具有经加强的玻璃纤维毡的石膏产品的制作方法

本申请要求2014年6月17日提交的美国申请14/306,859的优先权权益，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明提供了具有改进的拔钉强度，并制备为具有经加强的玻璃纤维毡的石膏产品，以及用于制造经加强的玻璃纤维毡的组合物和方法。

背景技术：

各种石膏产品，包括墙板、天花板面板和瓷砖，常用于建筑工业中。这些石膏产品中的许多通过如下方式制得：制备具有烧石膏(硫酸钙α半水合物、硫酸钙β半水合物和/或无水硫酸钙)的水性石膏浆料、将所述浆料成形，然后通过将烧石膏再水合成石膏(硫酸钙二水合物)而使所述浆料硬化。

石膏面板可通过将石膏浆料夹在两个称为表层(facer)的覆盖片材之间而制得。在一些应用中，表层为纸片材。石膏浆料夹在两个纸片材之间的这种墙板在建筑构造中具有许多不同的应用。然而，墙板可能对湿气敏感，至少在一些应用中，可使用诸如纤维毡的其他表层材料，如例如在美国石膏公司(the United States Gypsum Company)的美国专利8,329,308和美国专利公布2010/0143682中所述，其教导以引用方式并入本文。合适的纤维毡还包括公开于美国专利5,772,846中的那些，其使用粘结在一起的玻璃纤维和聚酯纤维制得。

尽管制备为具有玻璃纤维毡的石膏面板具有许多优点，但主要缺点来自在玻璃纤维之间存在空隙的玻璃纤维毡结构，如图1的显微照片所示，这可能影响所得石膏面板的一致性和压缩强度。此外，玻璃纤维易碎，这可能不利地影响所得石膏面板的某些性质，如拔钉强度，所述拔钉强度解释为面板保持钉子的次优能力。

美国专利公布2011/0086214在毡可用于制备石膏材料之前将玻璃毡表面之一与加强层层合。美国专利公布2002/0187296公开了一种组装线，在所述组装线上振动玻璃纤维毡，使得毡中的空隙被石膏浆料更均匀地填充。然而，尽管这些方法填充了玻璃纤维毡空隙，但它们不会解决由于易碎玻璃纤维而导致的各种问题，如次优拔钉强度。

技术实现要素：

本发明满足了这些需求中的至少一些。一个实施例提供了一种石膏产品，其包括夹在两个玻璃纤维毡之间的石膏芯，所述玻璃纤维毡由盐晶饱和。至少在一些实施例中，玻璃纤维毡由成石膏溶液饱和，使得石膏晶体在玻璃纤维毡的玻璃纤维上结晶。然后将毡暴露于高温，以使石膏晶体脱水成硫酸钙晶体。

另外的实施例提供了用于由石膏浆料和由盐晶饱和的玻璃纤维毡制备石膏产品的方法。在这些方法中，将玻璃纤维毡浸入成盐溶液中，并使所述溶液在毡的玻璃纤维上结晶。在一些应用中，在原位结晶反应完成之后，在干燥器或烘箱中在高温下干燥所述毡。然后制备包含烧石膏和水和任选的其他组分(如粘结剂、填料、纤维、消泡剂和增塑剂)的石膏浆料，并将其夹在由盐晶饱和的两个玻璃纤维毡之间。在一些方法中，将两种溶液混合在一起以获得成晶体溶液，然后将玻璃纤维毡浸入该成晶体溶液中以在玻璃纤维上原位结晶。在其他方法中，将玻璃纤维毡首先浸入第一溶液中，然后移动至第二溶液。当所述第二溶液与浸泡于所述第一溶液中的玻璃纤维接触时，在玻璃纤维上发生原位结晶反应。

附图说明

图1为显示了具有多个空隙和玻璃纤维之间的松散连接的玻璃纤维毡基质的结构的显微照片；

图2为由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡基质的显微照片；

图3为在拔钉测试之后，比较覆盖有未经处理的玻璃纤维毡的石膏板(图3A)与覆盖有由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡的石膏板(图3B)的图片；

图4为利用单个溶液法的玻璃毡结晶过程的示意图；和

图5为利用双溶液法的玻璃毡结晶过程的示意图。

具体实施方式

本发明提供了具有改进的拔钉强度的石膏产品(包括石膏面板)，其中石膏芯夹在由盐晶饱和的玻璃纤维毡之间，所述盐晶包括但不限于石膏晶体、硫酸钙、氯化钠和它们的任意组合。不受限的多种玻璃纤维毡适用于制备这些石膏产品，包括由短切玻璃纤维、连续原丝玻璃纤维和它们的混合物制得的毡。

至少在一些实施例中，玻璃纤维毡由热塑性聚合物和玻璃纤维的组合制得。各种热塑性聚合物适用于制备玻璃纤维毡，包括聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和它们的混合物。

至少在一些实施例中，玻璃纤维毡可由用至少一种粘结剂粘结在一起的玻璃纤维制得。合适的粘结剂包括但不限于苯乙烯丙烯酸类粘结剂。至少在一些实施例中，玻璃纤维毡由玻璃纤维和粘结剂制得，使得玻璃纤维占所述毡的约50重量％至约80重量％，粘结剂占所述毡的约10重量％至约30重量％。一种合适的玻璃纤维毡为使用约70％的玻璃纤维和约30％的丙烯酸类粘结剂制得的由佳斯迈威(Johns Manville)制造的8924毡。

至少在一些实施例中，玻璃纤维毡可由长度为约0.5至约2.0英寸之间，直径为约6至约25微米之间的纤维制得。至少在一些实施例中，玻璃纤维由直径为约3微米的生物可溶的微纤维制得。生物可溶的微纤维可占所有玻璃纤维的10％至90％。

玻璃纤维毡可任选地进一步包括填料、颜料或其他惰性或活性成分。例如，毡可包括如下中的至少一者：着色颜料、杀虫剂、杀真菌剂或它们的混合物。这些添加剂可用于改变颜色、调节表面的结构或纹理、改进对霉菌或真菌形成的抗性，以及提高耐火性。

一个实施例提供了一种由盐晶饱和的玻璃纤维毡，其中使所述盐晶直接在玻璃纤维上结晶。可使用可在玻璃纤维上结晶的任何饱和盐溶液。这种溶液包括但不限于成石膏溶液、氯化钠和它们的各种组合。当原位结晶时，晶体将玻璃纤维粘结在一起，并使玻璃纤维易碎性更低。

实施例包括一种玻璃纤维毡，其中至少一些玻璃纤维由盐晶粘结在一起。在一些实施例中，毡厚度的至少50％由盐晶饱和。在一些实施例中，毡厚度的至少60％由盐晶饱和。在一些实施例中，毡厚度的接近100％由盐晶饱和。

在一个实施例中，玻璃纤维毡由成石膏溶液饱和，使得石膏结晶直接在玻璃纤维上发生。因此，一些实施例提供了一种玻璃纤维毡，其中至少一些玻璃纤维由硫酸钙晶体粘结在一起。在一些实施例中，毡厚度的至少50％由硫酸钙二水合物晶体饱和。在一些实施例中，毡厚度的至少60％由硫酸钙二水合物晶体饱和。在一些实施例中，毡厚度的接近100％由硫酸钙二水合物晶体饱和。

可使用各种方法以在玻璃纤维毡的玻璃纤维上原位结晶盐晶。合适的方法包括使用一种饱和溶液的那些方法。在这些方法中，将玻璃纤维毡浸入成晶体溶液中，并使晶体在毡的玻璃纤维上形成。合适的方法也包括双溶液法，其中首先将玻璃纤维毡浸入第一溶液，然后将毡置于第二溶液中，所述第二溶液引发化学反应，其中所述第二溶液与被浸泡至玻璃纤维中的第一溶液反应，这在玻璃纤维上引起盐结晶。可在室温下使用溶液进行在玻璃纤维上的一些结晶方法。或者，合适的溶液可被预热，然后任选冷却以引发玻璃纤维毡上的晶体形成。

图4示出了用于进行单个溶液法的系统装置(通常为10)。参照图4，通过辊装置16将玻璃纤维毡14从卷12进料至具有盐溶液的容器18中。玻璃纤维毡14变得被容器18中的盐溶液饱和，并通过辊装置20从容器18中提升。然后使由盐溶液饱和的湿玻璃纤维毡22经过计量器24，并通过辊装置26进料至具有干燥器28的传送带上，在所述传送带处，湿玻璃纤维毡22被干燥，过量的水蒸发，盐晶的结晶反应及其对玻璃纤维的结合完成。由盐晶饱和的玻璃纤维毡30从干燥器28中离开，并被卷绕成卷32。

用于制备由盐晶饱和的玻璃纤维毡的合适的方法也包括如下那些：其中使用两种溶液，从而当第一溶液与第二溶液混合时，引发晶体沉淀。在一些实施例中，第一溶液可为硫酸氢钠(Na₂SO₄X10H₂O)，第二溶液可为氯化钙(CaCl₂)。

图5示出了用于进行双溶液法的系统装置(通常为34)。参照图5，通过辊装置40将玻璃纤维毡38从卷36进料至具有第一溶液的第一容器42中，在所述第一容器42处，玻璃纤维毡38被浸入所述第一溶液中。然后通过辊装置44将浸泡至第一溶液中的玻璃纤维毡从第一容器42中提升。然后通过辊装置48将浸泡至第一溶液中的玻璃纤维毡46进料至具有第二溶液的第二容器52中。第一溶液与第二溶液之间的化学反应发生，并导致在第二容器52中盐晶在玻璃纤维上沉淀。然后通过辊装置50将由盐溶液饱和的湿玻璃纤维毡54从第二容器52中提升，并经过计量器56。然后通过辊装置58将由盐溶液饱和的湿玻璃纤维毡54进料至具有干燥器60的传送带上，过量的水蒸发，盐晶的结晶反应及其对玻璃纤维的结合完成。由盐晶饱和的玻璃纤维毡62从干燥器60中离开，并被卷绕成卷64。

尽管图4和图5所示的方法使用干燥器，但其他结晶方法可在无干燥器的情况下进行，并且包括如下那些方法：其中盐晶对玻璃纤维的结合在室温下进行，且不将玻璃纤维毡暴露于高温。在其他实施例中，一些结晶方法可包括在烘箱中而非干燥器中干燥由盐晶饱和的玻璃纤维毡的步骤。

在一些实施例中，获得新鲜浓缩盐溶液，然后使其在玻璃纤维毡中的玻璃纤维上结晶，使得玻璃纤维毡嵌有盐晶。任意合适浓度的任意化学溶液可用于制备浓缩盐溶液。

可使用各种方法以在玻璃纤维毡中的玻璃纤维上原位结晶硫酸钙二水合物。在这些方法中，获得新鲜浓缩石膏溶液，然后使其在玻璃纤维毡中的玻璃纤维上结晶，使得玻璃纤维毡嵌有石膏晶体。任意合适浓度的任意化学溶液可用于制备浓缩石膏溶液。这些方法包括但不限于制备硫酸氢钠溶液(Na₂SO₄X10H₂O)和氯化钙(CaCl₂)溶液，并将玻璃纤维毡浸入新鲜混合的硫酸氢钠和氯化钙溶液中。混合适当量的硫酸氢钠溶液与氯化钙溶液产生浓缩石膏溶液，由此引发形成石膏晶体的化学反应。将玻璃纤维毡浸入新鲜混合的硫酸氢钠和氯化钙中引起石膏晶体在玻璃纤维上结晶，且由石膏晶体饱和的玻璃纤维毡形成。硫酸氢钠和氯化钙可以以适于在混合时获得浓缩石膏溶液的不同的量使用。至少在一些实施例中，硫酸氢钠和氯化钙作为0.1M的溶液使用。在其他实施例中，它们可作为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1M的溶液使用。至少在一些实施例中，硫酸氢钠与氯化钙之间的摩尔比为1:1。在高浓度的硫酸氢钠和氯化钙下，氯化钠也可在玻璃纤维上形成晶体。

在玻璃纤维上的原位石膏结晶反应可在室温下进行足以用石膏晶体完全饱和玻璃纤维毡的时间段。至少在一些实施例中，原位结晶反应通过如下方式进行：将玻璃纤维毡浸入新鲜混合的硫酸氢钠/氯化钙溶液中达至少1-30分钟。反应可进行足以用石膏晶体完全或部分饱和玻璃纤维毡的时间段。在一些实施例中，反应进行，直至获得20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或接近100％的饱和。

在结晶反应完成之后，在高温下干燥具有在玻璃纤维上结晶的石膏晶体的玻璃纤维毡，以使石膏晶体脱水成不可溶的硫酸钙(CaSO₄)晶体。至少在一些实施例中，通过在烘箱中干燥由石膏晶体饱和的玻璃纤维毡而进行脱水步骤。干燥时间和温度可变化。至少在一些实施例中，干燥在100°F至400°F范围内的温度下进行。至少在一些实施例中，在110°F下至少1小时而完成干燥。在其他实施例中，在400°F下约1-5分钟而完成干燥。图2为如上所述的由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡的显微照片。

本发明人出乎意料地发现，相比于未由盐晶饱和的玻璃纤维毡，由盐晶饱和的玻璃纤维毡的孔隙率显著降低。在比较图1和图2时，本发明人发现用盐晶使玻璃纤维毡饱和改进了玻璃纤维毡的一致性，并消除了在图1的未经处理的玻璃纤维毡中可见的空隙。

在玻璃纤维毡被盐晶饱和并干燥之后，其可用于制备石膏产品，例如石膏面板。在此过程中，将包含烧石膏的石膏浆料与水和任意其他组分(如填料、粘结剂、消泡剂、杀虫剂和纤维)混合。然后将所述浆料夹在由硫酸钙晶体饱和的两个玻璃纤维毡之间。在一些实施例中，将所述浆料夹在由硫酸钙晶体饱和的两个玻璃纤维毡之间。

制备石膏产品(包括但不限于石膏面板)的过程可能涉及将由盐晶饱和的玻璃纤维毡置于传送带上或置于位于传送带上的成型台上，所述传送带随后被设置于混合器的排放导管下方。在一些实施例中，使用由结晶硫酸钙饱和的玻璃纤维毡制备石膏产品。

将石膏浆料的组分进料至混合器，在混合器中搅拌所述组分以形成石膏浆料。可在排放导管中添加泡沫。将石膏浆料排放至由盐晶饱和的玻璃纤维毡上。在必要时将石膏浆料铺展于玻璃纤维毡上，并任选地用由盐晶饱和的第二玻璃纤维毡覆盖。

将湿石膏面板传送至成型台(在成型台处，将面板定尺寸为所需的厚度)和一个或多个切刀部分(在切刀部分处，将面板切割成所需的长度以提供胶结制品)。使面板硬化，使用干燥过程(例如通过空气干燥，或将胶结制品传输通过窑)去除过量的水。

本发明人发现，相比于用未由盐晶饱和的玻璃纤维毡制得的产品，用由盐晶饱和的玻璃纤维毡制得的石膏产品的强度得以显著改进。如图3所示，相比于用未经盐溶液处理的玻璃纤维毡制得的石膏板(图3A)，用由盐晶饱和的玻璃纤维毡制得的石膏板(图3B)在拔钉测试中表现更好。

拔钉测试根据美国材料试验学会(ASTM)标准C473-00进行，并使用在插入墙板中的钉子的头部上拉拔的机器以测定将钉子头部拉拔穿过墙板所需的最大的力。如表1所示，本发明人出乎意料地发现，相比于用未由盐晶加强的玻璃纤维毡制得的石膏产品，使用由盐晶饱和的玻璃纤维毡将石膏产品的拔钉强度增加达数个单位。

表1.拔钉测试结果

*拔钉差＝平均拔钉(经处理的毡)-平均拔钉(未经处理的毡)

本发明将进一步通过如下非限制性的实例进行解释。

实例1

在盘中混合Na₂SO₄X10H₂O(0.1M)和CaCl₂(0.1M)的溶液。反应产物为CaSO₄X2H₂O(石膏)和NaCl。观察到由于石膏结晶，混合物在约3分钟内混浊。就在混合之后，将玻璃纤维毡的6英寸×6英寸的片浸入混合物中，浸泡3分钟。在饱和反应完成之后，通过如下方法中的一者干燥玻璃纤维毡：

-方法A：在110°F下1小时；或

-方法B：在400°F下的烘箱中3分钟，以将石膏晶体脱水成不可溶的CaSO₄。

然后使用玻璃纤维毡制备样品石膏面板。使用未经浓缩石膏溶液处理的玻璃纤维毡制备对照石膏面板。

所有样品石膏面板随后进行拔钉测试。来自这些测试的结果在表1中报道，其中样品5-1和6-1表示具有由硫酸钙晶体饱和，并通过方法A(样品5-1)或方法B(样品6-1)干燥的玻璃纤维毡的样品。如由表1可以看出，具有硫酸钙加强的玻璃纤维毡的石膏面板在拔钉测试中表现明显更好，并且相比于具有未经处理的玻璃纤维毡的石膏面板提供了接近两倍的拔钉强度增加。

实例2

如实例1所述制备由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡。使用未经盐晶处理的一片玻璃纤维毡作为对照。使用3M Super 77喷雾粘合剂将未经处理的玻璃纤维毡和由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡各自胶粘至纸面石膏板上，以用于耐拔钉测试。

图3显示了具有如下两片5英寸×10英寸的玻璃毡的12英寸×12英寸的石膏板：未经处理的玻璃纤维毡在顶部(图3A)，由硫酸钙晶体饱和的玻璃纤维毡在底部(图3B)。两个石膏墙板经历拔钉测试。

图3A和图3B中的每个玻璃纤维材料中的三个黑圈表示进行拔钉测试的位置。施加的将钉子拉拔通过石膏面板所需的力越大，则玻璃纤维毡越强。在多个样品上进行这些拔钉测试，以提供经处理的玻璃毡与未经处理的玻璃毡之间的拔钉差的统计学信息。已确定，用盐晶使玻璃纤维毡饱和改进了毡以及由毡制得的石膏板的强度。

尽管已显示和描述了由盐晶饱和的玻璃纤维毡、使用所述毡制得的石膏产品，以及制备这些物品的方法的特定实施例，但本领域技术人员将了解，在不偏离更广方面且如以下权利要求书所述的本发明的情况下，可对本发明进行改变和修改。