纤维增塑石膏混合物的制作方法

专利名称：纤维增塑石膏混合物的制作方法
纤维增塑石膏混合物
背景技术：
本发明涉及一种由木质纤维与无机水合物如石膏，通过聚合物黏合而成的混合物。木质纤维生物质是一种由纤维素、半纤维素和木质素构成的植物生物质。碳水化合物聚合物(如纤维素和半纤维素)天然地与木质素黏合。木质纤维生物质通常从以下二种途径获得快速再生的I年生作物和慢速生长的森林作物。为简要说明现有技术，重点主要讨论工业大麻，工业大麻是多种木质纤维生物质中的一种，可从中获得木质纤维，这已经被现有技术所熟知。之所以重点讨论大麻，原因是其具有的与其重量相比超高强度、方便种植以及年产量较高高的特性。当然，还有很多现有技术所知的其它种木质纤维同样值得讨论，然而出于简要目的，在此省略讨论。 工业大麻是一种I年生纤维作物，主要从大麻的茎中获取。北美禁止使用工业大麻之前(该禁止令于20世纪50年代中期结束)，工业大麻在全世界范围内被广泛用于制造绳索、纺织品以及其他材料。禁止令之前，美国以及其他国家使用工业大麻制造服装、帆布、画布、船用绳、索具以及纸类产品。事实上，工业大麻并非含有引起幻觉的化学成分。随着禁止令的逐渐解禁，工业大麻又再次开始使用了。大麻是一种木素纤维韧皮纤维植物，类似于亚麻、洋麻、黄麻、苎麻，它包含2种主要的纤维一种是长韧皮外层纤维，一种是硬质芯纤维。现有技术中，该两种纤维具有多个显著区别。例如，大麻中长韧皮外层纤维的平均长度为2英寸(50_)，而硬质纤维的长度与其相比，则较短，平均纤长为O. 05英寸(Imm)。这两种纤维可通过各种现有技术工艺加工成所需长度。由于韧皮纤维作物年产量高，如大麻、洋麻，每英亩地大约产5到15吨(10到35吨/公顷/年)，并且是经济有效、用途广泛的再生工业纤维原料，越来越受到人们关注。由于应用广泛，优选木种的供应量逐渐下降，同时，价格也相应地逐渐上升。木材料的价格已上升到不得不考虑采取木材料替代品用于生产各种产品的地步了。除了传统的主要使用大麻长外层韧皮纤维外，现在正在开发大麻的新用途。这些正在开发的用途包括新型塑料、复合板、燃料源以及复合建筑材料。传统使用模式主要使用长外层韧皮纤维，因此这部分具有很高的商业价值，而占植物量60%到75%的硬质部分，生产用完长纤维部分后的剩余料的商业价值甚微。虽然它们越来越多地作为燃料使用，但是它们最终还是被当作废物处理。某种程度上，硬质部分还可以用于制造吸收性材料，如用于动物垫草窝的吸附剂。随着越来越多地使用大麻，因此大规模种植大麻，由于规模生产的经济效益，预计大麻的相对成本将会下降。现有技术中，已出现有关新型纤维复合材料的文章，如Wasylciw的美国第6，641，909号专利和Liang等的美国第7，413，692号专利，所述的公开内容在此以引用的方式整体并入本文中，该所述专利中，描述使用植物内硬质部分，使所收获的整个茎得到了更大程度的利用。现有技术中，已出现有关仅使用hurd纤维的实例，硬质部分占大麻植物茎质量主要部分，先前曾被认为是废物或者与外层韧皮纤维相比商业价值有限的材料。该开发技术提高了大麻整体商业上的可行性。该技术有很多有关其它木质纤维的实例，尤其是从木材生产出的木质纤维，其被用于生产各种纤维板、复合板和复合木质材料。继续有关大麻以及其它韧皮型纤维的讨论。至今为止，将外层韧皮纤维从原料剥下以及整理过程中散落的吸气粉尘以及外层韧皮纤维在加工以及生产过程中产生的植物微小细物，其唯一商业用途就是作为燃料使用。这些散落的碎木料主要成分是韧皮纤维，尽管粉尘中含有少量的硬质纤维粉尘。尤其是大麻，通常这些碎木料被称作超短纤维，其大小在5微米到5毫米不等。这些微粒与短硬质纤维不同，尽管它们大小相似，但是性质不同。例如，外层韧皮纤维加工过程中产生的超短纤维与硬质纤维相比，其更容易被编织。大麻 产生的短韧皮纤维以及超短韧皮纤维与其他类似植物的韧皮纤维相比，其更容易自然地编织。大麻的这种能够自然编织特性降低或消除必须通过采用树脂或其他类型的粘合剂达到将这些短韧皮纤维转变成有用产品的需要，然而，已知的现有技术中很少涉及(如有)在不添加一种或多种粘合剂的情况下能够将这些短韧皮纤维转变成有用产品。现有技术中，已知有许多方法定向处理木质纤维，使之更适合用于生产复合材料之目的。纤维可以通过很多方法排列，从最初的杂乱无章的纤维到各种非编织方法的排列，再到编织物成品。纤维可排列或可定向程度取决于各种因素，如纤维种类及长度、强度、韧性、平滑度、耐久性、硬度、机械类型、化学成分、其他加工手段、纤维的天然特性，这一特性能够使纤维通过自然或强制手段使之符合特殊排列或特定环境下的要求。例如上述短大麻纤维由大麻的外层韧皮纤维衍生，与内硬质纤维相比，它能够更容易地自然编织成各种厚度的垫子。利用纤维的这一有价值的特性，将纤维编成符合特定用途的材料，与这个相比，这些因素显得不是那么重要了。各种木片、碎木屑、薄片或长条薄片刨花等其它类型的纤维虽然具有很低的或不具自然编织性能，但仍然可以一种能提高复合木材或其它由木质纤维构成的产品的强度的方式进行定向。通常采用机械方法按照特定方式对木片、碎木屑、薄片或长条薄片刨花进行定向，然后将其与各种天然或人造树脂或某些聚合物结合在一起，最后使用热压机或者其他设备加固成成品材料。石膏(二水合硫酸鈣)是一种来源广泛的化合物，属于具有一种或多种水合物形式的众多无机材料中的一种，且可能是地球上能以最低成本转化成多种有用产品的矿物质。生产商使用的其它无机水合物还包括三水氧化铝、石灰(水合物形式)、硼砂(水合物形式)及一些形成水合物的膨润土和黏土。由于石膏成本低廉，资源丰富且来源广泛，下面将以它为例并按照类似于上述将大麻作为一个木质纤维例子进行重点讨论的方式，对现有技术进行简要说明。本发明中所述的无机水合物来自石膏矿，或越来越多地来自于化学过程产生的或者燃煤发电厂烟道气中二氧化硫洗涤产生的副产品。另外，还可来自石膏产品的回收利用。价格低廉，并且化学性质不活泼。其最大用途是生产灰泥和墙板，全世界范围内，大约75%的石膏用于生产墙板。波特兰水泥也使用大量的石膏。在农业中，石膏当作土壤改良剂使用。在食品与药品中，石膏当作填充剂使用，如面包、谷类食物、面食、蛋糕、甜点、药片。墙板，也被称作石膏墙板、石膏灰胶纸夹板、石膏灰泥板或石膏岩，由石膏芯夹在纸层之间构成。尽管被广泛使用，但墙板确实存在一些缺点，如容易开裂，耐水性能差。由于墙板内纸层遇火烧掉后，墙板容易破碎，因此耐火性能有限。现有技术中有可避免或减少此类缺点的方法，但已知技术的成本相对较高。由于墙板主要用于家庭和办公场所的建造物，因此对墙板做任何改进时，所产生的材料应为有用、无毒的物质。从这方面看，石膏是理想材料，因为它是一种结构简单且无毒无机化合物。然而，虽然现有的石膏标准处理方法(如墙板等生产中的石膏处理)可产生坚硬的化合物，但是同样也存在缺点，即产生的化合物易碎且耐水性较差。用石膏生产众多产品时，加入水，使之与石膏相互作用，这是生产这类产品过程中关键一步。石膏来源可是二水合硫酸钙，煅烧或不煅烧成半水合物。硫酸钙硬石膏矿也可作为石膏来源。在石膏形成过程中，石膏被再水化以形成二水合物晶体的连结体。石膏的这一特性使之成为制造墙板、熟石膏以及其它建筑材料的最佳材料。现有技术中有很多实例说明在有水的条件下生产纤维石膏产品。现有技术中，已知煅烧的石膏可以与纤维混合、或与纤维素纤维材料一起煅烧形成一种纤维素纤维与硫酸钙晶体连结的复合材料。对在有水条件下用石膏与纤维材料生产的商业板材进行检验，结果表明这些板材·同质复合物。可以这么说，石膏作为这些板材内纤维的黏合剂，石膏晶体和纤维之间并不存在任何直接物理连结或化学键合。进一步说，无论是因为这些板材的制作方式，或因为石膏晶体和纤维的机械混合，和/或还是纤维和煅烧的石膏的结块，这些板材并未表现出优良的同质性和均质性；即如密度、强度、膨胀量。同样纤维粒子内部的空隙或其粗糙或不规则形状，使得煅烧的石膏再水合后能够形成较好的物理黏结，烘干和/或固化后，形成石膏沉淀物。现有技术中，存在许多有关在有水条件下，制造纤维石膏产品的内容，然而却很少涉及有关在无水条件下，由石膏与纤维素纤维黏合而成的混合物或产品。授权给第6，429，257号美国专利中，其公开内容在此以引用方式整体并入本文中，其中，以下对采用无水方法的难度进行详细说明。总结起来主要有2个问题其一，Buxton的发明中，较难预测和控制与Buxton聚合物的一种成分发生反应的水的量；其二，含有石膏的液体混合物与有些聚合物成分(如乙二醇和甘油)结合时，表现出较差的流动性。Buxton克服了这些缺点，因为它不需要使用石膏或其它任何无机水合物。Buxton的发明的目的在于提供一种聚氨酯浇注设备和木门门梃涂抹方法。现有技术中，已知在不需要使用无机水合物的情况下，处理上述困难的策略。通过对过程进行仔细的控制(时间、温度、流速、固化速度、加入干燥剂、固化剂等)，测量并调节水位。流动特性的调节与之类似，可以通过仔细筛选配料及过程条件，可能避免使用配料，如乙二醇、甘油，因为它们是影响流动特性的主要原因。慢慢加热液体(注意避免加热过度)，然后通过加入配料的方法，实现改进流动特性。总所周知，聚合物化学性质不活泼且具有各种特性。可通过改变聚合物的成分来改变这些特性。以均聚物为例，可通过改变聚合量，进而改变聚合物的分子量。现有技术中有很多关于聚合物与石膏或其它无机水合物结合的实例，其中无机水合物作为填充剂使用。作为填充剂使用时，该水合物一般不与聚合物发生化合作用。该领域工程师及其它技术人员可能出于经济、可行性、各种物理和化学性质等各种因素考虑后，为塑料选择无机填充剂材料，无论是水合物还是非水合物。
在某些应用中，一个重要的变量是成品材料对火和热的反应。选择水合物可有助于提高材料的耐火性，因为水合物遇火或直接加热时会分解释放出水蒸汽。这样有利于灭火和降低材料温度，因为水合物蒸发过程中能吸收潜热。然而不利的是，当成品产品的使用温度总在水的沸点、接近或高于水的沸点时，这一特性会成为限制无机水合物使用的一个重要因素。塑料或复合材料制品的生产过程中需要使用高温时，由于受到温度的限制，很难或不可能使用水合物。在高温固化过程中，使用热压机或其它设备变得问题多多，甚至在很多情况下，变得不可能。一般而言，塑料和复合材料制品中通常避免使用无机水合物，尤其是其生产过程中用到高温时更是避免使用无机水合物，但有个重要的例外是上述包括有水条件下生产的石膏墙板等产品。在这种情况下，要求任何涉及到的聚合物必须具有水基性或者至少能与含水泥浆相容。聚氨酯是含有氨基甲酸酯基的聚合物。氨基甲酸脂键是由羟基与异氰酸酯基反应形成。异氰酸酯反应的反应性较高同时具有催化作用使得可较容易生产低分子量至中分子 量的各种聚合物及液体起始材料。软质和硬质聚氨酯泡沫塑料是最主要的两类市售聚氨酯材料。这些制剂通常包括异氰酸酯、多元醇(和/或二醇，本说明书所定义的多元醇中包含二醇)，以及合适的催化剂、表面活性剂、发泡剂(用于产生气体以形成泡沫)。聚氨酯最大的优点是坚固耐用，承载能力强，承载温度柔韧性良好，具有耐磨性、耐机械滥用性、并且对多种溶剂、氧气和臭氧也具耐性。Roosen(在此仅举出第一发明人)等在其美国第5，344，490号专利说明了一种混合物，该混合物由聚合物增塑石膏构成且石膏所占的重量百分比约为40%到90%，在此以引用的方式将该专利的公开内容整体并入本文中。虽然Roosen混合物的耐水性极好且不易碎，但由于其中所用的聚合物比石膏成分昂贵得多，因此由该混合物制成的板材(如墙板)的总成本比传统上广泛使用的石膏墙板要高。‘490ROOSen专利中说明了使用纤维素作为填充剂。事实上，还进一步说明了一种从未要求保护或形式改变后应用到实践中的未来可能实现的板材。说明书中涉及随机定向纤维的特点并且用多个实例具体说明了使用纤维素作为填充剂。纤维一般作为填充剂添加到增塑石膏混合物中，而不是让增塑石膏混合物与按特定方式定向纤维发生化合作用。除论及将碎木屑滚压或按压成Roosen专利的混合物外，并未谈到纤维的按特定方式定向。Roosen专利中所述的“华夫刨花板”的种类由取决于热压机，但与如石膏等水合物结合的过程不能使用所述热压机，具体原因已在上述现有技术说明中进行了阐述。聚氨酯型聚合物的一个重要限制因素是聚氨酯化学反应中使用的异氰酸酯一般非常易于与水发生化学反应。例如，广泛使用的二苯基甲烷二异氰酸酯(通常被称作MDI)是一种液态聚氨酯树脂，能与水发生剧烈反应，产生二氧化碳气体，从而使材料很容易以不可控制方式发起泡。MDI在一定程度上无法与湿的或微湿的材料形成化学键，因为MDI中的有效活性成分在能与下面的材料形成化学键之前通常与水分子先发生反应。有一些聚合物能在有水的条件下良好作用，但用于生产具有较高工程属性(强度、柔韧性、坚韧性、耐水性等)但较不易有不利属性(如随时间收缩、腐烂、因变干而开裂等)的产品的这类聚合物一般用于无水条件下对于多年使用但抗老化性能差的产品来说，这点尤为重要。
Englert的美国第7，056，460号专利(在此未将所述的公开内容以引用方式并入本文中)说明了一种在潮湿条件下使用MDI制造石膏纤维板的工艺，其中MDI被混入到分散于纤维内的乳胶中。MDI乳胶在工艺的后期加入，试图脱水过程中保留足够的MDI。该工艺效果有限并且会产生出富含MDI的废水，而仅有一部分MDI能够与纤维、石膏以及混合物基体的其它承载成分形成化学键合。另外，该纤维粒子与现有技术中有关在有水条件下使用石膏及纤维生产商业板材的描述中的一些纤维粒子类似，同样取决于其空隙和/或不规则形状来提高键合能力。这种以维持石膏中的水合物的折衷是很重要并且不得轻易忽视。包括Englert在内的很多专家都在研究如何避免或降低这种折衷，但成果有限。生产墙板和其它建筑材料的成本主要受原材料成本的影响。因此,加入低成本的纤维系统是可取的，这样能够降低聚合物使用量，而且与传统建筑材料相比，这种方法生产的材料具有相对较高的强度、耐久性、耐火性、耐水性。同时，它在减少废物流损失方面，也是可取的，能够保证100%的成分全部混入混合物中，成为成品混合物的一部分
发明内容
本发明的目的在于提供一种有用的且有许多有趣性质的混合物。该混合物由木质纤维与一种或多种无机水合物黏合而成，如在有水条件下，石膏与聚合物共同作用。该混合物可用于生产隔音瓷砖、墙板、屋顶材料、家具、建筑模型、门、地板、天花板、电影道具、自动模塑部件、结构复合材料及其它产品。本发明最大优点在于提供的混合物最具商业价值且几乎无害，而且由于其选择的成分不同，配制方法不同，它具有各种不同的特性。说明本发明时所有未定义的术语均具有该技术领域常见意义。木素纤维与无机水合物(如石膏)的连接是通过使用聚合物实现的，部分纤维与无机水合物之间形成化学键，从而混合物中产生复杂的分子或分子基。尽管不希望受到理论的限制，我们相信本发明中所选择的聚合物具有意想不到的极佳性质(如高耐水性)，原因是混合物中无机水合物和纤维成分之间形成了共价键合。同样尽管不希望受到理论的限制，我们相信现有技术中，在有水条件下使用石膏和纤维生产混合物很大程度上无法取得上述性质，因为水的介入使形成共价键变得困难，共价键的形成需要在无水条件下。现有技术中有各种技术可以调整纤维和石膏颗粒大小和性质，其对于固化混合物性质具有重大影响作用。同样，在与石膏结合前或过程中，改变纤维成分的定向或通过自然或强制过程编织纤维对于成品产品的性质具有显著的影响作用。木素纤维材料通过机械或其它手段(自然或强制编织)按照特定方式定向。其它纤维定向技术包括织造、给长纤维(无论是否已编织)预加应力，通过机械或热处理方式加工和定型成纸或似纸纤维垫子或格栅材料，或使用气流定向纤维形成各种排列。木素纤维包括每年从一年生作物收获或而每年或每多年从森林作物收获的未处理的物料。其它来源包括加工和生产其它产品产生的废纤维，如乙醇和其它燃料，或从回收木质纤维素材料产生的废纤维。合成材料也可作为来源,但出于本发明目的,它们已经过时了。最终固化混合物是硬质或软质固体材料，从固体和液体成分的混合物生产，它们连接硬化后，形成固体。现有技术已知，通过吸入空气或其它类型的气体或者通过加入发泡齐U，它还可形成发泡固体。该发明包括混合物，其中一种或多种成分暂不加入，直到能够确保产品最终固化后才加入。混合物成分中加入溶剂、蜡、着色剂和其它添加剂，以助于加工以及改变其固化性质。
根据特殊应用的需求，表面可以加工成光滑表面也可加工成粗糙表面。同样，颜色、强度、密度、坚韧性、硬度及软韧性参数均可在很大的范围内发生变化。加入添加剂后，其耐火性可变得很高，但遇高温时，由于其无机水合物的自然天性，将释放水蒸气。如上所述，耐水性也特别强，就其原因还未弄清楚。本发明中混合物的优选实施例可被称作100%固体产品，现有技术中，该术语用于描述不含有在固化过程中或在固化过程之后释放的挥发溶剂、其它成分或配料的混合物。该优选实施例可通过一种方法生产，该种方法不会产生废水或其它废水流，也不会产生有害固体、液体或气体排出物，因为用于生产混合物的100%的全部成分可以转化成由本发明混合物所构成的成品的一部分。然而，应该注意的是，本发明混合物并非完全不含溶剂或零排放。从环保角度看，上述特性是可取的，并且会优先选择，尽管不是必须的。通过对本发明内容、以下具体实施方式
及所附权利要求书进行说明，该领域的技术人员能清楚理解本发明的更多特点。本发明实施例受各种形式实施例影响，以下所述为本发明的具体实施例。应理解的是，本公开内容仅用于说明，对本发明不具限制作用。
具体实施例方式一种由本发明混合物生产的有用产品是隔音板材料，该材料中纤维来自于上述超短大麻纤维。目前，这些纤维商业利用价值低。它们可与回收或上述其它来源中获得的商业价值较低的石膏结合。某些情况下，与这些材料有关的负成本价值通常包括处理这些材料所产生的一笔不小的费用。隔音板材料，还有纸板芯层、衬托物、吊顶板材和隔音板等用于建筑行业。这类板材料其它用途的特征为低密度纤维板包括门、汽车垫及其它用途。超短大麻纤维在与石膏结合之前，对它们进行定向处理，以使其具有最大强度，无需添加成本较高的树脂或其它添加剂。最优方法是通过Fourdrinier工艺或类似技术将纤维自然编织。其中，最优方法是在桶、大缸或其它合适的容器将纤维和水混合，用混合器或搅拌器充分地搅拌混合物质，直到纤维线与线之间完全脱离，散布在液体中，形成一种含水纸浆。含水纸浆中的纤维所占比例称为“浆浓度”。“浆浓度”是含水纸浆纤维与水的比例，是生产高强度光滑表面纤维板时的一项重要参数。若浆浓度太高，含水纸浆中形成块状，造成纤维板表面不平并且还影响纤维交织，从而相应地降低了强度特性。理想状态下，出于质量方面考虑，浆浓度应尽可能地低，但出于生产速度和降低水使用目的考虑，应尽可能地高。水温一般在O. 5°C至50°C之间，优选为25°C至40°C，含水纸浆中纤维所占比例在
O.5%到12%之间，优选在1%到7%之间，最优选在2%到4%之间(按体积算)。含水纸浆应搅拌至现有键断开，搅拌时间长短取决于含水纸浆中的纤维量及成品的特性。搅拌时间通常为2到30分钟，优选为5到15分钟，最优选为8到12分钟，这取决于搅拌器类型和速率以及含水纸浆中的纤维量。一般通过筛选或排干或刮除或其它方法将纤维从容器内的含水纸浆中去除。这样含水纸浆内纤维中的多余液体流走，形成饱和的未成形的纸浆团。然后，将纸浆团送至压形机器(模型、定边箱或其它机器)中处理以塑造成预先设定的大小和形状。然后通过加热、抽气、气流、挤压等处理将塑型后的纸浆团迅速地变成半硬质状态，直至其变成预定形状的低密度半硬质纤维板为止。这就是容器中纤维过度分开的结果，然后单个纤维绳过度编结，或再结合，并且相信它被不断加强，由于木素纤维原料的内在纤维素黏合剂作用，从而形成低密度半硬质纤维板。时间以及温度随着生产的板材厚度的变化而变化。固化过程中，保持其足够干燥，与无机水合物、聚合物成分相互作用、黏合，从而避免在潮湿状态下产生不利影响。生产操作过程中，操作者还需要考虑的其它因素，如使干燥过程中的扭曲和/或变形最小。材料还包括其它纤维材料、着色剂、珍珠岩和填充剂。一般而言，目标材料密度为每立方英尺3到20磅，减噪系数值(NRC)至少为45 ;然而材料的最终用途决定这些条件应取更高还是更低的值。纤维制备工艺用于制备各种厚度的干垫，为石膏和/或其它无机水合物的结合准备。 制备的纤维垫经过一系列的机器以进行脱水、通风、加热和抽气处理。催化剂混合物压平垫子，使纤维铰接边缘交织在一起以形成结实的纤维链，其厚度和密度由纤维数量及催化剂强度决定。工业大麻特别适合于这一作业，经过此工艺，它能够迅速结实地交织在一起，同时能产生一定水平的孔隙率以便引入其它材料。完全干燥后，垫子转移到运送点，在所述运送点处垫子被引入到优选污水水合物和聚合物的含雾、喷雾和/或无水纸浆中，所述纸浆被吸入到垫子的孔内，渗透到材料中。另外，加入过量的无机水合物和聚合物，以保证完工面和/或纤维垫完全饱和并且不再有空隙。尽管无机水合物和聚合物(或聚合物成分)加入到纤维垫之前优选先预混合或预搅拌，但是此举并非完全必要。配料要一步步添加，然而，最终产品是固化的混合物，由按特定方式定向的纤维、无机水合物和聚合物先固化成预期形状或粗制形状后，再进行成形、塑模、加工等处理形成最终形状。制造隔音板材料的纤维、无机水合物和聚合物的相对使用量分别如下40到95，优选为60到85，最优选为80，纤维重量份数，3到40,优选为10到25,优选为15,石膏重量份数，I到20,优选为2到5,最优选为5,聚合物重量份数，以上参数范围广泛，因为某些应用中隔音板产品暴露的表面或面不需要与所述隔音板背面具有相同的混合物，虽然其它应用中采用同质材料。例如，由于吊顶板材对硬度、坚韧性和强度要求较低，无机水合物和聚合物应集中在产品可见表面上，而对于墙板、纤维板或汽车方面的应用，则整个产品各部分的强度需更均匀。总体而言，上述参数的最大范围可覆盖全部应用，但纤维、无机水合物和聚合物的最优选重量份数比为80:15:5适用于隔声板材料，虽然比要求的要高，但可用于吊顶板材，吊顶板材市场更大。然而，实际中人们希望通过减轻吊顶板材的重量以使成本最低，而吊顶板材重量的最小化一般通过使用最少的聚合物份数来实现。这就意味着比例将趋近于95:3:2。制造吊顶板材的另一种可能性是，尤其是当使用回收的石膏会产生负成本时，可增加石膏和聚合物的量以获得更高的强度及耐火性，这样该混合物比例可能趋向于40:40:10。成本对价格敏感的吊顶市场来说是一个重要的方面。
对于上述(及下文)优选无机水合物和聚合物的含雾、喷雾和/或无水纸浆，在20°C与95°C (优选为40°C至85°C，最优选为70°C至80°C )下进行混合的如下干燥成分较为适合40至90,优选为5至80,最优选为75,石膏重量份数，2至35，优选为10到25，最优选为17，异氰酸酯基(MDI)重量份数，5至60，优选为25至50，最优选为39，蓖麻油重量份数(标准工业蓖麻油，未加工蓖麻油或第I等级蓖麻油)，I至5，优选为2至3，最优选为2，二氧化钛重量份数，O至5，优选低于2，合适的干燥剂(如合成沸石)重量份数，干燥剂的量根据其它成分中水分含量来决定。·
I至5，合适的着色颜料重量份数，其重量和类型根据配色所确定的期望颜色来决定。少量的固化剂(如二丁基二月桂酸锡、叔胺或其它合适的催化剂/加速剂)，由该领域技术人士确定使用何种固化剂。其它配料由该领域技术人士根据成品的最终期望特性来决定。例如，可能会添加少量的蔗糖多元醇(I至5重量份数)使制品的硬性更好。其它配料还包括但不限于现有技术已知的多元醇添加剂以加强产品强度、弹性、硬度、坚韧性或柔韧性。其它添加剂包括助流剂、蜡、紫外线抑制剂、抗菌剂、填充剂等残留水遗迹、少量添加水用作发泡剂使成品内部起泡以降低密度。现有技术已知的其它发泡剂包括酒精、烷烃、制冷剂或引入的空气可替代水或与水一起使用。如乙烯基苯等溶剂促进其它聚合物、无机水合物和木素纤维成分的混合和/或相互作用。另一较佳实施例中，包括引入长纤维材料并分层设置以干燥形式或将其暴露在上述技术事件的混合物中形成纤维对称。材料的外形根据预期最终用途预先确定，优选包括材料的宽度和密度。该材料与含有无机水合物和聚合物的含雾、喷雾和/或无水纸浆结合，然后钻入材料内的空隙，填充空隙，达到期望程度，从而获得黏合强度。然后再铺上第二层短或其它纤维材料，所述第二层挤压入相连的材料形成层压板而在另一较佳实施例中，可通过使用复合木材料工业中设定好可用的工艺和设备，对木、韧皮植物或其它木素纤维进行定向使得长条薄片刨花基本平行。可通过对板材产品(通常被称作定向刨花板或“0SB”)的木刨花定向机器和方法进行小改动来实现对长条薄片刨花的定向。现有技术中，已知这种机器和方法同样可用于谷类秸杆和大麻纤维束的定向。类似地，还有为复合结构木产品而开发的机器和方法，复合结构木产品通常被称作层叠木片胶合木或“LSL”。OSB与LSL主要区别是，OSB通常使用木片制造通常用作建造墙板的板材产品，而LSL则使用更长的刨花以制造制材产品，如用作承载建造应用中常用的横梁或细长复合木产品。一实例中，通过使用垫子定向器实现刨花的定向，定向器内包括若干旋转式圆盘。一实例中，按压前前，刨花在瓦楞板上面振动。瓦楞上的波纹使刨花排成一直线。另一实例中，刨花掉落在以间隔格栅的形式平行排成直线的垂直棒上，其间隔宽度小于刨花长度。振动或摇动格栅使刨花掉落，基本以一个方向定向。生产出的各层呈交叉定向，一层的刨花定向与其它层垂直以提高硬度和强度，与机器生产方向平行和垂直。例如，墙板或板材产品可能具有I个芯层和2个面层，芯层长条薄片刨花的方向与面层长条薄片刨花的方向垂直。该类板材或墙板虽然在各个方向上的强度并不是很高，但往往较均匀。对于高强度制材产品来说，纤维往往是平行排列定向以实现纵向拉力和抗压强度的最大化及维持较高的弯曲和横向剪切强度，然而该产品纵向上容易裂开。就本发明目的而言，对于采用本成分生产的单独或一组产品而言，相对于工程要求来说，纤维方向是一个重要的考虑因素。有关不同类型的制材产品和板材产品的工程强度标准现已成熟，该类产品必须达到或超过某些应用要求和/或工业和/或客户的认可。一较佳实施例中，如上所述的无机水合物和聚合物的含雾、喷雾和/或无水纸浆被引入到各层之间的干燥定向刨花，虽然也可以如前例中所述的将水合物和聚合物进入到完成的垫子。优选做法是在各层之间引入水合物和聚合物以保证整个纤维垫子各部分·的键合数量一致，但是对于较厚的垫子来说，这点较难实现将水合物和聚合物从一边拉到另一边。未定向前，对纤维、水合物和聚合物进行预处理相当困难，尽管希望能够实现这种纤维混合物的制备方法。预处理后的纤维非常具有黏性，很难定向而且很容易堵塞设备，但是若向各层间逐渐加入水合物和聚合物后或者垫子由定向纤维制成，则可降低这种难度。再则，虽然上述方法为优选做法，但并不完全一定要在加入到纤维垫之前，对无机水合物和聚合物(或聚合物配料)进行预混合或预搅拌。制造OSB和/或LSL纤维基材料时，所用的纤维、无机水合物和聚合物的相对使用量分别如下40至90，优选为60至85，最优选为70，纤维重量份数，5至40,优选为10至25,最优选为15,石膏重量份数，5至30，优选为10至15，最优选为15，聚合物重量份数，再则，如上述低密度隔音材料，其纤维、无机水合物和聚合物的比例可有很大的变化。对于由本混合物制成的较高密度木纤维基产品，成分比例变化的原因有些不同。例如，若完全填充空隙以使表面光滑、耐水性较高，同时比传统的OSB或LSL产品的耐火性更高时，则应尽可能多地使用石膏；但若强度是主要要求，则应尽可能多地使用纤维。当纤维、无机水合物和聚合物之比70:15:15时，对于传统的OSB和LSL产品来说，空隙填充恰当、耐水性、耐火性增强，同时并未严重地降低产品强度。然而，若强度为最重要的因素，则比例趋向于80:5:15 ;若强度远不如光滑度、耐水性和耐火性重要，则比例趋向于40:40:20。另一较佳实施例涉及使用通过机械方式切碎或粉碎的纸作为本混合物木素纤维的来源。例如，众所周知，废石膏墙板主要由石膏和纸构成，其中纸用于构成墙板产品的外面。通常，若产生干燥的石膏墙板废物，废石膏墙板中的纸占废料重量的5%至15%，剩余部分基本是石膏。废石膏墙板由于暴露在环境中，所以常为潮湿状态，因此要求在混入本发明的混合物前对它进行干燥处理。该较佳实施例中，对墙板废材料进行切碎或粉碎处理，使纸形成小颗粒，现有技术中小颗粒称作“绒毛”。无论废料在切碎或粉碎时是潮湿的还是干燥的，在与本发明聚合物结合之前，虽然不需要脱水，但都需要进行合理的干燥。本实施例中，为使由石膏、纤维和聚合物构成的成品的强度最大化，绒毛形式的纤维单独或与其它纤维结合一起进行特定定向，以使提高各个方向的强度，因为由本混合物制成的成品期望可承受极大的应力。
例如，若该混合物用于生产屋顶木瓦或屋面卷材，对绒毛进行定向使得纵向、横向和横向的强度足以承受来自个方向的负荷。安装屋面材料或外墙覆盖材料时常使用带头钉或U型钉。在遇到暴风或类似天气时这些钉子不应轻易穿过木瓦或屋面卷材。本实施例，出于实用目的，纤维以全方向搅拌到或混合到无机水合物(石膏，若使用回收的废墙板)，纤维(绒毛，若使用回收的废墙板)和聚合物(聚氨酯或其它合适材料)的液体混合物中。一经最终固化，纤维全方向定向，以使其在各个方向上具有足够的强度，生产出足够强度的产品，具体而言，能够抵抗钉子或U型钉子穿通。制造“绒毛”基材料所用的纤维、无机水合物和聚合物的相对使用量分别如下5至30，优选为5至15，最优选为10，纤维重量份数，40至90,优选为50至80,最优选为65,石膏重量份数， 5至50，优选为10到40，最优选为25，聚合物重量份数，若使用切碎和/或粉碎废石膏墙板获得的绒毛，最简单省钱的方法就是使用建筑模型、船舶漆、工业涂膜、道路修补材料、停车楼涂层、屋面材料和/或其它产品的废墙板的纤维，无需从其它来源购买纤维或石膏。然而，可以调节比例以适应特殊工程目的或客户需求或所供物料的差异性和不规则。例如，若来料废墙板质量较差，且为保持产品的弹性或柔韧性等质量需要混入高质量的石膏和/或其它来源的其它无机水合物时，可相应减小绒毛纤维的比例。或者，对于需要较强的抗钉子穿通性能的屋面卷材等产品，可另外加入纤维。为使绒毛纤维全方向均匀分布，混合温度应在20°C至95°C的范围内，优选40°C至90°C，最优选70°C至80°C，应使用高剪切混合设备和工艺进行混合，所述工艺在该温度下最短混合时间至少为5至30分钟，优选为15至25分钟，最优选为20分钟。然而，初次混合完成后，对以后的混合持续时间没有限制。例如，在一个工厂，最好将保持在一定温度下，并且不断搅拌，直到其被包装运送至其他地点或送至工厂成品区，在那里，它将开始交融。该混合物可用于生产外门和内门。生产有价格优势的门的工艺需要进行精心优化，以实现价格的最优化。成本最小化对上述较佳实施例和实例对均适用，但由于典型门比上述大多数材料均厚得多，因此门的制造需要给予特别注意，以使典型门的中心使用最少的材料。目前所生产的门通常为空心结构，由上部、底部及两侧的门扇冒头和门梃构成，具内外表层。门梃和冒头通常由复合木材构成，其表层是由木纤维复合材料或金属薄片压制而成。还有其它木门，但不再占市场的主流。部分材料使用本混合物生产门的方法是使用现有表层、门梃和冒头和少量的本混合物，本混合物发泡至很大程度以部分或全部填充空心门，使门更加密实和耐火。若现有的不具防火级别的住宅内门的内芯部分或全部用该耐火混合物填充，可以提供其性能用于商业应用以获得较高的价格。或者，门的两瓣(其厚度为总厚度一半)可以从模具中拉出，由成分形成的表层，泡沫成分填补剩余部分。两瓣门可以通过该成分或其它方法连接起来。若增加强度，由复合材料或该混合物和OSB、LSL和/或木素纤维制成的冒头和门梃可在模塑门时插入。这样，采用本混合物可一次性生产出整个门，而不是门的某个部件。该有关门的实例说明了本发明的有用特性，即各较佳实施例可结合使用以生产出不同的产品。应当注意的是，上述各较佳实施例和实例规定这些工艺需要在特定的温度下(低于该温度，水合物开始大量分解)进行，以避免或至少尽可能减少释放出过多的水蒸汽，因为释放过多的水蒸汽会中断制造过程和/或降低最终固化混合物的强度和其它品质和特性。本说明书中，术语“干燥”是指该混合物的配料或材料基本不含水分。相反，术语“潮湿”包括含水纸浆或材料，其水含量已饱和到可能存在游离水分。通常，对于无机水合物，本说明书中所述水合物的干燥形式含低于5%的游离水分(％按重量算)。对于纤维配料或材料，水分含量须低于15%才视作为干燥材料。无机水合物的水分含量优选低于2%，而木素纤维的水分含量优选低于7%。大部分的过多水分可使用干燥剂和/或蒸发技术或者其它方法除去。现有技术的普通技术人员可确定该混合物各种配料的干燥水平，并采用加热、通风、添加干燥剂等合适的技术实现该水平，而不使无机水合物过度分解或过度干燥纤维，从而避免该混合物在固化前或固化过程中变脆弱、易碎。操作者可通过试验或使用仪器来测量水分含量或判断试探法和误差法所要求的干燥相对量。使用干燥材料的一个重要好处是某些聚合物(如聚氨酯)无需无机水合物或纤维 中存在不规则形状或空隙以实现较强的键合。尽管不希望受到理论的限制，我们认为这是因为在聚合物采用聚氨酯的较佳实施例采用的是MDI或异氰酸，其中异氰酸能与无机水合物中的羟基以及木素纤维中的异氰酸酯基形成共价键。一般而言，共价键比其它无机水合物的水合作用和/或结晶作用和/或沉淀作用形成的、在混合物或潮湿工艺形成的材料内起到物理互连作用的机械键更强。本发明可使用光滑纤维和/或无机水合物，以及粗糙或不规则的纤维和/或无机水合物，降低或消除必须辨别或区分可以实现充分键合的各种纤维和无机水合物来源和类型。该混合物完成的固化形式可具有多种形状、具有结构和非结构。一个较佳形式是用于建造及其他领域、具有常见尺寸和厚度的板材。其它形状可为柱形或横梁形状。该混合物可直接模塑或制成成品形状，或制成粗略的形状，然后通过另外的形成、塑模、加工和/或其它操作制成各种生产商或最终使用者所需的任何尺寸、形状和最后特性。较佳实施例成品包括上述各种建筑和建造材料，但不限于这些产品或工业领域。例如，根据纤维种类和定向，选用的聚合物和聚合物中配料数量和类型的不同，可制成硬质或软质成品。软质产品如屋面材料，包括屋面卷材和软质木瓦产品。根据由该成分制成的成品材料的类型和厚度以及期望的特性，韧性程度也会有所不同。通常而言，屋面卷材制成比木瓦更具柔韧性，因为木瓦不需要以卷起的形式制造和运输。类似地，生产汽车使用的模压制品(仪表板、内门门板等)时，对该混合物形状、光洁度及柔韧性的要求显著不同于生产结构建筑材料对这些方面的要求。在表面光洁度、颜色、纹理和外形方面，该混合物在汽车、航空及此类应用完全不同于建造和建筑行业的应用，建造和建筑行业传统上要求平滑、平纹且通常为硬质和无色。电影道具是一个应用领域的例子，该领域涉及广泛的特性、形状、柔韧性和光洁度。另一较优实施例是通过使用各种纤维用该混合物生产各种表面光洁度的层压地板产品。本发明区别于现有技术的层压地板产品的一个特点是本发明的混合物可与此处所述的任一类型的纤维结合使用，一般具有较高的耐水性和耐水分性能。现有技术中目前生产的标准产品并不合适在卫生间或其它有水或湿度高的地方使用，尤其是湿度一直较高的环境。层压地板产品可制成具有表面光洁度、且与现有技术中标准或常用尺寸和形状类似的尺寸和形状。采用本发明混合物制成的层压地板的另一区别性且有益的特点是，与现有技术中常用的材料相比，一般可以根据生产商、客户或用户的偏好改变硬性、柔韧性和弹性参数。本发明混合物的另一较佳应用是生产家具或家具部件、绝缘材料、建筑模型、窗户部件、门及丨]部件。虽然本发明以较佳实施例的形式进行了公开，但此处所公开和说明的具体实施例不具限制性，因为还可有很多的改变，本发明的标的物包括此处公开的各种构件、特点、功能和/或特性的所有新颖和非易见组合及子组合。公开实施例中没有哪一个特点、功能、构件或性质是必不可少的。以下权利要求书明确说明了一些新颖和非易见的组合和与子组合。这些特点、功能、构件和/或性质的其它组合及子组合可以通过修改本权利要求书或在 本或相关申请中提出。不论其范围比原权利要求范围更宽、更窄或相同，这类权利要求均视作包含在本发明的标的物内。本发明还包括所有专家根据其掌握的知识和简单常规实验(并非必须)在读完该申请后可直接理解的所有实施例和所有应用。
权利要求
1.一种固化纤维混合物，所述混合物由木质纤维与无机水合物通过聚合物在污水条件下黏合而成的混合物。
2.根据权利要求I所述的混合物，其中，木素纤维在与无机水合物黏合前按特定方式进行定向。
3.根据权利要求I所述的混合物，其中，无机水合物是一种或多种单独使用或与石膏、氢氧化铝、生石灰、硼砂或膨润土等的水合物形式混合使用。
4.根据权利要求I所述的混合物，其中，聚合物是聚氨酯。
5.根据权利要求I所述的混合物，其中，木素纤维是一种或多种单独使用或与大麻、亚麻、洋麻、黄麻、苎麻或其它植物纤维混合使用。
6.根据权利要求5所述的混合物，其中，木素纤维还包括一种或多种单独使用或与各种用于生产建筑材料、家具或其它通常称作木产品或复合木产品或部件的外部或内部使用产品的木纤维混合使用。
7.根据权利要求I所述的混合物，其中，木素纤维是或包括机械切碎或粉碎的纸。
8.根据权利要求2所述的混合物，其中，纤维通过天然或强制编织技术按照特定方式进行定向。
9.根据权利要求2所述的混合物，其中，纤维通过使用定向刨花板和/或层叠木片胶合木制造方法和设备按照特定方式进行定向。
10.根据权利要求7所述的混合物，其中，纤维通过混合或搅拌将机械切碎或粉碎纸(也称作绒毛)成无机水合物和聚合物的混合物中按照特定方式进行定向。
11.根据权利要求I所述的混合物，其中，未对一种或多种聚合物配料进行结合，以能够在固化前无限期地维持混合物的未固化状态。
12.根据权利要求I所述的混合物，其中，水合物含有重量百分比低于5%的游离水分，纤维含有重量百分比低于15%的游离水分。
13.一种固化纤维混合物的生产方法，该方法包括木素纤维在无水条件下通过聚合物与无机水合物黏合。
14.根据权利要求13所述的生产方法，进一步包括在与无机水合物结合前或过程中对纤维成分进行定向。
15.根据权利要求13所述的生产方法，进一步包括，在纤维与水合物黏合前，将纤维混入水中以产生含水纸浆，搅拌含水纸浆，使纤维编结成纤维垫，然后对纤维垫进行干燥。
16.根据权利要求13所述的生产方法，其中，纤维与无机水合物和聚合物的含雾、喷雾或无水纸衆结合。
17.根据权利要求13所述的生产方法，其中，纤维由超短大麻纤维衍生而成。
18.根据权利要求13所述的生产方法，其中，无机水合物是石膏，聚合物是聚氨酯。
19.根据权利要求13所述的生产方法，其中，一种或多种聚合物配料先不结合，以在最后所有配料结合产生固化混合物前以无限期维持储存和/或运输未固化的混合物。
20.一种由根据权利要求I所述的混合物生产的制品，其中，该制品是建筑模型、隔音板、门、船舶漆、屋顶木瓦、屋面卷材、墙板、层压地板、道路修补材料、水泥或浙青封缝料、停车楼涂层、结构板材、结构木材、家具或家具部件、电影道具、汽车模制部件、门或窗部件、发泡绝缘材料或粘合材料。
全文摘要
本发明公开一种由木质纤维与无机水合物(如石膏)通过聚合物在无水条件下黏合而成的混合物。优选实施例中，聚合物为聚氨酯。进一步公开了该混合物的生产方法和各类应用。
文档编号C08L97/02GK102947241SQ201180030434
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月21日 优先权日2010年4月23日
发明者彼特·保罗·罗森, 托马斯·P·奥基弗 申请人:卡斯塔戈拉产品公司