專利名稱：增強(qiáng)壁板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域?yàn)橛糜诮ㄖ械谋诎?，包括紙面壁板、無紙壁板、遮蓋板、防水板、X型板、絕緣板、軸襯、拱腹板(soffit board)、背板、芯合板、天花板、石膏玻璃墊板，及制造這種壁板的方法。
背景技術(shù)：
在這里也稱為纖維素衍生物的改性纖維素被用在熟石膏及接縫化合物中作為增稠劑(或按某種方式改變其流變行為)，以及改進(jìn)石膏基化合物的可加工性。已知纖維素醚改進(jìn)石膏基接縫化合物及花磚膠粘劑的某些其它性能，包括稠度、粘合性及保水性。然而，這些性能中的某些，特別是增稠被認(rèn)為對壁板的生產(chǎn)不利。壁板是從連續(xù)混合并進(jìn)料到皮帶上面的漿液形成的。因此，滿意的是用于制造壁板的漿液比熟石膏更稀。
通常，在與水混合前，少量如小于0.25重量％的纖維素醚被加入到熟石膏或接縫化合物的干組分中，所述干組分可以是與石膏基化合物不同的石灰石基化合物。這往往會在某種程度上增加熟石膏或接縫化合物的強(qiáng)度，并提供滿意的增稠性。但是，添加大于0.25重量％的纖維素醚，特別是高粘度等級(纖維素醚在水中濃度為2重量％下所測量的纖維素水溶液的粘度)的纖維素醚往往會降低石膏基產(chǎn)品的強(qiáng)度。參見Udo Ludwig和N.B.Singh，Il Cemento，v.1(1979)39-50，及Felix Brandt和Dirk Basbach，Journal of Crysal Growth，v.233(2001)837-845，報(bào)道了通過加入高粘度等級的纖維素醚，如甲基纖維素，不利地影響石膏晶體及強(qiáng)度的發(fā)展。因此，在商業(yè)熟石膏中通常避免添加大量的纖維素醚。
這里所使用的壁板也指以下產(chǎn)品，如遮蓋板、防水板、X型板、絕緣板、軸襯、拱腹板、背板、芯合板、天花板、石膏玻璃墊板及無紙壁板，通常壁板是通過如下方法制備的將脫水的無機(jī)材料如燒石膏或灰泥與水混合，將所得到的漿液傾倒入模具、成型物或片材中，在其中進(jìn)行水合、硬化和干燥。燒石膏粉(半水合硫酸鈣和/或硫酸鈣無水石膏)通常與水及小于1重量％的多種添加劑如促進(jìn)劑混合。燒石膏粉在水中的溶解及所導(dǎo)致的水合反應(yīng)引起石膏晶體(二水合硫酸鈣)的結(jié)晶，形成壁板芯體。多層面板的使用通常與壁板芯體的形成相結(jié)合。這通常伴隨著通過溫和的加熱以去除剩余的游離(未反應(yīng)的)水，從而得到面板與石膏芯體相粘合的干燥的產(chǎn)品。
Lukevich等人(WO 99/54265)公開了一種通過擠出α-石膏糊料(利用α-半水合硫酸鈣)來生產(chǎn)成型石膏產(chǎn)品的方法。已知α-石膏的凝固與干燥緩慢；因此，Lukevich等人利用相差不多化學(xué)計(jì)量的α-石膏與水的結(jié)合制備可擠出的糊料；然而，加入了粘土流變性改進(jìn)劑及甲基纖維素粘結(jié)劑來降低易碎性(第1頁第4段)。所得組合物為具有相差不多的化學(xué)計(jì)量組成的水與α-石膏的可擠出的糊料，而不是漿液。
因此，Lukevich等人教導(dǎo)不要使用β-半水合硫酸鈣，因?yàn)槭褂盟鼤枰^由Lukevich所教導(dǎo)的化學(xué)計(jì)量限制的過量的水，以形成可以被擠出及需要干燥步驟的漿液(第1頁第3段)。另外，對含有作為流變性改進(jìn)劑的粘土及作為粘結(jié)劑的纖維素醚的接近干燥且非流體性糊料的擠出得到一種熟石膏產(chǎn)品，與通過使用β-半水合硫酸鈣與水的漿液而制備的壁板芯體相比，該產(chǎn)品的密度大得多，且微觀結(jié)構(gòu)極為不同。
于1996年1月9日授與Morris等人的美國專利5,482,551中公開了一種具有高斷裂模量的石膏基擠出建筑材料，及擠出加工所述建筑材料的方法。Morris等人教導(dǎo)了一種相對于干組分具有低份數(shù)水的配方，所述的干組分包括石膏、粘土、珍珠巖、粉末乙基纖維素粘結(jié)劑/流變助劑及纖維化的纖維素紙張，使混合物成為使斷裂濕模量最大化的易碎半干的可擠出組合物。Morris等人教導(dǎo)到擠出的墻板必須具有足夠高的濕強(qiáng)度以自我支撐。
然而，如同Lukevich的擠出建筑材料，Morris等人的擠出建筑材料太緊密了，以致于不能在商業(yè)上用作壁板。即使是使用輕質(zhì)珍珠巖(16％重量的干組分)的基本內(nèi)含物及接近Morris等人所允許的最大的水∶石膏值之比(0.8)，產(chǎn)品的密度仍然為54.8pcf(0.88g/cc)。典型的密度為約69pcf(1.1g/cc)。這些密度對商業(yè)壁板的生產(chǎn)是不可接受的，因?yàn)榕c普通的壁板相比，壁板增加的重量會顯著增加交通、處理及安裝成本。
石膏基壁板主要被用作具有足夠的壓縮強(qiáng)度、起釘阻力(nail pullresistance)、撓曲強(qiáng)度及良好的耐火性的便宜及可容易成型的遮蓋物。但是，與其它的現(xiàn)代建筑材料相比，即使普通的石膏基壁板產(chǎn)品也是重的，與競爭產(chǎn)品相比較，此額外增加的重量加大了石膏基建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝及處理的成本。因此，需要的是在保持石膏基壁板有益品質(zhì)的同時，通過降低石膏基壁板的重量來降低安裝壁板片材的總成本。
還有，普通壁板的強(qiáng)度主要與涂覆到石膏基漿液上，通常為定向纖維的覆飾(facing paper)及多層覆飾的強(qiáng)度有關(guān)，在連續(xù)成型工藝中該石膏基漿液形成壁板的芯體。對于密度為約0.6g/cc的1/2英寸壁板，約二分之一的起釘阻力和三分之二的撓曲強(qiáng)度是由紙面板提供，這也占據(jù)制造成本的40％。在處理任何類型的拉伸負(fù)荷時芯體通常格外差。
其它人進(jìn)一步通過向普通材料中添加孔隙結(jié)構(gòu)和/或低密度的多孔填料(例如珍珠巖)來降低芯體的重量。添加這種孔隙結(jié)構(gòu)或填料會降低芯體的密度，同時也降低壁板的強(qiáng)度。石膏板的強(qiáng)度隨密度急劇下降。例如，從圖3中可以看出，對于覆紙的(papered)或未覆紙(unpapered)的1/2英寸石膏壁板，起釘阻力隨密度顯著降低。
通常，強(qiáng)度損失的比例不是僅與密度的下降成比例，而且，與完全緊密的石膏壁板芯體相比，所述壁板芯體的強(qiáng)度-重量比隨孔隙結(jié)構(gòu)和/或低密度填料如珍珠巖的加入而降低。所得壁板的撓曲強(qiáng)度可以是可接受的，只要多層面板的強(qiáng)度足以抵消芯體的任何弱化，和降低的芯體密度不導(dǎo)致破壞模式從面板的拉伸破壞變?yōu)樾倔w的粉碎破壞即可。然而，隨這種孔隙結(jié)構(gòu)的加入，所述壁板的起釘阻力降低，原因在于增加的孔隙率快速地降低了芯體的耐破碎性和致密性。因此，主要取決于芯體起釘阻力的壁板起釘阻力變成為具有面板覆蓋的低密度芯體的壁板的限制性評判標(biāo)準(zhǔn)。對于無紙的壁板芯體，撓曲強(qiáng)度可以是限制性的破壞評判標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槲丛鰪?qiáng)的石膏壁板芯體在撓曲強(qiáng)度測試中對抗拉伸負(fù)載分量(tensile loadcomponents)具有很低的抵抗力，如果存在的話。
為了保持總的芯體強(qiáng)度，另一種補(bǔ)償由于較低密度替代物(例如多孔性珍珠巖或空氣孔)的引入而代替部分凝固石膏基材的方法是增加凝固石膏的強(qiáng)度至高于正常水平。已引入多種添加劑，例如纖維素顆粒和纖維，以進(jìn)一步改進(jìn)膠結(jié)產(chǎn)品的機(jī)械性能。在需要高防火性的應(yīng)用領(lǐng)域中，更昂貴的玻璃纖維被用于代替木材，例如起重機(jī)的軸襯。但是，傳統(tǒng)的纖維，特別是玻璃纖維與石膏基材的粘合不好，并降低石膏漿液的可加工性，由此限制了對芯體強(qiáng)度的可能的改進(jìn)。玻璃纖維也易碎，在板的處理、安裝或毀壞期間容易遷移，從而引起對皮膚或呼吸道的刺激。
新近，人們對通過向芯體材料中加入聚合物和/或淀粉來改進(jìn)建筑材料的強(qiáng)度及耐磨性的興趣日益增加，雖然淀粉通常不被認(rèn)為是強(qiáng)度增強(qiáng)劑。通過向膠結(jié)材料中添加膠乳或其它增強(qiáng)聚合物，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在強(qiáng)度-重量上有適度的改進(jìn)、含有水分散性聚合物的膠結(jié)復(fù)合材料。
但是，迄今為止仍存在幾項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)限制著聚合物增強(qiáng)膠結(jié)產(chǎn)品成為相對昂貴合適產(chǎn)品的商業(yè)化。例如，起釘阻力可隨著某些有機(jī)添加劑的加入而降低，或起釘阻力的提高會要求聚合物的濃度大于5重量％，而這樣會導(dǎo)致諸如易燃性、降低的可熄滅性、商業(yè)上壁板成本不可接受性，以及感霉性之類的問題。因此，存在著為時甚久且尚未解決的對這樣一種添加劑的需求其既可以增加壁板芯體的起釘阻力，又可增加其撓曲強(qiáng)度，并可降低其芯體密度。
纖維素是由單個的脫水葡萄糖單元通過糖苷鍵連接的多糖(

圖16)。在聚合物鏈中脫水葡萄糖單元的數(shù)目“n”定義為聚合度。通常，纖維素醚(CE)的生產(chǎn)涉及用取代基如甲基、乙基、羧甲基、羥乙基、羥丙基，或其某些組合取代纖維素的一些羥基氫。例如，羥乙基甲基纖維素(HEMC)可以通過用羥乙基和甲基替代纖維素的一些基團(tuán)來制備。同樣，羥丙基甲基纖維素(HPMC)可以通過用羥丙基和甲基替代纖維素的一些羥基來制備。
每個脫水葡萄糖單元取代羥基的數(shù)目被表示為取代度(DS)。DS可以在0至3之間變化。對于所有的聚合物反應(yīng)，這種取代反應(yīng)沿聚合物鏈不均勻地發(fā)生。因此，記錄的取代度是在整個聚合物鏈上的平均取代度?；蛘?，可用摩爾取代度(MS)來記錄每一摩爾脫水葡萄糖的取代基如羥丙基的摩爾數(shù)。通常，生產(chǎn)商遵循這樣一種習(xí)慣，即一種取代基由DS記錄，而另一種由MS記錄，其中由MS記錄的取代基可以取代羥基，或可以連接在鏈中另一個取代基上。DS并不是總被報(bào)道，而且本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)報(bào)道值經(jīng)常不準(zhǔn)確，或給出較寬的范圍，如表I中所示。
在另一個備選方案中，報(bào)道了取代基的重量百分?jǐn)?shù)。取代基的重量百分?jǐn)?shù)可以直接與DS和MS關(guān)聯(lián)上。例如，以下的方程式示出了用于HPMC的轉(zhuǎn)換DS(OCH3)=wt%OCH331*162100-(wt%OC3H6OH/1.29+wt%OCH3*0.45)]]>方程式1和MS(OC3H6OH)=wt%OC3H6OH75*162100*(wt%OC3H6OH/1.29+wt%OCH3*0.45)]]>方程式2纖維素醚通常因取代基的類型及纖維素醚水溶液的粘度而被區(qū)分。如甲基纖維素(MC)、乙基纖維素(EC)、羧甲基纖維素(CMC)、羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)、乙基羥丙基纖維素(EHPC)及羥丙基纖維素(HPC)是根據(jù)用來取代纖維素中羥基的取代基類型而命名的。含纖維素醚的水溶液的粘度的一個重要特征在于其作為增粘劑的典型應(yīng)用；因此，纖維素醚同樣因?yàn)槿Q于聚合度(直接與測量的分子量有關(guān))的粘度、取代基的種類及取代度而被區(qū)分。隨著分子量的增加，纖維素醚水溶液的粘度也增加。然而，取代度的影響取決于取代基的具體類型，而該類型也影響纖維素醚的溶解度。
生產(chǎn)商通過記錄對2重量％纖維素醚水溶液的測量粘度來使具體的纖維素醚對粘度的影響特征化。這里，本發(fā)明人將這2重量％的粘度作為具體纖維素醚的粘度等級。典型地，粘度等級根據(jù)以下兩種技術(shù)之一來測量布氏粘度和烏氏粘度。通常，兩種技術(shù)之間測量的粘度等級是不同的。例如，在表I中示出了對某些纖維素醚使用兩種技術(shù)的測量結(jié)果。
纖維素醚通常不用于壁板產(chǎn)品中，但可以以低分子量(低粘度)及低濃度使用，以提供適當(dāng)?shù)谋Ｋ?、泵吸性?或提高混合刀的壽命。
發(fā)明概述一種壁板芯體，其包含水、β-半水合硫酸鈣和添加劑，它們混合在一起以形成壁板芯體。這里，術(shù)語壁板還被用來表示遮蓋板、防水板、X型板、絕緣板、軸襯、拱腹板、背板、芯合板、天花板、石膏玻璃墊板，以及無紙壁板，這些板可被用于在建筑工業(yè)中制成墻壁和天花板。
通過與水混合，β-半水合硫酸鈣可以隨時間溶解或部分溶解在水中，并水合形成石膏晶體。所述添加劑選自一種或多種纖維素醚，例如分子量為至少20,000、粘度等級為至少100cps的HEC、MC、HPMC、EHEC、EHPC和HEMC，不在任何方面限制這里所列出的那些纖維素醚，所述的添加劑提高壁板芯體的起釘阻力與撓曲強(qiáng)度。優(yōu)選地，所選纖維素醚相對于β-半水合硫酸鈣的重量百分?jǐn)?shù)小于5重量％，更優(yōu)選小于3重量％，由此所述纖維素醚對壁板的易燃性和可熄滅性的影響可以忽略。再更優(yōu)選地，所選的纖維素醚重量百分?jǐn)?shù)從0.5重量％起，或者0.5-3重量％，0.5重量％至3重量％表現(xiàn)出起釘阻力連續(xù)增加，這將極大地簡化混合過程?；蛘?，選擇具有低取代度(DS)的纖維素醚。
賦予增強(qiáng)壁板芯體的增加的起釘阻力和撓曲強(qiáng)度使得可以減少或消除壁板昂貴且沉重的多層紙面。所述多層紙面面料也可通過在從周圍環(huán)境中吸收水分后供養(yǎng)霉菌的生長，從而增加壁板不合需要的感霉性。這樣，可以通過使用由纖維素醚添加劑增強(qiáng)的減少紙質(zhì)壁板芯體來制造出耐霉菌壁板。雖然紙是纖維素、纖維素的衍生物如纖維素醚，但在被加入壁板芯體后紙往往不易供養(yǎng)霉菌生長，如在32℃下在濕度為90％的培養(yǎng)器中，在霉菌孢子的存在下對試樣進(jìn)行的抗霉性試驗(yàn)所顯示的。在一個備選的實(shí)施方案中，將貼膠層(skim layer)加到至少一個表面上以提供甚至更高的抗霉性。存在著對具有這種抗霉性、低成本壁板的長期和尚未解決的需求。
一種輕質(zhì)壁板，例如具有一種或多種常規(guī)的多層面板的輕質(zhì)面板可以在不犧牲所述壁板起釘阻力的情況下通過降低壁板芯體的密度來制造。例如，通過使用輕質(zhì)填料，或通過向芯體中以空隙或氣泡形式引入孔隙結(jié)構(gòu)，所述密度可以降低至0.75g/cc，同時保持壁板的撓曲強(qiáng)度與起釘阻力。
添加超過使粉末狀干組分水合所需化學(xué)計(jì)量的量的過量水至漿液中，可以降低壁板芯體的密度。認(rèn)為在不受任何方面限制的情況下，過量的水在壁板芯體中形成小滴，其干燥后殘存在壁板芯體中作為孔隙。已發(fā)現(xiàn)了一通用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來用水與粉狀干組分之比(W∶P)預(yù)測g/cc的壁板密度(ρ)∶ρ＝0.8324(W∶P)-0.7629，如果泡沫可忽略的話。除由過量水所引入的量以外，無論是通過快速攪拌還是通過加入發(fā)泡劑而加入的泡沫，都可通過向壁板芯體中加入來進(jìn)一步降低密度。
通過向漿液添加額外的水，漿液的粘度下降。這樣，可以在連續(xù)擠出工藝中擠出基本不含粘土的漿液，形成輕質(zhì)增強(qiáng)壁板。基本不含粘土是指沒有將粘土作為流變改進(jìn)劑加入至干組分中。當(dāng)然，粘土可以作為雜質(zhì)，以不顯著影響擠出過程流變行為的量存在于干組分或水中。
一種生產(chǎn)壁板芯體的方法將包含β-半水合硫酸鈣粉末及選自不同于CMC的纖維素醚的粉末添加劑的干組分混合，所選纖維素醚為具有一定程度的取代度(DS)、可溶于水中(例如對MC為1.2至2.4)的那些。對于市售的纖維素醚，例如，優(yōu)選DS為1.6至1.9，粘度等級為至少約100cps，分子量為至少約20,000MW的那些。
對于高取代度(DS)，例如對甲基纖維素(MC)大于1.8的DS，優(yōu)選為較高粘度等級(例如至少約200cps)的纖維素醚。令人驚奇的是，對于纖維素醚如MC，較高的DS與較低的起釘阻力有關(guān)聯(lián)。這樣，低的DS(例如對MC為1.2至1.8)是優(yōu)選的，因?yàn)榭梢赃x擇較低粘度等級的纖維素醚，或可以添加較低份數(shù)的纖維素醚添加劑，而仍然得到相同的起釘阻力。通過降低粘度等級，在相同定量的水的條件下，漿液變得更易混合。通過降低水的量，在相同給定的淤漿粘度的條件下下，壁板干燥得更快。通過降低纖維素添加劑在漿液中的份數(shù)，壁板的制造成本得以降低。
由此，再更優(yōu)選為一定范圍的DS，例如對MC為1.2至1.6。雖然在此范圍內(nèi)的MC商業(yè)上不能獲得，但這種低DS纖維素醚令人驚奇和未被預(yù)料到的相關(guān)性提供了大為增強(qiáng)的撓曲強(qiáng)度和起釘阻力，而制造這種纖維素醚的低成本、及在增強(qiáng)壁板制造中使用的高體積MC被期待為將會驅(qū)動在此DS范圍內(nèi)商業(yè)級別MC的開發(fā)。
在另一個實(shí)施方案中，優(yōu)選所選粘度等級為至少約400cps。令人驚奇的是，由于選擇大于此粘度等級的纖維素醚，所得壁板芯體與未增強(qiáng)壁板芯體相比起釘阻力明顯增加，所添加的纖維素醚為0.5重量％至3重量％、除CMC以外的所有試驗(yàn)纖維素醚，只要在添加水之前所述纖維素醚很好分散在整個β-半水合硫酸鈣中，即使是在相對高的DS下也是如此。在低DS下，所述的相關(guān)性顯示，與任何普通壁板相比，起釘阻力與撓曲強(qiáng)度指數(shù)顯著提高。
可以選擇一定量的水與干組分形成漿液，該漿液在擠出、凝固及在45℃的爐子中干燥直到密度保持不變后得到密度為0.75g/cc的壁板芯體成品。此外，可加入包括其它纖維素醚的很多其它添加劑，以在不降低所述壁板芯體起釘阻力和強(qiáng)度的情況下，定制壁板芯體的性能。
在一個實(shí)施方案中，可以將這些干組分很好地混合，以徹底將所述添加劑分散在整個β-半水合硫酸鈣粉末中。然后，將所述的干組分加入水中并與水混合，將其傾倒在成型物上面，成型為片材，使其凝固、干燥和被修整。所選擇的水量將總是大于擠出所需要的量，及β-半水合硫酸鈣與水按化學(xué)計(jì)量結(jié)合形成石膏所需的水量。優(yōu)選地，所選的水量使得產(chǎn)生的壁板芯體密度小于0.8g/cc，更優(yōu)選小于0.75g/cc，對輕質(zhì)壁板甚至更優(yōu)選為0.45g/cc至0.7g/cc。
“漿液”指的是由干組分與水的混合物形成的可以被很好混合的均質(zhì)流體，在所述漿液被擠出之前至少一部分β-半水合硫酸鈣溶解于水中。所需的水量取決于例如β-半水合硫酸鈣的量，取決于添加劑及其它干組分的量，以及溫度，及漿液中所含一種或多種添加劑的種類。所使用的水量例如通過影響孔隙結(jié)構(gòu)的量、β-半水合硫酸鈣溶解的程度、水合的速率及石膏晶體的形態(tài)，顯著地改變壁板芯體的微觀結(jié)構(gòu)，而這反過來又影響壁板的起釘阻力和撓曲強(qiáng)度。為了將密度降低至用于具體應(yīng)用的優(yōu)選范圍，可以向漿液中加入發(fā)泡材料以替代加入額外的水。例如，可以向水中和/或漿液中加入發(fā)泡劑如表面活性劑，或化學(xué)活性的發(fā)泡劑，以在水和/或漿液的攪拌期間引起發(fā)泡。與僅通過增加水的量而生產(chǎn)的具有相同密度壁板的方法相比，加入發(fā)泡材料可以導(dǎo)致更短的干燥時間和/或更優(yōu)選的孔隙結(jié)構(gòu)分布。或者，可以加入低密度的填料。
所述方法可以是連續(xù)法，由此將干組分混合，加入到水中，隨后被摻混成為漿液，且漿液被傾倒在移動的表面上，形成壁板芯體。成型物可以既含有漿液又形成所述壁板的兩個邊，而一個或多個卷型物或約束物將漿液的自由表面展開并使其變平，由此形成了伸長的連續(xù)片材。連續(xù)壁板芯體形成后，在漿液至少能夠部分凝固后，將漿液的伸長片材的末端切割，成為伸長的連續(xù)片材余下部分的長度。然后，修整壁板，如果需要的話，并干燥。或者，可以在對所述壁板芯體的一面或兩面加工期間，加入一種或多種面板。
另一種生產(chǎn)壁板的方法是在與粉末β-半水合硫酸鈣混合之前將增強(qiáng)添加劑與水混合。在此方法中，無論干燥的、糊狀、凝膠狀還是液體的添加劑都至少部分溶解于水中。然后，將包括β-半水合硫酸鈣和任選其它的干添加劑的干組分加入至水溶液中，與水溶液混合以形成漿液。然后按照上面所述來加工漿液。
例如，為了裝飾目的和/或?yàn)榱藥砀倪M(jìn)的強(qiáng)度，可以將一種或多種紙層粘合到壁板芯體或面板的一面或兩面上。所述紙可以有纖維，纖維可以按優(yōu)選的方向定向以增強(qiáng)壁板?；蛘?，可以不添加紙層或可以將非紙層粘合到壁板芯體的一面或兩面上。在再一個備選方案中，可以將第二種添加劑加入至干組分中，所述的第二種添加劑與壁板的一面或兩面隔離，以在壁板上形成現(xiàn)場表面層。
“至少約”100cps指的是纖維素醚應(yīng)當(dāng)選自粘度等級為約100cps或更大的纖維素醚，“約”100cps應(yīng)當(dāng)理解為考慮到了以例如應(yīng)用不同測量技術(shù)為基礎(chǔ)的粘度等級商業(yè)測量中的正常差異。例如，對用于測量粘度等級的剪切速度的不同選擇可以導(dǎo)致測量值的變化。生產(chǎn)商所報(bào)道的粘度等級多達(dá)30％的差異在高達(dá)1000cps的低粘度等級下是預(yù)期的。大于約1000cps的粘度等級表現(xiàn)出在粘度等級中甚至更大的差異。
“至少約”20,000MW指的是纖維素醚應(yīng)當(dāng)選自分子量為“約”20,000或更大的纖維素醚。應(yīng)當(dāng)理解，對于具有特定取代度的特殊類型商業(yè)纖維素醚，其分子量平均值可以是20,000，但批次之間與一批之內(nèi)的差異允許在平均值中有顯著的商業(yè)偏差，及與分子量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。通常，平均分子量可以與生產(chǎn)商說明書的數(shù)值有多達(dá)20％的差異。一批之內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差取決于例如制造業(yè)的公差、所選用于制造具體纖維素醚的方法，以及已經(jīng)存在于取代前原料纖維素中的差異。
通過對比強(qiáng)度測量結(jié)果與在相同壁板重量和相同厚度下沒有增強(qiáng)添加劑時所制備試樣的強(qiáng)度，在此提出了起釘指數(shù)和撓曲強(qiáng)度指數(shù)，所述的指數(shù)使具有一系列板重量的壁板和天花板試樣起釘阻力和撓曲強(qiáng)度的測量標(biāo)準(zhǔn)化。例如，在圖3中顯示了對于對普通壁板覆紙和無紙?jiān)嚇拥钠疳斪枇εc板重量的關(guān)系曲線。如圖5中所示，對于某些實(shí)施方案，起釘指數(shù)為增強(qiáng)的試樣與普通試樣在相同密度(板重量)下的相對測量起釘阻力。因此，起釘指數(shù)為1.0意味著增強(qiáng)壁板試樣與沒有增強(qiáng)添加物的常規(guī)制備試樣的起釘阻力相同。
附圖簡述圖1所示為在本發(fā)明的幾個實(shí)施方案中，在濃度為1克添加劑/100克β-半水合硫酸鈣下起釘阻力的改進(jìn)。
圖2所示為在與圖1中所示相同實(shí)施方案中撓曲強(qiáng)度的改進(jìn)。
圖3所示為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備的壁板試樣的起釘阻力與板重量的關(guān)系曲線。
圖4所示為為了滿足針對1/2英寸厚壁板的ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-95，最小板重與已覆紙或未覆紙壁板起釘指數(shù)的關(guān)系曲線。
圖5所示為對于本發(fā)明的幾個實(shí)施方案，起釘指數(shù)與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
圖6所示為對于幾種低粘度的纖維素醚，起釘指數(shù)與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
圖7所示為在有紙背襯和沒有紙背襯的情況下，對于HPMC，在重量分?jǐn)?shù)為1克HPMC/100克β-半水合硫酸鈣的情況下，起釘指數(shù)與粘度等級的關(guān)系曲線。
圖8所示為在有紙背襯和沒有紙背襯的情況下，對于HPMC，在重量分?jǐn)?shù)為1克HPMC/100克β-半水合硫酸鈣的情況下，最小板重量與粘度等級的關(guān)系曲線。
圖9所示為對于HPMC，起釘指數(shù)與扁圓形物(patty diameter)(粘度隨粘度的增加而降低的指示物)直徑的關(guān)系曲線。
圖10所示為對于本發(fā)明具有延遲溶解處理的表面的幾個實(shí)施方案，起釘指數(shù)與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
圖11所示為對于包含無紙壁板和HPMC增強(qiáng)添加劑的四個備選實(shí)施方案，起釘指數(shù)相與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
圖12所示為對于圖11中所示的相同的四個實(shí)施方案，撓曲強(qiáng)度與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
圖13所示為對于HEC增強(qiáng)壁板或天花板的兩個備選實(shí)施方案，起釘指數(shù)與重量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。
4圖14所示為包含無紙MC-增強(qiáng)壁板的另一個實(shí)施方案的起釘指數(shù)與粘度等級的數(shù)據(jù)與相互關(guān)系。
5圖15所示為包含無紙HPMC-增強(qiáng)壁板的另一個實(shí)施方案的起釘指數(shù)與粘度等級的數(shù)據(jù)與相互關(guān)系。
圖16所示為纖維素的化學(xué)式。
圖17所示為甲基纖維素的化學(xué)式。
圖18所示為羥丙基甲基纖維素的化學(xué)式。
圖19和20基于與數(shù)據(jù)的相互關(guān)系，圖示了對于甲基纖維素的各種粘度等級及重量百分添加量，在甲基纖維素中的甲基取代百分?jǐn)?shù)對起釘指數(shù)與撓曲強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算效果。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述增強(qiáng)壁板和/或天花板包含半水合硫酸鈣、增強(qiáng)添加劑和水。優(yōu)選所述半水合硫酸鈣為β-半水合硫酸鈣，例如，可通過煅燒石膏來生產(chǎn)。所述增強(qiáng)添加劑為水可分散性的，可以以諸如水溶液、顆粒和粉末之類的各種形式生產(chǎn)和使用。例如，一種增強(qiáng)添加劑為纖維素醚?？墒褂镁哂卸喾N多樣取代基的纖維素醚。例如，可以將HPC、HEC、MC、HPMC、EHEC、EHPC和HEMC用作所述的增強(qiáng)添加劑。
在一個實(shí)施方案中，通過將粉末HPMC添加劑分散在整個β-半水合硫酸鈣粉末中，使干燥的β-半水合硫酸鈣粉末與粉末的HPMC混合在一起。然后，將干組分加入至水中，所述的水包括超過按化學(xué)計(jì)量水合β-半水合硫酸鈣所需要的量的水，通過攪拌粉末/水的混合物形成漿液。例如，所選用的水量使得制成壁板的密度小于0.8g/cc，更優(yōu)選0.75g/cc。然后，通過模頭或成型物，或一系列的模頭與成型物擠出所述的漿液。所擠出的漿液隨后被進(jìn)料到皮帶上面，以成為連續(xù)的片材。使?jié){液硬化，這也被稱為凝固，它是由于β-半水合硫酸鈣至少部分溶解和水合，形成在這里稱為石膏晶體的二水合硫酸鈣晶體而導(dǎo)致的結(jié)果。
然后，干燥凝固的壁板或壁板試樣?？諝飧稍锖驮跔t中的干燥蒸發(fā)掉形成漿液需要的但在水合期間沒有反應(yīng)的過剩的水。過剩的水也常常增加已干燥壁板芯體孔隙結(jié)構(gòu)的量，因?yàn)闅堄嗨恼舭l(fā)在隨后留下多孔的微觀結(jié)構(gòu)。然后所述片材可以被修整、分級、稱重和試驗(yàn)。
試驗(yàn)包括如使用ASTM的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測量起釘阻力、撓曲強(qiáng)度、潮濕偏差、抗霉性和易燃性?？姑剐远x為保持在90％的濕度和32℃的溫度的環(huán)境中，暴露在霉菌孢子下24天后，在壁板或壁板芯體表面上沒有顯示霉菌生長的跡象。
優(yōu)選地，用于作為壁板漿液添加劑的纖維素醚具有高的分子量，而這與高粘度等級是相關(guān)聯(lián)的。令人驚奇的是，如圖1和2中所示，對于某些特定的纖維素醚，在特定的分子量和粘度等級下，起釘阻力和撓曲強(qiáng)度大為增加。還有，非常令人驚奇的是，例如圖7和15中所示，對于某些纖維素醚，起釘指數(shù)和撓曲強(qiáng)度指數(shù)隨分子量和粘度等級的提高而快速增加。這與本領(lǐng)域中的其它人根據(jù)使用相對較低分子量的添加劑如CMC漿液的灰泥漿液，和使用不能有效分散纖維素醚粉末的加工方法所制備漿液制備的試樣的數(shù)據(jù)所作的早期預(yù)期相矛盾，這種預(yù)期表現(xiàn)為起釘阻力不隨約0.25重量％以上的重量分?jǐn)?shù)增加。此外，本發(fā)明與顯示高粘度等級會削弱石膏晶體強(qiáng)度的那些參考文獻(xiàn)相矛盾。
如圖1中所示，高分子量和高粘度等級HPMC增強(qiáng)壁板與HEMC增強(qiáng)壁板的試樣具有那些試驗(yàn)中起釘指數(shù)的最大值。其它實(shí)施方案也顯示大為改進(jìn)的起釘指數(shù)，尤其是使用高粘度等級的纖維素醚。
然而，如圖6和14中所示，使用低分子量纖維素醚的結(jié)果令人失望。對于低分子量纖維素醚而言，起釘指數(shù)隨著纖維素醚濃度的增加而下降。隨著添加劑的連續(xù)加入，重要性能的降級在商業(yè)處理中是非常不利的，尤其是對于與其它組分相比具有低的總重量分?jǐn)?shù)的添加劑。
在混合過程中，僅通過將更多的添加劑加入到混合物的間歇料流或連續(xù)料流中，就可實(shí)現(xiàn)混合物中添加劑的重量分?jǐn)?shù)的增加。但是，一旦太多的添加劑與基礎(chǔ)原料混合了，要稀釋添加劑的重量分?jǐn)?shù)就會有問題，因?yàn)樗枰獙⒋罅炕A(chǔ)原料，在此情況下為β-半水合硫酸鈣，混合到添加劑與基礎(chǔ)原料的混合物中，以稀釋添加劑的重量分?jǐn)?shù)。這樣，對于牢固的混合工藝而言，滿意的是其可以容納過量的添加劑而不會不利地影響成品的性能。因此，優(yōu)選的是使用即使是在無意地加入了過量添加劑的情況下也連續(xù)地改進(jìn)產(chǎn)品性能的添加劑。雖然低分子量添加劑開始時增加起釘阻力，最高至0.25重量％，但是在超過0.25重量％后連續(xù)加入時性能的急劇下降使得它們在很多商用方法中的應(yīng)用變?yōu)椴磺袑?shí)際。
圖5顯示了對于高分子量和高粘度的HPMC、HEMC和HEC，起釘阻力隨添加劑的重量分?jǐn)?shù)呈對數(shù)級增加。這對牢固與寬容的制造方法而言是非常滿意的趨勢。400cps的MC表現(xiàn)出起釘阻力隨添加劑重量分?jǐn)?shù)線性地增加，這也是令人滿意的。
CMC是最常使用的纖維素醚之一，但是在沒有其它纖維素醚的情況下，與沒有增強(qiáng)的試樣相比，CMC會極大地延遲凝固時間，降低起釘阻力和撓曲強(qiáng)度。如前所述，CMC在對其它纖維素醚有效的濃度、高分子量和粘度下不增加壁板的強(qiáng)度。認(rèn)為在不受任何方面限制的情況下，其它纖維素醚常常具有由氫鍵鍵合引起的分子間作用。這樣，認(rèn)為高分子量的分子常常會被固定住，不會被隔離至壁板的干燥的表面，如某些其它可溶性聚合物所發(fā)生的。因此，具有本質(zhì)氫鍵鍵合相互作用的高分子量分子保持分散在整個壁板芯體中，并且增強(qiáng)了水合石膏晶體的矩陣(matrix)。
表面處理可以涂覆纖維素醚的表面以延緩溶解的開始，而這被期待可以改進(jìn)纖維素醚在水中的分散。但是，認(rèn)為在實(shí)際上由表面處理引起的溶解阻滯會導(dǎo)致表面處理過的纖維素醚的不完全溶解。染碘試驗(yàn)表明表面處理過的纖維素醚不均勻地分散在整個壁板試樣中，對于HEC表面處理過的粉末尤其如此，而未處理纖維素醚和預(yù)先溶解的表面處理過的纖維素醚表現(xiàn)出完全均勻地分散在整個壁板中。一種改進(jìn)未處理和表面處理過的粉末纖維素醚分散的方法是預(yù)混合干燥的纖維素醚，直到該粉末與β-半水合硫酸鈣的混合物在被加入水之前很好地分散。由此，纖維素醚的聚集減少，且比聚集的顆粒更容易進(jìn)行溶解。
如圖1和2中所示，以及例如圖11中所示對于粘度等級為45,000cps(45kcps)的HPMC，及圖13中相對于重量分?jǐn)?shù)所示分子量為1,300,000(1.3M)的HEC，表面處理過的纖維素醚的起釘指數(shù)小于預(yù)先溶解的表面處理過的纖維素醚，或未處理過的纖維素醚。
如圖12中所示，對于45kcps的HPMC，撓曲強(qiáng)度受不完全溶解的影響不如受重量分?jǐn)?shù)的影響大。認(rèn)為起釘指數(shù)與撓曲強(qiáng)度指數(shù)結(jié)果之間差異的原因在于下面的事實(shí)起釘指數(shù)對試樣芯體的破碎敏感，而撓曲強(qiáng)度對試樣芯體的破碎(分布的應(yīng)力)不太敏感。
圖8顯示了為滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)針對壁板試樣粘度等級而設(shè)計(jì)的最小板重量，所述壁板試樣是通過添加相對于β-半水合硫酸鈣為1重量％重量分?jǐn)?shù)的HPMC來制備的。隨著粘度等級上升，通過ASTM標(biāo)準(zhǔn)所需的最小板重量下降。應(yīng)當(dāng)理解的是，添加到漿液中的任何額外的增強(qiáng)物，例如纖維增強(qiáng)物，也可以增加壁板的強(qiáng)度，尤其是壁板的撓曲強(qiáng)度。這同樣傾向于使通過ASTM標(biāo)準(zhǔn)所需的最小板重下降。例如，向壁板芯體中引入纖維素纖維是一般的慣例。其它的纖維增強(qiáng)物，例如玻璃纖維、聚合物纖維及碳纖維也可以加入以增強(qiáng)壁板的撓曲強(qiáng)度。在一個具體的實(shí)施方案中，在添加干組分至水中之前，將短聚酯纖維或尼龍纖維，或這兩種纖維混合入干組分中以增加撓曲強(qiáng)度。更長的纖維可以在擠出期間引入，用來為芯體提供沿壁板縱向的定向增強(qiáng)。
在高速的壁板生產(chǎn)中，漿液粘度是首要問題。增加粘度會引起增加的混合和泵輸送需求，堵塞機(jī)器以及與板的形成有關(guān)的問題。在選擇CE添加劑時，漿液粘度具有甚至更大的重要性，因?yàn)樵谄胀ǖ氖焓嗯渲浦蠧E的主要目的是增稠混合物。
為了使β-半水合硫酸鈣完全水合及制備可混合與擠出的漿液，將使用比熟石膏化合物所使用的更大量的水，熟石膏化合物利用α-半水合硫酸鈣的水合以形成石膏。已知添加到漿液的水的量對所得到壁板的質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)有深刻的影響。認(rèn)為，在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，添加太少的水會妨礙漿液的充分混合，而添加太多的水導(dǎo)致在壁板芯體中形成不滿意的孔隙結(jié)構(gòu)。隨著CE的加入，尤其是在用提高量的高粘度CE的配制中，粘度會顯著增加，這使得難以使干組分與水充分混合。此外，粘度的增加會妨礙漿液被傾倒入成型物中。一種可以被用來測定漿液粘度的簡單試驗(yàn)是“扁圓形物試驗(yàn)”，其中將一定量的漿液從設(shè)定高度倒下來，記錄所得到扁圓形物的直徑。此外，壁板漿液的流變行為是時間、濕度和溫度的函數(shù)。
通常，扁圓形物的尺寸隨纖維素醚粘度等級的增加而相反地增加。如所預(yù)期的，扁圓形物的直徑隨HPMC粘度等級的下降而增加。事實(shí)上，扁圓形物的直徑隨粘度等級的倒數(shù)對數(shù)級增長；因此，如圖9中所示，起釘指數(shù)隨扁圓形物尺寸的倒數(shù)成比例地增加。
在一個實(shí)施方案中，通過如下方法形成漿液混合β-半水合硫酸鈣與小于5重量％的粉末的纖維素醚，使纖維素醚均勻地分散在整個混合物中。然后將所述混合物與一定量的水混合形成漿液，使通過干燥的壁板芯體的密度小于0.8g/cc。在一個備選的實(shí)施方案中，所選纖維素醚的分子量為至少20,000，粘度等級為至少100cps，與未增強(qiáng)壁板相比，其起釘阻力和撓曲強(qiáng)度都得到了改進(jìn)。在另一個實(shí)施方案中，粉末纖維素醚的量被限制在0.5重量％至3重量％的范圍，所測量的起釘指數(shù)隨纖維素醚的加入而連續(xù)地增加。
在再一個實(shí)施方案中，對于MC而言，DS被限制在1.2至2.4。在一個備選的實(shí)施方案中，對粘度等級為至少10cps的MC而言，DS被限制在1.6至1.9，該MC在例如圖14和15中所示粘度等級為至少100cps的條件下所產(chǎn)生的壁板具有改進(jìn)的起釘指數(shù)。圖14顯示了在0.25、0.5、1.0和2.0重量％的MC與粉末β-半水合硫酸鈣混合的情況下，起釘指數(shù)與MC粘度等級的關(guān)系曲線。深色的線和點(diǎn)是使用在另外的地方討論的關(guān)聯(lián)性的計(jì)算值，而淺色的線為試驗(yàn)值。圖15是對于HPMC與粉末β-半水合硫酸鈣混合的相似曲線。在另一個備選的實(shí)施方案中，如圖19中所示，在添加MC的重量百分?jǐn)?shù)為0.25和0.5重量％下，對于MC而言，1.2至1.6的DS范圍極大地提高了撓曲強(qiáng)度和起釘指數(shù)，而圖19是基于與圖14中所使用的關(guān)聯(lián)性的。圖20顯示這種趨勢也適用于更高重量百分?jǐn)?shù)的MC添加量。這表明起釘阻力的提高發(fā)生在用低DS、高粘度等級和高分子量、高重量百分?jǐn)?shù)的MC，或這些的組合所處理的壁板。
認(rèn)為，在不受任何方面限制的情況下，氫鍵鍵合相互作用固定住了纖維素醚分子，而氫鍵鍵合的程度受分子量的影響，并反映在粘度等級中。它還受到取代度的影響。由此，纖維素醚的取代度、粘度等級和分子量在選擇具體的纖維素醚作為強(qiáng)度添加劑是關(guān)鍵的因素，因?yàn)檎J(rèn)為壁板的強(qiáng)度取決于纖維素醚分子在壁板芯體中的分布，以及在所述分子之間鍵合相互作用。此外，認(rèn)為鍵合相互作用的作用既取決于取代度，又取決于添加的重量百分?jǐn)?shù)。
具體被用作增強(qiáng)添加劑的纖維素醚的取代百分?jǐn)?shù)根據(jù)ASTM D3876的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來分析，通過引用而將該試驗(yàn)方法的內(nèi)容結(jié)合在此。ASTMD3876通過氣相色譜來測定纖維素醚產(chǎn)品中的甲氧基和羥丙基的取代。將得到的各種纖維素醚的取代百分?jǐn)?shù)，及得自文獻(xiàn)的粘度等級與機(jī)械測試的結(jié)果相比較，以確定取代度對撓曲強(qiáng)度與起釘阻力的影響。以這些經(jīng)驗(yàn)的測量結(jié)果為基礎(chǔ)，對起釘指數(shù)及撓曲強(qiáng)度指數(shù)與纖維素醚取代方式之間的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。以下的回歸模型確定了最佳的關(guān)聯(lián)式HPMC起釘指數(shù)(NPI)NPI＝A1fX1[(logγ)X2+A2MX3+A3HX4]+A4fX5MX6HX7(logγ)X8+A5MC起釘指數(shù)(NPI)NPI＝B1fY1+B2fY2(logγ)Y3+B3fY4MY5(logγ)Y6+B4MC撓曲強(qiáng)度指數(shù)(TPBI)MC TPBI＝C1fZ1+C2fZ2(logγ)Z3+C3fZ4MZ5+C4fZ6MZ7(logγ)Z8+C5γ＝纖維素醚的粘度等級(cps)(2％烏式粘度)M＝纖維素醚甲氧基取代的百分?jǐn)?shù)H＝纖維素醚羥丙基取代的百分?jǐn)?shù)f＝纖維素醚的重量％(g/100g灰泥)其中Ai、Bi、Ci、Xi、Yi和Zi在下表2定義這些經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式可被用于定義各種纖維素醚的重量百分?jǐn)?shù)(f)、甲基的取代度或取代百分?jǐn)?shù)(M)和羥丙基的取代度或取代百分?jǐn)?shù)(H)的作用，以及粘度等級(γ)對由MC和HPMC增強(qiáng)壁板芯體的起釘指數(shù)與撓曲強(qiáng)度的影響。
具體而言，壁板芯體中纖維素醚添加劑的量與起釘指數(shù)及撓曲強(qiáng)度之間存在著關(guān)聯(lián)性。如所預(yù)期的，起釘阻力隨添加劑重量百分?jǐn)?shù)的增加而提高。起釘阻力與粘度等級同樣也有關(guān)聯(lián)性。令人驚奇的是，數(shù)據(jù)表明，對于HPMC和MC而言，增加的粘度等級會增加起釘指數(shù)，而這種關(guān)系在文獻(xiàn)或某些原始數(shù)據(jù)中沒有反映出來，例如圖14中所示對于MC的情況。
最后，對取代百分?jǐn)?shù)存在著非常令人驚奇和出乎意料的關(guān)聯(lián)性。具體而言，例如，起釘指數(shù)隨取代度(DS)的降低而增加，如圖19和20中所示對于MC的情況。這種出乎意料與令人驚奇的強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性足以導(dǎo)致起釘指數(shù)相對于粘度等級曲線的顯著傾斜，例如圖14中所示。在圖14中，市售MC的甲基取代百分?jǐn)?shù)為34％。而且，這種效果為其它人所忽視，這可能阻止了其它人將纖維素醚作為增強(qiáng)添加劑加入壁板中。具體而言，通常對商業(yè)的纖維素醚不報(bào)道DS。如果報(bào)道的話，它經(jīng)常是非常不準(zhǔn)確的。因此，為進(jìn)行這項(xiàng)分析，需要用氣相色譜獨(dú)立地測量取代百分?jǐn)?shù)。在對壁板最實(shí)用的重量百分?jǐn)?shù)范圍，例如小于5重量％，更優(yōu)選小于3重量％內(nèi)，與較低的DS相比，即使是適中的DS增加也會顯著地降低所測量壁板的撓曲強(qiáng)度指數(shù)，如圖19和20中所示。
對于低粘度等級的纖維素醚，測量的起釘指數(shù)和撓曲強(qiáng)度指數(shù)中的差異通常是與壁板中沒有增強(qiáng)時的減少與壁板中沒有增強(qiáng)時的顯著增加之間的差異，如圖19和20中所示。此外，與涉及纖維素醚溶解度受限的DS相比，市售的纖維素醚通常DS值較高。因此，忽略將纖維素醚作為增強(qiáng)β-半水合硫酸鈣基壁板產(chǎn)品的添加劑就不奇怪了。確實(shí)，最有希望的纖維素醚，如DS為1.2至1.6范圍的MC沒有能被作為增強(qiáng)添加劑而便利地用于測試。
HPMC起釘性能的關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)出與甲氧基取代百分?jǐn)?shù)不同的關(guān)系，在市售的HPMC中所述的取代百分?jǐn)?shù)比市售MC中的要低得多。根據(jù)所述的關(guān)聯(lián)性，在較低的添加劑含量下，減少甲基時DS確實(shí)會增加起釘指數(shù)；然而，在較高的添加劑含量下，減少甲基時DS不太有效。這種趨勢在某種程度上受所選粘度等級和羥丙基取代百分?jǐn)?shù)的影響。然而，在目前可以得到的數(shù)據(jù)下，羥丙基取代度對起釘指數(shù)的影響不如MC中甲氧基取代的影響明顯。圖15分散的數(shù)據(jù)中反映了這些影響。
在另一個備選的實(shí)施方案中，可以產(chǎn)生泡沫來進(jìn)一步降低壁板芯體的密度。這種泡沫可以通過使用例如表面活性劑，及對水和/或漿液的攪拌來產(chǎn)生泡沫為產(chǎn)生，該泡沫可被引入擠出的壁板芯體中。
具體實(shí)施例對照試樣。將100克β-半水合硫酸鈣與0.13克粉狀石膏促進(jìn)劑干混合。然后，在500毫升的Waring混合器中，將所述β-半水合硫酸鈣加入至150克的室溫自來水中。低速摻混該漿液15秒鐘。然后立刻將所述漿液傾倒入約7″×2″×1/2″的模具中。約20分鐘后，從模具中取出樣品，將其放入45℃的對流加熱爐中，在其中將其至少干燥36小時。在從爐中取出樣品后，將樣品切割為5″×2″，稱重(massed)并標(biāo)出尺寸。該數(shù)據(jù)被用來計(jì)算樣品的密度。通過使用與用于石膏壁板的ASTM C473撓曲強(qiáng)度試驗(yàn)(方法B)相似的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到撓曲強(qiáng)度。用帶數(shù)據(jù)采集軟件的Instron機(jī)械測試系統(tǒng)來測定機(jī)械行為。撓曲破壞應(yīng)力通過破壞負(fù)載、測試配置及樣品幾何形狀來計(jì)算。用彎曲試驗(yàn)剩下的兩個半個的樣品來測試起釘阻力。使用基于ASTM C473起釘測試(方法B)的起釘測試。所得樣品的密度為0.63g/cc，撓曲強(qiáng)度為242psi，起釘阻力為46磅。
高粘度HPMC增強(qiáng)劑；無紙樣品。將100克β-半水合硫酸鈣與0.13克粉狀石膏促進(jìn)劑及1克HPMC(100kcps，購自Aldrich Chemical Co.)干混合。然后，在500毫升的Waring混合器中，將所述的干混合物加入150克自來水中。低速摻混該漿液15秒鐘。然后立刻將所述漿液傾倒入7″×2″×1/2″的模具中，在將其取出前在其中使其凝固約20分鐘。將樣品放入45℃的對流加熱爐中至少36小時。在從爐中取出樣品后，將其切割為5″長，稱重并標(biāo)出尺寸。計(jì)算出密度，并在Instron機(jī)械測試系統(tǒng)上對樣品進(jìn)行撓曲強(qiáng)度和起釘阻力測試。樣品的密度為0.46g/cc，撓曲強(qiáng)度為299psi，起釘阻力為43磅。
高粘度、阻滯的HEMC增強(qiáng)劑；無紙樣品。將100克β-半水合硫酸鈣與0.13克粉狀石膏及1克阻滯的HEMC(15-20，5kcps，購自AldrichChemical Co.)干混合。然后，在500毫升的Waring混合器中，將所述的干混合物加入150克自來水中。低速摻混該漿液15秒鐘。然后立刻將所述漿液倒入7″×2″×1/2″的模具中，20分鐘后取出。將樣品放入45℃的對流加熱爐中至少36小時。在從爐中取出樣品后，將其切割為5″長，稱重并標(biāo)出尺寸。計(jì)算出密度，并在Instron機(jī)械測試系統(tǒng)上對樣品進(jìn)行撓曲強(qiáng)度和起釘阻力測試。所得到樣品的密度為0.63g/cc，撓曲強(qiáng)度為545psi，起釘阻力為78磅。
高粘度HPMC增強(qiáng)劑；輕質(zhì)壁板。通過混合1千克β-半水合硫酸鈣與1.3克粉狀石膏及10克HPMC(22kcps，購自Aldrich Chemical Co.)來制備覆紙的樣品。向5升的Waring混合容器中，加入1.5千克室溫的自來水、20滴DOW的Daxad 19LKN(分散劑)，及10滴40％的二亞乙基三胺五乙酸鈉鹽(阻滯劑)。將粉末加入至水中，在高處摻混(blended on high)15秒鐘。然后將所述漿液傾倒入約12″×12″×1/2″的襯有由標(biāo)準(zhǔn)裝飾壁板貼面紙制成的封套的模具中。15分鐘后從模具中取出樣品，將其放入45℃的對流加熱爐中48小時。然后取出樣品，并將其切割為5″×2″和9″×2″的試樣，春中試樣長度尺寸在紙纖維的方向上。對這些試樣稱重并測量尺寸。計(jì)算出密度，并在Instron機(jī)械測試系統(tǒng)上在纖維方向上測量撓曲強(qiáng)度，并測試起釘阻力。樣品的密度為0.47g/cc，撓曲強(qiáng)度為822psi，起釘阻力為75磅。
重量比為1∶1的水β-半水合硫酸鈣下的MC。將100份β-半水合硫酸鈣與9份甲基纖維素(Aldrich，MW 17,000，粘度等級25cps)混合。然后在室溫下，將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下(high shearsetting)摻混約15秒鐘。所得到漿液非常粘稠，以致不能倒入成型物中。用刮鏟小部分地將足量的漿液轉(zhuǎn)移壓入2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后，從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.72g/cc，起釘指數(shù)為1.87(121磅)，且撓曲強(qiáng)度為881磅/英寸2。
重量比為1∶1的水∶β-半水合硫酸鈣下的MC。將100份β-半水合硫酸鈣與9份甲基纖維素(Aldrich，MW 14,000，粘度等級15cps)混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交旒s15秒鐘。所得到漿液非常粘稠，以致不能倒入成型物中。用刮鏟小部分地將足量的漿液轉(zhuǎn)移壓入2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.74g/cc，起釘指數(shù)為1.75(119磅)，且撓曲強(qiáng)度為864磅/英寸2。
重量比為1∶1的水∶β-半水合硫酸鈣下的MC。將100份β-半水合硫酸鈣與9份甲基纖維素(Aldrich，MW 40,000，粘度等級400cps)混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交?。所得漿液的粘度極高，不能按要求的15秒鐘持續(xù)時間進(jìn)行混合。粉末混合物不能完全加入至漿液中。該混合物過早凝固以致不能被轉(zhuǎn)移至成型物中。
重量比為1∶1的水∶β-半水合硫酸鈣下的MC。隨后的試樣通過減少甲基纖維素的量來制備將100份β-半水合硫酸鈣與5份而不是9份甲基纖維素混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交旒s15秒鐘。所得漿液極為粘稠，在混合期間就開始過早地凝固，以致沒有能夠被傾倒入成型物中。用刮鏟小部分地將足量的漿液轉(zhuǎn)移壓入2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.73g/cc，起釘指數(shù)為1.54(103磅)，且撓曲強(qiáng)度為766磅/英寸2。
重量比為1∶1的水∶β-半水合硫酸鈣下的低粘度等級的HPMC。將100份β-半水合硫酸鈣與9份HPMC(Aldrich，MW 10,000，粘度等級5cps)混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交旒s15秒鐘。將所得漿液直接傾倒入測量為2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后，從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.63g/cc，起釘指數(shù)為1.26(58磅)，且撓曲強(qiáng)度為675磅/英寸2。
重量比為1∶1的水∶β-半水合硫酸鈣下的低粘度等級的HPMC。將100份β-半水合硫酸鈣與9份HPMC(Aldrich，MW 10,000，粘度等級6cps)混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交旒s15秒鐘。將所得漿液直接傾倒入測量為2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.59g/cc，起釘指數(shù)為1.18(47磅)，且撓曲強(qiáng)度為535磅/英寸2。
水∶β-半水合硫酸鈣之重量比為1.0下的中等范圍粘度等級的HPMC。首先，將100份β-半水合硫酸鈣與9份HPMC(Aldrich，MW 12,000，粘度等級80-120cps)混合。然后將混合物加入至100份水中，在高剪切設(shè)置下?lián)交旒s15秒鐘。所得漿液極為粘稠，在混合期間過早地凝固，以致沒有能夠被倒入成型物中。用刮鏟小部分地將足量的漿液轉(zhuǎn)移壓入2英寸×5英寸×0.5英寸的成型物中。凝固后從模具中取出混合物，并在45℃下固化2天。所得樣品的密度為0.75g/cc，起釘指數(shù)為1.54(121磅)，且撓曲強(qiáng)度為652磅/英寸2。
高粘度等級、表面處理過的HEMC。通過混合1.3千克β-半水合硫酸鈣與1.69克球磨機(jī)磨碎的石膏(促進(jìn)劑)及26克阻滯的HEMC(在2重量％下的粘度等級15-20.5kcps，購自Aldrich Chemical Co.)來制備無紙的樣品。液體組分1.68千克室溫自來水、26滴DOW的Daxad 19LKN(分散劑)及13滴40％的二亞乙基三胺五乙酸鈉鹽(阻滯劑)被加入至5升的Waring混合器中。將干組分加入至水中，并在高處摻混15秒鐘以形成漿液。然后將所述漿液倒入約12″×12″×1/2″的玻璃模具中，所述玻璃模具在一面上帶有方便出料的薄特富龍薄片。15分鐘后從模具中取出樣品，將其放入45℃的對流加熱爐中48小時。然后取出樣品并將其切割為5″×2″的試樣。對這些試樣稱重并測量尺寸。計(jì)算九個試樣的密度，并在Instron機(jī)械測試系統(tǒng)上用以前所描述的方法測試撓曲強(qiáng)度和起釘阻力。所述板的平均密度為0.64g/cc，撓曲強(qiáng)度為809psi，且起釘阻力為102磅，通過了ASTM撓曲強(qiáng)度和起釘?shù)囊蟆?br> 高粘度等級、表面處理過的HEMC。通過混合100克β-半水合硫酸鈣與0.13克球磨機(jī)磨碎的石膏(促進(jìn)劑)及1克阻滯的HEMC(在2重量％下的粘度等級15-20.5kcps，購自Aldrich Chemical Co.)來制備無紙的樣品。然后，將所述混合物加入至150克水中，并在高處摻混15秒鐘，形成漿液。然后將所述漿液傾倒入約12″×12″×1/2″的模具中。15分鐘后從模具中取出樣品，將其放入45℃的對流加熱爐中48小時。然后取出樣品并將其切割為5″×2″。計(jì)算試樣的密度，并在Instron機(jī)械測試系統(tǒng)上用以前所描述的方法測試撓曲強(qiáng)度和起釘阻力。所述板的平均密度為0.63g/cc，撓曲強(qiáng)度為545psi，起釘阻力為78磅，通過了ASTM的起釘要求。
高粘度等級、表面處理過的HEMC。通過使用以下的步驟制備無紙的壁板首先，干混合150克β-半水合硫酸鈣與0.2克粉狀石膏及3克表面處理(延緩溶解)過的HEMC(15-20.5kcps，購自Aldrich Chemical Co.)。在500毫升的Waring混合器中，將干組分加入至162克自來水中，形成漿液。低速摻混漿液15秒鐘。然后，立刻將漿液倒入7″×2″×1/2″的模具中，20分鐘后取出。將樣品放入45℃的對流加熱爐中干燥至少36小時。從爐中取出樣品后，將其裁減為5″長，稱重并標(biāo)出尺寸。按照這種程序制備的試樣密度為0.80g/cc，撓曲強(qiáng)度為975psi，且起釘阻力為180磅，超過了ASTM標(biāo)準(zhǔn)對于1/2英寸壁板的撓曲強(qiáng)度和起釘阻力的要求。
高粘度等級、表面處理過的HEMC。通過使用以下的步驟制備無紙的壁板首先，干混合150克β-半水合硫酸鈣與0.2克粉狀石膏及3克表面處理過的HEMC(15-20.5kcps，購自Aldrich Chemical Co.)。在500毫升的Waring混合器中，將干組分加入至150克自來水中，形成漿液。低速摻混漿液15秒鐘。然后立刻將漿液倒入7″×2″×1/2″的模具中，20分鐘后取出。將樣品放入45℃的對流加熱爐中干燥至少36小時。在從爐中取出樣品后，將其切割為5″長，稱重并標(biāo)出尺寸。按照這種程序制備的試樣密度為0.85g/cc，撓曲強(qiáng)度為989psi，且起釘阻力為203磅，超過了ASTM標(biāo)準(zhǔn)對1/2英寸壁板撓曲強(qiáng)度和起釘阻力的要求。
雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)其具體的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但很多其它的變化和改良及其它應(yīng)用對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言都是顯而易見的。因此，優(yōu)選的是，本發(fā)明不是僅由這里所具體公開的內(nèi)容限制的，而是僅由所附權(quán)利要求來限制的。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)壁板芯體，該壁板芯體包含水；和干組分，其中所述干組分包含β-半水合硫酸鈣粉末及粉末添加劑，所述干組分被混合在一起，并與水混合，形成漿液并使所述β-半水合硫酸鈣粉末水合，其中所述的粉末添加劑為不同于CMC的纖維素醚，且在干燥后，所選纖維素醚的粘度等級為至少約100cps，同時分子量為至少約20,000。
2.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HPC、HEC、MC、HPMC、EHEC、EHPC或HEMC。
3.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HPMC。
4.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HEMC。
5.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HEC。
6.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的壁板芯體基本上不含粘土。
7.權(quán)利要求4的壁板芯體，其中所述的壁板芯體基本上不含粘土。
8.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為MC。
9.權(quán)利要求8的壁板芯體，其中所選的MC粘度等級為至少約400cps。
10.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中這樣選擇水相對于干組分的量，使所述壁板芯體的平均密度小于0.8g/cc。
11.權(quán)利要求10的壁板芯體，其中所述混合導(dǎo)致粉末添加劑分散在整個β-半水合硫酸鈣粉末中，由此所述的粉末添加劑均勻分散在壁板芯體中。
12.權(quán)利要求10的壁板芯體，其中所述壁板芯體的密度為0.45g/cc至0.7g/cc。
13.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)為至少0.5重量％。
14.權(quán)利要求13的壁板芯體，其中這樣選擇添加劑及選擇添加劑的量，使加入的添加劑連續(xù)地增加所述壁板芯體的起釘阻力。
15.權(quán)利要求13的壁板芯體，其中所選的添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)為不大于3重量％。
16.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述纖維素醚的取代度小于1.8。
17.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述的添加劑為表面處理過的，以延緩溶解。
18.一種壁板芯體，該壁板芯體包含β-半水合硫酸鈣粉末和添加劑水溶液，其中所述β-半水合硫酸鈣粉末與水溶液混合，形成漿液并使所述β-半水合硫酸鈣粉末水合，其中所述添加劑水溶液包含水和溶解在水中的添加劑，所述添加劑為不同于CMC的纖維素醚，所選纖維素醚的粘度等級為至少約100cps，同時分子量為至少約20,000，所選的水量使所述壁板芯體密度小于0.8g/cc。
19.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HEC、MC、HPMC、EHEC、EHPC或HEMC，所選纖維素醚的粘度等級為至少約400cps。
20.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HPMC。
21.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HEMC。
22.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為HEC。
23.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述壁板芯體的密度為0.4g/cc至0.7g/cc。
24.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的壁板基本上不含粘土。
25.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為粘度等級為至少約400cps的MC。
26.權(quán)利要求25的壁板芯體，其中所述的纖維素醚為分子量為至少約40,000的MC。
27.權(quán)利要求25的壁板芯體，其中所選的水量使所述壁板芯體的密度小于0.75g/cc。
28.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中所選的纖維素醚粘度等級小于約100,000cps。
29.權(quán)利要求18的壁板芯體，其中添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)為至少0.5重量％。
30.權(quán)利要求29的壁板芯體，其中這樣選擇添加劑及選擇添加劑的量，使加入的額外添加劑連續(xù)地增加所述壁板芯體的起釘阻力。
31.權(quán)利要求29的壁板芯體，其中所選添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)為不大于3重量％。
32.權(quán)利要求31的壁板芯體，其中這樣選擇添加劑及選擇添加劑的量，使加入的額外添加劑連續(xù)地增加所述壁板芯體的起釘阻力。
33.一種壁板，其包含權(quán)利要求1的壁板芯體和至少一種面板。
34.權(quán)利要求33的壁板，其中所述的至少一種面板為紙。
35.權(quán)利要求34的壁板，其中所述的紙為纖維增強(qiáng)的。
36.權(quán)利要求33的壁板，其中所述的至少一種面板為聚合物層。
37.權(quán)利要求36的壁板，其中所述的聚合物層為在現(xiàn)場形成的。
38.權(quán)利要求33的壁板，其中所述的至少一種面板為裝飾性的。
39.一種制造壁板芯體的方法，該方法包含將β-半水合硫酸鈣粉末與粉末添加劑混合在一起，直到所述的粉末添加劑被分散在整個β-半水合硫酸鈣粉末中，其中所述粉末添加劑是不同于CMC的纖維素醚，且所述的纖維素醚的分子量為至少約20,000，粘度等級為至少約200cps；將一定量的水加入至β-半水合硫酸鈣粉末與粉末添加劑的混合物中，所述的水量使所得壁板芯體的密度小于0.8g/cc；通過混合β-半水合硫酸鈣粉末與粉末添加劑的混合物與水而形成漿液；擠出所述的漿液；使擠出物成型為伸長片材；和使所述的漿液凝固，其中至少一部分的β-半水合硫酸鈣粉末被水合。
40.權(quán)利要求39的方法，其中加料、形成和擠出的步驟為連續(xù)的。
41.一種制造壁板芯體的方法，該方法包括將添加劑溶解在水中形成水溶液，其中所述粉末添加劑是不同于CMC的纖維素醚，且所述纖維素醚的分子量為至少約20,000，粘度等級為至少約200cps；將一定量的干組分加入至一定量的所述水溶液中，使所得壁板芯體的密度小于0.8g/cc，其中所述的干組分包括β-半水合硫酸鈣粉末；通過混合β-半水合硫酸鈣粉末與粉末添加劑的混合物與水而形成漿液；擠出所述的漿液；使擠出物成型為伸長片材；和使所述的漿液凝固，其中至少一部分的β-半水合硫酸鈣粉末被水合。
42.權(quán)利要求41的方法，其中加料、形成和擠出的步驟為連續(xù)的。
43.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所選纖維素醚的粘度等級為至少約400cps，同時分子量為至少約40,000。
44.權(quán)利要求43的壁板芯體，其中添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)為至少0.5重量％。
45.權(quán)利要求44的壁板芯體，其中添加劑相對于β-半水合硫酸鈣粉末的重量百分?jǐn)?shù)小于3重量％。
46.權(quán)利要求33的壁板，其中至少一種面板為玻璃墊。
47.權(quán)利要求33的壁板，其中所述壁板的密度為0.45g/cc至0.7g/cc。
48.權(quán)利要求1的壁板芯體，進(jìn)一步包含纖維增強(qiáng)物，其中所述的纖維增強(qiáng)物與干組分混合。
49.權(quán)利要求48的壁板芯體，其中所述的纖維增強(qiáng)物為纖維素纖維。
50.權(quán)利要求48的壁板芯體，其中所述的纖維增強(qiáng)物為玻璃纖維、聚合物纖維和碳纖維中的一種。
51.權(quán)利要求48的壁板芯體，其中所述的纖維增強(qiáng)物為聚酯纖維和尼龍纖維中的一種。
52.權(quán)利要求48的壁板芯體，其中所述的纖維增強(qiáng)物具有伸長軸，所述伸長軸按擠出的方向定向。
53.權(quán)利要求1的壁板芯體，其中所述壁板芯體的表面阻止霉菌的發(fā)展，所述壁板芯體在溫度為32℃、保持濕度為90％的環(huán)境內(nèi)暴露在霉菌孢子下24天后，沒有跡象顯示有霉菌的生長。
54.權(quán)利要求33的壁板，其中所述壁板的表面阻止霉菌的發(fā)展，所述壁板在溫度為32℃、保持濕度為90％的環(huán)境內(nèi)暴露在霉菌孢子下24天后，沒有跡象顯示有霉菌的生長。
55.一種增強(qiáng)壁板芯體，該壁板芯體包含水；和干組分，其中所述干組分包含β-半水合硫酸鈣粉末及粉末添加劑，所述干組分被混合在一起，并與水混合，形成漿液并使所述β-半水合硫酸鈣粉末水合，其中所述的粉末添加劑為取代度范圍為1.2至1.6的甲基纖維素，在干燥后，所述壁板芯體的平均密度小于0.8g/cc。
全文摘要
從漿液制備增強(qiáng)壁板芯體，該漿液包含β－半水合硫酸鈣、不同于CMC的纖維素醚添加劑和一定量水的混合物，該量足以形成漿液，該漿液導(dǎo)致壁板的密度小于0.8g/cc。β－半水合硫酸鈣通過水而水合，形成由纖維素醚添加劑增強(qiáng)的壁板芯體。與具有相同的密度未增強(qiáng)的壁板相比，所選擇的分子量為至少約20,000、粘度等級為至少約100cps的纖維素醚給增強(qiáng)壁板芯體帶來改善的起釘阻力和更大的撓曲強(qiáng)度。該增強(qiáng)壁板芯體可用于例如減少了紙的壁板和/或輕質(zhì)壁板。
文檔編號E04C2/04GK1738780SQ200380108652
公開日2006年2月22日 申請日期2003年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者克里斯托弗·D·塔格, 雅各布·弗里亞斯·波洛克, 倫納德·托里斯, 戴維·S·索恩 申請人:創(chuàng)新建材