专利名称：生产具有提高纤维含量的高强度纤维加强结构水泥板的多层方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用可凝固浆生产结构板的连续处理方法(process)和相关装置，及更加具体地说，本发明涉及一种用来制造加强水泥板、在这里称为结构水泥质板(SCP)(也公知为结构水泥板)的方法，在该板中，不连续的纤维与快速凝固的浆相结合以提供弯曲强度和刚性。本发明还涉及一种根据本方法所制造的SCP板。
背景技术：
水泥板已用于建筑工业中以形成住宅和/或商业建筑物的内部和外部壁。与标准石膏基墙板相比，这些板的优点包括防止湿气。但是，这些传统板的缺点在于，如果不比结构夹板或者定向绳板更坚固，它们不具有足够的结构强度使得这些板可以与结构夹板或者定向绳板(oriented strand board，OSB)相比拟。
典型地，现有技术的水泥板在加强或者稳定材料的层之间包括至少一个硬化的水泥或者石膏复合层。在一些情况下，加强或者稳定材料是连续的玻璃纤维网或者等同物，而在其它情况下，较短的、不连续的纤维被用在水泥芯中以作为加强材料。在前面的情况下，该网常常以片形从辊施加到可凝固浆层上或者在它们之间。用在传统水泥板中的生产技术的例子公开在美国专利No.4420295、4504335和6176920中，这些专利的内容在这里引入以作参考。此外，其它石膏-水泥复合物一般性地公开在US专利No.5685903、5858083和5958131中。
用来生产水泥板的传统方法，这些水泥板利用形成多层浆和不连续的纤维以得到期望的板厚度，该传统方法的一个缺点在于，以衬垫或者织物形状加入到浆中的不连续纤维没有合适地并且均匀地分配到浆中，这样，基本上由于在纤维和基质(matrix)之间的相互作用所导致的加强性能根据每个板层厚度和其它变量的数目通过板厚度来改变。在浆没有充分地穿过纤维网时，在纤维和基质之间的结合(bonding)和相互作用较差，从而导致板强度改进较低。此外，在产生浆和纤维的相异层(distinct layering)的极端情况下，不适合的结合和低效率的纤维分配会导致低效率地利用纤维，最后导致极差的板强度改进。
用来生产水泥板的传统处理方法的另一个缺点是，所形成的产品的成本太大并且因此与室外/结构夹板或者定向绳板(OSB)相比没有竞争力。
传统水泥板的成本相对较高的一个原因是由于生产线停工期，该停工期是由于浆太早凝固，尤其是凝固成颗粒或者块所产生的，而这些颗粒或者块损害了最后得到的板的外观并且干扰生产设备的效率。太早凝固的浆过多地形成在生产设备上，就需要停止生产线，因此提高了最后的板成本。
因此，需要处理方法和/或相关的装置来生产纤维加强的水泥板，该处理和/或相关的装置使得板具有比得上结构夹板和OSB的结构性能，并且减少了由于太早凝固的浆颗粒所导致的生产线停止时间。还需要方法和/或相关装置来生产这样的结构水泥板，该方法和/或相关的装置更加有效地使用了元件材料来减少传统生产过程的生产成本。
此外，对于被构造成与夹板和OSB相同地在建筑环境中进行工作的水泥结构板，也称为SCP，的上述需要意味着，这些板能够打钉，并且使用传统的锯和其它传统的木工工具可以切割这些板或者使其工作。此外，当借助公知的实验如ASTM E72、ASTM 661、ASTM C 1185和ASTM E136或者等同方法来测量时，如应用到结构夹板件一样，SCP板应该满足对于剪切阻力、负荷能力、水所引起的膨胀和阻燃性的建筑编码标准。
发明内容
本发明满足或者超出了上述所列出的需要，本发明的特征在于用于生产结构水泥板(SCP或者SCP板)的多层处理方法和用该方法生产的SCP板。在把松散地分配的、切碎的纤维或者浆层在运动输送带(web)上初始沉积一次之后，纤维被沉积在该浆层上。插入装置把最近所沉积的纤维完全地混合到浆中，使得这些纤维被分配在整个浆中，之后，加入附加浆层，然后加入切碎的纤维，之后进行更多的插入。若需要的话，为板的每层重复该过程。在完成后，该板具有更加均匀分配的纤维元件，使得板相对坚固而不需要如在现有技术的水泥板生产技术中所教导的较厚的加强纤维衬垫。此外，与现有技术的板相比，所得到的板在每个浆层中可选择地设置有增大的纤维量。
在优选实施例中，使多层切碎的单独松散纤维相对于每层沉积的浆沉积。优选顺序是，把松散纤维层沉积在运动的输送带或者存在的浆上，接着是浆层，然后是另一层纤维。接下来，使纤维/浆/纤维结合物进行插入，从而完全地把纤维混合到浆中。发现该过程允许使用更少的浆层把相对较大量的浆纤维加入和分配到整个浆中。因此，可以减少板生产设备和处理时间，同时提供了具有较高强度特性的SCP板。
更加具体地说，提供了一个方法来生产结构水泥板，该水泥板由至少一层纤维加强水泥浆来形成，对于每个这样的浆层，所述方法包括提供运动输送带；把第一层单独的松散纤维沉积到输送带上；把可凝固的浆层沉积到所沉积的第一层单独的松散纤维上；把第二层单独的松散纤维沉积到所沉积的可凝固浆层上；及主动地把两层单独的松散纤维插入到浆层中从而把这些纤维分配到整个浆中。
在另一个实施例中，用来生产多层结构水泥板的装置包括运输型框架，其支撑运动输送带；第一松散纤维分配台，其与框架成操作关系并且被构造用于把松散纤维沉积到运动输送带上；第一浆供给台，其与框架成操作关系并且被构造用于把可凝固的薄浆层沉积到运动输送带上，使得纤维被覆盖。第二松散纤维分配台设置成与框架成操作关系并且被构造用于把松散纤维沉积到浆中。插入装置，其与框架成操作关系并且被构造来在浆中产生捏合作用以把纤维插入到浆中。
在又一个实施例中，提供一种用于制造插入纤维水泥板的处理方法，它包括 使用第一公式 用于确定要沉积在所产生的板的每个可凝固浆层中的第一纤维层的设计纤维表面积比值； 使用第二公式 用于确定要沉积在所产生的板的每个可凝固浆层中的第二纤维层的设计纤维表面积比值； 提供在纤维加强浆层中纤维的百分比的所期望浆体积比值Vf； 调整纤维直径df和范围为0.05-0.35英寸(0.127-0.889cm)的纤维加强浆层厚度tl中的至少一个，并且进一步把纤维的体积比值Vf分配到纤维供给比例Xf，所述比例Xf是将第二层中的纤维与第一纤维层中的纤维相比，使得对于每个纤维层的纤维表面积比值Sf1，lP和纤维表面积比值Sf2，lP小于0.65。
根据上面所计算出的纤维表面积比值Sf1，lP，提供松散的单独纤维的供给； 提供运动输送带； 把第一层松散的单独纤维沉积到该输送带上； 把可凝固的浆层沉积到第一层单独的松散纤维上； 把第二层松散的单独纤维沉积到可凝固的浆层上；及 把松散的单独纤维插入到浆中，使得多层纤维被分配在板中的整个每个浆层中。
图1是适合于执行该处理方法的装置的示意性正视图； 图2是本方法所用类型的浆供给台的透视图； 图3是适合于与本方法一起使用的插入(embedment)装置的不完整(fragmentary)的顶部平面视图； 图4是根据本过程所生产出的结构水泥板的不完整的垂直剖视图； 图5是用来实现替换图1所示过程的替换装置的示意性正视图； 图6是用来实现替换处理方法的替换装置的示意性正视图。
具体实施例方式 现在，参照图1，结构板生产线被示意性地示出，并且大体用10来表示。生产线10包括支撑框架或者成形工作台12，该成形工作台12具有多个腿13或者其它支撑件。在支撑框架12上包括运动运输器(carrier)14，如具有光滑、不透水的表面的环形橡胶状传输带，但是也可以想到是多孔表面。如本领域所公知的那样，支撑框架12可以由至少一个工作台形状的段形成，该段可以包括指定的腿13。支撑框架12还包括主驱动辊16，它在框架未端18处；及空转辊20，它位于框架的近端22处。此外，优选地设置了至少一个带跟踪和/或张紧装置24来保持期望的张紧力和运输器14在辊16、20上的位置。
此外，在优选实施例中，如本领域所公知的那样，可以提供牛皮纸、离型纸(release paper)的输送带26和/或支撑材料的其它输送带用于在凝固(setting)之前支撑浆，并且把输送带26铺在运输器14上以保护它和/或使它保持干净。但是，还可以想到的是，由该生产线10所生产出的板是直接形成在运输器14上。在后面这种情况下，提供至少一个带清洗单元28。如本领域所公知的那样，借助驱动主驱动辊16的马达、皮带轮、带或者链条的结合，使运输器14沿着支撑框架12运动。可以想到，运输器14的速度可以改变以适合于该应用。
在本发明中，借助在输送带26上沉积一层松散的、碎的纤维30或者一层浆，开始结构水泥板产品生产。在浆的第一次沉积之前沉积纤维30的优点是，在由此产生的板外表面附近插入纤维。通过本生产线10可以设想到各种各样的纤维沉积和剁碎装置，但是，优选系统采用至少一个架子31，该架子31保存玻璃纤维索(cord)的数个线轴32，纤维索34从这些线轴32中的每一个中供给到剁碎台或者装置中，该剁碎台或者装置也称为切碎机36。
切碎机36包括旋转刀片辊38，延伸刀片40沿着径向从该辊38中伸出，该延伸刀片40在运输器14的整个宽度上横向地延伸，并且设置成与支承辊42紧密接触、旋转的关系。在优选实施例中，刀片辊38和支承辊42设置成相对紧密的关系，使得刀片辊38的旋转也使支承辊42旋转，但是相反的情况也是可想到的。此外，支承辊42优选地覆盖有弹性支撑材料，刀片40抵靠该弹性支撑材料上把索34切碎成段。辊38上的刀片40的间隔确定了所切碎的纤维的长度。如在图1中所看到的那样，切碎机36设置在靠近近端22的运输器14上，以使生产线10的长度的生产效用最大化。在纤维索34被切碎时，纤维30松散地落到运输器输送带26上。
接下来，浆供给台或者浆供给器44接收来自远程混合位置47如漏斗(hopper)、料箱或者类似装置的浆46的供给。还可以想到的是，该过程可以开始于浆初始沉积在运输器14上。尽管可以想到各种各样的可凝固的浆，但是本过程特别设计用于生产结构水泥板。这样，该浆优选地由可变量的波特兰水泥、石膏、集料(aggregate)、水、加速剂、可塑剂、发泡剂、纤维和/或本领域所公知的其它成分构成，并且公开在上面所列出的专利中，这些专利已引入以作参考。这些成分的相对量，包括去掉上面的一些或者添加其它的成分，可以改变以适合于该应用。
尽管可以想到在运动运输器14上能够均匀地沉积一薄层浆46的浆供给器44的各种结构，但是优选的浆供给器44包括主计量(metering)辊48，该主计量辊48设置成与运输器14的运动方向成横向。辅助辊或者备用辊50设置成与计量辊48成紧密平行、旋转关系，从而在它们之间形成辊隙(nip)52。优选为由非粘性材料如
牌材料或者类似材料所形成的一对侧壁54防止注入到辊隙52中的浆46从供给器44的侧部溢出来。
本发明的重要特征在于，供给器44在运动运输器14或者运输器输送带26上沉积了一层均匀的相对较薄的浆。合适的层厚度范围为大约0.05英寸到0.20英寸(0.127-0.5cm)。但是，在由该过程所形成的优选结构板中优选为四层并且合适的建筑物板大约为0.5英寸(1.27cm)的情况下，特别优选的浆层厚度为大约0.125英寸(0.3175cm)。
现在参照图1和2，为了得到如上述的浆层厚度，给浆供给器44提供数个特征。首先，为了确保在整个输送带26上均匀地沉积浆，因此浆通过软管56输送到供给器44中，其中软管56位于横向往复运动的、电缆驱动的、流体推动的分配器(fluid powered dispenser)58中，该分配器在本领域中是公知的。因此从软管流出的浆以横向往复运动而被注入到供给器44中，以填充由辊48、50和侧壁54所限定出的容器59。因此计量辊48的旋转从该容器中汲取一层浆46。
接下来，厚度监视或者厚度控制辊60设置在稍稍高于主计量辊48的垂直中心线和/或它的稍下游处，以调节从供给器容器57中所汲取的浆46在主计量辊48的外表面62上的厚度。厚度控制辊60的另一个相关特征是，它允许通过不同的和恒定地改变粘度来处理浆。沿着与运输器14和运输器输送带26运动方向相同的运动方向T驱动主计量辊48，以及主计量辊48、备用辊50和厚度监视辊60沿着相同方向全部可旋转地被驱动，这使浆太早地凝固在各自运动外表面上的机会最小化。当外表面62上的浆46向着运输器输送带26运动时，位于主计量辊48和运输器输送带26之间的横向剥离金属丝(wire)64确保了浆46完全沉积在运输输送带上并且不会返回到辊隙52和供给器容器59。剥离金属丝64还有助于使主计量辊不会太早地凝固浆并且保持相对均匀的浆幕(curtain)。
第二切碎台或者装置66，优选为与切碎机36相同，设置在供给器44下游，以把第二层纤维68沉积在浆46上。在优选实施例中，切碎装置66从供给切碎机36的相同架子31中供索34。但是，可以想到的是，根据应用，独立的架子31可以被提供给到每个单个的切碎机。
接下来，现在参照图1和3，整体上用70来表示的插入装置设置成与浆46和生产线10的运动运输器14成操作关系，从而把纤维68插入到浆46中。尽管可以想到各种各样的插入装置，该插入装置包括但不局限于振动器、羊脚辊和类似装置，但在优选实施例中，插入装置70包括至少一对大体上平行的轴72，该轴72与运输器输送带26的运动方向T成横向地安装到框架12上。每个轴72安装有若干直径相对较大的盘74，这些盘74借助小直径盘76而在该轴上沿着轴向相互分离。
在SCP板生产期间，轴72和盘74、76绕着轴的纵向轴线一起旋转。如在本领域中所公知的那样，这些轴72中的每一个或者这两个可以被驱动，并且如果只有一个被驱动，那么另一个可以通过带、链条、齿轮传动或者其它公知的动力传动技术来驱动，以保持与驱动辊相应的方向和速度。邻近的、优选为平行的轴72的各自盘74、76相互啮合，从而在浆中产生“捏合”或者“按摩”作用，其使得先前沉积于其上的纤维68嵌入。此外，盘72、74的紧密的、啮合的、旋转的关系可以防止浆46集结在盘上，并且有效地产生自清洁作用，这种作用明显地减少了由于浆块太早地凝固而产生的生产线停止时间。
轴72上的盘74、76的相互啮合关系包括紧密地邻近设置小直径间隔盘76和直径相对较大的主盘74的相对边缘，这也有利于自清洁作用。当盘74、76紧密邻近地相对于彼此进行旋转时(但是优选地沿着相同方向)，浆颗粒难以被滞留在该装置中并且难以太早地凝固。借助提供相对于彼此横向偏离的两组盘74，浆46进行多个瓦解(disruption)作用，从而产生了“捏合”作用，该捏合作用进一步使纤维68嵌入到浆46中。
一旦纤维68被嵌入，或者换句话说，当运动运输器输送带26通过插入装置70时，SCP板的第一层77完成了。在优选实施例中，第一层77的高度或者厚度大约处于0.05-0.20英寸(0.127-0.5cm)的范围内。在与SCP板中的类似层相结合时，发现这个范围提供了期望的强度和刚度。但是，根据应用可以想到其它厚度。
为了形成期望厚度的结构水泥板，需要附加层。为此，基本上与供给器44相同的第二浆供给器78以操作关系配备(provide)到运动运输器14中，并且被设置来把浆46的附加层80沉积在现有层77上。
接下来，基本上与切碎机36和66相同的附加切碎机82以操作的关系配备到框架12，从而沉积第三层纤维84，该第三层纤维84由架子(未示出)来提供，该架子以与架子31相同的方式相对于框架12来构造和设置。纤维84沉积在浆层80上并且使用第二插入装置86来插入。在结构和布置上与插入装置70相类似，第二插入装置86被安装成相对于运动运输器输送带14稍高，使得第一层77没有被打乱。在这种方式中，产生了由浆和插入纤维所形成的第二层80。
现在参照图1和4，和每个连续的可凝固浆和纤维的层一起，后面有纤维切碎机36、66、82和插入装置70、86的附加浆供给器台44、78配备在生产线10上。在优选实施例中，提供四个总层77、80、88、90来形成SCP板92。在上述的四个插入纤维的可凝固的浆层上，成形装置(forming device)94(图1)优选地被配备到框架12从而形成板92的上表面96。这种成形装置94在可凝固浆/板生产领域中是公知的，并且典型地是弹簧加载的或者振动的平板(plate)，这些平板与多层板的高度和形状相符合，从而适合期望的尺寸大小特性。本发明的重要特征在于，板92由多层77、80、88、90构成，这些层在凝固时形成整体的纤维加强的块。如果通过在下面将描述和公开的一些期望的参数来控制纤维在每层中的存在率和布置并把它们保持在这些期望的参数内，那么将本过程所生产出的板92分层实际上是不可能的。
在这种情况下，浆层已经开始凝固，并且借助切割装置98将各自的板92相互分离，而该切割装置98在优选实施例中是水喷射切割机。包括运动刀片在内的其它切割装置也被认为是适合于这种操作的，只要它们可以在本板复合物中能合适地产生锐边缘(sharp edge)就行。切割装置98相对于线10和框架12设置，以致生产出具有期望长度的板，该期望长度可能不同于图1所示的那样。由于运输器输送带14的速度相对较低，因此切割装置98可以被安装来垂直于输送带14的运动方向地进行切割。在生产速度更快的情况下，已知的是，这些切割装置相对于输送带运动方向成一个角度安装到生产线10。在切割后，分离的板92被堆积以进行如在本领域中所公知的进一步的处理、包装、储存和/或出货。
现在参照图4和5，生产线10的替换实施例整体上用100来表示。线100与生产线10共用许多零件，并且这些共用的元件被标有相同的附图标号。线100和线10之间的主要不同在于，在线10中，在形成SCP板92后，即使在通过成形装置94接合(engage)之后，板下侧102或者底表面也比上侧或者顶表面96更加光滑。在一些情况下，根据板92的应用，具有光滑表面和相对粗糙的表面是优选的。但是，在其它应用中，具有这样的板是所期望的，即在该板中两个表面96、102都是光滑的。由于借助光滑运输器14或者运输器输送带26与浆的接触来产生光滑的结构，为了得到具有光滑的两个表面或者侧面的SCP板，上表面和下表面96、102都需要形成在运输器14或者离型输送带26上。
为此，生产线100包括足够的纤维切碎台36、66、82、浆供给台44、78和插入装置70、86以产生至少四层77、80、88和90。借助相对于生产线10来重复上述台可以形成附加层。但是，在生产线100中，在生产SCP板的最后一层时，提供了上盖板(upper deck)106，该上盖板106具有反向旋转输送带108，该输送带108环绕着主辊110、112(这些主辊中的一个被驱动)，在运动的多层浆46上，该输送带108沉积具有光滑外表面的浆和纤维层114。
尤其地，上盖板106包括与纤维沉积台36相同的上部纤维沉积台116，与供给台44相同的上部浆供给台118，与切碎台66相同的第二上部纤维沉积台120和与插入装置70相同的插入装置122，从而在倒置位置上把覆盖层114沉积在运动浆上。因此，所产生的SCP板124具有光滑的上表面和下表面96、102。
本发明的另一个特征是，所形成的SCP板92、124被构造使得纤维30、68、84均匀地在整个板分配。发现通过相对较少的、更加有效地使用纤维能生产相对坚固的板。在每层中纤维相对于浆体积的体积比值(volumefraction)优选地大约是浆层77、80、88、90、114体积的1.5％到3％的范围。
现在参照图6和7，在提供使用图1-5的装置来所生产的板时，发现在一些情况下，由于在合适地插入足够数目的纤维来生产满意地坚固SCP板时感觉困难而过度限制了每个浆层的纤维数目。由于分配在整个浆中的松散纤维的更大体积比值的结合(incorporation)在得到期望板强度时是重要因素，因此希望提高这些纤维的结合效率。相信在图1-5所示的系统在一些情况下需要过多数目的浆层以得到具有足够纤维体积比值(fiber volume fraction)的SCP板。
因此，替换的SCP板生产线或者系统示出在图6中并且整体上用130来表示，该生产线或者系统用来生产高性能、纤维加强的SCP板，该板在每个浆层中结合相对较大的纤维量。在许多情况下，使用这个系统，每个板的纤维水平(level)可以得到提高。尽管图1-5的系统公开了把纤维的单个不连续层沉积到每个在初始层之后所沉积的随后的浆的不连续层中，但生产线130包括在每个浆的不连续层中形成多个加强纤维的不连续层以得到期望的板厚度的方法。最优选的是，所公开的该系统在单次操作中把至少两个加强纤维的不连续层插入到单独的浆的不连续层中。使用合适的纤维插入装置把这些不连续的加强纤维插入到浆的不连续层中。
更加具体地说，在图6中，用在系统130中并且与图1-5的系统10共用的零件用相同的附图标记来表示，并且这些零件的上面描述被认为可以应用到这里。此外，可以想到的是，图6所描述的装置可以与图1-5的装置以改进的方式相结合，并且还可以想到的是，图6的系统130可以配备有图5的上盖板106。
在替换系统130中，通过把第一层松散的切碎的纤维30沉积到输送带26上，开始SCP板生产。接下来，浆供给台或者浆供给器44接收来自远程混合位置47如漏斗、箱柜或者类似装置的浆46的供给。可以想到的是，这个实施例中的浆46与用于图1-5的生产线10中的浆相同。
此外，浆供给器44基本上是相同的，它包括主计量辊48和备用辊50，以形成辊隙52并且具有侧壁54。合适的层厚度范围为大约0.05英寸到0.35英寸(0.127-0.889cm)。例如，为了制造标称的3/4″(10.889cm)厚度结构板，四个浆层在由本方法所制造出的优选结构板中优选具有特别优选的小于大约0.25英寸(0.635cm)的浆层厚度。
参照图2和6，浆46通过位于进行横向往复运动的、电缆驱动的、流体推动的分配器58中的软管56被输送到供给器44。因此从软管56中流出的浆以横向往复运动被注入到供给器44中，从而填充由辊48、50和侧壁54所限定出的容器或者顶部箱(headbox)59。因此计量辊48的旋转从该容器中汲取一层浆46。
系统130优选地配备有振动门132，该振动门132计量到达沉积或计量辊48上的浆。借助振动，门132防止大量集结形成在顶部箱59的角内并且与没有振动相比，提供更加均匀的、更厚的浆层。即使加入了振动门132，主计量辊48和备用辊50也沿着与运输器14和运输器输送带26运动方向相同的运动方向T可旋转地被驱动，这使得浆太早地凝固在各自运动外表面上的机会最小化。
在主计量辊48外表面62上的浆46向着运输器输送带26运动时，配备弹簧偏置的刮粉刀(doctor blade)134，该刮粉刀134使浆与主计量辊48相分离并且把浆沉积到运动输送带26上。作为对剥离金属丝64的改进，刮粉刀134为浆46提供了直接通道，该直接通道向下到达距离运输器输送带26大约1.5英寸(3.81cm)以内，从而允许未中断的浆幕连续地沉积到输送带上或者成形线上，这对于生产均匀的板是重要的。
优选为与切碎机36相同的第二切碎台或者装置66设置在供给器44的下游，从而把第二层纤维68沉积在浆46上。在优选实施例中，切碎装置66从供给切碎机36的相同架子31中供给索34。但是，可以想到的是，根据应用，独立架子31可以被提供给到每个单独的切碎机。
接下来，再参见图6，整体上用136来表示的插入装置以操作关系设置到浆46和生产线130的运动运输器14，从而把第一和第二层纤维30、68插入到浆46中。尽管可以想到各种各样的插入装置，该插入装置包括但不局限于振动器、羊脚辊(sheep’s foot roller)和类似装置，但是在优选实施例中，除了相邻轴138的重叠被减小到大约0.5英寸(1.27cm)范围之外，插入装置136与插入装置70相同。此外，盘140的数目减小了，并且这些盘基本上厚于图3所示的那些盘。此外，在相邻轴138的相邻重叠盘140之间具有大约0.010到0.018英寸(0.025-0.045cm)的更紧密空间或者间隙，从而防止纤维积聚在相邻盘之间。此外，插入装置136提供与装置70相同种类的捏合作用，其目的是在浆46内插入或者完全地混合纤维30、68。
为了进一步增强把纤维30、68插入到浆46中，优选地在每个插入装置136处，框架12配备有至少一个振动器141，其在接近运输器输送带14或者纸输送带26处运转以振动浆46。发现这种振动能够更加均匀地把切碎的纤维30、68分配在整个浆46中。传统的振动装置被认为适合于这种应用。
如在图6中所看到的，为了实现对于每层浆46的多层纤维30、68的本系统130，在插入装置136和后面的供给箱78之间配备附加切碎台142，使得对于每层浆46，在该浆沉积之前和之后，使纤维30、68沉积。发现这种改进可以使明显更多的纤维加入到浆中，并且相应地提高了所得到的SCP板的强度。在优选实施例中，尽管只示出了三个，但是提供浆和纤维相结合的总共四层来形成SCP板92。
在如上述那样沉积了四层纤维插入的可凝固浆后，成形装置如振动罩144优选地被配备到框架12以使板92的上表面96成形。借助把振动施加到浆中，罩144有利于把纤维30、68分配到整个板92中，并提供更加均匀的上表面96。罩144包括安装架146；柔性片148，它固定到安装架上；加强件，它延伸该片的宽度(未示出)；及振动发生器150，它优选地位于加强件上以使该片振动。如上述那样，其它成形装置也是可以想到的，并且在本领域中是公知的。
本发明的一个重要特征在于，板92由多层77、80、88、90构成，这些层在凝固后形成了整体的纤维加强的块。如果借助下面所公开和描述的一些期望的参数来控制纤维在每层中的存在和布置并且使它们保持在该些期望的参数内，那么将由本方法所生产出的板92进行分层实质上是不可能的。
利用具有每个单独的不连续浆层的两个不连续加强纤维层提供了下面优点。首先，把浆层中所具有的纤维总量分成两个或者更多个不连续的纤维层，减少了每个不连续纤维层中的各自纤维量。减少单独不连续纤维层中的纤维量，提高了把纤维插入到浆层中的效率。提高纤维插入效率进而就使得位于纤维和粘合基质之间的界面结合和机械相互作用更好。
接下来，借助利用多个不连续的加强纤维层，把更大数量的加强纤维加入到每个浆层中。这是由于发现把纤维插入到浆层中的容易度依赖于不连续纤维层中的纤维总表面积。由于不连续纤维层中的纤维数量增加，导致要插入到浆层中的纤维的表面积增大，因此把这些纤维插入到浆层中变得更加困难。已发现，当不连续纤维层中的纤维总表面积到达极限值时，把纤维插入到浆层中是几乎不可能的。这为能够顺利地被加入到不连续的浆层中的纤维数量强加了上限。对于给定的、加入到不连续浆层中的纤维总量，使用多个不连续的纤维层减少了纤维在每个不连续纤维层中的总表面积。进而，减少纤维表面积(这是由于使用了多个不连续的纤维层所产生的)就提供了增加被顺利地插入到不连续浆层中的纤维总量的机会。
此外，使用多个不连续的纤维层，使得把纤维分配到板厚度上具有极大的灵活性。可以改变单个不连续纤维层中的纤维数量以实现期望的目标。通过具有更多数量的不连续纤维层，大大地有利于最后产生的具有“夹层”结构的产品。从产品强度和成本最佳化方面来看，特别优选这样的、具有纤维层的板结构，即该板结构在板壳(panel skin)附近具有较高的纤维数量并且在板芯附近具有较低的纤维数量。
在数量方面，已经研究了纤维和浆层的数目、纤维在板中的体积比值和每个浆层的厚度及纤维绳(strand)直径对纤维插入效率的影响，并且构成了本系统130的一部分。在包括两个不连续纤维层和一个不连续浆层的情况下，设计纤维表面积比值(projected fiber surface area fraction)的概念的数学处理将在下面介绍并且推导。已发现，如果不连续纤维层的设计纤维表面积比值超过1.0的值，把纤维插入到浆层中实际上是不可能的。尽管在设计纤维表面积比值小于1.0时纤维可以被插入，但是在设计纤维表面积比值小于0.65时可以得到最好的结果。在设计纤维表面积比值的范围为0.65到1.00时，纤维插入的效率和容易度变化并在0.65处是最好的纤维插入，而在1.00处是最差的。考虑这个比值的另一种方式是，浆表面的大约65％被纤维盖住。
使 Vt＝基本纤维-浆层的总体积 Vf，l＝总纤维体积/层 Vf1＝在基本纤维-浆层的不连续纤维层1中的纤维体积 Vf2＝在基本纤维-浆层的不连续纤维层2中的纤维体积 Vs，l＝基本纤维-浆层中的浆体积 Vf，l＝在基本纤维-浆层中的纤维的总体积比值； df＝单个纤维绳的直径 lf＝单个纤维绳的长度 tl＝包括浆和纤维在内的单个层的总厚度 ts，l＝基本纤维-浆层中的浆层厚度 Xf＝基本纤维-浆层的层2纤维体积对层1纤维体积的比率 nf，l，nf1，l，nf2，l＝纤维层中的纤维的总数目
为了确定为纤维层/浆层/纤维层夹层的布置中的纤维层的设计纤维表面积比值，其中该夹层由一个不连续的浆层和两个不连续的纤维层构成，因此得到了下面关系。
使 浆层的体积等于Vs，l 层1中的纤维体积等于Vf1 层2中的纤维体积等于Vf2 在基本纤维-浆层中的纤维的总体积比值等于Vf，l 基本纤维-浆层的总厚度等于tl 浆层的厚度等于ts，l 使 纤维(即层1和层2中的纤维)的总体积等于Vf，l vf，l＝vf1+vf2 (1) 及 使基本纤维-浆层的总体积vt＝浆层的总体积+两个纤维层的总体积＝ vs，l+vf，l＝vs，l+vf1+vf2 (3) 结合(1)和(2) 按照总纤维体积比值的基本纤维-浆层的总纤维体积可以被写作 vf，l＝vt*Vf，l (5) 因此，层1中的纤维体积可以被写作 同样地，层2中的纤维体积可以被写作 假设纤维具有圆柱形形状，那么层1中的纤维的总数目nf1，l可以从公式6中得到如下 其中 df是纤维绳直径，及lf是纤维绳长度 同样地，层2中的纤维总数目nf2，l可以从公式7中得到如下 设计圆柱形纤维表面积等于长度和直径的乘积。因此，在层1中的所有纤维的 总设计表面积sf1，lP可以得到如下 同样地，层2中的纤维的总设计表面积sf2，lP可以得到如下 浆层的设计表面积ss，lP可以写作如下 纤维层1的设计纤维表面积比值Sf1，lP被定义如下
结合公式10和12，纤维层1的设计纤维表面积比值Sf1，lP可以得到如下 同样地，结合公式11和12，纤维层2的设计纤维表面积比值Sf2，lP可以得到如下 公式14和15描述了，除了变量总纤维体积比值Vf，l，参数设计纤维表面积比值Sf1，lP和Sf2，lP还依赖于许多其它变量。这些变量是纤维绳的直径、不连续浆层的厚度和单独不连续纤维层中的纤维数量(比例)。
实验观察确定，布置在水泥质的(cementitious)浆层上的纤维网络层的插入效率是参数“设计纤维表面积比值”的函数。已发现，设计纤维表面积比值越小，那么把纤维层插入到浆层中越容易。具有较好纤维插入效率的原因可以通过下面事实来解释纤维网络层中的孔面积的大小或者孔隙率(porosity)随着设计纤维表面积比值的减少而增大。在孔面积更大的情况下，通过网络层的浆穿透增大了，这转化成提高纤维插入效率。
因此，为了得到好的纤维插入效率，因此目标函数变成了把纤维表面积比值保持小于一定的临界值。显著的是，通过改变公式15中的一个或者多个变量，设计纤维表面积比值可以适合于实现好的纤维插入效率。
识别出影响设计纤维表面积比值的大小的不同变量，并且提出一些方法来使“设计纤维表面积比值”的大小适合于实现好的纤维插入效率。这些方法包括改变一个或者多个下述变量以把设计纤维表面积比值保持小于临界阈值相异(distinct)纤维和浆层的数目、相异浆层的厚度和纤维绳的直径。
基于这个基本工作，设计纤维表面积比值的优选大小Sf1，lP被揭示为如下 优选的设计纤维表面积比值 最优选的设计纤维表面积比值 对于设计板纤维体积比值Vf，例如每个浆层中的百分比纤维体积含量(content)为1-5％，借助使一个或者更多个如下变量-相异纤维层总数目、相异浆层的厚度和纤维绳直径合适，能实现上述优选的设计纤维表面积比值的大小。尤其地，导致设计纤维表面积比值的优选大小的这些变量的理想范围如下 相异浆层的厚度ts，l 相异浆层的优选厚度ts，l ≤0.35英寸(0.889cm) 更加优选的相异浆层的厚度ts，l≤0.25英寸(0.635cm) 最优选的相异浆层的厚度ts，l≤0.15英寸(0.381cm) 纤维绳直径df 优选的纤维绳直径df ≥30tex 最优选的纤维绳直径df ≥70tex 实例 现在参照图4，根据本方法和使用本系统所生产的板92的部分被显示具有四个浆层77、80、88和90。这个板应该被认为只是示例，因为在本系统中所生产的板92可以具有一个或者更多个层。借助使用上面的数学关系，浆层77、80、88和90可以具有不同的纤维体积比值。例如，壳或者表面层77、90具有5％的指定纤维体积比值Vf，而内层80、88具有2％的指定Vf。这使得板的外强度较大且内芯具有相对较小强度，这在某些应用中是所期望的，或者出于费用原因而节约纤维。可以想到的是，纤维体积比值Vf可以在层77、80、88、90之间改变以适合应用，如同层数目可以改变。
此外，纤维含量的改变在每个浆层内可以实现。例如，在纤维体积比值Vf为5％的情况下，例如，纤维层1可选择地具有3％的指定浆体积比值，而且纤维层2可选择地具有2％的指定纤维体积比值。因此，Xf将是3/2。
使用图6的系统并且使用上述设计纤维表面积比值公式来制造一些板。板厚度范围为0.5到0.82英寸(1.27-2.08cm)。单独浆层厚度的范围为0.125到0.205英寸(0.3175-0.5207cm)。总纤维体积比值Vf的范围为2.75-4.05％。在结合图4如上面所描述的板1中，外纤维层1和8具有作为板总体积函数的相对更高的体积比值(％)0.75％，对应地，对于内层是0.43％，且计的纤维表面积比值的范围在外层1和8上为0.63，而在内层2到7中是0.36。相反，板4对于所有纤维层都具有0.50的相同体积比值％，并且对于所有纤维层的相同恒定的设计纤维表面积比值为0.42。已发现，所有实验板具有极好的纤维插入。有趣的是，与板4相比，板1只具有稍稍较小的弯曲强度，各自为3401/3634psi。
在本系统130中，借助提高纤维层的数目，每个具有它自己的纤维表面积比值，更多纤维可以被加入到每个浆层中而不需要作为许多层浆。使用上面方法，板92能具有与现有技术板相同的厚度，具有相同数目的直径相同的纤维，而具有更少数目的浆层。因此，所得到的板92具有提高强度的层，但是制造费用不贵，因为使用更少的能量和资金设备的生产线更短了。
尽管示出和描述了用来产生具有较高的纤维含量的高强度纤维加强结构水泥板的多层处理方法的特殊实施例，但是本领域普通技术人员都知道，在没有脱离广义的本发明和下面权利要求所提出的本发明的情况下，可以对其进行改变和改进。
权利要求
1.一种用来生产结构水泥板的方法，该水泥板由至少一层纤维加强水泥浆来形成，对于每个这样的浆层，所述方法包括
(a)提供运动输送带；
(b)把第一层单独的松散纤维沉积到输送带上；
(c)把可凝固的浆层沉积到所沉积的第一层单独的松散纤维上；
(d)把第二层单独的松散纤维沉积到所沉积的可凝固浆层上；及
(e)主动地把所述两层单独的松散纤维插入到浆层中以把这些纤维分配到整个浆中。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括重复所述方法以把第二浆层施加到所述所沉积的层上，及其中，所述步骤(b)通过把所述第一层单独的松散纤维沉积到具有插入纤维的所述沉积浆层上来实现。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括重复所述方法以产生具有多个不连续浆层的结构水泥板，使得每个不连续浆层具有至少两个不连续的松散单独纤维层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维覆盖所述浆的表面的不超过大约65％。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括用成形装置使所述板成形。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括与步骤(e)的所述主动地插入相关联地振动浆和纤维。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括借助在所述浆中产生捏合作用，执行所述主动插入步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括通过上盖板和反向旋转输送带来生产最后一层，所述反向旋转输送带把具有光滑外表面的浆和纤维层沉积到运动的多层浆上。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括把运输层提供到所述运动输送带上。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维构成每个所述浆层体积的大约1-5％。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括重复所述方法用来提供多个浆层，其中每个浆层按照体积具有指定的纤维体积比值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括制备具有一对外层和至少一个内层的纤维加强板，所述外层比所述至少一个内层具有更大的纤维体积比值。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，由步骤(b)到(e)所生产出的浆层中纤维的各自比例用设计纤维表面积比值来表示，优选为小于0.65，及最优选为小于0.45。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，由步骤(b)-(e)所生产出的每个这样的纤维加强浆层的厚度范围大约为0.05英寸-0.35英寸。
15.一种结构水泥板，其根据权利要求1所述的方法来制造。
16.根据权利要求15所述的结构水泥板，其具有多个浆层，每个所述浆层具有指定的纤维体积比值。
17.根据权利要求16所述的结构水泥板，其中，所述板具有一对外层和至少一个内层，及所述外层的所述纤维体积比值大于所述至少一个内层的所述纤维体积比值。
18.根据权利要求15所述的结构水泥板，其中，由步骤(b)和(d)所生产出的每个纤维层中纤维的各自比例用设计纤维表面积比值来表示，优选为小于0.65，最优选为小于0.45。
19.一种用来生产多层结构水泥板的装置，它包括
运输机型框架(12)，其支撑运动输送带(14)；
第一松散纤维分配台(36)，其与所述框架成操作关系并且被构造用于把松散纤维(30)沉积到所述运动输送带上；
第一浆供给台(44)，其与所述框架(12)成操作关系并且被构造用于把可凝固的薄浆层沉积到所述运动输送带上，使得所述纤维被覆盖；
第二松散纤维分配台(66)，其与所述框架成操作关系并且被构造用于把松散纤维(68)沉积到所述浆上；及
插入装置(136)，其与所述框架成操作关系并且被构造用于在所述浆中产生捏合作用以把所述纤维插入到所述浆中。
20.根据权利要求19所述的装置，它还包括所述第一纤维沉积台(36、142)的附加顺序；所述浆供给台(44、78)、所述第二纤维沉积台(66、82)和所述插入装置(136)按照顺序被配备成与所述框架(12)成操作关系，从而提供具有多层的结构水泥板，其中每一层具有多层插入纤维。
21.根据权利要求19所述的装置，还包括振动器(141)，该振动器设置成与所述插入装置(136)成操作关系，从而把振动引入到所述浆。
22.根据权利要求19所述的装置，还包括第二运动输送带(108)，其设置在所述输送带(14)上并且沿着相反的方向运动，所述第二运动输送带配备有上部纤维沉积台(116)、上部浆供给台(118)、第二上部纤维沉积台(120)和插入装置(122)，从而在颠倒的位置把覆盖层沉积到所述运动浆上。
23.一种用来制造纤维加强水泥板的方法，它包括
使用第一公式
用于确定要沉积在所产生的板的每个可凝固浆层中的第一纤维层的设计纤维表面积比值；
使用第二公式
用于确定要沉积在所产生的板的每个可凝固浆层中的第二纤维层的设计纤维表面积比值；
提供在纤维加强浆层中纤维的百分比的所期望浆体积比值Vf；
调整纤维直径df和范围为0.05-0.35英寸的纤维加强浆层厚度tl中的至少一个，并且进一步把纤维的体积比值Vf分配到纤维供给比例Xf，所述比例Xf是将第二层中的纤维与第一纤维层中的纤维相比，使得对于每个纤维层的纤维表面积比值Sf1，lP和纤维表面积比值Sf2，lP小于0.65；
根据上面所计算出的纤维表面积比值Sf1，lP，提供松散的单独纤维的供给；
提供运动输送带；
把第一层松散的单独纤维沉积到该输送带上；
把可凝固的浆层沉积到第一层单独的松散纤维上；
把第二层松散的单独纤维沉积到可凝固的浆层上；及
把所述松散的单独纤维插入到所述浆中，使得所述多层纤维被分配在所述板内的整个每个浆层中。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括重复所述方法用来将每个附加浆层用于形成多层纤维加强水泥板中，其中纤维的所述第一沉积是在预沉积的浆层上。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，按照每个浆层中纤维的体积，浆体积比值Vf至少为1.0％。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述设计纤维表面积比值最优选为小于0.45。
全文摘要
一种用来生产纤维加强的结构水泥板的方法，该水泥板由至少一层纤维加强水泥浆来形成，每个这样的浆层的处理方法包括提供运动输送带；把第一层单独的松散纤维沉积到输送带上；把一层可凝固的浆沉积到所沉积的第一层单独的松散纤维上；把第二层单独的松散纤维沉积到所沉积的可凝固浆层上；及主动地把所述两层单独的松散纤维插入到浆层中以把这些纤维分配到整个浆中。
文档编号B28B1/52GK101553321SQ200780040803
公开日2009年10月7日 申请日期2007年11月1日 优先权日2006年11月1日
发明者阿希什·迪贝 申请人:美国石膏公司