(57)【要約】  これらまたは他の問題の１つまたは複数は、発泡気泡と石膏スラリーの界面において硬化シェル構造を形成する方法を含む、強力な石膏パネルを製造する方法を使用して改良される。強化成分は、凝固促進剤、水溶性ポリリン酸塩、水溶性ポリリン酸塩とデンプンの混合物、ホウ酸、繊維、グリセリンまたはそれらの混合物からなる群から選択される。強化成分は水性石鹸混合物を形成するために発泡剤および水と混合される。泡状物質は水性石鹸混合物から生成され、石膏スラリーに加えられる。石膏スラリーへの泡状物質の添加前に、強化成分が石鹸気泡と接触できることにより、強化成分がスラリー全体にわたって分散されるというよりむしろ石鹸薄膜と優先的に接触できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡気泡と石膏スラリーの界面において硬化シェル構造を形成する方法であって、
凝固促進剤、水溶性ポリリン酸塩、水溶性ポリリン酸塩とデンプンの混合物、ホウ酸、繊維、グリセリンまたはそれらの混合物からなる群から強化成分を選択する工程と、
水性石鹸混合物を形成するために発泡剤および前記強化成分と水を混合する工程と、
前記水性石鹸混合物から泡状物質を生成する工程と、
水硬性成分を含む石膏スラリーに前記泡状物質を添加する工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記発泡剤が安定な石鹸を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記発泡剤が不安定な石鹸をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記発泡剤が不安定な石鹸を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記強化成分が、前記水硬性成分の重量に基づいて約０．２５〜約３．５％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記選択する工程の前記強化成分が、トリ−メタリン酸ナトリウムとデンプンの混合物、トリ−メタリン酸ナトリウム、グリセリン、ホウ酸およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記混合する工程の前記水性石鹸混合物が他の成分を含まない、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
発泡気泡と石膏スラリーの界面において硬化シェル構造を形成する方法であって、
強化成分を選択する工程と、
水性石鹸混合物を形成するために発泡剤および前記強化成分と水を混合する工程と、
前記水性石鹸混合物から泡状物質を生成する工程と、
水硬性成分を含む石膏スラリーに前記泡状物質を添加する工程と、
を含み、石膏ボードが前記スラリーから形成され、前記ボードは、泡状物質中に強化剤を欠くボードと比べて高い強度を有する、方法。
【請求項９】
前記強化成分がトリ−メタリン酸ナトリウムである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記泡状物質を添加する工程が、前記石膏スラリーを混合するために使用されるミキサーの放出管内に前記泡状物質を挿入することにより実施される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１０年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／４２７，８６２号から３５  ＵＳＣ１１９（ｅ）の下で優先権を主張する。
【０００２】
本発明の分野
本発明は石膏ボードを強化する方法に関する。より具体的には、本発明は、気泡壁を強化するために石膏スラリーに加えられる泡状気泡周囲にシェルを作製することに関する。
【背景技術】
【０００３】
石膏パネルまたはボードは建築材料として広範に使用されている。石膏から製造された壁板は難燃性があり、ほとんどの任意の形状の壁の建造に使用され得る。壁板は主に、内壁もしくは外壁または天井製品として使用される。石膏は消音特性を有する。壁板が損傷を受ける場合、それは比較的容易に継ぎ当てられるか、または交換される。塗装および壁紙を含む、壁板に適用され得る様々な装飾仕上げが存在する。それらの利点の全てにも関わらず、それはいまだに比較的安価な建材である。
【０００４】
低コストの壁板パネルについての１つの理由は、それらが迅速かつ効率的なプロセスにより製造されるということである。硫酸カルシウム半水和物は水の存在下で水和して、結合している硫酸カルシウム二水和物結晶のマトリクスを形成し、それを凝固させ、堅固にする。硫酸カルシウム半水和物および水を含むスラリーはミキサー中で調製される。均質の混合物が得られる場合、スラリーは必要に応じて表面材料を含む可動面に連続して堆積される。スラリーが一定の厚さまで平滑になり、途切れないリボンに成形される前に、第２の表面材料が必要に応じてそれらの上に適用される。このように形成される途切れないリボンは、焼成石膏が凝固するまで、ベルト上で運搬され、その後、リボンは所望の長さのパネルを形成するように切断され、そのパネルは、過剰な水分を除去するように乾燥窯を通して運搬される。これらの工程の各々は数分しかかからないので、プロセス工程のいずれかのわずかな変化により、製造プロセスの全体の効率の悪さをもたらす可能性がある。
【０００５】
スラリーを形成するために加えられる水の量は水和反応を完了するのに必要とされる量を超過する。過剰な水により、スラリーは適切な幅および厚さに成形されるようにミキサーから表面材料上に流出するのに十分に流動性になる。生成物が凝固し始めるにつれて、水は二水和物結晶の間の間隙にたまる。水和反応により、反応を継続するためにプールされた水の一部を使用して、水のプール内および周囲に結晶マトリクスが構築し続ける。水和反応が完了する場合、プールにある未使用の水は蒸発によりマトリクスから出ていく。全ての水が蒸発した場合、石膏マトリクスに格子間の空隙が存在したままになる。多量の過剰な水が使用される場合、格子間の空隙は、より大きく、より多くなる。
【０００６】
石膏パネルを取り付ける人はパネルを連続して移動させ、持ち上げることにより疲労する。したがって、扱いやすいように軽量であるパネルを製造することは有益である。軽量パネルは石膏スラリーに泡状物質を加えることにより製造され得る。泡状物質が混合作用により生成されるように、石鹸などの発泡剤がスラリーに加えられてもよい。一部の場合、発泡剤は、スラリーがミキサーから出て行く前後にそのスラリーに加えられる泡状物質を予め生成するために使用される。水和が起こっている間に、発泡剤は能動的に融合する泡状物質を生成するように選択される。泡状気泡サイズの分布は「活性な」泡状物質から生じる。水和反応が進行するにつれて、凝固石膏が形成し、泡状気泡が破裂する場合、石膏マトリクスが泡状気泡周囲に構築し、マトリクス内に泡状物質の空隙を残す。
【０００７】
許容可能なパネル強度を生じる泡状物質の空隙の分布を得ることは困難になり得る。理想的な泡状物質は、大きいおよび小さい気泡の分布を連続して生成するように融合する小さな気泡を生成する「活性な」泡状物質である。非常に小さい、多くの泡状物質の空隙は、それらの間に石膏マトリクスの非常に薄い壁を有する。仕上げられたパネルの不十分な圧縮強度が生じ得る。非常に大きな泡状物質の空隙の形成はパネルの表面の不均一を生じる場合があり、審美的に許容され得ない。スラリーに使用される添加剤はさらに、泡状気泡を過度に不安定にさせ、大きな気泡に迅速に融合する。一部のポリカルボキシレート分散剤を含む、他の添加剤は泡状物質を非常に安定化させるので、小さな気泡を混合させない。気泡サイズの適切な平衡を有する泡状物質を生成することにより、困難な作業であると示されている強力な石膏パネルが製造される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらまたは他の問題の１つまたは複数は、発泡気泡と石膏スラリーの界面において硬化シェル構造を形成する方法を含む、強力な石膏パネルを製造する方法を使用して改良される。強化成分は、凝固促進剤、水溶性ポリリン酸塩、トリ−メタリン酸ナトリウム、水溶性ポリリン酸塩とデンプンの混合物、ホウ酸、繊維、グリセリンおよびそれらの混合物からなる群から選択される。次いで強化成分は発泡剤および水と混合されて水性石鹸混合物を形成する。発泡剤は水性石鹸混合物から生成され、次いで石膏スラリーに加えられる。上記の混合工程の特定の順序は本方法に重要であるとみなされず、その工程の代替の順序が意図される。
【０００９】
一部の実施形態において、上記の方法はさらに、石膏スラリーに添加剤を加えることと比べて、添加剤のよりコスト効率の高い使用をもたらす。発泡水、発泡剤、水性石鹸混合物および／または泡状物質中に強化成分を含むことによって、添加剤は、最も良好である位置においてのみで石膏と接触する。泡状物質が石膏スラリーと混合される場合、そのスラリーは強化成分と共に注入される泡状気泡を取り囲む。スラリーが硬化し、凝固するにつれて、それは泡状気泡から水を吸収し、最終的に泡を破裂させ、気泡により残された空隙の内面上、またはその内面に近接して比較的高濃度の添加剤が得られる。別の実施形態において、泡状気泡と石膏スラリーの界面において硬化シェル構造を形成する方法は、強化成分を選択する工程と、水性石鹸混合物を形成するために発泡剤および強化成分と水を混合する工程と、水性石鹸混合物から泡状物質を生成する工程と、水硬性成分を含む石膏スラリーに泡状物質を添加する工程と、を含み、石膏ボードはスラリーから形成され、そのボードは泡状物質中に強化剤を欠くボードと比べて高い強度を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
改良された石膏パネルはまず、石膏スラリーに添加する前に泡状物質を生成するために、発泡剤、強化成分および発泡水を混合することによって製造される。泡状物質の別の調製は、希釈され、および／または石鹸の泡に近づく他の成分と競合する石膏スラリーではなく、泡状物質内に強化成分を直接入れる。
【００１１】
より軽い質量を得るために凝固石膏含有製品中に泡状物質の空隙を生じさせるために発泡剤を利用する本発明の実施形態において、発泡凝固石膏製品を調製するのに有用であると知られている従来の発泡剤のいずれかが利用されてもよい。多くのこのような発泡剤は周知であり、ＧＥＯ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ａｍｂｌｅｒ，ＰＡ製の石鹸製品のＨＹＯＮＩＣ商品などとして商業的に容易に入手可能である。任意の発泡剤は、単独で、または他の発泡剤と組み合わせて有用である。
【００１２】
発泡剤の組み合わせの例には、安定な泡状物質を形成する第１の発泡剤と、不安定な泡状物質を形成する第２の発泡剤が含まれる。第１の発泡剤は、必要に応じて、８〜１２個の炭素原子のアルキル鎖の長さおよび１〜４単位のエトキシ基鎖の長さを有する石鹸である。第２の発泡剤は、必要に応じて、６〜１６個の炭素原子のアルキル鎖の長さを有する非エトキシ化石鹸である。これらの２つの石鹸のそれぞれの量を調節することにより、１００％の安定な石鹸または１００％の不安定な石鹸に到達するまで、パネルの泡状物質の空隙構造の制御が可能となる。発泡剤と、発泡石膏製品に対するそれらの添加剤の例示的な組み合わせは、本明細書に参照として組み込まれる、米国特許第５，６４３，５１０号に開示されている。
【００１３】
発泡剤の別の成分は強化成分である。この成分は、泡状気泡により残された空隙周囲のシェルを強化するように選択される。泡状物質および焼成石膏スラリーが混合される場合、スラリーは気泡の外側をコーティングする。硫酸カルシウム半水和物の水和が進行するにつれて、水との反応により、その硫酸カルシウム半水和物は硫酸カルシウム二水和物に変換する。泡状気泡に隣接する半水和物結晶がなければ、水は主にスラリーから引き出され、泡状物質からの水もまた、吸収される。強化成分が発泡剤、水、または泡状物質のいずれか１つに加えられる場合、石膏スラリーとは別に泡状物質が生成され、スラリーから製造されたボードが生成された後に、より強力な構造が得られる。強度増強剤は、石膏スラリー全体にわたって分布するというよりむしろ、泡状気泡中で濃縮される。石膏スラリーと混合される場合、強度増強剤は次いで、気泡薄膜中で濃縮される。成形石膏マトリクスに対して強化成分を近接させることにより、泡状物質の空隙周囲に強力なシェルを形成するのに必要とされる構造が強化する。
【００１４】
強化成分の例としては、グリセリン、凝固促進剤、ホウ酸、当該技術分野で公知の強度増強ポリマー、デンプンおよびその混合物ならびにトリ−メタリン酸ナトリウムなどのリン酸塩、他の水溶性ポリメタリン酸塩、繊維またはそれらの組み合わせが挙げられる。強化成分はスタッコ（ｓｔｕｃｃｏ）の重量に基づいて約０．２５〜３．５％の量で使用される。他の強化成分の１つと組み合わせて、空隙壁に一体化して加えられる繊維も使用されてもよい。
【００１５】
理論により束縛されることを望まないが、異なる種類の強化成分が、空隙壁を強化するために異なる方法で作用すると考えられる。塩は石膏マトリクスの一部となり得、結晶を一緒に結合することによってボード強度を増強する。繊維は空隙壁に近接する石膏マトリクスを強化するように作用する。デンプンはカルシウム二水和物の結晶を一緒に保持するための結合剤として作用する。機構に関わらず、任意の強化成分またはそれらの組み合わせが使用されてもよい。
【００１６】
コーティングされたまたはコーティングされていない粉末石膏などの結晶凝固促進剤は、反応の誘導時間を減少させるための種晶として作用する。結晶促進剤は、約３５ｌｂ．／ＭＳＦ（１７０ｇ／ｍ２）以下の量で使用される。「ＣＳＡ」は、約５％（重量パーセント）の糖と同時粉砕され、糖をカラメルにするために２５０°Ｆ（１２１℃）に加熱される９５％の硫酸カルシウム二水和物を含む凝固促進剤である。ＣＳＡは、ＵＳＧ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈａｒｄ，ＯＫプラントから入手可能であり、本明細書に参照として組み込まれる、米国特許第３，５７３，９４７号に従って製造される。硫酸カリウム、硫酸アルミニウムおよび硫酸水素ナトリウムもまた、好適な促進剤である。ＨＲＡは、硫酸カルシウム二水和物１００ポンド当たり約５〜２５ポンドの糖の割合で糖と共に最初に粉砕される硫酸カルシウム二水和物である。ＨＲＡはさらに、本明細書に参照として組み込まれる、米国特許第２，０７８，１９９号に記載されている。これらの両方は好ましい促進剤である。これらの凝固促進剤は水和時間を減少させ、流動性を減少させる。
【００１７】
別の好ましい促進剤は湿潤石膏促進剤またはＷＧＡとして公知である。湿潤石膏促進剤の使用、およびそれを製造する方法の詳細は、本明細書に参照として組み込まれる、米国特許第６，４０９，８２５号に開示されている。この促進剤は、有機ホスホン酸化合物、リン酸塩含有化合物またはそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つの添加剤を含む。湿潤石膏促進剤は十分な寿命を示し、長時間その有効性を維持するので、湿潤石膏促進剤は、製造され、保存され、さらに使用直前に長距離にわたって輸送されることができる。湿潤石膏促進剤は、ボード製品の約５〜約８０ポンド／１０００平方フィート（２４．３〜３９０ｇ／ｍ２）の範囲の量で使用される。
【００１８】
泡状物質は水性石鹸混合物から予め生成される。泡状物質を製造する１つの方法は、石鹸溶液を空気と混合する泡状物質発生器を使用することである。攪拌、乱流または混合を含む、混合する任意の方法が、形成される気泡を生じる空気と石鹸を混合するために使用されてもよい。水と空気の量は特定の密度の泡状物質を生成するように制御される。泡状物質の体積の調整が、全体の乾燥製品重量を制御するために使用される。
【００１９】
所望の場合、発泡剤の混合物は、予め混合された「オフライン」、すなわち発泡石膏製品を調製するプロセスとは別であってもよい。しかしながら、混合プロセスの一体化した「オンライン」部分として、同時におよび連続して第１および第２の発泡剤を混合することが好ましい。これは、例えば、異なる発泡剤の別のストリームをポンプで送り込み、後で焼成石膏スラリー内に挿入され、混合される水性泡状物質のストリームを生成するために泡状物質発生器が利用されるときに一緒に、またはその直前にストリームをもたらすことにより達成され得る。このように混合することによって、混合物中の第１および第２の発泡剤の割合が、発泡凝固石膏製品における所望の空隙特性を達成するために、（例えば、別のストリームの１つまたは両方の流速を変化させることによって）簡単かつ効果的に調整され得る。このような調整が必要かどうかを決定するための最終製品の検査に応じてこのような調整は行われる。このような「オンライン」混合および調整のさらなる詳細は、以前に参照として組み込まれている、米国特許第５，６４３，５１０号および同第５，６８３，６３５号に見出され得る。同様の方法で、強化剤が、発泡剤または発泡水とオフラインで予め混合されてもよいか、あるいは泡状物質生成プロセスの任意の段階で別の成分として加えられてもよい。
【００２０】
調製した泡状物質は次いで、水硬性成分を含む石膏スラリーに加えられる。限定されないが、アルファまたはベータスタッコを含む、焼成石膏の任意の形態が使用されてもよい。硫酸カルシウム無水物、合成石膏または粉末石膏の使用もまた、意図される。セメントおよびフライアッシュを含む、他の水硬性材料が必要に応じて、スラリー中に含まれる。
【００２１】
流動可能なスラリーを生成する任意の量で水がスラリーに加えられる。使用される水の量は、使用される用途、使用される分散剤、スタッコの特性および使用される添加剤に応じて大きく変化される。壁板での水とスタッコの比（「ＷＳＲ」）は好ましくは、スタッコの乾燥重量に基づいて約０．１〜約１．２である。一部の実施形態において、約０．４〜約０．９のＷＳＲが好ましい。他の実施形態において、約０．７〜約１．２のＷＳＲが使用される。ＷＳＲは特定の分散剤の適度な添加に基づいた実験室試験においてさらに減少され得る。
【００２２】
スラリーを生成するために使用される水は、スラリーおよび凝固石膏の両方の特性の最適な制御のためにできるだけ純粋であるべきである。塩および有機化合物は、促進剤から凝固阻害剤まで大きく異なる、スラリーの凝固時間を変化させることが周知である。一部の不純物は、二水和物結晶の結合マトリクスが形成するにつれて構造の不規則性を生じ、凝固製品の強度を減少させる。このように製品強度および一貫性は、できるだけ汚染物質を含まない水の使用により増強される。
【００２３】
石膏スラリーに対する一部の添加剤は、それらが混合される場合、泡状物質の気泡のサイズ分布に影響を与える。異なるポリカルボキシレート分散剤は、例えば、泡状物質を安定化または不安定化させ得る。泡状物質を安定化させる傾向がある添加剤は特定のＰＣＥ分散剤を含むのに対して、ナフタレンスルホネートおよび特定のデンプンは、泡状物質の気泡を不安定にさせる傾向がある。安定な泡状物質は、典型的に多かれ少なかれ一定のサイズを維持する気泡が長持ちするものである。互いに融合し、より大きくなる気泡は不安定である。これらの添加剤の作用は、加えられる強化成分の種類または量を選択する場合に考慮されるべきである。
【００２４】
発泡石膏コアの空隙サイズ分布は水性石鹸混合物中の石鹸の濃度を調整することによって細かく制御され得る。発泡石膏コアが調製された後、石膏コアの内部の検査により空隙構造が明らかとなる。空隙サイズ分布の変化は、初期または以前の濃度から石鹸濃度を変化させることにより生じる。内部が非常に大部分の小さな空隙を有する場合、水性石鹸混合物中の石鹸濃度は減少され得る。非常に多くの非常に大きな長方形または不規則な形状の空隙が見られる場合、石鹸濃度は増加され得る。最適な空隙サイズ分布は、製品、使用される場所または原材料により変化し得るが、このプロセス技術は、どのように定義されるかに関わらず、所望の空隙サイズ分布に近づかせるのに有用である。多くの実施形態において所望の空隙サイズ分布は、使用される石膏配合についての高強度コアを生じるものである。
【００２５】
スラリーおよび予め生成された泡状物質は、発泡石膏組成物を生成するために混合される。石膏スラリーと予め生成された泡状物質を混合する１つの方法は、泡状物質を加圧し、それをスラリー内に強制することによる。少なくとも１つの実施形態は、泡状物質を分配するためにフォームリングを使用する。フォームリングは、スラリーがそれを流れることができる成形装置である。それは、スラリーがリングを通過するにつれて、加圧された泡状物質をスラリー内に放出するための１つ以上のノズルまたはスロットを含む。フォームリングの使用は、本明細書に参照として組み込まれる、米国特許出願第６，４９４，６０９号に開示されている。泡状物質とスラリーを混合する別の方法は、泡状物質を直接ミキサーに加えることによる。一実施形態において、フォームリングまたは他の泡状物質注入装置が、泡状物質をミキサーの放出管内に注入するように適応される。このプロセスは、参照として組み込まれる、同一出願人による米国特許第５，６８３，６３５号に記載されている。泡状物質を生成するか、またはスラリー内に導入する方法に関わらず、本方法の重要な特徴は、泡状物質をスラリー内に導入する前に泡状物質の産生または生成の一部の時点で強化剤を混合するか、または加えることである。石膏組成物は石膏コアを形成するように成形される。
【実施例】
【００２６】
実施例１
発泡水に対して種々の添加剤を使用して石膏キャストを実験室で製造した。石膏スラリーを、２グラムのＣＳＡ、十分な水を用いて６００グラムの硫酸カルシウム半水和物（ＵＳＧ，Ｓｏｕｔｈａｒｄ，ＯＫ）から調製して、０．７５の水／スタッコ比（計量水＋発泡水）、計量水中で予め混合した０．１５％のナフタレンスルホネート分散剤（無水ベース、スタッコの割合として）、ならびに以下：０．５％ＰＦＭ３３安定な石鹸、０．５％ＳＴＭＰ、および表１に示したデンプン材料の０．２５〜２．０重量％の水性発泡溶液からなる水性発泡溶液を得た。
【００２７】
実験室での混合順序および手順は以下の通りである：
１．分散剤を有する水をＨｏｂａｒｔミキサーボウルに入れる。
２．促進剤で予め混合したスタッコをボウルに加え、機械的混合を始める前の短時間、浸漬する。
３．Ｈｏｂａｒｔミキサーを使用して材料を混合する。混合の間、泡状物質を密度制御のために加える。泡状物質添加の量は、４２．５ｐｃｆ、＋／−１．７ｐｃｆの乾燥密度を生じるのに必要とされる量として実験的に決定した。
【００２８】
種々の強度増強剤の性能を比較するために以下に記載した試験の各々について、以下のパラメータを実質的に一定に保持した：促進剤の量、分散剤の量、乾燥密度標的、およびコアの空隙分布。
【００２９】
【表１】
2014508665.tif 000002
各サンプルセットは６個のサンプルを含んだ。全てのサンプルを、密度および圧縮強度を含む物理的特性について試験した。全ての６個のサンプルに対する平均および標準偏差を以下の表ＩＩに報告する。
【００３０】
【表２】
2014508665.tif 000003
これらの表は、ボードの強度の有意差が発泡水に対する添加剤により達成され得ることを示す。より高い密度を有する製品はより高い強度を有する。同様の密度において、上記の試験サンプルの一部は著しく高い圧縮強度を有する。例えば、０．５％Ｈｉｂｏｎｄを使用しているコントロールサンプル１およびサンプル１４は同様の密度を有するが、Ｈｉｂｏｎｄの添加により、２５８１〜３１１３ｌｂ／ｆｔ３の圧縮強度の約２０％の平均の増加が生じる。これはほとんど３つの標準偏差の差であり、その結果の統計的有意性を実証する。したがって、石膏スラリーに加える前に強化剤を泡状物質に添加することにより、添加剤の量の減少が可能となる。また、このように強化剤を添加することにより、その剤が、発泡気泡と周囲スラリーの界面に、より効果的に配置される。
【００３１】
石膏ボード強度を改良する方法の特定の実施形態が示され、記載されているが、その広範な態様においておよび以下の特許請求の範囲に記載した本発明から逸脱せずに変更および修飾がそれらに対してなされてもよいことは当業者により理解されるだろう。
【国際調査報告】
2014508665.tif 000004
2014508665.tif 000005
2014508665.tif 000006