ШОВНЫЙ ГЕРМЕТИК ВЫСЫХАЮЩЕГО ТИПА С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ВОДЫ
DRYING-TYPE SEAM SEALANT WITH LOW WATER CONTENT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к композиции шовного герметика для применения для заполнения и облицовки стыков между примыкающими друг к другу панелями гипсокартона. Более конкретно, настоящее изобретение относится к композициям шовного герметика высыхающего типа со сниженным содержанием воды для уменьшения транспортных расходов.
Одним из наиболее распространенных элементов при строительстве зданий являются гипсовые стеновые плиты, обычно известные как гипсокартон, которые используют при сооружении стен и/или потолков. Стены из гипсовых стеновых плит обычно получают путем прикрепления таких панелей к деревянным брускам или металлическому каркасу и обработки стыков между примыкающими друг к другу панелями специально подготовленным адгезивом, который называют шовным герметиком. Боковые кромки гипсокартонных панелей являются скошенными, что обеспечивает возможность нанесения шовного герметика на стык между примыкающими друг к другу панелями таким образом, что при чистовой обработке получают сплошную поверхность. Обычно эту операцию выполняют путем нанесения полоски шовного герметика внутрь стыка, образованного смежными кромками стеновых плит, и заделывания проницаемой для жидкости бумажной или стекловолоконной ленты внутрь слоя такого герметика. После его высыхания (или схватывания) на стык наносят второе покрытие, которое называют покровным шовным герметиком, который затем можно слегка зашлифовать после высыхания. Наносят третье или финишное покрытие, оставляют высыхать и слегка шлифуют с получением гладкой сплошной поверхности, которая скрывает все признаки расположения стыков между листами гипсокартона. Другой тип шовного герметика представляет собой универсальный герметик, который можно использовать для заделывания ленты для заклейки швов и для нанесения слоев финишного покрытия. Готовой стене и стыку можно придать структурированный или текстурованный эффект за счет применения специальных инструментов для нанесения покрытия.
Существует несколько категорий шовных герметиков. Герметики высыхающего типа затвердевают за счет испарения воды, тогда как шовные герметики схватывающегося типа химически взаимодействуют с водой в процессе отверждения. В шовных герметиках схватывающегося типа в качестве основы обычно используют полугидрат сульфата кальция, известный также как штукатурка или гипс. При добавлении воды к порошку схватывающегося типа происходит ее взаимодействие с полугидратом сульфата кальция по реакции гидратации с образованием взаимосвязанной матрицы кристаллов дигидрата сульфата кальция. Взаимосвязанная кристаллическая матрица придает герметику повышенную прочность. Преимущество шовного герметика схватывающегося типа по сравнению с высыхающим типом заключается в общей прочности готового стыка, которая обусловливает меньшие усадку и растрескивание, а также отсутствие необходимости ожидания полного высыхания шовного герметика перед последующей финишной обработкой. Преимущество шовных герметиков высыхающего типа заключается в простоте применения, поскольку их обычно продают в виде готовой для применения смеси, в которой вода уже добавлена и перемешана производителем. Третий тип шовных герметиков сочетает свойство схватывания герметика на основе полугидрата сульфата кальция с простотой применения готовой смеси герметика.
3
Композиция согласно настоящему изобретению относится к шовным герметикам высыхающего типа. Подходящие примеры таких соединений описаны в патентах США № 6476099 и 6545066, которые включены посредством ссылки. Эти продукты поставляют в ведрах или бочонках в такой консистенции, что потребитель может их использовать сразу («готовые для применения смеси»). В настоящее время традиционные готовые для применения шовные герметики, имеющие массу, составляющую более 12 фунтов/галлон (1437,917 кг/м), содержат приблизительно 30-40% воды относительно массы и до 50% относительно объема. Поскольку происходит уменьшение обычной массы или плотности композиции, фактически композиция содержит еще больше воды относительно массы. В патенте ‘099 описана композиция, содержащая 32% воды относительно массы, а в патенте ‘066 описана композиция, содержащая 40% воды относительно массы. Хотя эти готовые для применения шовные герметики получили широкое распространение благодаря удобству их применения по сравнению с упакованными в мешки порошкообразными продуктами и в некоторых применениях их можно применять в заводской форме, практически во всех случаях потребитель добавляет воду на месте проведения работ. Такое добавление воды в готовый для применения шовный герметик на месте проведения работ в значительной степени обусловлено тем, что профессиональные мастера отдают предпочтение шовному герметику с относительно низкой вязкостью, поскольку его можно легко наносить тонкими слоями, которые высыхают относительно быстро.
Однако относительно более тяжелая композиция в готовой для применения форме по сравнению с сухим упакованным в мешки шовным герметиком характеризуется более высокими транспортными расходами для данного образца шовного герметика, поскольку готовый для применения тип обычно поставляют в контейнерах объемом один или пять галлонов, таких как ведра или канистры. Из-за усиленного внимания к экологически безопасным технологиям данная отрасль промышленности заинтересована в снижении количества энергии, требуемой на производство шовных герметиков и цикл производства и сбыта.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанная выше потребность обеспечена за счет получения композиции шовного герметика высыхающего типа, в которой для снижения транспортных расходов исключена значительная часть воды. Потребитель по необходимости добавляет воду на месте проведения работ с получением требуемой консистенции или вязкости. Поскольку обычно потребители в любом случае добавляют воду к существующим готовым для применения шовным герметикам, настоящая композиция несущественно усложняет подготовительные этапы, проводимые потребителем, но при этом обеспечивает композицию, которая имеет меньшую массу и которую, следовательно, можно транспортировать на место проведения работ или локальные торговые точки с меньшими затратами. Преимущество предложенного герметика по сравнению с обычными готовыми для применения шовными герметиками и по сравнению с полностью сухими упакованными в мешки герметиками заключается в том, что слегка влажная гранулярная консистенция обезвоженного шовного герметика легко диспергируется в воде на месте проведения работ в результате обычного смешивания и в то же время характеризуется пониженным количеством пыли, образующейся при добавлении воды и перемешивании на месте проведения работ. Таким образом, предложена композиция, которая имеет небольшую массу по сравнению с обычными готовыми для применения шовными герметиками и в то же время легко диспергируется в воде на месте проведения работ с образованием относительно небольшого количества пыли в процессе разбавления водой по сравнению с обычными полностью высушенными упакованными в мешки составами шовных герметиков.
Неожиданное открытие, сделанное при разработке предложенной композиции, заключается в том, что возможность смешивания на месте проведения работ улучшается в пределах предпочтительного относительно узкого диапазона количества воды, который обеспечивает получение гранулярной консистенции смеси при первоначальном приготовлении композиции. Было обнаружено, что применение предпочтительного диапазона количества воды, которое значительно меньше диапазона, используемого при получении обычных готовых для применения шовных герметиков, уменьшает комкование и слипание материала при первоначальном приготовлении композиции. Далее, на месте проведения работ предложенная гранулярная композиция более равномерно смешивается или диспергируется при разбавлении водой и механизированном перемешивании, общепринятом в данной области техники. В предпочтительном варианте реализации изобретения предложенная композиция характеризуется уменьшением содержания воды по массе на 40-50% по сравнению с обычными готовыми для применения шовными герметиками высыхающего типа.
Более конкретно, предложена композиция шовного герметика высыхающего типа, содержащая по меньшей мере одно связующее, наполнитель и воду, при этом массовое содержание воды составляет 12-18% относительно общей массы композиции. Следует отметить, что количество воды менее важно, чем характерная влажная гранулярная консистенция смеси при ее приготовлении, которой можно достичь с применением различных составов. Количество воды, необходимое для достижения оптимальной консистенции, варьируется в зависимости от других компонентов: например, для наполнителей с более крупным средним размером частиц для достижения такой же предпочтительной консистенции, как для наполнителей с меньшим размером частиц, такого же большого количества воды не требуется, что обусловлено различиями в площади поверхности.
2
В другом варианте реализации предложена композиция шовного герметика высыхающего типа, содержащая по меньшей мере одно связующее, наполнитель и воду, при этом при приготовлении композиции приблизительно 75-95% композиции проходит через сито №4 с размером отверстий 4,75 мм.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для предложенной композиции основное требование заключается в том, что она представляет собой состав шовного герметика «высыхающего типа», общеизвестного в данной области техники, примеры которого включены посредством ссылки выше, в том числе, среди прочих, композиции, описанные в патентах США №6476099 и 6545066. Конкретный состав представленного шовного герметика высыхающего типа не считается крайне важным требованием, поскольку количество воды относительно массы композиции составляет приблизительно 12-18%, что также приблизительно на 50-75% меньше, чем в обычных шовных герметиках этого типа.
Шовный герметик высыхающего типа более предпочтителен, чем герметик схватывающегося типа, также известного в данной области техники, поскольку для герметика схватывающегося типа в форме суспензии с химическим замедлителем необходимо добавление точно измеренного количества химического ускорителя для применения суспензии в качестве шовного герметика. Кроме того, после добавления к суспензии ускорителя или после добавления воды к сухому порошку герметик схватывающегося типа можно использовать только в течение короткого промежутка времени до схватывания/затвердевания, после чего его уже нельзя повторно смешать. Напротив, предложенную композицию можно использовать в течение нескольких дней даже после добавления воды, если ее хранить в закрытом виде и не допускать высыхания, как и для любого шовного герметика высыхающего типа.
Как правило, основной компонент предложенного шовного герметика высыхающего типа представляет собой наполнитель, предпочтительно карбонат кальция.
Другие подходящие наполнители в зависимости от типа заданного шовного герметика представляют собой такие наполнители, как вспученный перлит, карбонат магния, стеклянные или полимерные микрогранулы. В предложенной композиции подходящий наполнитель представляет собой доломитовый известняк Dolocron 4512, выпускаемый компанией Specialty Minerals, Inc., Крайслер Билдинг, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. Карбонат кальция составляет приблизительно 65-80% относительно массы композиции согласно настоящему изобретению. Эквивалентным продуктом является доломит. Альтернативно, при необходимости использования легковесного наполнителя предпочтителен вспученный перлит. Зачастую используют несколько различных наполнителей в комбинации для получения определенного набора свойств. В композиции согласно настоящему изобретению другой наполнитель представляет собой тальк Talcron или Montana, который является, в основном, силикатом магния, выпускаемым компанией Barretts Inc, которая является подразделением Specialty Minerals, Inc., 8625 HWY 91 S., Диллон, штат Монтана, 59725. Этот компонент улучшает устойчивость к растрескиванию, ударопрочность и жесткость, является гидрофобным и снижает влагопоглощение. Содержание талька составляет приблизительно 2-4% относительно массы композиции. Однако подходящими считаются и другие наполнители, общеизвестные в области приготовления композиций шовных герметиков, и включают, но не ограничиваются ими, слюду, микрогранулы и т.д.
Помимо наполнителя, предложенный шовный герметик обычно содержит одно или более связующих, один или более загустителей и другие добавки, необходимые для конкретного предполагаемого применения. Кроме того, в некоторых случаях в качестве загустителей и наполнителей могут действовать такие ингредиенты, как аттапульгит. Любое стандартное связующее, используемое в шовных герметиках, считается подходящим для композиции согласно настоящему изобретению. Особенно подходящие связующие включают поливинилацетаты, акриловые полимеры, поливиниловые спирты, повторно диспергируемые порошки, такие как поливинилацетат, этиленвинилацетаты, и крахмалы. Подходят также латексные связующие. Примеры подходящих латексных эмульсионных связующих включают этиленвинилацетатный сополимерный латекс или поливинилацетатный латекс. Предусмотрены также комбинации связующих.
В композиции согласно настоящему изобретению применяют легко диспергируемый полимер на основе кукурузного крахмала. В предложенной композиции крахмальный полимер применяют в качестве загустителя и связующего вещества, и он представляет собой Starpol 136 производства компании Tate & Lyle, Декатур, штат Иллинойс; его используют в количестве, составляющем приблизительно 0,2 массовых процента. Этот крахмал используют в комбинации с поливинилацетатной (ПВА) эмульсией в качестве связующего в количестве приблизительно 1,8% по массе. Предпочтительный ПВА представляет собой Halltech 41-830 производства Halltech Inc. 465, Коронейшн драйв, Скарборо, штат Онтарио, Канада. Этот крахмал и эмульсионные ПВА связующие предпочтительно используют в комбинации из-за их соответствующих свойств и для снижения стоимости композиции.
В шовный герметик необязательно добавляют загустители для достижения требуемой консистенции. Предпочтительные загустители представляют собой целлюлозные соединения, сочетаемые загустители или крахмалы, при этом наиболее предпочтительными являются целлюлозные загустители. В композиции согласно настоящему изобретению применяют гидроксипропилметилцеллюлозу (ГПМЦ) с замедленной растворимостью. Диспергируемый в холодной воде эфир целлюлозы, ГПМЦ, используют в качестве загустителя и он обеспечивает хорошее водопотребление, сцепление с лентой для заделки швов, устойчивость к растрескиванию и эксплуатационные свойства, а также улучшает влагоудерживание. Предпочтительная ГПМЦ представляет собой Methocel 240S производства Dow Chemical Co., Мидланд, штат Мичиган, 48674. Другой загуститель и суспендирующий агент представляет собой водорастворимую гидроксиэтилцеллюлозу (ГЭЦ), которую используют в количестве 0,04% и предпочтительно в пределах от 0,02 до 0,05% относительно массы композиции. Предпочтительная ГЭЦ представляет собой Natrosol 250HXR производства Ashland, Inc. Другие стандартные целлюлозные загустители, такие как этилгидроксиэтилцеллюлоза и метилгидроксипропилцеллюлоза, также подходят для применения в шовном герметике согласно настоящему изобретению. Количество целлюлозного загустителя составляет от примерно 0,02% до примерно 2% от общей массы всех ингредиентов шовного герметика.
К готовым композициям необязательно добавляют консерванты для предотвращения разрушения органических компонентов бактериями и грибами с течением времени. В композиции согласно настоящему изобретению предпочтительное количество консерванта составляет приблизительно 0,08% относительно массы. Консерванты используют в небольших количествах, обычно в диапазоне от примерно 0,05 до примерно 0,15% относительно общей массы. Подходящий консервант представляет собой Nuosept 91 производства компании ISP, 1361 Альпс Роуд, Вейн, штат Нью-Джерси, NJ 07470.
Наконец, предпочтительно добавляют суспендирующие агенты для предотвращения оседания более тяжелых компонентов композиции. Особенно предпочтительные суспендирующие агенты представляют собой глины, такие как бентонитовая, каолиновая, сепиолитовая или аттапульгитовая глина, среди которых особенно предпочтительна аттапульгитовая глина. В качестве наполнителя и загустителя, образующего гель за счет поглощения воды, аттапульгитовую глину применяют в количестве, составляющем от 1,0 до 2,5% относительно общей массы и более предпочтительно приблизительно 2,0%. Gel B представляет собой промышленную композицию аттапульгитовой глины, выпускаемой компанией Advanced Minerals International, LLC, Хант Вели, штат Мэриленд 21030, под торговой маркой MIN-U-GEL.
Для поддержания значений рН полученного шовного герметика в щелочном диапазоне, составляющем по меньшей мере 9, даже при использовании кислой воды применяют также гидроксид магния. Предпочтительный источник гидроксида магния производит компания Martin Marietta Magnesia Specialties, LLC, Балтимор, штат Мэриленд.
В шовный герметик согласно настоящему изобретению во время производства добавляют воду с получением композиции, которая обеспечивает уменьшение количества пыли, образующейся при смешивании, и в то же время обеспечивает гранулярную консистенцию, которая ускоряет диспергирование в воде на месте применения. Важная особенность предложенной композиции заключается в том, что количество воды, добавляемой во время производства для достижения вышеуказанной цели, значительно меньше, чем в случае обычных шовных герметиков высыхающего типа. Более конкретно, количество воды в композиции согласно настоящему изобретению предпочтительно составляет приблизительно 12-18% относительно массы композиции, что приблизительно на 50-75% меньше по сравнению с обычными готовыми для применения шовными герметиками высыхающего типа в процентном выражении относительно массы композиции.
Производство готового для применения шовного герметика включает объединение влажных и сухих компонентов в смесителе. После объединения влажных ингредиентов, например ПВА и воды, в смесителе к влажным компонентам примешивают сухие компоненты. Смешивание продолжают до получения однородной смеси, имеющей требуемое содержание влаги и гранулярную консистенцию.
В этом варианте реализации изобретения были выполнены испытания пригодности композиций к применению в зависимости от количества воды. Во всех испытаниях ингредиенты объединяли и перемешивали в течение 90 секунд. Композиция А представляет собой контрольный образец, из которого получили обычный готовый для применения шовный герметик высыхающего типа с вязкостью, составляющей приблизительно 450 единиц Брабендера. Из композиций В и С, представляющих собой составы согласно настоящему изобретению, получили влажную рассыпчатую гранулярную смесь, которая обладала очень слабой липкостью, но которую можно было формовать при сжимании руками. При смешивании в 5-квартовом смесителе Hobart N-50 на низкой скорости (скорость мешалки 136 об/мин, скорость головки 60 об/мин) с использованием плоской мешалки ударного действия смесь сохраняла постоянную гранулярную консистенцию в течение всех 90 секунд перемешивания, и 75-95% полученной смеси проходило через сито № 4 при минимальном встряхивании. Композиция D, имеющая более высокое содержание воды в процентах, при смешивании при тех же условиях, что В и С, агломерировалась приблизительно через 30 секунд в монолитную массу диаметром около 5 дюймов, которая имела консистенцию формовочной глины, которая не разваливалась и не налипала на стенки смесительного бака, хотя этот шар был липким на ощупь. Эта масса не прошла через сито № 4 и, как подробно описано ниже, считается неподходящей для использования в обычных применениях для шовного герметика гипсокартонных плит на месте проведения работ, поскольку эта масса не может быть легко диспергирована в воде.
Через 6 дней ни в одной из партий не произошло заметных изменений и к композициям B, C и D добавили столько воды, сколько было первоначально добавлено к контрольной партии А. Композиции В и С относительно легко смешались с водой в смесителе Hobart N-50 с образованием через 60 секунд перемешивания комковатых смесей, которые за 2 часа стали однородными благодаря размачиванию всех компонентов. Композиция D, содержащая 18,5% воды, с трудом смешивалась с водой, поскольку глиноподобная масса имела маленькую площадь поверхности и разрушалась с трудом. Потребовались значительные усилия для разрушения монолитной массы и ее диспергирования в добавленной воде до того, как смеситель Hobart N-50 смог эффективно смешать компоненты. Таким образом, представленные ниже композиции, имеющие приблизительное максимальное содержание воды 18% по массе, обеспечивают требуемые положительные результаты. При перемешивании на следующий день всех партий ручным смесителем внешний вид и тактильные свойства были идентичными. Композиции получили так, как описано ниже, где единицы выражены в граммах:
Таблица 1
А
В
С
D
Масса (г)
%
Масса (г)
%
Масса (г)
%
Масса (г)
%
Карбонат кальция
1000
60,8%
1000
79,8%
1000
76,7%
1000
73,9%
Тальк
41,1
2,5%
41,1
3,3%
41,1
3,2%
41,1
3,0%
Загуститель ГМПЦ
5,6
0,3%
5,6
0,4%
5,6
0,4%
5,6
0,4%
Загуститель ГЭС
0,6
0,04%
0,6
0,05%
0,6
0,05%
0,6
0,04%
Аттапульгитовая глина
27,2
1,7%
27,2
2,2%
27,2
2,1%
27,2
2,0%
Крахмал
2,8
0,2%
2,8
0,2%
2,8
0,2%
2,8
0,2%
Гидроксид магния
0,8
0,05%
0,8
0,06%
0,8
0,06%
0,8
0,06%
Эмульсия ПВА
24,5
1,5%
24,5
2,0%
24,5
1,9%
24,5
1,8%
Консервант
1,1
0,1%
1,1
0,1%
1,1
0,1%
1,1
0,1%
Вода
540
32,9%
150
12,0%
200
15,3%
250
18,5%
Сцепление с шовным герметиком измерили в соответствии с ASTM-C474 через 24 часа при 75 °F (24 °С) и относительной влажности 50%: измеренное значение для композиции А составило 97% по отрыву бумажного волокна; для В - 92%; для С - 95%; и для D - 92%. Таким образом, композиции В и С согласно настоящему изобретению обеспечивают сцепление с бумажной лентой для заделки швов, сравнимое со сцеплением контрольного шовного герметика, недостатки которого описаны выше.
Несмотря на то что показан и описан конкретный вариант предложенного шовного герметика высыхающего типа с низким содержанием воды, специалистам в данной области техники понятно, что в отношении него могут быть сделаны изменения и модификации без отклонения от настоящего изобретения в его самых широких аспектах и как оно изложено в следующей формуле изобретения.