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CN106470959A - 超轻量石膏墙板 - Google Patents

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CN106470959A
CN106470959A CN201580035034.7A CN201580035034A CN106470959A CN 106470959 A CN106470959 A CN 106470959A CN 201580035034 A CN201580035034 A CN 201580035034A CN 106470959 A CN106470959 A CN 106470959A
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H·C·弗朗西斯
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Original Assignee
Boluo Ip Holdings (australia) Ltd
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Abstract

一种石膏墙板和一种使用改性β‑石膏半水合物制备该墙板的方法，所述改性β‑石膏半水合物通过在用于制备β‑石膏半水合物的条件下、在煅烧改性剂的存在下煅烧石膏而获得，其中该墙板使用通过混合改性β‑石膏半水合物与水、预胶化淀粉和灰泥分散剂形成的灰泥泥浆制备。

Description

超轻量石膏墙板
本申请要求于2014年6月27日提交的题为“超轻量石膏墙板”的美国专利申请第14/317,647号的优先权和权益，在此通过引用其全文的方式将其全部内容纳入本发明中。
石膏是工业材料和建筑材料的常用成分。石膏墙板广泛地用在建筑构造中，并主要用作内墙和天花板。为使墙板安装容易，人们曾努力降低石膏墙板的重量，同时保持墙板的强度和弯曲性能。制造轻量石膏墙板通常需要使用高强度的灰泥和预胶化淀粉，以达到所需的物理墙板特性，包括抗拔钉强度(nail pull resistance)。向含石膏的材料中加入淀粉(例如预胶化淀粉)以增大含石膏的墙板芯的抗压强度和抗弯强度。
然而，成功制造轻量石膏墙板的主要阻碍是处理由于使用预胶化淀粉所致的增大的需水量。预胶化淀粉显著增大了与在制造墙板中使用的灰泥泥浆的制备相关的需水量。如本领域技术人员所理解，灰泥泥浆配方的需水量(有时也称为灰泥的“稠度”)是生产具有高速的商业制造过程所要求的所需流动特性(流动性)的灰泥泥浆需要的水的体积(或质量)。当制造墙板时，加入的超过再水化灰泥所需量的任何水都必须从泥浆中除去。除去该过量水的需求增大了能耗。另外，已知板的强度与制造墙板使用的水的量成反比。因此，由于预胶化淀粉的存在，增大的需水量也容易导致不合格的墙板强度。
如在整个说明书和权利要求书中所使用的，短语“超轻量石膏墙板”和类似用语是指具有在两个基本上平行的盖板之间形成的凝固石膏芯的板产品，其中凝固石膏芯的重量(调整为1/2英寸厚度的板产品)为约500至约1300磅/1000平方英尺的板，即密度大约为12至32磅/立方英尺。
在制造超轻量石膏墙板上，现有技术的尝试仅获得有限的成功。在一个最近的方法中，灰泥泥浆使用预胶化淀粉、萘磺酸盐分散剂和优选三偏磷酸盐(例如STMP)制备，参见U.S.7,731,794。据称，萘磺酸盐分散剂和三偏磷酸盐的组合会增大灰泥泥浆的流动性，从而甚至在大量预胶化淀粉的存在下可能减少需水量。
还提出了减少灰泥泥浆需水量的其他方法。例如在石膏的煅烧中曾使用氯化钙以减少灰泥的需水量。然而，残留氯化钙的潮解导致煅烧过的含石膏材料不能用在石膏墙板的制造中。在潮湿条件下，残留氯化钙的潮解导致石膏芯和盖板之间不能粘合。
发明内容
提供该发明内容以通过简化形式引入所选择的构思，且该构思将在以下作进一步详细的描述。该发明内容并不旨在说明本发明的关键特征或基本特征。
本发明公开了低稠度、高强度石膏半水合物(灰泥)和高强度、超轻量石膏墙板，以及制造该石膏半水合物和石膏墙板的方法。
在多个实施方案中，提供了一种方法，其中，在煅烧改性剂的存在下，煅烧石膏以形成晶状β-石膏半水合物，然后将晶状β-石膏半水合物(以下也称为β改性灰泥)与淀粉、尤其是预胶化淀粉混合，形成灰泥泥浆以用于制备墙板产品。
本发明中还描述了其他实施方案。
具体实施方式
本发明公开了低稠度、高强度灰泥(也称为石膏半水合物或煅烧石膏)和高强度、超轻量石膏墙板，以及制造该石膏半水合物和石膏墙板的方法。
多个实施方案涉及一种方法，该方法包括如下步骤、基本由如下步骤组成或由如下步骤组成：在煅烧改性剂的存在下煅烧石膏，从而形成具有降低的需水量的改性灰泥(改性β-石膏半水合物)；然后将该改性灰泥(改性β-石膏半水合物)与预胶化淀粉和石膏分散剂混合，从而形成改性的含灰泥泥浆。
然后，将改性的含灰泥泥浆沉积在盖板上，且更通常是沉积在基本上平行的盖板之间，接着通过凝固、切割和干燥的常规步骤，获得石膏墙板产品。
如在本发明中使用的，“石膏”是指硫酸钙的二水合物(CaSO4*2H2O)。在实施本发明时，石膏的来源不作特别地限制。例如，石膏可为天然石膏或合成石膏(例如副产品石膏、回收的石膏、中和的石膏等)。因此，在本发明中可用石膏的实例包括但不限于：天然石膏、钛石膏(titanogypsum)、磷石膏、氟石膏、脱硫石膏(即来自烟道气脱硫工艺的废石膏)、回收的石膏(例如由废石膏板获得)及其组合。就本发明而言，天然来源的石膏是特别合适的原材料。
在墙板领域的技术人员已知，为制备制造墙板产品所需的灰泥，将石膏干燥，适当地过筛(需要的话进行研磨)，然后在合适的窑炉中通常在约125℃或更高温度下煅烧以形成灰泥，也称为石膏半水合物或煅烧石膏。
存在两类煅烧石膏：α-硫酸钙半水合物(α-石膏半水合物)和β-硫酸钙半水合物(β-石膏半水合物)，它们通过显著不同的煅烧方法制备。α-石膏半水合物(或α-石膏)通过在压力下、通常在加压蒸汽的存在下煅烧石膏而制备。β-石膏半水合物(或β-石膏)通过在釜内或窑炉内、通常以连续方式在基本上大气压下煅烧石膏而制备。
用于制备石膏墙板的灰泥几乎都是β-半水合物的形式。因此，对于墙板灰泥，煅烧在基本上大气压的条件下进行，且通常是连续进行的，例如在回转煅烧窑或流化床煅烧窑中进行。而且，在这些条件下形成了确定为β-硫酸钙(石膏)半水合物的灰泥形式。所得灰泥通常显示出的需水量或稠度为超过约70至80ml水/100g灰泥固体。通过在加压下、通常在加压蒸汽的存在下煅烧制备且确定为α-石膏半水合物的煅烧石膏的其他形式不会在商业上用在石膏墙板的制备中。不使用α-石膏半水合物主要是由于下述原因：与β-石膏半水合物相比其较慢的水合速率(这将相应地需要非常缓慢的线速度)，以及当在墙板制造中常见的芯密度下使用α-石膏半水合物时获得的所得墙板产品的较低的强度特性。然而，α-石膏半水合物通常显示出低得多的需水量或稠度，通常小于50ml且常常是约30至45ml水/100g灰泥。遗憾地，如上所指出，在商业制造设备所需的高速下，α-石膏半水合物不能充分快速凝固以用于制备墙板。
因此，本发明限于使用在基本上大气条件下制备的灰泥(石膏半水合物)，即本发明旨在使用β-硫酸钙半水合物(β-石膏半水合物)。事实上，优选根据本发明使用的灰泥基本上不含任何α-石膏半水合物。但是，根据本发明，β-石膏半水合物为如下文所公开的半水合物的改性形式，以使其显示出适合用于制备超轻量石膏墙板的需水量或稠度。
为了将如此制备的灰泥转化回石膏(本发明也称为凝固石膏)，将灰泥与足够的水和其他添加剂混合。根据本发明，将灰泥与分散剂(也称为减水剂)、预胶化淀粉和任选的发泡剂(通常以预生成的泡沫形式提供)混合。重要的是，在制备本发明的超轻量墙板中无需使用任何三偏磷酸盐，例如STMP。因此，也优选根据本发明使用的灰泥泥浆基本上不含任何三偏磷酸盐，例如STMP。
通过根据本发明煅烧石膏的方式，减少了所得灰泥(β-石膏半水合物)的需水量。具体而言，根据本发明，在煅烧改性剂的存在下，在基本上大气压下、通常以连续方式煅烧石膏，以制备改性的β-石膏半水合物。使用改性的β-石膏半水合物制备灰泥泥浆通常需要约50至85重量％的水，基于改性的β-石膏半水合物的重量计。
如在本发明中使用的，术语“煅烧改性剂”是指这样一种化合物，当其与石膏存在于煅烧窑内时，在基本上大气压的条件下煅烧石膏的过程中，该化合物改变了形成β-硫酸钙半水合物(β-石膏半水合物)的方式。在多个实施方案中，煅烧改性剂影响和/或控制在石膏煅烧过程中形成的石膏半水合物晶体的性质。不希望受任何理论限制，认为煅烧改性剂控制着石膏半水合物晶体的发展以生产出具有特定形状和/或长径比的晶体，该特定形状和/或长径比使煅烧的β-石膏产品具有较低的需水量或较低的稠度，且通常获得β-硫酸钙半水合物。
在某些实施方案中，煅烧改性剂可为羧酸、羧酸酐、羧酸盐或其组合。如在本发明中使用的，“羧酸”涵盖饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸、三羧酸、多羧酸及其组合。多个实施方案涵盖的煅烧改性剂的代表性实例包括但不限于：乙酸、乙酸酐、乙酸盐、己二酸、己二酸酐、己二酸盐、天冬氨酸、天冬氨酸酐、天冬氨酸盐、柠檬酸、柠檬酸酐、柠檬酸盐、甲酸、甲酸酐、甲酸盐、富马酸、富马酸盐、葡糖酸、葡糖酸酐、葡糖酸盐、马来酸、马来酸酐、马来酸盐、苹果酸、苹果酸酐、苹果酸盐、丙二酸、丙二酸酐、丙二酸盐、草酸、草酸酐、草酸盐、琥珀酸、琥珀酸酐、琥珀酸盐、磺基琥珀酸、磺基琥珀酸酐、磺基琥珀酸盐、酒石酸、酒石酸酐、酒石酸盐及其组合。示例性的羧酸盐包括但不限于：乙酸钠、乙酸钾、乙酸钙、己二酸钠、己二酸钾、己二酸钙、天冬氨酸钠、天冬氨酸钾、天冬氨酸钙、柠檬酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸钙、甲酸钠、甲酸钾、甲酸钙、富马酸钠、富马酸钾、富马酸钙、葡糖酸钠、葡糖酸钾、葡糖酸钙、马来酸钠、马来酸钾、马来酸钙、苹果酸钠、苹果酸钾、苹果酸钙、丙二酸钠、丙二酸钾、丙二酸钙、草酸钠、草酸钾、草酸钙、琥珀酸钠、琥珀酸钾、琥珀酸钙、磺基琥珀酸钠、磺基琥珀酸钾、磺基琥珀酸钙、酒石酸钠、酒石酸钾、酒石酸钙及其组合。在多个实施方案中，在煅烧的过程中不存在氯化钙，即煅烧在不添加任何氯化钙的条件下进行。
合适的煅烧改性剂通常可选自以下的一种或多种：马来酸、酒石酸、琥珀酸、聚丙烯酸琥珀酸钠、乳酸、天冬氨酸、柠檬酸、柠檬酸钠、葡糖酸单钠、酒石酸三聚磷酸盐、葡糖酸单钠、乙二胺四乙酸或其钠盐以及氨基三亚甲基膦酸的五钠盐。
根据本发明，煅烧改性剂和石膏可以任何方式一起放入煅烧窑内，以制备改性的β-石膏半水合物。例如，石膏和煅烧改性剂可在引入煅烧窑前一起混合/搅拌或一起研磨，石膏可浸泡在煅烧改性剂的溶液中，石膏可用煅烧改性剂的溶液进行喷洒，石膏可通过任何合适的技术用煅烧改性剂进行涂布，石膏可浸没在煅烧改性剂的溶液中。可使用任何一种能够实现任何这些混合方法的合适装置(例如混合器、喷嘴、漏斗等)。将煅烧改性剂与石膏混合以在煅烧窑内暴露的方式并不是严格关键性的。为混合任何特定来源的石膏和煅烧改性剂，所选择的合适技术和合适条件(例如混合技术、石膏/煅烧改性剂接触时间、混合速度、石膏与煅烧抑制剂的比等)都将在本领域技术人员的常规测试的范围内。
在煅烧石膏的过程中，使用至少一种煅烧改性剂。例如，在某些实施方案中，煅烧仅使用选自以下的一种煅烧改性剂：乙酸、乙酸酐、乙酸盐、己二酸、己二酸酐、己二酸盐、天冬氨酸、天冬氨酸酐、天冬氨酸盐、柠檬酸、柠檬酸酐、柠檬酸盐、甲酸、甲酸酐、甲酸盐、富马酸、富马酸盐、葡糖酸、葡糖酸酐、葡糖酸盐、马来酸、马来酸酐、马来酸盐、苹果酸、苹果酸酐、苹果酸盐、丙二酸、丙二酸酐、丙二酸盐、草酸、草酸酐、草酸盐、琥珀酸、琥珀酸酐、琥珀酸盐、磺基琥珀酸、磺基琥珀酸酐、磺基琥珀酸盐、酒石酸、酒石酸酐和酒石酸盐。在其他实施方案中，使用两种或更多种煅烧抑制剂的组合，包括任何两种或更多种、三种或更多种、四种或更多种、五种或更多种等本发明所述的煅烧抑制剂的组合。例如，在某些实施方案中，煅烧抑制剂为乙酸和乙酸酐的组合、乙酸和乙酸盐的组合、乙酸酐和乙酸盐的组合、琥珀酸和琥珀酸酐的组合、琥珀酸和琥珀酸盐的组合、琥珀酸酐和琥珀酸盐的组合、乙酸和琥珀酸的组合、乙酸酐和琥珀酸酐的组合、乙酸盐和琥珀酸盐的组合等等。在其他实施方案中，煅烧抑制剂为乙酸、乙酸酐和乙酸盐的组合，琥珀酸、琥珀酸酐和琥珀酸盐的组合，等等。
煅烧改性剂应以约0.01至约10.0重量％(wt.％)的量存在于煅烧窑内，基于石膏的重量计(即每100份石膏约0.01至约10份煅烧改性剂)。通常，基于石膏的重量计，煅烧改性剂的量在约0.05至约5重量％的范围内应该就够了。对于多数来源的石膏，煅烧改性剂的量在约0.05至约2重量％的范围内应该就符合要求。在某些实施方案中，煅烧抑制剂存在的量为约0.05至约5重量％，约0.05至约2重量％，或约0.1至约1.0重量％，均基于石膏的重量计。
宽泛地，“煅烧”是指高温热处理固体材料以导致除去挥发性成分、热分解、相变或其组合。在本发明中，煅烧步骤除去了石膏(硫酸钙二水合物)中的结合水以得到灰泥(硫酸钙半水合物)。根据多个实施方案，煅烧不限于任何特定的设备或装置。可使用任何合适的窑炉或反应器。在某些实施方案中，可使用釜式煅烧窑、回转窑或其组合进行煅烧。重要的是，煅烧在基本上大气压下进行，且通常以连续(和分批相反)方法进行，从而制备β-石膏形式的半水合物。
在多个实施方案中，煅烧可在适合将石膏转换成晶状石膏半水合物的任何温度下进行。在某些实施方案中，煅烧可在约120℃至约260℃、约125℃至约240℃、约125℃至约220℃、约130℃至约200℃、约130℃至约190℃、约135℃至约180℃、约135℃至约170℃、约140℃至约170℃范围内的温度下进行。在一些实施方案中，煅烧可在约120℃、约125℃、约130℃、约135℃、约140℃、约145℃、约150℃、约155℃、约160℃、约165℃、约170℃、约175℃、约180℃、约185℃、约190℃、约195℃、约200℃、约210℃或约240℃的温度下进行。
在许多实施方案中，煅烧可进行任何合适的时间，该时间为将石膏(硫酸钙二水合物)中的结合水的含量减少至平均1/2摩尔水/1摩尔硫酸钙(即至得到硫酸钙半水合物)所需的时间。煅烧不应持续很久，以促使形成不溶的无水石膏。在某些实施方案中，煅烧可连续地进行，以使石膏在煅烧窑内的平均停留时间为约0.5小时至2小时，通常为约0.75小时至1.5小时。
与在不存在煅烧改性剂下煅烧石膏制备的β-石膏半水合物相比，根据本发明在煅烧改性剂存在下制备的晶状β-石膏半水合物具有改进的晶型，从而产生具有较低需水量(较低稠度)的改性β-石膏半水合物。换言之，与在不存在煅烧改性剂下煅烧石膏制备的石膏β-半水合物相比，在煅烧改性剂存在下制备的晶状石膏β-半水合物产生了具有较低需水量的灰泥。不受限于理论，认为该需水量的降低是由于在煅烧改性剂的存在下形成的改性形式的β-石膏半水合物晶体所致。
煅烧后，改性β-石膏半水合物可进行常规的后煅烧操作以再生灰泥，包括可能地冷却、过筛等。
在制备本发明的超轻量石膏墙板的过程中，灰泥泥浆由改性β-石膏半水合物制备。灰泥存在于泥浆中的量至少约为制备灰泥泥浆所用的干物料的50重量％。通常，灰泥的量至少为制备泥浆所用的干物料的80重量％。通常，在许多墙板的配方中，干组分物料的量大于90重量％或甚至95重量％的灰泥。在灰泥中存在一些可溶的硫酸钙无水石膏也是可以接受的，但是通常应努力限制它的存在。通常，如果可能，应避免不溶的无水物的存在。
在制备灰泥泥浆时，还将至少一种预胶化淀粉与改性β-石膏半水合物混合。淀粉(CAS#9005-25-8)是包含大量通过糖苷键连接在一起的葡萄糖单糖单元的多糖碳水化合物。淀粉主要以直链淀粉和支链淀粉的形式存在于植物和种子中。根据不同的植物，淀粉通常含有20至25％的直链淀粉和75至80％的支链淀粉。多糖淀粉包括玉蜀黍(maize)或玉米(corn)、糯玉米、土豆、木薯(cassava)、木薯粉(tapioca)和小麦淀粉。其他淀粉包括各种稻、糯米、豌豆、西米、燕麦、大麦、黑麦、苋菜、甘薯，以及可由常规植物育种获得的杂合淀粉，例如直链淀粉含量为40％或更大的杂合高直链淀粉，如高直链淀粉玉米淀粉。还可能使用的有基因工程淀粉，例如高直链淀粉土豆和糯土豆淀粉。
将淀粉预胶化以用于制备石膏墙板。预胶化淀粉也称为冷膨胀淀粉，其经过化学和/或机械加工以使淀粉颗粒全部或部分地破裂。与天然淀粉相比，预胶化淀粉可溶于冷水中，或根据使用的预胶化淀粉的浓度和用于制备预胶化淀粉的淀粉类型，可与冷水形成分散体、糊状物或凝胶。原则上，可通过多种方法制备预胶化淀粉，例如通过使用滚筒式干燥机湿热消化、用挤出机进行机械和热处理或用振动球磨机仅机械处理而制备。在所有工艺中，淀粉颗粒结构和次晶状分子组成都受到破坏，淀粉转化为无定形物。除了预胶化处理外，淀粉可例如通过挤出、喷雾干燥、转鼓式干燥和附聚进一步物理改性。
淀粉还可例如通过醚化、酯化、酸水解、糊精化、交联、阳离子化、热处理或酶处理(例如用α-淀粉酶、β-淀粉酶、支链淀粉酶、异淀粉酶或葡糖淀粉酶处理)而进行化学改性或衍生。一种示例性的淀粉为羟烷基化淀粉，例如羟丙基化淀粉或羟乙基化淀粉；和琥珀酸化淀粉，例如辛烯基琥珀酸化淀粉或十二烷基琥珀酸化淀粉。也可使用低直链淀粉，即含有小于40％重量的直链淀粉的淀粉。一种市售可得的淀粉为可从National Starch andChemical Company获得的羟丙基化淀粉。其他市售可得类型的淀粉为糯淀粉，也可从National Starch and Chemical Company获得。如在本发明中使用的，术语“糯”旨在包括含有至少95重量％支链淀粉的淀粉。
因此，在一个实施方案中，预胶化淀粉包含已用单反应性部分化学改性至取代度至少为0.015的预胶化淀粉。在一个特定的实施方案中，预胶化淀粉选自淀粉的醚衍生物和酯衍生物，例如羟丙基淀粉、羟乙基淀粉、琥珀酸酯淀粉和辛烯基琥珀酸酯淀粉。在一个特定的实施方案中，淀粉为羟丙基化的土豆淀粉，其取代度为0.015-0.30且分子量为200,000-2,000,000。另一特定的实施方案包括羟乙基化的齿状玉米淀粉，其取代度为0.015-0.3且分子量为200,000-2,000,000。另一特定的实施方案包括羟丙基化的高直链淀粉玉米淀粉，其取代度为0.015-0.3且分子量为200,000-2,000,000。
根据本发明，可使用任何合适的预胶化淀粉制备墙板。多种不同类型的预胶化淀粉市售可得且可使用。示例性的预胶化淀粉材料是例如按照Eastman等人的美国专利第4,465,702号所记载的方式制备的冷水可溶的粒状预胶化淀粉材料。这类预胶化玉米淀粉以商品名463可获得，其由A.E.Staley Manufacturing Company生产，用室温水即可使其变稠并调成凝胶。可使用的其他预胶化淀粉包括：购自National Starch andChemical Company of Bridgewater,N.J.的M；购自National Starch andChemical Company的预胶化糯玉米淀粉；以及分别从Tate&Lyle,UK,PCF 1000Starch、BUNGE North America和FLUIDEX市售可得的商品名为2005-2095、STARPOL和STARAMIC的羟乙基化齿状玉米淀粉；和从Archer Daniels Midland Company市售可得的其他淀粉。
预胶化淀粉和灰泥的相对量将根据石膏板的所需特性、使用的预胶化淀粉和灰泥的类型以及其他任选的添加剂的存在及其量而变化，并且可由本领域普通技术人员在无需过多试验的情况下容易地确定。例如，灰泥泥浆宽泛地包含0.5至10重量％、通常为2至10重量％且更通常为4至6重量％的预胶化淀粉，基于泥浆中灰泥的干重计。换言之，对于制备灰泥泥浆所使用的每100重量份的干燥灰泥而言，存在0.5至10重量份的预胶化淀粉。在某些实施方案中，预胶化淀粉可存在的量为约2至约5重量％，约4至约10重量％，或约4至约8重量％，均基于灰泥的重量计。在其他实施方案中，预胶化淀粉可存在的量为约2重量％、约3重量％、约4重量％、约5重量％、约6重量％、约7重量％、约8重量％、约9重量％或约10重量％，均基于灰泥的重量计。
除了灰泥和预胶化淀粉外，灰泥泥浆还包括灰泥分散剂，也称为减水剂。在某些实施方案中，将灰泥分散剂或减水剂以这样的量加入含有β-石膏半水合物的泥浆中，该量有助于进一步减少制备具有所需流动性的灰泥泥浆所需的过量水的量，即，适合于减少灰泥配方的需水量或稠度的分散剂的量。合适的减水剂或分散剂可包括木质素磺酸盐产物(例如木质素磺酸钙和造纸业获得的类似副产品等)或烷醇胺(例如三乙醇胺、二乙醇胺等)。在其他实施方案中，减水剂或分散剂可为聚萘磺酸盐(例如聚萘磺酸盐-甲醛缩合物盐等)、聚三聚氰胺磺酸盐(例如聚三聚氰胺磺酸盐-甲醛盐等)或聚羧酸盐。如石膏墙板技术领域的技术人员所认识到的，合适的聚羧酸盐为由多种成分构成的共聚物，例如附有基于环氧乙烷或环氧丙烷的侧链(pendant chain)的丙烯酸或甲基丙烯酸主链。对用于减少灰泥需水量所采用的具体分散剂的性质无严格要求。石膏墙板生产领域的技术人员知晓大量合适的灰泥分散剂。根据多个实施方案，灰泥分散剂或减水剂以约0.25至约0.5重量％的量加入含有石膏半水合物的泥浆中，基于灰泥的重量计。
本发明的预胶化淀粉、分散剂和通过使用煅烧改性剂煅烧获得的改性(晶状)β-石膏半水合物的组合与在等量未改性的灰泥、淀粉和分散剂的情况下相比，提供了在需水量方面的降低以及相应的墙板强度的增大。不受理论限制，认为该需水量的减少和灰泥强度的增大是由改性β-石膏半水合物的不同晶体结构带来的。
与其他轻量石膏墙板相比，本发明的墙板基本不含任何三偏磷酸盐。重要的是，根据本发明，在制备超轻量墙板时，无需使用任何三偏磷酸盐以获得灰泥泥浆合适的流动性和合适的墙板特性。
在操作中，将干灰泥(改性β-石膏半水合物)与水一起供入泥浆混合器中，其因为通常的设计而通常称为“销式(pin)”混合器。在一些实施方案中，灰泥与足够的水混合，以使泥浆中水与灰泥的重量比(水:灰泥)为0.5:1至0.9:1，通常为0.5:1至0.8:1，且常常为0.6:1至0.8:1。在进入混合器前，可将其他干的添加剂(例如预胶化淀粉或促凝剂)加入到粉状灰泥中。另外，其他添加剂通常也通过单独的管线直接加入到混合器中。一些添加剂(例如灰泥分散剂)也可在水加入混合器前直接加入到混合水中。当添加剂为液体形式时，该选择是特别便利的。对于大多数添加剂，添加剂引入灰泥泥浆的方式中没有关键要求，并且其可使用墙板制造领域的技术人员所知的便利的任何设备或方法加入。
在某些实施方案中，改性β-石膏半水合物与预胶化淀粉的混合还包括改性石膏半水合物与发泡剂(加气剂)或泡沫的混合。向灰泥泥浆中引入泡沫通过在凝固石膏中形成孔隙，而制备出轻量的终产物(即石膏墙板)。泡沫的性质没有特别限制，并且墙板制造领域的技术人员知晓多种发泡剂或皂类。在某些方面，发泡剂可包含阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂等。发泡剂可包括多于一种表面活性剂。合适的表面活性剂溶液可包含30％至60％的活性发泡剂。在某些实施方案中，泡沫为含水泡沫。多种泡沫(皂类)是市售可得的。市售可得的示例性发泡剂(加气剂)的实例包括但不限于：购自GEOSpecialty Chemicals、Ambler,Pa.的系列皂类，和CEDEPAL FA-406，其为可从Stepan,Northfield.,Ill获得的烷基醚硫酸铵。根据多个实施方案，发泡剂(加气剂)或皂以约0.1至约0.4重量％的量加入灰泥泥浆中，基于灰泥的重量计。例如，在典型的墙板制造设备中，泡沫可通过结合皂、合适的分散剂和水单独产生。然后，该泡沫可与预先混合的灰泥泥浆混合。例如，泡沫可在其从混合器通过软管或斜槽排出后注入移动的灰泥泥浆中。在一些实例中，发泡剂可为多种形式，包括液体、薄片和/或粉末形式。泡沫与灰泥泥浆混合的方法不是本发明的关键特征。皂泡沫在凝固石膏芯中引入并分布空气(气泡)孔隙中，并且有助于降低凝固石膏芯的密度。凝固石膏芯中的皂的优选范围为约0.2磅/1000平方英尺的墙板至约0.7磅/1000平方英尺的墙板，皂的更优选的水平为约0.3磅/1000平方英尺的墙板至约0.5磅/1000平方英尺的墙板。
在其他实施方案中，灰泥泥浆的配方中还可使用少量的其他成分。例如，玻璃纤维可任选地以最多达11磅/1000平方英尺的板(54g/m2)的量加入灰泥泥浆中。同样，可将最多达15磅/1000平方英尺的板(73.2g/m2)的纸纤维加入到灰泥泥浆中。在一些实施方案中，硅油通常也可以少量加入灰泥泥浆中以改善石膏墙板的耐水性。在另外一些实施方案中，和任何具体应用中通常的一样，也可将其他添加剂加入到灰泥泥浆中。例如，可加入缓凝剂(最多达约2磅/1000平方英尺的板(9.8g/m2))或促凝剂(最多达约35磅/1000平方英尺的板(170g/m2))以改变灰泥发生水化反应的速率。示例性的促凝剂包括但不限于：硫酸钙、硫酸钾、球磨促进剂(ball mill accelerator)及其组合。
在制备墙板时，灰泥泥浆夹在两个基本上平行的盖板之间。通常，如常规石膏墙板那样，盖板用纸做成，但也可使用本领域已知的其他盖板材料(例如玻璃纤维垫)。在一些实施方案中，可优选在板的一侧(通常是顶面)使用特别重的纸盖板。纤维垫也可用作一侧或两侧的盖板。当使用时，纤维垫通常为非织造的玻璃纤维垫，其中玻璃纤维的细丝通过胶粘剂连接在一起，且通常该非织造的玻璃纤维垫具有树脂基涂层。这样的盖板对石膏墙板领域的技术人员是公知的。
在多个实施方案中，石膏基建筑材料由含石膏的泥浆形成。示例性的石膏基建筑材料包括但不限于：超轻量石膏墙板、石膏灰泥板(plasterboard)、石膏板、强化的石膏复合板及其组合。如在本发明中使用的，“超轻量”石膏墙板是标称厚度为1/2英寸和干重为500至1300磅/10000平方英尺的板的石膏墙板。
石膏墙板必须符合ASTM方法C-36和C-473中所述的特定标准，根据本发明的教导制备的墙板符合这些要求。这些ASTM方法是由American Society for Testing andMaterials,West Conshohocken,PA.定义的，是用于使合适的墙板特性标准化的测试。为达到所需的完整程度，将这些标准化测试方法通过引用的方式明确地纳入本申请中。C-36测试是石膏墙板的标准规范，而C-473测试是用于石膏板产品和石膏板条的物理测试的标准测试方法。对组成、弯曲强度、潮湿变形、硬度、抗拔钉强度、尺寸和外观的要求都列在这些测试方法中。对石膏墙板的一个更关键的要求是抗拔钉强度。对于1/2英寸板，列出了80Lb的拔钉值(nail pull)。此外，根据本发明制备的墙板可满足ASTM C-36和C-473的标准。
虽然上述公开已描述了具体的实施方案及其变体，包括目前实施本发明优选方式，但本领域技术人员应意识到，以上所述的体系和技术的各种变化、修改和替换都将落入本发明的精神和范围内，如所附权利要求所述的。
多个实施方案并不限于在实施例中所公开的具体实施方案的范围。实施例中公开的具体实施方案旨在从几个方面进行阐述，并且功能上相等的任何实施方案均落入本公开的范围内。
虽然使用了特定的煅烧改性剂和预胶化淀粉来说明某些变化，但是使用本申请公开的任何组分的多个实施方案都适用于制备本申请公开的任何超轻量石膏墙板。根据本公开的优点，本领域技术人员可认识到，多个参数可能需要调整以满足使用不同组分的情况。
除非另有说明，本说明书中使用的术语应理解为具有在各个实施方案所属的技术领域中常用的含义。
当本发明用具有、包括或包含具体的组分描述产品时，或当本发明用具有、包括或包含具体的工艺步骤描述方法时，应理解为，各个实施方案的产品也可基本上由所述组分组成或由所述组分组成，以及各个实施方案的方法也可基本上由所述的工艺步骤构成或由所述的工艺步骤构成。
当提供数值范围时，除非上下文明确说明，否则本公开涵盖在该范围的上限值和下限值之间的每一中间值——至下限值单位的十分之一——以及所述范围内任何其他所述的值或中间值。这些更小范围的上限值和下限值可独立地包括在该更小的范围内，且也涵盖在本公开的范围内，在所述范围内任何特定排除的端点值除外。当所述范围包括一个或两个端点值，排除其中一个或两个这些所包括的端点值的范围也包括在本公开内。例如，数值范围“1至5”应理解为不仅包括明确所述的值1和5，还包括所述范围内单个值和子区间。因此，包括在该数值范围的有单个值(例如2、3、4等)和子区间(例如1至3、2至4、3至5等)。列举示例性的值或范围并不是放弃给定范围的上限值和下限值之间且包括该上限值和下限值的其他值或范围。
某些范围在本文中通过前面带有术语“约”的数值表述。术语“约”在本文中用于为它之后的确切数字以及接近或近似该术语之后的数字提供字面支持。在确定数值是否接近或近似于明确所述的数值时，该接近或近似的未记载的数值可为这样的数值：在其中陈述它的上下文中，其与明确记载的数字基本上等同。
应当注意的是，如在本发明和所附权利要求中使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数含义，除非上下文另外明确指明。还应当注意的是，权利要求的撰写可排除任何任选的要素。因此，该陈述意在作为与权利要求元素的表述相关的排他性术语如“单独地”(solely)、“仅(only)”等、或采用“否定”限定的前提基础。
在本申请中描述和阐述的各单独的实施方案具有离散的组成和特征，在不背离本公开范围或精神的情况下，这些离散的组成和特征可容易地与任何其他多个实施方案中的特征分离或组合。任何所述的方法可以所描述的事件的顺序实施，或以逻辑上可行的任何其他顺序实施。因此，除非另有指明，或除非另外从所述上下文中明确得出，以上实施方案和实施例中和以上概述中供选择的要素和特征可彼此互换。即，一个实施例中所述的要素可与另一实施例中所述的一个或多个相应的要素互换或替换。类似地，与特定实施方案或实施例相关的公开的任选的或非关键的特征，应理解为公开其以用于所公开主题的任何其他实施方案中。更一般而言，实施例的要素应理解为通常用于公开的本发明所述产品和方法的其他方面和实施例。提及的可行的(即能够实现一种或多种功能、任务和/或操作等)组分或成分旨在表明，在至少某些实施方案中，其能实现明确所述的功能、任务和/或操作，并且在实现一种或多种其他功能、任务和/或操作时也可能是具有良好可行性的。
各个实施方案并不限于本申请所述的特定实施方案。此外，本申请使用的术语仅用于描述特定的实施方案，且是非限制性的。

Claims (21)

1.一种超轻量石膏墙板，包括在两个基本上平行的盖板之间形成的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯通过在灰泥泥浆中水合改性的β-石膏半水合物形成，所述灰泥泥浆包含改性的β-石膏半水合物、水、预胶化淀粉和灰泥分散剂，其中改性的β-石膏半水合物通过在用于制备β-石膏半水合物的条件下、在煅烧改性剂的存在下煅烧石膏而制备。
2.权利要求1所述的石膏墙板，其中所述煅烧改性剂选自饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸、三羧酸、多羧酸及其组合。
3.权利要求2所述的石膏墙板，其中所述煅烧改性剂选自：乙酸、乙酸酐、乙酸盐、己二酸、己二酸酐、己二酸盐、天冬氨酸、天冬氨酸酐、天冬氨酸盐、柠檬酸、柠檬酸酐、柠檬酸盐、甲酸、甲酸酐、甲酸盐、富马酸、富马酸盐、葡糖酸、葡糖酸酐、葡糖酸盐、马来酸、马来酸酐、马来酸盐、苹果酸、苹果酸酐、苹果酸盐、丙二酸、丙二酸酐、丙二酸盐、草酸、草酸酐、草酸盐、琥珀酸、琥珀酸酐、琥珀酸盐、磺基琥珀酸、磺基琥珀酸酐、磺基琥珀酸盐、酒石酸、酒石酸酐、酒石酸盐及其组合。
4.权利要求1所述的石膏墙板，其中所述煅烧改性剂选自：马来酸、酒石酸、琥珀酸、聚丙烯酸琥珀酸钠、乳酸、天冬氨酸、柠檬酸、柠檬酸钠、葡糖酸单钠、酒石酸三聚磷酸盐、葡糖酸单钠、乙二胺四乙酸或其钠盐以及氨基三亚甲基膦酸的五钠盐。
5.权利要求1所述的石膏墙板，其中所述预胶化淀粉存在于灰泥泥浆中的量为改性β-石膏半水合物的0.5至10重量％。
6.权利要求5所述的石膏墙板，其中所述预胶化淀粉选自：羟乙基化淀粉、预胶化玉米淀粉、预胶化糯玉米淀粉、预胶化稻淀粉、预胶化小麦淀粉、羟丙基化淀粉、羟乙基化淀粉、琥珀酸化淀粉、乙酰化淀粉、糊精化淀粉及其组合。
7.权利要求1所述的石膏墙板，其中所述煅烧改性剂存在的量为约0.05至约10重量％，基于石膏的重量计。
8.一种制备超轻量石膏墙板的方法，包括：
将改性β-石膏半水合物与预胶化淀粉、灰泥分散剂和水混合形成灰泥泥浆，所述改性β-石膏半水合物通过在用于制备β-石膏半水合物的条件下、在煅烧改性剂的存在下煅烧石膏而制备；以及
使所述灰泥泥浆在两个基本上平行的盖板之间凝固以形成超轻量石膏墙板。
9.权利要求6所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸、三羧酸、多羧酸及其组合。
10.权利要求7所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自：乙酸、乙酸酐、乙酸盐、己二酸、己二酸酐、己二酸盐、天冬氨酸、天冬氨酸酐、天冬氨酸盐、柠檬酸、柠檬酸酐、柠檬酸盐、甲酸、甲酸酐、甲酸盐、富马酸、富马酸盐、葡糖酸、葡糖酸酐、葡糖酸盐、马来酸、马来酸酐、马来酸盐、苹果酸、苹果酸酐、苹果酸盐、丙二酸、丙二酸酐、丙二酸盐、草酸、草酸酐、草酸盐、琥珀酸、琥珀酸酐、琥珀酸盐、磺基琥珀酸、磺基琥珀酸酐、磺基琥珀酸盐、酒石酸、酒石酸酐、酒石酸盐及其组合。
11.权利要求6所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自：马来酸、酒石酸、琥珀酸、聚丙烯酸琥珀酸钠、乳酸、天冬氨酸、柠檬酸、柠檬酸钠、葡糖酸单钠、酒石酸三聚磷酸盐、葡糖酸单钠、乙二胺四乙酸或其钠盐以及氨基三亚甲基膦酸的五钠盐。
12.权利要求6所述的方法，其中所述预胶化淀粉存在于灰泥泥浆中的量为改性β-石膏半水合物的0.5至10重量％。
13.权利要求12所述的方法，其中所述预胶化淀粉选自：羟乙基化淀粉、预胶化玉米淀粉、预胶化糯玉米淀粉、预胶化稻淀粉、预胶化小麦淀粉、羟丙基化淀粉、羟乙基化淀粉、琥珀酸化淀粉、乙酰化淀粉、糊精化淀粉及其组合。
14.权利要求6所述的方法，其中所述煅烧改性剂存在的量为约0.05至约10重量％，基于石膏的重量计。
15.一种制备超轻量石膏墙板的方法，包括：
在用于制备β-石膏半水合物的条件下，连续煅烧石膏，所述煅烧在煅烧改性剂的存在下进行，从而形成改性的β-石膏半水合物；
将改性β-石膏半水合物与预胶化淀粉和灰泥分散剂混合，形成灰泥泥浆；以及
使所述灰泥泥浆在两个基本上平行的盖板之间凝固，形成超轻量石膏墙板。
16.权利要求15所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸、三羧酸、多羧酸及其组合。
17.权利要求16所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自：乙酸、乙酸酐、乙酸盐、己二酸、己二酸酐、己二酸盐、天冬氨酸、天冬氨酸酐、天冬氨酸盐、柠檬酸、柠檬酸酐、柠檬酸盐、甲酸、甲酸酐、甲酸盐、富马酸、富马酸盐、葡糖酸、葡糖酸酐、葡糖酸盐、马来酸、马来酸酐、马来酸盐、苹果酸、苹果酸酐、苹果酸盐、丙二酸、丙二酸酐、丙二酸盐、草酸、草酸酐、草酸盐、琥珀酸、琥珀酸酐、琥珀酸盐、磺基琥珀酸、磺基琥珀酸酐、磺基琥珀酸盐、酒石酸、酒石酸酐、酒石酸盐及其组合。
18.权利要求15所述的方法，其中所述煅烧改性剂选自：马来酸、酒石酸、琥珀酸、聚丙烯酸琥珀酸钠、乳酸、天冬氨酸、柠檬酸、柠檬酸钠、葡糖酸单钠、酒石酸三聚磷酸盐、葡糖酸单钠、乙二胺四乙酸或其钠盐以及氨基三亚甲基膦酸的五钠盐。
19.权利要求15所述的方法，其中所述预胶化淀粉存在于灰泥泥浆中的量为改性β-石膏半水合物的0.5至10重量％。
20.权利要求19所述的方法，其中所述预胶化淀粉选自：羟乙基化淀粉、预胶化玉米淀粉、预胶化糯玉米淀粉、预胶化稻淀粉、预胶化小麦淀粉、羟丙基化淀粉、羟乙基化淀粉、琥珀酸化淀粉、乙酰化淀粉、糊精化淀粉及其组合。
21.权利要求15所述的方法，其中所述煅烧改性剂存在的量为约0.05至约10重量％，基于石膏的重量计。
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