АКУСТИЧЕСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ С ХИТОЗАНОМ
ACOUSTIC BUILDING MATERIAL WITH CHITOSAN

Настоящая заявка является заявкой согласно 371 от PCT/US 2011/067562, поданной 28 декабря 2011 г., PCT заявка которой является частично продолжающейся заявкой заявки на патент США 13/294200, поданной 11 ноября 2011, которая, в свою очередь, испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США 61/427643, поданной 28 декабря 2010 г.
Область техники
Область техники относится к строительным материалам для строительства, в частности к потолочным плиткам, содержащим хитозан, гомогенно диспергированный в конструкции плитки.
Уровень техники
Строительные материалы или потолочные плитки используют в строительной отрасли для создания оригинальных потолочных структур или замены покрывающих потолочных структур. Потолочные плитки можно монтировать непосредственно на поверхность здания или их можно монтировать в сборку подвесного потолка с применением поддерживающего решетчатого каркаса, закрепленного к структуре здания. Указанные плитки получают из суспензии волокон, наполнителей и связующих.
В настоящем изобретении плитки получают с применением композиций и процессов литья, таких как описанные в патентах США 5395438 и 1769519. Согласно описаниям, приведенным в указанных патентах, для формования и литья основы плитки получают формовочную композицию, содержащую волокна, наполнители, красители и связующее, в частности крахмальный гель. Указанную смесь или композицию помещают на подходящий поддон и затем выравнивают до требуемой толщины с помощью разравнивающего бруса или валика. Затем поддоны, заполненные композицией, помещают в печь для сушки и отверждения композиции. Высушенные листы удаляют из поддонов и, необязательно, обрабатывают с одной или более сторон с обеспечением гладких поверхностей с получением требуемой толщины и предотвращением деформирования. Затем листы разрезают на плитки требуемого размера.
Хитозан, или поли-D-глюкозамин, коммерчески доступен в виде деацетилированной формы хитина, который является структурным элементом в экзоскелете ракообразных и клеточных стенках некоторых грибов. Он представляет собой катионный полимер, сходный с целлюлозой. Было обнаружено, что хитозан способствует свертыванию крови, и его применяли в перевязочных материалах. Он является биоцидом и обладает особыми свойствами, улучшающими противомикробную и противогрибковую активность. Хитозан также применяют в качестве флокулянта для фильтрации воды от тяжелых металлов. Также известно, что хитозан абсорбирует формальдегид и поглощает запах.
Краткое описание изобретения
Было обнаружено, что хитозан может быть многофункциональной добавкой к волокнистой плите, которую можно включать непосредственно в состав суспензии. Хитозан растворяют в кислоте и добавляют непосредственно в суспензию в виде разбавленного раствора. Таким образом, хитозан равномерно распределяют внутри конструкции плиты без каких-либо существенных изменений в производственном процессе.
Применение хитозана в конструкциях потолочной плитки обеспечивает ряд преимуществ, присущих готовому продукту. Например, при концентрации хитозана менее примерно 10 масс.% обеспечивается структурное армирование, достаточное для снижения количества связующего. Это приводит к снижению стоимости, поскольку связующее является дорогим ингредиентом композиции волокнистой плиты.
Дополнительным преимуществом включения хитозана в конструкции плит является то, что он улучшает и вносит вклад в связывание компонентов и позволяет увеличить содержание повторно перерабатываемых материалов. То есть количество связующего может быть уменьшено и может быть использовано повышенное количество повторно переработанной целлюлозы.
Биоцидные свойства хитозана особенно полезны при применении в потолочной плитке, поскольку плитка, скорее всего, будет влажной из-за высокой влажности, конденсации и других источников влаги. Указанная среда способствует появлению нежелательных микробов и грибков, которые могут быть занесены путем переноса по воздуху.
Полагают, что способность хитозана абсорбировать формальдегид может снижать содержание формальдегида как присутствующего в ходе осуществления процесса, так и содержащегося в продукте. Способность хитозана поглощать запахи особенно важна с точки зрения получения продуктов.
Подробное описание изобретения
Как было указано выше, было обнаружено, что хитозан в качестве многофункциональной добавки обеспечивает требуемые характеристики строительных материалов, в частности композиций литых потолочных плиток. В целях удобства, изобретение описано с конкретной ссылкой на литые потолочные плитки.
Требуемые потолочные плитки содержат основные волокна, которые обычно представляют собой минеральные волокна, такие как минеральная вата или аналогичные неорганические волокна. Наполнители обычно представляют собой перлит, глину, карбонат кальция, гранулированное пеностекло, штукатурный гипс (полугидрат сульфата кальция) или гипс. Связующее обычно представляет собой крахмал, латекс или аналогичные материалы. Указанные материалы или ингредиенты обычно объединяют в водную суспензию и применяют в процессе мокрого свойлачивания, как описано выше.
В типичных композициях компоненты волокна и наполнителя являются основными ингредиентами. Однако можно применять широкий спектр ингредиентов. Например, в следующей таблице приведены типичные литые потолочные композиции. Следует понимать, что указанные композиции могут содержать один или более иллюстративных видов волокна, наполнителя или связующего, перечисленных в следующей таблице. Процентное содержание в таблице представляет собой процентное содержание по массе в расчете на массу твердых веществ, если иное не указано в комментарии или контексте.
Ингредиент
Диапазон, %
Предпочтительное, %
Волокно
Минеральная вата
60-80%
65-80%
Целлюлозное волокно (переработанная бумага)
0-25%
3-10%
Ингредиент
Диапазон, %
Предпочтительное, %
Наполнитель
Перлит
15-70%
30-52%
Глина
0-25%
4%
Карбонат кальция
0-20%
10%
Гранулированное пеностекло
0-40%
20-25%
Связующее
Кукурузный крахмал
8-20%
10-15%
Латекс
0-5%
3%
Хитозан
0,5-15%
2-4%
Указанные компоненты волокна, наполнителя и связующего известным способом объединяют в водной суспензии в количестве примерно от 65% до 75% твердых веществ. Хитозан растворяют в кислом водном растворе и гомогенно смешивают с суспензией. Например, хитозан в форме порошка или крошки можно растворять в 2-4% по объему растворе уксусной кислоты и добавлять в суспензию. Раствор хитозана добавляют в количестве, обеспечивающем количество в готовом продукте по массе в диапазоне от 1% до 6% в пересчете на массу твердых веществ, содержащихся в суспензии.
Полагают, что гидрофильные группы OH и NH, присутствующие в хитозане, улучшают равномерное распределение хитозана и полное проникновение и/или контактирование с ингредиентами суспензии - волокном и наполнителем. Также полагают, что положительно заряженный хитозан взаимодействует с крахмалом. Кроме того, хитозан образует волокнистую структуру, которая переплетается и/или иным образом взаимодействует с другими волокнистыми компонентами плитки с обеспечением структурного армирования, которое позволяет снизить количество связующего с приемлемым ограниченным изменением физических характеристик плитки.
В следующих иллюстративных примерах сравнивают плиты, представляющие собой средний слой плитки, и указанные примеры не включают внешние покрытия, отверстия или другие отделочные обработки. Композиция плиты содержит минеральную вату, крахмал из кукурузы, штукатурную гипсоборную кислоту. В данных примерах, чтобы показать связующие и армирующие свойства хитозана, композицию плиты модифицировали путем включения различных количеств.
Абсолютные количества компонентов, содержащихся в полученных плитах, приведены ниже в Таблице 1.
Таблица 1
Составы
Плита # и % хитозана
Холодная вода для ваты (г)
1% Уксусная кислота (г)
Крахмал (г)
Штукатурный гипс (г)
Хитозан (г)
Борная кислота (г)
Минеральная вата (г)
1 контроль
350.0
0
175
141
0.0
7.5
871.0
2 1%
350.0
1.6
175
141
3.3
7.5
871.0
3 2.5%
350.0
4.2
175
141
8.3
7.5
871.0
4 5%
400.0
8.5
175
141
17.0
7.5
871.0
5 10%
847.0
18.0
175
141
36.0
7.5
871.0
Плита 1 являлась контролем без добавления хитозанаи содержащая обычное количество крахмала. Плиты 2-5 содержали повышенные количества хитозана.
Свойства плит 1-5 показано в Таблице 2
Таблица 2:
Свойства
Плита   #
Масса (г)
Длина (дюйм)
Ширина (дюйм)
Толщина (дюйм)
Плотность (фунт/фут 3)
MOR (psi)
Твердость (psi)
1
148.03
10.017
3.024
0.860
21.66
170.7
235.8
2
146.10
10.015
3.023
0.782
23.50
205.8
250.6
3
148.06
10.015
3.023
0.784
23.75
218.0
229.0
4
153.21
10.023
3.024
0.787
24.46
249.3
185.4
5
152.76
10.023
3.024
0.853
22.50
87.4
132.5
Плиты 1-5 были исследованы и результаты приведены в Таблице 2 выше. Для определения результатов тестов, приведенных в Таблице 2, применяли следующие методики испытаний.
MOR тест на прочность на изгиб представляет собой 3-хточечное испытание на изгиб. В настоящем примере методика испытаний аналогична ASTMC 367 «Стандартные методы определения прочностных свойств предварительно полученной архитектурной акустической плитки или закладных потолочных панелей». Испытание на твердость показывает способность потолочной панели сопротивляться вдавливанию, которое может возникать в ходе установки или после установки. В настоящем примере испытание на твердость вдавливанием 2′′ шарика аналогично ASTMC 367 «Стандартные методы определения прочностных свойств предварительно полученной архитектурной акустической плитки или закладных потолочных панелей».
Сравнение плит 1 и 2 показало увеличение прочности и твердости, на что указывают повышенные результаты MOR и твердости. Указанные плиты для сравнения содержат сходные количества связующего, как и плита 2, содержащая 1% хитозана. Таким образом, хитозан увеличил указанные физические характеристики.
Плиты 3 и 4 продемонстрировали дополнительное увеличение прочности, на что указывает увеличенная MOR. Плита 5 демонстрирует снижение прочности и MOR до добавления 10%. Полагают, что увеличение прочности или MOR и/или приемлемые значения физических свойств можно достигнуть путем добавления хитозана в количествах более 5% и вплоть до 10% или выше. Согласно настоящему изобретению предпочтительное количество хитозана составляет от примерно 2% до примерно 8%. В настоящем документе, приемлемые физические свойства обозначают значения измеренных физических свойств, равные по меньшей мере примерно 95% от значений, обеспечиваемых потолочной плиткой, полученной аналогичным образом с помощью таких же ингредиентов, но без добавления хитозана. Даже несмотря на то, что могут получиться немного более низкие значения свойств, следует понимать, что в конструкциях с увеличенными прочностными или MOR свойствами и/или твердостью может быть уменьшено количество более дорогого ингредиента крахмала. Кроме того, количество переработанной газетной бумаги может быть увеличено для компенсации уменьшенного содержания крахмала и, таким образом, может быть увеличено содержание повторно перерабатываемых и промышленных, и потребительских материалов в плитке.
Плита 5 характеризуется прочностью и твердостью, пониженной на более чем 5% относительно контрольного значения. В данном случае считается, что такое снижение выходит за рамки приемлемых значений физических свойств.
Следующие плиты были получены с применением описанных процедур литья для определения устойчивости к развитию плесени. Композиции плит в пересчете на общую массу сухих ингредиентов приведены в Таблице 3.
Таблица 3
Композиции в пересчете на общую массу сухих ингредиентов
Ингредиент
Диапазон массы, %
Крахмал
3-4.3
Штукатурный гипс
3-14
Хитозан
0.05-2
Борная кислота
0.18-0.75
В соответствии с указанными выше составами получали плиты 6-7 и исследовали их на устойчивость к развитию плесени в соответствии с ASTMD3273-00 (переутвержден 2005). Плита 6 представляла собой контроль и не содержала хитозан, плита 7 содержала 5 % хитозана и плита 7 содержала 10 % хитозана. Лицевую и внутреннюю стороны плиты оценивали после двухнедельного и четырехнедельного воздействия. Лицевую и внутреннюю стороны плиты осматривали и присваивали значение от 0-10, где 0 указывает на непрерывное загрязнение всей поверхности образца и 10 указывает на полное отсутствие загрязнения частицами. Результаты приведены ниже в Таблице 4 «устойчивость к развитию плесени». Результаты испытаний приведены в следующей Таблице 4.
Таблица 4
Устойчивость к развитию плесени
Плита #
Хитозан (%)
Оценка заплесневения лицевой стороны (2 недели)
Оценка заплесневения внутренней стороны (2 недели)
Оценка заплесневения лицевой стороны (4 недели)
Оценка заплесневения внутренней стороны (4 недели)
6
0
10
10
7
7
7
5
10
10
9
9
8
10
10
10
10
10
Как показано в Таблице 4, применение хитозана ингибировало образование плесени. Поверхности плиты по существу не содержали загрязнения. Устойчивость к развитию плесени хитозана улучшается с увеличением значений прочности и MOR.
Дополнительное контрольные составы, содержащие 5% хитозана и 10% хитозана, приведены ниже.
Контроль
Формула геля
Масса (г)
Масса тв. веществ (г)
% Всего
% Тв. веществ
Холодная вода
350.0
0.0
10.79
Горячая вода
2571.0
0.0
79.24
Уксусная кислота
0.0
0.0
0.00
Крахмал
175.0
175.0
5.39
54.39
Штукат. гипс
141.0
141.0
4.35
43.59
Хитозан
0.0
0.0
0.00
0.00
Борная кислота
7.5
7.5
0.23
2.32
Всего
3244.5
323.5
100.00
% твердых веществ
9.97
Формула смеси
Гель
3244.5 г
Минеральная вата
871.0 г
Всего
4115.5
Процентное содержание в смеси
% Всего
% тв. веществ
Вата
21.16
72. 92
Крахмал
4.25
14. 65
Штукатурный гипс
3.42
11. 64
Борная кислота
0.18
0. 63
Хитозан
0.00
0.00
Вода
70. 98
0.00
Всего
100.00
100.00
Лаб. формула 5% Хитозан (85% диацетилированный)
Формула геля
Масса (г)
Тв. веществаМасса (г)
% Всего
% тв. веществ
Холодная вода
400.0
0.0
12.31
Горячая вода
2500.0
0.0
76.95
Уксусная кислота
8.5
0.0
0.26
Крахмал
175.0
175.0
5.39
51.39
Штукатурный гипс
141.0
141.0
4.34
41.41
Хитозан
17.0
7.0
0.52
5.00
Борная кислота
7.5
7.5
0.23
2.2
Всего
3249.0
359.5
100.00
100.0
% твердых веществ
11.06
Формула смеси
Гель
3249.5 г
Минеральная вата
871.0 г
Всего
4120.5 г
Процентное содержание в смеси
% Всего
% тв. веществ
Вата
21.14
71.89
Крахмал
4.25
14.44
Штукатурный гипс
3.42
11.64
Борная кислота
0.18
0.62
Хитозан
0.41
1.40
Вода
70.59
0.00
Всего
100.00
100.00
Лаб. формула 10% Хитозан (85% диацетилированный)
Формула геля
Масса (г)
Тв. вещества Масса (г)
% Всего
% тв. веществ
Холодная вода
847.0
0.0
26.07
Горячая вода
2025.0
0.0
62.32
Уксусная кислота
10.0
0.0
0.58
Крахмал
175.0
175.0
5.39
48.69
Штукатурный гипс
141.0
141.0
4.34
39.23
Хитозан
36.0
36.0
1.11
10.00
Борная кислота
7.5
7.5
0.23
2.09
Всего
3249.5
340.5
100.00
100.0
% твердых веществ
11.06
Формула смеси
Гель
3249.0 г
Минеральная вата
871.0 г
Всего
4120.0 г
Процентное содержание в смеси
% Всего
% тв. веществ
Шерсть
21.14
70.79
Крахмал
4.25
14.22
Штукатурный гипс
3.42
11.46
Борная кислота
0.18
0.61
Хитозан
0.87
2.92
Вода
70.14
0.00
Всего
100.00
100.00
Следует понимать, что настоящее описание приведено в качестве примера, и различные изменения могут быть выполнены путем добавления, модифицирования или удаления частностей, не выходя за рамки полного раскрытия, приведенного в настоящем описании. Таким образом, изобретение не ограничено конкретными частностями согласно настоящему описанию за исключением ограничений, налагаемых приведенными далее пунктами формулы изобретения.