ВЫСОКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОКСИЭТИЛИРОВАННОГО КРАХМАЛА И ДИСПЕРГАТОРА В ГИПСОВОЙ СТЕНОВОЙ ПЛИТЕ
HIGH CONTENT OF HYDROXYETHYLATED STARCH AND DISPERSANT IN GYPSUM WALL BOARD

Эта заявка является частичным продолжением заявки на патент США №11/592481, поданной 2 ноября 2006 г., которая является частичным продолжением заявки на патент США №11/449177, поданной 7 июня 2006 г., и которая также является частичным продолжением заявки на патент США №11/445906, поданной 2 июня 2006 г., каждая из которых заявляет преимущество предварительной заявки на патент США №60/688839, поданной 9 июня 2005 г. Полные описания каждой из вышеизложенных патентных заявок включены здесь ссылкой.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение относится к способу получения гипсовых суспензий, содержащих гидроксиэтилированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия, и полученных из них продуктов. Оно также относится к способу повышения сухой прочности гипсосодержащих продуктов, включая стеновую плиту, путем использования нафталинсульфонатного диспергатора в сочетании с гидроксиэтилированным крахмалом и триметафосфатом натрия в суспензии, используемой для получения таких продуктов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
4
2
4
2
Определенные свойства гипса (двуводный сульфат кальция) делают его очень популярным для использования при изготовлении промышленных и строительных продуктов, таких как гипсовая стеновая плита. Гипс является имеющимся в избытке и в основном недорогим сырьевым материалом, который с помощью процесса дегидратации и регидратации может быть отлит, отформован или другим образом сформирован в пригодные формы. Основным материалом, из которого изготавливают гипсовую стеновую плиту и другие гипсовые продукты, является гемигидратная форма сульфата кальция (CaSO·1/2HO), обычно называемая “строительный гипс”, которую производят путем теплового преобразования двуводной формы сульфата кальция (CaSO·2HO), из которой удалили 1-1/2 молекул воды.
Стандартные содержащие гипс продукты, такие как гипсовая стеновая плита, имеют много преимуществ, таких как низкая стоимость и легкая обрабатываемость, хотя могут образовывать значительные количества гипсовой пыли, когда продукты режут или сверлят. Были достигнуты различные усовершенствования в изготовлении содержащих гипс продуктов при использовании крахмалов как ингредиентов в суспензиях, используемых для изготовления таких продуктов. Желатинизированный крахмал, подобно клею, может увеличивать прочность на изгиб и прочность на сжатие содержащих гипс продуктов, включая гипсовую стеновую плиту. Известная гипсовая стеновая плита содержит крахмал на уровнях менее чем приблизительно 10 lbs/MSF (фунтов/1000 кв. футов плиты).
Также необходимо использовать значительные количества воды в гипсовых суспензиях, включающих желатинизированный крахмал, с целью обеспечения соответствующей текучести суспензии. К сожалению, большая часть этой воды в конечном итоге должна быть удалена с помощью сушки, которая является дорогой из-за высокой стоимости топлива, используемого в процессе сушки. Также этот этап сушки является трудоемким. Обнаружено, что использование нафталинсульфонатных диспергаторов может увеличивать текучесть суспензий, тем самым преодолевая проблему потребности в воде. Дополнительно также обнаружено, что нафталинсульфонатные диспергаторы, если уровень использования достаточно высокий, могут поперечно связываться с желатинизированным крахмалом для связывания кристаллов гипса вместе после сушки, тем самым увеличивая прочность гипсового композита в сухом состоянии. Таким образом, комбинация желатинизированного крахмала и нафталинсульфонатного диспергатора обеспечивает подобный клею эффект при связывании данных кристаллов гипса вместе. Ранее не отмечалось, что соли триметафосфата влияют на потребности гипсовой суспензии в воде. Однако данные изобретатели обнаружили, что увеличение уровня соли триметафосфата до уровней, неизвестных до настоящего времени, в присутствии специфического диспергатора делает возможным достижение соответствующей текучести суспензии с непредвиденно уменьшенным количеством воды, даже в присутствии высоких уровней крахмала. Это, несомненно, весьма желательно, так как в свою очередь снижает использование топлива для сушки, так же как и время обработки, связанное с последующими технологическими этапами удаления воды. Таким образом, данные изобретатели также обнаружили, что прочность гипсовой плиты в сухом состоянии может увеличиваться при использовании нафталинсульфонатного диспергатора в комбинации с желатинизированным крахмалом в суспензии, использованной для изготовления стеновой плиты.
Гипсовые стеновые плиты данного изобретения следует отличать от звукоизоляционных плит или плиток, которые не имеют облицовочных листов. Также стеновые плиты данного изобретения следует отличать от звукоизоляционных плит или плиток, которые включают полистирол как легковесный наполнитель. Важно, что вышеупомянутые звукоизоляционные плиты и плитки не отвечают многим стандартам ASTM (Американского общества специалистов по испытаниям материалов), которые применяются для гипсовых стеновых плит. Например, известные звукоизоляционные плиты не имеют прочности на изгиб, требуемой для гипсовых стеновых плит, включая плиты данного изобретения. Наоборот, чтобы звукоизоляционные плиты или плитки отвечали стандартам ASTM, требуется, чтобы открытая поверхность звукоизоляционных плит или плиток имела полые пустоты или углубления, которые были бы нежелательны в гипсовой стеновой плите и отрицательно сказывались на сопротивлении к вытягиванию гвоздей и характеристиках твердости поверхности.
Пылеобразование является потенциальной проблемой в течение установки всей стеновой плиты. Когда гипсовая стеновая плита обрабатывается, например, резанием, пилением, фрезерованием, отломом, забиванием гвоздей завинчиванием или сверлением, могут образоваться значительные количества гипсовой пыли. Для целей данного раскрытия “образование пыли” и “пылеобразование” означает высвобождение переносимой по воздуху пыли в окружающее рабочее пространство в течение обработки содержащего гипс продукта, с помощью, например, резания, пиления, трассирования, надпила/отлома, забивания гвоздей завинчивания или сверления стеновой плиты. Обработка может также в основном включать обычную ручную обработку плиты, включающую пыль, произведенную случайным выскабливанием, и образование надрезов плит в течение транспортировки, переноски и установки. Если может быть найден способ изготовления стеновой плиты низкой плотности, при котором такое пылеобразование значительно снижено, это будет представлять чрезвычайно полезный вклад в технику.
Желатинизированный крахмал может привести к пригодным гипсосодержащим суспензиям. Одним недостатком желатинизированного крахмала по сравнению с обычным кислотно-модифицированным крахмалом является его более высокая потребность в воде. Поэтому необходимы более высокие соотношения вода-строительный гипс для получения суспензии с желатинизированным крахмалом, который имеет текучесть, приемлемую для формирования стеновой плиты. Кроме того, если возможно найти способ увеличения текучести конкретной гипсосодержащей суспензии, включающей альтернативный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия, в то же время поддерживая соответствующую прочность или улучшенную прочность завершенной гипсовой стеновой плиты, это внесло бы полезный вклад в данную область техники.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение в основном охватывает суспензию, включающую строительный гипс, гидроксиэтилированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия. Нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1% до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Гидроксиэтилированный крахмал присутствует в количестве приблизительно от 0,5 до 10 масс.% относительно массы сухого строительного гипса в составе. Триметафосфат натрия присутствует в количестве приблизительно от 0,1 до 0,4 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Другие добавки в суспензии могут включать ускорители, связующие, бумажные или стеклянные волокна и другие известные составляющие. Данное изобретение также охватывает гипсосодержащие продукты, полученные относительно таких суспензий.
Предпочтительным гипсосодержащим продуктом является гипсовая стеновая плита. В данном осуществлении изобретение рассматривает гипсовую стеновую плиту, включающую отвердевшую гипсовую композицию, сформированную между двумя существенно параллельными покровными листами, при этом отвердевшая гипсовая композиция получена с использованием гипсосодержащей суспензии воды, строительного гипса, гидроксиэтилированного крахмала, нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия. Эта гипсовая стеновая плита, изготовленная согласно данному изобретению, имеет неожиданно высокую прочность при ее весе намного ниже веса традиционных плит.
В другом осуществлении изобретение предусматривает способ получения гипсовой стеновой плиты путем смешения гипсосодержащей суспензии, включающей воду, строительный гипс, гидроксиэтилированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия, при этом гидроксиэтилированный крахмал присутствует в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 масс.% до приблизительно 10 масс.% относительно массы строительного гипса. Полученную в результате гипсосодержащую суспензию осаждают на первый бумажный покровный лист, а второй бумажный покровный лист помещают поверх осажденной суспензии для формирования гипсовой стеновой плиты. Гипсовую стеновую плиту режут после того, как гипсосодержащая суспензия достаточно отвердела для резания, и полученную гипсовую плиту сушат. Другие традиционные ингредиенты также используют в суспензии, включая, где уместно, ускорители, связующие, бумажные волокна, стеклянные волокна и другие известные ингредиенты. Мыльную пену обычно добавляют для уменьшения плотности завершенного продукта гипсовой стеновой плиты.
Данное изобретение в основном относится к гипсовой стеновой плите с низким пылеобразованием, включающей отвердевший гипсовый заполнитель, сформированный между двумя существенно параллельными покровными листами, при этом отвердевший гипсовый заполнитель имеет общий объем пустот приблизительно от 75 до 95%, отвердевший гипсовый заполнитель изготовлен из гипсосодержащей суспензии, содержащей воду, строительный гипс, желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор, отличающейся тем, что желатинизированный крахмал присутствует в количестве приблизительно от 0,5 до приблизительно 10 масс.% относительно массы строительного гипса. Нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1 до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Необязательно, триметафосфат натрия присутствует в количестве, по меньшей мере, приблизительно 0,12 масс.% относительно массы строительного гипса. В предпочтительном осуществлении соль триметафосфата присутствует в количестве приблизительно от 0,12 до 0,4 масс.% относительно массы сухого строительного гипса.
3
Согласно предпочтительному осуществлению данное изобретение относится к гипсовой стеновой плите с низким пылеобразованием, включающей отвердевший гипсовый заполнитель, включающий желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор, сформированный между двумя существенно параллельными покровными листами, при этом гипсовый заполнитель имеет общий объем пустот приблизительно от 80 до 92%, где, по меньшей мере, 60% общего объема пустот представляют собой воздушные пустоты со средним диаметром менее чем приблизительно 100 микрон, и отвердевший гипсовый заполнитель имеет плотность приблизительно от 10 pcf (фунтов/куб. фут) до приблизительно 30 pcf. Выражение “pcf” определено как фунты на кубический фут (lb/ft). Отвердевший гипсовый заполнитель изготовлен из гипсосодержащей суспензии, содержащей строительный гипс, желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор, при этом желатинизированный крахмал присутствует в количестве приблизительно от 0,5 до приблизительно 10 масс.% относительно массы строительного гипса. Предпочтительно нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1 до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса.
Гипсовая стеновая плита, выполненная в соответствии с данным изобретением, имеет высокую прочность, но значительно меньшую массу, чем стандартные стеновые плиты. В дополнение к этому, оказалось, что обеспечение общего объема пустот в отвердевшем гипсовом заполнителе приблизительно от 75 до 95%, предпочтительно приблизительно от 80 до 92%, приводит к пониженному пылеобразованию при резании, пилении, фрезеровании, отломе, забивании гвоздей вкручивании шурупов или сверлении гипсовых стеновых плит, изготовленных согласно настоящему осуществлению изобретения.
Согласно другому осуществлению изобретение относится к способу получения высокопрочной гипсовой стеновой плиты с низким пылеобразованием путем смешения гипсосодержащей суспензии, содержащей воду, строительный гипс, желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор, где нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1 до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, желатинизированный крахмал присутствует в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 до 10 масс.% относительно массы строительного гипса, и добавления достаточного количества мыльной пены к гипсосодержащей суспензии для образования общего объема пустот, включая воздушные пустоты, приблизительно от 75 до 95% в завершенной стеновой плите. Полученную в результате гипсосодержащую суспензию осаждают на первый бумажный покровный лист или другой подходящий покровный лист, а второй бумажный покровный лист или другой подходящий покровный лист помещают поверх осажденной суспензии для формирования гипсовой стеновой плиты. Гипсовую стеновую плиту режут после того, как гипсосодержащая суспензия достаточно затвердела для резания, и полученную в результате стеновую плиту сушат, чтобы обеспечить общий объем пустот, включая воздушные пустоты, в отвердевшем гипсовом заполнителе в завершенной стеновой плите, приблизительно от 75 до 95%. Содержащая гипс суспензия может факультативно включать соль триметафосфата, например триметафосфат натрия. Другие традиционные ингредиенты также используют в суспензии, включая, где уместно, ускорители, связующие, водоотталкивающие средства, бумажное волокно, стеклянное волокно, глину, биоцид и другие известные ингредиенты.
Согласно другому осуществлению изобретение относится к способу применения гипсовой стеновой плиты с низким пылеобразованием, предусматривающему гипсовую стеновую плиту с низким пылеобразованием с отвердевшим гипсовым заполнителем, имеющим общий объем пустот приблизительно от 75 до 95%, где, по меньшей мере, 60% общего объема пустот составляют воздушные пустоты со средним диаметром менее чем приблизительно 100 микрон, и включающим водные пустоты со средним диаметром менее чем приблизительно 5 микрон, обработку гипсовой стеновой плиты таким образом, который приводит к образованию гипсовой пыли (например, резание, пиление, фрезерование, зарубка/надрез, забивание гвоздей, вкручивание шурупов или сверление); и улавливание значительной части гипсовой пыли пустотами.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Неожиданно оказалось, что гидроксиэтилированные крахмалы обладают пониженной потребностью в воде, одновременно усиливая текучесть гипсосодержащей суспензии. Кроме того, завершенные гипсовые стеновые плиты, полученные из гипсосодержащих суспензий, включающих воду, строительный гипс, гидроксиэтилированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия, проявляют улучшенные прочностные свойства, в частности улучшенные характеристики при вытягивании гвоздей.
Гидроксиэтилированный крахмал, на который иногда ссылаются как на «этилированный» крахмал, должен использоваться в гипсосодержащих суспензиях, полученных согласно настоящему изобретению. Предпочтительно гидроксиэтилированный крахмал представляет собой S-Size 30G, модифицированный кукурузный крахмал, поставляемый компанией PacMoore Products, Hammond, Индиана, обладает следующим стандартным анализом: содержание влаги 10 до 13%, pH 5,0 до 7,5, размер частиц характеризуется 95% проходящих через меш 100, удельный вес 1,50, молекулярная масса: более чем приблизительно 10,000, объемная плотность 35 pcf. См. также Пример 11.
Гидроксиэтилированный кукурузный крахмал нужно использовать в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 до 10 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в содержащей гипс суспензии. Согласно предпочтительному осуществлению гидроксиэтилированный крахмал используют в количестве приблизительно 3 масс.% относительно массы сухого строительного гипса.
3
Желатинизированный крахмал можно использовать в гипсосодержащих суспензиях, полученных согласно настоящему изобретению. Предпочтительный желатинизированный крахмал представляет собой желатинизированный кукурузный крахмал, например желатинизированную кукурузную муку, доступную от Bunge Milling, St.Louis, Миссури, имеющую следующий типичный состав: влажность 7,5%, белок 8,0%, масло 0,5%, сырое волокно 0,5%, зола 0,3%; имеющую дообжиговую прочность 0,48 psi (фунтов на квадратный дюйм) и имеющую насыпную плотность 35,0 фунт/фут. Желатинизированный кукурузный крахмал должен использоваться в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 до 10 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в гипсосодержащей суспензии.
Повышенная текучесть гипсосодержащих суспензий обусловлена низкой вязкостью. Обнаружили, что конкретное сочетание гидроксиэтилированного крахмала, нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия, использованное в гипсосодержащей суспензии, приготовленной согласно настоящему изобретению, обеспечивает низкую вязкость и улучшенные характеристики пленкообразования по сравнению с суспензиями, приготовленными с другими крахмалами. Например, в водных суспензиях, содержащих желатинизированный крахмал, вязкость относительно высокая, в то время как пленки с хорошей прочностью получают путем варки. В водных образцах, содержащих гидроксиэтилированный крахмал и диспергатор, вязкости понижены, а получаемая пленка слишком мягкая. В водных образцах, содержащих гидроксиэтилированный крахмал, диспергатор и триметафосфат натрия, вязкости понижены, а получаемая пленка прочна и эластична. См. Пример 12.
Не претендуя на теоретическое обоснование конкретная комбинация гидроксиэтилированного крахмала, нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия, использованная в гипсосодержащей суспензии для получения гипсовой стеновой плиты, обеспечивает неожиданно улучшенное поперечное сшивание, приводя к получению более гибкой, но прочной и эластичной пленки, что приводит к получению намного лучших свойств при вытягивании гвоздей и других прочностных характеристик, чем было предсказано.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, предусмотрены завершенные гипсосодержащие продукты, полученные из гипсосодержащих суспензий, содержащих строительный гипс, гидроксиэтилированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия. Нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1% до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Гидроксиэтилированный крахмал присутствует в количестве приблизительно от 0,5 масс.% до приблизительно 10 масс.% относительно массы сухого строительного гипса в составе. Триметафосфат натрия присутствует в количестве приблизительно от 0,1% до 0,4 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Другие ингредиенты, которые можно использовать в суспензии, включают связующие, бумажное волокно, стеклянное волокно и ускорители. Мыльную пену обычно добавляют к вновь сформулированным гипсосодержащим суспензиям для понижения плотности завершенного гипсосодержащего продукта, например гипсовой стеновой плиты.
Данные изобретатели дополнительно обнаружили, что неожиданное увеличение прочности в сухом состоянии (в особенности в стеновой плите) можно получить при применении, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 до 10 масс.% желатинизированного крахмала (предпочтительно желатинизированного кукурузного крахмала) в присутствии приблизительно от 0,1 до 3,0 масс.% нафталинсульфонатного диспергатора (уровни крахмала и нафталинсульфоната основаны на массе сухого строительного гипса, присутствующего в составе). Такой неожиданный результат можно получить независимо от того, присутствуют ли водорастворимый триметафосфат или полифосфат или нет.
Кроме того, обнаружили, что желатинизированный крахмал можно использовать при уровнях, по меньшей мере, приблизительно от 10 фунт/MSF или более в высушенной гипсовой стеновой плите, выполненной в соответствии с данным изобретением, и все еще можно достичь высокой прочности и низкой массы. Показали, что эффективными являются уровни желатинизированного крахмала в гипсовой стеновой плите, равные 35-45 фунт/MSF. Например, состав B, как показано в Таблицах 1 и 2 ниже, включает 45 фунт/MSF, все еще дает плиту массой 1042 фунт/MSF, имеющую хорошую прочность. В этом примере (состав В) нафталинсульфонатный диспергатор был использован при уровне 1,28 масс.% в виде 45 масс.% раствора в воде.
Дальнейший неожиданный результат может быть достигнут в данном изобретении, когда комбинацию нафталинсульфонатного диспергатора соли триметафосфата соединяют с желатинизированным кукурузным крахмалом и необязательно бумажным волокном или стекловолокном. Гипсовая стеновая плита, выполненная из составов, включающих эти три ингредиента, имеет увеличенную прочность и уменьшенную массу и является более экономически выгодной из-за пониженных потребностей в воде при их изготовлении. Приемлемые уровни бумажного волокна могут варьировать до приблизительно 2 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Приемлемые уровни стекловолокна могут варьировать до приблизительно 2 масс.% относительно массы сухого строительного гипса.
Также неожиданно обнаружилось, что гипсовая стеновая плита, полученная с использованием гипсосодержащей суспензии, включающей строительный гипс, желатинизированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор и соответствующее количество мыльной пены, обеспечивает не только получение очень низких плотностей плиты заполнителя, приблизительно от 10 до 30 pcf (и тем самым низкую массу плиты), но также и низкое пылеобразование при нормальной обработке и обращении с плитой, таких как, например, резание, пиление, фрезерование, зарубка/надрез, забивание гвоздей вкручивание шурупов или сверление, когда общий объем пустот отвердевшего гипсового заполнителя составляет приблизительно от 80 до 92%. Следовательно, эта стеновая плита легче подвергается резанию, чем другие известные продукты. Введение мыльной пены приводит к образованию маленьких воздушных (пузырьковых) пустот, которые в среднем могут быть меньше чем приблизительно 100 микрон в диаметре, но в основном больше чем приблизительно 10 микрон в диаметре и предпочтительно больше чем приблизительно 20 микрон в диаметре. Данное изобретение требует, чтобы эти маленькие воздушные пузырьки вместе с пустотами испаренной воды (в основном приблизительно 5 микрон в диаметре или менее, обычно менее чем приблизительно 2 микрона в диаметре) были в основном равномерно распределены по всему отвердевшему гипсовому заполнителю в конечных продуктах стеновых плит. Например, отвердевший гипсовый заполнитель может иметь общий объем пустот приблизительно от 80 до 92%, где, по меньшей мере, 60% общего объема пустот составляют воздушные пустоты со средним диаметром больше чем приблизительно 10 микрон и, по меньшей мере, 10% общего объема пустот составляют водные пустоты со средним диаметром меньше чем приблизительно 5 микрон. Считается, что заполнитель плиты низкой плотности, изготовленной данным способом, с общим объемом пустот данного гипсового заполнителя приблизительно от 80 до 92% как воздушных, так и водных пустот (общий объем пустот заполнителя) захватывает значительное количество мелкой пыли и других отходов в полостях, подвергающихся резанию, пилению, фрезерованию, отломке, забиванию гвоздей завинчиванию или сверлению плит, так что образование пыли значительно уменьшается и она не переносится воздухом.
Регидратация гемигидрата сульфата кальция (строительного гипса) с последующим твердением требует конкретного теоретического количества воды (1-1/2 молей воды/моль строительного гипса) для формирования кристаллов дигидрата сульфата кальция. Однако в коммерческом процессе в основном прибегают к избытку воды. Такой избыток технической воды производит пустоты испаренной воды в гипсовой кристаллической матрице, которая обычно в основном неоднородна по форме, которые также будучи взаимосвязанными с другими водными пустотами, формируют каналы неправильной формы в практически непрерывной структуре между отвердевшими кристаллами гипса. В отличие от этого, воздушные (пузырьковые) пустоты вводят в гипсовую суспензию путем использования мыльной пены. В отличие от этого, воздушные (пузырьковые) пустоты вводят в гипсовую суспензию путем использования мыльной пены. Водные пустоты могут быть распределены в стенках воздушных пустот.
Эффективность захвата пыли зависит от композиции отвердевшего гипсового заполнителя. Обнаружено, что нафталинсульфонатные диспергаторы, если уровень использования достаточно высокий, могут поперечно связываться с желатинизированным крахмалом для связывания кристаллов гипса вместе после сушки, тем самым увеличивая прочность гипсового композита в сухом состоянии. Кроме того, неожиданно обнаружилось, что комбинация желатинизированного крахмала и нафталинсульфонатного диспергатора (органическая фаза) обеспечивает подобный клею эффект при связывании отвердевших кристаллов гипса вместе и, когда этот состав сочетается с определенным объемом пустот и распределением пустот, это приводит к образованию фрагментов большего размера при надпиле/отломке конечной стеновой плиты. Большие гипсовые фрагменты в основном производят меньше пыли, переносимой по воздуху. В отличие от этого, если используется стандартный состав стеновой плиты, образуются меньшие фрагменты и, таким образом, больше пыли. Например, стандартные стеновые плиты могут образовывать пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр приблизительно от 20 до 30 микрон и минимальный диаметр приблизительно 1 микрон. В отличие от этого, гипсовые стеновые плиты данного изобретения образовывают пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр приблизительно от 30 до 50 микрон и минимальный диаметр приблизительно 2 микрона, надпил/отломка может производить даже большие фрагменты.
В более мягких стеновых плитах пыль может захватываться как в водные пустоты, так и в воздушные пустоты (например, захват мелких иголок гипса, как пыли из отдельных кристаллов). Более твердые стеновые плиты способствуют захвату пыли в воздушные пустоты, так как при обработке этих плит образуются большие куски или фрагменты отвердевшего гипсового заполнителя. В данном случае фрагменты пыли слишком большие для водных пустот, но улавливаются в воздушные пустоты. В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения возможно достичь увеличение захвата пыли введением предпочтительного распределения размера пустоты/поры внутри отвердевшего гипсового заполнителя. Предпочтительно иметь распределение пустот маленького и большого размера, как распределение воздушных и водных пустот. В одном варианте осуществления предпочтительное распределение воздушной пустоты может быть приготовлено с использованием мыльной пены. См. Примеры 6 и 7 ниже.
Отношение воздушных пустот (более чем приблизительно 10 микрон) к водным пустотам (менее чем приблизительно 5 микрон) в пределах отвердевшего гипсового заполнителя может составлять приблизительно от 1,8:1 до 9:1. Предпочтительное отношение воздушных пустот (более чем приблизительно 10 микрон) к водным пустотам (менее чем приблизительно 5 микрон) в пределах отвердевшего гипсового заполнителя может быть приблизительно от 2:1 до 3:1. В одном варианте осуществления распределение размера пустоты/поры в отвердевшем гипсовом заполнителе должно составлять приблизительно от 10 до 30% пустот менее приблизительно 5 микрон и приблизительно от 70 до 90% пустот более чем приблизительно 10 микрон, как процентное соотношение всех измеренных пустот. Другими словами, отношение воздушных пустот (более чем 10 микрон) к водным пустотам (менее чем 5 микрон) в отвердевшем гипсовом заполнителе варьируется приблизительно от 2,3:1 до 9:1. В предпочтительном варианте осуществления распределение размера пустоты/поры в отвердевшем гипсовом заполнителе должно варьировать приблизительно от 30 до 35% пустот менее чем приблизительно 5 микрон и приблизительно от 65 до 70% пустот более чем приблизительно 10 микрон, как процентное соотношение всех измеренных пустот. Другими словами, отношение воздушных пустот (более чем 10 микрон) к водным пустотам (менее чем 5 микрон) в отвердевшем гипсовом заполнителе варьирует приблизительно от 1,8:1 до приблизительно 2,3:1.
Предпочтительно, чтобы средний размер воздушной (пузырьковой) пустоты составлял менее чем приблизительно 100 микрон в диаметре. В предпочтительном варианте осуществления распределение размеров пустоты/поры в отвердевшем гипсовом заполнителе составляет: более чем приблизительно 100 микрон (20%), приблизительно от 50 микрон до приблизительно 100 микрон (30%) и менее чем приблизительно 50 микрон (50%). То есть предпочтительный средний размер пустоты/поры составляет приблизительно 50 микрон.
Воздушные пустоты могут уменьшить прочность связывания между вспененным рыхлым отвердевшим гипсовым заполнителем и покрывными листами. Поскольку более чем половина композитных гипсовых плит по объему может состоять из воздушных пустот благодаря пене, пена может препятствовать связыванию между вспененным рыхлым отвердевшим гипсовым заполнителем и бумажными покрывными листами. Это рассматривается на факультативно представленном невспененном (или пониженно вспененном) связывающем высокоплотном слое на поверхностях гипсового заполнителя, контактирующих либо с верхним покрывным листом, либо с нижним покрывным листом, или обоими, и верхним покрывным листом, и нижним покрывным листом, перед нанесением покрывных листов на заполнитель. Состав такого невспененного или, альтернативно, пониженно вспененного связывающего высокоплотного слоя обычно будет тот же, что и состав заполнителя гипсовой суспензии, за исключением того, что мыло или не будет добавлено, или будет добавлено значительно уменьшенное количество мыла (пены). Факультативно с целью формирования такого связывающего слоя пена может быть механически удалена из состава заполнителя, или может наноситься другой состав без пены на поверхность раздела вспененного рыхлого отвердевшего гипсового заполнителя/облицовочной бумаги.
Мыльная пена предпочтительна для введения и контроля размеров воздушных (пузырьковых) пустот и распределения в отвердевшем гипсовом заполнителе и для контроля плотности отвердевшего гипсового заполнителя. Предпочтительный диапазон мыла составляет приблизительно от 0,2 фунт/MSF до приблизительно 0,7 фунт/MSF; более предпочтительный уровень мыла составляет приблизительно от 0,4 фунт/MSF до приблизительно 0,5 фунт/MSF.
Мыльная пена должна быть добавлена в количестве, эффективном для получения желаемых плотностей, и регулируемым способом. С целью контроля процесса оператор должен наблюдать за верхней частью линии формирования плиты и держать оболочку наполненной. Если оболочку не держать наполненной, получатся стеновые плиты с полыми краями, поскольку суспензия не сможет заполнить необходимый объем. Объем оболочки держат наполненным путем увеличения использования мыла для предотвращения разрушения воздушных пузырьков во время изготовления плиты (для лучшего сохранения воздушных пузырьков) или увеличением нормы воздушной пены. Таким образом, в основном объем оболочки контролируется и регулируется либо путем увеличения или уменьшения использования мыла, либо путем увеличения или уменьшения нормы воздушной пены. Техника контролирования верхней части включает регулировки до "динамической суспензии" в таблице добавлением мыльной пены для увеличения объема суспензии или уменьшением использования мыльной пены для уменьшения объема суспензии.
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения представлены конечные содержащие гипс продукты, выполненные из содержащих гипс суспензий, включающих строительный гипс, желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор. Нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве приблизительно от 0,1% до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. Желатинизированный крахмал присутствует в количестве, по меньшей мере, приблизительно от 0,5 до 10 масс.% относительно массы сухого строительного гипса в составе. Другие ингредиенты, которые могут быть использованы в суспензии, включают вяжущие вещества, водоотталкивающие средства, бумажное волокно, стекловолокно, глину, биоцид и ускорители. Данное изобретение требует добавления мыльной пены к вновь составленным гипсосодержащим суспензиям для уменьшения плотности конечного гипсосодержащего продукта, например гипсовой стеновой плиты, и для контроля пылеобразования путем введения общего объема пустот приблизительно от 75 до 95%, предпочтительно приблизительно от 80 до 92%, в форме мелких воздушных (пузырьковых) пустот и водных пустот в отвердевшем гипсовом заполнителе. Предпочтительно распределение среднего размера пор будет составлять приблизительно от 1 микрона (водные пустоты) до приблизительно 40-50 микрон (воздушные пустоты).
Факультативно комбинация приблизительно от 0,5 масс.% до приблизительно 10 масс.% желатинизированного крахмала, приблизительно от 0,1 до 3,0 масс.% нафталинсульфонатного диспергатора и минимально, по меньшей мере, приблизительно от 0,12 до 0,4 масс.% соли триметафосфата (все относительно массы сухого строительного гипса, использованного в гипсовой суспензии) непредвиденно и значительно увеличивает текучесть гипсовой суспензии. Это значительно уменьшает количество воды, требуемой для изготовления гипсовой суспензии с достаточной текучестью для использования в изготовлении содержащих гипс продуктов, таких как гипсовая стеновая плита. Предполагают, что уровень соли триметафосфата, который равен, по меньшей мере, приблизительно вдвое больше, чем в стандартных составах (как триметафосфат натрия), повысит диспергирующую активность нафталинсульфонатного диспергатора.
Нафталинсульфонатный диспергатор может использоваться в содержащих гипс суспензиях, изготовленных в соответствии с данным изобретением. Нафталинсульфонатные диспергаторы, используемые в данном изобретении, включают полинафталинсульфоновую кислоту и ее соли (полинафталинсульфонаты) и производные, которые являются продуктами конденсации нафталинсульфоновых кислот и формальдегида. Особенно желательно, чтобы полинафталинсульфонаты включали нафталинсульфонаты натрия и кальция. Средняя молекулярная масса нафталинсульфонатов может варьировать приблизительно от 3000 до 27000, хотя предпочтительно, чтобы молекулярная масса была приблизительно от 8000 до 22000, и более предпочтительно, чтобы молекулярная масса была приблизительно от 12000 до 17000. Как коммерческий продукт диспергатор с повышенной молекулярной массой имеет повышенную вязкость и пониженное содержание твердых веществ, чем диспергатор с пониженной молекулярной массой. Пригодные нафталинсульфонаты включают DILOFLO, DAXAD и LOMAR D, доступные от GEO Specialty Chemicals, Lafayette, Indiana. Нафталинсульфонаты предпочтительно используют в виде водных растворов в пределах концентраций 35-55 масс.% твердого вещества, например. Наиболее предпочтительно использовать нафталинсульфонаты в форме водных растворов, например, в пределах концентраций приблизительно 40-45 масс.% твердого вещества. Альтернативно, по необходимости нафталинсульфонаты могут использоваться в сухой твердой или порошковой форме, такой как LOMAR D, например.
Полинафталинсульфонаты, приемлемые в данном изобретении, имеют общую структуру (I):
где n>2 и где M представляет собой натрий, калий, кальций и подобное.
Нафталинсульфонатный диспергатор, предпочтительно как приблизительно 45 масс.% раствора в воде, можно использовать в диапазоне приблизительно от 0,5 до 3,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Более предпочтительный диапазон нафталинсульфонатного диспергатора составляет приблизительно от 0,5 до 2,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, и наиболее предпочтительный диапазон составляет приблизительно от 0,7 до 2,0 масс.% относительно массы сухого строительного гипса. В отличие от этого, известная гипсовая стеновая плита содержит такой диспергатор при уровнях приблизительно 0,4 масс.% или менее относительно массы сухого строительного гипса.
Другими словами, нафталинсульфонатный диспергатор относительно сухой массы может использоваться в диапазоне приблизительно от 0,1 до 1,5 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Более предпочтительный диапазон концентраций нафталинсульфонатного диспергатора относительно сухих твердых веществ составляет приблизительно от 0,25 до 0,7 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, и наиболее предпочтительный диапазон (относительно сухих твердых веществ) составляет приблизительно от 0,3 до 0,7 масс.% относительно массы сухого строительного гипса.
Гипсосодержащая суспензия может необязательно включать соль триметафосфата, например триметафосфат натрия. Любой приемлемый водорастворимый метафосфат или полифосфат может использоваться в соответствии с данным изобретением. Предпочтительно использовать соль триметафосфата, включая двойные соли, а именно соли триметафосфата, имеющие два катиона. Особо приемлемые соли триметафосфата включают триметафосфат натрия, триметафосфат калия, триметафосфат кальция, триметафосфат натрия кальция, триметафосфат лития, триметафосфат аммония и им подобные или их комбинации. Предпочтительной солью триметафосфата является триметафосфат натрия. Предпочтительно использовать соль триметафосфата как водный раствор, например, в диапазоне приблизительно от 10 до 15 масс.% содержания твердых веществ. Другие циклические или ациклические полифосфаты могут также использоваться, как описано в патенте США №6409825 Yu et al., включенном здесь путем ссылки.
Триметафосфат натрия является известной добавкой в содержащих гипс композициях, хотя в основном используется в диапазоне приблизительно от 0,05 до 0,08 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в гипсовой суспензии. В вариантах осуществления данного изобретения триметафосфат натрия (или другой водорастворимый метафосфат или полифосфат) может присутствовать в пределах концентраций приблизительно от 0,10 до 0,4 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Предпочтительный диапазон триметафосфата натрия (или другого водорастворимого метафосфата или полифосфата) составляет приблизительно от 0,12 до 0,3 масс.% относительно массы сухого строительного гипса, используемого в составе гипсового композита.
Существуют две формы строительного гипса, альфа и бета. Эти два типа строительного гипса изготавливаются различными способами обжига. В данном изобретении может использоваться или бета, или альфа форма строительного гипса.
В содержащих гипс композициях данного изобретения можно использовать ускорители, как описано в патенте США №6409825 Yu et al., включенном в данное описание ссылкой. Один подходящий термостойкий ускоритель (HRA) может быть сделан из сухого помола природного гипса (дигидросульфат кальция). Небольшие количества добавок (обычно приблизительно 5 масс.%), таких как сахар, декстроза, борная кислота и крахмал, могут использоваться для изготовления этого HRA. На данный момент предпочтителен сахар или декстроза. Другим приемлемым ускорителем является “ускоритель, стабилизированный по климату” или “климатостойкий ускоритель” (CSA), как описано в патенте США №3573947, включенном в данное описание ссылкой.
Отношение вода/строительный гипс (в/г), или «ОВГ», является важным параметром, так как избыток воды должен быть в конечном итоге удален нагреванием. В вариантах осуществления данного изобретения предпочтительное отношение в/г составляет приблизительно от 0,7 до приблизительно 1,3. В предпочтительном варианте осуществления в/г составляет приблизительно 0,8.
Другие добавки в гипсовую суспензию могут включать ускорители, связывающие вещества, водоотталкивающие средства, бумажные волокна или стекловолокна, глину, биоцид и другие известные составляющие.
Покрывные листы могут быть сделаны из бумаги, как в стандартных гипсовых стеновых плитах, хотя могут использоваться и другие приемлемые материалы покрывных листов, известные в технике (например, стекловолокнистые маты). Бумажные покрывные листы обеспечивают прочностные характеристики в гипсовой стеновой плите. Приемлемая бумага покрывного листа включает 7-слойную Manila и 5-слойную News-Line, доступные от United States Gypsum Corporation, Chicago, Illinois; 3-слойную Grey-Back и 3-слойную Manila Ivory, доступные от Caraustar, Newport, Indiana; плотную бумагу Manila и бумагу HT (высокопрочную) МН Manila, доступные от United States Gypsum Corporation, Chicago, Illinois. Бумажные покрывные листы включают верхние покрывные листы, или облицовочную бумагу, и нижние покрывные листы, или бумажную подложку. Предпочтительной бумажной подложкой покрывного листа является 5-слойная News-Line. Предпочтительная облицовочная бумага покрывного листа включает НТ (высокопрочную) бумагу МН Manila НТ и 7-слойную Manila.
2
Волокнистые маты могут также использоваться как один или оба покрывных листа. Один приемлемый волокнистый мат представляет собой стекловолокнистый мат, в котором нити стекловолокна соединены вместе с помощью адгезива. Предпочтительно, чтобы волокнистые маты были неткаными стекловолокнистыми матами, в которых нити стекловолокна соединены вместе с помощью адгезива. Наиболее предпочтительно, чтобы нетканые стекловолокнистые маты имели толстое смоляное покрытие. Например, можно использовать нетканые стекловолокнистые маты Duraglass, доступные от Johns-Manviile, имеющие массу приблизительно от 1,2 до 2,0 фунт/100 футов, с приблизительно 40%-50% массы мата от смоляного покрытия. Другие приемлемые волокнистые маты включают, но не ограничены ткаными стеклянными матами и нецеллюлозными тканями.
Следующие примеры подробнее иллюстрируют данное изобретение. Они не должны толковаться как каким-либо образом ограничивающие область данного изобретения.
ПРИМЕР 1
Образец составов гипсовой суспензии
Составы гипсовой суспензии показаны в Таблице 1 ниже. Все величины в Таблице 1 выражены как массовые проценты относительно массы сухого строительного гипса. Величины в скобках представляют собой массу в сухом состоянии в фунтах (фунт/MSF).
ТАБЛИЦА 1
Компонент
Состав А
Состав Б
Строительный гипс (фунт/MSF)
(732)
(704)
Триметафосфат натрия
0.20 (1.50)
0.30 (2.14)
Диспергатор (нафталинсульфонат)
0.18 (1.35)
0.58<sup>1</sup> (4.05)
Желатинизированный крахмал (сухой порошок)
2.7 (20)
6.4 (45)
Крахмал плиты
0.41 (3.0)
0
Термостойкий ускоритель (HRA)
(15)
(15)
Стекловолокно
0.27 (2.0)
0.28 (2.0)
Бумажное волокно
0
0.99 (7.0)
Мыло∗
0.03 (0.192)
0.03 (0.192)
Всего воды (фунт)
805
852
Отношение вода/строительный гипс
1.10
1.21
∗ Применяется для предварительного образования пены.
<sup>1</sup> 1,28 масс.% в виде 45% водного раствора.
ПРИМЕР 2
Получение стеновых плит
Образцы гипсовых стеновых плит получали согласно патентам США №№.6342284 Yu et al. и 6632550 Yu et al., включенным здесь посредством ссылки. Это включает отдельное образование пены и введение пены в суспензию из всех других ингредиентов, как описано в Примере 5 этих патентов.
Результаты испытаний гипсовых стеновых плит, выполненных с использованием составов A и B Примера 1, и нормальной контрольной плиты показаны в Таблице 2 ниже. Как в этом примере, так и в других примерах ниже испытания на сопротивление к вытягиванию гвоздей, твердость заполнителя и прочность на изгиб были проведены в соответствии с ASTM С-473 (стандартными методами испытаний для физического испытания гипсовых панельных продуктов). Дополнительно указано, что типовая гипсовая стеновая плита имеет толщину приблизительно 1/2 дюйма и массу приблизительно от 1600 до 1800 фунтов на 1000 квадратных футов материала, или фунт/MSF. (“MSF” - стандартная аббревиатура в технике для тысячи квадратных футов; это для измерения площади коробок, рифленого материала и стеновой плиты.)
ТАБЛИЦА 2
Результат лабораторного испытания
Контрольная плита
Плита состава А
Плита состава Б
Масса плиты (фунт/MSF)
1587
1066
1042
Сопротивление к вытягиванию гвоздей (фунт)
81.7
50.2
72.8
Твердость заполнителя (фунт)
16.3
5.2
11.6
Нагрузка увлажненной связи (фунт)
17.3
20.3
15.1
Нарушение увлажненной связи (%)
0.6
5
11.1
Предел прочности на изгиб, лицевой стороной вверх (MD) (фунт)
47
47.2
52.6
Предел прочности на изгиб, лицевой стороной вниз (MD) (фунт)
51.5
66.7
78.8
Предел прочности на изгиб, лицевой стороной вверх (XMD) (фунт)
150
135.9
173.1
Предел прочности на изгиб, лицевой стороной вниз (XMD) (фунт)
144.4
125.5
165.4
MD: продольное направление.XMD: поперек продольного направления.
Как показано в Таблице 2, гипсовые стеновые плиты, изготовленные с использованием составов суспензий А и Б, имеют значительные уменьшения в массе в сравнении с контрольной плитой. Со ссылкой на Таблицу 1 сравнения плиты состава А с плитой состава Б наиболее разительны. Отношения вода/строительный гипс (w/s) аналогичны в составе А и составе Б. В составе Б также использован значительно более высокий уровень нафталинсульфонатного диспергатора. Также в составе Б использовали значительно больше желатинизированного крахмала, приблизительно 6% масс, более чем 100% увеличение относительно состава А, сопровождаемое заметными увеличениями прочности. Даже в этом случае потребность в воде для получения требуемой текучести остается низкой в суспензии состава Б, разница составляет приблизительно 10% в сравнении с составом А. Низкая потребность в воде в обоих составах объясняется синергетическим эффектом комбинации нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия в гипсовой суспензии, что увеличивает текучесть гипсовой суспензии, даже в присутствии существенно повышенного уровня желатинизированного крахмала.
Как показано в Таблице 2, стеновая плита, полученная с использованием суспензии состава Б, обладает существенно повышенной прочностью по сравнению со стеновой плитой, полученной с использованием суспензии состава А. Введение повышенного количества желатинизированного крахмала в сочетании с повышенными количествами нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия способствовало повышению сопротивления вытягиванию гвоздей в плите состава Б на 45% по сравнению с плитой состава А. Существенные увеличения прочности на изгиб также наблюдались в плите состава Б в сравнении с плитой состава А.
ПРИМЕР 3
Испытания снижения массы 1/2 дюймовой гипсовой стеновой плиты
Дальнейшие примеры гипсовой стеновой плиты (плиты В, Г и Д), включая суспензии составов и результаты испытаний, показаны в Таблице 3 ниже. Составы суспензий Таблицы 3 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены в массовых процентах относительно массы сухого строительного гипса.
ТАБЛИЦА 3
Компонент/параметр испытуемого состава
Контрольная плита
Плита состава В
Плита состава Г
Плита состава Д
Сухой строительный гипс (фунт/MSF)
1300
1281
1196
1070
Ускоритель (фунт/MSF)
9.2
9.2
9.2
9.2
DILOFLO<sup>1</sup> (фунт/MSF)
4.1 (0.32%)
8.1 (0.63%)
8.1 (0.68%)
8.1 (0.76%)
Обычный крахмал (фунт/MSF)
5.6 (0.43%)
0
0
0
Желатинизированный кукурузный крахмал (фунт/MSF)
0
10 (0.78%)
10 (0.84%)
10 (0.93%)
Триметафосфат натрия (фунт/MSF)
0.7 (0.05%)
1.6 (0.12%)
1.6 (0.13%)
1.6 (0.15%)
Отношение суммарная вода/строительный гипс (в/г)
0.82
0.82
0.82
0.84
Результаты испытаний испытуемого состава
Сухая масса плиты (фунт/MSF)
1611
1570
1451
1320
Сопротивление к вытягиванию гвоздей
77.3<sup>†</sup>
85.5
77.2
65.2
(фунт)
<sup>†</sup> ASTM стандарт: 77 фунтов.
<sup>1</sup> DILOFLO представляет собой 45% раствор нафталинсульфоната в воде.
Как показано в Таблице 3, плиты В, Г и Д сделаны из суспензии, имеющей существенно увеличенные количества крахмала, DILOFLO диспергатора и триметафосфата натрия в сравнении с контрольной плитой (приблизительно двойное увеличение процентного соотношения основы для крахмала и диспергатора и от двойного до тройного увеличения для триметафосфата), при этом отношение в/г поддерживали постоянным. Несмотря на это, масса плиты значительно уменьшилась, а прочность, как было измерено с помощью сопротивления к вытягиванию гвоздей, не была сильно изменена. Поэтому в данном примере варианта осуществления данного изобретения новый состав (такой как, например, плита Г) может обеспечить увеличение формулированного крахмала в приемлемой текучей суспензии при сохранении того же отношения в/г и соответствующей прочности.
ПРИМЕР 4
Испытание прочности влажного гипсового куба
Испытание прочности влажных гипсовых кубов проводили при применении плиточного строительного гипса Southard CKS, доступного от United States Gypsum Corp., Chicago, Illinois, и водопроводной воды в лаборатории для определения их влажной прочности при сжатии. Использовали следующий метод лабораторного испытания.
3
Использовали строительный гипс (1000 г), CSA (2 г) и водопроводную воду (1200 см) для каждого влажного гипсового кубического слепка при приблизительно 70°F. Желатинизированный кукурузный крахмал (20 г, 2,0% относительно массы строительного гипса) и CSA (2 г, 0,2% относительно массы строительного гипса) тщательно всухую перемешали сначала в пластиковом мешке со строительным гипсом перед смешиванием с раствором водопроводной воды, включающим нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия. Использовали диспергатор DILOFLO (1,0-2,0%, как показано в Таблице 4). Использовали такие изменяющиеся количества триметафосфата натрия, как показано в Таблице 4.
Сухие ингредиенты и водный раствор первоначально соединяли в лабораторном смесителе Warning, позволив изготовленной смеси замачиваться в течение 10 секунд, а затем смесь перемешали при низкой скорости в течение 10 секунд для получения суспензии. Образованные суспензии были отлиты в три кубические формы размером 2 дюйма × 2 дюйма × 2 дюйма. Отлитые кубы затем удалили из форм, взвесили и герметизировали внутри пластиковых мешков для предотвращения потери влаги до проведения испытания прочности сжатия. Прочность на сжатие влажных кубов измеряли с использованием аппарата ATS и записали как среднее в фунтах на квадратный дюйм (psi). Полученные результаты были следующими.
ТАБЛИЦА 4
Номер испытуемого образца
Триметафосфат натрия, граммы (массовые % относительно сухого строительного гипса)
DILOFLO<sup>1</sup> (массовые % относительно сухого строительного гипса)
Масса влажного куба (2''×2''×2''), г
Прочность на сжатие влажного куба, psi
1
0
1.5
183.57
321
2
0.5 (0.05)
1.5
183.11
357
3
1 (0.1)
1.5
183.19
360
4
2 (0.2)
1.5
183.51
361
5
4 (0.4)
1.5
183.65
381
6
10 (1.0)
1.5
183.47
369
7
0
1.0
184.02
345
8
0.5 (0.05)
1.0
183.66
349
9
1 (0.1)
1.0
183.93
356
10
2 (0.2)
1.0
182.67
366
11
4 (0.4)
1.0
183.53
365
12
10 (1.0)
1.0
183.48
341
13
0
2.0
183.33
345
14
0.5 (0.05)
2.0
184.06
356
15
1 (0.1)
2.0
184.3
363
16
2 (0.2)
2.0
184.02
363
17
4 (0.4)
2.0
183.5
368
18
10 (1.0)
2.0
182.68
339
<sup>1 </sup>DILOFLO представляет собой 45% раствор нафталинсульфоната в воде.
Как показано в Таблице 4, образцы 4-5, 10-11 и 17, имеющие уровни триметафосфата натрия в диапазоне приблизительно от 0,12% до 0,4% по данному изобретению, в основном обеспечивают превосходную прочность сжатия влажного куба в сравнении с образцами триметафосфата натрия вне этого диапазона.
ПРИМЕР 5
Испытания 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты промышленного производства
Были проведены следующие испытания (испытание плит 1 и 2), включая составы суспензий, и результаты испытаний показаны ниже в Таблице 5. Составы суспензий Таблицы 5 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены в массовых процентах относительно массы сухого строительного гипса.
ТАБЛИЦА 5
Компонент/параметр испытуемого состава
Контрольная плита 1
Испытуемая плита 1 производственного состава
Контрольная плита 2
Испытуемая плита 2 производственного состава
Сухой строительный гипс (фунт/MSF)
1308
1160
1212
1120
DILOFLO<sup>1</sup> (фунт/MSF)
5.98 (0.457%)
7.98 (0.688%)
7.18 (0.592%)
8.99 (0.803%)
Обычный крахмал (фунт/MSF)
5.0 (0.38%)
0
4.6 (0.38%)
0
Желатинизированный кукурузный крахмал (фунт/MSF)
2.0 (0.15%)
10 (0.86%)
2.5 (0.21%)
9.0 (0.80%)
Триметафосфат натрия (фунт/MSF)
0.7 (0.05%)
2.0 (0.17%)
0.6 (0.05%)
1.6 (0.14%)
Отношение суммарная вода/строительный гипс (в/г)
0.79
0.77
0.86
0.84
Результаты испытаний испытуемого состава
Сухая масса плиты
1619
1456
1553
1443
(фунт/MSF)
Сопротивление к вытягиванию гвоздей (фунт)
81.5<sup>†</sup>
82.4
80.7
80.4
Прочность на изгиб, средняя (MD) (фунт)
41.7
43.7
44.8
46.9
Прочность на изгиб, средняя (XMD) (фунт)
134.1
135.5
146
137.2
Нагрузка увлажненной связи<sup>2</sup>, средняя (фунт)
19.2
17.7
20.9
19.1
Нарушение увлажненной связи<sup>2,3</sup> (%)
1.6
0.1
0.5
0
<sup>† </sup>ASTM стандарт: 77 фунтов.MD: продольное направление.XMD: поперек продольного направления.
<sup>1 </sup>DILOFLO представляет собой 45% раствор нафталинсульфоната в воде.
<sup>2 </sup>90°F/90% относительная влажность.
<sup>3 </sup>Принято, что при таких условиях испытания норма процентного соотношение неудач <50% является приемлемой.
Как показано в Таблице 5, испытуемые плиты 1 и 2 были сделаны из суспензии, имеющей значительно увеличенные количества крахмала, DILOFLO диспергатора и триметафосфата натрия, при незначительном уменьшении отношения в/г в сравнении с контрольными плитами. Несмотря на это, прочность, измеренная в виде испытания сопротивления к вытягиванию гвоздей и прочности на изгиб, оставалась на том же уровне или улучшалась, а масса плиты была значительно уменьшена. Поэтому, в данном примере варианта осуществления данного изобретения новый состав (такой как, например, испытуемые плиты 1 и 2) может обеспечивать повышенные уровни триметафосфата и крахмала, сформулированные в приемлемой текучей суспензии при сохранении, главным образом, того же отношения в/г и соответствующей прочности.
ПРИМЕР 6
Испытания 1/2 дюймовой сверхлегковесной гипсовой стеновой плиты промышленного производства
Были проведены следующие испытания (испытуемые плиты 3 и 4) с использованием состава Б (Пример 1), как в Примере 2, за исключением того, что желатинизированный кукурузный крахмал приготовили с водой при 10% концентрации (приготовление влажного крахмала) и применяли смесь мыл HYONIC 25 AS и PFM 33 (доступных от GEO Specialty Chemicals, Lafayette, Indiana). В качестве примера испытуемую плиту 3 изготовили со смесью HYONIC 25 AS и PFM 33, с концентрацией 25 AS, изменяющейся от 65% до 70% масс., и PFM 33 остальное. Например, испытуемую плиту 4 изготовили со смесью HYONIC 25AS/HYONIC PFM 33 в соотношении 70/30 масса/масса. Результаты испытаний показаны в Таблице 6 ниже.
ТАБЛИЦА 6
Результат лабораторного испытания
Испытуемая плита 3 (состав Б плюс смесь мыла HYONIC 65/35) (n=12)
Испытуемая плита 4 (состав Б плюс смесь мыла HYONIC 70/30) (n=34)∗
Масса плиты (фунт/MSF)
1106
1013
Сопротивление к вытягиванию гвоздей<sup>a</sup> (фунт)
85.5
80.3
Твердость заполнителя<sup>b</sup> (фунт)
>15
12.4
Прочность на изгиб, средняя<sup>c</sup> (MD) (фунт)
55.6
60.3<sup>1</sup>
Прочность на изгиб, средняя<sup>d</sup> (ХМО) (фунт)
140.1
142.3<sup>1</sup>
∗ За исключением отмеченного.
<sup>1</sup>n=4.MD: продольное направление.XMD: поперек продольного направления.
<sup>a</sup> ASTM стандарт: 77 фунтов.
<sup>b</sup> ASTM стандарт: 11 фунтов.
<sup>c</sup> ASTM стандарт: 36 фунтов.
<sup>d</sup> ASTM стандарт: 107 фунтов.
Как показано в Таблице 6, прочностные характеристики, измеренные как сопротивление к вытягиванию гвоздей и твердость заполнителя, были выше ASTM стандарта. Измеренная прочность на изгиб также была выше ASTM стандарта. К тому же в данном примере варианта осуществления данного изобретения новый состав (такой как, например, испытуемые плиты 3 и 4) может обеспечивать повышенные уровни триметафосфата и крахмала, сформулированные в приемлемой текучей суспензии при сохранении соответствующей прочности.
ПРИМЕР 7
Расчет процентного отношения объема пустот в заполнителе гипсовой стеновой плиты толщиной 1/2 дюйма в функции от массы плиты и результатов резания пилой
3
Были проведены следующие испытания с целью определения объемов пустоты и плотностей (испытуемые плиты 5-13) с использованием состава Б (Пример 1), как в Примере 2, за исключением того, что желатинизированный кукурузный крахмал приготовили с водой при 10% концентрации (приготовление влажного крахмала), использовали 0,5% стекловолокна, и использовали нафталинсульфонат (DILOFLO) при уровне 1,2 масс.% как 45% водный раствор. Мыльную пену сделали с использованием генератора мыльной пены и ввели в гипсовую суспензию в количестве, эффективном для обеспечения требуемых плотностей. В данном примере мыло использовали на уровне от 0,25 фунт/MSF до 0,45 фунт/MSF. То есть использование мыльной пены было соответственно увеличено или уменьшено, где уместно. В каждом образце толщина стеновой плиты составляла 1/2 дюйма, и объем заполнителя был предположительно равномерным при 39,1 фут/MSF. Объемы пустот измеряли в образцах стеновой плиты 4 фута шириной, из которых удалили лицевую и подложковую бумагу. Лицевая и подложковая бумага может иметь толщину в диапазоне 11-18 мил (каждая сторона). Размеры объема пустот/пор и распределение пор по размерам определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа и рентгенодиффракционной компьютерной томографией (ХМТ).
ТАБЛИЦА 7
№ испыту-емой плиты
Масса плиты (фунт/MSF)
Объем пустот пены<sup>1</sup> (фут<sup>3</sup>/MSF)
Распределение пор пены по размерам (%)<sup>†</sup>
Объем пустот испарения<sup>2 </sup>(фут<sup>3</sup>/MSF)
Распределение пор испарения по размерам (%)<sup>†</sup>
Общий объем пустот заполнителя<sup>3</sup> (%)
Плотность заполнителя плиты (pcf)<sup>4</sup>
5
1600-1700 (контроль)
15
54
12.7
46
70.8
39-41
6
1400
19.6
66
10.3
34
76.5
34
7
1300
21.1
69
9.4
31
78.0
31
8
1200
20.9
68
10.0
32
79.0
28
9
1100
21.1
67
10.4
33
80.6
26
10
1000
20.9
65
11.1
35
81.8
23
11
900
23.4
71
9.5
29
84.1
21
12
800
25.5
76
8.1
24
85.9
18
13
500
31.5
88
4.5
12
92.1
10
<sup>1</sup> Воздушные (пузырьковые) пустоты >10 микрон.
<sup>2</sup> Водные пустоты <5 микрон.
<sup>3</sup> Относительно объема однородного заполнителя = 39,1 фут<sup>3</sup>/MSF; то есть общий объем пустот заполнителя = объем пустот пены + объем пустот испарения/39,1 X 100.
<sup>4</sup> Относительно объема однородного заполнителя = 39,1 фут<sup>3</sup>/MSF; то есть плотность заполнителя плиты (pcf) = масса плиты (фунт/MSF) - масса бумажных покрывающих листов (фунт/MSF)/39,1 фут<sup>3</sup>/MSF = масса плиты (фунт/MSF) - 90 фунтов/MSF/39,1 фут<sup>3</sup>/MSF.
<sup>†</sup> Процент всех измеренных пустот.
Как показано в Таблице 7, были сделаны образцы испытуемой плиты, имеющие общие объемы пустот заполнителя, варьирующие от 79,0% до 92,1%, которые соответствуют плотностям заполнителя плиты, варьирующим от 28 pcf до 10 pcf соответственно. В качестве примера, резание пилой испытуемой плиты 10, имеющей общий объем пустот заполнителя 81,8% и плотность заполнителя плиты 23 pcf, создавало приблизительно на 30% меньше пыли, чем контрольная плита. В качестве дополнительного примера, если стеновые плиты со стандартным составом, имеющим меньше связывающего вещества (как крахмал с или без диспергатора), выполнены со значительно меньшим чем приблизительно 75%-80% общим объемом пустот заполнителя, ожидают образование значительно большего количества пыли при резании, пилении, фрезеровании, отломке, забивании гвоздей, завинчивании или сверлении. Например, стандартные стеновые плиты могут образовывать пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр приблизительно от 20 до 30 микрон и минимальный диаметр приблизительно 1 микрон. В отличие от этого, гипсовые стеновые плиты данного изобретения будут образовывать на режущей пиле пылевые фрагменты, имеющие средний диаметр приблизительно от 30 до 50 микрон и минимальный диаметр приблизительно 2 микрона; надпил/отломка будет производить даже более крупные фрагменты.
Было показано, что комбинация из нескольких ключевых компонентов, используемых для изготовления содержащей гипс суспензии, а именно: строительного гипса, нафталинсульфонатного диспергатора, желатинизированного кукурузного крахмала, триметафосфата натрия, стекловолокна и/или бумажного волокна в комбинации с достаточным и эффективным количеством мыльной пены, может иметь синергетический эффект при производстве приемлемой гипсовой стеновой плиты низкой плотности, что также резко уменьшает образование гипсовой пыли во время резания ножом, резания пилой, надпила/отлома, сверления и обычного ручного обращения с плитой.
ПРИМЕР 8
Захват пыли в гипсовой стеновой плите с низким пылеобразованием
Если стеновые плиты изготовлены в соответствии с идеей данного изобретения, как в Примере 7, ожидается, что произведенная гипсовая пыль при обработке стеновой плиты будет содержать, по меньшей мере, 50 масс.% гипсовых фрагментов с диаметром более чем приблизительно 10 микрон. Будет захвачено, по меньшей мере, приблизительно 30% или более общей пыли, созданной при обработке стеновой плиты с помощью резания, пиления, фрезерования, надпила/отломки, забивания гвоздей или завинчивания и сверления.
ПРИМЕР 9
Дополнительный испытуемый состав 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты заводского производства
Были изготовлены следующие составы суспензии (испытание 14), как показано в Таблице 8 ниже. Составы суспензий Таблицы 8 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены в массовых процентах относительно массы сухого строительного гипса.
ТАБЛИЦА 8
Компонент/параметр испытуемого состава
Испытание производственного состава 14
Контрольный состав
Сухой строительный гипс (фунт/MSF)
925
925
DILOFLO<sup>1</sup> (фунт/MSF)
14 (1.5%)
14 (1.5%)
Гидроксиэтилированный крахмал
26 (2.8%)
0
Желатинизированный кукурузный крахмал (фунт/MSF)
0
26 (2.8%)
Триметафосфат натрия (фунт/MSF)
2.78 (0.30%)
2.78 (0.30%)
Стекловолокно (фунт/MSF)
2.0 (0.22%)
2.0 (0.22%)
Термостойкий ускоритель (lb/MSF)
13 (1.4%)
13 (1.4%)
Смесь мыла<sup>2</sup> (фунт/MSF)
0.42 (0.045%)
0.42 (0.045%)
Отношение суммарная вода/строительный гипс (в/г)
0.76
0.88
<sup>1</sup> DILOFLO представляет собой 45% раствор нафталинсульфоната в воде.
<sup>2</sup> Смесь мыл HYONIC 25 AS и PFM 33 в пропорции 85/15 масса/масса. Заметьте, что в течение процесса производства отношение мыл может изменяться в пределах 70/30 в сторону повышения до требуемого заданного предела, например от 70/30 до 80/20, до 85/15 или вплоть до 90/10.
Как показано в Таблице 8, испытуемый состав суспензии 14 имел значительно пониженную водопотребность и существенно повышенную текучесть, притом что ОВГ было примерно 0,8. В контрольном составе требуемый уровень ОВГ изменялся в пределах между 0,88 и 0,90. Поэтому водопотребность композиции суспензии испытания 14 составляет приблизительно на 10% ниже, чем у контрольной суспензии, содержащей желатинизированный кукурузный крахмал.
ПРИМЕР 10
Дополнительные испытания 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты заводского производства
Образцы плит получали, используя составы Примера 9, и испытывали их прочностные характеристики.
ТАБЛИЦА 9
Результаты испытаний испытуемого состава
Испытуемая плита 14 производственного состава
Плита контрольного состава
Сухая масса плиты (фунт/MSF)
1211
1206
Сопротивление к вытягиванию гвоздей (фунт)
80.8
73.7
Как показано в Таблице 9, стеновые плиты испытания 14, содержащие гидроксиэтилированный крахмал, имеют значительно повышенные характеристики прочности при вытягивании гвоздей.
ПРИМЕР 11
Анализ алкоксильных групп представительных крахмалов
Образцы крахмала, показанные в Таблице 10, изучали на замещение алкоксильных групп целлюлозного каркаса, используя ГХ-МС Agilent модели №6890N/5973I. Анализ алкоксилов выполняли, используя классическую реакцию Цейселя (Zeisel reaction), определяя иодиды алкоксильных групп методом газ-хроматографии-масс-спектрометрии.
ТАБЛИЦА 10
Присоединенные-
Площадь
Частота
Образец
метоксил
этоксил
1-пропоксил
изопропоксил
толуол
Гидроксиэтилированный кукурузный крахмал
30680
492017
3773
5632
12826464
Желатинизированный кукурузный крахмал
66856
16691
15623
8856
13228883
Кислотно-модифицированный крахмал LC-211<sup>1</sup>
64203
16166
21320
1493
13197117
<sup>1</sup> Доступный от компании ADM, Decatur, Illinois.
ПРИМЕР 12
Результаты испытания вязкости и пленкообразования
Приготовили следующие водные образцы для испытаний, как показано в Таблице 11. Компоненты суспендировали в деионизированной воде (250 г). Варку осуществляли нагреванием на обычной электроплите с магнитной мешалкой до достижения температуры 240-247°F. После варки измеряли вязкость как показано в Таблице 11. Впоследствии 20 г образца сваренной суспензии высушивали на весовой чашке в течение ночи при 112-116°F с образованием испытуемых пленок Таблицы 11.
ТАБЛИЦА 11
Образец №
Количества компонентов (г)
Средняя вязкость несваренной суспензии (сантипуаз, сП)<sup>1</sup>
Средняя вязкость сваренной суспензии (сантипуаз, сП)<sup>1</sup>
Прочность пленки
1
Гидроксиэтилированный крахмал (16.6)
7
29
Очень мягкая и гибкая
2
Гидроксиэтилированный крахмал (16.6) и диспергатор DAXAD<sup>2</sup> (8.6)
7
27
Слегка прочнее и слегка менее гибкая
3
Гидроксиэтилированный крахмал (16.6) и STMP (1.6)
7
28
Слегка прочнее и слегка менее гибкая
4
Гидроксиэтилированный крахмал (16.6), диспергатор DAXAD<sup>2</sup> (8.6) и STMP (1.6)
8
32
Идеальное сочетание прочности и гибкости
5
Желатинизированный кукурузный крахмал (16.6)
34
38
Очень жесткая и менее гибкая, чем другие образцы
STMP: Триметафосфат натрия.
<sup>1</sup> Вязкость по Брукфильду (шпиндель №2 при 50 об/мин).
<sup>2</sup> DAXAD представляет собой 45% раствор нафталинсульфоната в воде.
Как показано в Таблице 11, образец 4, будучи несваренным образцом суспензии, представляет 75% понижение вязкости по сравнению с образцом 5. Кроме того, образец 4 также демонстрирует превосходные характеристики пленкообразования относительно ее прочности и гибкости. Эти пленкообразующие характеристики приводят к замечательному улучшению результатов испытаний вытягивания гвоздей из стеновых плит, полученных с использованием указанной комбинации гидроксиэтилированного крахмала, нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия.
Использование выражений в единственном числе и множественном числе и подобных объектов ссылки в контексте описания данного изобретения (особенно в контексте следующих пунктов) нужно толковать как охватывающее единственное и множественное число, если здесь не указано другое или явно не противоречит контексту. Перечисление диапазонов величин здесь всего лишь призвано служить сокращенным способом ссылки непосредственно на каждое отдельное значение, попадающее в диапазон, если здесь не указано иное, каждая отдельная величина представлена в описании, как если бы она была перечислена здесь отдельно. Все способы, описанные здесь, могут быть выполнены любым другим подходящим образом, если здесь не указано иное или явно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или примерного языка (например, “такой как”), представленных здесь, предназначено только для лучшего освещения данного изобретения и не создает ограничений в объеме данного изобретения, если не указано иное. Ни одна формулировка в описании не должна быть истолкована как указание на какой-либо незаявленный элемент как существенный в осуществлении данного изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения описаны здесь, включая лучший способ, известный данным изобретателям, для выполнения данного изобретения. Следует понимать, что иллюстрированные варианты осуществления являются лишь примерами и не должны приниматься как ограничивающие объем данного изобретения.