ПРЕЖЕЛАТИНИЗИРОВАННЫЙ КРАХМАЛ СО СРЕДНИМ ДИАПАЗОНОМ ВЯЗКОСТИ, И ПРОДУКТ, СУСПЕНЗИЯ И СПОСОБЫ, СВЯЗАННЫЕ С УКАЗАННЫМ КРАХМАЛОМ
PREGELATINISED STARCH WITH AVERAGE VISCOSITY RANGE, AND PRODUCT, SUSPENSION AND METHODS RELATED TO SPECIFIED STARCH

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США № 61/717588, поданной 23 октября 2012 г., обычной заявке на патент США № 13/835002, поданной 15 марта 2013 г. и заявке - частичному продолжению № 14/044582, поданной 2 октября 2013 г., все указанные предшествующие заявки на патенты полностью включены в настоящую заявку посредством ссылок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Затвердевший гипс (т.е. дигидрат сульфата кальция) представляет собой хорошо известный материал, применяемый во многих продуктах, включая панели и другие продукты для строительства и ремонта зданий. Одна из таких панелей (часто называемая гипсовой плитой) имеет форму затвердевшего гипсового сердечника, расположенного между двумя кроющими листами (например, плита, облицованная бумагой) и широко применяется в конструкциях из сухой штукатурки для внутренних стен и потолков зданий. Один или более слоев с большей плотностью, часто называемых «накрывочными слоями», могут быть включены на любой из сторон сердечника, обычно в качестве поверхности раздела сердечник-бумага.
[003] Во время производства плиты строительный гипс (т.е. обожженный гипс в форме полугидрата сульфата кальция и/или безводного сульфата кальция), воду и другие ингредиенты, при необходимости, смешивают, обычно в стержневом смесителе, известном в данной области техники. Получают суспензию и выгружают ее из смесителя на движущуюся ленту, на которой расположен кроющий лист, на который уже нанесен (часто ранее по технологической цепочке, по отношению к смесителю) один из накрывочных слоев (при наличии). Суспензию распределяют по бумаге (с необязательно нанесенным на бумагу накрывочным слоем). Другой кроющий лист, с накрывочным слоем или без него, помещают на суспензию, получая слоистую конструкцию желаемой толщины, при помощи, например, формующей плиты или подобного устройства. Смесь формуют и оставляют затвердеть, получая затвердевший (т.е. регидратированный) гипс путем взаимодействия обожженного гипса с водой, с образованием матрицы кристаллического гидратированного гипса (т.е. дигидрата сульфата кальция). Именно желаемая гидратация обожженного гипса обеспечивает возможность образования матрицы взаимосвязанных кристаллов затвердевшего гипса, придавая прочность гипсовой конструкции в продукте. Для получения сухого продукта необходимо нагревание (например, в сушильной печи) для удаления оставшейся свободной (т.е. не вступившей в реакцию) воды.
[004] Удаляемый избыток воды представляет собой недостаток описанной системы. Для удаления воды требуется подвод энергии, и способ производства замедляется на стадии высушивания. Тем не менее, было доказано, что снизить количество воды в системе весьма затруднительно, не поступаясь при этом другими критически важными признаками коммерческого продукта, включая массу и прочность плиты.
[005] Следует понимать, что настоящее описание уровня техники было создано авторами изобретения для помощи читателю, и не должно рассматриваться как ссылка на уровень техники или как указание на то, что какие-либо из указанных проблем сами по себе учитывались в данной области техники. Хотя описанные принципы могут, в некоторых случаях и вариантах реализации, уменьшить проблемы, присущие другим системам, следует учитывать, что объем защищаемого технического решения определяется приложенной формулой изобретения, а не способностью настоящего изобретения решать любые из конкретных описанных проблем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] В одном из аспектов настоящего изобретения предложена плита, содержащая сердечник из затвердевшего гипса. Сердечник может содержать матрицу взаимосвязанных кристаллов гипса. Плита может быть расположена между двумя кроющими листами (например, изготовленными из бумаги). Сердечник из затвердевшего гипса изготавливают из суспензии, содержащей воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, характеризующийся «средним диапазоном» вязкости (т.е. имеющий вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз), при этом указанный крахмал находится в условиях согласно способу VMA, как описано в примере 1 ниже, причем содержание крахмала в воде составляет примерно 15 % от общей массы крахмала и воды. Таким образом, способ VMA применяют для определения, обладает ли крахмал характеристиками среднего диапазона вязкости при воздействии условий согласно способу VMA. Это не означает, что крахмал необходимо вводить в гипсовую суспензию в указанных условиях. Напротив, при введении крахмала в суспензию, он может быть во влажной (при различных концентрациях крахмала в воде) или сухой формах, и не должен быть полностью желатинизированным или иным образом соответствовать условиям, указанным в способе VMA, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. В настоящем описании «прежелатинизированный» подразумевает любую степень желатинизации.
[007] В другом аспекте настоящего изобретения предложена суспензия, содержащая воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, имеющий вязкость в среднем диапазоне от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости согласно способу VMA. Суспензию иногда называют «гипсовой суспензией», поскольку в ней образуется гипс при реакции строительного гипса с водой. По мере того, как строительный гипс в суспензии взаимодействует с водой, начинает образовываться гипс, т.е. дигидрат сульфата кальция. Суспензию можно применять для изготовления плит, а также других гипсовых продуктов.
[008] В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления плиты. Воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, характеризующийся вязкостью в среднем диапазоне, при измерении вязкости согласно способу VMA, смешивают с образованием суспензии. Крахмал можно вводить во влажной или сухой форме. Прежелатинизированный крахмал не должен быть обязательно полностью желатинизированным при введении в суспензию, и не должен обязательно находиться в условиях, описанных в способе VMA. Суспензию помещают между первым кроющим листом и вторым кроющим листом, получая влажную сборную конструкцию, представляющую собой полуфабрикат панели. В данном случае выражение «помещают между» следует понимать, как обозначающее, что между сердечником и одним или обоими кроющими листами может быть, необязательно, нанесен или включен накрывочный слой, так что следует понимать, что кроющий лист может включать накрывочный слой. Панель нарезают, формируя плиту. Плиту высушивают. После высушивания при желании осуществляют окончательную подгонку размеров (например, нарезку) и обработку. Крахмал может быть химически модифицирован (в любом порядке по отношению к стадии прежелатинизации), согласно некоторым вариантам реализации, перед включением в суспензию. В некоторых из вариантов реализации прежелатинизированный крахмал при введении в суспензию желатинизирован частично, и оставшаяся желатинизация происходит во время стадии высушивания (например, в сушильной печи). В некоторых из вариантов реализации крахмал становится полностью желатинизированным в сушильной печи.
[009] В другом аспекте соединительный состав содержит карбонат кальция и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал имеет вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости согласно способу VMA. В некоторых вариантах реализации соединительный состав дополнительно содержит обожженный гипс, воду и/или замедлитель схватывания.
[0010] В другом аспекте акустическая панель содержит акустический компонент, содержащий волокно, и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал имеет вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости согласно способу VMA, причем указанная панель имеет коэффициент шумопонижения по меньшей мере примерно 0,5 согласно ASTM C 423-02. В некоторых вариантах реализации волокна содержат минеральную вату.
[0011] В другом аспекте настоящего изобретения предложена плита, содержащая сердечник из затвердевшего гипса, расположенный между двумя кроющими листами, причем указанный сердечник изготовлен из суспензии, содержащей строительный гипс, воду и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %, причем сердечник из затвердевшего гипса имеет прочность на сжатие больше, чем прочность на сжатие сердечника из затвердевшего гипса, изготовленного с использованием крахмала, имеющего растворимость в холодной воде менее примерно 30 %.
[0012] В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления плиты, включающий смешивание по меньшей мере воды, строительного гипса и по меньшей мере одного прежелатинизированного крахмала, с образованием суспензии, размещение суспензии между первым кроющим листом и вторым кроющим листом с образованием влажной сборной конструкции, нарезку влажной сборной конструкции с получением плиты, и высушивания плиты. Крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %, и сердечник из затвердевшего гипса имеет прочность на сжатие больше, чем прочность на сжатие сердечника из затвердевшего гипса, изготовленного с использованием крахмала, имеющего растворимость в холодной воде менее примерно 30 %.
[0013] В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления прежелатинизированного крахмала, включающий смешивание по меньшей мере воды и непрежелатинизированного крахмала с получением влажного крахмала, помещение влажного крахмала в экструдер с температурой головки примерно 90 °С или выше, и высушивание крахмала. Прежелатинизированный крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] ФИГ. 1 представляет собой вискограмму, полученную на вискографе, показывающую вязкость крахмала в различных состояниях, где по оси X указано время, а по оси Y указаны наложенные крутящий момент (первичная ось Y, слева) и температура (вторичная ось Y, справа), согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
[0015] ФИГ. 2 представляет собой линейную диаграмму, показывающую прочность на сжатие (ось Y) при заданной плотности (ось X) для кубиков из примера 13 согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Варианты реализации настоящего изобретения основаны, по меньшей мере частично, на включении в гипсовую суспензию прежелатинизированного крахмала, характеризующегося вязкостью «в среднем диапазоне» (например, от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз). Хотя характеристики вязкости определяют, помещая крахмал в определенные условия, согласно методике VMA, описанной в настоящей заявке, следует понимать, что нет необходимости вводить прежелатинизированный крахмал в суспензию в указанных условиях. Удивительно и неожиданно было обнаружено, что включение прежелатинизированного крахмала с вязкостью в среднем диапазоне обеспечивает комбинацию значительных преимуществ, таких как преимущества, касающиеся эффективности крахмала (например, тем самым обеспечивая меньшее количество используемого крахмала), улучшения прочности продукта и водопотребления, в некоторых вариантах реализации, всех указанных преимуществ вместе. Согласно вариантам реализации настоящего изобретения, преимущества, включая преимущества, относящиеся к эффективности крахмала, водопотреблению и/или прочности, представляют собой значимое улучшение и преимущество по сравнению с крахмалами, применение которых известно в гипсовых суспензиях, таких как нежелатинизированные крахмалы (сырые) или прежелатинизированные крахмалы (сваренные), с вязкостью менее 20 сантипуаз или более 700 сантипуаз, согласно способу VMA. Указанные открытия дают значительные преимущества, включая, без ограничения, снижение стоимости сырья, повышение эффективности производства и улучшение прочности продукта, например, обеспечение возможности получения более легкого продукта с достаточными прочностными характеристиками.
[0017] Крахмалы относятся к углеводам и включают два типа полисахаридов, а именно, линейную амилозу и разветвленный амилопектин. Гранулы крахмала полукристаллические, например, как можно видеть в поляризованном свете, и нерастворимы при комнатной температуре. Желатинизация представляет собой процесс, при котором крахмал помещают в воду и нагревают («варят»), таким образом, что кристаллическая структура гранул крахмала плавится, и молекулы крахмала растворяются в воде, что приводит к хорошему диспергированию. Было обнаружено, что при превращении гранулы крахмала в желатинизированную форму, вначале гранула крахмала обеспечивает небольшую вязкость в воде, поскольку гранулы крахмала нерастворимы в воде. По мере повышения температуры гранула крахмала набухает, и кристаллическая структура плавится при температуре желатинизации. Пик вязкости наблюдается при максимальном набухании гранулы крахмала. Дальнейшее нагревание приведет к разрушению гранул крахмала и растворению молекул крахмала в воде, с резким падением вязкости. После охлаждения молекулы крахмала вновь придут в ассоциацию с образованием трехмерной структуры геля, с увеличением вязкости из-за структуры геля. См., например, ФИГ. 1, обсуждаемую ниже. Некоторые коммерческие крахмалы продают в прежелатинизированной форме, в то время как другие продают в форме гранул. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, коммерческую гранулированную форму подвергают по меньшей мере некоторой степени желатинизации, так что крахмал является прежелатинизированным перед введением в гипсовую суспензию (обычно в смесителе, например, в стержневом смесителе).
[0018] Для достижения желаемого среднего диапазона вязкостей, согласно вариантам реализации настоящего изобретения, молекула крахмала может быть модифицирована, например, путем гидролиза гликозидных связей между звеньями глюкозы до достижения желаемой молекулярной массы. Например, такие модификации могут включать кислотные модификации, ферментные модификации и/или другие способы. Например, другие подходы к достижению низкой вязкости включают, например, механическую экструзию или модификацию молекулы крахмала для включения большего количества линейных звеньев амилозы. В качестве примера, в случае Tackidex K720, низкую вязкость получают посредством механической экструзии, большего количества звеньев амилозы (~ 35 %) и гидроксипропилирования. Модификацию можно осуществлять до или после осуществления желатинизации. В случае ферментных модификаций в общем предпочтительно, чтобы модификацию осуществляли после стадии желатинизации. Наиболее широко применяемым ферментом, конвертирующим крахмал, является α-амилаза (альфа-амилаза). Реакция ферментативного гидролиза может быть остановлена посредством изменения pH или посредством нагревания. В случае кислотных модификаций, в общем предпочтительно, чтобы модификацию осуществляли до желатинизации, поскольку при этом она была бы более эффективной и менее дорогостоящей. Для получения кислотномодифицированных крахмалов необходимо учесть, что водную суспензию немодифицированного крахмала можно обрабатывать, например, малым количеством сильной кислоты, такой как соляная кислота, серная кислота, азотная кислота, плавиковая кислота, или подобные кислоты. Регулируя время реакции, можно изменять степень деполимеризации. Например, при достижении соответствующей текучести, например, измеренной при помощи текущего лабораторного контроля, вводят слабое основание для нейтрализации и остановки гидролиза. Таким образом, кислотномодифицированные крахмалы могут быть получены с различными текучестями. Также кислотномодифицированные крахмалы можно применять непосредственно после нейтрализации без дополнительной очистки, или можно очищать для удаления солей. Конечное применение кислотномодифицированных крахмалов может определять желательность очистки. Например, композиция крахмала, модифицированного серной кислотой и нейтрализованного гидроксидом кальция, может содержать ионы сульфата и кальция, которые могли бы попасть в суспензию из строительного гипса и воды. Поскольку строительный гипс уже содержит ионы сульфата и кальция, нет необходимости очищать крахмал, модифицированный серной кислотой, перед введением в суспензию. Таким образом, факторы, которые необходимо учитывать для определения желательности очистки, включают, например, природу кислоты и щелочного основания, и то, желательно ли вводить в суспензию другие ионы, помимо ионов сульфата или кальция.
[0019] Прежелатинизированные крахмалы, обладающие вязкостью в среднем диапазоне, согласно настоящему изобретению, обеспечивают значительное преимущество, относящееся к прочности продукта (например, стеновой плиты). Поскольку крахмал содержит мономеры глюкозы, содержащие три гидроксильные группы, крахмал обеспечивает множество центров для образования водородных связей с кристаллами гипса. Не ограничиваясь никакой конкретной теорией, полагают, что размер молекул прежелатинизированного крахмала, характеризующегося средней вязкостью, обеспечивает возможность оптимальной подвижности молекул крахмала для совмещения молекул крахмала и кристаллов гипса, что способствует упрочнению получаемой в результате матрицы кристаллического гипса, например, благодаря образованию водородных связей. Прежелатинизированные крахмалы, вязкости которых находятся за пределами среднего диапазона, имеют или более длинные цепи и более высокие молекулярные массы (слишком высокая вязкость), или более короткие цепи и более низкие молекулярные массы (слишком низкая вязкость), соответственно, и не обеспечивают указанной комбинации преимуществ. Также полагают, что с точки зрения эффективности крахмала, когда достаточное количество молекул крахмала связывается с кристаллами гипса, дополнительное количество крахмала не добавляет значительных преимуществ, поскольку кристаллы уже связаны, и отсутствуют дополнительные центры связывания на кристаллах гипса, с которыми мог бы соединяться или связываться крахмал. Следовательно, поскольку оптимальным является связывание между кристаллами гипса и молекулами прежелатинизированного крахмала со средним диапазоном вязкости, улучшается воздействие на прочность матрицы кристаллического гипса, и требуется меньше крахмала для обеспечения заданной прочности, по сравнению с традиционными крахмалами.
[0020] Прежелатинизированные крахмалы, обладающие характеристиками вязкости в среднем диапазоне, также обеспечивают преимущества относительно водопотребления. Введение крахмала в гипсовую суспензию требует введения в гипсовую суспензию дополнительной воды, для сохранения желаемой степени текучести суспензии. Причиной этого является то, что крахмал увеличивает вязкость и уменьшает текучесть гипсовой суспензии. Таким образом, применение крахмала в обычных системах приводило к увеличению водопотребления, так что требовалось бы еще большее количество воды для гипсовой суспензии. Удивительно и неожиданно было обнаружено, что прежелатинизированный крахмал, характеризующийся вязкостью в среднем диапазоне, согласно настоящему изобретению, требует меньше воды, благодаря чему снижается влияние на водопотребление в гипсовой суспензии, особенно по сравнению с традиционными крахмалами. Кроме того, благодаря эффективности прежелатинизированного крахмала, характеризующегося вязкостью в среднем диапазоне, согласно настоящему изобретению, можно применять меньше крахмала, что может иметь положительное влияние на водопотребление еще более значительным, согласно некоторым из вариантов реализации настоящего изобретения. Это уменьшает водопотребление, обеспечивая разумную эффективность в ходе производства. Например, избыток воды требует подвода энергии при высушивании. Скорость технологического конвейера должна быть замедлена для осуществления высушивания. Таким образом, уменьшая количество воды в гипсовой суспензии, можно добиться меньшего расхода энергии и денег, а также большей скорости производства. В некоторых вариантах реализации увеличение водопотребления в гипсовой суспензии меньше, чем увеличение водопотребления, необходимое для других крахмалов, таких как прежелатинизированные крахмалы с вязкостью свыше 700 сантипуаз (например, примерно 773 сантипуаз).
[0021] Может быть выбран любой подходящий крахмал при условии, что он может соответствовать характеристикам среднего диапазона вязкости, согласно настоящему изобретению, например, путем модификации или иным образом. В настоящем описании «крахмал» относится к композиции, содержащей крахмальный компонент. Таким образом, крахмал может представлять собой 100 % чистый крахмал или может содержать другие компоненты, такие как компоненты, обычно встречающиеся в муке, такие как белок и волокно, при этом крахмальный компонент составляет по меньшей мере примерно 75 % по массе от композиции крахмала. Крахмал может находиться в форме муки (например, кукурузная мука), содержащей крахмал, такой как мука, содержащая по меньшей мере примерно 75 % крахмала от массы муки, например, по меньшей мере примерно 80 %, по меньшей мере примерно 85 %, по меньшей мере примерно 90 %, по меньшей мере примерно 95 %, и т.д. В качестве примера, но не ограничения, крахмал может находиться в форме кукурузной муки, содержащей крахмал; кукурузного крахмала, такого как, например, Clinton 260 (ADM), Supercore S23F (GPC), Amidon M-B 065R (Roquette); горохового крахмала, такого как, например, кислотномодифицированный ацетилированный крахмал, такой как Clearam LG 7015 (Roquette); алкилированного крахмала, такого как гидроксиэтилированный крахмал, такой как, например, Clineo 714 (ADM), Coatmaster K57F (GPC), или гидроксипропилированный крахмал, такой как, например, Tackidex K720 (Roquette); а также окисленного крахмала, такого как Clinton 444 (ADM); или любых комбинаций указанных крахмалов.
[0022] Гипсовую суспензию обычно получают в стержневом смесителе. Тем не менее, способ введения ингредиентов в смеситель может варьироваться. Например, различные комбинации компонентов можно предварительно смешивать перед введением в смеситель, например, можно предварительно смешивать один или более сухих ингредиентов и/или один или более влажных ингредиентов. Под «введением в суспензию» в настоящем описании следует понимать, что ингредиенты можно предварительно смешивать любым подходящим образом перед введением в смеситель, в котором получают суспензию, как описано в настоящей заявке.
[0023] Прежелатинизированный крахмал со средним диапазоном вязкости согласно настоящему изобретению можно добавлять в гипсовую суспензию во влажной или сухой форме. Если он находится во влажной форме, крахмал можно вводить в любой подходящей концентрации, и можно предварительно смешивать с другими влажными ингредиентами. В то время как вязкость измеряют согласно способу VMA, описанному в примере 1, при котором количество крахмала в воде по массе составляет 15 % от общей массы крахмала и воды, это не обязательно означает, что крахмал, вводимый в суспензию, является полностью желатинизированным или иным образом соответствует условиям, указанным в способе VMA, или что крахмал должен находиться в 15 % растворе, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Напротив, характеристику вязкости крахмала определяют в указанных конкретных условиях, чтобы определить, удовлетворяет ли крахмал критерию вязкости согласно вариантам реализации настоящего изобретения, и обеспечить возможность сравнения характеристик вязкости различных крахмалов в стандартизованных условиях.
[0024] Таким образом, в настоящем описании «прежелатинизированный» означает, что крахмал имеет любую степень желатинизации перед введением в гипсовую суспензию. В некоторых вариантах реализации прежелатинизированный крахмал может быть частично желатинизированным при введении в суспензию, но подвергается полной желатинизации под воздействием повышенных температур, например, в сушильной печи для стадии высушивания для удаления избытка воды. В некоторых вариантах реализации, прежелатинизированный крахмал не полностью является желатинизированным, даже после воздействия сушильной печи, до тех пор пока крахмал удовлетворяет характеристикам среднего диапазона вязкости в условиях согласно способу VMA.
[0025] Вискозиметрия и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) представляют собой два различных метода анализа желатинизации крахмала. Степень желатинизации крахмала можно определить, например, при помощи термограммы, полученной при помощи ДСК, например, с использованием площади пика (плавление кристалла) для расчета. Вискограмма (полученная на вискографе) менее желательна для определения степени частичной желатинизации, но является хорошим инструментом для получения таких данных, как изменение вязкости крахмала, максимум желатинизации, температура желатинизации, гелеобразование, вязкость при хранении, вязкость в конце охлаждения, и т.д. Что касается степени желатинизации, измерение ДСК проводят в присутствие избытка воды, в частности, при концентрации 67 % по массе или выше. Если содержание воды в смеси крахмал/вода менее 67 %, температура желатинизации будет повышаться по мере снижения концентрации воды. Трудно расплавить кристаллы крахмала, если доступное количество воды ограничено. Когда содержание воды в смеси крахмал/вода достигает 67 %, температура желатинизации будет оставаться постоянной независимо от того, сколько еще воды добавят к смеси крахмал/вода. Температура начала желатинизации показывает начальную температуру желатинизации. Температура окончания желатинизации показывает конечную температуру желатинизации. Энтальпия желатинизации представляет количество кристаллической структуры, расплавленной в ходе желатинизации. При помощи энтальпии, полученной из ДСК термограммы крахмала, можно показать степень желатинизации.
[0026] Разные крахмалы имеют разные температуры начала желатинизации, температуры окончания желатинизации и энтальпию желатинизации. Следовательно, разные крахмалы могут становиться полностью желатинизированными при разных температурах. Следует понимать, что крахмал полностью желатинизируется, когда крахмал нагревают выше конечной температуры желатинизации в избытке воды. Кроме того, для любого конкретного крахмала, если крахмал нагревают ниже конечной температуры желатинизации, крахмал будет частично желатинизированным. Таким образом, частичная и неполная желатинизация будет наблюдаться, когда крахмал в присутствие избытка воды нагревают ниже конечной температуры желатинизации, например, измеренной при помощи ДСК. Полная желатинизация будет наблюдаться, когда крахмал в присутствие избытка воды нагревают выше конечной температуры желатинизации, например, измеренной при помощи ДСК. Степень желатинизации можно регулировать различными путями, такими как, например, путем нагревания крахмала ниже конечной температуры желатинизации для получения частичной желатинизации. Например, если энтальпия полной желатинизации крахмала составляет 4 Дж/г, и ДСК показывает, что энтальпия желатинизации крахмала составляет только 2 Дж/г, это означает, что крахмал был желатинизирован на 50 %. На термограмме ДСК полностью желатинизированного крахмала не будет наблюдаться пика желатинизации (энтальпия = 0 Дж/г), при измерении при помощи ДСК.
[0027] Как указано, степень желатинизации может составлять любую подходящую величину, такую как около 50 % или более, и т.д. Тем не менее, меньшие степени желатинизации будут приближаться по своим свойствам к гранулированному крахмалу, и не смогут обеспечить в полном объеме преимущества улучшения прочности, лучшей (более полной) дисперсии и/или снижения водопотребления, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Так, в некоторых вариантах реализации предпочтительно, чтобы крахмал имел более высокую степень желатинизации, например, по меньшей мере примерно 60 %, по меньшей мере примерно 70 %, по меньшей мере примерно 80 %, по меньшей мере примерно 90 %, по меньшей мере примерно 95 %, по меньшей мере примерно 97 %, по меньшей мере примерно 99 %, или был полностью (100 %) желатинизированным. Крахмалы с более низкими степенями желатинизации можно вводить в суспензию, с условием что дополнительная желатинизация (например, до 100 %) происходит в сушильной печи. Для целей введения в суспензию, под «полностью желатинизированным» следует понимать крахмал, достаточно сваренный при соответствующей температуре желатинизации или выше, или иным образом доведенный до полной желатинизации, которую можно наблюдать по методике ДСК. Хотя при охлаждении можно ожидать некоторой небольшой степени ретроградации, специалисту в данной области техники будет понятно, что крахмал все еще будет «полностью желатинизированным» для введения в гипсовую суспензию согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. Напротив, для целей способа VMA, описанного в настоящей заявке, такая ретроградация при измерении вязкости является неприемлемой.
[0028] В некоторых вариантах реализации средний диапазон вязкости прежелатинизированного крахмала может составлять от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, как например от примерно 20 сантипуаз до примерно 500 сантипуаз, или от примерно 30 сантипуаз до примерно 200 сантипуаз. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вязкость прежелатинизированного крахмала при испытании согласно способу VMA, может быть такой, например, как указано в таблицах 1A, 1B и 1C ниже. В таблицах «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют вязкость прежелатинизированного крахмала в сантипуазах. Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 1A находится в диапазоне «от примерно 20 сантипуаз до примерно 25 сантипуаз». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
Таблица 1A
Начальная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
Конечная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
25
X
30
X
X
35
X
X
X
40
X
X
X
X
45
X
X
X
X
X
50
X
X
X
X
X
X
55
X
X
X
X
X
X
X
60
X
X
X
X
X
X
X
X
65
X
X
X
X
X
X
X
X
X
70
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
75
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
100
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
125
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
150
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
175
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
200
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
225
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
250
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
275
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
300
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
325
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
350
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
375
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
400
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
425
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
450
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
475
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
500
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
525
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
550
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
575
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
600
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
625
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
650
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
675
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
700
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Таблица 1B
Начальная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
Конечная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
125
X
150
X
X
175
X
X
X
200
X
X
X
X
225
X
X
X
X
X
250
X
X
X
X
X
X
275
X
X
X
X
X
X
X
300
X
X
X
X
X
X
X
X
325
X
X
X
X
X
X
X
X
X
350
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
375
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
400
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
425
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
450
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
475
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
500
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
525
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
550
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
575
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
600
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
625
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
650
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
675
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
700
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Таблица 1C
Начальная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
Конечная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
425
X
450
X
X
475
X
X
X
500
X
X
X
X
525
X
X
X
X
X
550
X
X
X
X
X
X
575
X
X
X
X
X
X
X
600
X
X
X
X
X
X
X
X
625
X
X
X
X
X
X
X
X
X
650
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
675
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
700
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
[0029] Таким образом, вязкость прежелатинизированного крахмала может находиться в диапазоне между любыми указанными выше в таблицах 1A, 1B или 1C крайними точками, включая указанные точки.
[0030] Прежелатинизированный крахмал со средним диапазоном вязкости согласно вариантам реализации настоящего изобретения, удивительно и неожиданно, можно включать в суспензию в относительно низком количестве (в расчете на твердое вещество по отношению к твердому веществу), и все еще обеспечивать значительное увеличение прочности плиты. Следовательно, в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, прежелатинизированный крахмал со средним диапазоном вязкости включают в гипсовую суспензию в количестве примерно 5 % или менее от массы строительного гипса (например, от примерно 0,1 % до примерно 5 %) или даже менее, таком как примерно 3 % или менее от массы строительного гипса. Например, прежелатинизированный крахмал можно включать в количестве от примерно 0,1 % до примерно 4 % от массы строительного гипса, от примерно 0,1 % до примерно 3 %, от примерно 0,1 % до примерно 2 %, от примерно 0,1 % до примерно 1,5 %, и т.д. Было обнаружено, что увеличение количества крахмала со средней вязкостью в суспензии сверх указанных диапазонов не увеличивает прочность настолько же эффективно, поскольку уровни прочности могут в определенный момент перестать расти при введении еще большего количества крахмала, согласно некоторым вариантам реализации. Тем не менее, можно применять более высокие концентрации крахмала, при желании, особенно в тех случаях, когда приемлемо уменьшение получаемого влияния на прочность. Например, хотя и не предпочтительно, в некоторых вариантах реализации, можно применять количества крахмала более примерно 5 %, например, от примерно 0,1 % до примерно 10 % от массы строительного гипса.
[0031] Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, количество прежелатинизированного крахмала может быть, например, таким как указано в таблицах 2A и 2B ниже. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют количество крахмала в процентах по массе от массы строительного гипса. Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» находится в диапазоне «от примерно 0,1 % крахмала от массы строительного гипса, до примерно 0,25 % крахмала от массы строительного гипса». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
[0032] Таким образом, количество прежелатинизированного крахмала может находиться в диапазоне между любыми указанными выше в таблицах 2A или 2B крайними точками, включая указанные точки.
[0033] Прежелатинизированные крахмалы с характеристиками вязкости в желаемом среднем диапазоне можно комбинировать с другими крахмалами согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Например, прежелатинизированные крахмалы с характеристиками вязкости в желаемом среднем диапазоне можно комбинировать с другими крахмалами, для улучшения одновременно прочности сердечника и связи сердечника с бумагой, особенно если приемлемым является увеличение водопотребления. Так, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения гипсовая суспензия может содержать один или более прежелатинизированных крахмалов с характеристиками вязкости в желаемом диапазоне, а также один или более крахмалов других типов. Другие крахмалы могут включать, например, прежелатинизированные крахмалы с вязкостью ниже 20 сантипуаз и/или выше 700 сантипуаз. Одним из примеров является прежелатинизированный кукурузный крахмал (например, с вязкостью свыше 700 сантипуаз, такой как примерно 773 сантипуаза). Другие крахмалы могут также находиться в форме, например, непрежелатинизированных крахмалов, таких как кислотномодифицированные крахмалы, а также алкилированные крахмалы, например, этилированные крахмалы, которые не являются желатинизированными, и т.д. Комбинация крахмалов может быть предварительно смешана (например, в сухой смеси, необязательно, с другими компонентами, такими как строительный гипс и т.д., или во влажной смеси с другими влажными ингредиентами) перед введением в гипсовую суспензию, или их можно включать в гипсовую суспензию по одному, или в любых вариантах указанных способов. Можно включать любое подходящее отношение прежелатинизированного крахмала со средним диапазоном вязкости и другого крахмала. Например, содержание прежелатинизированного крахмала со средним диапазоном вязкости в процентах от общего количества крахмала, вводимого в гипсовую суспензию, может составлять, например, по меньшей мере примерно 10 % по массе, такое как по меньшей мере примерно 20 %, по меньшей мере примерно 30 %, по меньшей мере примерно 40 %, по меньшей мере примерно 50 %, по меньшей мере примерно 60 %, по меньшей мере примерно 70 %, по меньшей мере примерно 80 %, по меньшей мере примерно 90 %, по меньшей мере примерно 95 %, по меньшей мере примерно 99 %, по меньшей мере примерно 100 % или в любом диапазоне между указанными цифрами. В типичных вариантах реализации отношение прежелатинизированного крахмала со средним диапазоном вязкости к другому крахмалу может составлять примерно 25:75, примерно 30:70, примерно 35:65, примерно 50:50, примерно 65:35, примерно 70:30, примерно 75:25, и т.д.
[0034] В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение включает прежелатинизированный крахмал, обладающий растворимостью в холодной воде. Прежелатинизация, способ, делающий крахмал растворимым в холодной воде, в общем случае требует варки крахмала в избытке воды. В некоторых случаях нежелательно получать прежелатинизированные крахмалы указанным способом. Экструзия, комбинация нагревания и механического сдвига, представляет собой энергоэффективный способ, который можно применять для получения прежелатинизированного крахмала с низким содержанием влаги. Экструзией крахмалов можно получать экструдированные прежелатинизированные крахмалы, растворимые в холодной воде. Растворимость в холодной воде определяют как наличие любого количества растворимости в воде при комнатной температуре (примерно 25 °С). Было обнаружено, что крахмалы, обладающие растворимостью в холодной воде, могут обеспечивать значительные преимущества с точки зрения прочности гипсовых продуктов (например, стеновой плиты). Растворимые в холодной воде крахмалы согласно настоящему изобретению имеют растворимость в холодной воде более примерно 30 %, и при введении в сердечник из затвердевшего гипса могут увеличивать прочность гипсового сердечника. Растворимость прежелатинизированного крахмала в воде определяется как количество крахмала, который растворяется в воде комнатной температуры, деленное на общее количество крахмала, и может быть измерена согласно способу, описанному в примере 14.
[0035] В некоторых вариантах реализации растворимость в холодной воде прежелатинизированного крахмала составляет от примерно 30 % до примерно 75 %. В других вариантах реализации растворимость в холодной воде прежелатинизированного крахмала составляет от примерно 50 % до примерно 75 %. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, растворимость в холодной воде прежелатинизированного крахмала может быть такой, например, как указано в таблице 2C. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют растворимость в холодной воде экструдированного прежелатинизированного крахмала (Таблица 2C). Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 2C находится в диапазоне «от примерно 30 % до примерно 35 %». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
Таблица 2C
Начальная точка диапазона растворимости в холодной воде (%)
Конечная точка диапазона растворимости в холодной воде (%)
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
35
X
40
X
X
45
X
X
X
50
X
X
X
X
55
X
X
X
X
X
60
X
X
X
X
X
X
65
X
X
X
X
X
X
X
70
X
X
X
X
X
X
X
X
75
X
X
X
X
X
X
X
X
X
80
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
85
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
90
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
95
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
100
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
[0036] Не будучи связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что комбинация механической и термической энергии в ходе экструзии обуславливает растворимость крахмала в холодной воде. Полагают, что когда крахмал подвергается экструзии, разрушаются водородные связи между молекулами крахмала. При растворении экструдированного крахмала в воде крахмал образует водородные связи с молекулами воды. После протекания прежелатинизации молекулы экструдированного прежелатинизированного крахмала могут свободно образовывать водородные связи с кристаллами гипса, таким образом, придавая гипсовому продукту более высокую прочность. Следовательно, поскольку крахмалы, обладающие растворимостью в холодной воде, улучшают прочность гипсовой стеновой плиты, требуется меньше крахмала по сравнению с традиционными крахмалами.
[0037] Водорастворимые экструдированные прежелатинизированные крахмалы согласно настоящему изобретению могут иметь любую подходящую вязкость в холодной воде согласно способу испытания на вязкость в холодной воде (CWVA) (см. пример 16). В некоторых вариантах реализации растворимый в холодной воде крахмал имеет вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 300 сантипуаз. Прежелатинизированные крахмалы, имеющие вязкость в диапазоне согласно настоящему изобретению, требуют меньше воды, благодаря чему уменьшается воздействие на водопотребление в гипсовых растворах. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, вязкость прежелатинизированного крахмала может быть, например, такой, как указано в таблице 2D. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют вязкость прежелатинизированного крахмала (таблица 2D). Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 2D находится в диапазоне «от примерно 20 сантипуаз до примерно 40 сантипуаз». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
Таблица 2D
Начальная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
Конечная точка диапазона вязкости (сантипуаз)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
40
X
60
X
X
80
X
X
X
100
X
X
X
X
120
X
X
X
X
X
140
X
X
X
X
X
X
160
X
X
X
X
X
X
X
180
X
X
X
X
X
X
X
X
200
X
X
X
X
X
X
X
X
X
220
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
240
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
260
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
280
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
300
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
[0038] В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ получения экструдированного прежелатинизированного крахмала, обладающего растворимостью в холодной воде. Экструдированный прежелатинизированный крахмал получают путем смешивания по меньшей мере воды и крахмала с образованием влажного крахмала, экструзии влажного крахмала через экструдер и высушивания крахмала. Экструдер представляет собой машину, широко применяемую для плавления и переработки полимеров. Крахмал согласно настоящему изобретению подвергают прежелатинизации в экструдере, таком как двухшнековый экструдер Wenger TX 52. В целом, экструдер включает загрузочный бункер для подачи исходного материала, прекондиционер, включающий нагревательные рубашки для подготовки полимера под действием пластификатора (например, воды), агрегатную головку экструдера, включающую зоны нагревания, и узел мундштука. Узел мундштука в общем случае включает пластину, разделитель и головку мундштука. В настоящем изобретении крахмал и воду предварительно смешивают и подают в экструдер. В некоторых вариантах реализации в экструдер можно подавать дополнительную воду. Во время экструзии под действием комбинации нагревательных элементов и механического сдвига крахмал плавится и подвергается прежелатинизации. После экструзии прежелатинизированный крахмал высушивают до достаточного содержания влаги, а затем размалывают в порошок. Хотя мундштук экструдера может иметь любую достаточную температуру, температура мундштука в общем случае превышает температуру плавления кристаллов крахмала. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, температура экструдера может быть такой, например, как указано в таблице 2E. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют температуру экструдера (таблица 2E). Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 2E находится в диапазоне «от примерно 90 °С до примерно 100 °С». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
[0039] Содержание воды во влажном крахмале во время экструзии также является важным параметром для растворимости в холодной воде. Влажный крахмал может иметь любое содержание воды, но обычно имеет содержание воды менее примерно 25 %. В некоторых вариантах реализации влажный крахмал имеет содержание воды от примерно 12 % до примерно 25 %. Было обнаружено, что когда крахмал имеет более низкое содержание влаги, способ экструзии позволяет получить прежелатинизированный крахмал с большей растворимостью в холодной воде. Не будучи связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что присутствие меньшего количества воды приводит к большему трению во время экструзии. Повышенное трение может повышать разрушение внутренних водородных связей в крахмале. Прежелатинизированный крахмал, полученный путем экструзии из крахмала с содержанием воды менее примерно 25 %, может иметь растворимость в холодной воде более примерно 30 %. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, содержание влаги во влажном крахмале может быть, например, таким, как указано в таблице 2F. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют содержание влаги (%) во влажном крахмале, по массе от массы строительного гипса (таблица 2F). Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 2F находится в диапазоне «от примерно 12 % до примерно 13 %». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
Таблица 2F
Начальная точка диапазона содержания воды (%)
Конечная точка диапазона содержания воды (%)
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
13
X
14
X
X
15
X
X
X
16
X
X
X
X
17
X
X
X
X
X
18
X
X
X
X
X
X
19
X
X
X
X
X
X
X
20
X
X
X
X
X
X
X
X
21
X
X
X
X
X
X
X
X
X
22
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
23
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
24
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
25
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
[0040] В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ изготовления стеновой плиты, содержащей сердечник, содержащий прежелатинизированный крахмал, обладающий растворимостью в холодной воде. Воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, обладающий растворимостью в холодной воде более примерно 30 %, смешивают с образованием суспензии. Крахмал можно получать любым подходящим образом, такими, как описано в настоящей заявке. Крахмал, обладающий растворимостью в холодной воде, можно включать в суспензию строительного гипса в количествах, описанных в настоящей заявке. В некоторых вариантах реализации крахмал, растворимый в холодной воде, включают в суспензию строительного гипса в количестве от примерно 0,1 % до примерно 5 % от массы строительного гипса. Прежелатинизированный крахмал согласно настоящему изобретению можно вводить во влажной или сухой форме, но предпочтительно вводить в виде сухого порошка. Частицы крахмала, растворимого в холодной воде, могут быть любого размера. В некоторых вариантах реализации размер частиц составляет от примерно 100 микрон до примерно 400 микрон. Согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, размер частиц прежелатинизированного крахмала может быть, например, таким, как указано в таблице 2G. В таблице «X» представляет собой диапазон «от примерно [соответствующее значение в верхней строке] до примерно [соответствующее значение в левом столбце]». Указанные значения представляют размер частиц прежелатинизированного крахмала (таблица 2G). Для легкости представления, следует понимать, что каждое значение представляет собой «примерно» указанное значение. Например, первый «X» в таблице 2G находится в диапазоне «от примерно 100 микрон до примерно 125 микрон». Диапазоны, приведенные в таблице, включают начальную и конечную точки, и все значения между ними.
Таблица 2G
Начальная точка диапазона размера частиц (микрон)
Конечная точка диапазона размера частиц (микрон)
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
125
X
150
X
X
175
X
X
X
200
X
X
X
X
225
X
X
X
X
X
250
X
X
X
X
X
X
275
X
X
X
X
X
X
X
300
X
X
X
X
X
X
X
X
325
X
X
X
X
X
X
X
X
X
350
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
375
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
400
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
[0041] Порошок прежелатинизированного крахмала можно добавлять к сухим ингредиентам во время приготовления суспензии строительного гипса. Суспензию размещают между первым кроющим листом и вторым кроющим листом с получением влажной сборной конструкции, которая представляет собой полуфабрикат панели. Суспензия содержит воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал; крахмал обладает растворимостью в холодной воде более примерно 30 %. Панель нарезают, получая плиту. Плиту высушивают. После высушивания при желании осуществляют окончательную подгонку размеров (например, нарезку) и обработку. Согласно некоторым из вариантов реализации, перед включением в суспензию крахмал можно подвергать химической модификации (в любой последовательности по отношению к стадии прежелатинизации). Стеновая плита согласно настоящему изобретению содержит сердечник из затвердевшего гипса, имеющий прочность на сжатие, большую, чем у сердечника из затвердевшего гипса, изготовленного без крахмала.
3
[0042] Кроме крахмального компонента, в состав суспензии включают воду, строительный гипс, пенообразующий агент (иногда называемый просто «пена») и другие добавки, при необходимости. Строительный гипс может находиться в форме альфа-полугидрата сульфата кальция, бета-полугидрата сульфата кальция и/или безводного сульфата кальция. Строительный гипс может быть волокнистым или неволокнистым. Пенообразующий агент можно включать для создания распределения воздушных пор в непрерывной кристаллической матрице затвердевшего гипса. В некоторых вариантах реализации пенообразующий агент содержит большую часть по массе нестабильного компонента, и меньшую часть по массе стабильного компонента (например, комбинируют стабильный компонент и смесь стабильного/нестабильного). Массовое отношение стабильного компонента к нестабильному компоненту эффективно для создания распределения воздушных пор (пустот) в непрерывной кристаллической матрице затвердевшего гипса. См., например, патенты США №№ 5643510, 6342284 и 6632550. Было обнаружено, что подходящие распределение пор и толщина стенок (независимо) могут быть эффективными для улучшения прочности, особенно в плите с меньшей плотностью (например, ниже примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м)). См., например, US 2007/0048490 и US 2008/0090068. Поры, образованные испарившейся водой, обычно имеющие диаметр примерно 5 мкм или менее, также вносят вклад в общее распределение пор, вместе с вышеупомянутыми воздушными (пенными) порами. В некоторых вариантах реализации объемное отношение пор размером свыше 5 микрон к порам размером примерно 5 микрон или менее, составляет от примерно 0,5:1 до примерно 9:1, как, например, от примерно 0,7:1 до примерно 9:1, от примерно 0,8:1 до примерно 9:1, от примерно 1,4:1 до примерно 9:1, от примерно 1,8:1 до примерно 9:1, от примерно 2,3:1 до примерно 9:1, от примерно 0,7:1 до примерно 6:1, от примерно 1,4:1 до примерно 6:1, от примерно 1,8:1 до примерно 6:1, от примерно 0,7:1 до примерно 4:1, от примерно 1,4:1 до примерно 4:1, от примерно 1,8:1 до примерно 4:1, от примерно 0,5:1 до примерно 2,3:1, от примерно 0,7:1 до примерно 2,3:1, от примерно 0,8:1 до примерно 2,3:1, от примерно 1,4:1 до примерно 2,3:1, от примерно 1,8:1 до примерно 2,3:1, и т.д. В некоторых вариантах реализации пенообразующий агент присутствует в суспензии, например, в количестве менее примерно 0,5 % от массы строительного гипса, таком как от примерно 0,01 % до примерно 0,5 %, от примерно 0,01 % до примерно 0,4 %, от примерно 0,01 % до примерно 0,3 %, от примерно 0,01 % до примерно 0,2 %, от примерно 0,01 % до примерно 0,1 %, от примерно 0,02 % до примерно 0,4 %, от примерно 0,02 % до примерно 0,3 %, от примерно 0,02 % до примерно 0,2 %, и т.д.
[0043] Добавки, такие как ускоритель (например, ускоритель для влажного гипса, термостойкий ускоритель, стабилизированный к воздействиям климата ускоритель) и замедлитель, хорошо известны в данной области техники и могут быть добавлены. См., например, патенты США №№ 3573947 и 6409825. В некоторых вариантах реализации, включающих ускоритель и/или замедлитель, каждый из ускорителя и/или замедлителя может присутствовать в гипсовой суспензии в количестве на сухое вещество, например, от примерно 0 % до примерно 10 % от массы строительного гипса (например, от примерно 0,1 % до примерно 10 %), таком как, например, от примерно 0 % до примерно 5 % от массы строительного гипса (например, от примерно 0,1 % до примерно 5 %). При необходимости можно включать другие добавки, например, для придания прочности, чтобы обеспечить возможность получения более легкого продукта с достаточной прочностью, чтобы избежать остаточной деформации, чтобы повысить влажную прочность, например, когда продукт затвердевает на конвейере, движущемся далее по технологической цепочке, для повышения огнестойкости, для повышения водостойкости, и т.д.
[0044] Например, в некоторых вариантах реализации суспензия может, необязательно, включать по меньшей мере один диспергатор для улучшения текучести. Аналогично крахмалу и другим ингредиентам, диспергаторы можно включать в суспензию для сердечника в сухом виде вместе с другими сухими ингредиентами и/или в жидком виде вместе с другими жидкими ингредиентами. Примеры диспергаторов включают нафталинсульфонаты, такие как полинафталинсульфоновая кислота и соли (полинафталинсульфонаты) и производные указанной кислоты, которые представляют собой продукты конденсации нафталинсульфоновых кислот и формальдегида; а также поликарбоксилатные диспергаторы, такие как поликарбоксильные простые эфиры, например, диспергаторы типа PCE211, PCE111, 1641, 1641F или PCE 2641, например, диспергаторы MELFLUX 2641F, MELFLUX 2651F, MELFLUX 1641F, MELFLUX 2500L (BASF) и COATEX Ethacryl M, доступный от Coatex, Inc.; и/или лигносульфонаты или сульфонированный лигнин. Лигносульфонаты представляют собой водорастворимые анионные полиэлектролитные полимеры, побочные продукты производства целлюлозы способом сульфитной варки. Одним из примеров лигнина, подходящего для практической реализации принципов настоящего изобретения, является Marasperse C-21, доступный от Reed Lignin Inc.
[0045] В целом, предпочтительны диспергаторы с меньшей молекулярной массой. Особенно предпочтительны нафталинсульфонатные диспергаторы с меньшей молекулярной массой, поскольку они склонны к меньшему водопотреблению, чем диспергаторы с большей вязкостью с большей молекулярной массой. Таким образом, предпочтительны молекулярные массы от примерно 3000 до примерно 10000 (например, от примерно 8000 до примерно 10000). В качестве другой иллюстрации, для диспергаторов типа PCE211, в некоторых вариантах реализации, молекулярная масса может составлять от примерно 20000 до примерно 60000, что обеспечивает меньшее замедление, чем для диспергаторов с молекулярной массой свыше 60000.
[0046] Одним из примеров нафталинсульфоната является DILOFLO, доступный от GEO Specialty Chemicals. DILOFLO представляет собой 45 % раствор нафталинсульфоната в воде, хотя также доступны другие растворы, например, в диапазоне от примерно 35 % до примерно 55 % по массе сухого вещества. Нафталинсульфонаты можно применять в сухой твердой или порошкообразной форме, такой как, например, LOMAR D, доступный от GEO Specialty Chemicals. Другим примером нафталинсульфоната является DAXAD, доступный от Hampshire Chemical Corp.
[0047] В случае добавления, диспергатор может быть добавлен в любом подходящем (в расчете на твердое вещество, твердое вещество/твердое вещество) количестве, таком как, например, от примерно 0,1 % до примерно 5 % от массы строительного гипса, например, от примерно 0,1 % до примерно 4 %, от примерно 0,1 % до примерно 3 %, от примерно 0,2 % до примерно 3 %, от примерно 0,5 % до примерно 3 %, от примерно 0,5 % до примерно 2,5 %, от примерно 0,5 % до примерно 2 %, от примерно 0,5 % до примерно 1,5 %, и т.д.
[0048] Также при желании в суспензию можно включать, необязательно, одно или более фосфатсодержащих соединений. Например, фосфатсодержащие компоненты, применимые в некоторых вариантах реализации, включают водорастворимые компоненты и могут находиться в форме иона, соли или кислоты, а именно, конденсированных фосфорных кислот, каждая из которых содержит два или более звена фосфорной кислоты; солей или ионов конденсированных фосфатов, каждый из которых содержит одно или более звеньев фосфата; и одноосновных солей или одновалентных ионов ортофосфатов, а также водорастворимой соли ациклического полифосфата. См., например, патенты США №№ 6342284, 6632550, 6815049 и 6822033.
n+2
n
3n+1
4
2
7
3
2
3
10
5
3
10
4
2
7
3
3
2
2
2
7
4
n+2
n
3n+1
n+2
n
3n+1
[0049] Композиции фосфатов согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения могут улучшать влажную прочность, стойкость к остаточной деформации (например, прогибу), стабильность размеров, и т.д. Можно применять соединения триметафосфата, например, триметафосфат натрия, триметафосфат калия, триметафосфат лития и триметафосфат аммония. Предпочтительным является триметафосфат натрия (ТМФН), хотя другие фосфаты также могут быть подходящими, включая, например, тетраметафосфат натрия, гексаметафосфат натрия, содержащий от примерно 6 до примерно 27 повторяющихся звеньев фосфата и имеющий молекулярную формулу NaPO где n=6-27, пирофосфат тетракалия, имеющий молекулярную формулу KPO, триполифосфат тринатрия-дикалия, имеющий молекулярную формулу NaKPO, триполифосфат натрия, имеющий молекулярную формулу NaPO, пирофосфат тетранатрия, имеющий молекулярную формулу NaPO, триметафосфат алюминия, имеющий молекулярную формулу Al(PO), кислый пирофосфат натрия, имеющий молекулярную формулу NaHPO, полифосфат аммония, содержащий 1000-3000 повторяющихся звеньев фосфата и имеющий молекулярную формулу (NH)PO где n=1000-3000,или полифосфорную кислоту, содержащую два или более повторяющихся звена фосфорной кислоты и имеющую молекулярную формулу HPO где n равно двум или более.
[0050] Фосфат можно включать в сухой форме или в водной форме (например, раствор фосфата концентрацией от примерно 5 % до примерно 20 %, такой как примерно 10 % раствор). В случае добавления, фосфат может содержаться в любом подходящем количестве (из расчета на твердое вещество), таком как от примерно 0,01 % до примерно 0,5 % от массы строительного гипса, например, от примерно 0,03 % до примерно 0,4 %, от примерно 0,1 % до примерно 0,3 %, или от примерно 0,12 % до примерно 0,4 % от массы строительного гипса.
[0051] Также могут быть включены подходящие добавки для огнестойкого и/или водостойкого продукта, включая, например, силоксаны (водостойкость); волокна; теплопоглощающие добавки, такие как тригидрат алюминия (ATH), гидроксид магния и подобные добавки; и/или сильно расширяющиеся частицы (например, расширяющиеся примерно на 300 % или более от исходного объема при нагревании в течение примерно 1 часа при 1560 °F (849 °С)). См., например, находящуюся на одновременном рассмотрении, принадлежащую тому же автору, заявку на патент США № 13/400,010 (поданную 17 февраля 2012 г.) для описания этих и других ингредиентов. В некоторых вариантах реализации включен сильно расширяющийся вермикулит, хотя можно включать и другие огнестойкие материалы. Плита продукта с определенными характеристиками по отношению к огню, согласно настоящему изобретению, может иметь коэффициент теплоизоляции (TI) примерно 17 минут или более, например, примерно 20 минут или более, примерно 30 минут или более, примерно 45 минут или более, примерно 60 минут или более, и т.д.; и/или высокотемпературную усадку (при температурах примерно 1560 °F (849 °C)) менее примерно 10 % в направлении x-y, и расширение в направлении z более примерно 20 %. Огне- или водостойкие добавки можно включать в любом подходящем количестве, по желанию, в зависимости, например, от класса огнестойкости и т.д. Например, в случае добавления, огне- или водостойкие добавки могут присутствовать в количестве от примерно 0,5 % до примерно 10 % от массы строительного гипса, таком как от примерно 1 % до примерно 10 %, от примерно 1 % до примерно 8 %, от примерно 2 % до примерно 10 %, от примерно 2 % до примерно 8 % от массы строительного гипса, и т.д.
[0052] В случае добавления, силоксан предпочтительно вводят в форме эмульсии. Затем суспензию формуют и высушивают в условиях, способствующих полимеризации силоксана с образованием силиконовой смолы с высокой степенью поперечной сшивки. В гипсовую суспензию можно вводить катализатор, способствующий полимеризации силоксана с образованием силиконовой смолы с высокой степенью поперечной сшивки. В некоторых вариантах реализации в качестве силоксана можно применять не содержащую растворителей метилводородную силоксановую жидкость, продаваемую под торговым наименованием SILRES BS 94 от Wacker-Chemie GmbH (Munich, Germany). Указанный продукт представляет собой силоксановую жидкость, не содержащую воды или растворителей. Предполагают, что в некоторых вариантах реализации можно применять от примерно 0,3 % до примерно 1,0 % силоксана BS 94, от массы сухих ингредиентов. Например, в некоторых вариантах реализации, предпочтительно применять от примерно 0,4 % до примерно 0,8 % силоксана от массы сухого строительного гипса.
[0053] Состав суспензии может быть получен с любым подходящим отношением вода/строительный гипс, например, от примерно 0,4 до примерно 1,3. Тем не менее, поскольку прежелатинизированные крахмалы с характеристиками вязкости в среднем диапазоне, согласно настоящему изобретению, снижают количество воды, которую необходимо водить в суспензию, по сравнению с другими крахмалами, состав суспензии может быть получен с отношением вода/строительный гипс, которое, в некоторых вариантах реализации, ниже, чем обычно для других гипсовых суспензий, содержащих крахмал, особенно с низкой массой/плотностью. Например, в некоторых вариантах реализации, отношение вода/строительный гипс может составлять от примерно 0,4 до примерно 1,1, от примерно 0,4 до примерно 0,9, от примерно 0,4 до примерно 0,85, от примерно 0,45 до примерно 0,85, от примерно 0,55 до примерно 0,85, от примерно 0,55 до примерно 0,8, от примерно 0,6 до примерно 0,9, от примерно 0,6 до примерно 0,85, от примерно 0,6 до примерно 0,8 и т.д.
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0054] Кроющие листы могут быть изготовлены из любого подходящего материала и иметь любую подходящую плотность бумаги. Преимущественно, сердечник плиты изготавливают из суспензии, содержащей прежелатинизированный крахмал с характеристиками вязкости в среднем диапазоне, который обеспечивает плите достаточную прочность даже в случае применения кроющих листов с меньшей плотностью бумаги, такой как, например, менее примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (219,7 г/м) (например, от примерно 33 фунтов/1000 кв. футов (161 г/м) до примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (219,7 г/м)), в некоторых вариантах реализации, даже для плиты меньшей массы (например, плотностью от примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м) или ниже). Тем не менее, при желании, в некоторых вариантах реализации можно применять большую плотность бумаги, например, для дополнительного улучшения сопротивления выдергиванию гвоздя, или для улучшения обработки, например, для получения желаемых для конечного пользователя тактильных характеристик. В некоторых вариантах реализации для улучшения прочности (например, прочности при выдергивании гвоздя), особенно для плиты меньшей плотности, один или оба кроющих листа можно изготовить из бумаги, имеющей плотность, например, по меньшей мере примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м) (например, от примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м) до примерно 65 фунтов/1000 кв. футов (317 г/м), от примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м) до примерно 60 фунтов/1000 кв. футов (293 г/м), от примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м) до примерно 55 фунтов/1000 кв. футов (268 г/м), от примерно 50 фунтов/1000 кв. футов (224 г/м) до примерно 65 фунтов/1000 кв. футов (317 г/м), от примерно 50 фунтов/1000 кв. футов (224 г/м) до примерно 60 фунтов/1000 кв. футов (293 г/м), и т.д.). При желании, в некоторых вариантах реализации, один кроющий лист (например, «лицевая» бумажная сторона установленной плиты) может иметь вышеуказанную плотность, в то время как другой кроющий лист (например, «задний» лист установленной плиты) может, при желании, иметь некую меньшую плотность (например, плотность менее 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м), например, от примерно 33 фунтов/1000 кв. футов (161 г/м) до 45 фунтов/1000 кв. футов (220 г/м), например, от примерно 33 фунтов/1000 кв. футов (161 г/м) до примерно 40 фунтов/1000 кв. футов (195 г/м)).
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
[0055] Масса плиты зависит от толщины. Поскольку плиты обычно делают разной толщины, в качестве меры массы плиты используют плотность плиты. Преимущества крахмала со средним диапазоном вязкости согласно настоящему изобретению можно видеть в широком диапазоне плотностей плит, например, примерно 40 фунтов/куб.фут (641 кг/м) или менее, такой как от примерно 20 фунтов/куб.фут (320 кг/м) до примерно 40 фунтов/куб.фут (641 кг/м), от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 37 фунтов/куб.фут (593 кг/м), и т.д. Тем не менее, предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения особенно полезны при меньших плотностях, когда улучшенная прочность, обеспечиваемая крахмалами со средним диапазоном вязкости согласно настоящему изобретению выгодно обеспечивает возможность применения плиты меньшей массы с хорошей прочностью и меньшим водопотреблением, по сравнению с плитами, содержащими другие крахмалы. Например, в некоторых вариантах реализации, плотность плиты может составлять от примерно 20 фунтов/куб.фут (320 кг/м) до примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м), например, от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м), от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 34 фунтов/куб.фут (545 кг/м), от примерно 27 фунтов/куб.фут (432 кг/м) до примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м), от примерно 27 фунтов/куб.фут (432 кг/м) до примерно 34 фунтов/куб.фут (545 кг/м), от примерно 30 фунтов/куб.фут (481 кг/м) до примерно 34 фунтов/куб.фут (545 кг/м), от примерно 27 фунтов/куб.фут (432 кг/м) до примерно 30 фунтов/куб.фут (481 кг/м), и т.д.
[0056] Крахмалы согласно настоящему изобретению обеспечивают улучшение прочности продукта согласно настоящему изобретению, что может быть особенно выгодно при низкой массе/плотности. Например, в некоторых вариантах реализации, сердечник плиты или другое изделие, отлитое из суспензии, согласно испытанию 2-дюймового кубика (без пены), описанному в настоящей заявке, предпочтительно обладает прочностью на сжатие по меньшей мере примерно 1650 psi (11,38 МПа), например, по меньшей мере примерно 1700 psi (11,72 МПа), по меньшей мере примерно 1750 psi (12,07 МПа), по меньшей мере примерно 1800 psi (12,41 МПа), по меньшей мере примерно 1850 psi (12,76 МПа), по меньшей мере примерно 1900 psi (13,1 МПа), по меньшей мере примерно 1950 psi (13,44 МПа), по меньшей мере примерно 2000 psi (13,79 МПа), по меньшей мере примерно 2050 psi (14,13 МПа), по меньшей мере примерно 2100 psi (14,48 МПа), по меньшей мере примерно 2150 psi (14,82 МПа), по меньшей мере примерно 2200 psi (15,17 МПа), по меньшей мере примерно 2250 psi (15,51 МПа), по меньшей мере примерно 2300 psi (15,86 МПа), по меньшей мере примерно 2350 psi (16,2 МПа), и т.д.
3
[0057] В некоторых вариантах реализации плита согласно настоящему изобретению соответствует протоколу испытания согласно стандарту ASTM C473-10 (например, способ B). Например, в некоторых вариантах реализации, если отливают плиту толщиной ½ дюйма (1,27 см), плита имеет сопротивление выдергиванию гвоздя по меньшей мере примерно 65 фунтов (29,5 кг), согласно ASTM C473 (например, по меньшей мере примерно 68 фунтов (30,8 кг), по меньшей мере примерно 70 фунтов (31,8 кг), по меньшей мере примерно 72 фунтов (32,7 кг), по меньшей мере примерно 75 фунтов (34 кг), по меньшей мере примерно 77 фунтов (35 кг), и т.д.. Прочность на изгиб, в некоторых вариантах реализации, если отливают плиту толщиной ½ дюйма (1,27 см), составляет по меньшей мере примерно 36 фунтов (16,3 кг) в направлении обработки (например, по меньшей мере примерно 38 фунтов (17,2 кг), по меньшей мере примерно 40 фунтов (18,1 кг), и т.д.) и/или по меньшей мере примерно 107 фунтов (48,5 кг) (например, по меньшей мере примерно 110 фунтов (49,9 кг), по меньшей мере примерно 112 фунтов (50,8 кг), и т.д.) в поперечном направлении, согласно стандарту ASTM C473. Кроме того, в некоторых вариантах реализации плита может иметь среднюю твердость сердечника по меньшей мере примерно 11 фунтов (5 кг) согласно ASTM C473. По меньшей мере частично, благодаря характеристикам вязкости в среднем диапазоне, согласно вариантам реализации настоящего изобретения, указанным стандартам может удовлетворять даже плита меньшей плотности (например, примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м) или менее), согласно настоящему описанию.
[0058] Продукт согласно вариантам реализации настоящего изобретения можно изготавливать на обычных производственных линиях. Например, методики изготовления плит описаны в патенте США № 7364676 и публикации заявки на патент США № 2010/0247937. Вкратце, в случае гипсовой плиты, способ обычно включает размещение кроющего листа на движущийся конвейер. Поскольку гипсовую плиту обычно формуют «лицом вниз», этот кроющий лист представляют собой «лицевой» кроющий лист, в некоторых вариантах реализации.
[0059] Сухие и/или влажные компоненты гипсовой суспензии подают в смеситель (например, стержневой смеситель), где их перемешивают с получением гипсовой суспензии. Смеситель включает главный корпус и выпускной канал (например, исполнение затвор-контейнер-чехол, известное в данной области техники, или исполнение, описанное в патентах США №№ 6494609 и 6874930). В некоторых вариантах реализации выпускной канал может включать распределитель суспензии, имеющий один питающий ввод или множество питающих вводов, такой, например, как описано в публикации заявки на патент США № 2012/0168527 A1 (номер заявки 13/341016) и публикации заявки на патент США № 2012/0170403 A1 (номер заявки 13/341209). В этих вариантах реализации при помощи распределителя суспензии с множеством питающих вводов, выпускной канал может включать подходящий разделитель потока, такой, как описано в публикации заявки на патент США № 2012/0170403 A1. Вспенивающий агент можно вводить в выпускной канал смесителя (например, в затвор, как описано, например, в патентах США № 5683635 и 6494609) или в главный корпус, при необходимости. Суспензия, выгружаемая из выпускного канала после добавления всех ингредиентов, включая пенообразующий агент, представляют собой первичную гипсовую суспензию и будет образовывать сердечник плиты. Указанную суспензию для сердечника плиты выгружают на движущийся лицевой кроющий лист.
[0060] Лицевой кроющий лист может иметь тонкий накрывочный слой в форме относительно плотного слоя суспензии. Также можно сформировать известные в данной области техники твердые края, например, из того же потока суспензии, который образует лицевой накрывочный слой. В вариантах реализации, в которых пену вводят в выпускной канал, поток вторичного гипсовой суспензии можно извлекать из корпуса смесителя, для получения суспензии для плотного накрывочного слоя, который можно затем применять для формирования лицевого накрывочного слоя и твердых краев, как известно в данной области техники. При наличии, обычно лицевой накрывочный слой и твердые края наносят на движущийся лицевой кроющий лист перед нанесением суспензии для сердечника, обычно выше по технологической цепочке по отношению к смесителю. После выгрузки из выпускного канала суспензию для сердечника распределяют, при необходимости, по лицевому кроющему листу (необязательно, имеющему накрывочный слой) и накрывают вторым кроющим листом (обычно «задним» кроющим листом) с получением влажной сборной конструкции в виде многослойной конструкции, которая представляет собой полуфабрикат готового продукта. Второй кроющий лист может, необязательно, иметь второй накрывочный слой, который может быть изготовлен из такого же или другой (плотной) гипсовой суспензии, что и лицевой накрывочный слой, если присутствует. Кроющие листы могут быть изготовлены из бумаги, волокнистого мата или другого типа материала (например, фольги, пластика, стекломата, нетканого материала, такого как смесь целлюлозного и неорганического наполнителя, и т.д.).
[0061] Полученную таким образом влажную сборную конструкцию передают в секцию формования, где продукту придают желаемую толщину (например, при помощи формовочной плиты), и в одну или более ножевых секций, где продукт нарезают на желаемую длину. Влажную сборную конструкцию оставляют затвердеть для формирования взаимосвязанной кристаллической матрицы затвердевшего гипса, и удаляют избыток воды способом высушивания (например, перемещая конструкцию через сушильную печь). Также обычно при производстве гипсовой плиты применяют вибрацию, с целью устранения крупных пор или воздушных карманов в нанесенной суспензии. Каждая из указанных выше стадий, а также способы и оборудование для осуществления указанных стадий, хорошо известны в данной области техники.
[0062] Крахмал, характеризующийся средним диапазоном вязкости, согласно настоящему изобретению, можно применять для создания различных продуктов, таких как, например, гипсовая стеновая плита, акустическая (например, потолочная) плитка, соединительный состав , продукты из гипса и целлюлозного волокна, такие как древесноволокнистая гипсовая плита, и подобных продуктов. В некоторых вариантах реализации такой продукт можно изготовить из суспензии согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
[0063] Как таковой, прежелатинизированный крахмал, характеризующийся средним диапазоном вязкости, может оказывать благоприятное воздействие, как описано в настоящей заявке, на другие продукты, кроме облицованной бумагой гипсовой плиты согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Например, прежелатинизированный крахмал, характеризующийся средним диапазоном вязкости, можно применять в продуктах, облицованных матами (например, ткаными), в которых кроющие листы имеют форму волокнистых матов. Маты, необязательно, имеют отделку для уменьшения водопроницаемости. Другие ингредиенты, которые можно включать при изготовлении такого облицованного матами продукта, а также материалы для волокнистых матов и способы производства обсуждают, например, в патенте США № 8070895, а также в публикации заявки на патент США № 2009/0247937.
[0064] Кроме того, гипсоцеллюлозный продукт может, при желании, находиться в виде целлюлозных частиц носителя (например, древесных волокон), гипса, прежелатинизированного крахмала средней вязкости и других ингредиентов (например, водостойких добавок, таких как силоксаны). Другие ингредиенты и способы производства обсуждаются, например, в патентах США №№ 4328178, 4239716, 4392896, 4645548, 5320677, 5817262 и 7413603.
[0065] Прежелатинизированные крахмалы также можно включать в соединительные составы , включая как сухие варианты реализации, так и готовые к применению смеси. Выгода настоящего изобретения не ограничена вариантами реализации, включающими обожженный гипс, поскольку прежелатинизированный крахмал средней вязкости согласно некоторым вариантам реализации может обладать хорошим сцеплением и может улучшать прочность в сочетании с другими компонентами, например, несхватывающимися компонентами, такими как карбонат кальция и подобные компоненты. Для ингибирования преждевременного схватывания в некоторых готовых к применению вариантах реализации также желательно включать в некоторые варианты реализации замедлитель схватывания, как будет понятно среднему специалисту в данной области техники. Например, в патентах США №№ 4661161, 5746822 и публикации заявки на патент США № 2011/0100844 описаны замедлители схватывания (например, фосфат, такой как пирофосфат тетранатрия (ПФТН), полиакриловая кислота и/или соли указанной кислоты, или подобные соединения), и другие ингредиенты (например, латексное эмульсионное вяжущее, загуститель, фосфат, согласно настоящему описанию, и подобные ингредиенты, или комбинации ингредиентов, и т.д.), которые могут быть полезны согласно настоящему изобретению. Другие ингредиенты и способы изготовления и применения соединительных составов обсуждаются, например, в патентах США №№ 6406537 и 6805741, а также в публикации заявки на патент США 2008/0305252.
[0066] Прежелатинизированные крахмалы можно применять с различными типами акустических панелей (например, потолочной плиткой). Крахмал можно смешивать с обожженным гипсом, водой и другими ингредиентами, по желанию, в некоторых вариантах реализации. Тем не менее, прежелатинизированный крахмал средней вязкости согласно некоторым вариантам реализации не ограничен применением только с обожженным гипсом. Прежелатинизированный крахмал средней вязкости согласно некоторым вариантам реализации может обеспечивать хорошее сцепление между крахмалом и несхватывающимися компонентами, такими как волокна (например, минеральная вата и подобные волокна). В некоторых вариантах реализации панель имеет коэффициент шумопонижения по меньшей мере примерно 0,5 (например, по меньшей мере примерно 0,7 или по меньшей мере примерно 1) согласно ASTM C423-02. См., например, патенты 1769519, 6443258, 7364015, 7851057 и 7862687 для обсуждения ингредиентов и способов для изготовления акустической плитки.
[0067] Некоторые варианты реализации настоящего изобретения могут по существу не содержать экструдированного прежелатинизированного крахмала или прежелатинизированного крахмала со средним диапазоном вязкости. В настоящем описании «по существу не содержать» может означать или (i) 0 % масс. от массы композиции, или (ii) неэффективное, или (iii) несущественное количество указанного крахмала. Примером неэффективного количества является количество менее порогового количества для достижения заданной цели применения указанного крахмала, как будет понятно среднему специалисту в данной области техники. Несущественное количество может составлять, например, менее примерно 5 % масс., такое как менее примерно 2 % масс., менее примерно 1 % масс., менее примерно 0,5 % масс., менее примерно 0,2 % масс., менее примерно 0,1 % масс. или менее примерно 0,01 % масс., как будет понятно среднему специалисту в данной области техники. Тем не менее, в альтернативных вариантах реализации, если желательно, такие ингредиенты могут быть включены в суспензию, способ или продукт.
[0068] Таким образом, в одном из вариантов реализации, плита содержит сердечник из затвердевшего гипса, расположенную между двумя кроющими листами, причем указанный сердечник образован из суспензии, содержащей строительный гипс, воду и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал характеризуется вязкостью от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости крахмала в условиях согласно способу VMA (см. пример 1). Наличие характеристики не означает, что указанный крахмал вводят в условиях согласно испытанию VMA, но напротив, что крахмал в условиях испытания VMA удовлетворяет указанным характеристикам.
[0069] В другом варианте реализации характеристика вязкости крахмала составляет от примерно 25 сантипуаз до примерно 500 сантипуаз в условиях согласно способу VMA.
[0070] В другом варианте реализации характеристика вязкости крахмала составляет от примерно 30 сантипуаз до примерно 300 сантипуаз в условиях согласно способу VMA.
[0071] В другом варианте реализации характеристика вязкости крахмала составляет от примерно 30 сантипуаз до примерно 200 сантипуаз в условиях согласно способу VMA.
[0072] В другом варианте реализации крахмал эффективен для увеличения прочности сердечника из затвердевшего гипса, по сравнению с прочностью сердечника из затвердевшего гипса без крахмала.
[0073] В другом варианте реализации для крахмала требуется меньшее увеличение количества избыточной воды, которую нужно вводить в суспензию для поддержания текучести суспензии на том же уровне, который был бы без введения крахмала, чем увеличение количества избыточной воды, необходимое для крахмала с вязкостью свыше 700 сантипуаз (например, 773 сантипуаза) согласно способу VMA.
[0074] В другом варианте реализации количество крахмала составляет от примерно 0,1 % до примерно 10 % от массы строительного гипса.
[0075] В другом варианте реализации количество крахмала составляет от примерно 0,3 % до примерно 4 % от массы строительного гипса.
[0076] В другом варианте реализации количество крахмала составляет от примерно 0,5 % до примерно 3 % от массы строительного гипса.
[0077] В другом варианте реализации крахмал представляет собой кислотномодифицированный крахмал.
[0078] В другом варианте реализации кислотномодифицированный крахмал модифицирован при помощи серной кислоты.
[0079] В другом варианте реализации сердечник плиты характеризуется прочностью на сжатие по меньшей мере примерно 1900 psi (13,1 МПа) (например, по меньшей мере примерно 1950 psi (13,45 МПа), по меньшей мере примерно 2000 psi (13,79 МПа), по меньшей мере примерно 2050 psi (14,13 МПа), по меньшей мере примерно 2100 psi (14,48 МПа), по меньшей мере примерно 2150 psi (14,82 МПа), по меньшей мере примерно 2200 psi (15,17 МПа), и т.д.), причем суспензию отливают согласно испытанию 2-дюймовых кубиков (без какой-либо пены).
[0080] В другом варианте реализации суспензия имеет отношение вода/строительный гипс от примерно 0,4 до примерно 1,3.
[0081] В другом варианте реализации отношение вода/строительный гипс составляет от примерно 0,45 до примерно 0,85.
[0082] В другом варианте реализации отношение вода/строительный гипс составляет от примерно 0,55 до примерно 0,8.
3
3
[0083] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 40 фунтов/куб.фут (641 кг/м).
3
3
[0084] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 37 фунтов/куб.фут (593 кг/м).
3
3
[0085] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м).
3
3
[0086] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 27 фунтов/куб.фут (432 кг/м) до примерно 34 фунтов/куб.фут (545 кг/м).
3
3
[0087] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 30 фунтов/куб.фут (481 кг/м) до примерно 34 фунтов/куб.фут (545 кг/м).
[0088] В другом варианте реализации суспензия содержит второй тип крахмала, который (a) не желатинизирован, (b) представляет собой прежелатинизированный крахмал, характеризующийся вязкостью ниже 20 сантипуаз согласно способу VMA, или (c) представляет собой прежелатинизированный крахмал, имеющий вязкость свыше 700 сантипуаз согласно способу VMA.
[0089] В другом варианте реализации плита содержит второй тип крахмала, который содержит алкилированный крахмал.
[0090] В другом варианте реализации содержит второй тип крахмала, который содержит этилированный крахмал.
[0091] В другом варианте реализации суспензия дополнительно содержит по меньшей мере один пенообразующий агент, содержащий большую массовую долю нестабильного компонента и меньшую массовую долю стабильного компонента, причем количество пенообразующего агента и массовое отношение нестабильного компонента к стабильному компоненту эффективны для создания распределения пор в сердечнике из затвердевшего гипса.
[0092] В другом варианте реализации пенообразующий агент находится в количестве примерно 0,1 % или менее от массы строительного гипса.
[0093] В другом варианте реализации суспензия дополнительно содержит по меньшей мере один диспергатор.
[0094] В другом варианте реализации диспергатор представляет собой нафталинсульфонат.
[0095] В другом варианте реализации диспергатор находится в количестве от примерно 0,1 % до примерно 3 % от массы строительного гипса.
[0096] В другом варианте реализации нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве от примерно 0,1 % до примерно 3 % от массы строительного гипса.
[0097] В другом варианте реализации суспензия дополнительно содержит полифосфат.
[0098] В другом варианте реализации фосфат представляет собой триметафосфат натрия.
[0099] В другом варианте реализации фосфат присутствует в количестве от примерно 0,5 % до примерно 5 % от массы строительного гипса.
[00100] В другом варианте реализации триметафосфат натрия присутствует в количестве от примерно 0,12 % до примерно 0,4 % от массы строительного гипса.
[00101] В другом варианте реализации фосфат является водорастворимым и присутствует в количестве от примерно 0,12 % до примерно 0,4 % от массы строительного гипса.
2
[00102] В другом варианте реализации по меньшей мере один кроющий лист имеет плотность по меньшей мере примерно 45 фунтов/1000 кв. футов (219,7 г/м).
[00103] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал представляет собой муку, содержащую крахмал.
[00104] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал представляет собой муку, содержащую крахмал (например, кукурузную муку), такую как мука, содержащая по меньшей мере примерно 75 % крахмала от массы муки.
[00105] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал является частично прежелатинизированным.
[00106] В другом варианте реализации, если плиту отливают толщиной примерно ½ дюйма (1,27 сантиметров), плита имеет сопротивление выдергиванию гвоздя по меньшей мере примерно 65 фунтов (29,5 кг), при измерении согласно стандарту ASTM C473-10.
[00107] В другом варианте реализации, если плиту отливают толщиной примерно ½ дюйма (1,27 сантиметров), плита имеет сопротивление выдергиванию гвоздя по меньшей мере примерно 65 фунтов (29,5 кг) и твердость сердечника по меньшей мере примерно 11 фунтов (5 кг), при измерении согласно стандарту ASTM C473-10.
[00108] В другом варианте реализации, если плиту отливают толщиной примерно ½ дюйма (1,27 сантиметров), плита имеет сопротивление выдергиванию гвоздя по меньшей мере примерно 72 фунта (32,7 кг), при измерении согласно стандарту ASTM C473-10.
[00109] В другом варианте реализации, если плиту отливают толщиной примерно ½ дюйма (1,27 сантиметров), плита имеет сопротивление выдергиванию гвоздя по меньшей мере примерно 77 фунтов (34,9 кг), при измерении согласно стандарту ASTM C473-10.
[00110] В другом варианте реализации плита имеет твердость сердечника по меньшей мере примерно 11 фунтов (5 кг), при измерении согласно стандарту ASTM C473-10.
[00111] В другом варианте реализации суспензия содержит воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал характеризуется вязкостью от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости крахмала в условиях согласно способу VMA.
[00112] В другом варианте реализации продукт изготавливают из суспензии.
[00113] В другом варианте реализации продукт выбран из группы, состоящей гипсовой стеновой плиты, акустической (например, потолочной) плитки, шовного герметика, продуктов из гипса и целлюлозного волокна, таких как древесноволокнистая гипсовая плита, и подобных продуктов.
[00114] В другом варианте реализации соединительный составсодержит карбонат кальция и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал имеет вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости согласно способу VMA.
[00115] В некоторых вариантах реализации соединительный составдополнительно содержит обожженный гипс, воду и/или замедлитель схватывания.
[00116] В другом варианте реализации акустическая панель содержит акустический компонент, содержащий волокно, и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал, причем указанный крахмал характеризуется вязкостью от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости согласно способу VMA, причем панель имеет коэффициент шумопонижения по меньшей мере примерно 0,5 согласно ASTM C423-02.
[00117] В некоторых вариантах реализации волокна содержат минеральную вату.
[00118] В другом варианте реализации способ изготовления плиты включает (a) смешивание по меньшей мере воды, строительного гипса и по меньшей мере одного прежелатинизированного крахмала с образованием суспензии, причем указанный крахмал характеризуется вязкостью от примерно 20 сантипуаз до примерно 700 сантипуаз, при измерении вязкости крахмала в условиях согласно способу VMA; (b) размещение суспензии между первым кроющим листом и вторым кроющим листом для формирования влажной сборной конструкции; (c) нарезку влажной сборной конструкции с образованием плиты; и (d) высушивание плиты.
[00119] В некоторых вариантах реализации способ включает добавление некоторого количества воды для поддержания текучести суспензии на том же самом уровне, который был бы без крахмала, причем количество добавленной воды меньше, чем количество воды, необходимое при использовании прежелатинизированного крахмала с вязкостью более 700 сантипуаз, в остальных отношения в идентичной суспензии.
[00120] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал является частично желатинизированным при введении в суспензию, и дополнительная желатинизация происходит во время стадии высушивания.
[00121] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал становится полностью желатинизированным на стадии высушивания.
[00122] В другом варианте реализации прежелатинизированный крахмал является полностью желатинизированным при введении в суспензию или в создаваемый продукт.
[00123] В другом варианте реализации способ изготовления плиты дополнительно включает желатинизацию крахмала при температуре равной или большей температуры желатинизации крахмала (по меньшей мере примерно 90 °С, такой как примерно 95 °С) в течение по меньшей мере 10 минут перед введением в суспензию или в создаваемый продукт.
[00124] В другом варианте реализации крахмал варят под давлением(например, путем перегревания при температурах выше примерно 100 °С) для осуществления желатинизации крахмала перед включением в гипсовую суспензию или в создаваемый продукт.
[00125] В другом варианте реализации количество добавленной воды, которое необходимо высушить, меньше, чем количество воды, которую необходимо высушить, при использовании прежелатинизированного крахмала вязкостью свыше 700 сантипуаз, в одинаковой в прочих отношениях суспензии или другой среде для создания продукта.
[00126] В некоторых вариантах реализации плита содержит сердечник из затвердевшего гипса, расположенный между двумя кроющими листами, причем указанный сердечник изготовлен из суспензии, содержащей строительный гипс, воду и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал; причем указанный крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %; причем указанный сердечник из затвердевшего гипса имеет прочность на сжатие выше, чем сердечник из затвердевшего гипса, изготовленная с использованием крахмала, имеющего растворимость в холодной воде менее примерно 30 %.
[00127] В другом варианте реализации сердечник имеет прочность на сжатие выше, чем сердечник, изготовленный без крахмала.
[00128] В другом варианте реализации крахмал имеет растворимость в холодной воде от примерно 30 % до примерно 75 %.
[00129] В другом варианте реализации крахмал имеет растворимость в холодной воде от примерно 50 % до примерно 75 %.
[00130] В другом варианте реализации крахмал имеет вязкость от примерно 20 сантипуаз до примерно 300 сантипуаз.
[00131] В другом варианте реализации крахмал имеет размер частиц от примерно 100 микрон до примерно 400 микрон.
[00132] В другом варианте реализации крахмал присутствует в количестве от примерно 0,1 % до примерно 5 % от массы строительного гипса.
[00133] В другом варианте реализации крахмал присутствует в количестве от примерно 0,1 % до примерно 3 % от массы строительного гипса.
[00134] В другом варианте реализации суспензия дополнительно содержит триметафосфат натрия.
[00135] В другом варианте реализации суспензия дополнительно содержит нафталинсульфонатный диспергатор.
3
3
[00136] В другом варианте реализации плита имеет плотность от примерно 24 фунтов/куб.фут (384 кг/м) до примерно 35 фунтов/куб.фут (561 кг/м).
[00137] В некоторых вариантах реализации способ изготовления плиты включает (a) смешивание по меньшей мере воды, строительного гипса и по меньшей мере одного прежелатинизированного крахмала с образованием суспензии, (b) размещение суспензии между первым кроющим листом и вторым кроющим листом с формированием влажной сборной конструкции; (c) нарезку влажной сборной конструкции с образованием плиты; и (d) высушивание плиты; причем крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %; сердечник из затвердевшего гипса имеет прочность на сжатие выше, чем сердечник из затвердевшего гипса, изготовленный с использованием крахмала, имеющего растворимость в холодной воде менее примерно 30 %.
[00138] В некоторых вариантах реализации способ получения прежелатинизированного крахмала включает (a) смешивание по меньшей мере воды и непрежелатинизированного крахмала, с образованием влажного крахмала, (b) размещение влажного крахмала в экструдер с температурой мундштука примерно 90 °С или выше, и (c) высушивание крахмала; причем прежелатинизированный крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %.
[00139] В другом варианте реализации мундштук экструдера имеет температуру примерно 150 °С или выше.
[00140] В другом варианте реализации влажный крахмал имеет содержание воды менее примерно 25 % от массы крахмала.
[00141] В некоторых вариантах реализации суспензия содержит воду, строительный гипс и по меньшей мере один прежелатинизированный крахмал; причем крахмал имеет растворимость в холодной воде более примерно 30 %.
[00142] В другом варианте реализации суспензия имеет осадку более примерно 6 дюймов (15,24 см).
[00143] Следует отметить, что выше приведены только примеры вариантов реализации. Другие примеры вариантов реализации очевидны из полного описания настоящего изобретения. Также среднему специалисту в данной области техники понятно, что каждый из указанных вариантов реализации можно применять в различных комбинациях с другими представленными вариантами реализации.
[00144] Следующие примеры дополнительно иллюстрируют настоящее изобретение, но, несомненно, никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.
ПРИМЕР 1 – СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ
[00145] В этом примере описан способ измерения вязкости, называемый «способ VMA». При указании на вязкость, она была измерена способом VMA, если не указано иное. Вязкость измеряли при помощи реометра Discovery HR-2 Hybrid Rheometer (TA Instruments Ltd) с концентрическим цилиндром, стандартной чашкой (диаметром 30 мм) и геометрическими размерами лопасти (диаметр 28 мм и длина 42,05 мм).
[00146] После получения крахмала использовали метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для определения, полностью ли желатинизирован крахмал. Следует отметить, что даже если производитель маркировал крахмал как «полностью желатинизированный», необходимо использовать стадию ДСК анализа, чтобы убедиться, что крахмал полностью желатинизирован, например, чтобы подтвердить, что не наблюдалось ретроградации. Проводили одну из двух принятых методик, в зависимости от температуры, необходимой для полной желатинизации крахмала, что также можно определить при помощи ДСК, как будет понятно специалисту в данной области техники.
[00147] Методику 1 применяли, когда ДСК показывала, что крахмал полностью желатинизирован или имеет температуру желатинизации не более 90 °С. Методику 2 применяли, когда температура желатинизации превышала 90 °С. Поскольку вязкость измеряли при нахождении крахмала в воде, в методике 2 применяли варку под давлением в герметичном сосуде, чтобы обеспечить возможность перегрева до температур выше 100 °С, не вызывая заметного испарения воды. Методику 1 предназначали для крахмалов, уже полностью желатинизированных или для крахмалов, имеющих температуру желатинизации до 90 °С, поскольку, как обсуждается ниже, желатинизация происходит в реометре, который представляет собой открытую систему и не может создавать условия для желатинизации под давлением. Таким образом, методику 2 применяли для крахмалов с более высокими температурами желатинизации. В любом случае, для измерения вязкости крахмал (7,5 г, сухая масса) помещали в воду до общей массы 50 г.
-1
-1
-1
-1
-1
[00148] В методике 1 крахмал диспергировали в воде (15 % крахмала от общей массы крахмала и воды) и сразу же переносили образец в ячейку цилиндра. Ячейку закрывали алюминиевой фольгой. Образец нагревали от 25 °С до 90 °С со скоростью 5 °С/мин при скорости сдвига 200 с. Образец нагревали при 90 °С в течение 10 мин при скорости сдвига 200 с. Образец охлаждали от 90 °С до 80 °С со скоростью 5 °С/мин при скорости сдвига 200 с. Образец выдерживали при 80 °С в течение 10 минут при скорости сдвига 0 с. Измеряли вязкость образца при 80 °С и скорости сдвига 100 с в течение 2 мин. Вязкость определяли как среднее значение измерения с 30 секунд до 60 секунд.
-1
[00149] Методику 2 применяли для крахмалов с температурой желатинизации выше 90 °С. Крахмал желатинизировали согласно способам, хорошо известным в промышленности крахмала (например, варка под давлением). Раствор желатинизированного крахмала в воде (15 % от общей массы) немедленно переносили в измерительную чашку реометра и уравновешивали при 80 °С в течение 10 минут. Измеряли вязкость образца при 80 °С и скорости сдвига 100 с в течение 2 мин. Вязкость определяли как среднее значение измерения с 30 секунд до 60 секунд.
ПРИМЕР 2 – ВЯЗКОСТЬ КРАХМАЛА В РАЗЛИЧНЫХ СОСТОЯНИЯХ
[00150] Данный пример иллюстрирует вязкость крахмала (в 15 % водном растворе) в различных состояниях. Примером испытываемого крахмала был гидроксиэтил-кукурузный крахмал (Clineo 706, доступный от ADM). Как показано на ФИГ. 1, по оси X отложено время, а по оси Y наложены крутящий момент и температура. На графике показано, как изменяется вязкость крахмала по мере того, как крахмал варят и в конце концов желатинизируют. Крутящий момент измеряет силу, поворачивающую ротор, и следовательно является мерой вязкости. Крутящий момент указан в единицах Брабендера.
3
[00151] Специалисту в данной области техники будут понятны единицы Брабендера. Например, вкратце, можно применять вискограф C.W. Brabender Viscograph, например, Viscograph-E, в котором применяют реактивный крутящий момент для динамического измерения. Viscograph-E коммерчески доступен от C.W. Brabender Instruments, Inc., Hackensack, NJ. Следует отметить, что, по определению, единицы Брабендера измеряют с использованием чашки для образцов объемом 16 жидк.унций (≈ 500 см), ), с картриджем 700 cmg при 75 об./мин. Специалисту в данной области техники также известно, что единицы Брабендера можно конвертировать в другие единицы вязкости, такие как сантипуаз (например, спз = BU X 2,1, если измерительный картридж 700 cmg) или единицы Кребса, согласно настоящему описанию.
[00152] Кривые крутящего момента (вязкости) и температуры, соответственно, отмечены на ФИГ. 1. Для температуры наложены заданная и фактическая температуры, но заметная разница между ним отсутствует.
[00153] Как можно видеть из вискограммы на ФИГ. 1, гранула, т.е. физическая структура исходного крахмала, идентифицируется как «холодная» при низкой температуре и «горячая» при температуре выше 80 °С. При низкой температуре, до желатинизации, вязкость заметно не меняется. По мере нагревания гранула впитывает воду и набухает. Начиная с пика на кривой крутящего момента, гранула горячая и достаточно набухшая, чтобы структура гранулы начала разрушаться и разделяться на отдельные молекулы. По мере разрушения гранулярной структуры вязкость понижается, до тех пор пока крахмал не станет полностью желатинизированным, на что указывает впадина на кривой. Когда кривая во впадине выходила на плато, раствор охлаждали. В результате наблюдалась ретроградация, когда желатинизированные молекулы начинали повторно ассоциироваться, и вязкость снова начинала возрастать.
ПРИМЕР 3 – ПОЛУЧЕНИЕ СОСТАВОВ ДЛЯ КУБИКОВ И ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ
[00154] В указанном примере описано испытание кубиков на прочность при сжатии с использованием кубика размером 2 дюйма (5,08 сантиметров). В некоторых вариантах реализации в испытании кубиков на прочность при сжатии измеряли прочность гипсового состава, в котором вид крахмала и его количество могли варьироваться как описано в настоящей заявке. Состав готовили из гипсовой суспензии, который схватывался при отношении вода/строительный гипс 1,0, при этом количество крахмала составляло 2 % от массы строительного гипса, если не указано иное.
[00155] Для крахмалов, требующих желатинизации в лаборатории (например, все серии Clinton, группы Clineo, S23F, LC211, указанные ниже): крахмал диспергировали в воде и нагревали до кипения в течение 10 минут при непрерывном перемешивании. Затем раствор крахмала охлаждали до 78 °F (25,6 °С) и переносили в смесительную чашу блендера Waring. В раствор крахмала добавляли навески триметафосфата натрия («ТМФН») 10 % раствора, диспергатора и замедлителя, и перемешивали. Взвешивали строительный гипс и ТСУ и смешивали, получая сухую смесь. Сухую смесь строительного гипса и ТСУ высыпали в раствор крахмала, давали намокнуть 10 секунд и смешивали на высокой скорости 10 секунд. Формы для 2-дюймовых (5,08 сантиметров) кубиков заполняли до уровня чуть выше верха форм. Избыток соскребали при наступлении ложного схватывания. Кубики удаляли из форм после затвердевания. Кубики высушивали при 110 °F (43,3 °С) в течение 48 часов.
[00156] Для водорастворимых крахмалов (например, экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал, Maltrin M040, Maltrin M100, указанные ниже): крахмал растворяли в воде комнатной температуры. Следовали той же методике, что и для крахмалов, требующих желатинизации в лаборатории, за исключением того, что пропускали стадии нагревания и охлаждения. Как вариант, растворимый крахмал можно получать в виде сухой смеси с строительным гипсом и термостойким ускорителем, а затем смешивать с жидкими ингредиентами (вода, ТМФН, диспергатор и замедлитель).
[00157] Для гранулированного крахмала: крахмал отвешивали в сухую смесь (строительный гипс и ТСУ). Воду, 10 % раствор триметафосфата натрия, диспергатор и замедлитель отвешивали в смесительную чашу. Сухую смесь высыпали в воду, давали намокнуть 10 секунд, смешивали на высокой скорости 10 секунд и полученный раствор немедленно выливали в форму. При затвердевании влажный кубик заворачивали в алюминиевую фольгу. Завернутый в фольгу кубик нагревали при 190 °F (87,8 °C) в течение 90 минут. Затем кубик разворачивали и высушивали при 110 °F (43,3 °С) в течение 48 часов.
[00158] Состав гипсовой суспензии для изготовления кубика приведен ниже в таблице 3.
Таблица 3: Состав гипсовой суспензии с 2 % крахмала, 1,0 WSR
Ингредиент
Масса (г)
Строительный гипс
1550
Вода
1522
Крахмал
31
Диспергатор
7,75
Триметафосфат натрия (ТМФН) 10 % (масс./масс.) раствор
31
Термостойкий ускоритель (ТСУ)
13,2
Замедлитель
0,4
[00159] Высушенные кубики извлекали из печи и охлаждали при комнатной температуре в течение 1 часа. Измеряли прочность на сжатие при помощи системы MTS (Model # SATEC). Нагрузку прикладывали непрерывно без скачков со скоростью 0,04 дюйма/мин (1,02 мм/мин) (с постоянной скоростью между 15 и 40 psi/с (103,4 и 275,8 кПа/с)).
[00160] Кубик получали с использованием экструдированного гидроксипропилгорохового крахмала (TackidexK720 (Roquette)) путем растворения в воде при комнатной температуре, при этом кубик имел прочность 2106 psi (14,52 МПа). Кубик получали с использованием экструдированного гидроксипропил-горохового крахмала (TackidexK720 (Roquette)) путем получения сухой смеси крахмала со строительным гипсом и термостойким ускорителем, которую затем смешивали с жидкими ингредиентами (водой, ТМФН, диспергатором и замедлителем), при этом кубик имел прочность 2084 psi (14,37 МПа).
ПРИМЕР 4 – ВЛИЯНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ВВЕДЕНИЯ ЖЕЛАТИНИЗИРОВАННОГО КРАХМАЛА В СУСПЕНЗИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ГИПСА
[00161] В данном примере сравнивали влияние введения гранулированного крахмала (т.е. нежелатинизированного) в суспензию строительного гипса с введением желатинизированных крахмалов в суспензию строительного гипса, на соответствующие прочности на сжатие гипсовых составов. Каждый крахмал вводили в гипсовую суспензию для испытания кубиков, как описано в примере 3.
[00162] Дополнительные крахмалы показаны в таблице 4. Один из крахмалов не был кислотномодифицированным, сведения о других крахмалах приведены в таблице 4 ниже.
Таблица 4: Влияние состояния крахмала (гранулированный или прежелатинизированный) на прочность
Крахмал
Торговое наименование (производитель)
Кислотная модификация
Гранулированный (psi)
Прежелатинизированный (PSI)
Природный кукурузный крахмал
Clinton 106(ADM)
Нет
1437(9,91 МПа)
1642(11,32 МПа)
Кислотномодифицированный крахмал
Clinton 240(ADM)
Да
1768(12,19 МПа)
2121(14,62 МПа)
Кислотномодифицированный крахмал
Supercore S22F(Grain Processing Corporation)
Да
1844(12,71 МПа)
2014(13,89 МПа)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
LC211(ADM)
Да
1836(12,66 МПа)
1905(13,13 МПа)
[00163] Данный пример иллюстрирует улучшенную прочность, получаемую при введении в гипсовую суспензию прежелатинизированного крахмала вместо гранулированного крахмала, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Гранулированная форма обеспечивает хорошую текучесть суспензии строительного гипса благодаря низкой вязкости гранулированного крахмала. Тем не менее, гранулированная форма не придает настолько хорошей прочности. Следовательно, предпочтительной является прежелатинизированная форма.
ПРИМЕР 5 – ВЯЗКОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ ДЛЯ ЖЕЛАТИНИЗИРОВАННОГО КРАХМАЛА
[00164] В данном примере показаны различные желатинизированные крахмалы, представляющие ряд вязкостей, измеренных согласно способу VMA. Оценивали влияние каждого из крахмалов в гипсовом составе на прочность на сжатие, согласно составу и испытанию кубиков, описанным в примере 3. Результаты, показывающие вязкость желатинизированных крахмалов и прочности на сжатие гипсовых кубиков, изготовленных из соответствующих суспензий, приведены ниже в таблице 5.
Таблица 5: Вязкость и прочность для желатинизированных крахмалов
Крахмал
Торговое наименование(производитель)
Физическая модификация (желатинизация)
Химическая модификация
Вязкость (сантипуаз)
Прочность (PSI)
Природный кукурузный крахмал
Clinton 106(ADM)
В лаборатории
НО
5140
1642(11,32 МПа)
Прежелатинизированный кукурузный крахмал
НО
При производстве
НО
773
2039(14,06 МПа)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 240(ADM)
В лаборатории
Да
660
2121(14,62 МПа)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 260(ADM)
В лаборатории
Да
430
2413(16,64 МПа)
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
При производстве
Да
170
2254(15,54 МПа)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 277(ADM)
В лаборатории
Да
129
2252(15,53 МПа)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 290(ADM)
В лаборатории
Да
37
2282(15,73 МПа)
Кислотномодифицированный крахмал
Supercore S23F(Grain Processing Corporation)
В лаборатории
Да
34
2290(15,79 МПа)
Мальтодекстрин
Maltrin M040(Grain Processing Corporation)
При производстве
Да
6
1970(13,58МПа)
Мальтодекстрин
Maltrin M100(Grain Processing Corporation)
При производстве
Да
4
1983(13,67МПа)
[00165] Некоторые из указанных крахмалов поставлялись коммерчески уже в желатинизированной форме, указанные крахмалы помечены в таблице 5 как желатинизированные «при производстве». Другие крахмалы поставлялись без желатинизации, но были желатинизированы в лаборатории, и помечены в таблице 5 как «в лаборатории». Кроме того, некоторые крахмалы были химически модифицированы для достижения указанной вязкости, как отмечено. По отношению к экструдированному гидроксипропил-гороховому крахмалу, не будучи связанными какой-либо конкретной теорией, низкая вязкость может быть обусловлена гидролизом крахмала при экструзии под высоком давлением и с высоким сдвигом, в сочетании с гидроксипропилированием и высоким содержанием амилозы (35 %). Все вязкости указаны после желатинизации крахмала.
[00166] Данный пример демонстрирует желательность включения желатинизированных крахмалов со средней вязкостью, как указано, в вяжущую (например, гипсовую) суспензию, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Крахмалы со средней вязкостью обеспечивают хорошую текучесть, что отражает вязкость крахмала, и также позволяют получить желаемые прочностные свойства. Хорошая текучесть приводит к меньшему водопотреблению в гипсовой суспензии. Благодаря включению в гипсовую суспензию меньшего количества воды, меньший избыток воды нужно высушивать во время производства, что приводит к улучшенной эффективности способа и меньшим затратам на производство.
ПРИМЕР 6 – ЖЕЛАТИНИЗАЦИЯ И ВЯЗКОСТЬ ЭТИЛИРОВАННЫХ КРАХМАЛОВ
[00167] В данном примере сравнивали этилированные крахмалы, имеющие диапазон вязкостей после желатинизации. Также оценивали влияние на прочность гипсового состава, с точки зрения введения в суспензию строительного гипса гранулированного (нежелатинизированного крахмала) и желатинизированного крахмала, соответственно, согласно составам и испытанию кубиков, приведенным в примере 3. Результаты, показывающие вязкость желатинизированных крахмалов и прочности на сжатие гипсовых кубиков, изготовленных из суспензий, содержащих указанные крахмалы, приведены ниже в таблице 6. Все вязкости указаны для желатинизированных крахмалов, но прочности с точки зрения введения в суспензию гранулированного крахмала (нежелатинизированного крахмала) также включены в приведенные данные.
Таблица 6: Вязкость и прочность для этилированных крахмалов
Крахмал
Торговое наименование
Вязкость (сП)
Гранулированный (PSI)
Прежелатинизированный (PSI)
Гидроксиэтил-кукурузный крахмал
Clineo 706(ADM)
495
1999(13,78 МПа)
2122(14,63 МПа)
Гидроксиэтил-кукурузный крахмал
Clineo 714(ADM)
135
2166(14,93 МПа)
2158(14,87 МПа)
Гидроксиэтил-кукурузный крахмал
Clineo 716(ADM)
34
2091(14,42 МПа)
2137(14,73 МПа)
[00168] Не будучи связанными какой-либо конкретной теорией, следует отметить, что этилирование снижает температуру желатинизации крахмала. Указанные этилированные крахмалы могут быть частично гидролизованы до соответствующей вязкости.
[00169] Данный пример показывает, что этилированные крахмалы, имеющие средний диапазон вязкостей после желатинизации, согласно настоящему описанию, обеспечивают желаемую текучесть и прочность при введении в гипсовый состав, согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
ПРИМЕР 7 – ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА КРАХМАЛА НА ПРОЧНОСТЬ
[00170] В данном примере сравнивают влияние желатинизированных крахмалов на прочность гипсового состава, на протяжении диапазона количеств крахмала, вводимого в гипсовую суспензию. Использовали состав и испытание кубиков, описанные в примере 3, за исключением того, что варьировали количество крахмала. Результаты приведены в таблице 7.
Таблица 7: Прочность (PSI) в зависимости от содержания крахмала в гипсовом составе (% от массы строительного гипса)
Крахмал
Торговое наименование
0,50 %
1,00 %
2,00 %
3,00 %
Мальтодекстрин
Maltrin M100(Grain Processing Corporation)
1959(13,51 МПа)
1981(13,66 МПа)
1885(13 МПа)
1810(12,48 МПа)
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
2042(14,08 МПа)
2195(15,13 МПа)
2195(15,13 МПа)
2334(16,09 МПа)
[00171] Данный пример показывает, что даже относительно низкие количества желатинизированного крахмала обеспечивают желаемые прочностные свойства гипсового состава, согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
ПРИМЕР 8 – ТЕКУЧЕСТЬ ГИПСОВОЙ СУСПЕНЗИИ
[00172] Данный пример иллюстрирует влияние на текучесть гипсовой суспензии различных желатинизированных крахмалов. Каждый крахмал помещали в гипсовый состав согласно примеру 3, за исключением того, что варьировали отношение вода/строительный гипс и количество крахмала. В качестве меру текучести применяли испытание на осадку, как описано далее. Осадку измеряли, наливая суспензию в цилиндр диаметром 2 дюйма (5,08 см) и высотой 4 дюйма (10,2 см) (открытый с обоих торцов и поставленный торцом на плоскую гладкую поверхность), и разравнивая верх суспензии. Это обеспечивало заданный объем суспензии для каждого испытания. Затем цилиндр резко поднимали, и суспензия падала из открытого нижнего конца цилиндра. Измеряли и записывали диаметр полученной лепешки. Более текучая суспензия обычно давала пятно большего диаметра. Результаты показаны в таблице 8.
Таблица 8: Прочность (PSI) в зависимости от содержания крахмала в гипсовой суспензии (% от массы строительного гипса)
Крахмал
Торговое наименование
Крахмал (%)
WSR
Осадка (см)
Прежелатинизированный кукурузный крахмал
НО
2
1
14,2, 16(2 партии)
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 240(ADM)
2
1
20
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 260(ADM)
2
1
18
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 277(ADM)
2
1
22,5
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 290(ADM)
2
1
22
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
2
1
19
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 277(ADM)
2
0,85
14,5
Кислотномодифицированный кукурузный крахмал
Clinton 290(ADM)
2
0,85
15
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
2
0,85
12
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
0,5
1
19,5
Экструдированный гидроксипропил-гороховый крахмал
TackidexK720 (Roquette)
0,5
0,85
13,5
[00173] Данный пример демонстрирует эффективное улучшение текучести и меньшее водопотребление в гипсовых составах, согласно вариантам реализации настоящего изобретения.
ПРИМЕР 9 – КИСЛОТНОМОДИФИЦИРОВАННАЯ ИЛИ ПРЕЖЕЛАТИНИЗИРОВАННАЯ КУКУРУЗНАЯ МУКА В СУХОМ ВИДЕ
[00174] Данный пример демонстрирует снижение вязкости прежелатинизированной кукурузной муки путем кислотной модификации в сухом виде. Прежелатинизированную кукурузную муку (125 г, Bunge Milling) отвешивали в смесительную чашу смесителя Хобарта. Поверхность кукурузной муки сбрызгивали 1 прежелатинизированный серной кислотой (от 6,2 до 18 г) при перемешивании на скорости 2. Образец перемешивали еще 10 минут. Переносили образец в пластиковую бутылку с крышкой и нагревали при 80 °С в течение 3 ч. Добавляли эквимолярное количество гидроксида кальция и перемешивали образец в течение 2 минут. Высушивали образец при комнатной температуре в течение ночи.
[00175] Вязкости кислотномодифицированной прежелатинизированной кукурузной муки измеряли согласно способу VMA, как описано в примере 1. Данные приведены в таблице 9.
Таблица 9
Крахмал
Вязкость крахмала (сП)
Модифицированный 6,2 г 1 М серной кислоты
308
Модифицированный 9,4 г 1 М серной кислоты
236
Модифицированный 15 г 1 М серной кислоты
179
Модифицированный 18 г 1 М серной кислоты
54
ПРИМЕР 10 – СОСТАВ ГИПСОВОЙ СУСПЕНЗИИ, ПРОЧНОСТЬ КУБИКА НА СЖАТИЕ, И ИСПЫТАНИЕ НА ОСАДКУ СУСПЕНЗИИ
[00176] Данный пример описывает прочность кубика на сжатие и осадку с использованием крахмалов, модифицированных различными количествами кислоты. Состав использованных гипсовых суспензий показан в таблице 3. Отношение воды к строительному гипсу (WSR) составляло 1,0. Образцы гипсовых кубиков получали согласно способу, описанному в примере 3. Испытание на осадку проводили, как описано в примере 8. Результаты испытания на прочность при сжатии и испытания на осадку приведены в таблице 10.
Таблица 10
Крахмал
Осадка (см)
Прочность на сжатие (PSI)
Контроль прежелатинизированная кукурузная мука
13,5
2064(14,23 МПа)
Модифицированный 6,2 г 1 М серной кислоты
14,5
2066(14,24 МПа)
Модифицированный 9,4 г 1 М серной кислоты
15
2033(14,02 МПа)
Модифицированный 15 г 1 М серной кислоты
15
2296(15,83 МПа)
Модифицированный 18 г 1 М серной кислоты
16
2257(15,56 МПа)
[00177] Данный пример демонстрирует, что снижение вязкости прежелатинизированной кукурузной муки до среднего диапазона не только в целом повышает текучесть гипсовой суспензии, но также в целом повышает прочность на сжатие. Комбинация примеров 9 и 10 демонстрирует обратную зависимость между вязкостью крахмала и текучестью суспензии.
ПРИМЕР 11 – КИСЛОТНОМОДИФИЦИРОВАННАЯ ИЛИ ПРЕЖЕЛАТИНИЗИРОВАННАЯ КУКУРУЗНАЯ МУКА В 0,25 N РАСТВОРЕ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
[00178] Данный пример описывает прочность кубика на сжатие и осадку с использованием крахмалов, модифицированных различным временем воздействия кислоты. Прежелатинизированную кукурузную муку (31 г) отвешивали при перемешивании в блендер Warren, содержащий воду (200 г). Раствор крахмала переносили в колбу. Блендер промывали водой (77 г) и воду переносили в колбу. К раствору крахмала добавляли при перемешивании концентрированную серную кислоту (1,94 мл, 95 – 98 %). Раствор выдерживали при 70 °С в течение от 60 до 100 мин. Затем добавляли к раствору крахмала эквимолярное количество гидроксида кальция (2,58 г) и перемешивали в течение 10 мин. Состав использованных гипсовых суспензий показан в таблице 3. Образцы гипсовых кубиков получали согласно способу, описанному в примере 3. Испытание на осадку проводили, как описано в примере 8. Результаты испытания на прочность при сжатии и испытания на осадку приведены в таблице 11.
Таблица 11
Крахмал
Осадка (см)
Прочность на сжатие (PSI)
Контроль прежелатинизированная кукурузная мука
13,5
2064(14,23 МПа)
0,25 N серная кислота, выдержка 60 мин
16
2186(15,07 МПа)
0,25 N серная кислота, выдержка 70 мин
16,3
2159(14,89 МПа)
0,25 N серная кислота, выдержка 80 мин
17
2381(16,42 МПа)
0,25 N серная кислота, выдержка 90 мин
18
2293(15,81 МПа)
0,25 N серная кислота, выдержка 100 мин
18
2093(14,43 МПа)
[00179] Данный пример показал, что кислотная модификация прежелатинизированной кукурузной муки в растворе серной кислоты может улучшить текучесть и прочность.
ПРИМЕР 12 – ТЕКУЧЕСТЬ ГИПСОВОЙ СУСПЕНЗИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ОТНОШЕНИЯХ ВОДЫ К СТРОИТЕЛЬНОМУ ГИПСУ (WSR)
[00180] Данный пример иллюстрирует влияние на текучесть гипсовой суспензии кислотной модификации прежелатинизированной кукурузной муки. Для измерения текучести проводили испытание на осадку, как описано в примере 8. Состав использованных гипсовых суспензий показан в таблице 3, за исключением того, что отношение воды к строительному гипсу регулировали согласно WSR. Результаты испытания на осадку показаны в таблице 12.
Таблица 12
Крахмал
Осадка (см)
WSR 1,0
WSR 0,85
Контроль прежелатинизированная кукурузная мука
12,7
9,0
0,25 N серная кислота, выдержка 90 мин
18
12,5
[00181] Данный пример демонстрирует, что кислотномодифицированная прежелатинизированная кукурузная мука может поддерживать текучесть гипсовой суспензии даже после снижения содержания воды на 15 %.
ПРИМЕР 13 – СОСТАВ КУБИКА И ИСПЫТАНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ
3
3
[00182] В данном примере описано испытание на прочность при сжатии кубиков, содержащих сваренный в лаборатории кислотномодифицированный крахмал. Состав получали из гипсовой суспензии с отношением вода/строительный гипс 1,0 для контрольного прежелатинизированного кукурузного крахмала и 0,9 для сваренного в лаборатории кислотномодифицированного кукурузного крахмала (Clinton 277), с количеством крахмала 2 % от массы строительного гипса. Состав, применяемый для контрольного и сваренного в лаборатории кислотномодифицированного кукурузного крахмала, указан в таблице 13. Плотность кубика составляла от 25 до 45 фунтов на кубический фут (от 400 кг/м до 721 кг/м) благодаря введению пены в различных отношениях.
[00183] Для контрольного эксперимента прежелатинизированный кукурузный крахмал отвешивали в смесь сухих веществ, содержащую строительный гипс и ТСУ. Воду, 10 % раствор триметафосфата натрия, диспергатор и замедлитель отвешивали в смесительную чашу смесителя Хобарта. Сухую смесь высыпали в смесительную чашу смесителя Хобарта, замачивали на 15 секунд и перемешивали на скорости II в течение 30 секунд. Для получения пены получали 0,5 % раствор мыла PFM 33, и затем смешивали с воздухом для получения воздушной пены. Воздушную пену вводили в суспензию при помощи пеногенератора. Пеногенератор работал с достаточной скоростью для получения желаемой плотности плиты. После введения пены суспензию немедленно выливали в формы, до уровня немного выше краев форм. Избыток удаляли скребком при наступлении ложного схватывания. В формы распыляли антиадгезионную смазку (DW40).
[00184] Для получения сваренного в лаборатории кислотномодифицированного кукурузного крахмала (Clinton 277), кислотномодифицированный кукурузный крахмал диспергировали в воде и нагревали до кипения в течение 10 минут при непрерывном перемешивании. Затем раствор крахмала охлаждали до 78 °F (25 °С) и переносили в смесительную чашу смесителя Хобарта. В смесительную чашу смесителя Хобарта добавляли 10 % раствор триметафосфата натрия, диспергатор и замедлитель, и перемешивали. Сухую смесь строительного гипса и ТСУ высыпали в раствор крахмала, замачивали на 15 секунд и перемешивали на скорости II в течение 30 секунд. Для получения пены получали 0,5 % раствор мыла PFM 33, и затем смешивали с воздухом для получения воздушной пены. Воздушную пену вводили в суспензию при помощи пеногенератора. Пеногенератор работал с достаточной скоростью для получения желаемой плотности плиты. После введения пены суспензию немедленно выливали в формы, до уровня немного выше краев форм. Избыток удаляли скребком при наступлении ложного схватывания. В формы распыляли антиадгезионную смазку (DW40).
[00185] После затвердевания кубиков, кубики извлекали из формы, а затем высушивали при 110 °F (43 °С) в течение 48 часов. После извлечения из печи кубики охлаждали при комнатной температуре в течение 1 часа. Прочность на сжатие измеряли при помощи системы MTS (Model # SATEC). Нагрузку прикладывали непрерывно без скачков со скоростью 0,04 дюйма/мин (1,02 мм/мин) (с постоянной скоростью между 15 и 40 psi/с (103,4 и 275,8 кПа/с)).
Таблица 13
Ингредиент
Масса (г)
Строительный гипс
700
Вода (WSR 1,0)
627
Или вода (WSR 0,9)
553
Крахмал
14
Диспергатор
3,5
10 % (масс./масс.) раствор триметафосфата натрия (ТМФН)
14
Термостойкий ускоритель (ТСУ)
5,25
Пена PFM 33 (0,5 % раствор)
По потребности
Замедлитель
0,35
3
3
3
3
[00186] Графики для двух типов крахмалов показаны на ФИГ. 2, причем плотность отложена по горизонтальной оси, а прочность отложена по вертикальной оси. На ФИГ. 2 показано, что сваренный в лаборатории кислотномодифицированный кукурузный крахмал (Clinton 277) с WSR 0,9 обеспечивает кубики с большей прочностью на сжатие, чем прежелатинизированный кукурузный крахмал с WSR 1,0. Указанную повышенную прочность наблюдали для плотностей кубиков от 25 фунтов/фут до 40 фунтов/фут(от 400 кг/мдо 721 кг/м). Указанный пример позволяет предположить, что композиции, содержащие сваренный в лаборатории кислотномодифицированный кукурузный крахмал (Clinton 277) имеют большие прочности на сжатие при низкой плотности, и требуют меньше воды.
ПРИМЕР 14 – РАСТВОРИМЫЙ В ХОЛОДНОЙ ВОДЕ ПРЕЖЕЛАТИНИЗИРОВАННЫЙ КРАХМАЛ И ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ
[00187] В данном примере описан способ получения растворимого в холодной воде прежелатинизированного крахмала (Clinton 277) при помощи экструзии в полупромышленном масштабе, и прочность на сжатие кубиков, содержащих указанный экструдированный прежелатинизированный крахмал.
[00188] Следовательно, кислотномодифицированный крахмал Clinton 277 (9 % содержание влаги, 100 кг) и воду (4,4 кг) смешивали в цилиндре. Смесь кислотномодифицированного крахмала помещали в двухшнековый экструдер Wenger TX 52. В экструдер вводили дополнительную воду (8,1 кг). Общее содержание влаги в бункере экструдера составляло 20 %. Условия экструзии приведены в таблице 15 ниже. Прежелатинизированный крахмал выгружали из экструдера в виде относительно сухого, вспученного материала. Крахмал высушивали до содержания влаги примерно 10 %, а затем размалывали в порошок. При использовании для изготовления гипсовых продуктов сухой порошок можно добавлять к сухим ингредиентам во время производства.
Таблица 14
Скорость подачи (кг/ч)
100
Скорость цилиндра (об./мин)
355
Поток воды в цилиндр (кг/ч)
4,4
Частота вращения вала экструдера (об./мин)
356
Поток воды в экструдер (кг/ч)
8,1
Скорость ножа (об./мин)
1701
Температура 1-й головки (°C)
50
Температура 2-й головки (°C)
70
Температура 3-й головки (°C)
90
Температура 4-й головки (°C)
105
Температура 5-й головки (°C)
120
Температура (°C) мундштука
156
[00189] Растворимость прежелатинизированного крахмала в холодной воде измеряли следующим способом. Влажный крахмал получали при добавлении воды (80 мл, комнатная температура (25 °C)) к сухому крахмалу (4,000 г) в стакане при перемешивании. Влажный крахмал перемешивали в течение 20 мин, а затем переносили в градуированный цилиндр объемом 100 мл. Добавляли воду до уровня 100 мл, а затем трижды переворачивали цилиндр для перемешивания суспензии. Оставляли влажный крахмал отстояться в течение 30 мин при комнатной температуре. Надосадочную жидкость (10 г) отбирали с верха суспензии и помещали на тарированную тарелку. После нагревания тарелки в течение ночи (43 °С), взвешивали оставшееся твердое вещество. Растворимость (%) крахмала вычисляли по уравнению ниже.
[00190] Растворимость (%) = масса растворимого твердого вещества /(0,4 x 100)
3
3
[00191] Растворимый в холодной воде экструдированный прежелатинизированный крахмал применяли для получения кубиков согласно методике, описанной в примере 13. Кубики имели плотность 54 фунтов/фут (865 кг/м). Было показано значительное влияние растворимости в холодной воде экструдированного крахмала (Clinton 277) на прочность кубиков (таблица 15). Гранулированный крахмал нерастворим в воде и дает кубик с прочностью на сжатие 1561 psi (10,76 МПа). Тем не менее, прежелатинизированные крахмалы, полученные путем экструзии, были растворимы в воде и давали кубики с большей прочностью. Прочность кубиков на сжатие возрастала по мере увеличения растворимости крахмала в холодной воде. Кроме того, применение в начале процесса крахмала, имеющего наименьшее содержание влаги (примерно 10 %), приводило к большей растворимости в воде (до 71 %) и давало большую прочность на сжатие (1844 psi (12,71 МПа)).
Таблица 15
Крахмал
Состояние
Растворимость (%) в воде
Прочность (PSI)
Clinton 277
Гранулы
0
1561(10,76 МПа)
Clinton 277
Экструзия
30,5
1693(11,67 МПа)
Clinton 277
Экструзия с крахмалом с меньшим содержанием влаги
71,0
1844(12,71 МПа)
3
3
[00192] Растворимый в холодной воде кислотномодифицированный прежелатинизированный крахмал и прежелатинизированный кукурузный крахмал применяли для получения кубиков согласно методике, описанной в примере 13. Кубики имели плотность 29 фунтов/фут(465 кг/м). Экструдированный крахмал придавал кубикам большую прочность, чем обычный крахмал (таблица 16). Текучесть гипсовой вспененной суспензии, содержащей экструдированный Clinton 277, увеличивалась на 26 %, и прочность на сжатие вспененного кубика, содержащего экструдированный крахмал, увеличивалась на 19 %.
Таблица 16
Прочность кубика на сжатие (PSI)*
Осадка (дюймы)
Экструдированный Clinton 277
301(2,08 МПа)
6,63(16,8 см)
Обычный прежелатинизированный кукурузный крахмал
254(1,75 МПа)
5,25(13,3 см)
ПРИМЕР 15 – СТЕНДОВОЕ ПОЛУЧЕНИЕ РАСТВОРИМОГО В ХОЛОДНОЙ ВОДЕ ПРЕЖЕЛАТИНИЗИРОВАННОГО КРАХМАЛА
[00193] Данный пример иллюстрирует растворимость в холодной воде прежелатинизированного кислотномодифицированного крахмала (Clinton 277), приготовленного путем экструзии в стендовом масштабе в различных условиях.
[00194] Следовательно, кислотномодифицированный крахмал подвергали экструзии при помощи экструдера стендового масштаба (Micro 18, Leistritz MIC). Смешивали крахмал и воду, необходимую для заданного содержания влаги, запаивали в пластиковый мешок и уравновешивали в течение ночи. После уравновешивания в течение ночи, влажный крахмал подавали в экструдер. Изучали влияние температуры экструдера, содержания влаги в крахмале (перед желатинизацией), размера отверстия мундштука, и количества фосфата трикальция на растворимость при 25 °С (см. таблицу 17). В малом масштабе добавка (фосфат трикальция) не оказывала влияния на растворимость крахмала. Факторы, увеличивающие текучесть материала (такие как высокое содержание влаги и большое отверстие мундштука) показали отрицательную связь с растворимостью крахмала. Было обнаружено, что крупномасштабные испытания могут потребовать меньшего содержания влаги и больших температур экструзии (например, пример 14).
Таблица 17
Крахмал
Условия экструзии
Температура(°C)
Содержание влаги(%)
Размер отверстия мундштука
Фосфат трикальция (%)
Растворимость (%)
1
110
24
малый
0
30,3
2
110
24
малый
1
30,0
3
110
30
большой
1
8,5
4
120
30
большой
1
7,8
5
150
30
большой
2
7,3
ПРИМЕР 16 – СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ВЯЗКОСТИ В ХОЛОДНОЙ ВОДЕ
[00195] В данном примере описан способ измерения вязкости в холодной воде, называемый в настоящем описании «способ CWVA». Когда указывают вязкость в холодной воде, измерения проводили согласно способу CWVA, если не указано иное.
-1
[00196] Взвешивали сухой крахмал (40 г) и воду (25 °С) до получения общей массы 400 г при перемешивании на 500 об/мин в течение 10 мин. Вязкость измеряли при помощи реометра Discovery HR-2 Hybrid Rheometer (TA Instruments Ltd) с концентрическим цилиндром, стандартной чашкой (диаметром 30 мм) и геометрическими размерами лопасти (диаметр 28 мм и длина 42,05 мм). 50 г раствора переносили в ячейку цилиндра. Измеряли вязкость образца при 25 °С и скорости сдвига 100 с в течение 1 мин.
[00197] Применение терминов в единственном числе и «по меньшей мере один», и аналогичных указаний, в контексте описания настоящего изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) предназначено охватывать как единственное, так и множественное число, если иное не указано или явно не предписывается контекстом. Применение термина «по меньшей мере один» с последующим списком из одного или более элементов (например, «по меньшей мере один из A и B») должно означать один элемент, выбранный из перечисленных элементов (A или B), или любую комбинацию двух или более из перечисленных элементов (A и B), если иное не указано или явно не предписывается контекстом. Термины «содержащий», «имеющий», «включающий» и «вмещающий» должны рассматриваться как открытые термины (т.е. означающие «включая, без ограничения»), если не указано иное. Указание на диапазоны в настоящем описании предназначено только в качестве короткого способа указать отдельно на каждое отдельное значение, входящее в указанный диапазон, если не указано иное, и каждое отдельное значение включено в настоящее описание, как если бы оно было указано отдельно. Все способы, описанные в настоящей заявке можно осуществлять в любом подходящем порядке, если иное не указано или явно не предписывается контекстом. Использование каждого и всех примеров, или формулировок примеров (например, «такой как»), представленных в настоящей заявке, предназначено только для лучшего пояснения изобретения, и не накладывает ограничений на объем настоящего изобретения, если в формуле изобретения не указано иное. Формулмировки настоящего описания не предназначены для указания на какой-либо не включенный в формулу изобретения элемент как на существенную часть практической реализации настоящего изобретения.
[00198] В настоящей заявке описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, включая наилучший способ осуществления изобретения, известный авторам. Варианты указанных предпочтительных вариантов реализации могут стать очевидны специалисту в данной области техники при прочтении приведенного выше описания. Авторы полагают, что опытный специалист в данной области техники применит такие варианты соответствующим образом, также авторы настоящего изобретения полагают, что настоящее изобретение может быть практически реализовано иначе, чем конкретно описано в настоящей заявке. Следовательно, настоящее изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета настоящего изобретения, указанного в прилагаемой формуле изобретения, в рамках, установленных действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных вариациях включена в объем настоящего изобретения, если иное не указано или явно не предписывается контекстом.