СТРОИТЕЛЬНЫЕ ПРОДУКТЫ НА ОСНОВЕ ГИПСА И СПОСОБ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
CONSTRUCTION PRODUCTS BASED ON GYPSUM AND METHOD OF THEIR PRODUCTION

Данное изобретение относится к строительным продуктам на основе гипса, к составам, которые могут использоваться, чтобы получать такие строительные продукты, и к способу изготовления таких строительных продуктов из гипса.
4
2
Гипс представляет собой природную форму сульфата кальция в форме устойчивого дигидрата (CaSO⋅2HO). Термин "гипс", который используется здесь, означает сульфат кальция в устойчивом состоянии дигидрата; и включает природный минерал, синтетически полученные эквиваленты (например, гипс, полученный из топливной промышленности и/или в процессах рециркуляции), и материал дигидрат, полученный гидратацией штукатурки (полугидрат сульфата кальция) или ангидрита.
Свойства гипса делают его весьма пригодным для использования в промышленных и строительных штукатурках и других строительных продуктах, таких как гипсовая стеновая плита. Он является повсеместным и обычно недорогим сырьевым материалом, который, через последовательные стадии дегидратации и повторной гидратации, может быть отлит, сформован или иным образом превращен в полезную форму. Например, гипсовую стеновую плиту; также известную как гипсокартон или стена сухой кладки, изготавливают как набор гипсовых сердцевин, прослоенных между листами строительного картона.
Гипс для применения в качестве штукатурки обычно получают размолом и кальцинированием при температурах, таких как приблизительно от 120 до 170°C, обычно при атмосферном давлении. Это приводит частично к дегидратированному гипсу, обычно в форме бета-кристаллической формы полугидрата, которая может использоваться в качестве строительного или конструкционного материалов, при смешивании его с водой, чтобы образовать водную суспензию штукатурки, пасты или дисперсии, и затем при оседании суспензии с перекристаллизацией из водной среды.
Особенной характеристикой частиц сульфата кальция, которые образуются посредством этого известного процесса кальцинирования и повторной гидратации, является то, что они являются иглообразными, то есть, игольчатыми. Следовательно, такие частицы имеют высокое аспектное отношение, причем аспектным отношением является отношение самого длинного размера частицы к ее поперечному размеру.
Гипсовая стеновая плита обычно состоит из затвердевшей гипсосодержащей сердцевины, поверхность которой обработана бумагой или другим волокнистым материалом, пригодным для восприятия покрытия, такого как краска. Обычно производят гипсовую стеновую плиту, прослаивая водную суспензию сердцевины, преимущественно включающей прокаленный гипс, между двумя листами и позволяя водной суспензии сердцевины схватываться или твердеть при повторной гидратации прокаленного гипса, за которой следует термообработка в сушилке, чтобы удалить избыточную воду. После того, как суспензия гипса схватится (то есть, прореагирует с водой, присутствующей в водной суспензии) и высохнет, сформированный лист разрезают до заданных размеров.
Однако как кальцинирование гипса до частично дегидратированной формы, так и стадия высыхания являются энергоемкими процессами, и, следовательно, целью является создание способа, в котором гипс может использоваться, чтобы делать строительные продукты с меньшей затраченной энергией.
В его наиболее общем варианте данное изобретение может обеспечить строительный продукт (например, панель для изготовления перегородок), который получают смешиванием матрицы частиц непосредственно со связующим компонентом. Связующий компонент эффективно склеивает матрицу, но не предполагается, что какая-либо химическая реакция произойдет между связующим компонентом и матрицей. Матрица может включать, например, дигидрат сульфата кальция, песок, карбонат кальция или другие инертные твердые частицы. Альтернативно, матрица может включать каучук. Как правило, связующий компонент является органическим веществом. Как правило, связующим компонентом является вязкоупругий клей.
Обычно, матрица составляет, по меньшей мере, 50 вес. %, предпочтительно, по меньшей мере, 60 вес. %, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 65 вес. % строительного продукта.
Как правило, матрицей является дигидрат сульфата кальция. В этом случае способ позволяет избежать энергоемких стадий кальцинирования и сушки.
Так как частицы сульфата кальция, присутствующие в строительном продукте, не подвергались процессу кальцинирования и повторной гидратации, они обычно не вырастают в игольчатую форму.
Таким образом, обычно можно отличить строительные продукты, полученные посредством прямого смешивания дигидрата сульфата кальция со связующим компонентом, от продуктов, образованных посредством известного процесса кальцинирования и повторной гидратации, при рассмотрении формы частиц дигидрата сульфата кальция, в особенности, их аспектного отношения. Как правило, частицы дигидрата сульфата кальция в продукте, полученном прямым смешиванием частиц со связующим компонентом, имеют больше форму блоков, чем форму игольчатых частиц, образованных известным способом кальцинирования и повторной гидратации.
Следовательно, в первом варианте осуществления данное изобретение может обеспечить строительный продукт, включающий частицы дигидрата сульфата кальция, связанные органическим связующим компонентом,
причем частицы дигидрата сульфата кальция, каждая имеет наиболее длинный размер и поперечный размер, причем поперечный размер соответствует максимальной ширине частицы по оси, определенной наиболее длинным размером,
причем частицы дигидрата сульфата кальция имеют низкое аспектное отношение, такое что, по меньшей мере, для 75% частиц дигидрата сульфата кальция величина поперечного размера составляет, по меньшей мере, 20% величины наиболее длинного размера.
Частицы сульфата кальция, находящиеся в продукте по этому варианту осуществления изобретения, могут быть, например, пластинчатыми или блочными, а не игольчатыми. Следовательно, частицы сульфата кальция имеют низкое аспектное отношение, например, аспектное отношение ниже, чем 10, в определенных случаях ниже, чем 5, в других случаях ниже, чем 3.
Поперечные размеры находятся поперек наиболее длинного размера, например, перпендикулярно наиболее длинному размеру.
Обычно, по меньшей мере, 85% частиц дигидрата сульфата кальция имеют поперечный размер, который составляет, по меньшей мере, 20% наиболее длинного размера.
Как правило, по меньшей мере, 75%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 85% частиц дигидрата сульфата кальция имеют поперечный размер, который составляет, по меньшей мере, 30% самого длинного размера. В определенных случаях, по меньшей мере, 75% частиц дигидрата сульфата кальция имеют поперечный размер, который составляет, по меньшей мере, 40%, в некоторых случаях, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 60% наиболее длинного размера.
50
50
50
Как правило, размер D частиц дигидрата сульфата кальция (то есть, величина эквивалентного диаметра частиц, которая больше, чем эквивалентный диаметр точно 50 вес. % частиц) больше, чем 3 мкм, в определенных случаях, больше, чем 20 мкм или больше, чем 50 мкм. Обычно, размер D частиц составляет меньше, чем 2 мм, в определенных случаях меньше, чем 0,5 мм, в некоторых случаях меньше, чем 250 мкм. Размер D частиц дигидрата сульфата кальция может быть измерен, например, лазерной гранулометрией.
Как правило, строительным продуктом является автономная конструкция. Например, он может быть монолитным элементом, таким как гипсовая плита. Термин "автономная конструкция" исключает покрытия (такие как покрытия, произведенные посредством применения соединительных соединений), так как покрытия не являются автономной конструкцией, а наносятся на подложку. Обычно, строительным продуктом является жесткая конструкция.
3
3
3
В определенных вариантах осуществления, строительный продукт может иметь приблизительно плоскую форму (то есть один размер значительно меньше, чем оставшиеся два размера). В альтернативных вариантах осуществления строительный продукт может иметь объемную форму. Как правило, объем строительного продукта составляет больше, чем 0,005 м, предпочтительно больше, чем 0,007 м, более предпочтительно больше, чем 0,01 м.
Гипсовые частицы, используемые в этом строительном продукте, являются предпочтительно природными частицами. Альтернативно, они могут быть получены из промышленного источника, при условии, что они находятся в форме дигидрата. В определенных случаях гипс может быть смесью природного и синтетического дигидрата сульфата кальция. Например, частицы дигидрата сульфата кальция могут включать гипс, полученный обессериванием топочного газа.
Как правило, связующий компонент может включать, органический растительный связующий компонент, такой как алкидная смола, например, алкидная смола на основе триглицеридов, полученных из полиненасыщенных жирных кислот растительных масел (таких как, льняное масло). Другие подходящие органические связующие компоненты включают белок сои, живицу сосны (такую как канифоль, модифицированные канифоли и их производные, политерпен, модифицированные терпены, терпен-фенольные смолы или смолы эфиров канифоли), крахмал и производные крахмала, и модифицированный латекс природного каучука.
Связующие компоненты крахмала могут включать, предварительно желатинизированные крахмалы и предварительно нежелатинизированные крахмалы. Предпочтительным примером предварительно желатинизированного крахмала является Старамик 747 (Staramic 747™). Предпочтительным примером предварительно нежелатинизированного крахмала является обычный кукурузный крахмал.
Предпочтительно, связующий компонент включает белок сои или крахмал. Органическим связующим компонентом может быть клей на водной основе.
В определенных случаях связующий компонент может включать клейкую композицию смолы полиаминополиамид-эпихлоргидрина (ПАЭ) и белка, такая как композиция, описанная в патенте США №2008/0050602.
В определенных случаях связующий компонент может включать смесь органических связующих соединений. Связующий компонент может включать природные и/или синтетические соединения.
В определенных случаях связующие компоненты могут быть представлены в модифицированной, сшитой форме. Образования поперечных связей может быть вызвано реакциями присоединения, отщепления, замещения, конденсации, комплексообразования с минералами или металлами, отверждения под действием облучения и/или сочетания, как известно в уровне техники.
Хотя связующим компонентом является обычно органический связующий компонент, также возможны другие формы связующих компонентов. Например, связующим компонентом может быть синтетический органический связующий компонент, полученный из нефтехимических веществ. Например, связующим компонентом может быть адгезионная композиция, такая как описана в СА 1230695, который включен в описание ссылкой.
В этом случае, связующий компонент может включать, например, смолы алифатических или ароматических углеводородов, фенольные смолы, ксилольные смолы или кумарон-инденовую смолу. Такие смолы могут быть представлены в форме адгезионной композиции, далее включая один или больше следующих компонентов: водная дисперсия природного или синтетического полимера, неорганический наполнитель, волокнистый наполнитель и поверхностно-активное вещество.
Как правило, связующий компонент не включает целлюлозу или целлюлозные загустители, такие как могут быть найдены в герметиках. В других случаях, целлюлоза или целлюлозные загустители присутствуют в количестве меньше, чем 0,2 вес. % строительного продукта, предпочтительно меньше, чем 0,1 вес. %.
Как правило, строительный продукт включает, по меньшей мере, 0,5 вес. % органического связующего компонента, предпочтительно, по меньшей мере, 1 вес. %, в определенных случаях, по меньшей мере, 5 вес. %. Обычно, строительный продукт включает меньше, чем 30 вес. % органического связующего компонента, предпочтительно, меньше, чем 20 вес. %, более предпочтительно меньше, чем 15 вес. %.
Обычно, строительный продукт включает, по меньшей мере, 50 вес. % частиц дигидрата сульфата кальция, предпочтительно, по меньшей мере, 60 вес. %, более предпочтительно, по меньшей мере, 65 вес. %. Как правило, строительный продукт включает меньше, чем 99 вес. % частиц дигидрата сульфата кальция, предпочтительно, меньше, чем 95 вес. %, более предпочтительно, меньше, чем 90 вес. %.
Строительный продукт по первому варианту осуществления изобретения может далее включать неорганический связующий компонент, например, цемент, известковую штукатурку или другой пуццолановый связующий компонент. Неорганический связующий компонент обычно присутствует в количестве до 20 вес. % строительного продукта, предпочтительно, до 15 вес. %.
Присутствие неорганического связующего компонента не является существенным, поскольку прочность строительного продукта получают, главным образом, за счет органического связующего компонента. Фактически, в определенных вариантах осуществления изобретения, неорганический связующий компонент не присутствует или присутствует в количестве меньше, чем 1 вес. %.
В определенных случаях связующий компонент может включать смесь двух или больше материалов, например, органический материал, смешанный с неорганическим материалом.
3
Поскольку гипс имеет плотность 2,32 кг/м, часто желательно снизить плотность продукта на основе гипса добавлением облегченных наполнителей, которые перечислены в следующей таблице, в виде примера:
Облегченный наполнитель обычно получают в измельченной форме, причем размер частиц находится в интервале от 30 мкм до 4 мм.
Другие материалы наполнители, такие как кварцевый песок, доломит или карбонат кальция могут также быть добавлены.
3
3
3
Как результат состава строительный продукт обычно имеет плотность, которая по существу сопоставима с плотностью обычного гипсокартона. Таким образом, самая низкая плотность строительных продуктов по первому варианту осуществления изобретения может быть в области 250 кг/м, возможно, в области 300 кг/м или 400 кг/м. В этих случаях способ изготовления этого строительного продукта может обычно включать добавление стабилизированной пены к смеси дигидрата сульфата кальция и связующего компонента.
3
3
3
Как правило, самая высокая плотность строительных продуктов по первому варианту осуществления изобретения находится в области 1600 кг/м, возможно в области 1400 кг/м или 1300 кг/м.
Плотности, находящиеся в интервале между самыми высокими и самыми низкими цитированными значениями, также возможны.
Строительный продукт может быть в форме панели. В этом случае, панель может дополнительно включать армирующие волокна. Такие армирующие волокна могут включать стекловолокна (обычно резаные волокна) или другие волокна, традиционно используемые в гипсовой панели. Такая панель по изобретению может иметь или не иметь поверхностного упрочнения или листов облицовки; когда используется поверхностное упрочнение, то им может, например, быть волоконный грубый холст, волоконная сетка, бумага, стеклянный мат, полиэфирный мат, мат из природных волокон (например, конопли, древесины, бамбука или льна), хлопково-полиэфирный мат, полиэфиростеклянный мат. В определенных вариантах конструкции облицованный лист может иметь сотовую структуру. Предпочтительно, облицованный лист включает трехслойную бумагу.
Другие невредные материалы, присадки и ингредиенты могут присутствовать в строительном продукте, если они соответствуют требованиям. Такие невредные материалы могут необязательно включать дополнительные дальнейшие ингредиенты, такие как репелленты влажности (такие как силиконовые масла или воски, бактерициды, фунгициды, красители и антипирены), флюидизирующие средства, поверхностно-активные вещества (например, анионные поверхностно-активные вещества, катионные поверхностно-активные вещества, или смесь обоих), стабилизированная пена, адсорбирующие вещества для летучих органических соединений (ЛОС) (то есть поглотители ЛОС), и сиккатив. Присутствие сиккатива может быть особенно предпочтительным, когда связующий компонент включает алкидную смолу.
Во втором варианте осуществления данное изобретение предлагает способ производства продукта на основе гипса, включающий стадии:
- создание некоторого количества частиц дигидрата сульфата кальция;
- создание органического связующего компонента для связывания частиц дигидрата сульфата кальция и
- смешивание частиц дигидрата сульфата кальция со связующим компонентом.
Обычно, способ включает дальнейшую стадию, позволяющую смеси дигидрата сульфата кальция и связующего компонента отверждаться с получением строительного продукта, который является автономной конструкцией.
Связующий компонент может быть в порошковой форме или в форме водного раствора или водной эмульсии/дисперсии. Обычно, способ включает стадию отверждения связующего компонента, чтобы гарантировать сцепление между частицами гипса.
Способ по второму варианту осуществления изобретения может включать дальнейшую стадию добавления неорганического связующего компонента, например, цемента, известковой штукатурки или другого пуццоланового связующего компонента. Считается, что использование неорганического связующего компонента может усилить прочностные свойства продукта на основе гипса, в частности быстрое твердение и схватывание продута.
Гипс, используемый по изобретению, является предпочтительно природным и может быть измельчен перед смешиванием со связующим компонентом.
3
Поскольку гипс имеет плотность 2,32 кг/м, часто желательно снизить плотность продукта на основе гипса добавлением облегченных наполнителей, таких как наполнители, перечисленные в связи с первым вариантом осуществления.
В дополнение к этому, или как вариант, плотность продукта на основе гипса может быть понижена путем добавления пены.
Каждый из компонентов, используемых при получении строительного продукта по способу второго варианта осуществления изобретения, может индивидуально включать дополнительные особенности компонентов, присутствующих в строительном продукте по первому варианту осуществления изобретения.
Строительный продукт, полученный по способу второго варианта осуществления изобретения, может иметь любую из дополнительных особенностей строительного продукта по первому варианту осуществления изобретения.
В третьем варианте осуществления данное изобретение может обеспечить гипсовый состав, включающий
i) тонко измельченный гипс (то есть, дигидрат сульфата кальция) как преобладающее количество по весу состава и
ii) в качестве связующего компонента для гипса органический растительный адгезионный материал, в незначительном количестве от веса состава.
Каждый из компонентов гипсового состава по третьему варианту осуществления изобретения может индивидуально включать дополнительные особенности компонентов, присутствующих в строительном продукте по первому варианту осуществления изобретения.
Определенные выгодные особенности изобретения и пути, которым оно может быть осуществлено, теперь поясняются в следующих рабочих иллюстративных примерах, со ссылкой на следующие фиг.:
фиг. 1 представляет собой снимок, сделанный сканирующей электронной микроскопией, строительного продукта по первому варианту осуществления первого варианта изобретения;
фиг. 2 представляет собой снимок, сделанный сканирующей электронной микроскопией, строительного продукта по второму варианту осуществления первого варианта изобретения;
фиг. 3 представляет собой снимок, сделанный сканирующей электронной микроскопией, сравнительного примера строительного продукта на основе гипса;
фиг. 4 показывает строительный продукт Фиг. 3 при более высоком увеличении;
фиг. 5 показывает строительный продукт Фиг. 3 при более низком увеличении;
фиг. 6 показывает типичное распределение частиц по размерам для частиц гипса в образце композиционного материала по варианту осуществления данного изобретения.
Пример 1
Образцы для испытания в форме призм были получены из гипса, связующего компонента крахмала и, необязательно, наполнителя. Крахмал был любой предварительно нежелатинизированный крахмал (в этом случае, природный кукурузный крахмал), или один из двух предварительно желатинизированных крахмалов (предварительно желатинизированный крахмал 1 = Staramic 747 от Tate & Lyle; предварительно желатинизированный крахмал 2 = ICB 1300 от Tate & Lyle). Плотность и прочность на изгиб были измерены и представлены в таблице 1.
Пример 2
Образцы для испытаний в форме призм получали из гипса, связующего компонента алкидной смолы, наполнителя и, необязательно, сиккатива. Алкидная смола является товарным продуктом от Cray Valley. Сиккатив от OMG Borcher использовали в нескольких примерах. Плотность и прочность на изгиб были измерены и приведены в таблице 2.
Пример 3
Образцы для испытаний в форме призм получали из гипса, связующего компонента на основе белка (Soyad), произведенного группой Hercules group, и наполнителя. Плотность и прочность на изгиб измеряли и представили в таблице 3.
Пример 4
Образцы для испытания в форме призм получали из гипса, связующего компонента, полученного из сосны (терпен-фенольная эмульсия TR 602), и наполнителя.
Плотность и прочность на изгиб измеряли и представили в таблице 4.
Измерение прочности на изгиб
После производства призмы сушили в течение 24 часов при 40°C и затем кондиционировали при 25°C и 50% влажности в течение еще 24 часов. Прочность на изгиб призм была измерена при изгибе с тремя зажимами, с использованием универсальной испытательной машины Цвика.
Производство призм
Для производства призм, содержащих связующий компонент крахмал, использовали следующий протокол. Аналогичный метод использовался для призм, содержащих другие связующие компоненты.
1. Смешать порошки: гипс и добавки (наполнители легкого веса, например).
2. Смешать воду с порошком крахмала.
3. Влить гипсовую порошкообразную смесь в смесь вода/крахмал.
4. Смешать порошкообразную смесь и воду в миксере (таком как миксер Кенвуда)
до получения однородной суспензии.
5. Если образец включает пену как средство легкого веса, то пену, генерируемую отдельно согласно процессам, известным в технологии, предпочтительно добавляют на данной стадии.
6. Налить суспензию в формы.
7. Снять верхний слой излишка гипсовой суспензии.
8. Поместить форму на поддон. Форма может быть накрыта металлическим поддоном.
9. Отверждать/сушить образцы в форме в течение соответствующего времени и при соответствующей температуре, например, 1 час 30 мин при 140°C, 24 часа при 40°C, или времени от 1 час 30 мин и температуре от 40°C до 140°C.
Механические характеристики образцов тестировали при комнатной температуре. Образцы выдерживали при комнатной температуре (15-25°C) в течение, по меньшей мере, одного дня перед тестированием.
Этот способ может использоваться для изготовления панелей, имеющих толщину ~13 мм. В этом случае стадия отверждения составляет 1 час 10 мин при 120°C. Кроме того, возможно добавить бумажную облицовку обеих сторон перед и после отливания гипсовой пасты, как известно в технологии.
Сканирующие электронные микроснимки
Фиг. 3, 4 и 5 показывают микроснимки, полученные сканирующей электронной микроскопией, гипсокартонов, произведенных по известному способу кальцинирования и повторной гидратации. Можно заметить, что этот способ приводит к получению иглоподобных кристаллов гипса, имеющих высокое аспектное отношение. Длина игл составляет приблизительно 20 мкм.
В отличие от этого, фиг. 1 и 2 показывают микроснимки, полученные сканирующей электронной микроскопией, гипсового композиционного материала по различным вариантам осуществления данного изобретения. Фиг. 1 показывает композиционный материал, имеющий связующий компонент белок сои, в то время как фиг. 2 показывает гипсокартон, имеющий связующий компонент крахмал. Кристаллы гипса соответствуют светлым областям микроснимка, в то время как темные области соответствуют связующему компоненту и/или эпоксидной смоле, используемой, чтобы изготовить образцы.
Можно видеть, что в гипсокартоне по данному изобретению присутствуют частицы гипса больше блочного типа, чем игольчатого типа. Кроме того, размер частиц гипса в строительных продуктах, показаных на фиг. 1 и 2, составляет много больше, чем размер игл гипса, присутствующих в сравнительном примере, показанном на фиг. 3-5.
Фиг. 6 показывает типичное распределение частиц по размеру для частиц гипса в образце композиционного материала по варианту осуществления данного изобретения. Из этого можно видеть, что частицы обычного гипса в образце композиционного материала имеют размер частиц от 1 до 100 мкм. Большинство частиц (измерено по объему) имеют размер частиц от 20 до 60 мкм.