СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГИПСОВОГО РАСТВОРА С МОДИФИКАТОРАМИ И ПЛАСТИФИКАТОРАМИ
METHOD OF PREPARING GYPSUM MORTAR WITH MODIFIERS AND PLASTICISERS

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Данная заявка представляет собой частичное продолжение заявки U.S. Serial No. 11/152323, поданной 14 июня 2005 года и озаглавленной “Method of Making a Gypsum Slurry with Modifiers and Dispersants” («Способ изготовления гипсового раствора с модификаторами и пластификаторами»), включенной сюда посредством ссылки.
Данная заявка связана с находящимися в процессе одновременного рассмотрения заявками U.S. Serial No. 11/152661, озаглавленной “Fast Drying Wallboard” («Быстроосаждаемая стеновая плита»), U.S. Serial No. 11/152418, озаглавленной “Gypsum Products Utilizing a Two-Repeating Unit Dispersant and Process for Making Them” («Гипсовые изделия с использованием пластификатора с двумя структурными единицами и процесс их изготовления»), U.S. Serial No. 11/152317, озаглавленной “Modifiers for Gypsum Products and Methods of Using Them” («Модификаторы для гипсовых изделий и способы их использования»), и U.S. Serial No. 11/152404, озаглавленной “Effective Use of Dispersants in Wallboard Containing Foam” («Эффективное применение пластификаторов для пеносодержащей стеновой плиты»), все поданы 14 июня 2005 года и включены сюда посредством ссылки.
Данная заявка связана с находящимися в процессе одновременного рассмотрения заявками U.S. Serial No. 11/xxx,xxx (номер дела у поверенного 2033.75332), озаглавленной “Gypsum Products Utilizing a Two-Repeating Unit Dispersant and Process for Making Them” («Гипсовые изделия с использованием пластификатора с двумя структурными единицами и процесс их изготовления», U.S. Serial No. 11/xxx,xxx (номер дела у поверенного 2033.75338), озаглавленной “Modifiers for Gypsum Products and Methods of Using Them” («Модификаторы для гипсовых изделий и способы их использования»), и U.S. Serial No. 11/xxx,xxx (номер дела у поверенного 2033.75341), озаглавленной “Effective Use of Dispersants in Wallboard Containing Foam” («Эффективное применение пластификаторов для пеносодержащей стеновой плиты»), все поданы одновременно с данной и включены сюда посредством ссылки.
Уровень техники в области, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу изготовления гипсовых изделий с использованием модификатора и поликарбоксилатного пластификатора. Более конкретно, оно относится к приготовлению гипсового раствора и изготовлению гипсовой панели при добавлении пластификатора и модификатора в определенной последовательности.
Строительные изделия на основе гипса широко используются в строительстве. Гипсовая панель, сделанная из гипса, является огнеупорной и может быть использована при строительстве стен практически любой формы. Ее используют, главным образом, для изготовления внутренних стен и потолка. Гипс обладает звукопоглощающими свойствами. Он относительно легко восстанавливается или заменяется при повреждении. Существует множество отделочных покрытий, которые можно наносить на гипсовую панель, включая краску и обои. Даже с учетом данных преимуществ, он все еще представляет собой относительно недорогой строительный материал.
Одна причина разумной стоимости гипсовых панелей заключается в том, что их изготавливают при помощи быстрого и эффективного процесса. Жидкий раствор, включающий полугидрат сульфата кальция и воду, используют для создания основы и непрерывно наносят на бумажный обшивочный лист, перемещающийся под смесительной установкой. Потом накладывают второй бумажный обшивочный лист и полученному блоку придают форму панели. Полугидрат сульфата кальция реагирует с достаточным количеством воды с превращением полугидрата в матрицу взаимосвязанных (сращенных) кристаллов дигидрата сульфата кальция, что приводит к его схватыванию и отверждению. Полученную таким образом непрерывную полосу перемещают на конвейерной ленте до тех пор, пока обезвоженный гипс не отвердеет, и затем полосу нарезают таким образом, чтобы получить листы желаемой длины, которые перемещают через сушильную печь для удаления избытка влаги. Поскольку каждая из данных стадий занимает только минуты, небольшие изменения на любой из стадий процесса могут приводить к огромной неэффективности технологического процесса.
Количество воды, добавляемой для получения жидкого раствора, находится в избытке по отношению к необходимому для завершения реакций гидратации. Некоторое количество воды, которое добавляют к гипсовому раствору, используют для гидратации обожженного гипса, также известного как полугидрат сульфата кальция, для получения матрицы сращенных кристаллов дигидрата сульфата кальция. Избыток воды придает жидкому раствору текучесть, достаточную для того, чтобы он вытекал из смесительного устройства и попадал на материал покрытия для придания соответствующих ширины и толщины. Пока продукт находится во влажном состоянии, он слишком тяжел для перемещения и относительно хрупок. Избыток воды удаляют из листа испарением. Если избытку воды позволить испаряться при комнатной температуре, потребуется большое пространство для укладывания и хранения гипсовой панели, если проводится сушка воздухом или перемещение при помощи достаточно длинного конвейера для обеспечения оптимального времени сушки. До тех пор, пока лист не отвердел и не стал относительно сухим, он в некоторой степени хрупок, поэтому его необходимо защищать от разрушения или повреждения.
Для того чтобы высушить листы за относительно короткий промежуток времени, полученную гипсовую панель, как правило, высушивают путем испарения избытка воды при повышенных температурах, например, в сушильном шкафу или печи. Изготовление печи и ее использование при повышенных температурах оказывается относительно дорогим, особенно при повышении стоимости ископаемого топлива. Уменьшения затрат на производство можно достичь путем уменьшения количества избыточной воды, присутствующей в отверждаемых гипсовых листах, которую в дальнейшем удаляют путем испарения.
Другая причина для уменьшения количества воды заключается в том, что прочность гипсовых изделий обратно пропорциональна количеству воды, используемому в процессе их изготовления в виде сплошных изделий. При испарении избыточной воды в матрице остаются пустоты, которые ранее были заполнены водой. Когда для разжижения гипсового раствора используют большое количество воды, в полностью высохшем изделии остается все больше полостей большего размера. Эти полости уменьшают плотность изделия и прочность конечного изделия, такого как наливной пол.
Использование пластификаторов, называемых также «диспергаторы», для гипса помогает разжижать смесь воды и полугидрата сульфата кальция, так что необходимо меньшее количество воды для получения текучего жидкого раствора. Хорошо известны пластификаторы на основе нафталинсульфата, но их эффективность ограничена. Поликарбоксилатные пластификаторы, как правило, используют с цементами и, в меньшей степени, с гипсом. Класс соединений, представленных термином «поликарбоксилатные пластификаторы», широк, и очень сложно предсказать, как индивидуальные компоненты будут реагировать в различных средах.
Для увеличения эффективности пластификатора к гипсовому раствору можно добавить модификатор. Соли, включая силикаты и карбонаты, являются особенно эффективными модификаторами. Более конкретно, негашеная известь, известь и кальцинированная сода особенно эффективны с пластификаторами на основе поликарбоксилатного простого эфира. Модификаторы более подробно раскрыты в находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявке U.S. Serial No. 11/152317 (номер дела у поверенного 2033.72739), озаглавленной  “Modifiers for Gypsum Products and Methods of Using Them” («Модификаторы для гипсовых изделий и способы их использования»), ранее включенной посредством ссылки.
Было обнаружено, однако, что способы, используемые для изготовления смесей гипса, пластификаторов и модификаторов, не всегда позволяют получить высокотекучие жидкие растворы. В некоторых случаях эффективность пластификатора значительно увеличивается, а в других случаях та же самая комбинация компонентов оказывает лишь незначительный эффект на текучесть жидкого раствора. Эта невозможность прогнозировать текучесть жидкого раствора может привести к увеличению количества пластификатора, используемого для обеспечения минимальной текучести. В процессе, когда пластификатор может быть одним из наиболее дорогих компонентов, избыточное количество пластификатора чрезмерно увеличивает стоимость изделия.
Другим свойством поликарбоксилатных пластификаторов является их способность замедлять отверждение гипсового раствора. Если для компенсации неопределенности в эффективности пластификатора используют большое количество пластификаторов, отверждение может замедлиться до такой степени, что некоторые изделия, такие как гипсовая панель, не могут быть получены на современном высокоскоростном оборудовании.
Таким образом, существует потребность в способе приготовления гипсового раствора и изделий из него, который всегда приводит к получению высокотекучей смеси без избыточных количеств пластификаторов. Применение такого способа будет удерживать стоимость на разумном уровне при использовании дорогих пластификаторов и приведет к минимизации степени замедления отверждения жидкого раствора.
Сущность изобретения
Решить эти и другие проблемы позволяет данный способ, который всегда приводит к получению высокотекучего жидкого раствора из гипса, пластификатора и модификатора.
Более конкретно, в способе приготовления гипсового раствора поликарбоксилатный пластификатор, модификатор и твердеющий в воде материал, включающий строительный гипс, выбирают для использования в жидком растворе. Данные компоненты затем смешивают с водой для получения жидкого раствора, причем модификатор добавляют к жидкому раствору до образования фазы жидкого раствора из воды, строительного гипса и пластификатора. Было показано, что модификатор оказывается менее эффективным при добавлении после того, как пластификатор и строительный гипс связались в водном жидком растворе.
В предпочтительном варианте осуществления получают некоторое количество строительного гипса и выбирают модификатор и пластификатор. Перед добавлением строительного гипса готовят предварительный раствор пластификатора и модификатора в воде для получения раствора. После перемешивания раствора добавляют строительный гипс для получения жидкого раствора. Необязательно, жидкому раствору затем придают форму изделия и дают отвердеть.
Данный способ сочетания модификатора, пластификатора, строительного гипса и воды стабильно приводит к максимальным преимуществам использования модификатора. Если текучесть жидкого раствора постоянна, то становится менее необходимым использование больших количеств пластификатора для обеспечения достаточной текучести смеси, чтобы легко литься. Происходят меньшие, чем предусмотрено нормативами, потери продукта. Уменьшенное количество пластификатора приводит к уменьшению стоимости пластификатора и уменьшению времени схватывания изделия.
Подробное описание изобретения
Эти и другие проблемы решаются настоящим изобретением, которое включает в себя способ приготовления жидкого раствора из воды, карбоксилатного пластификатора, модификатора и полугидрата сульфата кальция путем объединения компонентов в определенном порядке. Как будет более подробно описано ниже, модификатор представляет собой добавку, которая увеличивает эффективность пластификатора.
Было обнаружено, что если полугидрат сульфата кальция, или строительный гипс, подвергается воздействию пластификатора до того, как модификатор действует на пластификатор, то модификатор становится менее эффективным. Предпочтительно модификатор и пластификатор предварительно растворяют в воде затворения, получая раствор. В данном случае модификатор и пластификатор добавляют в любом порядке, либо последовательно, либо практически одновременно. После получения раствора строительный гипс смешивают с раствором, подвергая строительный гипс воздействию одновременно модификатора и пластификатора.
В другом варианте осуществления модификатор смешивают с некоторым количеством воды затворения с получением суспензии модификатора. Суспензию модификатора затем смешивают с оставшейся водой затворения и пластификатором, или одновременно, или последовательно, с получением трехкомпонентного раствора. В любом случае, и модификатор, и пластификатор смешивают в воде затворения до введения сухих компонентов.
Если и пластификатор, и модификатор находятся в сухой или порошкообразной форме, в другом предпочтительном варианте осуществления модификатор и пластификатор объединяют со строительным гипсом, а затем все сухие компоненты одновременно добавляют в воду. Альтернативно, пластификатор добавляют к строительному гипсу для приготовления смеси пластификатор-строительный гипс, в то время как модификатор предварительно растворяют в воде. Смесь пластификатор-строительный гипс затем добавляют к предварительно растворенному в воде модификатору. Данные варианты осуществления являются особенно выгодными в тех случаях, когда предпочтительны порошкообразные пластификаторы.
Как и в других вариантах осуществления, поскольку модификатор и пластификатор добавляют в одно и то же время, пластификатор не имеет возможности взаимодействовать со строительным гипсом в воде перед добавлением модификатора.
Строительный гипс, также известный как полугидрат сульфата кальция или обожженный гипс, присутствует в количествах по меньшей мере 50% от сухих материалов. Предпочтительно, количество строительного гипса составляет по меньшей мере 80%. Во многих гипсовых составах сухой компонент содержит более чем 90% или даже 95% полугидрата сульфата кальция. Способ кальцинирования (обжига) не важен, и подходящим является либо альфа-, либо бета-обожженный строительный гипс. Использование безводного сульфата кальция и/или дигидрата сульфата кальция также предусматривается, хотя предпочтительны небольшие количества, составляющие менее 20%.
Строительные гипсы из различных источников включают различные количества и типы солей и примесей. Жидкий раствор по данному изобретению наиболее эффективен в случае полугидрата сульфата кальция с небольшими концентрациями встречающихся в природе солей. Строительные гипсы с низким содержанием солей определяют как гипсы, концентрация растворимых солей в которых меньше, чем 300 частей на миллион. Строительные гипсы с высоким содержанием солей, которые включают гипсы, концентрация растворимых солей в которых составляет по меньшей мере 600 частей на миллион, часто препятствуют действию модификатора. Строительные гипсы, такие как гипсы из месторождений, обнаруженных в Southard, OK, Little Narrows, Nova Scotia, Fort Dodge, IA, Sweetwater, TX, Plaster City, CA или многих других местах, пригодны для использования с данным жидким раствором.
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения в гипсовый раствор включают добавки для изменения одного или нескольких свойств конечного изделия. Добавки используют таким образом и в таких количествах, как это известно в данной области техники. Часто данные и другие добавки находятся в твердой, порошкообразной или гранулированной форме, и их добавляют к сухим компонентам до смешивания раствора. Концентрации приведены в количествах на 1000 квадратных футов готовых листовых панелей (“MSF”).
2
2
К жидкому раствору также добавляют дополнительные добавки, которые характерны для конкретного применения гипсового раствора. Замедлители схватывания (вплоть до приблизительно 2 фунт/MSF (9,8 г/м)) или сухие ускорители схватывания (вплоть до приблизительно 35 фунт/MSF (170 г/м)) добавляют для изменения скорости, при которой протекают реакции гидратации. “CSA” представляет собой ускоритель схватывания, содержащий 95% дигидрата сульфата кальция, перемолотого вместе с 5% сахара и нагретого до 250°F (121°C) для карамелизации сахара. CSA поставляется заводом USG Corporation, Southard, OK и производится в соответствии с патентом США №3573947, включенным сюда посредством ссылки. Сульфат калия представляет собой другой предпочтительный ускоритель. HRA представляет собой дигидрат сульфата кальция, свежеперемолотый с сахаром в отношении приблизительно от 5 до 25 фунтов сахара к 100 фунтам дигидрата сульфата кальция. Он более подробно описан в патенте США №2078199, включенном сюда посредством ссылки. Оба они являются предпочтительными ускорителями.
2
Другой ускоритель, известный как влажный ускоритель схватывания гипса, также представляет собой предпочтительный ускоритель. Описание применения влажного ускорителя схватывания гипса и способов его изготовления раскрыты в патенте США №6409825, включенном сюда посредством ссылки. Данный ускоритель включает по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, состоящей из органического фосфонового соединения, фосфатсодержащего соединения или их смесей. Данный конкретный ускоритель демонстрирует значительную стойкость и поддерживает свою эффективность в течение длительного времени, так что влажный ускоритель схватывания гипса можно производить, хранить и даже транспортировать на длительные расстояния перед использованием. Влажный ускоритель схватывания гипса используют в количествах, изменяющихся в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 80 фунтов на тысячу квадратных футов (от 24,3 до 390 г/м) листового изделия.
2
2
2
2
Крахмалы используют в количествах от приблизительно 3 до приблизительно 20 фунт/MSF (от 15,6 до 97,6 г/м) для увеличения адгезионной прочности и упрочнения изделия. Стеклянные волокна необязательно добавляют к жидкому раствору в количествах до 11 фунт/MSF (54 г/м). К жидкому раствору также добавляют бумажные волокна в количествах до 11 фунт/MSF (53,7 г/м). К жидкому гипсовому раствору добавляют парафиновые эмульсии в количествах до 90 фунт/MSF (439 г/м) для улучшения водостойкости готовой гипсовой листовой панели.
В вариантах осуществления данного изобретения, в которых используют пенообразующий агент для создания полостей в отвердевшем содержащем гипс изделии, чтобы обеспечить меньший вес, можно использовать любой из стандартных пенообразующих агентов, для которых известно, что они применимы для приготовления вспененных отвердевших гипсовых изделий. Множество таких пенообразующих агентов хорошо известно и коммерчески легко доступно, например линия омыляющих продуктов HYONIC производства Geo Specialty Chemicals, Ambler, PA. Пены и предпочтительный способ изготовления вспененных гипсовых изделий раскрыты в патенте США №5683635, включенном сюда посредством ссылки. Если к изделию добавляют пену, поликарбоксилатный пластификатор необязательно разделяют между технической водой и пенообразующей водой перед ее добавлением к полугидрату сульфата кальция. Данный предпочтительный способ объединения строительного гипса, модификаторов и пластификаторов раскрыт в U.S. Serial No. 11/152404, озаглавленной “Method of Controlling Core Properties in Wallboard” («Способ контроля свойств основы стеновых панелей»), ранее включенной посредством ссылки.
Триметафосфатное соединение добавляют к гипсовому раствору в некоторых вариантах осуществления для увеличения прочности изделия и уменьшения устойчивости против провисания отвердевшего гипса. Предпочтительно, концентрация триметафосфатного соединения составляет от приблизительно 0,07% до приблизительно 2,0% в расчете на массу обожженного гипса. Гипсовые композиции, включающие триметафосфатные соединения, раскрыты в патентах США №6342284 и 6632550, включенных сюда посредством ссылки. Типичные триметафосфатные соли включают натриевые, калиевые или литиевые соли триметафосфата, такие как соли, доступные от Astaris, LLC., St. Louis, MO. Следует быть осторожным при использовании триметафосфата с известью или другими модификаторами, которые повышают pH жидкого раствора. При значениях pH, превышающих 9,5, триметафосфат теряет свою способность к упрочнению изделия, и отвердевание жидкого раствора значительно замедляется.
Другие потенциальные добавки к гипсовой панели представляют собой биоциды для уменьшения роста плесени, мучнистой росы и грибков. В зависимости от выбранного биоцида и предполагаемого применения гипсовой панели, биоцид можно добавлять к материалу покрытия, гипсовой основе или к тому и другому. Примеры биоцидов включают борную кислоту, пиритионовые соли и соли меди. Биоциды могут быть добавлены либо к материалу покрытия, либо к гипсовой основе. Если биоциды используют, то их используют в материалах покрытия в количествах менее чем приблизительно 500 ч./млн.
Дополнительно, гипсовая композиция может необязательно включать крахмал, такой как пептизированный (предварительно желатинированный) крахмал или кислотно-модифицированный крахмал. Включение пептизированного крахмала увеличивает прочность отвердевшей и высохшей гипсовой детали и минимизирует риск отслоения бумаги от стеновой панели в условиях повышенной влажности (например, при повышенных соотношениях воды и обожженного гипса) или позволяет его избежать. В литых гипсовых изделиях крахмал увеличивает поверхностную твердость изделия. Специалисту в данной области техники будут понятны способы пептизирования сырьевого крахмала, такие как, например, тепловая обработка сырьевого крахмала в воде при температурах, составляющих по меньшей мере приблизительно 185°F (85°C), или другие способы. Подходящие примеры пептизированного крахмала включают, но не ограничиваются ими, крахмал PCF 1000, коммерчески доступный от Lauhoff Grain Company, и крахмалы AMERIKOR 818 и HQM PREGEL, коммерчески доступные от Archer Daniels Midland Company. Если пептизированный крахмал включают, он присутствует в любом подходящем количестве. Например, если пептизированный крахмал включают, он может быть добавлен к смеси, используемой для получения отвержденной гипсовой композиции, так что он присутствует в количестве от приблизительно 0,5% до приблизительно 10% по массе отвержденной гипсовой композиции. Крахмалы, такие как USG95 (United States Gypsum Company, Chicago, IL), также необязательно добавляют для упрочнения основы.
Большое число пластификаторов пригодно в данном изобретении. Поликарбоксилатные пластификаторы представляют собой предпочтительный тип пластификаторов. Более предпочтительны пластификаторы на основе поликарбоксилатного простого эфира. При использовании в гипсовой панели и других жидких растворах с высоким содержанием строительного гипса пластификаторы на основе поликарбоксилатного простого эфира, которые сами по себе обладают наименьшей эффективностью в разжижении суспензии, во многих случаях оказываются наиболее чувствительными к модификаторам.
Один из предпочтительных классов пластификаторов, используемых в жидких растворах, включает два звена (две структурные единицы). Он более подробно описан в находящихся в процессе одновременного рассмотрения заявках U.S. Serial No. 11/152418 (номер дела у поверенного 2033.72740), поданной 14 июня 2005 года и озаглавленной “Gypsum Products Utilizing a Two-Repeating Unit Dispersant and Process for Making Them” («Гипсовые изделия с добавлением пластификатора с двумя структурными единицами и процесс их изготовления»), и U.S. Serial No. 11/xxx,xxx (номер дела у поверенного 2033.75332), поданной одновременно с данной и озаглавленной “Gypsum Products Utilizing a Two-Repeating Unit Dispersant and Process for Making Them” («Гипсовые изделия с добавлением пластификатора с двумя структурными единицами и процесс их изготовления»), ранее включенных посредством ссылки. Данные пластификаторы представляют собой продукты Degussa Construction Polymers, GmbH (Trostberg Germany) и поставляются Degussa Corp. (Kennesaw, GA) (здесь и далее - “Degussa”), и далее на них ссылаются как на «Пластификаторы PCE211-типа».
Первое звено представляет собой звено на основе олефин-ненасыщенной монокарбоновой кислоты, ее сложного эфира или соли или звено на основе олефин-ненасыщенного производного серной кислоты или ее соли. Предпочтительные звенья включают акриловую кислоту или метакриловую кислоту. Вместо водорода кислотной группы подходят одно- или двухосновные соли. Водород также может быть заменен углеводородной группой для получения сложного эфира.
Второе повторяющееся звено удовлетворяет формуле I,
1
где R представляет собой алкенильную группу формулы I
1
3
1
5
2
Ссылаясь на формулу I, алкенильное звено необязательно включает C-C алкильную группу между главной цепью полимера и эфирным звеном. Значение p представляет собой целое число от 0 до 3 включительно. Предпочтительно, p равно либо 0, либо 1. R представляет собой либо атом водорода, либо алифатическую углеводородную группу C-C, которая может быть линейной, разветвленной, насыщенной или ненасыщенной.
2
4
1
20
5
8
6
14
3
4
Полиэфирная группа формулы II содержит множество C-C алкильных групп, включая по меньшей мере две различные алкильные группы, связанные атомами кислорода. M и n представляют собой целые числа от 2 до 4 включительно, предпочтительно, по меньшей мере одно из значений m и n равно 2. X и y представляют собой целые числа от 55 до 350 включительно. Значение z составляет от 0 до 200 включительно. R представляет собой незамещенную или замещенную арильную группу и, предпочтительно, фенил. R представляет собой водород или алифатическую углеводородную группу C-C, циклическую алифатическую углеводородную группу C-C, замещенную C-C арильную группу или группу, удовлетворяющую по меньшей мере одной из формул III(a), III(b) и III(c).
5
7
6
В вышеприведенных формулах R и R независимо друг от друга представляют собой алкильную, арильную, аралкильную или алкиларильную группу. R представляет собой двухвалентную алкильную, арильную, аралкильную или алкиларильную группу.
Особенно пригодные пластификаторы из пластификаторов PCE211-типа обозначены PCE211 (здесь и далее «211»). Другие полимеры данной серии, для которых известно, что они могут использоваться в гипсовой панели, включают PCE111.
Молекулярная масса пластификатора PCE211-типа предпочтительно составляет от приблизительно 20000 до приблизительно 60000 Дальтон. К удивлению было обнаружено, что пластификаторы с меньшей молекулярной массой вызывают меньшее замедление отверждения, чем пластификаторы, имеющие молекулярную массу, превосходящую 60000 Дальтон. Как правило, более длинные боковые цепи, которые приводят к увеличению общей молекулярной массы, придают лучшую дисперсность. Однако испытания с гипсом указывают на то, что эффективность пластификатора уменьшается при молекулярных массах, превышающих 60000 Дальтон.
Другой класс поликарбоксилатных соединений, пригодных в данном изобретении, раскрыт в патенте США №6777517, включенном сюда посредством ссылки, и на этот класс здесь и далее ссылаются как на «пластификатор 2641-типа». Применение пластификаторов 2641-типа в гипсовых растворах и стеновых панелях более подробно описано в заявке U.S. Serial No. 11/152661, озаглавленной “Fast Drying Gypsum Products” («Быстроотверждаемые гипсовые изделия»), ранее включенной посредством ссылки.
Предпочтительно, пластификатор 2641-типа включает по меньшей мере три повторяющихся звена, представленных формулами IV(a), IV(b) и IV(c).
1
2
3
4
В данном случае присутствуют как звено на основе акриловой кислоты, так и звено на основе малеиновой кислоты, что приводит к более высокому отношению кислотных групп к винилэфирным группам. R представляет атом водорода или алифатический углеводородный радикал, имеющий от 1 до 20 атомов углерода. X представляет OM, где M является атомом водорода, катионом одновалентного металла, ионом аммония или органическим аминным радикалом. R может быть водородом, алифатическим углеводородным радикалом, имеющим от 1 до 20 атомов углерода, циклическим алифатическим углеводородным радикалом, имеющим от 6 до 14 атомов углерода, который может быть замещенным. R представляет собой водород или алифатический углеводородный радикал, имеющий от 1 до 5 атомов углерода, который является, необязательно, линейным или разветвленным, насыщенным или ненасыщенным. R представляет собой водород или метильную группу в зависимости от того, являются ли структурные звенья акриловыми или метакриловыми. P может изменяться от 0 до 3. M представляет собой целое число от 2 до 4 включительно, и n представляет собой целое число от 0 до 200 включительно. Некоторые предпочтительные пластификаторы 2641-типа продаются Degussa как пластификаторы MELFLUX 2641F, MELFLUX 2651F и MELFLUX 2500L (MELFLUX представляет собой зарегистрированную торговую марку Degussa Construction Polymers, GmbH, Tröstberg, Germany).
Еще одно предпочтительное семейство пластификаторов продается Degussa, на которое ссылаются как на «пластификаторы 1641-типа». Данный пластификатор описан в патенте США №5798425, включенном сюда посредством ссылки. Особенно предпочтительный пластификатор 1641-типа представлен формулой V и обозначен как пластификатор MELFLUX 1641F производства Degussa. Данный пластификатор образован, главным образом, из двух звеньев, одного на основе винилового простого эфира, а другого на основе винилового сложного эфира. Пример пластификатора 1641-типа представлен формулой V, где m и n представляют собой мольные соотношения составляющих звеньев, которые могут быть распределены случайным образом вдоль полимерной цепи.
Данные пластификаторы особенно хорошо подходят для использования с гипсом. Без ограничения теорией, считается, что кислотные звенья связываются с кристаллами гипса, в то время как длинные полиэфирные цепи второго звена выполняют диспергирующую функцию. Поскольку они вызывают меньшее замедление отверждения, чем другие пластификаторы, они оказывают менее разрушительное воздействие на процесс производства гипсовых изделий, таких как гипсовая панель. Пластификатор используют в любом эффективном количестве. В большей степени выбранное количество пластификатора зависит от желаемой текучести жидкого раствора. При уменьшении количества воды требуется все больше пластификатора для поддержания постоянной текучести жидкого раствора. Поскольку поликарбоксилатные пластификаторы являются относительно дорогими компонентами, предпочтительно использовать небольшие количества, предпочтительно менее чем 2% или, более предпочтительно, менее чем 1 мас.% в расчете на массу сухого гипса. Предпочтительно, пластификатор используют в количествах от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,5% в расчете на массу сухого строительного гипса. Более предпочтительно, пластификатор используют в количествах от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,2% на тех же основаниях. При измерении жидкого пластификатора при расчете количества пластификатора учитываются только твердые полимерные компоненты, а при расчете соотношения вода/строительный гипс учитывается вода из пластификатора.
Можно получить множество полимеров из одних и тех же звеньев, используя различные распределения последних. Отношение кислотосодержащих звеньев к полиэфирсодержащему звену прямо связано с плотностью заряда. Предпочтительно, плотность заряда сополимера находится в диапазоне от приблизительно 300 до приблизительно 3000 мкэкв. зарядов/г сополимера. Было обнаружено, что наиболее эффективный пластификатор, протестированный на уменьшение количества воды в данном классе пластификаторов, MELFLUX 2651F, обладает наибольшей плотностью заряда.
Однако было также обнаружено, что увеличение плотности заряда дополнительно приводит к увеличению эффекта замедления отверждения, демонстрируемого пластификатором. Пластификаторы с низкой плотностью заряда, такие как MELFLUX 2500L, увеличивают время отверждения в меньшей степени, чем пластификатор MELFLUX 2651F, обладающий высокой плотностью заряда. Поскольку увеличение времени отверждения происходит с увеличением эффективности, полученной с пластификаторами с высокой плотностью заряда, приготовление жидкого раствора с низким содержанием воды, хорошей текучестью и разумными временами отверждения требует поддержания плотности заряда на среднем уровне. Более предпочтительно, плотность заряда сополимера находится в диапазоне от приблизительно 600 до приблизительно 2000 мкэкв. зарядов/г сополимера.
Гипсовый раствор также необязательно включает один или несколько модификаторов, которые усиливают действие поликарбоксилатного пластификатора. Пластификатор с двумя звеньями, используемый здесь, особенно восприимчив к воздействиям модификаторов. Предпочтительные модификаторы включают цемент, известь, также известную как негашеная известь или оксид кальция, гашеную известь, также известную как гидроксид кальция, кальцинированную соду, также известную как карбонат натрия, карбонат калия, также известный как поташ, и другие карбонаты, силикаты, гидроксиды, фосфонаты и фосфаты. При использовании модификаторов эффективность пластификатора усиливается с достижением нового уровня текучести, или количество поликарбоксилатного пластификатора может быть уменьшено для уменьшения затрат на поликарбоксилаты. Дополнительную информацию по модификаторам и их применению можно найти в заявке United States Serial No. 11/152317, озаглавленной “Modifiers For Polycarboxylate Dispersants” («Модификаторы для поликарбоксилатных пластификаторов»), поданной одновременно с данной и ранее включенной посредством ссылки.
Модификаторы используются в гипсовом растворе в любом подходящем количестве. Предпочтительно, модификаторы используют в количествах от приблизительно 0,01% до приблизительно 2 мас.% в расчете на массу сухого строительного гипса. Более предпочтительно, модификаторы используют в количествах от приблизительно 0,03% до приблизительно 0,5% и, даже более предпочтительно, от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,5%.
Воду добавляют к жидкому раствору в любом количестве, которое приводит к получению текучего жидкого раствора. Количество воды, которое необходимо использовать, изменяется в значительной степени в зависимости от применения, в котором она используется, конкретного используемого пластификатора, свойств строительного гипса и используемых добавок. Отношение воды к строительному гипсу (“WSR”, «ВГО») предпочтительно составляет от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,8 в расчете на массу сухого строительного гипса. В общем случае значение ВГО от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,6 является предпочтительным. В композициях покрытий пола предпочтительно используют значение ВГО от приблизительно 0,17 до приблизительно 0,45, предпочтительно, от приблизительно 0,17 до приблизительно 0,34. В формуемых или литьевых изделиях предпочтительно используют такое количество воды, чтобы значение ВГО составляло от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,3, предпочтительно, от приблизительно 0,16 до приблизительно 0,25. Значение ВГО можно уменьшить до 0,1 или менее в лабораторных тестах, основанных на добавлении пластификаторов PCE211-типа в умеренных количествах.
Вода, используемая для приготовления раствора гипса, должна быть настолько чистой, насколько это целесообразно для наилучшего контроля свойств как жидкого раствора, так и отвердевшего гипса. Соли и органические соединения, как хорошо известно, изменяют время схватывания раствора, варьируясь в широком диапазоне от ускорителей до ингибиторов схватывания. Некоторые примеси приводят к нерегулярности структуры при образовании матрицы сращенных кристаллов дигидрата, понижая прочность отвердевшего изделия. Таким образом, прочность и устойчивость изделия увеличивается за счет использования воды, которая настолько свободна от примесей, насколько это целесообразно.
В предпочтительных операциях со стеновыми панелями гипс перемещается по конвейеру к смесительному устройству. Перед входом в смесительное устройство к порошкообразному гипсу добавляют сухие добавки, такие как противопенные агенты, или ускорители схватывания. Некоторые добавки вводят непосредственно в смесительное устройство при помощи отдельной линии. С использованием данного способа в примерах, описанных ниже, добавляли триметафосфат. Некоторые добавки также можно добавлять к воде. Это особенно удобно, когда добавки находятся в жидкой форме. В случае большинства добавок способ их помещения в жидкий раствор не является критичным, и их можно добавлять с использованием любого удобного оборудования или способа.
Однако при использовании пластификатора по данному изобретению важно добавлять пластификатор к воде перед добавлением строительного гипса. В смесительное устройство добавляют воду затворения или добавочную воду со скоростью, необходимой для того, чтобы достигнуть желаемого отношения воды к строительному гипсу, принимая во внимание воду из других источников.
Можно использовать другие известные добавки, необходимые для изменения определенных свойств изделия, такого как стеновая панель, покрытие пола или литые изделия. Сахара, такие как декстроза, используют для улучшения связывания бумаги на концах листов. Парафиновые эмульсии или полисилоксаны используют для водостойкости. Если необходима жесткость, обычно добавляют борную кислоту. Огнеупорность можно улучшить добавлением вермикулита и/или стекловолокна. Данные и другие известные добавки пригодны для данного жидкого раствора и составов для гипсовых панелей.
Если не указано иное, в последующих примерах готовили 400 граммов образца на основе сухих компонентов. Все сухие компоненты, включая заполнитель, взвешивали и перемешивали вместе в сухом состоянии. Заранее определенное количество деионизированной воды измеряли и помещали в смесительный бачок. Сухой смешанный материал добавляли в воду и отмечали время, принимаемое в качестве точки отсчета для определения времени схватывания. Смесительный бачок помещали в смесительное устройство “Hobart” и встряхивали в течение приблизительно пяти секунд. По истечении одной минуты намокания материал перемешивали при низкой скорости в течение двух минут. Бачок удаляли из смесительного устройства и содержимое перемешивали в течение приблизительно 15 секунд при помощи венчика для обеспечения равномерного перемешивания всего материала.
Исходный подвижный образец помещали во влажный цилиндр 2”×4” (5 см × 10 см), размещенный на пластмассовом листе, слегка переполняя цилиндр. Избыток материала разравнивали сверху, затем цилиндр плавно поднимали, позволяя жидкому раствору вытекать через дно, образуя лепешку. Лепешку измеряли в двух направлениях (±1/8”), перпендикулярных друг другу, и среднее значение принимали за диаметр лепешки.
Ссылки на время схватывания относятся к времени схватывания, определенному прибором Вика по стандарту ASTM C-472, упомянутому здесь для сведения. Время схватывания, определенное прибором Вика, измеряли с того момента, когда гипс добавляли к воде для перемешивания вручную, и момента, когда жидкий раствор вытекал из смесительного устройства для механического перемешивания. Образец готовили из 50 граммов сухого, не содержащего комков (агрегатов) материала и воды в количестве, достаточном для достижения типовой консистенции для желаемого применения. Образец выливали на акриловый лист для получения лепешки. Иглу Вика (300 грамм) помещали посередине между центром и внешним краем лепешки, перпендикулярно поверхности лепешки. Иглу помещали на поверхность лепешки и давали свободно падать под действием собственного веса. Время схватывания определяли, когда игла не могла достичь дна лепешки. Если степень проникновения была неясна, иглу немного подталкивали, чтобы определить, коснулась ли она нижней поверхности.
Пример 1
Данный пример демонстрирует важность порядка добавления модификатора и пластификатора. В каждом из следующих тестов использовали четыреста граммов строительного гипса от Southard, OK, 220 г воды, 0,7 г ускорителя схватывания HRA и 0,89 г пластификатора MELFLUX 2500L, который включал 45% твердых частиц. Дополнительно добавляли к двум образцам 0,6 г кальцинированной соды, как описано ниже. Во всех случаях воду и пластификатор добавляли перед добавлением строительного гипса и модификатора (если последний присутствовал). После добавления строительного гипса смеси давали намокать в течение 15 секунд, затем в течение 30 секунд перемешивали с получением жидкого раствора. Модификатор добавляли так, как описано ниже.
Режим 1 соответствовал контрольному образцу, к которому не добавляли кальцинированной соды в качестве модификатора. В режиме 2 кальцинированную соду добавляли в воду для затворения перед добавлением строительного гипса к воде. В режиме 3 кальцинированную соду добавляли после добавления гипса к воде для затворения, непосредственно перед включением смесительного устройства после набухания.
Размер лепешки, скорость схватывания и время схватывания, определенные при помощи прибора Вика, представлены в таблице I для каждого из трех режимов процесса.
ТАБЛИЦА I
Режим
1
2
3
Размер лепешки
19,5 см
27 см
24,8 см
Скорость схватывания
2:10
5:50
5:10
Время схватывания по прибору Вика
6:10
10:00
9:30
Режимы 2 и 3 отчетливо демонстрируют, что лучшую текучесть получают, если добавляют и модификатор, и пластификатор, по сравнению с отсутствием модификатора. Однако в случае режима 3, где модификатор добавляют к жидкому раствору, они контактируют друг с другом до введения строительного гипса.
Пример 2
2
В данном сравнительном примере к гипсовому раствору для изготовления гипсовых панелей добавляли известь, что приводило лишь к незначительному улучшению текучести. Количества всех компонентов выражены в фунтах на 1000 квадратных футов (104 м) гипсовой панели («фунт/MSF»). Тысячу двести восемьдесят пять фунтов строительного гипса объединяли с другими сухими компонентами, включающими три фунта крахмала, три фунта церелозы и 0,32 фунта (145 г) замедлителя схватывания. Известь кремового цвета предварительно смешивали с водой и добавляли непосредственно в смесительное устройство через одно из отверстий для введения воды, смежных с отверстием для ввода строительного гипса. Пластификатор Melflux 2500L добавляли непосредственно к воде затворения и перемешивали до достижения однородности, и затем смесь добавляли в смесительное устройство через оставшиеся отверстия для введения воды, смежные с отверстием для ввода строительного гипса. Сухие компоненты смешивали со строительным гипсом, который затем добавляли в смесительное устройство через сливную трубу для строительного гипса.
ТАБЛИЦА II
Образец
С добавлением 0,18% извести
При отсутствии извести
Ускоритель схватывания HRA
32 фунт/MSF
38,8 фунт/MSF
Вода
831
855
WSR (ВГО)
0,65
0,67
диспергирован
Как показано в таблице II, использование 0,18% извести в данном процессе позволяет немного уменьшить количество воды. Однако уменьшение количества воды было не таким большим, как это было отмечено в лабораторных тестах, и считается, что, поскольку модификатор добавляли таким образом, что он не был хорошо диспергирован в строительном гипсе до того, как был  PCE, взаимодействие между модификатором и пластификатором было ограничено.
Пример 3
Заводские испытания проводили в условиях, когда и пластификатор, и модификатор растворяли в воде затворения. Модификатор (кальцинированную соду) растворяли в воде до получения 10% (по массе) раствора. 3,9 фунт/MSF Melflux 2500L, разбавленного до концентрации твердых частиц 32%, добавляли к воде затворения, затем к воде затворения добавляли 11,3 фунт/MSF жидкого раствора с кальцинированной содой и все компоненты перемешивали до получения однородного раствора. Тысячу двести пятьдесят семь фунтов строительного гипса добавляли в смесительное устройство для получения гипсового раствора.
ТАБЛИЦА III
Образец
С добавлением 0,1% кальцинированной соды
При отсутствии кальцинированной соды
Ускоритель схватывания HRA
35 фунт/MSF
29 фунт/MSF
Сульфат калия
0 фунт/MSF
4 фунт/MSF
Вода
861
965
WSR (ВГО)
0,69
0,77
Как показано в таблице III, использование 0,1% кальцинированной соды в данном процессе позволяет значительно уменьшить количество воды.
Хотя были показаны и описаны конкретные варианты осуществления способа для приготовления жидкого раствора из гипса, модификаторов, пластификаторов и воды, специалистам в данной области техники будет понятно, что изменения и модификации могут быть внесены, не выходя за рамки изобретения в его более широких аспектах, которые изложены в последующей формуле изобретения.