АКУСТИЧЕСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ С ХИТОЗАНОМ
ACOUSTIC BUILDING MATERIAL WITH CHITOSAN

Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США 61/427643, поданной 28 декабря 2010 г.
Область техники
Область техники относится к акустическому строительному материалу или волокнистой плите, а также способу их получения, в частности к волокнистой плите, содержащей хитозан, гомогенно диспергированный в конструкции плиты.
Уровень техники
Акустический строительный материал или волокнистая плита могут быть в форме потолочной плитки, потолочной панели, стеновой панели или стеновой плитки, хорошо известных в строительной отрасли. Указанные плиты получают из суспензии волокон, наполнителей и связующих.
Как правило, указанные плиты получают путем применения суспензии в процессе мокрого свойлачивания, известном в данной области техники. Дисперсия волокна, наполнителя, связующего и других ингредиентов течет на движущуюся пористую подложку, например на длинносеточную отливную машину для обезвоживания. Дисперсию сначала обезвоживают путем гравитационного обезвоживания и затем с помощью вакуумного отсоса. Мокрый основной мат сушат и высушенный материал разрезают до требуемых размеров, и, опционально, наносят на него верхнее покрытие с получением панелей или плиток из волокнистой плиты.
Хитозан или поли-D-глюкозамин коммерчески доступен в виде деацетилированной формы хитина, который является структурным элементом в экзоскелете ракообразных и клеточных стенках некоторых грибов. Он представляет собой катионный полимер, сходный с целлюлозой. Было обнаружено, что хитозан способствует свертыванию крови, и его применяли в перевязочных материалах. Он является биоцидом и обладает особыми свойствами, улучшающими противомикробную и противогрибковую активность. Хитозан также применяют в качестве флокулянта для фильтрации воды от тяжелых металлов. Также известно, что хитозан абсорбирует формальдегид и поглощает запах.
Краткое описание изобретения
Было обнаружено, что хитозан может быть многофункциональной добавкой к волокнистой плите, которую можно включать непосредственно в состав суспензии. Хитозан растворяют в кислоте и добавляют непосредственно в суспензию в виде разбавленного раствора. Таким образом, хитозан равномерно распределяют внутри конструкции плиты без каких-либо существенных изменений в производственном процессе.
Применение хитозана в конструкциях волокнистых плит обеспечивает ряд преимуществ, присущих готовому продукту. Например, при концентрации хитозана менее примерно 10 мас.% обеспечивается структурное усиление, достаточное для снижения количества связующего. Это приводит к снижению стоимости, поскольку связующее является дорогим ингредиентом композиции волокнистой плиты.
Дополнительным преимуществом включения хитозана в конструкции плит является то, что он улучшает и вносит вклад в связывание компонентов и позволяет увеличить содержание повторно перерабатываемых материалов. То есть количество связующего может быть уменьшено и может быть использовано повышенное количество повторно переработанной целлюлозы.
Совершенно неожиданно было обнаружено, что включение хитозана в конструкцию плиты улучшает обезвоживание или удаление воды из конструкций плит при их получении и уменьшает требования к сушке. В процессе свойлачивания улучшается удаление воды из конструкции плиты до стадии сушки в печи и степень требуемого высушивания снижается. В процессе обработки конструкции плиты, содержащей хитозан, согласно изобретению количество воды, удаляемой на стадиях обезвоживания до сушки в печи, повышается, а следовательно, уменьшается количество воды, которое требуется удалять в ходе завершающей сушки в печи. Сниженные требования к сушке в печи позволяют снизить энергопотребление и затраты.
Биоцидные свойства хитозана непосредственно подходят для применения в области потолочных и стеновых конструкций. Указанные свойства особенно полезны при применении в потолочной плитке, поскольку плитка, скорее всего, будет влажной из-за высокой влажности, конденсации и других источников влаги. Указанная высоко влажная среда способствует появлению нежелательных микробов и грибков, которые могут быть занесены путем переноса по воздуху.
Полагают, что способность хитозана абсорбировать формальдегид может снижать содержание формальдегида как присутствующего в ходе осуществления процесса, так и содержащегося в продукте. Способность хитозана поглощать запахи особенно важна с точки зрения получения продуктов.
Подробное описание изобретения
Как было указано выше, было обнаружено, что хитозан в качестве многофункциональной добавки обеспечивает требуемые характеристики акустических строительных материалов или волокнистых плит. В целях удобства, изобретение описано с конкретной ссылкой на потолочные плитки, которые могут быть использованы в подвесных потолках.
Требуемые потолочные плитки содержат основные волокна, которые обычно представляют собой минеральные волокна, такие как минеральная вата или стекловолокна, и органические волокна, такие как целлюлозные волокна. Наполнители обычно представляют собой перлит, глину, карбонат кальция или штукатурный гипс. Связующее обычно представляет собой крахмал, латекс или аналогичное материалы. Указанные материалы или ингредиенты обычно объединяют в водную суспензию и применяют в процессе мокрого свойлачивания, как описано выше.
В типичных композициях компоненты волокна и наполнителя являются основными ингредиентами. Однако можно применять широкий спектр ингредиентов. Например, в следующей таблице приведены типичные потолочные и стеновые композиции. Следует понимать, что указанные композиции могут содержать один или более примеров видов волокна, наполнителя или связующего, перечисленных в следующей таблице. Процентное содержание в таблице представляет собой процентное содержание по массе в расчете на массу твердых веществ, если иное не указано в комментарии или контексте.
Указанные компоненты волокна, наполнителя и связующего известным способом объединяют в водной суспензии в количестве примерно от 3% до 6% твердых веществ. Хитозан растворяют в кислом водном растворе и гомогенно смешивают с суспензией. Например, хитозан в форме порошка или крошки можно растворять в 2-4% по объему растворе уксусной кислоты и добавлять в суспензию. Раствор хитозана добавляют в количестве, обеспечивающем количество в готовом продукте по массе в диапазоне от 1% до 6% в пересчете на массу твердых веществ, содержащихся в суспензии.
Полагают, что гидрофильные группы ОН и NH, присутствующие в хитозане, улучшают равномерное распределение хитозана и полное проникновение и/или контактирование с ингредиентами суспензии - волокном и наполнителем. Также полагают, что положительно заряженный хитозан взаимодействует с крахмалом. Кроме того, хитозан образует волокнистую структуру, которая переплетается и/или иным образом взаимодействует с другими волокнистыми компонентами плитки с обеспечением структурного усиления, которое позволяет снизить количество связующего с приемлемым ограниченным изменением физических характеристик плитки.
Как описано выше, добавление хитозана в конструкции плиты для потолочной плитки и т.п. позволяет уменьшить количество воды, удерживаемой получаемой конструкцией до сушки в печи. Процесс свойлачивания может включать естественное дренирование, применение вакуума и/или прокатку плиты в валках с целью удаления воды до сушки в печи. Было обнаружено, что применение хитозана согласно изобретению позволяет эффективно улучшить удаление воды при применении с одним или более указанным выше процессом, предваряющим сушку в печи. Соответственно, плита, содержащая хитозан, согласно настоящему изобретению содержит меньше воды до сушки в печи, чем конструкция плиты, полученная аналогичным образом из такой же композиции, но без добавления хитозана.
В следующих иллюстративных примерах сравнивают плиты, представляющие собой средний слой плитки, и указанные примеры не включают внешние покрытия, отверстия или другие отделочные обработки. Композиция плиты содержит минеральную вату, повторно переработанную газетную бумагу, крахмал из кукурузы, карбонат кальция, перлит и флокулянт. Экспериментально было определено, что количество кукурузного крахмала предпочтительно составляет примерно 8 масс. % для обеспечения желаемых акустических, прочностных и других свойств. В данных примерах, чтобы показать связующие и усиливающие свойства хитозана, композицию плиты модифицировали путем включения различных количеств хитозана и уменьшенных количеств крахмала.
Абсолютные количества компонентов, содержащихся в полученных плитах, приведены ниже в Таблице 1.
Плита 1 являлась контрольной без добавления хитозана и содержала обычное количество крахмала. Плиты 2-5 содержали повышенные количества хитозана и пониженные количества связующего крахмала.
Процентное содержание по массе частей различных компонентов Плит 1-5 показано в Таблице 2.
Плиты 1-5 были исследованы и результаты приведены в Таблице 3 ниже. Для определения результатов тестов, приведенных в Таблице 3, применяли следующие методики испытаний.
Тест на прочность на изгиб (MOR) представляет собой трехточечное испытание на изгиб. В настоящем примере методика испытаний аналогична методике ASTM С 367 «Стандартные методы определения прочностных свойств предварительно полученной архитектурной акустической плитки или закладных потолочных панелей». Испытание на твердость показывает способность потолочной панели сопротивляться вдавливанию, которое может возникать в ходе установки или после установки. В настоящем примере испытание на твердость вдавливанием двухдюймового шарика аналогично ASTM С 367 «Стандартные методы определения прочностных свойств предварительно полученной архитектурной акустической плитки или закладных потолочных панелей».
Таблица 3:
Физические измерения; MOR; Твердость
Плита #
Образец
Масса (г)
Длина (дюйм)
Ширина (дюйм)
Толщина (дюйм)
Плотность (фунт/фут<sup>3</sup>)
MOR (psi)
Разруш. нагр. (фунт)
Твердость (фунт-сила)
1
А
49.64
10.037
3.029
0.679
9.16
64.3
7.48
103.6
В
49.77
10.037
3.029
0.684
9.11
61.8
7.30
90.2
С
50.51
10.037
3.029
0.696
9.08
61.8
7.55
106.2
Среднее среднеквад. отклонение
49.97
10.037
3.029
0.686
9.12
62.6
7.44
100.0
0.47
0.00
0.00
0.01
0.04
1.44
0.13
8.59
2
А
49.90
10.036
3.028
0.668
9.36
62.8
7.07
99.1
В
51.15
10.036
3.028
0.676
9.48
71.2
8.21
105.3
С
52.72
10.036
3.028
0.685
9.64
77.6
9.18
107.5
Среднее среднеквад. отклонение
51.26
10.036
3.028
0.676
9.49
70.5
8.15
104.0
1.41
0.00
0.00
0.01
0.14
7.42
1.06
4.36
3
А
49.95
10.041
3.026
0.683
9.16
56.2
6.61
89.3
В
51.12
10.041
3.026
0.687
9.32
61.4
7.31
99.4
С
52.78
10.041
3.026
0.701
9.44
64.2
7.95
98.6
Среднее среднеквад. отклонение
51.28
10.041
3.026
0.690
9.31
60.6
7.29
95.8
1.42
0.00
0.00
0.01
0.14
4.06
0.67
5.61
4
А
49.24
10.036
3.026
0.684
9.03
54.2
6.39
90.9
В
49.94
10.036
3.026
0.687
9.12
61.5
7.32
96.2
С
53.07
10.036
3.026
0.701
9.49
64.9
8.04
101.2
Среднее среднеквад. отклонение
50.75
10.036
3.026
0.690
9.21
60.2
7.25
96.1
2.04
0.00
0.00
0.01
0.25
5.47
0.83
5.15
5
А
49.79
10.039
3.025
0.680
9.18
47.8
5.58
88.6
В
51.52
10.039
3.025
0.689
9.38
50.9
6.09
86.9
С
53.88
10.039
3.025
0.705
9.59
50.7
6.35
100.6
Среднее среднеквад. отклонение
51.73
10.039
3.025
0.691
9.38
49.8
6.01
92.0
2.05
0.00
0.00
0.01
0.20
1.73
0.39
7.47
Сравнение плит 1 и 2 показало увеличение прочности и твердости, на что указывают повышенные показатели MOR, разрушающей нагрузки и твердости. Указанные плиты для сравнения содержат сходные количества связующего, как и плита 2, содержащая хитозан. Таким образом, хитозан увеличил указанные физические характеристики.
Количество связующего в плитах 2 и 3 уменьшено соответственно на 1% и 2%. Уменьшение количества связующего не полностью компенсируется добавлением хитозана. Таким образом, плиты 3 и 4 немного менее прочные и более мягкие, но попадают в диапазон приемлемых значений физических свойств. В настоящем документе приемлемые физические свойства обозначают значения измеренных физических свойств, составляющих по меньшей мере примерно 95% от значений, обеспечиваемых потолочной плиткой, полученной аналогичным образом с помощью таких же ингредиентов, но без добавления хитозана.
Даже несмотря на то, что могут получиться немного более низкие значения свойств, следует понимать, что в конструкциях плит 2 и 3 уменьшается количество более дорогого ингредиента крахмала. Кроме того, количество переработанной газетной бумаги может быть увеличено для компенсации уменьшенного содержания крахмала, и, таким образом, может быть увеличено содержание повторно перерабатываемых материалов утилизации потребительских отходов и утилизации промышленных отходов в плитке.
Плита 5 характеризуется прочностью и твердостью, пониженной на более чем 5% относительно контрольного значения. В данном случае считается, что такое снижение выходит за рамки приемлемых значений физических свойств. К тому же, количество переработанной газетной бумаги может быть увеличено для компенсации сниженного содержания крахмала, и, таким образом, может быть увеличено содержание повторно перерабатываемых материалов и материалов утилизации потребительских отходов и утилизации промышленных отходов в плитке.
Плиты 1-5 исследовали на их шумоподавление, в частности определяли расчетный коэффициент шумоподавления (ENRC). Тест (ENRC) основан на методике ASTM С 384 «Стандартный метод испытаний для сопротивления и поглощения акустического материала с помощью метода импедансной трубы». Указанный тест применяли для прогнозирования звукопоглощения. Следует понимать, что результаты тестов сопоставимы только для образцов, полученных одинаковым образом, например, в настоящем тесте плиты не содержат дополнительных отделочных слоев или аналогичных отделочных обработок.
Результаты тестов приведены в Таблице 4 ниже.
Как показано в Таблице 4, применение хитозана не оказывает нежелательного влияния на ENRC, а преимущества хитозана могут быть достигнуты без неприемлемого снижения указанного свойства.
Следует понимать, что настоящее описание приведено в качестве примера, и различные изменения могут быть выполнены путем добавления, модифицирования или удаления частностей, не выходя за рамки полного раскрытия, приведенного в настоящем описании. Таким образом, изобретение не ограничено конкретными частностями согласно настоящему описанию, за исключением ограничений, налагаемых приведенными далее пунктами формулы изобретения.