專利名稱：增強抗永久變形的石膏組合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及石膏組合物。更具體地，本發(fā)明涉及顯示增強抗永久變形的凝固石膏組合物。
通常地，這類石膏制品通過形成燒石膏(半水硫酸鈣和/或無水硫酸鈣)和水(和適當的其它成分)的混合物制備。混合物澆鑄到預定形狀的模具中或表面上，接著通過燒石膏與水的反應，形成結晶水化石膏基質(二水硫酸鈣)，使混合物硬化，形成凝固石膏(即，再水化)。通過預期的水化形成了凝固石膏晶體連接基質的燒石膏，由此使石膏制品中的石膏結構具有強度。通常還要輕微的加熱，以除去剩余的游離(未反應)水，獲得干制品。
這種石膏制品的一個問題在于遭受永久變形(即，下垂)，特別是在高濕度、溫度或負荷條件下。例如，水平放置的方式貯藏和使用石膏板和石膏瓦，下垂的可能性是顯著地問題。在這方面，這些產品中的凝固石膏基質不足以抗永久變形，該制品在固定制品的點之間或通過底層構件支承的點之間的區(qū)域內開始下垂。這會使它們變得難看，并在這類產品的使用中造成困難。此外，在許多應用中，石膏制品必須能夠承受負荷，例如，絕緣或冷凝負荷，沒有可察覺的下垂。
這類含凝固石膏制品的問題是它們的制造、加工和商業(yè)應用期間尺寸穩(wěn)定性差。例如，在凝固石膏制品的制造中，通常會有大量的游離(未反應)水在石膏凝固后保留在基質中。緊接著干燥凝固石膏，除去過量水，當水蒸發(fā)時基質中聯鎖的凝固石膏晶體(theinterlocking set gypsum crystals)傾向于移動相互靠近。在這方面，當水離開石膏基質的晶體空隙時，基質由于抗石膏晶體上的水施加的毛細管壓力的凝固石膏固有力的作用，傾向于收縮。當含水燒石膏中的水量升高時，尺寸穩(wěn)定性差更成問題。
即使在制成最終干燥產品之后也關心尺寸穩(wěn)定性，尤其在改變溫度和濕度含凝固石膏經受例如膨脹和收縮的條件下。例如，當暴露在高濕度和高溫度下的石膏板或瓦中石膏基質的晶體間隙吸收水分時，由于吸濕的板發(fā)生膨脹，會加劇下垂。
如果這種尺寸不穩(wěn)定性可以避免或最小化，那么會有許多優(yōu)點。例如，如果石膏板在干燥期間不收縮，那么現有的石膏板生產方法將能生產更多的產品，而且預計依賴于保持精確形狀和尺寸比例(例如，在成模和制模中使用)的石膏制品可更好的用來達到它們的目的。
因此，由前述可以理解到，本領域需要顯示增強的抗永久變形(例如，下垂)和增強的尺寸穩(wěn)定性的含凝固石膏組合物。本發(fā)明提供這樣的滿足這些需求中的至少一種的含凝固石膏組合物。本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點，以及額外的發(fā)明特征，由本文提供的發(fā)明的說明是明顯的。
一方面，本發(fā)明提供一種含凝固石膏組合物，它包括由，即至少采用燒石膏、水和增強材料形成的凝固石膏的聯鎖基體(interlocking matrix)，增強材料包括(i)一種有機多膦酸化合物，或者這類化合物的混合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或者鈉硼解石和硬硼鈣石的混合物的硼酸鹽；或者一種或多種有機多膦酸化合物和一種或多種硼酸鹽的混合物。一些實施方案中，本發(fā)明通過除其直接加入前述含水組合物之外的方式，將硼酸鹽增強材料引入含凝固石膏組合物。例如，硼酸鹽可以加入促凝劑材料中。在這方面，硼酸鹽可以以硼酸鹽和促凝劑材料，尤其，二水硫酸鈣(即，石膏晶種)碾碎混合物的形式引入含水組合物。
另一方面，本發(fā)明提供含凝固石膏組合物，它包括由，即至少采用燒石膏、水和增強材料形成的凝固石膏聯鎖基體，增強材料包括(i)一種聚羧酸化合物，或者這類化合物的混合物；和(ii)多磷酸鹽化合物或多磷酸鹽化合物的混合物。在本發(fā)明的另一方面，單獨或組合的聚羧酸化合物或多磷酸鹽化合物，可以與上述的有機多膦酸化合物或硼酸鹽，或者兩者一起使用。
又一方面，本發(fā)明提供包括凝固石膏(例如，凝固石膏聯鎖基體)的含凝固石膏組合物。在凝固后處理步驟中以增強材料處理含凝固石膏，增強材料選自(i)有機膦化合物或這類化合物的混合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或鈉硼解石和硬硼鈣石混合物的硼酸鹽；(iii)羧酸化合物或這類化合物的混合物；或者(i)、(ii)和/或(iii)的混合物。當凝固后處理時不需要干燥含凝固石膏產品，盡管可以。在本發(fā)明的凝固后處理方面，也可以采用組合一種或多種其它上述增強材料的無機磷酸鹽化合物。
還一方面，本發(fā)明提供用于包含硼酸鹽和促凝劑材料的含水燒石膏組合物的促凝劑。
參考下列優(yōu)選實施方案的詳細介紹，可以更好地理解本發(fā)明。本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明提供具有增強抗永久變形(例如，下垂)和/或增強尺寸穩(wěn)定性的含凝固石膏組合物。例如，這種含凝固石膏組合物可以是石膏板形式。
含凝固石膏組合物包括聯鎖凝固石膏基體，并且由包括水和燒石膏的混合物制備(例如，漿或懸浮液)。燒石膏可以是纖維性的或非纖維性的。優(yōu)選地，燒石膏的主要成分(例如，至少50wt.％)是非纖維性。一些實施方案中，燒石膏基本上由非纖維性燒石膏組成。此外，燒石膏可以是α半水硫酸鈣、β半水硫酸鈣、水溶性硫酸鈣無水石膏，或者它們的混合物。一些實施方案中，燒石膏的主要成分(例如，至少50wt％)是β半水硫酸鈣。一些實施方案中，燒石膏基本上由β半水硫酸鈣組成。
按照本發(fā)明，提供一種或多種增強材料，給予含凝固石膏組合物增強的抗下垂性和/或尺寸穩(wěn)定性。例如，由增強材料給予的抗下垂性有益于在整個時間內提供更穩(wěn)定形式的含凝固石膏組合物。例如，由增強材料給予的抗下垂性在克服某些鹽(例如，氯化物鹽)的存在中是有益的，這些鹽會在含水燒石膏混合物中作為雜質存在并且還會在使用期間導致下垂。此外，由增強材料給予的增強的尺寸穩(wěn)定性(例如，抗收縮性)是有益的，例如，在制備中抗干燥應力，并且因此抗收縮，以及在操作中抗尺寸膨脹。
一些實施方案中，在燒石膏水合形成凝固石膏期間(即，凝固前處理)，增強材料存在于燒石膏含水混合物中。一些凝固前處理實施方案中，適當的增強材料包括，例如，(i)有機多膦酸化合物，或其混合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或它們的混合物的硼酸鹽；或者(i)和(ii)的混合物。此外，這類實施方案隨意地包括第二增強材料，它選自，例如，(iii)聚羧酸化合物或其混合物；(iv)多磷酸鹽化合物或其混合物；或者(iii)和(iv)的混合物。本領域熟練人員會理解，在實踐本發(fā)明中，可以采用(i)-(iv)四組增強材料的增強劑的各種組合和排列。
按照本發(fā)明在一些凝固前處理中，混合入含水燒石膏混合物的增強材料包括(i)聚羧酸化合物或聚羧酸化合物的混合物；和(ii)多磷酸鹽化合物或多磷酸鹽化合物的混合物。
燒石膏水合形成凝固石膏期間，增強材料包含于或加至燒石膏含水混合物的實施方案中，在任何適當時間可以包括多種形式的增強材料。例如，增強材料，可以在水和燒石膏通常聚集混合(例如，在混合裝置中)之前或者進行時，方便地包含于，或加至含水混合物中。另一種可能是混合增強材料和生石膏，即使在其受熱形成燒石膏之前，這樣以致于燒石膏與水混合產生再水化時，增強材料已經存在了。
此外，在已經混合的燒石膏含水混合物沉積在覆蓋板上(例如，在運送帶上)之后，可將增強材料加(例如，通過噴霧)至其上。通常地，將第二覆蓋板置于沉積的混合物之上。以這種方式，在散料水合形成凝固石膏發(fā)生時，增強材料溶液滲入沉積的混合物并存在于其中。
提供增強材料的其它選擇性的方法對于本領域普通技術人員是明顯的，并且在本發(fā)明范圍內。例如，可以以增強材料預涂覆一塊或兩塊覆蓋板，例如，這樣以致于增強材料在沉積的燒石膏含水混合物接觸涂覆的覆蓋板時會溶解或遷移入混合物。
在一些選擇硼酸鹽的實施方案中，在引入所得的磨碎混合物至含水組合物之前，至少部分硼酸鹽與促凝劑材料混合并隨后磨碎。在這類實施方案中，混合并磨碎促凝劑材料，即，二水硫酸鈣和硼酸鹽。同時不希望受任何特別理論約束，確信由于磨碎，硼酸鹽附著于二水硫酸鈣促凝劑材料的外表面上，在該材料上提供至少部分的涂覆層。然而，不考慮理論，硼酸鹽和促凝劑組合，磨碎后理想地起到促凝劑的作用，并且亦使所得的石膏制品具有增強的抗下垂性。硼酸鹽作為促凝劑材料上至少部分涂層的存在，通過最小化促凝劑活性部位與濕氣(例如，貯藏期間)的相互作用，理想地保護了促凝劑的活性，從而避免額外涂覆材料(例如，糖和硼酸)的消耗和有關費用。鈉硼解石和硬硼鈣石是天然的硼酸鹽，與例如硼酸的合成材料相比能以更低的費用得到。
有益地，硼酸鹽—促凝劑材料混合物在足夠提供所得的磨碎促凝劑組合物小于5μm的中值粒度的條件下，磨碎。優(yōu)選地，磨碎的組合物進一步具有至少約7000cm2/克的表面積。美國專利3573947提供了通常有效磨碎的步驟，盡管在本發(fā)明的一些實施方案中加熱對于本文介紹的硼酸鹽涂覆促凝劑不是必需的。所得的磨碎了的促凝劑混合物接著可以以有效量加入含水燒石膏混合物，以保持控制燒石膏混合物至凝固石膏預期水平的轉化率。硼酸鹽中，鈉硼解石和硬硼鈣石特別適于這種模式的引入，前者是最優(yōu)選的。
一些實施方案中，通過處理已經形成(或者部分形成)的包含凝固石膏的含凝固石膏組合物(即，凝固后處理)，提供增強材料。在這類實施方案中，適合的增強材料包括，例如(i)有機膦化合物，或者其混合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或它們的混合物的硼酸鹽；(iii)羧酸化合物或其混合物；或者(i)、(ii)和/或(iii)的混合物。隨意地，這類實施方案包括選自例如磷酸鹽化合物或其混合物的第二增強材料。
用增強材料處理含凝固石膏組合物可以在干燥含凝固石膏組合物(例如，烘箱或窯內)除去游離(即，未反應的)水之前或之后進行。在此方面，將增強材料施加(在一種溶液中，例如含有例如約0.01％至約2％增強材料的水溶液，噴霧或浸濕)到含凝固石膏組合物上，以便獲得希望的處理。優(yōu)選地，在含凝固石膏組合物干燥之前進行這種處理。如果這種處理在含凝固石膏組合物干燥之后進行，在該處理進行之后優(yōu)選再干燥含凝固石膏組合物(例如，含凝固石膏組合物隨意再暴露于水，例如，通過浸濕)。理想地，增強材料會遷移入含凝固石膏組合物，即遷移入凝固石膏加工中采用的常規(guī)紙板。
值得注意地，根據本發(fā)明，在一些凝固石膏形成之前，增強材料能夠加入含水燒石膏混合物中，同時，也作為部分凝固石膏形成之后的處理。在此方面，按照本發(fā)明凝固前處理和凝固后處理可同時進行。例如，凝固期間(例如，僅僅形成有些凝固石膏的同時)添加增強材料就未形成凝固石膏的部分而言是凝固前處理，就形成凝固石膏的部分而言是凝固后處理。
各種將增強材料加入到最終凝固石膏制品的不同方法的組合，即，凝固前的組合(例如，和促凝劑磨碎和/或干燥加入)和/或凝固后處理的組合(一種或多種增強材料的各種組合)以提供本文介紹的種種優(yōu)點包括在本發(fā)明的范圍之內，這是可以理解的。
可以包括任何適合量的增強材料。例如，優(yōu)選選擇增強材料的數量，以獲利本發(fā)明的優(yōu)點，例如，足以給予含凝固石膏組合物預期的抗下垂性和/或尺寸穩(wěn)定性的數量。在此方面，增強材料的有效量會隨例如根據燒石膏原料中雜質(例如，氯化物陰離子等)的數量、以及選擇的增強材料的類型和其它因素變化。例如，在凝固前處理中，含水燒石膏混合物包括或添加的增強材料量以燒石膏重量計是約0.01％至約5％，和更優(yōu)選地，含水燒石膏混合物包含或添加的增強材料量以燒石膏重量計是約0.1％至2％。在凝固后處理中，實踐本發(fā)明采用的增強材料量以石膏重量計是約0.01％至5％，更優(yōu)選地，以石膏重量計為約0.1％至約2％。
在凝固前或凝固后處理過程中通過例如包括增強材料的溶液(例如，水溶液)和/或作為干燥添加劑，輸送增強材料。在經溶液輸送增強材料的情形下，選擇溶液中增強材料的濃度，以便以如上指出的待處理的燒石膏或凝固石膏重量為基準提供適當量的增強材料。就凝固后處理而言，處理溶液優(yōu)選亦具有足以徹底潤濕凝固石膏(例如，均一分布增強材料遍及石膏基質)的水。
現在參考增強材料，本發(fā)明的有機磷化合物(例如，有機膦酸鹽或膦酸)包括至少一個RPO3M2官能團，這里M是陽離子、磷或氫，R是有機官能團。對于凝固前和凝固后處理，有機多膦酸化合物的使用是優(yōu)選的，盡管按照本發(fā)明在凝固后處理中可采用有機單膦酸化合物。優(yōu)選的有機多膦酸化合物包括至少兩個膦酸鹽或離子基團，至少兩個膦酸基團，或者至少一個膦酸鹽或離子基團和至少一個膦酸基團。按照本發(fā)明凝固后處理中使用的單膦酸化合物包括一個膦酸鹽或離子基團，或者至少一個膦酸基團。
摻入有機膦化合物作為增強材料是有益的，由于已經發(fā)現這類化合物在例如潮濕的條件下給予按照本發(fā)明的含凝固石膏組合物抗下垂性。此外，有機膦化合物的摻入亦增強尺寸穩(wěn)定性，由于確信，例如，有機膦化合物有助于凝固石膏基質中晶體的結合。
顯著地，有機膦化合物的有機官能團直接與磷鍵合(即，之間無氧原子)。例如，適用于本發(fā)明的有機膦化合物包括，但不限制于，下列結構表征的化合物 或 在這些結構中，R指包含至少一個直接鍵合P原子的碳原子的有機部分，n是約1至約1000的數，優(yōu)選約2至約50的數。
有機膦化合物包括，例如，氨基三(亞甲基-膦酸)、氨基三(亞甲基-膦酸)五鈉鹽、1-羥基亞乙基-1，1-二膦酸、1-羥基亞乙基-1，1-二磷酸四鈉鹽、二亞乙基三胺五(亞甲基膦酸)五鈉鹽、二亞乙基三胺五(亞甲基膦酸)三鈉鹽、六亞甲基二胺四(亞甲基膦酸)，六亞甲基二胺四(亞甲基膦酸)鉀鹽，等等。一些實施方案中，本發(fā)明采用DEQUEST膦酸鹽(例如，DEQUEST2000，DEQUEST2006，DEQUEST2016，DEQUEST2054，DEQUEST2060S，DEQUEST2066A，等等)，商業(yè)上得自Solutia，Inc.，St.Louis，Missouri。已經發(fā)現了其它的適合的有機膦化合物的實例，例如美國專利5788857中的那些。
如果包含于凝固前處理的含水燒石膏混合物中，實施本發(fā)明制備該混合物采用的有機膦化合物的用量以燒石膏重量計，是約0.01％至約1％，并且更優(yōu)選地，以燒石膏重量計約0.05％至約0.2％。在凝固后處理中，用于本發(fā)明實施的并被輸送到含凝固石膏組合物中的有機膦化合物用量以石膏重量計，優(yōu)選約0.01％至約1％，更優(yōu)選地，以石膏重量計約0.05％至約0.2％。例如，由包括有機膦化合物的溶液(例如，水溶液)，可以輸送有機膦化合物至含凝固石膏組合物中。
羧酸化合物亦適合用于本發(fā)明作為增強材料。優(yōu)選地，羧酸化合物是水溶性的。優(yōu)選使用聚羧酸化合物，盡管按照本發(fā)明在凝固后處理中可以采用單羧酸化合物。在這方面，聚羧酸化合物包括至少兩個羧酸鹽或離子基團、至少兩個羧酸基團、或至少一個羧酸鹽或離子基團和至少一個羧酸基團。按照本發(fā)明用于凝固后處理的單羧酸化合物包括一個羧酸鹽或離子基團，或者至少一個羧酸基團。
羧酸化合物作為增強材料的摻入是有益的，由于已經發(fā)現羧酸化合物在例如潮濕條件下給予本發(fā)明凝固石膏組合物抗下垂性。此外，羧酸化合物的摻入亦增強尺寸穩(wěn)定性，由于確信例如羧基基團有助于凝固石膏基質中晶體的結合。例如，并且不是本發(fā)明的限制，聚羧酸化合物可以是聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙基丙烯酸酯等形式。在凝固后處理中，羧酸化合物可以是檸檬酸鹽的形式(例如，鹽，例如，檸檬酸鈉)。
凝固前處理中，適用于本發(fā)明的聚羧酸化合物優(yōu)選具有約100000道爾頓至約1百萬道爾頓的分子量。較高分子量的聚羧酸化合物幾乎是不希望的，由于粘度太高，而較低分子量(漸漸低于100000道爾頓)的那些是沒有什么效果的。
凝固前處理的一些實施方案中，聚羧酸化合物具有約200000至約700000道爾頓的分子量，例如約400000道爾頓至約600000道爾頓的分子量。一些實施方案中，羧酸化合物是聚丙烯酸酯，這種情形下，聚丙烯酸酯優(yōu)選具有約200000道爾頓至約700000道爾頓的分子量，更優(yōu)選約400000道爾頓至約600000道爾頓。
在凝固后處理中，羧酸化合物優(yōu)選具有約200道爾頓至約1000000道爾頓的分子量。例如，在凝固后處理的一些實施方案中，羧酸化合物具有約200道爾頓至約100000道爾頓(例如，約1000道爾頓至約100000，或約10000道爾頓至約100000道爾頓)的分子量，而其它實施方案中，羧酸化合物具有約100000道爾頓至約1百萬道爾頓的分子量(例如，約200000道爾頓至約700000，或者約400000至約600000道爾頓)。
如果包含于凝固前處理的含水燒石膏混合物中，制備該混合物的本發(fā)明實踐中采用的羧酸化合物以燒石膏重量計，是約0.01％至約5％，更優(yōu)選地，以燒石膏重量計是約0.05％至2％。在凝固后處理中，用于本發(fā)明的羧酸化合物的和被輸送至含凝固石膏組合物的羧酸化合的的量以石膏重量計，優(yōu)選約0.01％至約5％，更優(yōu)選地，以石膏重量計約0.05％至約2％。例如，通過含這種羧酸化合物的溶液(例如，水溶液)可以輸送羧酸化合物至含凝固石膏組合物。
也可包括硼酸鹽，尤其，天然的鈉硼解石(NaCaB5O9·8H2O)和硬硼鈣石(Ca2B6O11·5H2O)，或者鈉硼解石和硬硼鈣石的混合物作為增強材料。一些實施方案中，優(yōu)選鈉硼解石，部分上歸因于其相對低的價格。值得注意的是，硼酸鹽不完全溶于水。令人驚奇地，即使這類是聚硼化合物的半溶硼酸鹽，按照本發(fā)明產生預期程度的作用。這甚至是更驚奇地，由于其它完全可溶的含硼材料，例如硼酸，是單硼化合物，產生很少的預期效果，并且不適用于本發(fā)明的范圍。這些硼酸鹽作為增強材料的摻入是有益的，由于已經發(fā)現它們給予含凝固石膏材料抗下垂性，即使在含水燒石膏混合物中含有雜質例如氯化物的條件下。這種發(fā)現是有意義的，由于它在凝固石膏產品(例如墻板)的生產中允許使用較低和較少費用、級別的燒石膏，對抗下垂性不具有任何顯著的副作用。進一地，硼酸鹽不會顯著地阻礙含凝固石膏組合物的形成。
在凝固前處理方法中，硼酸鹽可以粉末和/或溶液(例如水溶液)形式加入。一些實施方案中，例如，如先前介紹的，硼酸鹽可在其與二水硫酸鈣促凝劑磨碎之后加入。同樣，一些實施方案中，采用兩種技術加入硼酸鹽。
如果包含于凝固前處理的含水燒石膏混合物中，在本發(fā)明實踐中加入該混合物的硼酸鹽量以燒石膏重量計，優(yōu)選約0.1％至約2％，并且更優(yōu)選地，以燒石膏重量計約0.2％至約0.5％。在凝固后處理中，在本發(fā)明實踐中用于處理凝固石膏的硼酸鹽數量以石膏重量計優(yōu)選約0.1％至約2％，以石膏重量計，更優(yōu)選約0.2％至約0.5％。例如，通過含硼酸鹽的溶液(例如，水溶液)，硼酸鹽可以被輸送到含凝固石膏組合物。
此外，并且和本發(fā)明一致，無機磷酸鹽可與本文介紹的其它增強材料組合。尤其，優(yōu)選無機多磷酸鹽化合物，盡管按照本發(fā)明在凝固后處理中可以采用無機單磷酸鹽化合物。在這方面，無機多磷酸鹽選自，例如，縮合磷酸，每個包括兩個或多個磷酸單元、縮聚磷酸鹽或離子，每個包括兩個或多個磷酸鹽單元、或者包括一個或多個磷酸單元和一個或多個磷酸鹽或離子單元的化合物。按照本發(fā)明用于凝固后處理的單磷酸鹽化合物包括一個磷酸單元或者一個磷酸鹽或離子單元。
這類無機磷酸鹽的摻入就凝固后處理而言，進一步增強了含凝固石膏組合物的抗下垂性和其它機械強度(例如，抗壓強度)。一些實施方案中，無機磷酸鹽是下列鹽或其陰離子部分的形式三偏磷酸鹽化合物(例如，鹽，例如三偏磷酸鈉、三偏磷酸鈣、三偏磷酸鈉鈣、三偏磷酸鉀、三偏磷酸鋰等)，具有6-27個重復磷酸鹽單元的六偏磷酸鈉、具有500-3000(優(yōu)選，1000-3000)個重復單元的多磷酸銨、焦磷酸四鉀、三多磷酸三鈉二鉀、三多磷酸鈉、焦磷酸四鈉、酸性焦磷酸鈉(sodium acid pyrophosphate)、或具有2或多個重復磷酸單元的多磷酸。一些實施方案中，無機磷酸鹽化合物包括三偏磷酸鈉和/或多磷酸銨。用于凝固后處理實施方案的單磷酸鹽化合物(也稱為正磷酸鹽化合物)的例子是磷酸二氫一鈉、磷酸二氫一鉀和磷酸。
如果在凝固前處理中包含于含水燒石膏中，用于本發(fā)明實施中或加入該混合物的這類無機磷酸鹽的數量以燒石膏重量計，優(yōu)選是約0.004％至約2％，并且更優(yōu)選地，以燒石膏重量計約0.04％至約0.16％。凝固后處理中，用于本發(fā)明實施的這類無機磷酸鹽數量以石膏重量計，優(yōu)選是約0.004％至約2％，并且更優(yōu)選地，以石膏重量計是約0.04％至約0.16％。例如，通過包含磷酸鹽的溶液(例如，水溶液)，可輸送無機磷酸鹽至含凝固石膏組合物。
此外，在任何增強材料阻礙凝固石膏形成的水合速率(并且不利地影響含凝固石膏組合物的強度)的程度上，例如，舉例說明，就有機膦化合物、羧酸化合物或磷酸鹽(除了多磷酸銨或三偏磷酸化合物之外)而論，通過包含于混合物中的促凝劑，尤其二水硫酸鈣，可以改善或者甚至克服任何這種阻礙。當然，也可包含其它的本領域公知的促凝劑，例如硫酸鋁、硫酸氫鈉、硫酸鋅等等。
按照本發(fā)明，本發(fā)明的含凝固石膏組合物可以是石膏板形式，所述板優(yōu)選具有根據ASTM C473-95測定每兩英尺(≈0.61m)小于約0.1英寸(≈0.254cm)的抗下垂性。此外，在其制備期間(例如，干燥凝固石膏化合物時)石膏板優(yōu)選顯示每四英尺寬(≈1.22cm)小于約0.02英寸(≈0.51cm)和每12英尺(≈3.66m)長小于約0.05英寸(≈0.127cm)的收縮。
石膏組合物也可包括隨意的添加劑，例如，但不限于，增強添加劑、粘合劑(例如，如乳膠的聚合物)、臌脹的珍珠巖、水泡沫形成的氣泡、如預膠凝化淀粉的淀粉、促進劑、抑制劑(retarding agent)、防水劑、殺菌劑、殺真菌劑、殺生物劑、纖維氈片(例如，在包括本發(fā)明石膏組合物的石膏板上)、以及其它本領域普通技術人員會理解到的添加劑，或者它們的組合。
如果希望，本發(fā)明石膏組合物可包括增強添加劑，以便在加工期間增強強度。例如，增強添加劑可包括纖維素纖維(例如，紙纖維)、礦物纖維、其它合成纖維等，或者它們的組合?？梢砸匀魏芜m當量提供增強添加劑，例如紙纖維。例如，一些實施方案中，以凝固石膏組合物重量計，增強添加劑含量是約0.1％至約5％。
為了促進密度減少，本發(fā)明的凝固石膏組合物可隨意包括含水泡沫形成的氣泡。尤其，制備期間可將發(fā)泡劑加入含水燒石膏混合物。希望發(fā)泡劑的主要部分與含水燒石膏漿料接觸時產生相對不穩(wěn)定的泡沫。同樣，希望發(fā)泡劑的次要部分產生相對穩(wěn)定的泡沫。例如，一些實施方案中，水泡沫由至少一種具有下式的發(fā)泡劑形成CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)YOSO3-M+。
具體地，M是陽離子，X是2至約20的整數，Y是0至約10的整數并且至少一種發(fā)泡劑的至少約50重量百分比中是0。優(yōu)選地，Y在至少一種發(fā)泡劑的約86至約99重量百分比中是0。
此外，石膏組合物隨意包括淀粉，例如預膠凝化淀粉或酸改性淀粉。預膠凝化淀粉的摻入最小化或避免升高濕度條件下紙脫層的風險。本領域的普通技術人員會理解預膠凝化原料淀粉的方法，例如，在至少185F(≈85℃)的溫度下，在水中煮原料淀粉，或者其它方法。預膠凝化淀粉適當的例子包括，但并不限于，PCF1000淀粉，由LauhoffGrain公司商業(yè)銷售以及AMERIKOR 818和HQM PREGE淀粉，均由Archer Daniels Midland公司商業(yè)銷售。如果含有，預膠凝化淀粉可以以任意適當量存在。例如，如果含有，預膠凝化淀粉含量以組合物重量計是約0.1％至5％。
石膏組合物也可包括纖維氈片(fibrous mat)。纖維氈片是紡織的或無紡的。希望地，纖維氈片由水合期間能夠提供石膏組合物膨脹的材料組成。例如，纖維氈片可以是紙氈片、纖維玻璃氈片或其它的合成纖維氈片。一些實施方案中，纖維氈片是無紡的并且包括纖維玻璃。希望地，纖維氈片可以被應用至表面和/或形成期間摻入石膏澆鑄體，以便在生產、處理和現場應用期間改善干燥石膏澆鑄體的整體性和處理能力。此外，在最終的產品中(例如，天花板瓦)可采用纖維氈片作為暴露的表面，并且，因而，提供預期平滑的審美愉悅的整體外觀。如果提供，纖維氈片具有任何適當的厚度。例如，一些實施方案中，纖維氈片具有約0.003英寸(≈0.00762cm)至約0.15英寸(≈0.381cm)的厚度。
下列實施例進一步說明本發(fā)明，但是，當然，不應被解釋為任何限制其范圍的方式。在以下描述的實施例中，下列縮寫具有指示含義OPPC表示有機多膦酸化合物；OPPC1是氨基三(亞甲基-膦酸)；OPPC2是氨基三(亞甲基-膦酸)，五鈉鹽；OPPC3是1-羥基亞乙基-1，1-二膦酸四鈉鹽；OPPC4是六亞甲基二胺四(亞甲基膦酸)，鉀鹽；OPPC5是二亞乙基三胺五(亞甲基膦酸)；OPPC6是二亞乙基三胺五(亞甲基膦酸)，三鈉鹽；PAA表示聚(丙烯酸)；PAA1是分子量約2000道爾頓的聚(丙烯酸)；PAA2是分子量約30000道爾頓的聚(丙烯酸)；PAA3是分子量約250000道爾頓的聚(丙烯酸)；PAA4是分子量約450000道爾頓的聚(丙烯酸)；PAA5是分子量約750000道爾頓的聚(丙烯酸)；PAA6是Belclene 283(商業(yè)上購自FMC Corporation，Princeton，New Jersey)；PAA7是Belclene 200(商業(yè)上購自FMC Corporation)；和PAA8是Belsperse 161(商業(yè)上購自FMC Corporation)。
實施例1抗永久性變形(實驗室石膏板抗下垂性)實驗室中，根據本發(fā)明制備含石膏板試樣，并與采用本發(fā)明范圍外的方法和組合物制備的試樣板的抗永久性變形進行對比。
通過在5升WARING混合器中以低速混合混合料10秒制備試樣1.5kgβ半水硫酸鈣；2g促凝劑，它包括糖涂層的二水硫酸鈣細研磨顆粒以保持效率并如美國專利3573947中說明的加熱，該專利的公開本文一并參考；2升自來水；和0g添加劑(對照試樣)，1.5g有機多膦酸化合物，或1.5g其它的添加劑。將由此形成的漿料澆鑄到盤槽中，制備石膏平板試樣，每件試樣的大小約為6×24×1/2英寸。在半水硫酸鈣凝固成石膏(二水硫酸鈣)后，在112F(≈44.4℃)爐中干燥該板，直到它們的重量停止改變。記錄最終測定的每塊板的重量。為了避免在潮濕條件下覆蓋紙對石膏板下垂性能的影響，在這些板上未貼紙貼面。
然后將每塊干燥板平放在兩個1/2英寸寬支承體上的水平位置上。支承體的長度延伸支承滿板的整個寬度，在板的每一端有一個支承體。在90°F(≈32.2℃)的溫度和90％相對濕度的連續(xù)環(huán)境條件下，使該板在這種位置保持一段特定的時間(該實施例為4天)。然后通過測定板表面中心到板的頂面端部邊緣之間的假想水平面之間的距離(以英寸計)來確定板的下垂程度。認為板的凝固石膏基質的抗永久變形與板的下垂程度成反比。因此，下垂程度越大，含凝固石膏基質的板的相對抗永久性變形就越低。
表I報道了抗永久性變形的試驗，包括添加劑的組成和濃度(以半水硫酸鈣的重量百分比計)，板的最終重量和測定的下垂程度。
在這些實驗室試驗中，按照ASTM C473-95加濕偏差試驗(Humidified Deflection Test)測定下垂偏差，不同的是試驗石膏板不包括壁板紙，并且不同的是試驗板是0.5英尺(≈0.154m)×2英尺(≈0.61m)，而不是1英尺(≈0.305m)×2英尺(≈0.61m)。然而，已經發(fā)現實驗室制備板的下垂偏差與ASTM C 473-95試驗介紹的1英尺(≈0.305m)×2英尺(≈0.61m)板的下垂偏差相關，并且，如果存在任何差異，差異會是這種下垂偏差大于實驗室制備板。因而，如果按照本發(fā)明的實驗室制備板符合預期的抗下垂標準，按照本發(fā)明依照ASTM C 473-95制備的板也會符合預期的抗下垂標準。
表I

表I的數據說明與對照板相比，按照本發(fā)明采用有機多膦酸化合物制備的板更加抗下垂(因此更加抗永久性變形)。此外，以幾種有機多膦酸化合物制備的板每兩英尺(≈0.61m)板長具有小于0.1英寸(≈0.254cm)的下垂，因此對于人眼是不可察覺的。其它的有機多膦酸化合物，例如OPPC3和OPPC5，與對照組相比時顯示下垂上顯著的改善。
可以理解在一定程度上使用促凝劑，以克服由有機多膦酸化合物引起的緩凝和強度削減作用。在以上說明的例子中，沒有進行克服這些作用的嘗試。
然而，如果加入促凝劑克服這些作用，于是希望以任意的有機多膦酸化合物制備的板顯示每兩英尺(≈0.61m)板長小于0.1英寸(≈0.254cm)的下垂。
實施例2本實施例說明采用鈉硼解石作為適于石膏板抗下垂性改善的增強材料。采用鈉硼解石作為自身的添加劑，并且與包括如上所述的二水硫酸鈣細碾磨顆粒的促凝劑磨碎，如實施例1所述的測定抗永久變形性。
此外，在存在高含量的氯化物鹽雜質的條件下，也說明采用鈉硼解石的有益效果。如實施例1所述制備石膏板，不同的是氯離子與鈉硼解石添加劑一起引入混合物。按照上述有關實驗室制備板的ASTM C 473-95步驟測試下垂偏差。
這些實施例中，通過與促凝劑材料的磨碎混合物中的添加，鈉硼解石加入含水燒石膏漿料的量約是燒石膏的0.05wt.％。在表II的最后的實施例中，加入含水燒石膏漿料的總鈉硼解石約是燒石膏的0.15wt.％(0.05wt.％為含促凝劑材料的磨碎混合物形式，加另外添加的0.10wt.％)。
表II

表II的數據說明采用鈉硼解石時，獲得的抗下垂性的增加(根據下垂偏差規(guī)定)，鈉硼解石的加入方式是以鈉硼解石和二水硫酸鈣的研磨混合物作為促凝劑加入或者作為單獨的添加劑加入，或者以干燥粉末或者以水溶液加入。數據亦顯示硼酸鹽、鈉硼解石提供下垂偏差增加，即使當含水燒石膏混合物(它或許以相對低質量的燒石膏存在)中存在顯著量的氯陰離子雜質(例如，NaCl)，并且當最終石膏板制品中水分吸引較高時。
實施例3
二水硫酸鈣的凝固后處理在本發(fā)明一些優(yōu)選的實施方案中，以增強材料的水溶液處理二水硫酸鈣澆鑄體，提高含凝固石膏制品干燥之后的抗永久性變形性(例如，抗下垂性)和尺寸穩(wěn)定性。更具體地，已經發(fā)現，以種種按照本發(fā)明的增強材料處理二水硫酸鈣，可提高抗永久性變形性(例如，抗下垂性)和尺寸穩(wěn)定性。因此，加入凝固石膏增強材料的實施方案提供制備改進石膏制品的新的組合物和方法，包括但不限于，板、鑲板、石膏、瓦、石膏/纖維素纖維復合材料，等等。因此，需要嚴格控制抗下垂性的任意石膏基制品會受益于本發(fā)明的實施方案。
凝固石膏的后處理的兩種示范性方案如下。1)2)灰泥和其它添加劑(干基)加水制備漿料灰泥和其它添加劑(干基)加水制備漿料↓↓發(fā)泡(降低重量或密度) 混合/攪拌(濕法)↓↓石膏澆鑄/最終凝固和干燥 石膏澆鑄/最終凝固↓↓以增強材料進行后處理(噴霧或浸濕) 以增強材料進行后處理(噴霧表面)↓↓再干燥石膏澆鑄體干燥石膏制品↓↓改進的石膏制品改進的石膏制品在上述的兩種方法中，優(yōu)選將增強材料水溶液加至凝固石膏中。
以增強材料的水溶液形式將增強材料噴霧在凝固石膏組合物上。增強材料溶液數量基于二水硫酸鈣(凝固石膏)的重量。
如實施例1所述制備實驗室制備的板，在實驗室板中進行ASTMC 473-95加濕下垂偏差試驗，同樣如實施例1解釋。
表III說明了當增強材料或添加劑是有機多膦酸化合物時在下垂偏差中獲得的改進。表IV說明當添加劑是聚(丙烯酸)時獲得的下垂偏差的改進。表V說明當添加劑是檸檬酸鈉、包括至少兩個羧酸鹽基團時的羧酸化合物時獲得的下垂偏差的改進。
表III

表III的數據說明了有機多膦酸鹽應用于凝固石膏產生的板下垂偏差的改進。所有的板顯示當有機多膦酸鹽按照本發(fā)明用于凝固后處理時，低于預期的每兩英尺(≈0.61m)板長0.1英寸(≈0.254cm)的良好抗下垂性。
表IV

表IV說明羧酸鹽在凝固后處理中提供凝固石膏組合物增強的強度。這些數據顯示可溶性羧酸鹽，即PAA1-4和PAA6以及PAA7的使用更有益于并不太溶于水的羧酸鹽，例如PAA5，盡管PPA5的后處理提供比對照組改進的抗下垂性。
表V

表V說明凝固后處理的意想不到的優(yōu)點。通常認為檸檬酸鈉是凝固的抑制劑，當它用作預處理添加劑時它的使用負面影響強度和抗下垂性。然而，凝固后處理時，已經發(fā)現檸檬酸鈉增強抗下垂性。
所有本文引用的文獻，包括專利、專利申請和公開，它們的整體通過參考并入本文。
盡管已經基于優(yōu)選的實施方案重點描述了本發(fā)明，對本領域普通技術人員來說，采用優(yōu)選實施方案的變化，以及實施除了如本文具體描述之外的變化是顯而易見的。因此，本發(fā)明包括包含在如下權利要求規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍內的一切修正。
權利要求
1.一種含凝固石膏組合物，它包括由至少燒石膏、水和增強材料形成的凝固石膏的聯鎖基體，該增強材料包括(i)一種有機多膦酸化合物，或者有機多膦酸化合物的混合物；或(ii)包括鈉硼解石、硬硼鈣石、或者鈉硼解石和硬硼鈣石的混合物的硼酸鹽；或者(i)和(ii)的混合物。
2.權利要求1的組合物，其中所述組合物進一步由包括聚羧酸化合物或聚羧酸化合物的混合物的第二增強材料形成。
3.權利要求1的組合物，其中所述組合物進一步由包括多磷酸鹽化合物或多磷酸鹽化合物的混合物的第三增強材料形成。
4.權利要求1的組合物，其中所述組合物進一步由促凝劑形成。
5.權利要求4的組合物，其中至少部分硼酸鹽被負載在促凝劑上。
6.權利要求1的組合物，其中以燒石膏的重量為基準，凝固石膏由約0.01wt.％至約5wt.％的增強材料形成。
7.權利要求2的組合物，其中所述聚羧酸化合物具有約100,000道爾頓至約1百萬道爾頓的分子量。
8.權利要求2的組合物，其中所述聚羧酸化合物選自聚丙烯酸酯、聚乙基丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯。
9.權利要求3的組合物，其中所述多磷酸鹽化合物選自三偏磷酸鹽化合物、具有6-27個重復磷酸鹽單元的六偏磷酸鈉、多磷酸銨、焦磷酸四鉀、三多磷酸鈉、焦磷酸四鈉、酸性焦磷酸鈉和具有2或多個重復磷酸單元的多磷酸。
10.權利要求3的組合物，其中所述第三增強材料是三偏磷酸鹽化合物。
11.權利要求3的組合物，其中所述第三增強材料是多磷酸銨。
12.一種含凝固石膏組合物，它包括由至少燒石膏、水和增強材料形成的凝固石膏的聯鎖基體，該增強材料包括(i)多羧酸化合物，或者多羧酸化合物的混合物；和(ii)多磷酸鹽化合物或者多磷酸鹽化合物的混合物。
13.一種包括凝固石膏的含凝固石膏的組合物，其中所述凝固石膏由液體和增強材料的混合物處理，該增強材料包括(i)有機膦酸化合物或有機膦酸化合物的混合物；(ii)包括鈉硼解石、硬硼鈣石或鈉硼解石和硬硼鈣石混合物的硼酸鹽；或者(iii)羧酸化合物或羧酸化合物的混合物；或者(i)、(ii)、和/或(iii)的混合物。
14.權利要求13的含凝固石膏組合物，其中所述組合物進一步由包括磷酸鹽化合物或磷酸鹽化合物的混合物的第二增強材料處理。
15.權利要求1或13的任何組合物，其中所述增強材料是有機膦酸化合物。
16.權利要求15的組合物，其中所述有機膦酸化合物是氨基三(亞甲基膦酸)、氨基三(亞甲基-膦酸)五鈉鹽、1-羥基亞乙基-1，1-二膦酸、1-羥基亞乙基-1，1-二膦酸四鈉鹽、二亞乙基三胺五(亞甲基膦酸)五鈉鹽、二亞乙基三胺四(亞甲基膦酸)三鈉鹽、六亞甲基二胺四(亞甲基膦酸)或六亞甲基二胺四(亞甲基膦酸)鉀鹽。
17.權利要求1或13的任何組合物，其中所述硼酸鹽是鈉硼解石。
18.權利要求1或13的任何組合物，其中所述硼酸鹽是硬硼鈣石。
19.權利要求1或13的任何組合物，其中所述羧酸化合物是聚羧酸化合物。
20.權利要求19的的組合物，其中所述聚羧酸化合物具有約200道爾頓至約1百萬道爾頓的分子量。
21.權利要求13的組合物，其中所述羧酸化合物選自聚丙烯酸酯、聚乙基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯和檸檬酸鹽。
22.權利要求1或19的組合物，其中所述聚羧酸化合物是聚丙烯酸酯。
23.權利要求14的組合物，其中所述第二增強材料是多磷酸鹽化合物。
24.包括權利要求1或13的任一項的組合物的石膏板。
25.權利要求24的石膏板，其中所述石膏板具有按照ASTMC473-95測定的每兩英尺所述板長小于約0.1英寸的抗下垂性。
26.權利要求24的石膏板，其中所述石膏板具有每四英尺寬小于約0.02英寸和每十二英尺長小于約0.05英寸的收縮。
27.用于含水燒石膏組合物的促凝劑，包括硼酸鹽和促凝劑材料。
28.權利要求27的促凝劑，其中所述促凝劑材料是二水硫酸鈣。
29.權利要求27的促凝劑，其中所述硼酸鹽和促凝劑材料是以磨碎的混合物提供。
30權利要求29的促凝劑，其中所述磨碎的混合物具有小于約5μm的中值粒度。
31.權利要求29的促凝劑，其中所述磨碎的混合物具有至少約7,000cm2/克的表面積。
全文摘要
公開了一種含凝固石膏組合物。一方面，含凝固石膏組合物包括由至少燒石膏、水和增強材料形成的含凝固石膏的聯鎖基體。增強材料選自(i)有機多膦酸化合物，或它們的混合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或它們的混合物的硼酸鹽；(i)和(ii)的混合物。另一方面，以增強材料處理這種含凝固石膏組合物，增強材料選自(i)有機膦酸化合物；(ii)選自鈉硼解石、硬硼鈣石或它們的混合物的硼酸鹽；(iii)羧酸化合物或它們的混合物；或(i)、(ii)和/或(iii)的混合物。
文檔編號C04B22/14GK1400958SQ01805133
公開日2003年3月5日 申請日期2001年4月11日 優(yōu)先權日2000年4月25日
發(fā)明者S·維拉馬薩內尼, Q·余, M·P·謝克 申請人:美國石膏公司