專利名稱：：含有萘磺酸鹽和改性劑的石膏組合物的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及改進的石膏產品，更具體地，涉及一種改進的在低水濃度下可以流動的石膏漿體，與單獨使用萘磺酸鹽分散劑相比費用更低。
背景技術：
：由于多種原因石膏產品一般用作建筑材料，例如墻板。墻板層易于連在一起以制成任意大小和形狀的連續(xù)墻。它們易于修補且具有防火和隔音性能。裝飾面層例如墻紙或油漆，易于粘附在石膏或墻板表面以允許進行各種裝飾選擇。由全密度漿體制成的石膏產品的強度與其生產中的用水量成反比。添加到石膏漿中的一些水是用于水合煅燒石膏(也稱半水合硫酸鈣)以形成二水合硫酸鈣晶體的互鎖基質。過量的水蒸發(fā)或在干燥爐中被除掉，在曾經被水占據(jù)的基質中留下空隙。大量的水被用于流化該石膏漿時，更多和更大的空隙在產品完全干燥時保留在產品中。這些空隙降低成品產品中的產品密度和強度。在墻板生產過程中，也將泡沫漿體添加到灰泥漿體中以實現(xiàn)所需要的墻板重量。人們已經嘗試使用分散劑以減少用于制備流動漿體的水量。萘磺酸鹽分散劑可有效減少墻板生產過程中的用水量。與使用大量分散劑以實現(xiàn)大幅減少用水有關的缺點已為人所知，因為這些材料相對昂貴。在高度競爭的市場上，該組分的高昂價格會勝過這些產品提供的微薄利潤。石灰已被用在石膏中以改善其可加工性。它使石膏"感覺"良好，賦予一種使其易于鏟抹的平滑性和可塑性。由于它是堿性，石灰使一些延緩劑效率更高，增加了石膏的開放時間。最后，石膏中的石灰隨時間氧化以形成碳酸鈣，使表面硬度超過僅有石膏時可達到的硬度。美國專利No.5,718,759教導了向(3-煅燒石膏和水泥的混合物中添加硅酸鹽。在該實例中，木素磺酸鹽或萘磺酸鹽被用作減水劑。由于鈣礬石的形成，添加火山灰材料包括硅酸鹽被公認為可減少膨脹。該組合物被建議用于建筑材料，例如背襯板、地板底襯、道路修補材料、阻火材料和纖維板。Luongo在美國專利No.6,391,958中教導了一種石膏與硅酸鈉和合成的交聯(lián)粘合劑相結合的新型墻板組合物。乙酸乙烯酯聚合物是優(yōu)選的交聯(lián)粘合劑。硅酸鈉的加入減少了制備給定數(shù)量板所需的煅燒石膏的量。建筑板的重量減少，便于工人在安裝前和安裝期間移動這些板。現(xiàn)有技術沒有充分地解決-改善給定的萘磺酸鹽分散劑的效力-這個問題。改善分散劑的效力將降低分散劑的成本，保持石膏產品的合理價格。因此，本領域需要降低石膏漿中使用的分散劑用量，同時保持該漿體的流動性。分散劑用量的降低將導致節(jié)省花在分散劑上的成本。
發(fā)明內容本發(fā)明改善了這些問題和其它問題，其包括添加有效量的改性劑至石膏漿，增強了用萘磺酸鹽類型的分散劑制備的漿體的流動性。當使用一種或多種改性劑時，需要較少的分散劑以達到給定的流動性，從而降低分散劑成本。更具體地，本發(fā)明涉及一種改進的石膏漿體，其包含水、半水合硫酸鈣、萘磺酸鹽分散劑和改性劑。改性劑化學上構建為來改善萘磺酸鹽分散劑的效力。優(yōu)選的改性劑包括但不限于水泥、石灰、消石灰、蘇打灰、碳酸鹽、硅酸鹽、膦酸鹽和磷酸鹽。在本發(fā)明的另一種實施方式中，石膏板是由至少一個面層(facingsheet)和該改進的石膏漿體制成的芯制成。而本發(fā)明的另一個方面涉及一種制備該石膏漿的方法，包括選擇改性劑、混合該改性劑和萘磺酸鹽分散劑，以及添加半水合硫酸鈣。本文所述的改性劑的使用改進了分散劑在流化石膏漿中的效力。這種效力的改進是有用的，對于不同產品方式不同。在一些實施方式中，使用較少的分散劑，降低了成本以便可以制備價格更有競爭力的石膏產品。代替或除降低分散劑用量以外，改進的分散劑效力還能用于減少制備石膏漿體時的用水量。在一些產品中，過量水在烘爐或干燥爐中從產品中除去，當較少的水蒸發(fā)時，生產過程可以更節(jié)省燃料，保護了化石燃料并實現(xiàn)了成本節(jié)約。燃料節(jié)約可以基于降低干燥爐溫度或縮短在干燥爐中的保留時間。用水量的減少在一些產品例如地板中還能轉化為更高的產品密度。這導致更高的產品強度。具體實施例方式本發(fā)明的石膏漿體是用水、煅燒石膏、萘磺酸鹽類型的分散劑和改性劑制成。當用在高強度石膏產品的漿體中時，本發(fā)明的益處最明顯，但是它也可以用于使用萘磺酸鹽的任意漿體，甚至是那些已經使用低劑量的萘磺酸鹽分散劑的漿體。在該漿體中任何煅燒石膏或灰泥都是有用的，尤其是a-煅燒石膏、p-煅燒石膏、無水石膏、或其結合。優(yōu)選地，該石膏漿包含基于干固體的至少50%重量的煅燒石膏。在其它優(yōu)選實施方式中，該漿體包含至少75%、80%或90%重量的煅燒石膏。優(yōu)選的灰泥包括美國石膏公司(伊利諾伊州，芝加哥)的模制用石膏(P-煅燒石膏)和HYDROCAL⑧品牌灰泥(a-煅燒石膏)或CAS-20-4(無水石膏)。通過添加萘磺酸鹽分散劑實現(xiàn)了制備漿體的用水量的降低。不希望受理論約束時，該分散劑被認為將其自身連接到硫酸鈣上，然后聚合物上的帶電基團相互排斥，導致石膏顆粒分散和易于流動。當該漿體更易于流動時，水量可以減少并仍然獲得可流動的流體。通常，水的減少導致產品強度增加和干燥成本更低。優(yōu)選的萘磺酸鹽分散劑包括GEO特種化學品公司(賓夕法尼亞州，安布勒)的DAXAD。萘磺酸鹽是以占石膏的重量百分比的高至約0.5%，優(yōu)選約0.05°/。-0.5%活性成分使用，更優(yōu)選為約0.5%-0.25%。改性劑可以是當在石膏漿中與萘磺酸鹽分散劑結合時，可導致分散劑效力改善的任何液體的或固體的物質。改性劑本身無意成為分散劑，但有助于使分散劑更有效。例如，在分散劑的恒定濃度下，與不含改性劑的相同漿體相比，使用改性劑時獲得了更好的流動性。然而改性劑的使用中涉及的確切的化學過程尚不完全清楚，可能的機制是改性劑(例如蘇打灰)與石膏表面相互作用以幫助改善分散劑效果。對于本發(fā)明而言，改性劑可能使用任意機制以改善分散劑的效力。優(yōu)選的改性劑包括水泥、石灰(也稱生石灰或氧化*丐)、消石灰(也稱氫氧化鈣、熟石灰)、蘇打灰(也稱碳酸鈣)、碳酸鉀(也稱苛性鉀)和其它碳酸鹽、硅酸鹽、氫氧化物、膦酸鹽和磷酸鹽。優(yōu)選的碳酸鹽包括碳酸鈉和碳酸鉀。優(yōu)選的硅酸鹽是硅酸鈉。優(yōu)選的膦酸鹽是氨基三甲叉磷酸五鈉鹽，商業(yè)銷售為DEQUEST⑧2006(首諾公司，密蘇里州，圣路易斯)。當石灰或消石灰用作改性劑時，它是以基于干半水合硫酸鈣重量的約0.05%-1.0%的濃度使用。在水存在下，石灰迅速轉化為氫氧化鈣或消石灰，并且漿體的pH變?yōu)閴A性。pH的急劇上升可引起漿體化學上的很多變化。某些添加劑包括三偏磷酸鈉隨著pH上升而分解。水合作用以及當漿體用于制備墻板或石膏板時也存在一些問題。紙結合在高pH下也存在一些問題。對于與該漿體接觸的工人來說，強堿成分會刺激皮膚，應該避免接觸。pH高于約11.5時，石灰不再引起流動性的增加。因此，在一些應用中優(yōu)選保持pH低于約9以實現(xiàn)該改性劑的最佳性能。在其它用途中，例如地板，高pH有利于最大限度地減少霉菌和霉變。堿金屬氫氧化物，尤其是氫氧化鈉和氫氧化鉀被優(yōu)選用在地板和石膏中。其它優(yōu)選的改性劑包括碳酸鹽，膦酸鹽，磷酸鹽和硅酸鹽。優(yōu)選地，改性劑是以基于干半水硫酸鈣重量的不到0.25°/。的量使用。高于這個濃度，改性劑用量的增加導致分散劑效力降低。這些改性劑優(yōu)選地是以基于石膏重量的約0.05%-0.25%或約0.10%-0.25%重量使用。如果在改性劑添加至混合物之前，半水硫酸鈣被分散劑潤濕，則改性劑效果較差。因此，優(yōu)選的是在與灰泥混合之前將分散劑和改性劑合并。如果改性劑或分散劑是液體形式，優(yōu)選將該液體添加到工藝水。然后在添加半水合硫酸鈣之前，將其它改性劑或分散劑添加到該水中。只需要攪拌幾秒鐘將改性劑和分散劑混合在一起。如果改性劑和分散劑二者都是干形式，它們可混合在一起并同時加入灰泥。合并水、分散劑、改性劑和灰泥的優(yōu)選的方法在名稱為"用改性劑和分散劑制備石膏漿的方法"的美國序列號NO.11/152,323被進一步描述，在此納入作為參考。還應注意的是，當用在不同來源的石膏中時，萘磺酸鹽分散劑和改性劑反應不同。實驗室測試表明，來自不同地理區(qū)域的石膏含有不同的鹽和雜質。不希望受理論約束時，石膏中存在的雜質被認為有助于分散劑和改性劑二者的效力。存在于灰泥中的雜質是隨不同地理位置變化的鹽。很多鹽是已知的凝固促進劑或凝固延緩劑。通過影響能達到的流動性的程度，這些相同的鹽也能改變萘磺酸鹽分散劑的效力。萘磺酸鹽分散劑優(yōu)選與低鹽灰泥一起使用。由于使用了流動性增強的分散劑和改性劑以提高它們的性能，用于流化該漿體的水量與不含這些添加劑時制備的漿體相比可以減少。必須理解的是，灰泥來源、煅燒技術、分散劑族和改性劑共同作用以生產具有給定流動性的漿體。任意水量可用于制備本發(fā)明的漿體，只要該漿體具有用于所想用途的足夠的流動性。水量的變化很大，取決于灰泥的來源、如何煅燒、添加劑以及正制備的產品。對于墻板應用來說，水和灰泥的比率(WSR)可使用約0.20-0.8，優(yōu)選為約0.4-0.8，且更優(yōu)選為約0.5-0.7。在本發(fā)明的第二方面，該漿體可用于制備強度增加的石膏板或墻板。為了形成石膏板，將該漿體倒在護面材料(facingmaterial)的至少一個板層上。護面材料是石膏板工匠熟知的。多層紙是優(yōu)選的護面材料，但也可使用單層紙、厚紙板、塑料薄片和其它護面材料。其它添加劑也可添加到漿體中，像典型的用于石膏漿將要應用的特殊用途的添加劑。在本發(fā)明的一些具體實施方式中，添加劑包含于漿體中以改變最終產品的一種或多種性質。這些可選擇的添加劑是以本領域已知的方式和量使用。濃度是以每1000平方英尺成品板的量(MSF)報導。添加凝固延緩劑(高達約21b./MSF(9.8g/m2))或干燥促進劑(高達約35lb./MSF(170g/m2))以改變水合反應發(fā)生的速率。"CSA"是一種包含95%的二水合硫酸鈣和5%的糖的凝固促進劑，并加熱至250。FG21。C)以熔化該糖。CSA可購自USG公司(紹瑟德，OK工廠)，并且是根據(jù)美國專利No.3,573,947制造，在此納入作為參考。硫酸鉀是另一種優(yōu)選的促進劑。HRA是以每100磅二水合硫酸鈣、約5-25磅糖的比例，與糖一起新鮮研磨的二水合硫酸鈣。其在美國專利No.2078199中有進一步描述，在此引用作為參考。這兩者都是優(yōu)選的促進劑。另一種促進劑，稱為濕石膏促進劑或WGA，也是優(yōu)選的促進劑。濕石膏促進劑的用途和制備方法的描述在美國專利No.6,409,825中被披露，在此納入作為參考。這種促進劑包含至少一種添加劑選自有機膦酸鹽化合物、含磷酸鹽的化合物或其混合物。這種特殊的促進劑表現(xiàn)出相當長的壽命并隨時間保持其有效性，使得該濕石膏促進劑在使用前可被制備、儲存、甚至長距離運輸。該濕石膏促進劑是以每千平方英尺的板產品約5-80磅(24.3-390g/m2)的量使用。玻璃纖維可選地以至少lllb./MSF(54g/m2)的量添加到漿體，取決于最終產品的用途。高達151b7MSF(73.2g/m2)的紙纖維也可添加到漿體。蠟乳液或聚有機硅氧烷是以高達90化8.艦8(0.4kg/m2)的量添加到石膏漿中以改善成品石膏板的耐水性。在本發(fā)明的實施方式中，采用起泡劑以在凝固含石膏產品中產生空隙以提供較輕的重量，任何已知在制備泡沫凝固石膏產品有用的常規(guī)起泡劑均可使用。這類起泡劑很多是為人熟知并易于從商業(yè)上獲得，例如購自GEO特種化學品公司(賓夕法尼亞州，安布勒)。泡沫材料以及優(yōu)選的制備泡沫石膏板的方法在美國專利No.5，683，635中被披露，在此納入作為參考。如果將泡沫添加到產品，萘磺酸鹽分散劑可以在添加到半水合硫酸鈣之前在工藝水和泡沫水之間劃分開。將一種或多種分散劑合并至該混合水和泡沫水的優(yōu)選方法在名稱為"分散劑在含泡沫墻板中的有效利用"、美國序列號No.11/152,404(AttorneyRef.No.2033.73130)中被披露，前面已納入作為參考。在一些實施方式中，三偏磷酸鹽化合物被添加到石膏漿中以增強產品的強度并降低凝固石膏的抗流掛性。優(yōu)選地，三偏磷酸鹽化合物的濃度為基于煅燒石膏的約0.03%-2.0%。美國專利No.6,342,284和6,632,550披露了包含三偏磷酸鹽化合物的石膏組合物，在此將二者納入作為參考。示范性的三偏磷酸鹽包括三偏磷酸鹽的鈉、鉀或鋰鹽，例如購自阿斯塔瑞斯有限責任公司(密蘇里州，圣路易斯)的那些。和石灰或其它提高漿體堿性的改性劑一起使用三偏磷酸鹽時，必須要小心謹慎。高于pH約9.5時，三偏磷酸鹽喪失其加強產品的能力并且該漿體變得非常具有延緩性。其它潛在的墻板添加劑是殺菌劑，以減少霉菌、霉變或真菌類的生長。根據(jù)選擇的殺菌劑和該墻板的預定用途，殺菌劑可添加到覆蓋面(covering)、石膏芯或二者均有。殺菌劑的例子包括硼酸、吡啶硫酮鹽和銅鹽。殺菌劑可添加到護面或石膏芯。使用時，殺菌劑是以約500-1000ppm的量在護面中使用。此外，石膏組合物可選擇包含淀粉，例如預凝膠淀粉和/或酸-改性淀粉。預凝膠淀粉的加入增強了該凝固且干燥的石膏鑄塊的強度，并最大限度地減小或避免了在增強的濕度條件下(例如關于提高的水/煅燒石膏的比率)紙分層的風險。本領域的普通技術人員理解預凝膠化原淀粉的方法，例如在至少約185°F(85°C)溫度下在水中烹煮原淀粉或其它方法。合適的預凝膠淀粉的實例包括但不限于購自Lauhoff谷物公司的PCF1000淀粉，以及購自阿徹丹尼爾斯米德蘭公司的AMERIKOR818和HQMPREGEL淀粉。如果包含在內，則預凝膠淀粉是以任意合適的量存在。例如，如果包含在內，則預凝膠淀粉可以被添加到用于形成凝固石膏組合物的混合物中，這樣它以凝固石膏組合物重量的約0.5%-10°/。的量存在。淀粉例如USG95(美國石膏公司，伊利諾伊州，芝加哥)也可選擇地加入用于芯強度。視需要還可使用其它已知的添加劑以改變產品的特殊性質。糖，例如右旋糖可用于改善板末端的紙結合。如果需要剛性，通常加入硼酸。通過添加蛭石可改善阻燃性，這些以及其它己知的添加劑在本發(fā)明的漿體和墻板配方中都是有用的。雖然在優(yōu)選的工藝中單個石膏板能以分批次工藝制備，但石膏板在商業(yè)上是以連續(xù)工藝制備形成長板并切割成所需長度的面板(panel)。成型的護面材料被獲得并放置到位以得到石膏漿。優(yōu)選地，該護面材料具有一寬度以構成面板的連續(xù)長度，其只需不超過兩次切割以制成所需成品尺寸的面板。任何己知的護面材料在制備墻板面板中都是有用的，包括紙、玻璃墊和塑料薄層。護面材料被連續(xù)供給板生產線。漿體是通過以任何順序混合干組分和濕組分而形成。典型地，液體添加劑加到水中，并將該混合器激活很短的時間以便混合它們。水是直接稱量加入混合器。如果使用改性劑，優(yōu)選在引入灰泥之前，將該改性劑和分散劑在混合器的水中預先溶解。漿體的干組分、煅燒石膏和任何干添加劑優(yōu)選在進入混合器之前混合在一起。將干組分加到混合器的液體中，并混合直到干組分被潤濕。然后攪拌該漿體以得到均勻漿體。通常，將水泡沫混合在漿體中以控制由此產生的芯材料的密度。這種水泡沫一般通過適當起泡劑、水和空氣的高剪切混合而產生，之后將由此產生的泡沫引入漿體中。該泡沫可在混合器中插入漿體，或優(yōu)選地在它退出混合器時在排放管道插入漿體。例如，參見美國專利No.5,683,635，在此納入作為參考。在石膏板工廠，固體和液體被頻繁地連續(xù)不斷地加到混合器中，同時由此產生的漿體連續(xù)不斷地從混合器中排出，并且在混合器中的平均保留時間小于30秒。漿體通過排放管道從混合器中通過一個或多個出口不斷地分發(fā)并沉積在運載護面材料的移動輸送帶上并形成板?？蛇x地，將另一紙板層置于漿體頂部，使得該漿體被夾在兩個移動的板層之間，這些板層成為由此產生的石膏板的面。由此產生的板的厚度是由成型板來控制，板的邊緣是通過適當?shù)臋C械裝置形成，該裝置不斷地刻、折和粘合該紙的重疊邊緣。另外的指導是隨凝固中的漿體在移動帶上的遷移而保持厚度和寬度。當形狀被保持時，該煅燒石膏被保持在足以與一部分水反應以凝固和形成石膏晶體的互鎖基質的條件下(即溫度小于約120°F)。然后該板被切割、修剪并穿過干燥器以干燥該凝固但仍有些潮濕的板。優(yōu)選地，采用兩階段干燥過程。該板首先經過高溫千燥爐，以迅速加熱板并開始除去過量水。干燥爐的溫度和板的保留時間隨著板的厚度而變。例如，1/2英寸的板(12.7mm)優(yōu)選在超過300°F(149°C)的溫度下干燥約20-50分鐘。隨著表面的水蒸發(fā)，通過毛細管作用將水從板內部移出以代替表面水。相對迅速的水運動協(xié)助淀粉和吡啶硫酮鹽遷移進入紙中。第二階段烘爐的溫度小于300。F(149°C)以限制板的煅燒。實施例1在工廠試驗期間，將蘇打灰添加至含萘磺酸鹽(NS)分散劑的石膏組合物中。該工廠每1000ft2板運轉1867磅灰泥(12732.94kg/1000m2)。依照表I所示的量添加HRA以保持切割刀上大約50%以上的水合。表I還顯示添加的分散劑的類型和用量，以及坍落度測試。表l報告的分散劑用量是基于液體分散劑的重量，該液體分散劑包含大約40%的活性成分。表I:11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>在該商業(yè)測試中，石膏板是含有萘磺酸鹽、添加或不添加蘇打灰改性劑而制成。當將基于干灰泥重量的0.5%的蘇打灰與其它組分一起添加至混合器時，生產給定流動性所需的萘磺酸鹽的量減少了40%。這說明蘇打灰溶液具有提高萘磺酸鹽分散劑性能的能力。雖然本發(fā)明公開并描述了含有萘磺酸鹽分散劑和改性劑的石膏組合物的具體實施方式，然而本領域技術人員可以理解，在不背離本發(fā)明的情況下可以在更廣范圍做出變化和修改，并如下面權利要求書所述。權利要求1、一種石膏漿，包括水；煅燒石膏；萘磺酸鹽分散劑；和至少一種化學上配置為增強所述萘磺酸鹽分散劑效力的改性劑。2、如權利要求1所述的石膏漿，其中所述改性劑選自石灰、蘇打灰，碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、膦酸鹽及其結合。3、如權利要求2所述的石膏漿，其中所述改性劑為蘇打灰。4、如權利要求1所述的石膏漿，其中所述改性劑是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.1%-0.25°/。重量的濃度存在。5、如權利要求1所述的石膏漿，其中所述漿體的pH小于約9。6、如權利要求l所述的石膏漿，其中所述萘磺酸鹽分散劑是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.05%-0.5%的量存在。7、如權利要求1所述的石膏漿，其中所述水是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.4-0.8的量存在。8、一種石膏板，包括至少一種護面材料；一含有權利要求1所述的水合石膏漿的石膏芯。9、如權利要求8所述的石膏板，其中所述改性劑選自石灰、蘇打灰，碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、水泥及其結合。10、如權利要求9所述的石膏板，其中所述改性劑為蘇打灰。11、如權利要求8所述的石膏板，其中所述改性劑是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.05%-0.25%重量的濃度存在。12、如權利要求8所述的石膏漿，其中所述萘磺酸鹽分散劑是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.05°/。-0.5%的量存在。13、如權利要求8所述的石膏槳，其中所述水是以基于所述煅燒石膏干重量的約0.4-0.6的量存在。14、一種制備包含萘磺酸鹽分散劑的石膏漿的方法，包括選擇化學上配置為增強該萘磺酸鹽分散劑的效力的改性劑；結合該改性劑、萘磺酸鹽分散劑、水和煅燒石膏以形成石膏漿。15、如權利要求14所述的方法，其中所述改性劑選自石灰、蘇打灰，碳酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽和水泥。16、如權利要求14所述的方法，其中所述結合步驟進一步包括在添加煅燒石膏之前，將所述萘磺酸鹽分散劑和改性劑與水結合。全文摘要一種改進的石膏漿，包含水、半水合硫酸鈣、萘磺酸鹽分散劑和改性劑。所述改性劑在化學上認為可改善萘磺酸鹽分散劑效力。優(yōu)選的改性劑包括水泥、石灰、消石灰、蘇打灰、碳酸鹽、硅酸鹽和磷酸鹽。文檔編號C04B11/00GK101589001SQ200780046863公開日2009年11月25日申請日期2007年12月10日優(yōu)先權日2006年12月22日發(fā)明者劉清霞,大衛(wèi)·R·布萊克本,邁克爾·P·謝克申請人:美國石膏公司