专利名称：复合轻量石膏墙板的制作方法
技术领域：
本发明涉及独特的具有高强度的轻量复合石膏板。本发明还涉及利用独特的含石膏浆形成泡沫低密度凝固(set)石膏板芯和非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层来制造这种轻量复合石膏板的方法，该粘结高密度层将顶部和底部板层(cover sheet)粘结到该板芯。
背景技术：
石膏(二水合硫酸钙)的某些性质使其在制造工业和建筑产品(如石膏墙板)的应用上备受欢迎。石膏是一种丰富的，通常很便宜的原料，其通过脱水和再水合过程，可被铸造、模塑或以其它方式形成有用的形状。制成石膏墙板和其它石膏制品的基底材料是硫酸钙的半水合物形式(CaSO4.1/2H20)，通常称为“灰泥”，它是由硫酸钙的二水合物形式(CaSO4.2H20)热转换，从中除去1-1/2水分子而生成。传统的含石膏产品如石膏墙板具有很多优点，例如低成本和易于加工。利用淀粉作为制造含石膏产品的浆体中的成分已经在制造这些产品方面实现了各种改进。例如，预凝胶淀粉可增强含石膏产品包括石膏墙板的抗弯强度和耐压强度。已知的石膏墙板包含小于101bs/MSF水平的板淀粉。在含预凝胶淀粉的石膏浆中有必要使用大量的水，以便保证浆体有适当的流动性。但是，大部分水最终必须通过干燥去除，而干燥费用昂贵，因为干燥过程使用高成本的燃料。干燥步骤也很费时。人们发现使用萘磺酸盐分散剂能增强浆体的流动性，由此克服对水的需求问题。此外，人们还发现如果使用水平(量)够高，萘磺酸盐分散剂能交联到预凝胶淀粉上，以便在干燥后将石膏晶体粘结到一起，由此增强石膏复合品的干强度。在过去，人们没有认识到三偏磷酸盐影响石膏浆的水需求。然而，本发明人发现在特定分散剂的存在下，将三偏磷酸盐水平增加到目前未知的水平上可能以出人意料的减少的水量，实现浆体适当的流动性，甚至在高水平淀粉存在下。这当然是非常可取的，因为它反过来减少干燥的燃料用量以及与后来水去除处理步骤相关的处理时间。因此，本发明人还发现石膏墙板的干强度可通过在用于制造墙板的浆体中使用萘磺酸盐分散剂结合预凝胶淀粉来增强。传统的石膏墙板具有用于工作的足够强度，并满足标准测试要求如钉拉阻力(771b)和芯硬度(111b)。然而，传统墙板质重，通常重达1600-17001b/MSF。如果能找到一种生产板重(密度)大大降低而对钉拉阻力和硬度特性无不良影响的高强度石膏墙板的方法，这将是对本领域的有用贡献。人们还知道在制造石膏墙板中，粘结层可用以促进纸板层对凝固石膏芯的粘着或粘结。通常，这些粘结层相对很厚，约为7mil-25mil,甚至达到50mil (mil,密尔)。预计较薄的粘结层较难适用并显示出其它缺点。但是，使用这些厚的粘结层会减少成品墙板中的芯硬度。这些干粘结层中的最终密度大于约70pcf-90pcf。术语“pcf”定义为磅每立方英尺(lb/ft3)。如果能找到一种用更薄、更轻的粘结层来制造低密度凝固石膏板，而不削弱芯硬度或其它重要板性质的方法，这将是对本领域的有用贡献。
发明内容
本发明一般包括一种轻量石膏复合板，包括具有一顶面和一底面的一泡沫低密度凝固石膏芯，该泡沫低密度凝固石膏芯用含石膏浆制成，该含石膏浆包括灰泥，以及基于灰泥重量，约0.5-10%重量的预凝胶淀粉，约0.1-3.0%重量的萘磺酸盐分散剂和约0.12-0.4%重量的三偏磷酸钠，该轻量石膏复合墙板还包括一覆盖在泡沫低密度凝固石膏芯的顶面上的顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，一覆盖在泡沫低密度凝固石膏芯的底面上的底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，一顶部板层以及一底部板层，其中该顶部板层通过顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结合在泡沫低密度凝固石膏芯上，该底部板层通过底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结合在泡沫低密度凝固石膏芯上。该轻量石膏复合板的顶部和底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层包括含石膏浆总量约10%_16%的重量。在一种优选的实施方式中，覆盖在泡沫低密度凝固石骨芯的顶面上的顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层包括含石膏浆总量约6-9%的重量，而覆盖在泡沫低密度凝固石膏芯的底面上的底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层包括含石膏浆总量约4-6%的重量。
具体实施例方式人们意外地发现，用更薄、更轻的顶部和底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层制备泡沫低密度凝固石膏芯以达到重顶部(面)板层和底部(背)板层的良好结合，可获得具有钉拉阻力、芯硬度和板强度的复合石膏板。本发明的复合石膏板包含一具有顶面和底面的泡沫低密度凝固石膏芯，一覆盖在泡沫低密度凝固石膏芯的顶面上的顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，一具有泡沫低密度凝固石膏芯-表面的顶部(或面)板层，该顶部板层通过顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结合在泡沫低密度凝固石膏芯上，一覆盖在泡沫低密度凝固石膏芯的底面上的底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，以及一具有泡沫低密度凝固石膏芯-表面的底部(或背)板层，该底部板层通过底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结合在泡沫低密度凝固石膏芯上。优选地，该顶部板层为重量约601b/MSF(厚度约18mil)的纸。此外，顶部(面)板层和底部(背)板层大体上与泡沫低密度凝固石膏芯平行。泡沫低密度凝固石膏芯由含灰泥的泡沫石膏浆制成，并包含预凝胶淀粉，以及优选包含萘磺酸盐分散剂，还优选包含三偏磷酸钠。该顶部和底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层可包括石膏浆总量约10%_16%的重量。根据本发明的一种实施方式，可提供由含石膏、预凝胶淀粉、萘磺酸盐分散剂和三偏磷酸钠的泥浆制成的成品复合石膏板。萘磺酸盐分散剂以基于干灰泥重量约0.1%-3%重量的量存在。预凝胶淀粉以基于配方中干灰泥重量的至少0.5%重量，高至约10%重量的量存在。三偏磷酸钠以基于配方中干灰泥重量的约0.12%-0.4%重量的量存在。浆体中可能用到的其它成分包括粘合剂、纸纤维、玻璃纤维和促进剂。新配制的含石膏浆中可添加产生空气间隙的肥皂泡沫，以帮助降低最终含石膏产品例如石膏墙板或复合石膏板中的泡沫低密度凝固石膏芯的密度。
约0.5%-10%重量的预凝胶淀粉，约0.1%-3.0%重量的萘磺酸分散剂，以及最低限度的至少0.12%重量、高至约0.4%重量的三偏磷酸盐(均基于石膏浆中使用的干灰泥的重量)的组合意外并大大地增加了石膏浆的流动性。这大大降低了生产具有足够流动性的用于制备含石膏浆产品如石膏墙板的石膏浆的需水量。三偏磷酸钠盐的水平，其至少为标准配方(三偏磷酸钠)两倍，被认为可促进萘磺酸盐分散剂的分散活性。空气间隙会降低泡沫低密度凝固石膏芯和板层之间的粘结强度。因为一半以上的复合石膏板体积可由泡沫引起的空气间隙组成，这些泡沫会妨碍泡沫低密度凝固石膏芯和纸板层之间的粘结。这可以通过在石膏芯上涂覆板层之前，在接触该石膏芯的顶部板层和底部板层的表面上设置非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层来解决。这种非泡沫或者低泡沫粘结高密度层配方除了不添加肥皂，或添加的肥皂(泡沫)的量大大降低外，通常与石膏浆芯配方相同。可选地，为了形成该粘结层，可从芯配方中机械地除去泡沫，或在泡沫低密度凝固石膏芯/面纸界面上涂覆不同的无泡沫配方。肥皂泡沫需要被引入并控制泡沫凝固石膏芯中空气(泡沫)间隙大小和分布，以及控制泡沫凝固石膏芯的密度。该凝固石膏芯中肥皂的优选范围为约0.2-0.71b/MSF ;肥皂的更优选水平为约0.3-0.51b/MSF。虽然在非泡沫粘结高密度层中优选不使用肥皂，如果在低泡沫粘结高密度层中使用肥皂，其用量为制造泡沫低密度凝固石膏芯中所用肥皂量的约5%重量或更小。粘结层中使用的含石膏浆的非泡沫或低泡沫，即高密度部分是制造最终板使用的(湿)浆体重量的约10-16%。在一种优选实施方式中，浆体重量的6-9%可用作顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，而浆体重量的4-7%可用作底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层。该顶部和底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层的存在为顶部和底部板层以及泡沫低密度凝固石膏芯提供了改善的粘结力。该非泡沫粘结高密度层的湿密度可以为约80-85pcf。该非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层的干密度(最终)可以为约45-70pcf。此外，本发明的非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层的厚度为约2-7mil。优选的板层可像传统石膏墙板一样用纸制成，但也可以使用其它本领域已知的有用的板层材料(如纤维玻璃搭配)。然而，在本发明该实施方式中，优选将重的纸板层用作顶部(面)板层。有用的板层纸包括购自美国石膏公司(伊利诺斯州，芝加哥)的马尼拉7层纸(Manila 7-ply)和 News_Line5 层纸(News-Line 5_ply),和购自 Caraustar 公司(印第安纳，新港)的灰底白板3层纸(Grey-Back 3_ply)和马尼拉白3层纸(Manila Ivory3-ply)0优选的顶部板层纸为马尼拉7层纸。特别优选的顶部板层纸为购自Caraustar公司(印第安纳，新港)的重马尼拉纸(601b/MSF，厚度18mil)。还可优选使用其它厚度约15_20mil的重的、厚的纸。纤维垫也可用作所述板层的一个或两个。优选地，纤维垫为无纺玻璃纤维垫，其中玻璃纤维丝通过粘合剂粘结在一起。最优选地，无纺玻璃纤维垫将有一重的树脂涂层。例如，可使用购自约翰-曼维尔公司的重量约1.51b/100ft2的Duraglass无纺玻璃纤维垫，该垫重量的约40-50%来自树脂涂层。在此可以注意到，制造传统石膏墙板中，首先铺设顶部或面纸并沿着生产线移动，且在本领域被称为工序的“底”，虽然接触并形成的是墙板产品的顶部或面。相反，底部或背纸在生产工序的最后涂覆，在其中被称为工序的“顶”。这些相同的常规手段可适用于本发明的复合石膏板的配方和制备。参见如下实施例7B。优选是在根据本发明制备的含石膏浆中使用萘磺酸盐分散剂。用于本发明的萘磺酸盐分散剂包括聚萘磺酸及其盐(聚萘磺酸盐)和衍生物，其为萘磺酸和甲醛的缩合产物。尤其可取的聚萘磺酸盐包括萘磺酸钠和萘磺酸钙。萘磺酸盐的平均分子量可以为约3000-27000，但优选的是该分子量为约8000-22000，更优选的是该分子量为约12000-17000。作为商业产品，较高分子量的分散剂比较低分子量的分散剂具有更高的粘性和更低的固体内容物。有用的萘磺酸盐包括购自GEO特种化学品公司(俄亥俄州，克里夫兰)的DIL0FL0 ;购自罕布什尔化学公司(马萨诸塞州，列克星敦)的DAXAD ;购自GEO特种化学品公司(印第安纳州，拉斐特)的L0MARD。萘磺酸盐优选作为固体内容物35-55%重量的水溶液使用，例如固体内容物约40-45%重量。或者，在适当情况下，萘磺酸盐以干燥固体或粉末形式使用，例如LOMAR D0本发明有用的聚萘磺酸盐具有结构通式(I):
权利要求
1.一种复合石膏板，包括: 具有干密度的凝固石骨芯； 该凝固石膏芯邻接于具有干密度的第一粘结层，该凝固石膏芯的干密度小于第一粘结层的干密度，相差至少IOpcf ； 第一粘结层，其厚度为2mil至小于7mil ； 该板具有35pcf或更低的干密度；且 该凝固石膏芯的平均芯硬度为至少11磅，如根据ASTM C473所测定的。
2.—种复合石膏板，包括: 具有干密度的凝固石骨芯； 该凝固石膏芯邻接于具有干密度的第一粘结层，该凝固石膏芯的干密度小于第一粘结层的干密度，相差至少IOpcf ； 第一粘结层，其厚度为2mil至小于7mil ； 该板具有35pcf或更低的干密度；且 该板的干密度(pcf)与平均芯硬度(Ib)的比率为小于3.2，其中芯硬度根据ASTM C473测定。
3.一种复合石膏板，包括: 具有干密度的凝固石骨芯； 该凝固石膏芯邻接于具有干密度的第一粘结层，该凝固石膏芯的干密度小于第一粘结层的干密度，相差至少IOpcf ； 第一粘结层，其厚度为2mil至小于7mil ； 该板具有35pcf或更低的干密度；且 该板在1/2英寸厚度的钉拉阻力与平均芯硬度的比率为4-8，各自如根据ASTM C473所测定的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的复合石膏板，其中该凝固石膏芯的平均芯硬度为至少11磅，如根据ASTM C473所测定的；和 由一种或多种浆体形成第一粘结层和凝固石膏芯，用于形成第一粘结层的浆体的量占用于形成凝固石膏芯和第一粘结层的浆体的总重量的4-9%。
5.如权利要求4所述的复合石膏板，其中用于形成第一粘结层的浆体的量占用于形成凝固石膏芯和第一粘结层的浆体的总重量的4-6%。
6.如权利要求4所述的复合石膏板，其中用于形成第一粘结层的浆体的量占用于形成凝固石膏芯和第一粘结层的浆体的总重量的6-9%。
7.如权利要求1-3中任一项所述的复合石膏板，其中该凝固石膏芯置于第一粘结层和第二粘结层之间，凝固石膏芯的干密度小于第二粘结层的干密度，相差至少IOpcf，且第二粘结层具有2至小于7mil的厚度。
8.如权利要求7所述的复合石膏板，其中第一和第二粘结层的至少一者具有60pcf至70pcf的干密度。
9.如权利要求7所述的复合石膏板，其中第一和第二粘结层的至少一者具有45pcf至60pcf的干密度。
10.如权利要求7所述的复合石膏板，其中由一种或多种浆体形成第一和第二粘结层，用于形成第一和第二粘结层的浆体的量占用于形成凝固石膏芯和第一与第二粘结层的浆体的总重量的10-16%。
11.如权利要求1-3中任一项所述的复合石膏板，其中该板的干密度为24-35pcf。
12.如权利要求1-3中任一项所述的复合石膏板，所述凝固石膏芯由浆体形成，该浆体包含水、灰泥、泡沫，和(i)以基于灰泥重量0.5%-10%的量存在的淀粉，相对于没有淀粉的石膏板的芯硬度而言，该淀粉对于提高石膏板的芯硬度有效，(ii)选自三偏磷酸钠、三偏磷酸钾、三偏磷酸锂和三偏磷酸铵的三偏磷酸盐化合物，该三偏磷酸盐化合物以基于灰泥重量0.12%-0.4%的量存在，(iii)以基于灰泥重量0.1%-3.0%的量存在的萘磺酸盐分散剂，或者(iv) (i) —(iii)的任何组合。
13.如权利要求12所述的复合石膏板，其中所述淀粉为预凝胶淀粉。
14.如权利要求1-3中任一项所述的复合石膏板，其中所述板当为1/2英寸时厚具有:(i )至多14001b/MSF的干重，(ii )至少651b的钉拉阻力，如根据ASTM C473所测定的，(ii )在横向至少361b的平均抗弯强度和/或在纵向至少1071b的平均抗弯强度，如根据ASTMC473所测定的，或(iv) (i) - (iii)的组合。
15.一种制备复合石膏板的方法，该方法包括以下步骤: Ca)至少混合水、和灰泥以及任选的泡沫，以形成第一浆体； (b)将(a)的第一浆体的一部分沉积在第一板层上以形成具有2mils至小于7mils的 厚度的第一粘结层； (C)将泡沫添加到(a)的第一浆体的至少一部分并混合以形成第二浆体，其中第二浆体包含比第一浆体更多量的泡沫且具有比第一浆体较低的湿密度； (d)将(c)的第二浆体沉积在所述第一粘结层上以形成板坯； Ce)将板坯切割成预定尺寸的板；以及 (f)干燥所述板； 其中凝固石膏芯由(c)的第二浆体形成，且其干密度小于第一粘结层的干密度，相差至少 IOpcf ； 所述板具有35pcf或更低的干密度； 所述凝固石膏芯具有至少11磅的平均芯密度，如根据ASTMC473所测定的。
16.一种制备复合石膏板的方法，该方法包括以下步骤: Ca)至少混合水、和灰泥以及任选的泡沫，以形成第一浆体； (b)将(a)的第一浆体的一部分沉积在第一板层上以形成具有2mils至小于7mils的厚度的第一粘结层； (C)将泡沫添加到(a)的第一浆体的至少一部分并混合以形成第二浆体，其中第二浆体包含比第一浆体更多量的泡沫且具有比第一浆体较低的湿密度； Cd)将(c)的第二浆体沉积在所述第一粘结层上以形成板坯； Ce)将板坯切割成预定尺寸的板；以及 (f)干燥所述板； 其中凝固石膏芯由(c)的第二浆体形成，且其干密度具有小于第一粘结层的干密度，相差至少IOpcf ； 所述板具有35pcf或更低的干密度；该板的干密度(pcf)与平均芯硬度(Ib)的比率为小于3.2，其中芯硬度根据ASTM C473测定。
17.一种制备复合石膏板的方法，该方法包括以下步骤: Ca)至少混合水、和灰泥以及任选的泡沫，以形成第一浆体； (b)将(a)的第一浆体的一部分沉积在第一板层上以形成具有2mils至小于7mils的厚度的第一粘结层； (C)将泡沫添加到(a)的第一浆体的至少一部分并混合以形成第二浆体，其中第二浆体包含比第一浆体更多量的泡沫且具有比第一浆体较低的湿密度； Cd)将(c)的第二浆体沉积在所述第一粘结层上以形成板坯； Ce)将板坯切割成预定尺寸的板；以及 (f)干燥所述板； 其中凝固石膏芯由(c)的第二浆体形成，且其干密度具有小于第一粘结层的干密度，相差至少IOpcf ； 所述板具有35pcf或更低的干密度； 该板在1/2英寸厚度的钉拉阻力与平均芯硬度的比率为4-8，各自如根据ASTM C473所测定的。
18.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其中该凝固石膏芯的平均芯硬度为至少11磅，如根据ASTM C473所测定的；和` 用于形成板坯的第一粘结层的浆体的量占用于形成(c)的第二浆体和板坯的第一粘结层的浆体的总重量的4-9 %。
19.如权利要求15-17中任一项所述的方法，还包括将(a)的第一浆体的一部分沉积在第二板层上以形成具有2mils至小于7mils的厚度的第二粘结层，将所述第二板层的浆覆盖面置于(c)的所述沉积的第二浆体上，凝固石膏芯的干密度小于第二粘结层的干密度，相差至少lOpcf。
20.如权利要求19所述的方法，其中用于形成板坯的第一和第二粘结层的浆体的量占用于形成(c)的第二浆体和板坯的第一与第二粘结层的浆体的总重量的10-16%。
21.如权利要求15-17中任一项所述的方法，其中板的干密度为24-35pcf。
全文摘要
本发明提供了一种轻量复合石膏板，包括泡沫低密度凝固石膏芯、顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层和底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层，通过顶部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结和在泡沫低密度凝固石膏芯上的顶部板层，以及通过底部非泡沫(或低泡沫)粘结高密度层结合在泡沫低密度凝固石膏芯上的底部板层。该泡沫石膏芯和非泡沫(或低泡沫)粘结层由石膏浆制成，该石膏浆包含灰泥、预凝胶淀粉、并优选包含萘磺酸盐分散剂和三偏磷酸钠。含石膏浆中使用肥皂泡沫时，该泡沫石膏芯的密度约为30pcf。石膏板具有轻量和高强度。本发明还提供了制备该石膏板的方法。
文档编号E04C2/26GK103104064SQ20131004510
公开日2013年5月15日 申请日期2007年8月29日 优先权日2006年9月29日
发明者于强, 卫新·戴维·宋 申请人:美国石膏公司