轻量、纤维强化的水泥板的制作方法

专利名称：轻量、纤维强化的水泥板的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及适于如下应用的轻量板屋顶构件、框架和覆盖构件、外墙板构件和用于在住宅和其它房屋建筑类型内安装地面终饰的衬底构件，所述板由于采用具有如强化性的选定特性的聚乙烯醇(PVA)纤维而具有获显著改良的挠曲韧性。更具体来说，本发明涉及能够抵抗由冰雹或其它物体所施加的冲击载荷的板。
背景技术：
在建筑工业中使用水泥板来形成住宅和/或商业建筑中的内墙和外墙。所述板的有利条件包括相较于标准石膏基墙板而言的防潮性。然而所述传统板的缺点为，其挠曲韧性不足以达到比得上(如果非更有韧性)例如胶合板或定向结构刨花板(OSB)的木质板的程度。
建筑物结构在其使用寿命内经受多种冲击载荷(例如雹灾，或由于龙卷风或飓风而投掷于所述建筑物上的物体所带来的损害)。并非所有建筑覆盖板均足够坚韧以承受所述冲击载荷。在有必要显示冲击载荷抵抗力时，测量所述覆盖板以确定所述衬底在没有失效条件下所能抵抗的冲击。
本说明书中所表征的挠曲韧性测量成等于在四点弯曲中所加载样品的挠曲载荷与挠度曲线下的总面积。
根据ASTM(美国材料试验协会)C947试验方法，挠曲韧性以在四点弯曲中加载的挠曲样品的载荷与挠度曲线下的总面积测量。
达成显著挠曲韧性的木质板通常为由木材碎片胶合在一起所组成的胶合板或定向结构刨花板(OSB)。此等板可提供挠曲韧性，但每一种均易燃且当暴露于水中时也不耐用。由水硬性水泥制成的板可抗水，但是相较于木质板重得多且不具有充足的挠曲韧性。认为尚不可获得能够提供本发明的挠曲韧性而又避免胶合板或OSB板的缺陷的板。
此外，对于经配置而在建筑环境中表现与胶合板或OSB板相似的水泥板的需求，意谓所述板可受钉且可使用传统锯和其它传统木工工具加以切割或加工。也希望水泥结构板具有低密度以便于操作。
所述板应能够用切割木材所用的圆锯切割。
所述板应能够用钉子或螺钉固定于框架上。
所述板暴露于水中时应保持尺寸稳定，意即其膨胀应尽可能小，较佳由ASTM C 1185所测低于0.1％。
所述板不应具有生物降解性或易受昆虫或腐蚀的侵袭。
所述板应提供用于外部装修系统的可粘结衬底。
固化处理28天后，由ASTM C 947测试所测量，密度为60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的0.5英寸(12.7mm)厚的板挠曲强度为至少750psi(5.2MPa)、且较佳为大于1000psi(6.9MPa)。
显然目前可获得的水泥基和木质产品和复合物只能满足部分而非所有上述性能特征。详细来说，需要获改良的轻量水泥基板，其具有获改良的挠曲韧性，且通过提供非可燃性和耐水性而超越目前所使用的水泥基和木质板的性能。
尽管使用了玻璃纤维以强化水泥，但已知因为玻璃受到存在于固化水泥中的石灰的侵蚀而将随时间损失强度。此现象可在一定程度上通过涂覆所述玻璃纤维或使用特种耐碱玻璃来加以弥补。已建议使用其它纤维来强化水泥，例如金属纤维、木材或其它纤维素纤维、碳纤维或聚合物纤维。第10栏、第1-6行提到，“尽管它们不提供与玻璃纤维相当的强度，但有可能在本发明的板中包括某些聚合物纤维。所述纤维例如为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈和聚乙烯醇纤维，它们比耐碱玻璃纤维廉价且不易受石灰侵蚀。”Bonen的美国专利第6,241,815号以引用的方式并入本文中，其揭示一种用于建筑材料中的组合物，其可取代高性能混凝土、修补材料、填缝混合料(joint compound)等等，例如背衬板或板，其包括可凝固硫酸钙(较佳为半水合物)、波特兰水泥(Portland cement)、微细火山灰材料、石灰和视情况包括其它添加剂的集料。所述集料与组合硫酸钙、波特兰水泥、火山灰材料和石灰(水泥粘合剂)的体积比率等于或大于2/1。由此组合物制成的板由于具有良好的尺寸稳定性而可利用，尤其可用于暴露于水中时。
Schaefer等人的US 4,199,366 A揭示一种经纤维强化的类水泥材料，其具有以所述材料总体积计至少2体积％量的短聚乙烯醇纤维。此等纤维具有约4％与8％之间的断裂伸长率和大于130克/分特(g/dtex)的模量。也揭示一种制备所述材料的方法。Gordon等人的US 4,306,911 A揭示一种制造经纤维强化的水硬性方式获得的凝固材料的方法。Meier等人的US 4,339,273 A揭示一种制造经纤维强化、水硬性凝固的组合物的方法，所制造的组合物和其用途。Vondran的US 5,298,071 A揭示一种纤维水合性水泥组合物，其在水合性水泥粉末中包含均匀分散的破碎纤维。Shah等人的US 6,528,151 B1揭示一种经挤出纤维强化的水泥基质复合物，其制造是通过将水泥、水、水溶性粘合剂和相对较短的非连续强化纤维(较佳为短聚乙烯醇纤维)混合提供可挤出混合物，随后将所述混合物挤出成型，且使所述水泥固化。Cheyrezy等人的US 6,723,162 B1揭示一种混凝土，其包含分散于水泥基质中的有机纤维、混凝土水泥基质和预混物。所述混凝土的某些实例使用聚乙烯醇纤维。Li等人的US 2002/0019465 A1揭示经短纤维强化的水泥复合物，其为自充填的且可通过将亲水性聚合物纤维添加至含有聚合增稠剂和超塑化剂的水泥组合物中来制备。Nelson等人在J.Mat.Civil.Eng.2002年9月/10月的“Fracture Toughness ofMicrofiber Reinforced Cement Composites”中揭示空气干燥条件下在经聚丙烯(PP)、聚乙烯醇(PVA)和精制纤维素纤维所强化的薄片水泥复合物上进行断裂韧性试验的结果。然而，此等参考文献中的水泥产品具有高密度。换句话说，此等参考文献中呈现的经PVA纤维强化的水泥基板的目前技术发展水平涉及高密度板而非轻量板。
以引用的方式并入本文中的美国专利申请案第10/666,294号揭示一种制造结构水泥板(SCP板)的多层方法，和由所述方法所制造的SCP。当在移动网上初始沉积松散分布的短切纤维或浆料层后，将纤维沉积于所述浆料层上。其也揭示一种由所述方法所制造的结构水泥板(SCP)，和一种适于根据所述方法制造结构水泥板的装置。

发明内容
本发明涉及一种用于制造极强韧、轻量水泥基复合物的经聚乙烯醇(PVA)纤维强化的水泥组合物。此组合物为无机粘合剂、轻量填充剂和多种较佳PVA纤维的混合物。已发现本发明的材料组合适合于拥有显著韧性(能量吸收能力)的轻量水泥基复合物。对于本发明的复合物，所获韧性比用其它多种纤维(例如耐碱玻璃、碳或钢)所强化的复合物韧性要高若干个数量级。选择所述PVA纤维以具有可产生良好复合物性能的较佳特性和参数。此等多种较佳PVA纤维可与例如耐碱玻璃、碳、钢或其它聚合物纤维的其它类型纤维组合使用。使用本发明所揭示的调配物所制造的水泥基复合物可针对房屋建筑(building construction)中多种应用。所揭示调配物和所得复合物尤其可用于高度重视由冲击载荷(例如雹灾)造成的破坏的应用中。某些潜在应用的实例包括用于建筑的房屋顶瓦和外部墙板。
达成低密度、经改良的挠曲强度和受钉性的组合的本发明板的实施例的典型组合物包含无机粘合剂(实例石膏水泥、波特兰水泥或其它水硬性水泥)，其具有分布于所述板整个厚度的经选择PVA纤维、轻量填充剂(实例均匀的中空玻璃微球体、中空陶瓷微球体、塑料微球体和/或珍珠岩)和超塑化剂/高比例减水混杂物(实例聚萘磺酸盐、聚丙烯酸酯等)。
所述板可为单层板或多层板。必要时单层或多层板也可具有一片筛网，例如玻璃纤维筛网。典型板是由水与无机粘合剂的混合物与遍及所述混合物的经选择的PVA纤维、轻量陶瓷微球体和/或聚合物微球体和超塑化剂所制成。可视情况将例如加速和缓凝混杂物、粘度控制添加剂的其它添加剂加入所述混合物中以满足所涉及的制造方法要求。
本发明的水泥板的关键特征为所述板是轻量的。较佳本发明的水泥板的密度小于85pcf，或更佳本发明的水泥板的密度小于70pcf。本发明在轻量水泥板中采用经选择的PVA纤维以达成具有有利特性的板。
较佳纤维可单独使用或与例如耐碱玻璃、碳纤维、钢纤维或其它聚合物纤维的其它类型纤维组合使用。
根据本说明书中所述的挠曲韧性表征方法，所述复合物的挠曲韧性通常大于2.25焦耳。此外所述板在纤维体积分率为至少2％时可充当剪切板。


图1为本发明单层板的示意性侧视图。
图2所提供数据展示纤维类型和纤维体积分率对轻量、经纤维强化的水泥基复合物的挠曲韧性的影响。
图3所提供数据展示纤维类型(纤维体积分率为2％时)对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物挠曲韧性的影响。
图4所提供数据展示纤维类型和纤维体积分率对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物挠曲强度的影响。
图5所提供数据展示纤维类型和纤维体积分率对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物的横向紧固阻力的影响。
图6所提供数据展示纤维类型和纤维体积分率对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物最大挠度的影响。
图7所提供数据展示纤维类型对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物最大挠度的影响。
图8所提供数据展示纤维类型对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物韧性的影响。
图9所提供数据展示纤维类型对于轻量、经纤维强化的水泥基复合物挠曲强度的影响。
具体实施例方式
如先前所述，业内需要重量轻且能够替代目前可获得的水泥基和木质板的建筑板以提供经改良韧性来抵抗由于冰雹或其它大风所携带的物体产生的冲击所造成的破坏。木质板和产品一般提供充分的挠曲韧性性能，但它们遇水时尺寸不稳定且会受腐蚀或昆虫的侵袭。目前可用的水泥基板和产品具有以下缺陷产品密度高、韧性性能差、冷冻-解冻条件下导致板脱层的不稳定性、经纤维素纤维强化的板抗霉菌性和耐白蚁性差、且经纤维素纤维强化的板耐潮湿性差。
此外，当使用木质板或经纤维素纤维强化的水泥基板时，必需花费相当多的额外成本在其上施加防水涂层或额外防水板以保护所述板免于受潮。与此相反，本发明的板防水且尺寸稳定。所述板可用木板所用的工具切割并用钉子或螺钉固定于框架上。必要时，可能为榫槽结构。
用于制造本发明板的主要原料为无机粘合剂(例如α半水合硫酸钙、水硬性水泥和火山灰材料)、经选择的PVA纤维、轻量填充剂(例如珍珠岩、陶瓷微球体和/或聚合物微球体)、超塑化剂(例如聚萘磺酸盐和/或聚丙烯酸酯)、水和可选添加剂。
半水合硫酸钙可用于本发明板中的半水合硫酸钙是由天然存在的矿物石膏矿石(二水合硫酸钙CaSO4·2H2O)制成。除非另外指出，否则“石膏”将指硫酸钙的二水合物形式。开采出之后，将生石膏经热处理形成可凝固硫酸钙，其可为无水的，但更通常为半水合物CaSO4·1/2H2O。出于熟悉的最终用途，使所述可凝固硫酸钙与水反应以通过形成二水合物(石膏)来加以固化。所述半水合物具有两种公认形态，称为α半水合物和β半水合物。此等形态基于其物理特性和成本而经选择用于多种应用中。两种形式皆与水反应生成二水合硫酸钙。经水合后，α半水合物特征为产生矩形面石膏晶体，而β半水合物特征为水合产生通常具有高纵横比的针状石膏晶体。在本发明中可视所要的机械性能而定使用α或β形式或其两者。β半水合物形成较低密度的微观结构且较佳用于低密度产品。α半水合物形成的更高密度微观结构比β半水合物形成的微观结构具有比更高强度和密度。因此，α半水合物可替代β半水合物以增加强度和密度或者组合所述半水合物来调节特性。
用于制造本发明板的无机粘合剂的典型实施例包含水硬性水泥，例如波特兰水泥、高铝水泥、火山灰掺合的波特兰水泥或其混合物。
另一用于制造本发明板的无机粘合剂的典型实施例包含含有α半水合硫酸钙、水硬性水泥、火山灰和石灰的掺合物。
水硬性水泥(hvdraulic cement)ASTM将“水硬性水泥”定义如下一种通过与水的化学相互作用而凝固和硬化且能够在水中如此进行的水泥。有若干种用于施工和建筑工业的水硬性水泥。水硬性水泥的实例包括波特兰水泥，熔渣水泥、例如高炉熔渣水泥和富硫酸盐熔渣水泥，硫铝酸钙水泥，高铝水泥，膨胀水泥，白水泥和快凝快硬水泥。虽然半水合硫酸钙是通过与水的化学相互作用凝固和硬化，但其不包括在本发明内容中水硬性水泥的广泛定义内。所有前述的水硬性水泥皆可用于制造本发明的板。
最普遍和广泛使用的紧密相关水硬性水泥家族称为波特兰水泥。ASTM将“波特兰水泥”定义为将基本上由水硬性硅酸钙类所组成的熟料研磨成粉而得的水硬性水泥，所述水泥通常含有一种或一种以上形态的硫酸钙作为破碎杂料。为制造波特兰水泥，将石灰石、angalicious石和黏土的均匀混合物在窑炉内点燃生成熟料，随后将所述熟料进一步加工。结果，生成下列四种波特兰水泥的主要相硅酸三钙(3CaO·SiO2，也称为C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2，称作C2S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3或C3A)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3或C4AF)。在所述波特兰水泥中存在的微量其它化合物包括硫酸钙和其它碱性硫酸复盐、氧化钙和氧化镁。在多种认知类别的波特兰水泥中，III型波特兰水泥(ASTM分类)较佳用于制造本发明的板，发现由于其细度提供更大强度。其它认知类别的水硬性水泥包括例如高炉熔渣水泥和富硫酸盐熔渣水泥的熔渣水泥、硫铝酸钙(calcium sulfoaluminate)水泥、高铝水泥、膨胀水泥、白水泥、例如调节凝固水泥和VHE水泥的快凝快硬水泥，且其它波特兰水泥类型也可成功用于制造本发明的板。熔渣水泥和硫铝酸钙水泥具有低碱性且也适于制造本发明的板。
PVA纤维随着不同种PVA纤维的使用出现复合物机械性能的实质性差异。因此，本发明选择具有认为会产生良好复合物性能的特征的PVA纤维。表1列出所述特性。
表1

聚乙烯醇(PVA)纤维是通式为(-CH2-CH(OH)-)n的聚合物，其具有例如13,000至100,000的分子量和例如1.23至1.30gm/cc的密度且一般可如此项技术所知而制备。
较佳的市售PVA纤维列于表2中。
表2

将所述PVA纤维加入类水泥衬底中以在所得产品中提供至少0.50体积％、较佳为0.50体积％至3.00体积％量的此等纤维。低于0.50％的纤维混合物不提供具有所要特征的材料。高于3.00体积％的纤维混合物令所要产品的制备非常昂贵而在抗弯强度或冲击强度上却无任何显著改进。独立纤维的长度可一致或可变化。
所述PVA纤维均匀分布于所述水泥材料中。所述纤维可为PVA单丝或PVA复丝线。所述纤维的横截面可具有多种形状，尤其为由制备方法中物理和化学变化所引起的形状。例如，纺丝溶液材料、沉淀浴和纺丝头喷嘴可有所不同。以此方式，可促进圆形纤维、多叶片纤维、中空纤维、多孔纤维等的制备。通过物理后处理方法可使纤维外表面变粗、分叉或粘结。
PVA纤维由于其高化学反应性可很容易加以化学改性。可通过加成反应或自由基反应引入多种官能基，如羧基、酰胺基、腈基、磷酸基、硫酸基等。可通过纯物理方法将增亮剂或粘结剂引入至所述纤维上或所述纤维内，且可对PVA纤维固着在类水泥材料中提供帮助。通过上述方法，PVA纤维可制成具有易燃性、疏水性或交联性。所有以此方式改性的PVA纤维皆适于作为本发明中的填充剂。
根据本发明的方法，可将聚乙烯醇纤维单独加入类水泥材料中，或与单独或组合的玻璃或其它合成或天然纤维一同加入。除了强化纤维外，可将例如纤维素废料、木质碎屑、“纤条体(fibrid)”(例如聚丙烯纤条体)的佐剂和其它填充剂加入所述经强化的材料中。
其它可选纤维玻璃纤维常用作绝缘材料，但也已将其作为强化材料与多种基质使用。所述纤维自身对于易受脆性破坏的材料提供抗张强度。所述纤维在装入时会断裂，但含有玻璃纤维的复合物的常见破坏模式由于纤维与连续相材料间键结的分解和破坏而产生。因此，如果强化纤维要随时间保持其提高所述复合物的延展性且增强所述复合物的能力，那么所述键结非常重要。已发现经玻璃纤维强化的水泥确实随时间流逝而损失强度，其归因于水泥固化时生成的石灰对玻璃的侵蚀。克服所述侵蚀的一种可能途径为用例如聚合物层的保护层覆盖所述玻璃纤维。一般而言，所述保护层可抵抗石灰的侵蚀，但已发现本发明的板中强度有所下降，因此保护层并非较佳。一种限制石灰侵蚀的更昂贵方式为使用特种耐碱玻璃纤维(AR玻璃纤维)，例如Nippon Electric Glass(NEG)350Y。已发现所述纤维提供与基质的优越结合强度，且因此对于本发明的板较佳。所述玻璃纤维为具有约5至25微米直径且通常约10至15微米的单丝。所述细丝一般组合成100根细丝形成的纤维束，所述纤维束可捆扎成含有约50个纤维束的粗纱。所述纤维束或粗纱一般可短切成例如约0.25至3英寸(6.3至76mm)长、较佳为1至2英寸(25至50mm)的适当细丝和细丝束。
本发明的板中也可能包括其它聚合物纤维。所述聚合物纤维例如为聚丙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺和/或芳族聚酰胺纤维，所述聚合物纤维比耐碱玻璃更便宜且不易受石灰侵蚀。碳或钢纤维也为潜在的添加剂。
火山灰材料(pozzolanic material)如前所述，大部分波特兰水泥和其它水硬性水泥在水合(固化)期间生成石灰。希望使所述石灰发生反应以降低对玻璃纤维的侵蚀。也已知当半水合硫酸钙存在时，其与铝酸三钙在水泥中反应形成会导致固化产物不良破裂的钙矾石。在此项技术中此现象常称作“硫酸盐侵蚀”。可通过添加“火山灰”材料来防止所述反应，在ASTM C618-97中将所述火山灰材料定义为“……硅酸或硅铝酸材料，其本身具有极小或没有水泥质值(cementitious value)，但在水分存在下以微细形态时将与氢氧化钙在常规温度下发生化学反应以形成具有水泥特性的化合物。”一种常用火山灰材料为硅粉，一种微细非晶系二氧化硅，其为硅金属与铁-硅合金制品的产物。其特征上具有高二氧化硅含量和低氧化铝含量。多种天然和人造材料被称作具有火山灰特性，包括浮石、珍珠岩、硅藻土、凝灰岩、火山土、偏高岭土、微硅粉、磨细高炉熔渣粉和飞灰。虽然硅粉为用于本发明的板中的尤其便利火山灰，但可使用其它火山灰材料。与硅粉相反，偏高岭土、粒化高炉熔渣粉和经研磨成粉的飞灰具有低得多的二氧化硅含量和大量氧化铝，但可为有效的火山灰材料。当使用硅粉时，其将构成约5至20重量％、较佳10至15重量％的反应性粉末(反应性粉末的实例仅水硬性水泥；水硬性水泥与火山灰的掺合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰的掺合物)。如果取代其它火山灰，那么应选择其用量以提供类似于硅粉的化学性能。
轻量填充剂/微球体本发明的轻量水泥板通常具有60至85磅/立方英尺的密度，较佳为60至75磅/立方英尺。相比之下，典型水泥板具有例如90至145磅/立方英尺的密度。
为协助达成此等低密度，所述板具备轻量填充剂颗粒。所述颗粒通常具有50至250微米的平均粒径尺寸和/或属于10至500微米的粒径尺寸范围。所述颗粒通常也具有在0.02至1.00范围内的颗粒密度(比重)。微球体在本发明的板中起重要作用，否则本发明的板将比建筑板所需的更重。微球体用作轻量填充剂有助于降低产物的平均密度。当微球体为中空时，那么它们有时称为微球(microballoon)。
包括在制造本发明的板所用混合物中的典型轻量填充剂是选自由下列各物组成的群组陶瓷微球体、聚合物微球体、珍珠岩、玻璃微球体和/或飞灰空心微珠(cenosphere)。
陶瓷微球体可由多种材料并使用不同的制造方法来制造。尽管可利用多种陶瓷微球体作为本发明板中的填充剂组份，然本发明的较佳陶瓷微球体系作为煤炭燃烧副产物生成且为燃煤应用中所见的飞灰组份，例如由Kish Company Inc.(Mentor，Ohio)所制造的Extendospheres-SG或由Trelleborg Fillite Inc.(Norcross，Georgia USA)所制造的FILLITE牌陶瓷微球体。本发明的较佳陶瓷微球体的化学组成主要为约50至75重量％范围内的二氧化硅(SiO2)和约15至40重量％范围内的氧化铝(Al2O3)，以及至多35重量％的其它材料。本发明的较佳陶瓷微球体为具有10至500微米范围内的直径、通常为约球体直径10％的球壳厚度和较佳约0.50至0.80g/mL的颗粒密度的中空球形颗粒。本发明的较佳陶瓷微球体的破碎强度为大于1500psi(10.3MPa)且较佳为大于2500psi(17.2MPa)。
本发明板中优选陶瓷微球体主要是源于它们比多数有机玻璃(synthetic glass)微球体强度高约三至十倍的事实。此外，本发明的较佳陶瓷微球体是热稳定的且对本发明的板提供增强的尺寸稳定性。陶瓷微球体可用于一系列其它应用中，例如粘结剂、密封剂、填缝剂、屋顶复合材料(roofing compound)、PVC地板材料、油漆、工业涂料和耐高温塑料复合物。应了解微球体不必为中空和球形，虽然其为较佳，因为颗粒密度和耐压强度才是为本发明的板提供其轻量和重要物理特性者。或者，只要所得板满足所需性能，那么可用多孔不规则颗粒替代。
聚合物微球体也较佳为具有由例如聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯或聚偏二氯乙烯或其混合物的聚合材料所制成球壳的中空球体。球壳可装入在制造过程中用来使所述聚合球壳膨胀的气体。聚合物微球体的外表面可具有某种类型的惰性涂层，例如碳酸钙、氧化钛、云母、二氧化硅和滑石。聚合物微球体具有较佳约0.02至0.15g/mL的颗粒密度且具有10至350微米范围内的直径。聚合物微球体的存在有助于同时达成低板密度与增强可切割性和受钉性的双重目标。尽管本发明的所有板皆可使用传统木工工具切割，但仍包括聚合物微球体减弱抗钉性。当手动钉钉子时，此为有价值的特性。当使用气压式打钉设备时，所述板的抗钉性不太重要，因此所述板的强度可高于待手动钉钉的板强度。此外，当按特定比例使用陶瓷微球体与聚合物微球体的掺合物时，就浆料的经改良流变特性和板的干燥抗弯强度的提高而言将实现协同效应。
其它例如玻璃微球体、珍珠岩或中空硅酸铝空心微珠或源自飞灰的微球体的轻量填充剂也适于包括在与制造本发明的板所采用的陶瓷微球体组合的混合物中，或将所述陶瓷微球体替代。
所述玻璃微球体通常由耐碱玻璃材料制成且可为中空。典型玻璃微球体可购自GYPTEK INC.(Suite 135，16 Midlake Blvd SE，Calgary，AB，T2X 2X7，CANADA)。
在本发明的第一实施例中，在所述板的整个厚度上仅使用陶瓷微球体。所述板较佳含有约35至42重量％的均匀分布于所述板厚度的陶瓷微球体。
在本发明的第二实施例中，在所述板的整个厚度上使用轻量陶瓷微球体与聚合物微球体的掺合物。为了达成所需特性，聚合物微球体在本发明第二实施例的板内的体积分率将较佳在干燥成分总体积的7至15％范围内，其中所述组合物的干燥成分为反应性粉末(反应性粉末的实例仅水硬性水泥；水硬性水泥与火山灰的掺合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰的掺合物)、陶瓷微球体、聚合物微球体和耐碱玻璃纤维。可通过调节水与反应性粉末的比率而改变聚合物微球体的数量，以按需要达成类似作用。典型含水混合物具有水与反应性粉末大于0.3/1至0.7/1的比率。
调配物用于制造本发明的抗剪切板的组份为PVA纤维、水硬性水泥、α半水合硫酸钙、活性火山灰(例如硅粉)、石灰、陶瓷微球体、聚合物微球体、超塑化剂(例如聚萘磺酸钠盐)和水。可将少量促凝剂和/或缓凝剂添加至所述组合物中以控制所述生(即未固化)料的凝固特征。典型非限制性添加剂包括水硬性水泥的促凝剂、例如氯化钙；α半水合硫酸钙的促凝剂、例如石膏；缓凝剂，例如DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、酒石酸或酒石酸碱金属盐(例如酒石酸钾)；减缩剂，例如二醇类)和夹带的空气。
本发明的板包括均匀分布有PVA纤维和微球体的连续相。所述连续相由反应性粉末(反应性粉末的实例仅水硬性水泥；水硬性水泥与火山灰的掺合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰的掺合物)的含水混合物固化而产生，所述混合物较佳包括超塑化剂和/或其它添加剂。
表3和表4中显示以所述反应性粉末干重计本发明中此等反应性粉末(无机粘合剂)实施例的典型广义重量比例。表5列出本发明的组合物中反应性粉末(无机粘合剂)、轻量填充剂、超塑化剂和水的典型范围。
表3

表4

表5

表5A

石灰并非本发明的所有调配物所必需，但添加石灰可提供优越的板。反应性粉末中的典型石灰含量约为0.2至3.5重量％。
在本发明的第一实施例中，组合物的干燥成分将为反应性粉末(反应性粉末的实例仅水硬性水泥；水硬性水泥与火山灰的掺合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰的掺合物)、PVA纤维、陶瓷微球体和可选耐碱玻璃纤维，而组合物的湿润成分将为水和超塑化剂。将干燥成分和湿润成分组合生成本发明的板。PVA纤维和陶瓷微球体均匀分布于遍及所述板整个厚度的基质内。本发明的板由基于干燥成分的总重量计约49至56重量％的反应性粉末、0.75至3.0重量％的PVA纤维、35至42重量％的陶瓷微球体和0至12重量％的耐碱玻璃纤维所形成。在广义范围内，本发明的板由以总干燥成分计35至58重量％的反应性粉末、0.5至5.0重量％的PVA纤维、34至49重量％的陶瓷微球体和0至17重量％的耐碱玻璃纤维所形成。添加至干燥成分中的水和超塑化剂含量应足以提供为满足用于任何特殊制造方法的加工考虑因素所需的所要浆料流动性。水的典型添加率在反应性粉末重量的35至60％范围内，且超塑化剂的典型添加率在反应性粉末重量的1至8％范围内。
可选玻璃纤维为具有约5至25微米、较佳约10至15微米的直径的单丝。所述单丝通常组合成100根细丝形成的纤维束，可将所述纤维束捆扎成含有约50个纤维束的粗纱。所述玻璃纤维的长度较佳应为约1至2英寸(25至50mm)且在广义上为约0.25至3英寸(6.3至76mm)。玻璃纤维和PVA纤维具有无规取向，在板平面内提供各向同性机械特征。
本发明的第二实施例含有PVA纤维以及均匀分布在所述板整个厚度上的陶瓷与聚合物微球体掺合物。在板中并入聚合物微球体有助于达成使所述板能够用传统木工工具切割或固定(用钉子或螺钉)所需要的低密度与延展性的组合。此外，当利用中空陶瓷与聚合物微球体的组合作为所述组合物的部分时，所述浆料的流变特性实质上得以改良。因此，在本发明的第二实施例中，所述组合物的干燥成分为反应性粉末(水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰)、陶瓷微球体、聚合物微球体和可选耐碱玻璃纤维，而所述组合物的湿润成分将为水和超塑化剂。将干燥成分和湿润成分组合生成本发明的板。为获得良好的紧固和切割能力，聚合物微球体在所述板中的体积分率应较佳在干燥成分总体积的7至15％范围内。本发明的板由以干燥成分的总重量计约54至65重量％的反应性粉末、0.75至3.00重量％的PVA纤维、25至35重量％的陶瓷微球体、0.5至0.8重量％的聚合物微球体和0至10重量％的耐碱玻璃纤维所形成。在广义范围内，本发明的板由基于总干燥成分的约42至68重量％的反应性粉末、0.5至5.00重量％的PVA纤维、23至43重量％的陶瓷微球体、0.2至1.0重量％的聚合物微球体和0至15重量％(例如5重量％)的耐碱玻璃纤维所形成。调节添加至干燥成分中的水和超塑化剂的量以提供为满足用于任何特殊制造方法的加工考虑因素所需的所要浆料流动性。水的典型添加率在反应性粉末重量的35至70％范围内，但当希望利用水与反应性粉末的比率以降低板密度并改良受钉性时，所述水添加率可大于60％至高达70％，较佳为65％至75％。因为可调节水与反应性粉末的比率以提供与聚合物微球体作用类似的作用，可使用两种方法之一或其组合。超塑化剂的量在反应性粉末的1至8重量％范围内。
可选玻璃纤维为具有约5至25微米、较佳约10至15微米的直径的单丝。它们通常如上所述捆扎成纤维束和粗纱。玻璃纤维的长度较佳为约1至2英寸(25至50mm)，在广义上为约0.25至3英寸(6.3至76mm)。所述纤维具有无规取向，在板平面内具有各向同性机械特征。
在本发明的第二实施例中，以上述量并入聚合物微球体来部分替代陶瓷微球体有助于改良所述复合物的干燥挠曲强度。此外，由聚合物微球体部分替代陶瓷微球体可降低达成给定浆料流动性所需的水与反应性粉末的比率。相较于仅含有陶瓷微球体的浆料，含有陶瓷与聚合物微球体的掺合物的浆料将具有优越的流动特性(可加工性)。当本发明的板的工业化处理需要使用具有优越流动特性的浆料时，此尤为重要。
制造本发明的板将反应性粉末(反应性粉末的实例仅水硬性水泥；水硬性水泥与火山灰的掺合物；或水硬性水泥、α半水合硫酸钙、火山灰和石灰的掺合物)、短切PVA纤维和轻量填充剂(例如微球体)在适当混合器内于干燥状态下掺合。通常提供的PVA纤维为短切形式，并将其以短切形式直接添加至干燥成分中或湿润浆料中。通常PVA纤维不像玻璃纤维的状况般从粗纱短切。
随后将水、超塑化剂(例如聚萘磺酸钠盐)和火山灰(例如硅粉或偏高岭土)在另一混合器内混合1至5分钟。必要时，在此阶段添加缓凝剂(例如酒石酸钾)以控制所述浆料的凝固特征。将干燥成分添加至含有湿润成分的混合器中且混合2至10分钟以形成无结块均一浆料。
随后可以若干方法将含有PVA纤维的浆料视情况与玻璃或其它纤维组合，其目的是获得均匀浆料混合物。随后通过将含有纤维的浆料倾倒于具有所需形状和尺寸的合适模具中来形成水泥板。若需要，可对模具进行振动以使模具内材料较好的压实。使用适当刮板或镘刀使板具有所需的表面修整特性。
熟悉板制造技术的人员会想到沉积浆料、PVA纤维和可选玻璃纤维或其它纤维的混合物的其它方法。举例而言，不使用分批法制造各板，而是以类似方式制备连续薄板，当材料充分凝固后可将所述连续薄板切割成所要尺寸的板。
在许多应用(例如外墙板)中，将所述板钉入或用螺钉拧至垂直框架上。在某些应用中，例如其中将所述板用作结构性下层地板或地板垫层时，其较佳将制作有榫槽结构，所述结构可通过在浇注过程中使所述板的边缘成形或在使用之前以刳刨机切割出榫和槽来制成。
本发明的另一特点为构造所得水泥质板以使PVA纤维和可选玻璃纤维或其它纤维均匀分布于整个板。纤维相对于浆料体积的百分比较佳大约在0.5％至3％的范围内，例如1.5％。
本发明板通常具有一种或一种以上下列特性挠曲强度通常至少为750psi(5.2MPa)，且较佳大于1000psi(6.9MPa)。
挠曲韧性通常至少为2.25焦耳，其表示根据ASTM C947试验方法在4点弯曲中对于以10英寸(254mm)跨距加载的4英寸(102mm)宽、12英寸(305mm)长、0.5英寸(12.7mm)厚的样品而言载荷与挠度曲线下的总面积。
根据R.Tuomi和W.McCutcheon于1978年7月的ASCE Structural Division Journal所描述的ASTM D 1761改良版来测量，0.5英寸(12.7mm)厚的板的横向紧固阻力通常至少为300磅。
实例表6总结六种所研究纤维的特性。
表6-所研究的纤维

所有经研究的纤维均具有等于或小于0.5英寸(12.7mm)的长度和等于或小于200微米的直径。所研究的混合物组合物通过将组合下列成分而生成强化纤维、无机粘合剂、轻量填充剂、超塑化剂和水。总共研究了19种混合物。所研究的混合物的设计浆料密度为70磅/立方英尺(pcf)。所述混合物中纤维体积分率不同且所研究的各种纤维在0.5％至2.0％的范围内。
本发明的混合物组合物表7提供用于所述实例的目标混合物组合物的描述。如表中所示不同成分的重量分率是用于排除纤维的湿润浆料。表8和8A展示与此等实例的PVA纤维组合的湿润浆料的实际组合物。
表7实例的目标轻量水泥质混合物组合物


所述板如上文题为“制造本发明的板”部分所描述而制造。
表8

表8A

结果表9总结所研究组合物的结果。表9展示经纤维强化的轻量水泥质调配物的性能数据。实例2A-2D的数据是针对本发明中使用PVA纤维KURALON REC15×12(也标为PVA-2)的复合物。通过将多种成分在霍巴特(Hobart)混合器中混合且将所得混合物浇注至模具中来制造半英寸厚的复合板。对于所有经评估的混合物组合物来说，所述板中的纤维取向是三维无规。在图2至5中也图解说明了所述研究的结果。以下为关于所述结果的讨论。
表9

复合物挠曲韧性根据ASTM C947试验方法在四点弯曲中以10英寸(254mm)跨距加载4英寸(102mm)宽和12英寸(305mm)长的挠曲板样品。以0.5英寸/分钟(12.7毫米/分钟)的恒定位移速率施加载荷。记录挠曲载荷对位移的响应曲线。以直至样品破坏时载荷与挠度下的总面积来计算复合物韧性。
表9以及图2和3展示对于所研究的不同复合物所得的挠曲韧性。可作出下列重要观察。
经碳纤维和钢微纤维强化的复合物由其低韧性值所示极脆。
相较于经碳纤维和钢微纤维强化的复合物，经耐碱玻璃纤维和PVARF350纤维强化的复合物具有略佳的韧性。
经KURALON REC15×12(PVA2)PVA纤维强化的复合物的韧性特性尤其引人注意。可观察到经PVA REC15纤维强化的复合物具有比经其它类型纤维强化的复合物韧性值大若干个数量级的韧性值。
详细来说，在2％纤维体积分率下，经PVA REC15纤维强化的复合物比经耐碱玻璃纤维强化的复合物多吸收约5倍能量，比经碳纤维强化的复合物多吸收约35倍能量且比经钢微纤维强化的复合物多吸收约40倍能量(图3)。
挠曲强度根据ASTM C947试验方法在四点弯曲中以10英寸(254mm)跨距加载4英寸(102mm)宽和12英寸(305mm)长的挠曲板样品。以0.5英寸/分钟(12.7毫米/分钟)的恒定位移速率施加载荷。记录挠曲载荷对位移的响应曲线。根据ASTM C947试验方法计算所述复合物的挠曲强度。
表9和图4展示对于所研究的不同混合物组合物所得的挠曲强度数据。经PVA REC15纤维强化的复合物具有最佳挠曲强度性能。
槽向紧固阳力根据R.Tuomi和W.McCutcheon在1978年7月的ASCE Structural Division Journal所描述的ASTM D 1761改良版测量所述复合物的横向紧固阻力。用长度为 英寸(41.3mm)的螺钉作为紧固件来进行所述试验。
表9以及图5展示所试验的不同复合物的横向紧固件拔脱阻力。横向紧固阻力量化由所述板对紧固件提供的横向拔脱阻力。用长度等于 英寸(41.3mm)的螺钉来测定所述复合物的横向紧固阻力。在图中可看出由PVAREC15纤维强化的复合物具有最佳横向紧固阻力。经两种不同类型PVA纤维(PVA REC15与PVA RF350)强化的复合物性能差异尤其值得注意。一方面，经PVA REC15纤维强化的复合物表现极佳。经PVA RF350纤维强化的复合物性能不令人满意。
最大挠度表9以及图6和7所提供的数据展示纤维类型和纤维体积分率对轻量、经纤维强化的水泥基板的最大挠度的影响。表9中所示的最大挠度值是使用根据ASTM C947标准所执行的挠曲试验进行测量，且此等数值表示对应于试验方案过程中所观察到的载荷峰值的载荷作用点下的样品挠曲变形。
从图6和7可明显观察到经PVA纤维强化的复合物具有较高的最大挠度。此观察结果和复合物机械特征表明经PVA纤维强化的复合物具有较强的形变能力(意即较强的延展性)，因此具有较强韧性。由此等结果可容易理解，对于经碳纤维和钢微纤维强化的复合物而言，即使复合物中纤维体积分率增加仍不会改善复合物的延展性。经甚至为2％纤维体积分率的碳纤维和钢微纤维强化的复合物只具有小于0.07英寸的最大挠度值。此等结果以及复合物韧性值表示相较于经PVA纤维强化的复合物，经碳纤维和钢微纤维强化的复合物在其机械响应上极脆。
所选PVA纤维与丙烯酸纤维和聚丙烯纤维的比较使用上述材料和程序但以丙烯酸纤维和聚丙烯纤维替代上述实例中的纤维，将复合物中使用所选PVA纤维与使用丙烯酸纤维和聚丙烯纤维进行比较。
表10以及图8所提供的数据展示纤维类型对经纤维强化的轻量水泥基复合物韧性的影响。由表10和图8中给出的结果可明显观察到其它类型聚合物纤维没有产生与PVA纤维所产生的复合物韧性增强相当的增强作用。
表11和图9所提供的数据展示纤维类型对轻量、经纤维强化的水泥基复合物挠曲强度的影响。由表11和图9中给出的结果可观察到其它类型聚合物纤维没有产生与PVA纤维所产生的复合物挠曲强度增强相当的增强作用。
表10

表11

本发明的PVA纤维的较佳特性基于此数据，显然使用不同种PVA纤维在复合物机械性能方面会出现实质性差异。因此，在表1中确定且突出显示产生良好复合物性能的PVA纤维的较佳参数和特性。表2又列出为本发明较佳纤维的若干市售纤维。此等较佳种类纤维可与例如耐碱玻璃纤维、碳纤维、钢纤维或其它聚合物纤维的其它类型纤维组合使用。
尽管已展示和描述本发明的特殊实施例，但所属领域的技术人员应了解，可在不偏离本发明在其更广泛方面中且如以下权利要求书所述对其进行改变和修改。
权利要求
1.一种经强化、轻量、尺寸稳定的板，其具有60-85pcf(961-1360kg/m3)的密度，其包含由反应性粉末的含水混合物固化所产生的连续相，所述反应性粉末包含以干重计35-70重量％的反应性粉末、20-50重量％的轻量填充剂、0-20重量％的玻璃纤维和0.5-5.0重量％的PVA纤维，所述连续相经所述PVA纤维强化且含有所述轻量填充剂，所述轻量填充剂具有0.02至1.00的颗粒比重和50至250微米的平均粒径和/或处于10至500微米的粒径范围内，其中所述PVA纤维具有约10至400微米的直径和约0.1至1英寸(2.5至25.4mm)的长度、和20-50GPa的纤维弹性模量。
2.根据权利要求1所述的板，其中所述连续相经所述PVA纤维均匀强化，所述轻量填充剂均匀分布且所述板具有至少750psi(5.2MPa)的挠曲强度。
3.根据权利要求1所述的板，其中所述板具有至少1000psi(6.9MPa)的挠曲强度。
4.根据权利要求1所述的板，其中所述板具有至少2.25焦耳的挠曲韧性，其表示根据ASTM C947试验方法在四点弯曲中对于以10英寸(254mm)跨距加载的4英寸(102mm)宽、12英寸(305mm)长、0.5英寸(12.7mm)厚的样品而言载荷与挠度曲线下的总面积。
5.根据权利要求1所述的板，其中对于0.5英寸(12.7mm)厚的板而言所述板具有至少300磅的横向紧固阻力。
6.根据权利要求1所述的板，其中所述反应性粉末的含水混合物包含以干重计35至75重量％的α半水合硫酸钙、20至55重量％的水硬性水泥、0.0至3.5重量％的石灰和5至25重量％的活性火山灰，所述连续相经由所述PVA纤维均匀强化且含有均匀分布的陶瓷微球体，所述球体具有约10至500微米的平均直径。
7.根据权利要求1所述的板，其中所述反应性粉末的含水混合物包含水硬性水泥。
8.根据权利要求1所述的板，其中所述反应性粉末的含水混合物包含以干重计70至100重量％的水硬性水泥和0至30重量％的至少一种火山灰。
9.根据权利要求1所述的板，其中所述板具有约1/4至1英寸(6.3至25.4mm)的厚度。
10.根据权利要求1所述的板，其中0.5英寸(12.7mm)厚的板具有至少约2.25焦耳的挠曲韧性，其表示根据ASTM C947试验方法在四点弯曲中对于以10英寸(254mm)跨距加载的4英寸(102mm)宽、12英寸(305mm)长、0.5英寸(12.7mm)厚的样品而言载荷与挠度曲线下的总面积。
11.根据权利要求1所述的板，其中所述轻量填充剂包含中空陶瓷球体，所述中空陶瓷球体包含约50至75重量％的二氧化硅、约15至40重量％的氧化铝和至多35重量％的其它材料。
12.根据权利要求1所述的板，其中所述轻量填充剂包含聚合物微球体，所述聚合物微球体包含由聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯组成的群组中的至少一种物质，且视情况涂覆有至少一种选自由碳酸钙、氧化钛、云母、二氧化硅和滑石组成的群组的粉末。
13.根据权利要求1所述的板，其中所述PVA纤维具有约10至100微米的直径和约0.2至0.5英寸(5.1至12.7mm)的长度、和30-50GPa的纤维弹性模量。
14.根据权利要求1所述的板，其中密度为60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的板的挠曲强度至少为750psi(5.2MPa)。
15.根据权利要求1所述的板，其中密度为60lb/ft3(961kg/m3)至75lb/ft3(1200kg/m3)的板的挠曲强度至少为1000psi(6.9MPa)。
16.根据权利要求1所述的板，其中边缘经成形以使相邻板提供榫槽结构。
17.根据权利要求1所述的板，其中所述水硬性水泥为波特兰水泥。
18.根据权利要求1所述的板，其中所述PVA纤维构成以湿重计所述含水混合物的至少0.5体积％。
19.根据权利要求1所述的板，其中所述PVA纤维构成以湿重计含水混合物的约1-3体积％。
20.根据权利要求1所述的板，其中所述PVA纤维构成以湿重计含水混合物的约1-2体积％。
21.一种制造根据权利要求1所述板的方法，其包括将反应性粉末的含水混合物置于板模具上并固化所述含水混合物以形成所述板，所述混合物包含以干重计40至95重量％水泥，所述连续相经PVA纤维均匀强化且含有均匀分布的轻量填充剂，所述轻量填充剂具有0.02至1.00的颗粒比重，其中所述PVA纤维具有约10至400微米的直径和约0.1至1英寸(2.5至25.4mm)的长度、和经测量为20-50GPa的纤维弹性模量。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述轻量填充剂包含均匀分布的聚合物球体，其具有约10至350μm的平均直径。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述轻量填充剂包含中空聚合物微球体，所述聚合物微球体包含由聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯组成的群组中的至少一种物质，且视情况涂覆有选自由碳酸钙、氧化钛、云母、二氧化硅和滑石组成的群组的粉末。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述PVA纤维是具有约5至25微米直径和约0.25至1英寸(6至25.4mm)长度的单丝。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述PVA纤维是单丝。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述含水混合物具有大于0.3/1至0.7/1的水与反应性粉末的比率。
全文摘要
本发明涉及拥有优良韧性的轻量、纤维强化的水泥板，其作为建筑组件用于例如屋顶构件、外墙构件、框架和覆盖构件以及用于在住宅和其它房屋建筑类型中安装地面饰面(floor finish)的衬底构件的应用中。所述板使用由无机粘合剂、PVA纤维和轻量填充剂的含水混合物固化所产生的连续相。所述无机粘合剂可为(例如)仅水硬性水泥，或水硬性水泥与火山灰的组合，或水硬性水泥、α半水合物、活性火山灰和可选石灰的组合。所述PVA纤维强化所述连续相且随机分布于整个复合物中。本发明的典型板具有60－85pcf的密度。
文档编号B44F1/06GK101090815SQ200580045173
公开日2007年12月19日 申请日期2005年10月25日 优先权日2004年12月30日
发明者阿希什·迪贝 申请人:美国石膏公司