉量。為易於呈現，各值表示「約」該值。舉例而言，第一個「X」為範圍「按灰泥重量計約0.1%澱粉至按灰泥重量計約0.25%澱粉」。
因此，向漿料中添加的根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的量之範圍可在表3A或3B中所闡述之前述端點中的任一者之間且包括其中之任一者。
在各種應用之一些實施例中，可將根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉與其他澱粉組合添加至漿料中。舉例而言，在如下所述之石膏壁板的情況下，根據本發明之實施例製備的預膠凝化之部分水解可與其他澱粉組合以增強芯材強度及紙-芯材黏結，尤其若接受增加一些水需求量。
因此，在本發明之一些實施例中，石膏漿料可包括一或多種根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉以及一或多種其他類型之澱粉。其他澱粉可包括例如黏度低於20厘泊以下及/或高於700厘泊之預膠凝化澱粉。一個實例為預膠凝化玉米澱粉(例如黏度超過700厘泊，諸如約773厘泊之玉米澱粉)。其他澱粉亦可呈例如非預膠凝化澱粉 (諸如酸改質澱粉)以及未膠凝化之烷基化澱粉(例如乙基化澱粉)等的形式。澱粉之組合可在添加至石膏漿料中之前經預混(例如視情況可與諸如灰泥等之其他組分一起預混在無水混合物中，或與其他濕潤成分一起預混在濕潤混合物中)，或其可一次一種地包括在石膏漿料中，或其任何變化。可包括任何適合比例的根據本發明之實施例製備的預膠凝化之部分水解及其他澱粉。
舉例而言，以總澱粉含量百分比形式向石膏漿料中添加的根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的澱粉含量可為例如至少約10重量%，諸如至少約20%、至少約30%、至少約40%、至少約50%、至少約60%、至少約70%、至少約80%、至少約90%、至少約95%、至少約99%、至少約100%或兩者之間的任何範圍。在一些實施例中，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉與其他澱粉的比率可為約25：75、約30：70、約35：65、約50：50、約65：35、約70：30、約75：25等。
在一些實施例中，除澱粉組分之外，漿料經調配以包括水、灰泥、發泡劑(有時簡稱為「泡沫」)及按需要之其他添加劑。出乎意料且未預期地，根據一些實施例，尤其根據展現中範圍黏度之彼等實施例，已發現需要添加以將漿料流動性維持在與無預膠凝化且部分水解澱粉(其根據本發明之實施例在擠壓機中製備)情況下之漿料流動性相同的水準下的水量小於在使用根據不同方法製備的預膠凝化且部分水解澱粉時所需要的水量增加。灰泥可呈硫酸鈣α半水合物、 硫酸鈣β半水合物及/或硫酸鈣硬石膏之形式。灰泥可為纖維或非纖維的。可包括發泡劑以在凝固石膏之連續結晶基質內形成空氣空隙分佈。在一些實施例中，發泡劑包含主要重量部分之不穩定組分及次要重量部分之穩定組分(例如其中組合不穩定與穩定/不穩定摻合物)。不穩定組分與穩定組分之重量比有效地在凝固石膏芯材內形成空氣空隙分佈。參見例如美國專利5,643,510；6,342,284；及6,632,550。
已發現適合之空隙分佈及壁厚度(獨立地)可有效增強強度，尤其在較低密度(例如低於約35pcf)板中。參見例如US 2007/0048490及US 2008/0090068。空隙直徑一般為約5μm或5μm以下之蒸發水空隙亦有助於總空隙分佈以及前述空氣(泡沫)空隙。在一些實施例中，孔隙尺寸大於約5微米之空隙與孔隙尺寸為約5微米或5微米以下之空隙的體積比率為約0.5：1至約9：1，諸如約0.7：1至約9：1、約0.8：1至約9：1、約1.4：1至約9：1、約1.8：1至約9：1、約2.3：1至約9：1、約0.7：1至約6：1、約1.4：1至約6：1、約1.8：1至約6：1、約0.7：1至約4：1、約1.4：1至約4：1、約1.8：1至約4：1、約0.5：1至約2.3：1、約0.7：1至約2.3：1、約0.8：1至約2.3：1、約1.4：1至約2.3：1、約1.8：1至約2.3：1等。在一些實施例中，發泡劑在漿料中例如以按灰泥重量計小於約0.5%之量存在，諸如全部按灰泥重量計約0.01%至約0.5%、約0.01%至約0.4%、約0.01%至約0.3%、約0.01%至約0.2%、約0.01%至約0.1%、約0.02%至約0.4%、約0.02%至約0.3%、約0.02%至約0.2%等。
在一些實施例中，諸如加速劑(例如濕潤石膏加速劑、耐熱性加速劑、氣候穩定加速劑)及延遲劑之添加劑為人所熟知且可加以包括。參見例如美國專利3,573,947及6,409,825。在其中包括加速劑及/或延遲劑之一些實施例中，加速劑及/或延遲劑各自在石膏漿料中之固體量可為按灰泥重量計例如約0%至約10%(例如約0.1%至約10%)，諸如按灰泥重量計約0%至約5%(例如約0.1%至約5%)。按需要可包括其他添加劑以例如賦予強度，以使得較低重量產品能夠具有足夠強度、避免永久變形、提昇生強度(例如當產品在傳送機上沿製造線行進且凝固時)、提昇耐火性、提昇防水性等。
舉例而言，在一些實施例中，漿料可視情況包括至少一種分散劑以增強流動性。如同根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉及其他成分，分散劑可與其他無水成分一起以無水形式包括及/或與其他液體成分一起以液體形式包括在芯材漿料中。分散劑之實例包括萘磺酸鹽，諸如聚萘磺酸及其鹽(聚萘磺酸鹽)及衍生物，其為萘磺酸與甲醛之縮合產物；以及聚羧酸鹽分散劑，諸如聚羧酸醚，例如PCE211、PCE111、1641、1641F或PCE 2641型分散劑，例如MELFLUX 2641F、MELFLUX 2651F、MELFLUX 1641F、MELFLUX 2500L分散劑(BASF)及可自Coatex,Inc.購得之COATEX Ethacryl M；及/或木質磺酸鹽或磺化木質素。木質磺酸鹽為水溶性陰離子聚電解質聚合物，其為使用亞硫酸鹽製漿來產生木漿的副產物。適用於實踐本發明之實施例原理的木質素之一個實例為可自Reed Lignin Inc.購得之 Marasperse C-21。
低分子量分散劑一般較佳。低分子量萘磺酸鹽分散劑為有利的，因為其水需求量傾向於比較高黏度較高分子量之分散劑低。因此，約3,000至約10,000(例如約8,000至約10,000)之分子量為較佳的。作為另一個說明，對PCE211型分散劑，在一些實施例中，分子量可為約20,000至約60,000，其展現之延遲比分子量高於60,000之分散劑少。
萘磺酸鹽之一個實例為可自GEO Specialty Chemicals購得之DILOFLO。DILOFLO為45%萘磺酸鹽水溶液，儘管其他水溶液(例如固體含量在35重量%至約55重量%範圍內)亦容易購得。萘磺酸鹽可以無水固體或粉末形式使用，諸如可自GEO Specialty Chemicals購得之LOMAR D。另一個例示性萘磺酸鹽為可自Hampshire Chemical Corp.購得之DAXAD。
若包括，則分散劑可以任何適合之(固體/固體)量包括，諸如按灰泥之重量計約0.1重量%至約5%，例如約0.1%至約4%、約0.1%至約3%、約0.2%至約3%、約0.5%至約3%、約0.5%至約2.5%、約0.5%至約2%、約0.5%至約1.5%等。
在一些實施例中，若需要，則亦可視情況在漿料中包括一或多種含磷酸之化合物。舉例而言，適用於一些實施例中的含磷酸之組分包括水溶性組分且可呈離子、鹽或酸之形式，即縮合磷酸，其中之每一者包含兩個或兩個以上之磷酸單元；縮合磷酸鹽之鹽或離子，其中之每一者包含兩個 或兩個以上磷酸單元；及正磷酸鹽之單鹼鹽或單價離子以及水溶性非環狀聚磷酸鹽。參見例如美國專利6,342,284；6,632,550；6,815,049；及6,822,033。
在一些實施例中，若添加磷酸組合物，則可增強生強度、對永久變形(例如下陷)之抗性、尺寸穩定性等。可使用三偏磷酸鹽化合物，包括例如三偏磷酸鈉、三偏磷酸鉀、三偏磷酸鋰及三偏磷酸銨。三偏磷酸鈉(STMP)較佳，儘管其他磷酸鹽可適合，包括例如四偏磷酸鈉、具有約6至約27個重複磷酸單元且具有分子式Nan+2PnO3n+1(其中n=6-27)之六偏磷酸鈉、具有分子式K4P2O7之焦磷酸四鉀、具有分子式Na3K2P3O10之三聚磷酸三鈉二鉀、具有分子式Na5P3O10之三聚磷酸鈉、分子式Na4P2O7之焦磷酸四鈉、具有分子式Al(PO3)3之三偏磷酸鋁、具有分子式Na2H2P2O7之焦磷酸鈉、具有1,000-3,000個重複磷酸單元且具有分子式(NH4)n+2PnO3n+1(其中n=1,000-3,000)之聚磷酸銨或具有兩個或兩個以上重複磷酸單元且具有分子式Hn+2PnO3n+1(其中n為兩個或兩個以上)之聚磷酸。
在一些實施例中，磷酸可以無水形式或以水溶液(例如約5%至約20%磷酸溶液，諸如約10%溶液)之形式包括。若包括，則磷酸可為任何適合之量(以固體/固體計)，諸如按灰泥重量計約0.01重量%至約0.5重量%，例如按灰泥重量計約0.03重量%至約0.4重量%、約0.1重量%至約0.3重量%或約0.12重量%至約0.4重量%。
亦可視情況包括用於防火及/或防水產品的適合 之添加劑，包括例如矽氧烷(防水性)；纖維；散熱片添加劑，諸如三水合鋁(ATH)、氫氧化鎂或其類似物；及/或高膨脹粒子(例如當在1560℉下加熱約一小時時可膨脹至原始體積之約300%或300%以上)。此等及其他成分之描述參見例如共同待決之共同讓與美國申請案第13/400,010號(2012年2月17日申請)。在一些實施例中，包括高膨脹蛭石，儘管可包括其他耐火材料。本發明之一些火相關產品板的熱絕緣指數(TI)可為約17分鐘或更高，例如約20分鐘或更高、約30分鐘或更高、約45分鐘或更高、約60分鐘或更高等；且/或高溫收縮(在約1560℉(850℃)之溫度下)在x-y方向上小於約10%且z方向上之膨脹大於約20%。視例如防火等級等而定，耐火性或防水性添加劑可以按需要任何適合之量包括。舉例而言，若包括，則耐火性或防水性添加劑之量可為按灰泥重量計約0.5%至約10%，諸如按灰泥重量計約1%至約10%、約1%至約8%、約2%至約10%、約2%至約8%等。
若包括，則在一些實施例中，較佳以乳液形式添加矽氧烷。隨後在促成矽氧烷聚合之條件下使漿料成形及乾燥，以形成高度交聯之聚矽氧樹脂。可向石膏漿料中添加促進矽氧烷聚合之催化劑以形成高度交聯之聚矽氧樹脂。在一些實施例中，由Wacker-Chemie GmbH(Munich,Germany)以名稱SILRES BS 94出售之無溶劑甲基氫矽氧烷流體可用作矽氧烷。此產品為不含水或溶劑之矽氧烷流體。預期在一些實施例中，按無水成分之重量計，可使用約0.3%至約1.0%之BS 94矽氧烷。舉例而言，在一些實施例中，以無水灰泥重量 計，較佳使用約0.4%至約0.8%之矽氧烷。
漿料調配物可以任何適合之水/灰泥比率，例如約0.4至約1.3來製得。然而，因為根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉與其他澱粉(例如根據不同方法製備之習知預膠凝化澱粉)相比較使向容納其之漿料添加的所需水量降低，所以用以調配該漿料的水/灰泥比率輸入可低於一些實施例中含其他澱粉之石膏漿料(尤其在較低重量/密度下)習知的比率。舉例而言，在一些實施例中，水/灰泥比率可為約0.4至約1.1、約0.4至約0.9、約0.4至約0.85、約0.45至約0.85、約0.55至約0.85、約0.55至約0.8、約0.6至約0.9、約0.6至約0.85、約0.6至約0.8等。
覆蓋片可由任何適合之材料及基本重量形成。有利地，由包含根據本發明之實施例製備之預膠凝化且部分水解澱粉的漿料所形成的板芯材在即使具有基本重量較低之覆蓋片的板中仍提供足夠強度，諸如在一些實施例中，即使對較低重量板(例如密度為約35pcf或低於35pcf)小於45lbs/MSF(例如約33lbs/MSF至45lbs/MSF)。然而，若需要，在一些實施例中，可使用較重基本重量，以例如進一步增強起釘抗性或增強處理性，例如促成終端使用者之所需「觸覺」特徵。
在一些實施例中，為尤其對較低密度板增強強度(例如起釘強度)，覆蓋片中之一或兩者可由紙形成且其基本重量為例如至少約45lbs/MSF(例如約45lbs/MSF至約65lbs/MSF、約45lbs/MSF至約60lbs/MSF、約45lbs/MSF至 約55lbs/MSF、約50lbs/MSF至約65lbs/MSF、約50lbs/MSF至約60lbs/MSF等)。若需要，在一些實施例中，一個覆蓋片(例如安設時之「表面」紙側)可具有前述較高基本重量，以例如增強起釘抗性及處理性處理，而另一個覆蓋片(例如當安設板時之「背面」薄片)若需要則可在某種程度上具有較低重基(例如重基小於約45lbs/MSF，例如約33lbs/MSF至約45lbs/MSF或約33lbs/MSF至約40lbs/MSF)。
板重量為厚度之函數。因為板通常以變化之厚度製得，所以本文使用板密度作為板重量之度量。根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉的優勢跨各種板密度可見，例如約40pcf或40pcf以下，諸如約20pcf至約40pcf、約24pcf至約37pcf等。然而，本發明之較佳實施例在較低密度下具有特定效用，其中由根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉提供的強度增強有利地使得使用較低重量板能夠強度良好且與由根據不同方法製備之其他澱粉製備的板相比水需求量較低。
舉例而言，在一些實施例中，板密度可為約20pcf至約35pcf，例如約20pcf至約34pcf、約20pcf至約33pcf、約20pcf至約32pcf、約20pcf至約31pcf、約20pcf至約30pcf、約20pcf至約29pcf、約21pcf至約35pcf、約21pcf至約34pcf、約21pcf至約33pcf、約21pcf至約32pcf、約21pcf至約31pcf、約21pcf至約30pcf、約21pcf至約29pcf、約24pcf至約35pcf、約24pcf至約34pcf、約24pcf至約33pcf、約24pcf至約32pcf、約24pcf至約31pcf、約 24pcf至約30pcf或約24pcf至約29pcf。
可向漿料中添加根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉以提供本發明之產品的強度增強，其在較低重量/密度下可為尤其有益的。舉例而言，在一些實施例中，如根據實例4中所闡述之方法所測試的，根據本發明之實施例製得的板在29pcf之密度下的抗壓強度為至少約400psi(2,750kPa)。有利地，在如本文所述之各種板密度的各種實施例中，由本發明之方法生產的板可製備為抗壓強度為至少約400psi，例如至少約450psi(3,100kPa)、至少約500psi(3,450kPa)、至少約550psi(3,800kPa)、至少約600psi(4,100kPa)、至少約650psi(4,500kPa)、至少約700psi(4,800kPa)、至少約750psi(5,200kPa)、至少約800psi(5,500kPa)、至少約850psi(5,850kPa)、至少約900psi(6,200kPa)、至少約950psi(6,550kPa)或至少約1,000psi(6,900kPa)。另外，在一些實施例中，抗壓強度可受前述任何兩點束縛。舉例而言，抗壓強度可在約450psi與約1,000psi之間(例如在約500psi與約900psi之間，在約600psi與約800psi之間等)。
在一些實施例中，根據本發明製得之板符合根據ASTM標準C473-10之測試方案。舉例而言，在一些實施例中，當以½吋之厚度澆鑄板時，如根據ASTM C473-10所測定的，該板之起釘抗性為至少約65lb，例如至少約68lb、至少約70lb、至少約72lb、至少約75lb、至少約77lb等。在各種實施例中，起釘抗性可為約68lb至約100lb，例如約68lb至 約95lb、約68lb至約90lb、約68lb至約85lb、約68lb至約80lb、約68lb至約77lb、約68lb至約75lb、約68lb至約72lb、約68lb至約70lb、約70lb至約100lb、約70lb至約95lb、約70lb至約90lb、約70lb至約85lb、約70lb至約80lb、約70lb至約77lb、約70lb至約75lb、約70lb至約72lb、約72lb至約100lb、約72lb至約95lb、約72lb至約90lb、約72lb至約85lb、約72lb至約80lb、約72lb至約77lb、約72lb至約75lb、約75lb至約100lb、約75lb至約95lb、約75lb至約90lb、約75lb至約85lb、約75lb至約80lb、約75lb至約77lb、約77lb至約100lb、約77lb至約95lb、約77lb至約90lb、約77lb至約85lb或約77lb至約80lb。
關於撓曲強度，在一些實施例中，如根據ASTM標準C473所測定的，當澆鑄½吋厚度之板時，該板之撓曲強度在加工方向上為至少約36lb(例如至少約38lb、至少約40lb等)且/或在與加工方向交叉的方向上為至少約107lb(例如至少約110lb、至少約112lb等)。在各種實施例中，板在加工方向上之撓曲強度可為約36lb至約60lb，例如約36lb至約55lb、約36lb至約50lb、約36lb至約45lb、約36lb至約40lb、約36lb至約38lb、約38lb至約60lb、約38lb至約55lb、約38lb至約50lb、約38lb至約45lb、約38lb至約40lb、約40lb至約60lb、約40lb至約55lb、約40lb至約50lb或約40lb至約45lb。在各種實施例中，板在與加工方向交叉的方向上之撓曲強度可為約107lb至約130lb，例 如約107lb至約125lb、約107lb至約120lb、約107lb至約115lb、約107lb至約112lb、約107lb至約110lb、約110lb至約130lb、約110lb至約125lb、約110lb至約120lb、約110lb至約115lb、約110lb至約112lb、約112lb至約130lb、約112lb至約125lb、約112lb至約120lb或約112lb至約115lb。
另外，在一些實施例中，如根據ASTM C473-10所測定的，板之平均芯材硬度可為至少約11lb，例如至少約12lb、至少約13lb、至少約14lb、至少約15lb、至少約16lb、至少約17lb、至少約18lb、至少約19lb、至少約20lb、至少約21lb或至少約22lb。在一些實施例中，板之芯材硬度可為約11lb至約25lb，例如約11lb至約22lb、約11lb至約21lb、約11lb至約20lb、約11lb至約19lb、約11lb至約18lb、約11lb至約17lb、約11lb至約16lb、約11lb至約15lb、約11lb至約14lb、約11lb至約13lb、約11lb至約12lb、約12lb至約25lb、約12lb至約22lb、約12lb至約21lb、約12lb至約20lb、約12lb至約19lb、約12lb至約18lb、約12lb至約17lb、約12lb至約16lb、約12lb至約15lb、約12lb至約14lb、約12lb至約13lb、約13lb至約25lb、約13lb至約22lb、約13lb至約21lb、約13lb至約20lb、約13lb至約19lb、約13lb至約18lb、約13lb至約17lb、約13lb至約16lb、約13lb至約15lb、約13lb至約14lb、約14lb至約25lb、約14lb至約22lb、約14lb至約21lb、約14lb至約20lb、約14lb至約19lb、約14lb至 約18lb、約14lb至約17lb、約14lb至約16lb、約14lb至約15lb、約15lb至約25lb、約15lb至約22lb、約15lb至約21lb、約15lb至約20lb、約15lb至約19lb、約15lb至約18lb、約15lb至約17lb、約15lb至約16lb、約16lb至約25lb、約16lb至約22lb、約16lb至約21lb、約16lb至約20lb、約16lb至約19lb、約16lb至約18lb、約16lb至約17lb、約17lb至約25lb、約17lb至約22lb、約17lb至約21lb、約17lb至約20lb、約17lb至約19lb、約17lb至約18lb、約18lb至約25lb、約18lb至約22lb、約18lb至約21lb、約18lb至約20lb、約18lb至約19lb、約19lb至約25lb、約19lb至約22lb、約19lb至約21lb、約19lb至約20lb、約21lb至約25lb、約21lb至約22lb或約22lb至約25lb。
至少部分地歸因於產生本發明之一些實施例的中範圍黏度特徵，即使對於如本文所述之超輕密度板(例如約31pcf或31pcf以下)亦可符合此等標準(例如起釘抗性、撓曲強度及芯材硬度)。
本發明人亦已發現，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉所展示的溫度上升凝固(TRS)水合速率與根據不同方法製備之習知預膠凝化澱粉的彼等速率相當或超出。所需凝固時間可視調配物而定，且所需凝固時間可由一般熟習此項技術者視工廠條件及可獲得之原料而確定。
根據本發明之實施例的產品可在典型製造線上 製得。舉例而言，板製造技術描述於例如美國專利7,364,676及美國專利申請公開案2010/0247937中。簡言之，在石膏板之情況下，該方法通常涉及將覆蓋片排出至移動傳送機上。在此等實施例中，因為石膏板通常「表面向下」形成，所以此覆蓋片為「表面」覆蓋片。
將石膏漿料的無水及/或濕潤之組分饋入混合器(例如銷釘式混合器)中，其中其經攪動以形成石膏漿料。混合器包含主體及排出管(例如，如此項技術中已知的閘門-罐-進料管配置或如美國專利6,494,609及6,874,930中所描述之配置)。舉例而言，在一些實施例中，排出管可包括具有單個饋料入口或多個饋料入口之漿料分配器，諸如美國專利申請公開案2012/0168527 A1(申請案第13/341,016號)及美國專利申請公開案2012/0170403 A1(申請案第13/341,209號)中所描述之彼等排出管。在彼等實施例中，使用具有多個饋料入口之漿料分配器，排出管可包括適合之分流器，諸如描述於美國專利申請公開案2012/0170403 A1中之彼等分流器。若需要，可在混合器之排出管中(例如在如例如美國專利5,683,635及6,494,609中所描述之閘門中)或在主體中添加發泡劑。在已添加全部成分(包括發泡劑)之後自排出管排出的漿料為原始石膏漿料且將形成板芯材。此板芯材漿料排出至移動表面覆蓋片上。
表面覆蓋片可帶有呈相對緻密漿料層形式之薄撇渣塗層。另外，可例如自形成表面撇渣塗層之相同漿料流形成如此項技術中已知之硬性邊緣。在其中泡沫插入至排出 管中之實施例中，可自混合器主體移除二次石膏漿料流以形成緻密撇渣塗層漿料，其可隨後用於形成如此項技術中已知之表面撇渣塗層及硬性邊緣。若包括，則表面撇渣塗層及硬性邊緣通常在沈積芯材漿料之前(通常在混合器上游)沈積在移動表面覆蓋片上。在自排出管排出之後，芯材漿料視需要鋪展在表面覆蓋片(視情況可帶有撇渣塗層)上方且由第二覆蓋片(通常「背面」覆蓋片)覆蓋，以形成呈夾層結構形式之濕潤組合件，其為最終產之板前驅物。第二覆蓋片可視情況帶有第二撇渣塗層，其(若存在)可由與用於表面撇渣塗層者相同或不同之二級(緻密)石膏漿料形成。覆蓋片可由紙、纖維墊或其他類型之材料(例如箔片、塑膠、玻璃墊、非織物材料，諸如纖維素及無機填充劑之摻合物等)形成。
將藉此提供之濕潤組合件運送至形成裝置中，其中將產品尺寸化為所需厚度(例如經由形成板片)，且運送至一或多個滾刀部分，其中將產品切割成所需長度。使濕潤組合件硬化以形成凝固石膏之連鎖結晶基質，且使用乾燥製程(例如藉由輸送組合件通過窯)移除過量水。出乎意料且未預期地，已發現根據本發明用根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉所製備的板在乾燥製程中需要的時間明顯較少，因為澱粉之水需求量特徵較低。因為降低能量成本，所以此為有利的。
在製造石膏板中亦常使用振動以消除來自沈積漿料之較大空隙或氣袋。以上步驟中之每一者以及用於進行 該等步驟之製程及設備為此項技術中已知的。
根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可用於調配各種產品，諸如石膏壁板、隔音(例如天花板)磚、接合化合物、石膏-纖維素纖維產品(諸如石膏-木纖維壁板)及其類似物。在一些實施例中，此類產品可由根據本發明之實施例的漿料形成。
因此，在擠壓機中根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉在除紙面石膏板之外的產品中可具有如本文所述之有益效果。舉例而言，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉可用於墊面產品(例如編織)，其中板覆蓋片呈纖維墊形式。該等墊可視情況帶有修整面層以降低水滲透性。製造此類墊面產品中可包括之其他成分以及用於纖維墊之材料及製造方法論述於例如美國專利8,070,895以及美國專利申請公開案2009/0247937中。
另外，石膏-纖維素產品按需要可呈纖維素主體粒子(例如木纖維)、石膏、根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉及其他成分(例如防水添加劑，諸如矽氧烷)形式。其他成分及製造方法論述於例如美國專利4,328,178；4,239,716；4,392,896；4,645,548；5,320,677；5,817,262；及7,413,603中。
實施例之說明性實例
在一個實施例中，一種製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及實質 上避免螯合鈣離子之弱酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質。
在另一個實施例中，擠壓機內部之壓力為至少約2,000psi。
在另一個實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉的冷水溶性大於約50%。
在另一個實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉的冷水黏度(10%固體，25℃)為約10布拉班德單位(BU)至約120BU。
在另一個實施例中，當在預膠凝化且部分水解澱粉經歷根據VMA方法之條件的同時量測黏度時，該澱粉之黏度特徵為約20厘泊至約700厘泊。
在另一個實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉的黏度(10%固體，93℃)為約5BU至約33BU。
在另一個實施例中，實質上避免螯合鈣離子之弱酸包含礬。
在另一個實施例中，在混合中包括酒石酸以形成濕潤澱粉前驅物。
在另一個實施例中，實質上避免螯合鈣離子之弱酸的量為按澱粉重量計約0.5重量%至約5重量%。
在另一個實施例中，濕潤澱粉之水分含量為按澱 粉前驅物重量計約10重量%至約20重量%。
在另一個實施例中，預膠凝化及酸改質在擠壓機中於至少約175℃(約350℉)至約205℃(約400℉)之模溫下進行。
在另一個實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉在擠壓機中的產出為至少約100kg/hr。
在另一個實施例中，預膠凝化及酸改質在小於約5分鐘內進行。
在另一個實施例中，預膠凝化及酸改質在小於約1分鐘內進行。
在另一個實施例中，該方法不含針對預膠凝化且部分水解澱粉的純化步驟。
在另一個實施例中，該方法不含針對預膠凝化且部分水解澱粉的中和步驟。
在另一個實施例中，預膠凝化且部分水解澱粉至少約70%膠凝化。
在另一個實施例中，根據本發明之實施例來製備預膠凝化且部分水解澱粉。
在另一個實施例中，一種製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及強酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，其中該強酸之量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉) 之模溫下使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質。
在另一個實施例中，一種製造預膠凝化且部分水解澱粉的方法包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及強酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，其中該強酸之量為按澱粉重量計約0.01重量%或0.01重量%以下；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質。
在另一個實施例中，強酸之pKa為約-1.7或-1.7以下。
在另一個實施例中，強酸為硫酸、硝酸、鹽酸或其任何組合。
在另一個實施例中，製板之方法包含：(a)藉由以下步驟形成預膠凝化且部分水解澱粉：(i)混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，該酸選自由以下各者組成之群組：(1)實質上避免螯合鈣離子之弱酸，(2)其量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下之強酸，或(3)其任何組合；(ii)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(iii)在該具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之模具的擠壓機中使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質；(b)混合該預膠凝化及部分水解之澱粉與至少水及灰泥以形成漿料；(c)將該漿料安置於第一覆蓋片與第二覆蓋片之間以形成濕潤組合件；(d)將該濕潤組合件切割成板；及(e)乾燥該板。
在另一個實施例中，強酸之量為按澱粉重量計約0.01重量%或0.01重量%以下。
在另一個實施例中，一種製板之方法包含：(a)藉由以下步驟形成預膠凝化且部分水解澱粉：(i)混合至少水、非預膠凝化澱粉及實質上避免螯合鈣離子之弱酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物；(ii)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(iii)在具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之模具的擠壓機中使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質；(b)混合該預膠凝化及部分水解之澱粉與至少水及灰泥以形成漿料；(c)將該漿料安置於第一覆蓋片與第二覆蓋片之間以形成濕潤組合件；(d)將該濕潤組合件切割成板；及(e)乾燥該板。
在另一個實施例中，一種製板之方法包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及強酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，其中該強酸之量為按澱粉重量計約0.05重量%或0.05重量%以下；(ii)將該濕潤澱粉前驅物饋入擠壓機中；及(iii)在該具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之模具的擠壓機中使該濕潤澱粉預膠凝化及酸改質；(b)混合該預膠凝化及部分水解之澱粉與至少水及灰泥以形成漿料；(c)將該漿料安置於第一覆蓋片與第二覆蓋片之間以形成濕潤組合件；(d)將該濕潤組合件切割成板；及(e)乾燥該板。
在另一個實施例中，強酸之量為按澱粉重量計約0.01重量%或0.01重量%以下。
在另一個實施例中，凝固石膏芯材之抗壓強度大於使用以不同方法製備之澱粉製得的凝固石膏芯材。
在另一個實施例中，當向漿料中添加時，預膠凝化且部分水解澱粉至少約70%膠凝化，且在乾燥步驟中發生另外之膠凝化。
在另一個實施例中，當向漿料中添加時，預膠凝化且部分水解澱粉完全膠凝化。
在另一個實施例中，板在29pcf之密度下的抗壓強度為至少約400psi(2,800kPa)。
在另一個實施例中，如根據ASTM C473-10所測定的，板之芯材硬度為至少約11。
在另一個實施例中，板密度為約21pcf至約35pcf。
在另一個實施例中，漿料進一步包含三偏磷酸鈉。
在另一個實施例中，需要添加以將漿料流動性維持在與無預膠凝化且部分水解澱粉情況下之漿料流動性相同的水準下的水量小於在使用根據不同方法製備的預膠凝化且部分水解澱粉時所需要的水量增加。
在另一個實施例中，澱粉之量為按灰泥重量計約0.5重量%至約10重量%。
在另一個實施例中，根據本發明之實施例來製備壁板。
應注意，前述內容僅為實施例之實例。自本文中 之全部描述顯而易見其他例示性實施例。一般技術者亦應理解，此等實施例中之每一者可以各種組合與本文中所提供之其他實施例一起使用。
以下實例進一步說明本發明，但不應解釋為以任何方式限制其範疇。
實例1
此實例說明根據本發明之實施例製備預膠凝化且部分水解澱粉。
製備根據本發明之實施例製備的九種預膠凝化且部分水解澱粉以用於各種具體特性測試(例如黏度、流動性、強度)。此九種本發明之澱粉與三種市售澱粉一起進行測試。
根據本發明的製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法，藉由混合100kg之量的可自Bunge North America(St.Louis,MO)以CCM 260 Corn Meal商購之去胚芽玉米粉、變化量硫酸鋁(礬)、實質上避免與鈣離子螯合之弱酸及/或酒石酸(小於總弱酸之20重量%)以及變化量之水來製備濕潤澱粉前驅體。將濕潤澱粉前驅體饋入可自American Extrusion International(South Beloit,IL)以Advantage 50商購之單螺桿擠壓機中。在擠壓機中，在單個步驟中使濕潤澱粉前驅體預膠凝化及酸改質，以使其同時進行。
下表4描述在酸存在下擠壓玉米粉之參數。擠壓滯留時間(亦即用於預膠凝化及酸改質之時間)小於30秒。 除以表示為水、澱粉及其他添加劑之總和的總濕潤重量計的水分之外，全部百分比以澱粉總重量計。
針對黏度為773厘泊之習知預膠凝化玉米澱粉(指定為組合物1A(比較))以及可以Clinton 277(ADM,Chicago,IL)及Caliber 159(Cargill,Wayzata,MN)商購的藉由擠壓酸改質之玉米澱粉而製備的兩種低水需求量澱粉(分別指定為組合物1B(比較)及組合物1C(比較))來評估所得預膠凝化且部分水解澱粉。
在擠壓製程中生產預膠凝化且部分水解澱粉，指定為組合物1D-1L。
下表5詳述組合物1D-1L在擠壓期間的用於擠壓之各種水分含量及酸含量。組合物1D-1H及1L製備為水分含量為16重量%，二組合物1I-1K製備為水分含量為13重量%。 組合物1D-1G及組合物1I-1L製備為液體礬之量在1重量%至4重量%之範圍內，而組合物1H包括液體礬及酒石酸。組合物1F及1L使用相同水分含量及酸之及來製備，但在實例3中具有不同量之延遲劑。
以下實例2-4測試表5中所描述之組合物的各種特性。在實例2中，評估組合物1B-1L在連續黏度儀測試中的黏度。實例3測試用組合物1A、1D-1I及1K-1L之一製備之漿料的流動性，其藉助於坍陷測試來評估。此資料隨後藉由量測漿料50%水合之時間而進一步證實。此說明漿料凝固所需之時間多少。實例4測試用組合物1A、1D-1I及1K製備 之漿料的強度，其藉助於本文所描述之抗壓強度測試來評估。
實例2
此實例說明根據本發明之實施例在擠壓機中製備de預膠凝化且部分水解澱粉的黏度。相比於所擠出的可商購之酸改質澱粉(組合物1B-1C)測試組合物1D-1K，具體言之關於黏度如何基於酸(例如礬)之量及水分含量而變化，該水分含量定義為饋入通過擠壓機之濕潤澱粉的水分水準。
在針對測試之製備中，將組合物與水混合為澱粉漿料，以使得該等澱粉漿料含有10重量%之量的組合物。應注意，當澱粉完全膠凝化且完全溶解時使用術語「溶液」，而當澱粉不完全溶解時使用術語「漿料」。隨後藉由本文所描述之連續黏度儀技術在不同溫度下測試各組合物之黏度。在圖1及圖2中繪製測試結果，該等圖為藉由繪製黏度(左y軸)及溫度(右y軸)與時間(x軸)之對比來評估預膠凝化且部分水解澱粉在不同溫度下之黏度的連續黏度圖。溫度曲線覆蓋各樣品。對各樣品使用相同溫度概況。其他曲線顯示澱粉之黏度。
25℃下之初始黏度為含有組合物1B-1K中之任一者的漿料系統的流動性之指示因子。25℃為澱粉將與灰泥及其他成分混合以製造板的溫度。此外，在此溫度下，澱粉之黏度與灰泥漿料之流動性負相關。
在谷值(93℃)處之黏度為組合物1B-1K中之任一者的分子量之指示因子。在93℃之溫度下，澱粉分子完全 溶解於水中。在93℃下，澱粉溶液之黏度與由部分水解產生之澱粉的分子量正相關。
圖1為繪製黏度(左y軸)及溫度(右y軸)經50分鐘時間段(x軸)之連續黏度圖。將比較組合物1B及1C以及如本文所述之本發明組合物1D-1H以按溶液重量計10重量%之量混合至澱粉溶液中。為避免形成結塊，在Waring摻合器之混合杯中向水中添加澱粉同時以低速混合20秒。隨後使用Viscograph-E(C.W.Brabender®Instruments,Inc.,South Hackensack,NJ)來評估澱粉溶液。根據如本文中所提及之布拉班德黏度量測程序，使用C.W.Brabender Viscograph(例如使用反應扭矩來進行動力學量測之Viscograph-E)來量測黏度。應注意，如本文所定義，使用16液體盎司(約500cc)之樣品杯尺寸與700cmg套筒以75之RPM來量測布拉班德單位。一般熟習此項技術者亦將容易認識到，如其中所描述，布拉班德單位可轉化為其他黏度量測值，諸如厘泊(例如當量測套筒為700cmg時，cP=BU×2.1)或克雷布斯單位(Krebs unit)。以16重量%水分含量擠出之組合物1D-1H以及比較組合物1B及1C的膠合概況顯示於圖1中。
考慮本發明組合物1D-1H，隨著礬自1重量%增加至4重量%，初始黏度自70布拉班德單位(BU)降低至10BU，同時分子量同樣降低。組合物1D-1H之初始黏度及93℃下之黏度降低至與組合物1B及1C之彼等黏度一樣低。組合物1B及1C表示低水需求量澱粉之習知黏度極限。
圖1中所示的組合物1D-1H之結果展示可在擠壓 期間達成最佳酸改質。此等結果進一步表明本發明的製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法成功地使澱粉之黏度(分子量)降低。在70℃至90℃之間未觀測到黏度峰值，指示組合物1D-1H完全膠凝化。若組合物1D-1H未完全膠凝化，則應存在黏度增加。藉由差示掃描熱量測定(DSC)確認澱粉組合物之完全膠凝化。
圖2為繪製黏度(左y軸)及溫度(右y軸)經50分鐘時間段(x軸)之第二連續黏度圖。將比較組合物1B及1C以及全部如本文所述之本發明組合物1I-1K以按溶液重量計10重量%之量混合至澱粉溶液中。為避免形成結塊，在Waring摻合器之混合杯中在以低速混合20秒的同時向水中添加澱粉。隨後使用Viscograph-E評估澱粉溶液。以13重量%水分含量擠出之組合物1D-1H以及比較組合物1B及1C的膠合概況顯示於圖2中。
用組合物1I-1K觀測到與用組合物1D-1H所觀測到的類似之傾向。特定言之，如本文所述在擠壓機中製備預膠凝化且部分水解澱粉的方法成功地降低組合物1I-1K之黏度。
隨著礬自1重量%增加至3重量%，初始黏度自75BU降低至14BU，同時分子量亦降低。組合物1I-1K之初始黏度及93℃下之黏度降低至與組合物1B及1C之彼等黏度一樣低。
另外，圖2中所示的組合物1I-1K之結果展示在擠壓期間可達成最佳酸改質。在70℃至90℃之間未觀測到黏 度峰值，指示組合物1I-1K完全膠凝化。
此外，此等結果顯示在既定酸水準下，在較低水分含量下可達成之澱粉水解比在較高水分含量下可達成之澱粉水解多，因為在低水分含量下，存在較多機械能且因此較多澱粉劣化，以使得使用相同酸水準時澱粉將變得較小。
實例3
此實例說明含有組合物1A(比較)、1D-1I及1K-1L之石膏漿料的流動性。使用一般熟習此項技術者將瞭解之坍陷測試來評估組合物之流動性。
在為測試製備中，使用100之水灰泥比率(water stucco ratio；WSR)，以2重量%之量用組合物1A(比較)、1D-1I及1K-1L中之每一者及用下表6中所概述之參數來製備漿料。
將澱粉稱重至包含純度超過95%之灰泥及耐熱性加速劑的無水混合物中。將水、三偏磷酸鈉(10重量%溶液)、分散劑及延遲劑稱重至Hobart Mixer之混合槽中。將無水混合物傾入可以來自Hobart(Troy,OH)之N505-Quart Mixer獲得的混合器之混合槽中，浸沒10秒且以速度II混合30秒。對泡沫製備，形成Hyonic® PFM-33肥皂(可自GEO® Specialty Chemicals,Ambler,PA)購得之0.5%溶液，且隨後與空氣混合以製造空氣泡沫。使用泡沫產生器將空氣泡沫添加至漿料中。
隨後將各漿料放入直徑為4.92cm(1.95in)且高度為10cm(3.94in)之圓筒中。隨後提昇圓筒，使漿料自由流動。隨後量測所形成之坍陷的直徑以說明漿料之流動性且記錄在下表7中。表8亦包括以下進一步詳細解釋之50%水合時間測試的結果。
如可自表7觀測到，用組合物1D-1I及1K製備之漿料所顯示的坍陷大小比用組合物1A(比較)製備之漿料大。其亦比組合物1A(比較)凝固快，指示含有1D-1I及1K組合物之漿料的流動性比含有組合物1A之漿料好。
另外，出於比較當漿料以相同速率凝固時之坍陷尺寸的目的，量測漿料之50%水合時間。使用一般熟習此項技術者應瞭解之軟體量測漿料之溫度概況。
進行此另外測試之以確認坍陷測試為正確的，具體言之說明，相比於組合物1A(比較)，用包括根據本發明實施例製備之預膠凝化且部分水解澱粉的漿料所觀測到的較大坍陷是歸因於改良之流動性而非緩慢水合。
用2重量%礬及0.3重量%酒石酸製備之組合物1H使澱粉有效水解為低黏度且對水合速率衝擊較小，因為酒石酸及礬對水合速率的影響相反。
圖3為繪製溫度與時間對比之圖，其顯示溫度上升凝固(TRS)水合速率。具有0.05%及0.0625%之延遲劑的組合物1F的水合速率分別比組合物1A(比較)快或速率相同。
如圖3中所見，具有0.0625重量%延遲劑之組合物1L的水合速率與組合物1A(比較)相同。具有0.065重量%延遲劑之組合物1L的坍陷尺寸為18.415cm(7 1/4in)，明顯大於複合物1A。
此結果表明用包括根據本發明實施例製備之預膠凝化且部分水解澱粉的漿料所觀測到的坍陷大小較大是歸 因於高流動性而非較慢凝固。此外，根據本發明之實施例製備的預膠凝化且部分水解澱粉將使壁板在不犧牲流動性之情況下使用較少水。
實例4
此實例說明用含有組合物1A(比較)、1D-1I及1K之漿料製備的石膏圓片的強度。使用本文所描述之抗壓強度測試來評估強度。
在為測試製備中，以2重量%之量用組合物1A(比較)、1D-1I及1K-1L中之每一者及用以上表4中所概述之參數來製備漿料。
使用100之水灰泥比率(WSR)及空氣泡沫來製造最終密度為29pcf之石膏圓片。將澱粉稱重至包含灰泥及耐熱性加速劑之無水混合物中。將水、10%三偏磷酸鈉溶液、分散劑及延遲劑稱重至Hobart Mixer之混合槽中。將無水混合物傾入可以來自Hobart(Troy,OH)之N505-Quart Mixer獲得的混合器之混合槽中，浸沒10秒且以速度II混合30秒。對泡沫製備，形成Hyonic® PFM-33肥皂(可自GEO® Specialty Chemicals,Ambler,PA)購得之0.5%溶液，且隨後與空氣混合以製造空氣泡沫。使用泡沫產生器將空氣泡沫添加至漿料中。以足以獲得所需29pcf之板密度的速率運行泡沫產生器。在泡沫添加之後，立即傾入漿料直至達到略高於模具頂部之點處。一旦灰泥(plaster)凝固即刮去過多量。模具已噴有脫模劑(WD-40TM)。圓片之直徑為10.16cm(4in)且厚度為 1.27cm(0.5in)。
在圓片硬化之後，自模具移除圓片，且隨後在110℉(43℃)下乾燥48小時。在自烘箱移除之後，使圓片在室溫下冷卻1小時。使用可自MTS Systems Corporation(Eden Prairie,Minnesota)以SATECTM E/M Systems商購之材料測試系統量測抗壓強度。以0.04吋/分鐘之速度連續而無波動地施加負載(速率恆定於15至40psi/s之間)。結果顯示在下表8中。
如表8中所見，含有組合物1D-1I及1K之泡沫圓片的壓縮強度與含有組合物1A(比較)者相當，指示預膠凝化且部分水解澱粉可在不犧牲其強度增強屬性之情況下降低水需求量。圓片樣品之所需抗壓強度為大致400psi。所需 強度使得可在不使板破碎的情況下對板進行適當處理。
除非本文另外指示或與上下文明顯矛盾，否則在描述本發明之上下文中(尤其在以下申請專利範圍)之上下文中使用術語「一(a/an)」及「該」及「至少一」及類似參照物(例如與酸、原料澱粉或其他組分或項目有關)應解釋為覆蓋單數及複數兩者。除非本文另外指示或與上下文明顯矛盾，否則使用術語「至少一」後接一或多個項目之列表(例如「A及B中之至少一者(A and B)」)應解釋為意謂選自所列舉項目之一個項目(A或B)或所列舉項目之兩個或兩個以上的任何組合(A及B)。除非另外說明，否則術語「包含」、「具有」、「包括」及「含有」應解釋為開放式術語(亦即，意謂「包括(但不限於)」)。除非本文另外指示，否則本文中值範圍之列舉僅意欲充當單獨提及屬於該範圍內之各獨立值的簡寫方法，且各獨立值併入本說明書中，如同在本文中單獨地敍述一般。除非本文另外指示或以其他方式與上下文明顯矛盾，否則本文所描述之所有方法可以任何適合之次序進行。除非另外主張，否則使用本文所提供之任何及所有實例或例示性語言(例如，「諸如」)僅意欲更好地闡明本發明而不對本發明之範疇造成限制。本說明書中之語言均不應解釋為指示任何未主張之要素對於實踐本發明而言必不可少。
本文描述本發明之較佳實施例，包括本發明人已知的用於進行本發明之最佳模式。在閱讀前文描述之後，彼等較佳實施例之變化對一般熟習此項技術者可變得顯而易見。本發明人期望熟習此項技術者適當時採用該等變化，且 本發明人意欲以不同於本文中具體描述之方式來實踐本發明。因此，若適用法律允許，則本發明包括隨附於本文之申請專利範圍中所陳述之標的物的所有修改及等效物。此外，除非本文另外指示或以其他方式與上下文明顯矛盾，否則本發明涵蓋上述要素在其所有可能變化中之任何組合。

Claims (6)

  1. 一種製造預膠凝化且部分水解之澱粉的方法，其包含：(a)混合至少水、非預膠凝化澱粉及具有pKa值為3至6且實質上避免螯合鈣離子之酸以製造水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物；(b)將該濕潤澱粉前驅物饋入一擠壓機中；及(c)在該擠壓機中於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之模溫下使該濕潤澱粉前驅物預膠凝化及酸改質，其中預膠凝化且部分水解之澱粉係經至少約70%膠凝化，且其中預膠凝化且部分水解之澱粉係具有冷水黏度(10%固體，25℃)為約10布拉班德單位(Brabender Unit，BU)至約120BU。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該實質上避免螯合鈣離子之酸包含礬。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中在製造該濕潤澱粉前驅物之該混合中包括酒石酸。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中該方法不含針對預膠凝化且經酸改質澱粉的純化及中和步驟。
  5. 一種製板之方法，其包含：(a)藉由以下步驟形成預膠凝化且部分水解澱粉：(i)混合至少水、非預膠凝化澱粉及酸以形成水分含量為約8重量%至約25重量%之濕潤澱粉前驅物，該酸具有pKa值為3至6且實質上避免螯合鈣離子；(ii)將該濕潤澱粉前驅物饋入一擠壓機中；及(iii)在該具有處於約150℃(約300℉)至約210℃(約410℉)之溫度下之一模具的該擠壓機中使該濕潤澱粉前驅物預膠凝化及酸改質，其中預膠凝化且部分水解澱粉係經至少約70%膠凝化，且其中預膠凝化且部分水解澱粉係具有冷水黏度(10%固體，25℃)為約10BU至約120BU；(b)將該預膠凝化及部分水解之澱粉與至少水及灰泥混合以形成漿料；(c)將該漿料安置於一第一覆蓋片與一第二覆蓋片之間以形成一濕潤組合件；(d)將該濕潤組合件切割成一板；及(e)乾燥該板。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該漿料更包含三偏磷酸鈉。
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