在带式接缝料（jc)中的纳米微晶纤维素(ncc)的制作方法

在带式接缝料（jc)中的纳米微晶纤维素(ncc)的制作方法
【专利摘要】具有改进的耐裂性的接缝料，该接缝料是通过混合水、如碳酸钙的填料、乳胶液粘结剂、如甲基羟乙基纤维素的增稠剂体系，和纳米微晶纤维素形成的。该纳米微晶纤维素的含量可有效降低干燥过程中的裂纹形成。
【专利说明】在带式接缝料（JC)中的纳米微晶纤维素（NCC)
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求享有根据35U.S.C119(e)的2012年2月24日提交的申请号 61/602671的美国临时专利申请的利益，其全部内容在此明确地以引用的方式并入本申请 中。

【背景技术】
[0003] 1.公开的和要求保护的
【发明内容】
的【技术领域】
[0004] 本发明公开的和要求保护的
【发明内容】
总体涉及接缝料（jointcompound)，该接缝 料可在各种接缝料厚度和厚涂层的情况下完全消除开裂。具体地，所述接缝料包括纳米微 晶（nanocrystalline)纤维素、水、填料、粘结剂和增稠剂。
[0005] 2.公开的和要求保护的本
【发明内容】
的技术背景和应用领域
[0006] 墙板一般是以大型面板的形式安装的，通过钉子、螺钉或胶水连接在建筑物墙的 壁骨上。其中墙板对接在一起的接头部分覆盖有接缝料，然后用玻璃纤维或增强纸带嵌入 接缝料之中，再使其干燥。在接缝料干燥之后，在接缝处二次涂敷接缝料，并使其干燥。接 缝料涂层也用于涂敷至钉头或螺钉或墙板上的任何裂纹，并使其干燥。在接缝料干燥后，轻 轻砂磨接缝和钉子或螺丝的覆盖层，随后使用例如油漆等装饰材料处理墙。
[0007] 典型地，带式接缝组合物通常称为接缝料，其包含粘结剂、增稠剂体系、填料、水、 杀菌剂、粘土和云母。这些接缝组合物为通常装在五加仑的罐子或瓦楞纸箱中出售的混合 好的干式的组合物。水和填料是在接缝料中占重量百分比最大的组分。接缝料或者是传统 形式的常规重量化合物，或是轻质化合物。
[0008] 理想的接缝料在干燥中不会改变尺寸。然而，当相对较厚的接缝料涂层被涂敷在 表面上时，该涂层在干燥时会开裂。越厚的涂层越有可能开裂，且裂纹越严重。这需要额外 涂敷来填补裂缝中的空隙，从而增加了墙面处理的成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1所示为不含纳米微晶纤维素的干燥的接缝料厚涂层的照片。
[0010] 图2所示为含有纳米微晶纤维素的干燥的接缝料厚涂层的照片。
[0011] 图3是图1中所示的不含纳米微晶纤维素的接缝料的照片。
[0012] 图4是图2中所示的含有纳米微晶纤维素的接缝料的照片。

【具体实施方式】
[0013] 在根据示例性的附图、实验、结果和实验程序详细说明本发明主题的至少一个实 施方案之前，应当理解，本发明的概念并不限于在下述说明书中说明的或者在附图、实验和 /或结果中阐明的应用本发明的结构细节和组件布置方式。本发明的概念包括其它的实施 方案，也可以以多种方式实践或实施。因此，本发明的语言应当理解为最宽泛的可能范围和 含义；实施方式都是示例性而非排他性的。另外，也应理解，本文使用的措辞和术语是用于 说明目的，而不应被视为限制性的。
[0014] 除非本发明另有定义，否则在本发明公开的和要求保护的发明主题中使用的科学 和技术术语具有本领域技术人员通常理解的含义。此外，除非上下文另有要求，单数术语应 包括复数，并且复数术语应包括单数。一般来说，所采用的命名法以及此处所描述的化学技 术，是公知和本领域常用的。反应和纯化工艺可根据制造商的说明，或按照本领域的通常方 法，或按照本文所述的内容进行。本发明使用的命名法、此处所描述的实验室程序和分析化 学、有机合成化学及医学药物化学的技术是公知和本领域中常用的。标准工艺被用于化学 合成、化学分析、药物准备、配制和递送，以及患者处理。
[0015] 所有专利、公开的专利申请以及在说明书中提及的非专利出版物表明了公开的和 要求保护的本发明主题所涉及的本领域技术人员的技术水平。在本申请的任何部分引用的 所有专利、公开的专利申请以及非专利出版物在此通过引用整体明确并入本申请中，达到 每个单独的专利或出版物被具体地和单独地通过引用而并入本申请的等同程度。
[0016] 在此公开的和要求保护的所有组合物和/或方法可根据本发明公开的内容被制 造和执行，无需过度实验。虽然本发明的组合物和方法通过优选的实施方式进行说明，但对 于本领域技术人员而言，显然其变型可适用于本发明所述的组合物和/或方法，以及步骤 或步骤顺序，只要不脱离本发明的概念，精神和范围。对于本领域技术人员而言，显然所有 的相近替代和修改均被认为是落入如所附权利要求书限定的发明精神、范围和概念之内。
[0017] 根据公开的范围内使用的下列术语，除非另有说明，否则应理解为具有以下含 乂：
[0018] 词语"一"或"一个"与术语"包括"在权利要求书和/或说明书中一起使用 时意思可能是"一个"，但是它也与"一个或多个"、"至少一个"和"一个或多于一 个"的含义相一致。虽然公开的内容支持仅指替代方案和"和/或"的定义，但在权利要 求书中的术语"或"用来表示"和/或"的意思，除非明确表示仅指替代方案或替代方案 是互斥的。在本申请中，术语"约"用于表示数值包括设备误差、确定数值所采用的方法的 误差的固有变差，和/或存在于研究对象中的变化。术语"至少一个"应理解为包括一个 或多于一个的任何数量，包括但不限于2, 3,4, 5,10,15, 20, 30,40, 50,100等。术语"至少 一个"可达到100或1000或更多，这取决于其所附属的术语。另外，这里的100/1000的数 量不应被认为是限制性的，更高的数量也可以产生令人满意的结果。另外，术语"X、Y和Z的至少一个"的使用应理解为包括单独X、单独Y和单独Z，以及X，Y和Z的任何组合。
[0019] 如说明书和权利要求书中所用，词语"包含"（以及任何形式的包含，例如"包 含"和"含有"）、"具有"（以及任何形式的具有，例如"有"和"含有"），"包 括"（以及任何形式的包括，例如"包含"和"含有"）或"含有"（以及任何形式的含 有，例如"含有"和"含有"）都是包括式的或开放式的，不排除另外的、未列举的组件或 方法步骤。
[0020] 此处所用术语"或其组合"是指术语之前所列的所有项目的排列和组合。例 如"A，B，C或其组合"是指包括八，8，(：，48,4(：，8(：或48(：的至少一个，以及如果在特定上 下文中顺序很重要，还包括BA，CA，CB，CBA，BCA，ACB，BAC或CAB。继此例，其明确包括的 是包含一个或多个项目或术语重复的组合，如BB，AAA，MB，BBC，AAABCCCC，CBBAAA，CABABB等。本领域技术人员可以理解，一般对任意组合中的项目或术语的数量没有限制，除非从上 下文中另有清楚的指示。
[0021] 据本发明公开的和要求保护的发明主题，接缝料包括纳米微晶纤维素、粘结剂、增 稠剂、填料、水、杀菌剂和粘土。接缝料常用的附加成分是珍珠岩、云母、防腐剂、润湿剂、消 泡剂和增塑剂。除珍珠岩和云母，基于接缝料的总干重，这些附加组分通常是以约0. 05wt% 至约1.Owt%的小含量范围使用。
[0022] 纳米微晶纤维素是纤维素的结晶部分，可以是通过对纤维素进行酸水解，并结合 机械处理而形成。这些纳米尺寸的纤维素颗粒本质上是结晶性的，不溶于水，稳定的，化学 上惰性和生物惰性的，且具有有趣的粘结性。
[0023] 纤维素是地球上最丰富的生物聚合物之一，存在于木材、棉、麻及其植物类材料之 中，并作为植物结构的主要增强相。纤维素也可以通过藻类、被囊动物和某些细菌合成，它 是由1-4 3 _糖苷键连接而成的葡萄糖重复单元的均聚物。1-4 3 _键形成直链形式的纤维 素，这些键通过氢键彼此强烈相互作用。因为它们的规则结构和强氢键，纤维素聚合物是高 度结晶的，并聚集形成子结构和微纤维。微纤维进而聚集形成纤维素纤维。
[0024] 从木材或农业生物质纯化的纤维素可以广泛地分解或通过细菌工艺生产。如果纤 维素材料由纳米级纤维构成，且材料性能由它的纳米纤维结构决定，这些聚合物就描述为 纳米纤维素或纳米微晶纤维素。这些术语在本发明中可互换使用。
[0025] -般而言，纳米纤维素是棒状原纤维，其长度/直径比约20至200。在一个非限定 性的实施方案中，纳米纤维素的直径小于约60nm。在另一非限定性的实施方案中，纳米纤维 素具有约4nm至约15nm的直径，以及约150nm至约350nm的长度。晶体的大小和形状因其 来源不同而不同。例如，非限定性地，来自木材的纳米微晶纤维素具有约3至5nm的宽度和 约20至约200nm的长度。其它来源的其它纳米微晶纤维素，如来自棉花的，可具有略微不 同的尺寸。
[0026] 纳米微晶纤维素具有高刚度，高比表面积，高纵横比，低密度和可以便于化学接枝 和改性的反应性表面。同时，该材料对于许多有机和无机物质是惰性的。
[0027] 通过将纤维素纤维原纤化为纳米级成分来生产纳米微晶纤维素需要强烈的机械 处理。然而，根据原料和加工程度，可先于机械原纤化处理而进行化学处理。通常制备纳米 微晶纤维素可描述为通过两种方法：酸水解和机械原纤化。在第一种方法中，可从木材或农 业纤维的化学纸浆，主要通过酸水解除去无定形区来制备纳米纤维素，然后生产纳米级原 纤维。已知水解条件会影响所得的纳米微晶体的性质。不同的酸还会影响悬浮体的性质。 纳米微晶体的大小、尺寸和形状在一定程度上由纤维素源的性质确定。
[0028] 可在严格控制温度、搅拌和时间的条件下使用强酸进行酸水解。酸的性质和酸与 纤维素之比也是影响纳米纤维素制备的重要参数。酸的例子包括但不限于：硫酸，盐酸，磷 酸和氢溴酸。水解的温度范围可以是室温至约70°C，相应的水解时间可以是约30分钟至约 12个小时，这取决于温度。紧随水解之后可稀释悬浮液以终止反应。
[0029] 在一个非限定性的实施方案中，可以稀释悬浮液约5倍至约10倍以终止反应。然 后可离心分离悬浮液，水洗一次，并重新离心分离和再次水洗。这个过程可以重复约4至 5次，以降低酸含量。具有约12, 000-14, 000截留分子量的再生纤维素渗析管或Spectrum Spectra/Pro再生纤维素渗析膜可用于渗析悬浮液的蒸馏水若干天，直至水的pH达到恒定 值，例如但非限定性地，pH值约7. 0。
[0030] 为了进一步分散和降低纤维素晶体的尺寸，可通过超声处理或通过高剪切微流化 器加工纤维素晶体的悬浮液。这样制备的材料被称为纳米纤维素，纳米微晶纤维素（NCC)， 纤维素纳米微晶体，纤维素纳米纤维或纤维素晶须。
[0031] 第二个方法主要是一种物理处理。被称为纤维素微纤维或微纤化纤维素的直径 从几十纳米（nm)到几微米（ym)的微原纤维的束通过使用高压均化和研磨处理形成。使 用高强度超声波的新方法也已用于天然纤维素纤维与原纤维的分离。高强度超声波可以 产生很强的机械振荡力，所以可以通过超声水动力的作用从生物质分离纤维素原纤维。这 种方法可以制备直径小于约60nm微原纤化的纤维素。在一个非限定性的实施方案中，约 4nm-约15nm的微原纤化的纤维素的长度小于lOOOnm。微原纤化纤维素可任选.地进一步 进行化学、酶催化和/或机械处理。这两种用于制备纳米微晶纤维素的方法如美国专利US8, 105, 430所述，其全部公开内容通过引用结合于此。
[0032] 通常，可以使用以重量计约0. 05% -约0. 5%的纳米微晶纤维素。在一个非限定 性的实施方案中，以重量计约0. 05-约0. 15%的纳米微晶纤维素可掺入接缝料中。
[0033] 粘结剂通常是乳胶乳液，例如但非限定性的是：聚乙烯醇、乙烯-乙酸乙烯酯乳胶 或聚（乙酸乙烯酯）乳胶。粘结剂是在接缝料的干燥过程中形成薄基质以保持该接缝料的 聚结剂。换句话说，粘结剂是使其它组分保持在其合适的位置，以便形成所需产物的基质。 因此，粘结剂是接缝料的必要组分。其它可用作粘结剂的材料包括但不限于：淀粉，酪蛋白， 聚丙烯酰胺，以及丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物。以基于接缝料的总重量计，粘结剂的一般范 围基于重量是下限约1%至上限约3%。在一个非限定性的实施方案中，以基于化合物的总 重量计，上限可为约2. 5重量％。
[0034]本发明公开和要求保护的发明主题的稠化剂可以是（例如但不限于）：乙基羟基 乙基纤维素（EHEC)、羟乙基纤维素（HEC)、疏水改性的羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素 (HPMC)、甲基羟乙基纤维素（MHEC)、羧甲基纤维素（CMC)、羟丙基瓜耳胶、和未衍生化的瓜 尔胶。
[0035]接缝料中增稠剂含量的下限可以是约0. 01重量％，基于接缝料（不包括接缝料中 存在的水）的总干重量。在一个非限定性的实施方案中，基于接缝料的总干重，所述下限可 以是约0.3重量％。增稠剂体系的上限可以是约0.6重量％。在一个非限定性的实施方案 中，所述上限可以是约〇. 5重量％。
[0036]填料是接缝料的重要组分。它们的作用是：填充接缝料，使其具有经济性，并控制 其pH值。在本发明公开内容与发明主题之内的常规填料可以单独使用或组合使用，其包括 但不限于：碳酸钙，二水硫酸钙（石膏），和白云石、石灰石。在其它填料的存在下，半水硫 酸钙（熟石膏）可用作次成分，以便更好地控制可操作时间（opentime)和开裂以及其它 接缝料性能。
[0037] 在一个非限定性的实施方案中，填料可以是磨细碳酸钙。该填料可以是干粉，基于 接缝料的重量，其通常占至少约45重量％。在一个非限定性的实施方案中，基于接缝料的 重量，填料占至少50重量％。一般地，填料可以落在以重量计约45%至上限约65%的范围 内。为了达到接缝剂所需的8至10的pH值，填料主要是碱性成分，因此其是控制pH值的 主要成分。如果需要的话，也可加入pH调节剂以增加接缝料的碱性。
[0038] 可以将水加入到接缝料的干性成分之中，以提供接缝料组合物的粘度，所述粘度 一般达到约300-约700Brabender单位的范围。
[0039] 杀菌剂用来提高接缝料的储存寿命和防止组合物变质。换句话说，杀菌剂防止如 霉菌、细菌和真菌等微生物在接缝料中以及在使用该接缝料的建筑物的墙上生长。业界公 认的2种高效杀菌剂的例子是：Mergal?174,2[(羟甲基）氨基]乙醇，一种广谱杀菌剂， 由Troy化学公司制造；以及Proxel? GXL产品，1，2-苯并异噻唑啉-3-酮，一种全用途杀 菌剂，由Arch化学公司制造。
[0040]其它的杀菌剂可包括但不限于：羟基喹啉铜，硬脂酸锌，硼酸钙，硼酸锌，硼酸钡， 奥麦丁锌，奥麦丁锌/氧化锌混合物，2, 5-二甲基-1，3, 5-噻二嗪烷-2-硫酮（Thione)， 2- 正辛基-4-异噻唑啉-3-酮（辛异噻啉酮），5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮，2-甲 基-4-异噻唑啉-3-酮，六氢-1，3, 5-三乙基-2-三嗪，5-溴-5-硝基-1，3-二噁烷，2-(羟 甲基）氨基-乙醇，2_(羟甲基）氨基2-甲基丙醇，a-苯甲酰基-a-氯甲醛厢，溴乙酸苄 酯，对-氯-间-二甲苯酚，双_(2-羟基-5-氯苯基）硫醚，对-甲苯基二碘甲基甲苯砜， 3- 碘-2-丙炔基丁基氨基甲酸酯，双-(2-羟基-5-氯苯基）亚甲基，二丙胺醚，十二烷基 胺，和1- (3-氯烯丙基）-3, 5, 7-三氮杂-1-氮鎗金刚烷氯化物。
[0041] 以基于接缝料的总重量计，杀菌剂一般的含量范围是下限约0. 05重量％至上限 约1. 0重量％。
[0042]根据本发明公开内容和要求保护的发明主题，用于接缝料中的合适粘土可以是任 何自然的泥土、细粒、主要是结晶的通常包含碱金属、碱土以及铁的水合铝硅酸盐物质的粘 土材料。该组可以包括但不限于：海泡石，蒙脱石，膨润土，伊利石，高岭土和绿坡缕石。在 一个非限定性的实施方案中，粘土是绿坡缕石。以基于接缝料的总重量计，绿坡缕石的通常 含量范围是约1.5-约3. 5%。
[0043] 如果需要使用具有改进的耐开裂性的轻质干型接缝料，可以通过在配方中加入经 特殊处理的膨胀珍珠岩以获得轻质性能。现有技术中已知，加入接缝料中的膨胀珍珠岩应 具有可通过100目筛子的粒径。膨胀珍珠岩是一种非常轻质的材料，其包含许多细小的裂 纹和裂缝，水可以渗入这些裂纹和裂缝并破坏其赋予接缝料的轻质性的能力。因此，通常对 膨胀珍珠岩进行处理以赋予其水不敏感性。优选将膨胀珍珠岩用硅氧烷化合物处理以使其 对水不敏感，虽然也可用其它材料。该特殊处理的膨胀珍珠岩可商购自如5ilbrico公司的 供应商。如果使用未处理的珍珠岩时，需要小心地防止在接缝料的制造和预期保存过程中 的过度吸水。这里示例说明的轻质样品是使用Silbrico的SiiCelf:3534产品、一种工业中 常用的经表面处理的珍珠岩来制备。珍珠岩的含量上限是约8. 5重量％。在一个非限定性 的实施方案中，所述上限可以是6.0重量％。
[0044]根据地区偏好，在接缝料的配方中可以使用其它成分。其可包括但不限于：夹气 齐IJ，表面活性剂，湿润剂，PH缓冲盐，消泡剂，及其混合物。
[0045]通常，可以通过组合接缝料的所有湿成分并混合1分钟以均匀化来制备所述接缝 料。随后将所有固体的混合物加入混合碗中并不断搅拌。所有物质总共混合最多约20分 钟。不同生产商可以改变此过程。在一般情况下，粘土的浓度越高，所需的混合时间越长。 因此在许多情况下，减少本发明所述的粘土的使用量，就可以降低所述混合时间，以增加装 置的总产量。
[0046] 下列实施例用于说明本发明公开内容和要求保护的发明主题，其中除非另有说 明，份数和百分比是按重量计。每个提供的实施例都只是用于说明本发明公开的内容和要 求保护的发明主题，而不是限制本发明公开内容和要求保护的发明主题。事实上，对于本领 域技术人员而言，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在本发明公开内容和要求保护 的发明主题的范围内，进行各种修改和变化是显而易见的。例如，在一个实施例中图示或描 述的特征可用于另一个实施方案以产生其它的实施方案。因此，可以理解，本发明公开内容 和要求保护的发明主题涵盖了落在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变化。
[0047] 实施例
[0048] 纳米微晶纤维素的制备
[0049]采用类似于D.G.Gray等人在Langmuir，V. 12,第 2076-2082 页（1996)中的步骤 制备纳米微晶纤维素（NCC)，其内容全文引入本发明中。步骤的细节如下。
[0050] 在酸水解之前，使用粉碎机使纸浆起毛。使用约65%的硫酸在约45°C下水解起毛 纸浆约2小时。反应的固体含量为约10%。首先，在机械混合下在水浴中将经起毛的纸浆 加入酸中，并使之水解。水解后，用去离子（DI)水（约酸溶液体积的10倍）稀释该纤维素 悬浮液，并离心两次以除酸。然后加入2%的碳酸钠溶液中和残余酸。用DI水透析悬浮液 以去除盐。干燥经提纯的悬浮液以确定收率
[0051] 评价
[0052] 为了评价本发明公开的和要求保护的发明主题的接缝料的初始裂缝的形成，制备 了如下接缝料配制品：
[0053]

【权利要求】
1. 一种接缝料，其包括纳米微晶纤维素、水、填料、粘结剂和增稠剂，其中所述纳米微晶 纤维素的量对于提高接缝料在干燥时的抗裂性是有效的。
2. 权利要求1的接缝料，其中，基于接缝料的总重量，纳米微晶纤维素的存在量是约 0. 05重量％至约0. 5重量％。
3. 权利要求1的接缝料，其中填料选自碳酸钙、二水硫酸钙、石灰石、半水硫酸钙、及它 们的组合。
4. 权利要求3的接缝料，其中填料包括碳酸钙。
5. 权利要求4的接缝料，其中，基于接缝料的总重量，填料的存在量是约45重量％至约 65重量％。
6. 权利要求1的接缝料，其中粘结剂选自聚乙烯醇、乙烯-乙酸乙烯酯胶乳、聚（乙酸 乙烯酯）胶乳、淀粉、酪蛋白、聚丙烯酰胺、丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、及它们的组合。
7. 权利要求6接缝料，其中，基于接缝料的总重量，粘结剂的存在量是约1重量％至约 2. 5重量％。
8. 权利要求1的接缝料，其中增稠剂选自羧甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羟乙基纤 维素、疏水改性的羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基羟乙基纤维素、甲基羧基纤维素、 羟丙基瓜尔胶、未衍生化的瓜尔胶、及它们的组合。
9. 权利要求8的接缝料，其中，基于接缝料的总重量，增稠剂的存在量是约0. 3重量％ 至约0. 5重量％。
10. 权利要求8的接缝料，其中增稠剂是甲基羟乙基纤维素。
11. 权利要求1的接缝料，其进一步包括珍珠岩。
12. 权利要求1的接缝料，其进一步包括杀菌剂。
13. 权利要求12的接缝料，其中，基于接缝料的总重量，杀菌剂的存在量是约0. 05重 量％至约1. 0重量％。
14. 权利要求1的接缝料，基于接缝料的总重量，其进一步包括约1. 5重量％至约3. 5 重量％的粘土。
15. 权利要求14的接缝料，其中粘土包括绿坡缕石粘土。
16. 权利要求1的接缝料,其进一步包括云母。
17. 权利要求1的接缝料，其中，基于接缝料的总重量，纳米微晶纤维素的存在量是约 0. 05重量％至约0. 1重量％，增稠剂的量是约0.3重量％至0.5重量％。
【文档编号】C04B26/28GK104220395SQ201380010773
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年2月19日 优先权日:2012年2月24日
【发明者】K·N·巴基夫, T·J·波德拉斯 申请人:赫尔克里士公司