(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シロキサンを含む水性シロキサン乳剤を、硫酸カルシウム半水和物とホスト粒子とを含む水性スラリーに、該硫酸カルシウム半水和物が維持される温度に維持しながら加える工程と、
該水性シロキサン乳剤が加えられた水性スラリーを、前記硫酸カルシウム半水和物が水和する温度以下に低下する前に、平坦な多孔性成形表面に通して、水の実質的な部分が除去された濾過ケークを形成する工程と、
該濾過ケークを前記硫酸カルシウム半水和物の再水和が始まる温度まで冷却する工程と、
該冷却された濾過ケークをプレスして、ボードを形成すると共に、水を除去する工程と、
該ボードを乾燥して、残留する遊離水を除去すると共に、該ボードの芯が該シロキサンを硬化するのに十分な温度に到達させる工程を含み、
該水性シロキサン乳剤は、第四級アミンカチオン性乳化剤及びＡｌ3+イオンを含むことを特徴とするセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項２】
前記水性シロキサン乳剤は、一種以上の水素改良されたシロキサンを含むことを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項３】
前記水性シロキサン乳剤は、水素メチルシロキサンを含むことを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項４】
前記水性スラリーに加えられる前記水性シロキサン乳剤の量は、前記水性スラリー中の全固体重量に基づいて、前記水性スラリーに少なくとも０．１重量％のシロキサン固体を提供するのに十分な量であることを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項５】
前記水性スラリーに加えられる前記水性シロキサン乳剤の量は、前記水性スラリー中の全固体重量に基づいて、前記水性スラリーに１〜２重量％のシロキサン固体を提供するのに十分な量であることを特徴とする請求項４記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項６】
前記シロキサンの硬化を促進する触媒を含む水性触媒乳剤を前記水性スラリーにさらに加えることを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項７】
前記水性触媒乳剤は、第一級アミンを含むことを特徴とする請求項６記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項８】
前記水性触媒乳剤は、水不溶性第一級アミンを含むことを特徴とする請求項７記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項９】
前記水性触媒乳剤は、カチオン性乳化剤を含むことを特徴とする請求項６記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１０】
前記水性触媒乳剤は、第四級アミンカチオン性乳化剤を含むことを特徴とする請求項９記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１１】
前記水性触媒乳剤は、非イオン性乳化剤を含むことを特徴とする請求項６記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１２】
前記水性触媒乳剤は、２０以上のＨＬＢ値を有する非イオン性乳化剤を含むことを特徴とする請求項１１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１３】
前記水性スラリーは、粉砕された前記硫酸カルシウム材料と、本体の実質的な部分に穴を有する分離したリグノセルロースホスト粒子とを含み、該リグノセルロースホスト粒子中の侵入可能な穴を実質的に浸漬するように十分に希薄であることを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１４】
前記リグノセルロースホスト粒子は、化学的に精製された木パルプ、機械的に精製された木パルプ及び熱機械的に精製された木パルプからなる群から選択された一種以上の紙繊維若しくは木繊維であることを特徴とする請求項１３記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１５】
前記水性スラリー中の固体は、０．５〜３０重量％の前記木繊維を含むことを特徴とする請求項１４記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１６】
前記水性スラリー中の固体は、３〜２０重量％の前記木繊維を含むことを特徴とする請求項１５記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１７】
前記冷却された濾過ケークをプレスして、前記ホスト粒子の周りの前記硫酸カルシウム半水和物をその場で再水和することを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【請求項１８】
粉砕されたセッコウ、水及び前記ホスト粒子を混合して、混合液を調製する工程をさらに含み、
前記ホスト粒子は、穴を有し、
連続的な揺動と共に圧力容器中で、セッコウを針状硫酸カルシウムアルファ半水和物にか焼するのに十分な温度まで前記混合液を加熱する工程と、
該針状硫酸カルシウムアルファ半水和物が前記ホスト粒子の穴の中及び周りで形成するまで、前記混合液の温度を維持し、前記水性スラリーを調製する工程をさらに含み、
該冷却された濾過ケークをプレスして、前記ホスト粒子の穴の中及び周りの前記針状硫酸カルシウムアルファ半水和物を再水和することを特徴とする請求項１記載のセッコウボード生成物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は改善された複合材料に関し；特に、建築用生成物を作るのに特に有用な改善された耐水性を有する複合セッコウ／セルロール繊維材料に関する。特に、本発明は、ボード製造工程の間の、セッコウ及び木繊維へのシロキサン乳剤及び好ましくは触媒乳剤の添加により強化された耐水性を有するシリコン含浸セッコウ／木繊維建築用ボードに関する。
【従来の技術】
セッコウ（硫酸カルシウム二水和物）の一定の特性は、工業及び建築用生成物；特にセッコウ壁ボードの製造用途用に、それをごく一般的なものとする。それは潤沢で一般的に高価ではない原材料であり、無水化及び再水和の工程を経て、有用な形状にキャストされ、成形され若しくは他の方法で形成されうる。それはまた、不燃であり、湿気にさらされた場合にも寸法は比較的安定している。しかしながら、それは比較的低い引っ張り強度と曲げ強度を有して、もろい、結晶性の材料であるため、その用途は一般に、非構造用、非荷重支持及び非衝撃吸収性の用途に限定される。
セッコウ壁ボードは；即ちプラスターボード若しくはドライウォールとしても知られるが、複数の紙カバーシートの間に挟み込まれた再水和セッコウ芯からなり、室内壁及び天井用途に広く使用されている。そのセッコウ芯のもろさと、くぎ及びねじの低い保持特性のため、それによる通常のドライウォールは重いつり下げ荷重を支持すること、若しくは大きな衝撃を吸収することはできない。
従って、セッコウプラスター及び建築用生成物の引っ張り、曲げ、くぎ及びねじの保持強度並びに耐衝撃性を改善するための手段は、長い間、そして今もなお、強く求められている。
また建築用生成物中で広く使用され、容易に入手できて供給可能なもう一つの材料は、特に木及び紙繊維形状のリグノセルロース材料である。例えば、材木に加えて、パーティクルボード、ファイバーボード、ウォーターボード、合板及び”ハード”ボード（高密度ファイバーボード）は建築産業で使用される加工リグノセルロース材料生成物の幾つかの形態である。かかる材料はセッコウに比べより高い引っ張り及び曲げ強度を有する。しかしながら、それらは一般に、コスト的により高く、耐燃焼性が劣り、湿気にさらされた場合に往々にして膨張又は反りを生じやすい。従って、セルロース材料から作られた建築用生成物の使用を制限する特性を改善するための提供可能な手段もまた望まれている。
セッコウとセルロース繊維、特に木繊維の好ましい特性の結合のための以前の検討は非常に限定された成果しか挙げていない。セルロース繊維（若しくはその材料用の他の繊維）をセッコウプラスター及び／又はプラスターボード芯に添加する検討は、繊維とセッコウの間の有意な結合の達成が今までは不可能であったために、一般に殆ど若しくは全く強度の増大を生み出していない。米国特許第４，３２８，１７８号；第４，２３９，７１６号；第４、３９２，８９６号及び第４，６４５，５４８号は、再水和セッコウボード等に対して補強材として役立つように、スタッコ（硫酸カルシウム半水和物）のスラリー中に木繊維若しくは他の天然繊維が混合された最近の例を開示する。
米国特許第４，７３４，１６３号は、生の若しくはか焼されていないセッコウが細かく粉砕され、５−１０％の紙パルプと湿潤混合される製法を開示する。マッシュは部分的な脱水をされ、ケークを形成し、圧力ロールにより水／固体比率が０．４以下になるまで更に脱水される。ケークはグリーンボードへと切断され、それらは角を落とし切断されたあと、二枚のスチール板の間に積み重ねられ、オートクレーブ中に入れられる。セッコウを硫酸カルシウムアルファ半水和物に変化させるためにオートクレーブ中の温度は約１４０℃まで上げられる。容器ボードの続く徐冷の間に、半水和物は二水和物（セッコウ）に戻るために再水和し、ボードの完全な状態を与える。ボードはその後乾燥され必要な仕上げがなされる。
Ｂａｉｇへの米国特許第５，３２０，６７７号は、合成生成物及び生成物を製造するための製造方法を開示し、その中でセッコウ粒子と木繊維との希釈スラリーは、セッコウを硫酸カルシウムアルファ半水和物に変化させるために加圧下で加熱される。木繊維は表面に細孔若しくは穴を有し、アルファ半水和物結晶は木繊維の穴及び細孔の内部、上及び周囲で生ずる。加熱されたスラリーはその後、好ましくは紙製造装置と同様の装置を用いて、濾過ケークを形成するために脱水され、半水和物をセッコウに再水和するのに十分なように冷却する前に、濾過ケークは望みの外形のボードへとプレスされる。プレスされた濾過ケークは冷却され、その半水和物は寸法的に安定な、強く有用な建築用ボードを形成するためにセッコウへと再水和される。そのボードはその後面取りされ乾燥される。特許第５，３２０，６７７号に開示された製造方法は、セッコウのか焼が木繊維の存在下で行なわれ、一方セッコウは希釈スラリーの形態にあり、そのためスラリーが繊維を液に浸し、溶解されたセッコウを繊維の穴の中に運び、か焼がその場で穴の中及び回りで針状硫酸カルシウムアルファ半水和物結晶を形成する点で、それ以前の方法と区別することができる。
普通のセッコウ壁ボード、セッコウタイル、セッコウブロック、セッコウキャスト等のこれら従来技術による生成物は、比較的に耐水性が低い。例えば、普通のセッコウ壁ボードが水に浸される場合、そのボードは素早くかなりの量の水を吸収し、その強度の大部分を損なってしまう。実際の試験は、セッコウボード芯材料からなる２”×４”の筒が約７０°Ｆで水に浸された場合、その筒は４０分間の浸漬後に３６％の水吸収を示すことを実証している。セッコウ生成物の耐水性改善のために、多くの検討が過去になされてきた。これらの検討は、硫酸カルシウム半水和物スラリー中の金属石鹸、アスファルト、シロキサン、樹脂等のような耐水性材料の組み込みを含んでいる。これらはまた、仕上げのされたセッコウ生成物を耐水性樹脂フィルム若しくはコーティングで被覆する検討を含んでいる。防水加工物質の添加によって一体加工された耐水セッコウに対する過去の検討の一の特定の例は、Ｋｉｎｇ及びＣａｍｐへの特許第２，１９８，７７６号に開示される。これは、溶融材料のスラリーへのスプレーによる水性スラリー中へのパラフィン、シロキサン、アスファルト等の組み込みを示す。
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、米国特許第５，３２０，６７７号に開示された生成物のタイプの強度と寸法的な安定性を有し、改善された耐水性を有するセッコウ−木繊維ボード生成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
本発明は、水性シロキサン乳剤を硫酸カルシウム材料とホスト粒子の水性スラリーに加え、該シロキサン乳剤は該スラリーが維持される条件下で安定であり；該シロキサン含有スラリーを濾過ケークを形成するために、平らな多孔性の成形表面上へ通し；該多孔性表面を通して該濾過ケークから水の実質的な部分を除去し、ボードを形成し、更に水を除去するために該濾過ケークをプレスし；残りの遊離水を除去し、該ボードの芯が該シロキサンを硬化するのに十分な温度に達するようにするために該ボードを乾燥する；ことからなる、セッコウボード生成物の製造方法を提供する。
本発明の主要な目的は、水及び他の形態の水分に対して耐性を有するより強い建築用生成物を提供するために、セッコウと、木繊維等のより高い強度を有する別の物質との組み合わせにより形成され、該ボードじゅうに均一に分散されたシリコンポリマーを有する、改善された耐水性を有するセッコウ建築用ボードを提供することである。
関連する目的は、シロキサンの水性乳剤、及び好ましくは該シロキサンを硬化するように適用された触媒の水性乳剤が、硫酸カルシウム半水和物と木繊維等のより高い強度を有する別の物質との加熱されたスラリーに加えられ、ここで該加熱されたシロキサン含有スラリーはセッコウボード生成物を提供するために更に加工される成形された濾過ケークを形成するために多孔性の平坦な成形表面上を通される、かかるセッコウ建築用生成物を製造する方法を提供することである。
本発明の特別な目的は、釘及びネジの引き抜きに対する耐性を含む均一に良好な強度をその広がりの範囲に渡って有し；寸法的に安定であり；より高い耐水性であって、即ち、水に晒された場合でもその強度を維持し；難燃性であり；実用的なコストで生成されうる；紙無しの壁ボードを提供することである。
主な目的は、本発明に従い、水性シロキサン乳剤を、硫酸カルシウム半水和物とより強い材料のホスト粒子との希釈された加熱スラリーへ添加し、その加熱スラリーを半水和物がセッコウへと完全に再水和される前に、ボードを形成するように脱水されてプレスされる濾過ケークを形成するために多孔性の平坦な成形表面上を通すことにより実現される。
主な目的は、本発明に従い、好ましくは、カチオン性乳化剤で安定化されたシロキサン乳剤を、そして好ましくはカチオン性乳化剤でまた安定化された触媒乳剤を、より強い材料からなるホスト粒子の穴の中及び回りに針状アルファ半水和物結晶を生成する条件下で既にか焼された硫酸カルシウム材料の熱い希釈スラリーに添加し、そのスラリーをシロキサン及び触媒乳剤の最小限の喪失と共に脱水される濾過ケークを形成するために多孔性の平坦な成形表面を通すことにより実現される。濾過ケークは、半水和物が完全にセッコウへと再水和される前にボードを形成するためにプレスされ、その後ボードはボード中でシロキサンを硬化する条件下で乾燥される。スラリーへのシロキサン／触媒乳剤の添加はボードの耐水性を改善することが見出されている。
ここで使用される用語”セッコウ”は、安定な二水和物状態にある硫酸カルシウム；即ち、ＣａＳＯ4（２Ｈ2Ｏ）を意味し，天然発生の材料、合成により誘導された同等物、及び硫酸カルシウム半水和物（スタッコ）若しくは無水物の水和により形成された二水和物材料を含む。ここで使用される用語”硫酸カルシウム材料”はその形態、すなわち硫酸カルシウム無水物、硫酸カルシウム半水和物、硫酸カルシウム二水和物及びそれらの混合物の何れかをとる硫酸カルシウムを意味する。
用語”ホスト粒子”は、セッコウ以外の物質からなる繊維、チップ若しくはフレーク等の巨視的粒子の何れかを含むように意味される。一般にスラリー液に不溶である該粒子は、スラリー溶剤によって入り込まれてその中で硫酸カルシウム結晶が形成されうる、凹み、ひび、裂け目、中空の中心部、若しくは他の表面欠陥の何れかの；その中に入りやすい穴もまた有する必要がある。より多く、より良く穴が分布されるほど、セッコウとホスト粒子との間の物理結合はより大きく、より形態的に安定になることは明白であり；かかる穴は粒子の相当な部分に存在することもまた望ましい。ホスト粒子の物質は、セッコウに欠けている望ましい特性、そして好ましくは、少なくともより高い引っ張り及び曲げ強度を有する必要がある。リグノセルロース繊維、特に木繊維は本発明の複合材料及び製法に特に良く適合するホスト粒子の一例である。従って、”ホスト粒子”として称される材料及び／又は粒子を限定する意図無しに、木繊維は、便宜上より広い意味の用語の代わりにこの後度々使用される。
ここで使用され、時折”ＧＷＦ”と略称される、用語”セッコウ／木繊維”は、硫酸カルシウム材料とホスト粒子，例えば木繊維との混合物を含むように意味されて、それはボードを生成するのに使用され、この時硫酸カルシウムの少なくとも一部はホスト粒子の穴の中及び回りに配置された針状硫酸カルシウム二水和物結晶の形態にあり、この時二水和物結晶は該粒子の穴の中及び回りで針状硫酸カルシウム半水和物結晶の水和によりその場で形成される。ＧＷＦボードは好ましくは米国特許第５，３２０，６７７号の製造方法によって生成される。
ここで使用される用語”シロキサン”は、シリコンへと高分子化されるように適合された低分子量の水素改良シロキサンを意味する。ここで使用される用語”シロキサン乳剤”は一以上のかかるシロキサンの水性乳剤を意味し、それは硫酸カルシウム半水和物結晶を内部に保持する条件の下、ＧＷＦスラリー中で安定である。シロキサン乳剤は、仕上げ生成物に対して改善された耐水性を付与するために、ボード乾燥段階の間にシリコンを硬化若しくは高分子化するように適合されるシロキサンからなる必要がある。
ここで使用される用語”触媒乳剤”は、一以上の触媒の水性乳剤を意味し、それは硫酸カルシウム半水和物結晶を内部に保持する条件の下、ＧＷＦスラリー中で安定である。触媒乳剤は、仕上げ生成物に対して改善された耐水性を付与するために、ボード乾燥段階の間にシロキサンのシリコンへの硬化を促進するように適合される触媒からなる必要がある。
シロキサンと触媒は共に生成物を作り上げるセッコウと木繊維に対して不活性である必要がある。シロキサンと触媒は共に、セッコウが硫酸カルシウムアルファ半水和物に変えられる、か焼工程から半水和物／木繊維スラリーが現れる温度及び電界質の条件下で安定な乳剤の形態をとる必要がある。シロキサンは、生成物の最終乾燥の間にボードにより達成された芯の温度で硬化するように適合される必要がある。より重要なことは、両方の乳剤が半水和物の結晶化を調整するのに使用される多様な添加物、又はセッコウの再水和が生じるように工程を調整するために使用される多様な促進剤若しくは阻害剤の存在下で安定である必要があることのみでなく、乳剤がそれら添加物の作用を妨害しない必要があることである。最も重要なことは、スラリーから除去される水に伴う乳剤の喪失を避けるために、高い割合の乳剤が、ほとんどの水を除去して濾過ケークを形成するためにスラリーが脱水される工程の間に、セッコウ／木繊維粒子に粘着する必要があることである。好ましい実施例において、シロキサン乳剤と触媒乳剤の両方は、カチオン性第四級アミン、適当なカチオン性乳化剤、又はブロックポリオール等の高ＨＬＢ値を有する非イオン性乳化剤の使用により安定化される。
製造工程において、未か焼セッコウ及びホスト粒子は、その後セッコウをか焼してそれを硫酸カルシウムアルファ半水和物へと変えるために加圧下で加熱される希釈スラリーを形成するのに十分な液体と共に混合される。本発明の微細な機構は完全には理解されていないが、希釈スラリー溶剤はホスト粒子を浸し、溶解された硫酸カルシウムをその穴中に運ぶと解されている。半水和物はその結果、核になり、結晶、主に針状結晶をホスト粒子の穴の中及び回りでその場で形成する。結晶調整剤は必要な場合にスラリーに添加されうる。得られた複合物は硫酸カルシウム結晶と物理的に絡み合わされたホストである。この絡み合いは硫酸カルシウムとより強いホスト粒子との間の良好な結合を作るのみでなく、半水和物が続いて二水和物（セッコウ）へと再水和される時にホスト粒子からの硫酸カルシウムの拡散を防止する。
かかる複合物粒子の大部分は、最終硬化の前に、固められ、ボードにプレスされ、キャストされ、形をつけられ、成形され、若しくは望みの形状に他の方法で形成されうる物質の塊を形成する。最終硬化の後、複合材料は切断され、のみで削られ、のこぎりで切られ、ドリルで穴を開けられ、そして他の方法で機械にかけられうる。更に、それは、ホスト粒子の物質により付与された一定の強化（特に強度と丈夫さ）に加え、セッコウの望ましい耐燃焼性と寸法の安定性を示す。
本発明の好ましい実施例によれば、ホスト粒子は紙繊維である。本発明に従う複合セッコウ／木繊維材料の製造方法は約０．５重量％から約３０重量％の間、好ましくは３重量％から２０重量％の間の木繊維を、粉砕されているが、か焼されていないセッコウの各補足物と共に混合することにより始まる。乾燥混合物は、約７０−９５重量％の水を有する希釈スラリーを形成するのに十分な液体、好ましくは水と組み合わされる。スラリーは圧力容器中、セッコウを硫酸カルシウム半水和物に変えるのに十分な温度で処理される。繊維のかたまりを壊し、全ての粒子が懸濁状態を維持するように、穏やかな攪拌若しくは混合によりスラリーを絶え間なく揺り動かすことが望ましい。半水和物が形成され、半水和物結晶として溶液から沈殿した後、スラリーがオートクレーブから出され、シロキサン乳剤及び他の所望の添加物がスラリーに加えられるとき、生成物スラリー上の圧力は減じられる。まだ熱い間に、スラリーは濾過ケークが形成されるフェルト地のコンベヤ上へとヘッドボックスを通過する。未結合水のおよそ９０％が、フェルト地のコンベヤにより濾過ケークから除去されうる。水除去に続いて、濾過ケークは再水和が始まる温度まで冷却される。しかしながら、温度を、許容可能な時間内に再水和を達成するのに十分なまでに低くするために、さらに追加の外部冷却を施す必要がある。
広範囲の再水和が起こる前に、濾過ケークは、好ましくは所望の厚さ及び／又は密度のボードへと湿潤プレスされる。ボードが特別な表面テクスチャー若しくはラミネート表面仕上げを付与される必要のあるものの場合、それは好ましくは製造工程のこの段階の間若しくはこれに続いて生じる。生成物の完全な状態を保持するために好ましくは圧力を徐々に増加しながらなされる湿潤プレスの間に二つのことが起きる。余分な水、例えば約５０−６０％の残留水は除去される。余分な水の除去に続いて、濾過ケークは更に、素早い再水和が起こる温度まで冷却される。硫酸カルシウム半水和物はセッコウへと水和し、針状カルシウム半水和物結晶は木繊維の中及び回りでその場でセッコウ結晶に変えられる。再水和の完了後、必要ならば、ボードは切断され、面取りされえて、その後乾燥のために炉へと送られる。好ましくは、表面のセッコウを再か焼することを避けるように乾燥温度は十分低く、そしてシロキサンの硬化を促進するように十分高く維持される。
耐水性において最大限の改善を達成するために、スラリーが濾過ケークへと形成され、成形され、脱水される時間の温度と化学的環境の中で、ＧＷＦスラリーの中で安定なシロキサン乳剤を使用することはとても重要である。シロキサン乳剤の安定性は、適当なカチオン性乳化剤の使用により若しくはシロキサン乳剤中で高いＨＬＢ値を有する非イオン性乳化剤の使用によって、大きく強化される。
十分に安定ではないシロキサン乳剤は劣った耐水性を有するＧＷＦボードを生成することが見出されている。好ましくは、シロキサン及び選択された触媒は、ＧＷＦボードが乾燥されるに従いボード内でシロキサンを完全に硬化するのに十分な硬化の速度を有する。
前記の製法に従い作られた複合セッコウ／木繊維ボードは、従来技術によるボード、例えば米国特許第５，３２０，６７７号の製造方法によって形成されたボードにより提供される所望の特徴の共同作用的結合の他に、改善された耐水性を有するＧＷＦボードを提供する。本発明のボードは改善された耐水性を有するため、それは通常のプラスターボード及び従来技術のセッコウ／木繊維ボードを超える、釘及びネジの引き抜き抵抗性を含む改善された強度を供える。
さらに、それは密度と厚さの範囲を超えて生成されうる。
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、以下のより詳細な本発明の検討を理解する当業者にとって明らかである。
【発明の実施の形態】
基本的な製造方法はか焼されていないセッコウとホスト粒子（例えば、木若しくは紙繊維）を希釈水性スラリーを形成するために水と混合することから始まる。セッコウのソースは、生鉱石から又は排煙脱硫若しくはリン酸プロセスの副生成物からなる。セッコウは比較的に高純度のもの、即ち好ましくは少なくとも約９２−９６％であり、細かく、例えば９２−９６％までがマイナス１００メッシュ若しくはそれより小さく粉砕される必要がある。より大きい粒子は変化時間を長くする。セッコウは、乾燥粉体として又は水性スラリーを経ての何れかにより導入されうる。
ホスト粒子は好ましくは、廃紙、木パルプ、ウッドフレーク及び／又は他の植物繊維ソースに由来するセルロース繊維である。繊維は、その物理的形態が溶解された硫酸カルシウムの侵入を受け入れる近づき易い裂け目若しくは穴を提供するような多孔性の、中空の、裂け目を有する、及び／又は荒い表面の物であることが好ましい。何れにしても、例えば木パルプであるソースはまた、かたまりを壊し、オーバーサイズの材料とアンダーサイズの物を分離し、ある場合には、強度抑制物質及び／又はセッコウのか焼に不利な影響を与える不純物；ヘミ−セルロース、酢酸等、を前除去する従来処理を必要とする。
粉砕セッコウ及び木繊維は、約５−３０重量％の固体を含むスラリーを形成するのに十分な水と混合されるが、約５−２０重量％の固体を含むスラリーが好ましい。スラリー中の固体は約０．５重量％から３０重量％の木繊維、そして好ましくは約３％から２０％の木繊維からなる必要があり、残余は主にセッコウである。
［半水和物への変化］
スラリーは連続攪拌若しくは混合装置の備えられた圧力容器中に導入される。必要な場合、結晶化を刺激する若しくは遅らせるため、又はか焼温度を低くするために、有機酸等の結晶調整剤はこの地点でスラリーに添加されうる。蒸気が、容器の内部の温度を約２１２°Ｆ（１００℃）と約３５０°Ｆ（１７７℃）の間に上げ、自然発生的な圧力に上げるために容器内に注入され；この時低い側の温度は、硫酸カルシウム二水和物が適当な時間内に半水和物状態にか焼するおおよそ実施上の最低であり；高い側の温度は、幾分かの硫酸カルシウム半水和物を無水物に変えてしまう大きな危険無しに半水和物をか焼するためのほぼ最高の温度である。オートクレーブ温度は好ましくは約２８５°Ｆ（１４０℃）から３０５°Ｆ（１５２℃）の範囲内である。
スラリーがこれらの条件下で十分な時間の間、例えば１５分間の間処理されるとき、半水和物分子に変えるのに十分な水が硫酸カルシウム二水和物分子から追い出される。懸濁状の粒子を維持するために絶え間ない動揺により促された溶液は、ホスト繊維中の開いた穴を液に浸し、浸透する。溶液の飽和が達成されるのに従い、半水和物は核になり、穴の中、上及び回り並びにホスト繊維の壁に沿って結晶を形成し始める。
オートクレービング操作の間、溶解された硫酸カルシウムは木繊維中の穴の中に浸透し、続いて針状半水和物結晶として穴の内部、上及び回り並びに木繊維の表面で析出すると解される。変化が完了するとき、オートクレーブ上の圧力は減少され、シロキサン乳剤及び触媒乳剤を含む所望の添加物が、通常はヘッドボックスで導入され、スラリーは脱水コンベヤ上に排出される。促進剤、阻害剤、防腐剤、燃焼阻害剤及び増強剤を含む通常の添加物は工程中のこの地点でスラリーに添加される。（硫酸カルシウム半水和物のセッコウへの水和を促進するための）特定の促進剤等の一定の添加物は、シロキサン乳剤によって達成される耐水性改良のレベルに大きく影響することが見出されている。その結果、カリ若しくは他の物質はミョウバンを超える促進剤として好まれている。
［シロキサン乳剤］
本発明は、熱い、か焼されたセッコウ／木繊維スラリーへ、安定な乳剤の形態にある高分子化可能なシロキサンを添加し、その後成形され、脱水され、プレスされ、高度に架橋結合されたシリコン樹脂を形成するためにシロキサンの高分子化を促進する条件下で乾燥されることにより、セッコウ木繊維ボードの耐水性を改善することを広く意図している。好ましくは、高度に架橋結合されたシリコン樹脂を形成するためにシロキサンの高分子化を促進する触媒が、また安定な乳剤の形態でセッコウ／木繊維スラリーに添加される。
シロキサンは一般に液体直線状水素改良シロキサンであるが、環状水素改良シロキサンもまた可能である。かかるシロキサンは高度に架橋結合されたシリコン樹脂を形成することができる。かかる液体は当業者には良く知られており、購入により入手が可能であり、特許文献中に開示されている。典型的には、本発明の実施に有用な直線状水素改良シロキサンは、一般式
ＲＨＳｉＯ2/2
のものからなり、ここでＲは飽和若しくは不飽和の一価の炭化水素ラジカルである。好ましい実施例においては、Ｒはアルキル基を表し、最も好ましくはＲはメチルである。
本発明の好ましい実施例において、シロキサン液は、一般式
（ＯＳｉＭｅＨ）n
を有するダウコーニングの１１０７液等の水素メチルシロキサン液であり、ここでｎ＝３５であり高分子はＳｉＭｅ3末端ブロックされている（ダウコーニングの製品文献に従う）。
濾過ケークの形成及び本工程の脱水段階の前にスラリーと完全に混合するように、シロキサン乳剤に対し十分な時間を提供するため、シロキサン乳剤はスラリーに、好ましくはそれがオートクレーブから出された後、好ましくはヘッドボックスの直前に添加される。シロキサン乳剤が添加される時のスラリーの温度は重要ではないが、シロキサン乳剤がスラリーの条件下で安定であることは重要である。つまり、シロキサン乳剤は、シロキサン乳剤がセッコウ−木繊維スラリーと混合される時のスラリーの温度で安定である必要があり、シロキサン乳剤は促進剤等のスラリー中に存在する添加物の存在下で安定を保つ必要がある。その上、シロキサン乳剤は脱水及びボード形成段階を通して安定を保つ必要がある。最も重要なことは、高い割合のシロキサンが濾過ケーク内に脱水工程の間保持されるべきことである。かかる高い保持と共に、スラリーへ添加されたシロキサン乳剤の量がスラリー中の全固体の重量を基礎として少なくとも約０．１重量％のシロキサンを提供するのに十分である場合、耐水性における感知可能な増大が通常与えられる。耐水性において高レベルの改善を達成するために、約１重量％から約２重量％のシロキサンが用いられることが好ましい。
［触媒乳剤］
水素メチルシロキサンのシリコン高分子への変化、即ちシロキサンの硬化を促進するために使用される触媒は、好ましくは水不溶性のブロンステッド塩基であり、最も好ましくは多様な第一級アミンから選択される。以下に記述する理由のため、高ＨＬＢの乳化剤を使用して乳化されうる触媒を選択することが好ましい。その結果、触媒は、水に溶ける必要はない（即ち、水中油型乳剤を形成するため。）。本発明での使用に対して好ましい触媒は、脂肪酸及びロジン酸から誘導された脂肪族モノ−、ジ−及びポリ−アミンを含む脂肪族第一級アミンである。モノ−及びジアルキルアミンに加えて、有用な触媒は構造：ＲＮＨＣＨＣＨ2ＮＨ2の乳化剤を含み、ここでアルキル基はココナッツ、獣脂及び大豆油から誘導され；又は９−オクチルデセニルである。かかる物質は、シロキサンからシリコンへの変化を触媒することに関する必要な基準を満足し、またそれらがほとんど水に溶けないように選択されうる。
使用されうる触媒の中に、ＰＡ−１７及びＤＡ−１７の名称でＴｏｍａｈ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．により販売されている脂肪族アミン、及びＡｅｍｅｅｎ  Ｃの名称でＡｋｚｏ  Ｎｏｂｅｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．により販売されているココナツ油誘導アミンがある。
触媒乳剤は好ましくは、濾過ケークの形成及び本工程の脱水段階の前に、両方の乳剤に対しスラリーと完全に混合するのに十分な時間を与えるために、ヘッドボックスの前にシロキサン乳剤と同時にスラリーに添加される。触媒乳剤がスラリーの状態で安定であることは重要である。即ち、触媒乳剤は、乳剤がセッコウ−木繊維スラリーと混合される時にスラリーの温度で安定である必要があり、その乳剤は、スラリー中に存在する促進剤等の添加物の存在において安定を保つ必要がある。両方の乳剤はその上、脱水及びボード形成段階を通して安定を保つ必要がある。最後に、両乳剤の大部分は脱水工程の間に濾過ケーク中に保持される。
［乳化剤］
本発明の重要な特徴は、乳化剤がシロキサン及び触媒の乳剤の両方に対して温度安定性を付与することである。この温度安定性は、両方の乳剤が安定であり、ＧＷＦスラリー中の多様な塩及び電解質の存在下、高温条件で壊れないことを確保するのに重要である。かかる温度及び電解質安定性の欠如は、シロキサンの即座の高分子化を引き起こして固体材料を形成し、それはファーニッシュ中に完全には分散されず、そのファーニッシュは劣った耐水性を有するボードを生成する。乳剤安定性の重要な表示は相転位温度（ＰＩＴ）であり、それは”乳剤の内部及び外部相が突然に転位する（例えば、Ｏ／ＷからＷ／Ｏ若しくはその逆）”温度として定義される。非イオン性乳化剤の相転位温度（ＰＩＴ）は乳化剤のＨＬＢ値により影響されることが示されている。ＨＬＢとＰＩＴについて正の相関が示されえて、乳剤に温度安定性を与えるもっともらしい手段は、より高いＨＬＢの非イオン性乳化剤を使用することであることを示す。
塩の添加はＰＩＴを低下し、そのため高ＰＩＴ値（若しくは高ＨＬＢ値）を有する非イオン性乳剤は、より安定な乳剤を得るために電解質の存在下で必要とされる。カチオン性乳化剤は固有に乳剤に対して高いＰＩＴを付与する。
本発明において、乳化剤はカチオン性若しくは非イオン性の何れかでありうるが、得られた乳剤が正に帯電されるようにし、それにより濾過ケーク形成及び脱水工程の間の負に帯電されたＧＷＦ濾過ケーク中の乳剤の保持を助けるため、カチオン性乳化剤系が好ましい。
カチオン性乳化剤の場合、第四級アンモニウム乳化剤が好ましい乳化剤である。第四級アンモニウム乳化剤はその正電荷をｐＨの広い範囲で保持する。これらの乳化剤は熱的に安定な乳剤を更に促進する。適当な第四級アンモニウム乳化剤の選択における第一の基準は、製造工程から持ち越された残留第一級アミンの量に基づく。第一級アミンは、ポリ（水素メチルシロキサン）からシリコンへ変化のための潜在的な触媒であり、第一級アミンの存在は得られたシロキサン乳剤の安定性を大きく限定しうる。多数の入手可能な第四級乳化剤は安定なポリ（水素メチルシロキサン）を促進する能力を試験される。好ましい乳化剤は、Ｇ−２６５の名称でＩＣＩ  Ｅｍｕｌｓｉｆｉｅｒｓにより販売される脂肪酸第四級アンモニウムカチオン性乳化剤である。それはおよそ３３のＨＬＢ値を有する。
Ｇ−２６５乳化剤は、その製造者に従い、およそ０．９％の第一級アミンを含む。この残留第一級アミン不純物を錯化（使えなくする）ために、強いルイス酸である少量の硫酸アルミニウム（すなわち、ミョウバン）がＧ−２６５乳化剤に添加された。本発明の好ましい実施において、１．０グラムのミョウバン溶液がＧ−２６５乳化剤５グラム毎に添加される。ミョウバンの添加は、残留第一級アミンと錯化するＡｌ3+イオンをもたらす。この機構を使用し、第一級アミンはもはやシロキサン高分子化反応を触媒するのに利用できない。
非イオン性乳化剤の場合、乳化剤のＨＬＢ値は得られる乳剤の熱的安定性と直接に関係する。乳化剤が高いＨＬＢ値、好ましくは少なくとも２０．０以上を有することが望ましい。好ましい非イオン性乳化剤は、Ｍａｃｏｌ  ２７の名称でＰＰＧ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓにより販売されるブロックポリオールである。この乳化剤のＨＬＢ値は２２．０である。
［脱水］
熱いシロキサン含有スラリーは、濾過ケークを生成するためにスラリーを平坦な多孔性成形表面上に分散するヘッドボックスを通される。濾過ケークは、スラリーがオートクレーブから出される時に水の蒸発によって、及び好ましくは真空により促進されてスラリー中の水が多孔性成形表面を通過することよって脱水される。脱水は濾過ケークの冷却をもたらすが、生成物スラリーの温度がまだ比較的高い間、そして半水和物がセッコウに変化する前に、可能な限り量の水が除去される。９０％程度のスラリー水が脱水装置中で除去され、およそ３５重量％の水からなる濾過ケークを得る。この段階では、濾過ケークは再水和可能な硫酸カルシウム半水和物結晶と絡み合った木繊維からなり、まだ、独立の合成物繊維若しくは団塊へと解体され、成形され、キャストされ、又はより高い密度へと圧縮されうる。
濾過ケークの形成、濾過ケークの脱水は、好ましくはこの開示を行なう米国特許第５，３２０，６７７号において開示されるタイプの紙生成装置を用いて実施される。
［プレスと再水和］
脱水された濾過ケークは、更に水含有量を減らし、濾過ケークを所望の形状、厚み及び／又は密度に固めるために数分間湿潤プレスされる。脱水段階でのバルクの水の抽出は濾過ケーク温度の低下に大きく寄与するが、追加の外部冷却が、必要な時間内に所望のレベルに到達するために必要とされる。濾過ケークの温度は、比較的素早い再水和が起きうるように、好ましくは約１２０°Ｆ（４９℃）より低く下げられる。再水和はアルファ半水和物結晶を、木繊維と物理的に絡み合わされている場所で針状セッコウ結晶へと結晶化する。
促進剤、阻害剤、結晶調整剤、若しくはスラリー中に提供された他の添加物に依存し、水和は単に数分から一時間以上を要する。針状半水和物結晶の木繊維との絡み合い、そして濾過ケークからのほとんどのキャリア液体の除去のため、硫酸カルシウムの移動は避けられ、均一な複合物を得る。再水和は半水和物結晶の二水和物結晶への再結晶をその揚で、即ち木繊維の穴の内部及び回りで達成し、それによって複合物の均一性を保持している。結晶成長はまた、木繊維の補強により強度が増大された、全体が結晶性のかたまりを形成するために隣接する繊維上の硫酸カルシウム結晶と結合する。
水和が完了するとき、残っている遊離の水を除去するために、複合物のかたまりを直ちに乾燥することが望ましい。さもなければ、吸湿性の木繊維は、後で蒸発する未結合水を保持し、若しくは吸収さえもする傾向がある。過剰な水が追い出される前に硫酸カルシウムコーティングが完全に固められた場合、未結合水が蒸発をする時に繊維は収縮してセッコウから引き抜かれうる。従って、最適な結果のために、温度が水和の始まるレベル以下に低下する前に、複合物のかたまりから可能な限りの量の過剰な遊離水を除去することが望ましい。
［乾燥］
プレスされたボードは、通常約３０重量％の遊離水を含有しており、最終生成物中の遊離水含有量を約０．５％以下に減少するために、比較的高い温度でその後直ちに乾燥される。シロキサンのシリコンへの高分子化を促進するために、乾燥段階の間、最終生成物の内部温度を短時間に十分高く上げることが重要である。明らかに、セッコウをか焼しやすい乾燥条件は避けられるべきである。乾燥を、生成物が少なくとも１７０°Ｆ（７７℃）の中心温度、好ましくは約１７０°Ｆ（７７℃）と２００°Ｆ（９３℃）の間の中心温度に到達する条件で実施するのが望ましいことが見出されている。固められて乾燥されたボードは切断され、別に所望の仕様に仕上げられうる。
最終的に固められた時、新規な複合材料はその二つの成分の両方によって与えられた所望の特性を示す。木繊維はセッコウマトリックスの強度、特に曲げ強度を増大し、一方セッコウは木繊維を保護する被膜及びバインダーとして作用し、耐燃焼性を付与し、湿気による膨張を減少する。
【実施例】
以下の例は、本発明の改善された耐水性を有するセッコウ／木繊維生成物の調製と評価を説明するのに役立つが、これらの例は説明の目的のために記述されること、及び改善された耐水性を有する多くの他のセッコウ木繊維生成物が適当な変形により作られうることが理解される。
［例１］
以下の５重量％のシロキサンを含むシロキサン乳剤が、ダウコーニング１１０７（上記）を使用して調製され、ＩＣＩ  Ｇ−２６５（上記）により安定化された。
水  ３３５２．６ｇ
ダウコーニング１１０７  シロキサン  オイル  １７６．４ｇ
Ｇ−２６５（１００％活性）  ２．７ｇ
製造方法：ステンレススチールの混合機に加えられた。水及びＧ−２６５がガラスビーカに加えられた。Ｇ−２６５は粘りのある液体であった。水とＧ−２６５は、Ｇ−２６５を溶解するために、１０分間ビーカー内で攪拌された。Ｇ−２６５は水に完全に溶解した。溶液は混合機に加えられた。ウォーリングの１ガロンの市販混合機（３速度モデル）を使用して、６０秒間低速で混合された。
［例２］
以下の４．９％の第一級アミンを含む第一級アミン触媒乳剤はＴｏｍａｈ  ＤＡ−１７（上記）を使用して調製され、ＩＣＩ  Ｇ−２６５（上記）により安定化された。
水  ２５１４．６ｇ
氷酢酸  １３．２ｇ
Ｇ−２６５（１００％活性）  １９．９ｇ
ＤＡ−１７（Ｔｏｍａｈ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）  １３２．３ｇ
製造方法：絶え間のない磁気攪拌の下、２５１４．６グラムの水が磁気攪拌しながらビーカ中で７０℃（１５６°Ｆ）に加熱された。１３．２グラムの氷酢酸と１９．９グラムのＧ−２６５乳化剤がこのビーカに加えられた。このビーカに１３２．３グラムのＤＡ−１７が攪拌しながら加えられた。熱から移動され、溶液は磁気攪拌しながら室温まで徐々に冷却された。
［例３］
標準ＧＷＦボード生成物が以下のように製造された。８５重量％の未か焼ＦＧＤセッコウ（排煙脱硫の副生成物）と、３．７５％の紙繊維と１１．２５％のスプルース繊維からなる１５重量％の繊維との混合物が、１５重量％の固形分を含むスラリーを形成するために十分な水と共に攪拌オートクレーブに加えられる。得られたスラリーは圧力下で約２９５°Ｆまで１５分間加熱され、セッコウがアルファ半水和物を形成するために、か焼されるようにする。
スラリー中の圧力は、スラリーがオートクレーブから取り出される時に開放される。生じる水の蒸発はスラリーを約１８０から２１２°Ｆに冷却する。促進剤と共に以下で記載される乳剤がスラリーに加えられ、スラリーはその後成形ラインのヘッドボックスに導かれる。促進剤は、スラリー中の全固形分の重量を基礎として、０．５重量％のＫ2ＳＯ4（カリ）と１重量％の糖コートカルシウム二水和物（例えば、米国特許第３，８１３，３１２号に記述されている）である。スラリーは多孔性コンベヤ上に配され、その上で濾過ケークが形成される。濾過ケークは、約６０％の水を除く真空脱水装置を通過させられ、スラリー／濾過ケークは約１２０°Ｆの温度に達する。セッコウへの半水和物の最適な水和のため、さらに水を除去しボードを９５°Ｆまで冷却するさらなる真空処理を受けて、濾過ケークはおよそ１／２インチ厚のボードへとプレスされる。再水和の後、ボードはパネルへと切断され、パネルは、ボードの中心を短時間の間に約２００°Ｆに達するようにする条件の下で乾燥される。以下で報告されるように、得られたボードはその後試験される。
５つのボードが、例１の乳剤の形態で提供された、以下の濃度（スラリーの全固形分濃度に基づく）のシロキサンを用いて調製された。各場合において、例２の触媒乳剤が、シロキサンの重量を基礎として、１５％の触媒を提供するのに十分な量でスラリーに添加された。
ボード＃１  対照
ボード＃２  ０．５％シロキサン；１５％触媒
ボード＃３  １．０％シロキサン；１５％触媒
ボード＃４  １．５％シロキサン；１５％触媒
ボード＃５  ２．０％シロキサン；１５％触媒
各ボードからの３つの試料が耐水性を試験された。３つの観測された耐水性値の平均が以下の表１に報告される。
0004493732.tif 000002
３試料に対する耐水性値は近接してグループ分けがされ、ボード中のシロキサン乳剤の良好な分布状態を示している。
先の例中で使用された市販の乳化剤、Ｇ−２６５は、およそ０．９％の第一級アミンを含む。この残留第一級アミン不純物を錯化する（拘束する）ために、少量の強ルイス酸である硫酸アルミニウム（即ち、ミョウバン）が乳化剤に加えられた。実際、１．０グラムの１０％ミョウバン溶液がＧ−２６５乳化剤５グラム毎に加えられた。ミョウバンの添加は、残留第一級アミン不純物と錯化するＡ１+3イオンをもたらした。
ここで示され記述された発明の形態は、説明としてのみ考慮すべきものである。多数の改良が、本発明の趣旨と添付の請求項の範囲から逸脱すること無くそこに形成されうることは当業者にとって明白である。