新的复合材料及其制造方法

专利名称：新的复合材料及其制造方法
以前曾作过结合石膏和纤维素纤维，特别是木纤维的有利特性的尝试并已很有限地获得成功。把纤维素纤维(或这方面其它纤维)加到石膏灰泥和/或灰泥板芯中的尝试一般不会使强度提高或提高很小，因为迄今不能使纤维和石膏之间产生任何显著结合力。美国专利4，328，178;4，239，716;4，392，896和4，645，548公开了近来的例子，其中木纤维或其它天然纤维混入灰泥(硫酸钙半水合物)淤浆以用作再水化石膏板等的增强材料。类似地，把石膏颗粒加到木纤维产品的尝试也已经不用了，因为这种方法不能使足够的石膏保持在产品中，所以实质上改进不了基本材料的耐火性或尺寸稳定性。
近来，一些厂商在制备含石膏和木材纤维或纸纤维的混合物的板材产品中获得了有限的成功。在这些方法中，把煅烧的石膏(灰泥)与木材纤维或纸纤维和水混合，配制成淤浆，然后，同时或在将灰泥再水化以成固化石膏之前压制。
在一种这样的方法中(先有技术方法A)，是将废纸与灰泥在淤浆水溶液中混合，然后排放到制毡传送带上并脱水。将藻的半水合物/纸饼包卷缠绕在圆筒上，累积成板的厚度，然后定尺剪切。将未加工的毡料层叠在硬质板间的车上，并水合约3-4小时。然后，将硬化板干燥、修整和砂磨，根据需要再封口。
在一种所谓“半干燥”法(现有技术方法B)中，是把灰泥和废纸干混。第二混合机中加入一部分再水化所需的水，混合物料在连续传送带上形成不同层。剩下的所需水喷在若干层上，然后在送入连续压制机前，把这些层合并成多层垫层。在初始固化后，切割并修整粗板，并在支撑带上“充分固化”，然后干燥。
在另一种所谓“半干燥”法(现有技术方法C)中，把灰泥和木片预先干混。将冰或雪晶体状的水计量加入混合物中，然后喷到连续压制机底部上的环垫层上。在垫层压制到所需厚度后，将缓慢溶化，然后发生水化。在木板最后固化后，将其切割、修整和干燥。如果不需要，可进行砂磨处理。
对用这些方法制得的工业板材的检查结果表明，它们是由分散的石膏和纤维材料的密实混合物构成，即与均匀复合体相比，它们是物理混合更好的混合物。尽管可以把石膏说成是提供或用作这些板材中纤维的粘合剂，但看不出它在石膏晶体和纤维之间有任何有利于直接物理锁联或化学键合作用。此外，无论是因为这些板材的成型方式，还是因为石膏晶体和纤维的机械混合方式，和/或因为纸纤维或灰泥的结块作用，这些板材在其层面上都不具有均匀和单一性质(即例如密度和强度)。
按照近来发布的美国专利4，734，163介绍的方法(现有技术方法D)，粗的或未煅烧的石膏细磨并与5-10%的纸浆混合。混合物被部分脱水，形成饼状物，再用压辊进一步脱水直至水/固体颗粒之比小于0.4。将饼状物切成毛板，修整切割后层叠在双钢板层之间并放入高压釜中。将高压釜内的温度升到约140℃，以使石膏转化成硫酸钙-α-半水合物。在容器板材的后续逐渐冷却过程中，半水合物再水化成二水合物(石膏)，得到板材整体。然后，将板材干燥，需要的话再精加工。
这种方法与前述方法的不同之处在于煅烧石膏是在纸纤维存在下进行的。
本发明的主要目的是提供一种复合材料，这种材料结合了石膏与另外的高强度物质(如木质纤维)，用于制备更坚固的浇铸产品、灰泥、建材或其它应用。
一个相关的目的是提供制备这种复合材料的方法。
本发明的一个更具体的目的是提供由这种复合材料构成的无纸壁板，它是均匀的;具有一致良好的强度(包括在这个层面上具有抗钉子和螺丝拔出的强度);尺寸稳定性更好，而且即使在含湿气氛下其强度也能得到保持;耐火;和在实用成本下能得以制备。
另一个具体目的是提供一种经济地制备上述壁板的方法。
概括地讲，按照本发明在强度更高的材料的基质颗粒存在下，在稀淤浆中加压煅烧研磨的石膏能实现本发明的主要目的。
这里所用的术语“石膏”指的是稳定二水合物状态下的硫酸钙，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的矿物、合成得到的等同物和由硫酸钙半水合物(灰泥)或脱水物水化形成的二水合物。
术语“基质颗粒”旨在包括除石膏外的任何物质的微小颗粒(如纤维，小片或薄片等)。所述颗粒中还应具有可进入的空隙，无论凹坑、裂缝、裂纹、空芯，还是其它表面缺陷，只要能在其内形成硫酸钙晶体即可。这类空隙还最好存在于颗粒的明显部位，可以看出，空隙分布的越多越好，则在石膏和基质颗粒间的物理结合力就越大，几何稳定性就越好。基质颗粒物质应具有石膏缺少的特性，最好是具有至少较高的抗拉强度和弯曲强度。木素纤维素纤维、特别是木纤维是特别适用于本发明的复合材料和方法的基质颗粒。所以，不打算对看作是“基质颗粒”的物料和/或颗粒做限定，以下为方便起见，常使用木纤维代替更广义的术语。
未煅烧的石膏和基质颗粒与足量的液体混合，形成稀淤浆，然后加压下加热以煅烧石膏，使其转化为硫酸钙α-半水合物。虽然尚未搞清楚本发明的微观机理，但据信，稀淤浆浸湿了基质颗粒，并把溶解的硫酸钙携带到其中的空隙中。半水合物终将成核，且在空隙中和附近就地形成晶体(以针状晶体占优势)。需要的话，可将晶体改性剂加到浆料中。所得复合体是与硫酸钙晶体物理锁联的基质颗粒。这种锁联作用不仅在硫酸钙和强度更大的基质颗粒之间产生良好的结合力，而且在半水合物随后再水化成二水合物(石膏)时防止了硫酸钙从基质颗粒迁移出。
这种材料可在其冷却前立即干燥，以提供一种稳定的、但可在以后再水化的半水合物。另外，如果要使其马上直接转化成可使用的产品形式，则除了再水化所需的液体之外，还要从全部液体中进一步分离出复合材料，与其它类似复合颗粒混合，制成所需形状，然后再水化成硬化和稳定的石膏复合块体。
许多的这些复合颗粒被压实、压制成板、浇铸、雕刻、模塑或在最终固化前用其它方法形成所需形状的块体。在最终硬化后，复合材料可进行切割、雕琢、锔开、钻孔和其它机械加工。不仅如此，这种复合材料具有耐火性和石膏的尺寸稳定性以及由于基质颗粒物质所提供的特定的增强性，特别是强度和韧性。
按照本发明的优选实施方案，基质颗粒是木纤维或木碎片。按照本发明，制备复合石膏/木纤维材料的方法是先使约0.5%-约30%、最好约10%-20%(重量)的木纤维与分别补充研磨但未煅烧的石膏混合。然后，使干混物与足够的液体(最好是水)混合，形成水含量约为70%-95%(重量)的稀淤浆。将该稀淤浆在足以使石膏转化成硫酸钙半水合物的温度下于压力容器中进行处理。在该过程中最好借助于轻微搅拌或混合装置连续搅拌浆料，破坏所有纤维结块并使全部颗粒保持在悬浮状态下。在半水合物从溶液中析出和再结晶后，从高压釜排放出产物淤浆，在仍很热时，基本上脱水成滤饼。在本方法的这一点上，约70-90%未结合的水宜从淤浆中除掉。
如果需要复合材料处于半水合状态，则将滤饼保持在高温下(如，约180°F，即82℃)，直至除掉全部剩下的游离水。然后，可将干燥的滤饼粉碎成粉末或颗粒材料，以易于处置、储存和再成型。
另一方法是，可立即对脱水的滤饼材料压制、模塑或用其它方法成型，并冷却到某一温度，在此温度下，硫酸钙半水合物将水化成石膏，同时原地保持在木质纤维中和附近。水化完毕后，最好将固化的块体迅速干燥以除去任何残留的游离水。
按照本发明的另一实施方案，提供了制备复合石膏/木纤维板的方法。混合和高压釜处理石膏和木纤维淤浆的方法大致与上述的相同。某些改进工艺或提高性能的添加剂，如加速剂、缓凝剂、减重填料等等可加到产物淤浆中，最好在从高压釜排放出后和在脱水之前加入。产物浆料被排到连续的毡制传送带上(例如造纸操作使用的类型)，并尽可能多地除去未结合的水。初始实验室试验已表明，在此阶段可除去高达90%的水。在所得滤饼还很热时，将其湿压成所需厚度和/或密度的板。如果板要进行特定的表面纹理处理或层合表面精加工则最好在该工艺步骤之中或之后进行。在湿压中(最好随着逐渐提高压力进行湿压以保持产品的完整性)发生两件事。首先除掉了额外的水份(如约80-90%剩下的水)，结果滤饼进一步冷却。但是，还可能需要提供外部冷却，以使压制的垫层温度在可接受的时间内降到再水化温度以下。再水化完成后，可切割板，需要的话再精整，然后送入窑中干燥。干燥温度最好应保持足够低，以避免任何石膏在表面上再煅烧。
按照前述方法制得的复合石膏/木纤维板提供了所需特性的协同效果，还提供了现有板不能提供的特性。与常用的灰泥板相比，这种复合纤维板提供了改进的强度，包括钉子和螺丝耐拔拉特性在内。与木材、纤维板、颗粒板、压纸板等相比，它还提供了较高的耐火性和在湿气氛下的尺寸稳定性。而且，可制备出密度和厚度范围很宽的复合纤维材料。如下表所示，本发明可制备一种断裂模量(MOR)与用前面介绍的现有技术工艺制得的石膏纤维板产品不相上下的复合板，但其密度低，因而重量轻，成本可更小。
在本领域专业人员详细阅读了以下说明和参考附图后会得知本发明的这些和其它优点。以下附图构成了本说明书的一部分，其中

图1是按照本发明的一个方案形成复合材料的方法的示意图;
图2是按照本发明的另一方案形成复合板的示意图;
图3是一组木纤维的扫描电子显微镜(SEM)的显微图(100倍);
图4是一组复合石膏/木纤维颗粒的SEM显微图(100倍);
图5是一簇木纤维截面的SEM显微图(1000倍);
图6是本发明的复合体颗粒截面的SEM显微镜图(1000倍);
图7是木纤维表面的SEM显微图(1000倍);
图8是与图7中相同的木纤维的SEM显微图(4000倍)，它示出了在邻近凹腔内的石膏晶体。
图9(a)、9(b)、9(c)、9(d)、9(e)和9(f)是用现有技术方法制得的石膏/木片板截面的SEM显微图(分别是20倍，100倍，200倍，500倍，1000倍和1000倍);以及图10(a)、10(b)、10(c)、10(d)和10(e)是按本发明制得的复合壁板截面的SEM显微图(分别是50倍，100倍，500倍，1000倍和2500倍)。
如图1示意说明，这种基本方法是先混合未煅烧石膏、基质颗粒(木纤维)和水以形成稀的水淤浆。石膏可选用原矿或管道气脱硫或磷酸工艺的副产品。石膏的纯度应较高，即最好至少约92-96%，且细磨到例如92-96%的颗粒为低于100目或更小。较大的颗粒可使转化时间延长。可以干粉或借助于水淤浆引入石膏。
纤维素纤维的来源可以是废纸、木浆、木片和/或其它植物纤维。纤维最好是多孔的、空心的、碎裂的和/或粗面的纤维，以便其物理几何形状能提供渗入溶解的硫酸钙的间隙或空隙。在任何情况下，纤维素纤维(如木浆)在加工之前要求粉碎成碎块、分离尺寸过大或过小的材料，并在某些情况下，还要预先抽提与强度有关的物料和/或可能会对煅烧石膏产生不利影响的杂质，如半纤维素、乙酸等等。
研磨过的石膏和木纤维以木纤维为0.5-30%的重量比进行混合。加入足量的水以配制成约5-30%(重量)固体含量的淤浆，尽管迄今5-10%(重量)固体颗粒已足以有效地在可利用的实验室设备上加工和处理。
将淤浆加入到一个配有连续搅拌或混合装置的压力容器中。需要的话，可在此时将结晶改性剂(如有机酸)加到料浆中以促进或阻碍结晶或降低煅烧温度。在封闭容器之后，将蒸汽注入到容器中，以使容器的内部温度提高到约212°F(100℃)和约350°F(177℃)之间，自生加压;该下限温度约为实际最低温度，在此温度下，硫酸钙二水合物将在适当时间内煅烧成半水化物态;该上限温度约为煅烧半水合物的最高温度，在此温度下不会冒着使一些硫酸钙半水合物转化为无水硫酸钙的风险。从目前已做的工作看，高压釜的温度最好是在约285°F(140℃)-305°F(152℃)范围内。
当淤浆在这些条件下处理足够长的时间(如约15分钟)时，从硫酸钙二水合物分子中将脱出足够水以使其转化为半水合物分子。溶液(借助于连续搅拌使颗粒保持在悬浮液中)将浸湿和透入基质纤维的开口空隙中。当溶液达到饱和时，半水合物将成核并在空隙的内、上和周围和沿基质纤维壁开始形成晶体。
在二水合物转化为半水合物完成后，可加入任选的添加剂和将淤浆排到脱水装置中。在脱水装置中，除掉高达90%的淤浆水，留下含约35%(重量)水的滤饼。在此阶段，滤饼由与可再水化的硫酸钙半水合物晶体锁联的木纤维素构成，并仍可碎成单个的复合纤维或球粒，成型，浇注或压实成高密度。如果需要将复合材料保持在这种可再水能的状态下便于将来使用，则必须将其迅速干燥(最好在约200°F即93℃)，以在水化开始前脱除剩下的游离水。
另外，也可将脱水的滤饼直接形成所需产品形状，然后再水化成复合硫酸钙二水合物和木质纤维的固化的块体。为此，将形成的滤饼温度降低到低于约120°F(49℃)以下。尽管在脱水步骤中抽提出大量的水将会显著降低滤饼的温度，但可能还需要辅助外部冷却以在合适的时间内达到所需水平。
根据料浆中添加的加速剂、缓凝剂、结晶改性剂或其它添加剂的不同，水化反应可为仅几分钟至一小时或更长。由于针状半水合物晶体与木质纤维锁联，和载液从滤饼中大量移出避免了硫酸钙的迁移，留下了均匀的复合体。再水化作用能使半水合物在空隙内和周围和在木纤维上和周围再水化成二水合物，从而使复合材料保持均匀。晶体生长还能使硫酸钙晶体连接到相邻的纤维上，形成很大的晶块，木纤维的增强作用使强度提高。
在水化完成前，最好迅速干燥复合块体以除去剩下的水。否则吸湿木纤维往往会保留、甚至吸收以后将蒸发的未结合水。如果在除掉额外的水之前充分固化硫酸钙面层，则纤维可能会收缩并在未结合的水蒸发时从石膏中脱出。因此，对最佳结果来说，最好在温度下降到水化开始时的温度之前，尽可能多地从复合块体中除掉过量的游离水。
当最终硬化后，该独特的复合材料显示出由这两种组分提供的所希望的性质。木纤维增大了石膏基体的强度，特别是挠曲强度，而石膏作为涂层和粘合剂保护了木纤维，赋予了耐火性并降低由于潮湿引起的膨胀。
上面所讨论的复合石膏/木纤维材料的一个特别适合的应用是生产复合壁板。制造复合壁板的方法在流程图2中作了说明。
从图1的基本方法来看，进料由未煅烧的石膏颗粒、精制的纤维素纤维(最好是木纤维)和水组成。石膏和木纤维分别以约5∶1的比例混合，再加入到足够的水中制成固体含量最好约为5-10%的淤浆。在蒸汽高压釜中，最好在约285至305°F的温度下和在自生压力下处理该淤浆足够的时间，以使所有的石膏转化成含纤维的硫酸钙α-半水合物。在进行转化时，最好对淤浆连续地混合或搅拌以破坏纤维的结块并使原料处于悬浮状态。
在热压操作中，据信溶解的硫酸钙渗入木纤维的空隙中，然后以针状的半水合物晶体沉淀在空隙中、上和周围以及木纤维的表面上。当转化完成后，加入所需的添加剂并将淤浆排在脱水传送带上。当产物淤浆的温度仍较高时，尽可能多地除去水。脱水后，在滤饼的温度降低到低于再水化的温度之前，湿压滤饼几分钟以进一步降低水的含量并达到最终产物的厚度和/或密度。如果需要，借助于外部冷却，使滤饼的温度降低到低于约120°F，从而可发生再水化反应。再水化使石膏就地再结晶，并与木纤维物理锁联然后在约110°F(43℃)至125°F(52℃)，最好为约120°F(49℃)的温度下迅速干燥经压制的板，可切割硬化和干燥的板材，另外再精制成所需规格。
在希望对板进行特种表面精制的情况下，前述方法同样适用于改进的附加步骤。例如，可以预言，可将附加的干磨过的二水合物加到从高压釜中排出的产物淤浆中;当热淤浆排放在脱水传送带上时喷在其表面上或者在形成的滤饼已完全脱水之前洒在其上，从而提供更平滑、更光亮着色和/或具有富集石膏表面的产品板。在湿压操作时可赋予滤饼特殊的表面纹理，从而提供具有纹理面层的板。在湿压步骤之后，也可以在最终干燥之前，可在表面进行叠层或涂层加工。总之，本领域熟练技术人员将很容易对本方法的这一方面作许多其它改进。
由于产品是基本脱水的无纸板，因此干燥所需的能量将明显地低于制造相应的常规灰泥板所需的能量，这是本方法的另一可预料的特征。
下面表1所列的复合材料的四种样品是采用间歇体系由上述方法的4种不同实验制造的。在每一种情况下，未煅烧的石膏进料是具有92-96%不足100目的颗粒的灰泥土，基质颗粒进料是热机械精制的松木浆。
所有的四种样品A、B、C和D随后被压成板样品。对脱水淤浆的加压应使对板的压力每隔30秒逐步增至48、103、173、243、311和380PSI(磅/平方英寸)。但对样品A加压仅1-0.5分钟就到达173 PSI的最大值。结果，样品A的温度在再水化之前保持在足以发生干燥的温度下，使所测试的样品A主要由半水合物材料构成。
另一方面，湿压样品B、C和D3分钟然后再水化，从而完全形成二水合物。
取每一样品的两个试样，测量其密度和MOR，二次测量的平均值列于表Ⅰ中。密度是通过将测量的重量除以测量的体积而测得的，而MOR则是按照ASTM D1037试验法测量的。

表Ⅰ的数据表明，可制造出密度范围很宽的复合石膏/木纤维板。事实上，实验室已制得的样品的密度范围约为26磅/立方英尺至高约60磅/立方英尺。表Ⅰ中MOR的测量值与相应的密度数据的比较总的来说也支持了实验工作获得的结论，即复合板的强度在某种程度随密度而异。据认为，样品C的强度较低可能是用不精制的实验装置难以处理较稀的淤浆所致。
为了展示本发明制造的复合板的某些特性，将样品B发表与常规灰泥板，木纤维和商售石膏/纤维复合板的样品作比较，正如所述的那样，某些比较样品是本说明书一开始讨论的先有工艺制造的。比较的目的仅仅是在可竞争的板产品的通常环境中选出新的复合板。因为具体性质可变化，甚至在特定的板型或样品范围内，因此读者没必要对难以得出具体结论感兴趣。最后请注意，除非用星号(＊)注明，表Ⅱ所列的所用数据均是在实验室中实际测量而得。用星号标注的数据取之于可得到的文献。

从表Ⅱ的数据可得到某些总的看法。特别注意到，从密度和MOR的比较可得知，新的复合石膏/木纤维板能以比可竞争的石膏纤维板更低的密度提供适应建筑工业的MOR值。还可观察到，新的复合板将提供好的防火特性(可高达Ⅰ级)，而木纤维板却不能，同时还能在所有方向上提供均匀的高强度，特别是能提供比常规Ⅰ级灰泥板更大的钉固拔拉(nail pull-out)强度。
虽然表Ⅱ的数据没有反映出新复合板的成本低于大多数可竞争产品的成本，但这是可以预料的。本发明的新的复合板的成本高于很便宜的灰泥板，但低于木纤维板。可以预料，本发明生产的复合板的成本将低于其它石膏/纤维组合板。
图3-10所示的扫描电镜(SEM)的显微图显示本发明生产的独特复合体的特殊效果。
图3显示了在新的复合材料的样品中用作基质颗粒的一小束裸露的木纤维。观察者可看到这些木纤维的高纵横比和不规则几何形状。
图4显示了在按本发明的方法与石膏结合后类似的一小束同类木纤维。这些纤维看起来更松散且被石膏基本上均匀包覆。
图5显示了与图3同类的一簇隔开的木纤维的放大横截面，该图片揭示了所用的木纤维或基质颗粒实际上经常是许多束缚在一起的单个空纤维。在该图片中，木纤维(簇)稍被压缩。尽管如此，仍显示出这些颗粒中的典型空芯或空隙。
图6显示了基质木纤维的类似的放大横截面，该木纤维已按本发明的方法处理。在该图片中，可较容易地看出单个纤维的空芯内以及基质颗粒的端部和外表面已形成的针状石膏晶体。
图7显示了基质木纤维的表面和木纤维表面上的几个凹点或空隙以及几个不连续的半水化物晶体。请尤其注意用字母‘X’表明的针状晶体，这晶体在图8所示的进一步放大的图片中清楚地显示了在基质纤维的凹坑之一上已形成。
为了将本发明生产的均匀复合材料与制造石膏纤维板的先有技术所得到的不均匀混合的材料作比较，图9(a)至9(f)给出了按先有技术方法C制得的板的横截面的一组图片(放大图)。为便于比较，图10(a)至10(f)给出了本发明的复合材料的横截面的一组图片(放大图)。
请看图9(9)，木片与周围的石膏块明显区分出。再请看图9(b)，石膏象是包埋了木片的非晶块体，就象包埋了填料颗粒一样。再进一步观看图9(c)至9(f)，把注意力集中在图9(b)中用“Y”标明的具体木片上，这样更清楚地看出石膏状体被埋入的木片分离开。最后，请特别注意9(f)，木片的开口空腔无任何石膏。
现在请看图10(a)和10(b)，可明显地看出新的复合材料的更均匀性质，可区分的石膏晶体聚集在各种木纤维的周围和连接在不同的木纤维上。请继续观察图10(c)至10(e)，把注意力集中在一对木纤维和在木纤维端部和其周围以及木纤维的空芯内形成的许多石膏晶体上。
正如图片清楚显示的那样，当石膏和木纤维按本发明的方法加工时，即加压下将石膏在含基质木纤维的淤浆中煅烧，接着在石膏再水化前脱去淤浆中的水时，石膏可在木纤维的空隙中和周围重结晶并相互锁联，从而提供了具有有用优点的协合复合体。已证明得到的复合材料特别适合用作壁板。
虽然已联系具体实施方案讨论了本发明，但是本领域熟练技术人员一旦熟习本发明后，将会对复合材料、其制造方法和其用途作各种修改、变动和改进，这些仍属于本发明的范围。
权利要求
1.一种复合材料，该材料包含一种非石膏材料、且在其一部分体上具有可进入的空隙的基质颗粒，和硫酸钙晶体，该晶体中至少一部分在基质颗粒的空隙内和周围就地成核，形成与基质颗粒物理锁联的硫酸钙结晶基体。
2.权利要求1的复合材料，其中基质颗粒是片状、薄片或纤维状且具有高的纵横比。
3.权利要求1或2的复合材料，其中基质颗粒是有机物质。
4.权利要求3的复合材料，其中基质颗粒是木素-纤维素物质。
5.权利要求3或4的复合材料，其中基质颗粒是木纤维。
6.权利要求1至5中任一项的复合材料，其中大部分晶体是针状晶体。
7.权利要求6的复合材料，其中晶体是从溶于水的硫酸钙二水合物中沉淀出的且加压煅烧的稳定的α-半水合物晶体。
8.权利要求1至5中任一项的复合材料，其中硫酸钙晶体是再水化的硫酸钙二水合物。
9.权利要求6的复合材料，其中硫酸钙晶体由针状α-半水合物晶体再水化而得。
10.权利要求1至9中任一项的复合材料，其中基质颗粒是许多在其体上具有可进入孔隙的基质纤维素颗粒之一，至少一部分硫酸晶体在基质颗粒的大部分空隙中和周围就地形成，从而使基质纤维素颗粒与硫酸钙晶体发生物理锁联。
11.权利要求10的复合材料，其中硫酸钙晶体在基质颗粒上和周围与其它晶体相连接以形成与基质颗粒锁联的晶体网络。
12.权利要求11的复合材料，其中一部分与特定基质颗粒结合的硫酸钙晶体与在相邻的晶质颗粒上、内或周围形成的晶体相连结或缠结。
13.一种复合材料，该材料包含许多固态的、高的纵横比的非石膏材料的基质颗粒，该颗粒体上具有许多可进入的空隙，和在大部分基质颗粒的至少一部分空隙中和周围就地形成的稳定的硫酸钙晶体，在各种基质颗粒上的至少一部分所述晶体与类似的和其它基质颗粒锁联的晶体相连结或缠结，形成含与非石膏材料的不连续基质颗粒物理缠结的石膏结晶基体的基本均匀的复合材料。
14.权利要求13的复合材料，其中晶体是硫酸钙二水合物晶体，该晶体的制备方法是将石膏在含有基质颗粒的淤浆及加压条件下煅烧，然后使煅烧过的石膏在基质颗粒的空隙中和周围就地再水化。
15.权利要求13或14的复合材料，其中石膏晶体和结合的基质颗粒的基体被压实，以使其密度大于形成开始时的密度。
16.权利要求13或14或15的复合材料，其中基质颗粒是木纤维或木片。
17.一种石膏/木纤维复合壁板，该壁板包含各含基质木纤维的缠结复合颗粒和在木纤维的可进入空隙中、上和周围形成的石膏晶体互相物理锁联的压实的块体。
18.权利要求17的复合壁板，其中压实的块体的密度约为40-50磅/立方英尺。
19.权利要求17或18的复合壁板，该壁板含约10-20%(重量)的木纤维。
20.权利要求17、18或19的复合壁板，其中石膏晶体主要由再水化的针状α-半水合物晶体组成。
21.一种制造复合材料的方法，该方法包括在由至少70%(重量)的液体组成的稀淤浆中混合研磨过的石膏和强度更高的材料的基质颗粒，在基质颗粒存在下通过在加压下加热稀淤浆对石膏进行煅烧，从而形成针状硫酸钙α-半水合物晶体，在半水合物再水化成石膏前从煅烧石膏和基质颗粒中分离出大部分液体。
22.权利要求21的方法，该方法包括在煅烧石膏和形成半水合物的同时连续搅拌淤浆。
23.一种制造复合材料的方法，该方法包括将研磨过的石膏和许多在其体上具有可进入的空隙的基质颗粒与足够的液体一起搅拌以形成一种稀淤浆，加压下加热至温度足以使石膏煅烧成硫酸钙半水合物，使硫酸钙分子在基质颗粒的空隙中和周围就地成核和形成晶体，对热淤浆进行脱水，干燥脱水过的固体以基本除去所有残留的游离水并稳定仍与基质颗粒物理锁联的硫酸钙晶体。
24.权利要求23的方法，该方法包括使淤浆和脱水固体的温度保持在高于硫酸钙半水合物再水化成硫酸钙二水合物所需的温度直到通过脱水和干燥基本上已去除所有的过量游离水为止。
25.权利要求30或31的方法，该方法包括在加热淤浆直到石膏煅烧完成时连续地搅拌淤浆。
26.权利要求23、24或25的方法，该方法包括使淤浆的温度保持在约200°F直到淤浆已基本脱水，最好已基本干燥。
27.权利要求23至26中任一项的方法，其中基质颗粒是具有高纵横比的纤维状、小片状和薄片状的纤维素颗粒，且各个颗粒在其大部分体上具有可进入的空隙。
28.权利要求23至27中任一项的方法，该方法包括在温度低于硫酸钙半水合物晶体再水化成硫酸钙二水合物所需的温度下冷却脱水的固体，且在干燥脱水的块体以除去残留的游离水前进行这种再水化反应。
29.权利要求23至28中任一项的方法，该方法包括对热的淤浆进行脱水以形成滤饼，然后湿压滤饼，在干燥该滤饼前使滤饼的温度降低到硫酸钙半水化物再水化成石膏晶体所需的温度。
30.权利要求23至27中任一项的方法，该方法包括由热的淤浆形成一种垫层，压缩该材料使垫层达到所需的厚度或密度。
31.权利要求30的方法，该方法包括使压实的材料的温度降低到低于硫酸钙再水化成石膏所需的温度且使这种水化反应继续进行直到与基质颗粒物理锁联的石膏晶体连接类似的晶体形成完整的均匀块体，然后干燥该块体以除去保留的游离水。
32.一种制造复合板的方法，该方法包括将研磨的石膏和在具体上具有可进入的空隙的基质颗粒与足够的水一起混合以形成稀的含水淤浆，连续搅拌下在压力容器中加热淤浆直到温度足以使石膏煅烧成硫酸钙半水合物，使淤浆保持在该温度下直到至少一部分硫酸钙半水合物已在基质颗粒的空隙中和周围基本上结晶，将热淤浆排放在平的多孔成型表面上且除去大部分水以形成滤饼，压缩滤饼以形成预定密度和/或厚度的板并在板的温度降低到低于硫酸钙半水合物将再水化成石膏的温度之前除去其中多余的水，将板冷却至低于再水化的温度并使硫酸钙半水化物水化成石膏直到完成，干燥板以除去残留的游离水。
33.权利要求32的方法，其中稀淤浆包含研磨的石膏和分散的木素纤维基质颗粒，所述纤维素颗粒在其一部分体上具有可进入的空隙。
34.权利要求32或33的方法，其中基质颗粒是木纤维，该木纤维选自化学精制木浆、机械精制木浆、热-机械精制木浆和上述木浆的组合。
35.权利要求34的方法，其中在淤浆中的固体大约含0.5-30%(重量)的纤维。
36.权利要求35的方法，其中在淤浆中的固体含10-20%(重量)的木纤维。
37.权利要求32至36中任一项的方法，其中稀淤浆中含至少约40-95%，较好的为70-95%(重量)的水。
38.权利要求32至37中任一项的方法，其中在压力容器中将淤浆加热至温度大约为285°F至305°F。
39.权利要求32至38中任一项的方法，其中使热淤浆的温度保持在高于约200°F直到淤浆已基本脱水且被湿压成板。
40.权利要求39的方法，其中约90%未结合的水通过脱水和湿压相结合的方法从淤浆中被除去。
41.权利要求39或40的方法，其中通过压制热的滤饼形成的板被冷却至大约120°F的温度，从而在最终干燥板之前进行硫酸钙半水合物的再水化。
42.权利要求32至41中任一项的方法，其中板在大约110至125°F的持续温度下干燥。
43.权利要求32至42中任一项的方法，其中压实脱水的滤饼以形成板，该板在水化和干燥后的密度为40-50磅/立方英尺。
全文摘要
一种改进的复合材料，其制造方法包括在稀淤浆中混合石膏和更坚固物质的基质颗粒；加压下加热淤浆以使石膏转化成硫酸钙α-半水合物，在半水合物重新转化成石膏之前基本上脱去热淤浆中的水。得到的材料是含与不连续基质颗粒物理锁联的石膏晶体的均匀块体。本发明还涉及具有耐火、尺寸稳定和极好强度性能的改进壁板，其制备方法是在复合块体水化成最终产物前压缩复合体块体。
文档编号B28B1/52GK1056457SQ9010358
公开日1991年11月27日 申请日期1990年5月17日 优先权日1990年5月17日
发明者墨扎A·拜格 申请人:美国吉谱萨穆公司