Гипсовая плита и способ её получения

Родственные патентные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании заявки на патент США 14/523016, поданной 24 октября 2014 года, и предварительной заявки на патент США 61/984206, поданной 25 апреля 2014 года, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки во всей полноте.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к гипсовым изделиям, обладающим повышенной водостойкостью и изготовленным с использованием по меньшей мере одного высоковязкого силоксана. Изобретение также относится к топливосберегающим способам изготовления, использование которых позволяет уменьшить образование силоксановой пыли и летучих органических соединений (ЛОС) в процессе изготовления изделий.

Уровень техники

Огнестойкие гипсовые панели и другие изделия разнообразных подходящих форм можно получить путем дегидратации и регидратации гипса, который также известен как дигидрат сульфата кальция или природный гипс. Такие гипсовые изделия обычно используют в строительстве. Типичные изделия включают листы гипсокартона и гипсоволокнистые листы. Лист гипсокартона содержит гипсовый сердечник, помещенный между облицовочными листами, такими как бумага или полимерное покрытие. Гипсоволокнистый лист содержит гипсовый сердечник с включенными в него волокнами, но не имеет облицовочных листов, однако гипсовый сердечник гипсоволокнистого листа может иметь различные покрытия.

Так как гипс сам по себе не является влагостойким, серьезное внимание уделяют улучшению влагостойкости изделий из гипса. В патенте США № 2198776 предложено использование углеводородов, в том числе воска и асфальта, для уменьшения гигроскопичности. В качестве покрытий на поверхности готового гипсового изделия использованы материалы, в том числе металлические мыла и силиконы. Однако из этих материалов трудно получить покрытие, обладающее достаточной водостойкостью.

В патенте США № 4411701 предложено добавление к гипсу при изготовлении водостойких гипсовых формованных изделий алкилсиликонатов или фенилсиликонатов щелочных металлов наряду с гидроксидом кальция или оксидом кальция, а в патенте США № 4371399 предложен водоотталкивающий гипсовый раствор, содержащий определенные жирные амины. В патенте США № 7294195 предложены водоотталкивающие гипсовые композиции, содержащие гидроксицеллюлозу и силиконат.

К суспензии гипса можно добавлять силоксановые эмульсии, которые способствуют улучшению водостойкости гипсового изделия. Добавление силоксановой эмульсии в гипсоволокнистые листы описано в патенте США N 5817262, выданном Englert. В дополнение к силоксановым эмульсиям можно также использовать силоксановые дисперсии для улучшения водостойкости гипсового изделия, как описано в патенте США № 7413603, выданном Miller.

Добавление силоксана к гипсовой суспензии значительно улучшает водостойкость полученного гипсового изделия. Например, использование полиметилводородсилоксана для получения водостойкого гипсового изделия предложено в EP 1 112 986 A1.

В процессе изготовления гипсовое изделие подвергают сушке и воздействию высоких температур. Во время сушки в печи (сушильной печи) происходит испарение силоксана из гипсового изделия и перенос силоксана к горелкам. Подвергшиеся разложению фрагменты силоксана сгорают и образуют очень тонкую силоксановую пыль. Пыль снижает эффективность сушильной печи и приводит к увеличению износа оборудования, в том числе горелок и вентиляторов.

Раскрытие сущности изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении гипсовоего изделия, обладающего улучшенной водостойкостью и уменьшенным испарением силоксана в процессе сушки. Согласно одному варианту осуществления предложено гипсовое изделие, содержащее гипсовый сердечник, в состав которого входит высоковязкий силоксан. Подходящие высоковязкие силоксаны включают силоксаны с вязкостью по меньшей мере 30 сП (0,03 Па·с). Подходящие высоковязкие силоксаны также включают силоксаны с вязкостью по меньшей мере 40 сП (0,04 Па·с). В некоторых вариантах осуществления вязкость высоковязкого силоксана составляет по меньшей мере 60 сП (0,06 Па·с).

В некоторых изделиях высоковязкий силоксан используют в концентрации от 0,08% до 1%. Предусмотрены различные варианты гипсового изделия, в том числе гипсокартонные листы и гипсоволокнистые листы. Можно использовать различные высоковязкие силоксаны, в том числе метилводородсилоксан.

Согласно другим вариантам осуществления предложены способы изготовления гипсовых изделий, обладающих повышенной водостойкостью, при уменьшенном суммарном выбросе углеводородов в процессе производства. Способы включают стадию получения гипсовой суспензии, содержащей по меньшей мере один высоковязкий силоксан, и формование из суспензии различных гипсовых изделий. Такие гипсовые изделия могут включать панели, плиты, плитки и потолочные плитки.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой поперечное сечение гипсового изделия с облицовочными листами.

Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение гипсововолокнистого изделия, которое не имеет облицовочных листов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предложены гипсовые изделия, полученные из подходящей для перекачивания насосом текучей гипсовой суспензии, содержащей по меньшей мере один высоковязкий силоксан. На Фиг.1 представлено поперечное сечение одного варианта осуществления, согласно которому гипсовое изделие (10) содержит гипсовый сердечник (12), сформованный из гипсовой суспензии, содержащей высоковязкий силоксан, и облицовочный лист (14), выбранный из листов бумаги и полимерного покрытия и нанесенный по меньшей мере на одну сторону гипсового сердечника (12). Гипсовый сердечник (12) может дополнительно содержать другие добавки, такие как древесные или бумажные волокна, органические и неорганические наполнители, связующие вещества, противовспенивающие агенты, моющие средства, диспергирующие агенты, окрашивающие агенты и антимикробные агенты.

На Фиг. 2 представлено поперечное сечение другого варианта осуществления, согласно которому гипсовое изделие (20) содержит гипсоволокнистую плиту (22), полученную из гипсовой суспензии, содержащей высоковязкий силоксан. Гипсоволокнистая плита (22) может необязательно иметь химическое покрытие (24), которое можно наносить по меньшей мере на одну поверхность гипсового сердечника. Гипсоволокнистая плита (22) может дополнительно содержать другие добавки, такие как древесные или бумажные волокна, органические и неорганические наполнители, связующие вещества, противовспенивающие агенты, моющие средства, диспергирующие агенты, окрашивающие агенты и антимикробные агенты.

Рассматриваемые гипсовые изделия включают, но не ограничиваются ими, панели, плиты, плитки, потолочные плитки и изделия различных специально разработанных форм.

Термин гипс в настоящем описании означает сульфат кальция в стабильном состоянии дигидрата, то есть CaSO₄x2H₂O, и включает природный минерал, полученные синтетическим способом эквиваленты и дигидрат, полученный в результате гидратации полугидрата сульфата кальция (штукатурка) или ангидрита. Термин «сульфат кальция» в настоящем описании означает сульфат кальция в любой его форме, а именно ангидрит сульфата кальция, полугидрат сульфата кальция, дигидрат сульфата кальция и их смеси.

Для формирования полимерной матрицы в гипсовом изделии можно использовать различные силоксановые соединения, способные образовать полимер/смолу, также известные как полисилоксан общей формулы (R₂SiO)_n, в которой n представляет собой количество повторяющихся звеньев R₂SiO в полимере, R может быть представлен любой органической группой, в том числе винилом (CH₂), метилом (СН₃) и фенилом (С₆H₅). Подходящие органосилоксаны могут дополнительно включать органоводородсилоксаны, которые содержат связанный с Si атом водорода. Подходящие органоводородсилоксаны включают метилводородсилоксаны, доступные под торговыми наименованиями от компаний Wacker Chemical Corporation или Dow Corning Chemical.

В настоящее время в производстве гипсовых изделий для стеновых плит обычно используют силоксан с вязкостью около 20 сПз (0,02 Па•с) и даже менее. Такие силоксаны считаются силоксанами с низкой вязкостью. Тем не менее и вопреки устоявшемуся мнению авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что использование высоковязкого / высокомолекулярного силоксана вместо обычных композиций приводит к значительному сокращению ЛОС.

Термин «высоковязкий силоксан» означает силоксан с вязкостью выше 30 сП (0,03 Па·с). Авторы настоящего изобретения обнаружили, что при увеличении вязкости от 20 сП (0,02 Па·с) до более чем 30 сП (0,03 Па·с) возможно уменьшение суммарного выброса углеводородов. Так как количество образующейся силоксановой пыли прямо пропорционально общему содержанию углеводородов, использование высоковязких силоксанов приводит к значительному сокращению силоксановой пыли. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой высокомолекулярный модифицированный водородом силоксан, такой как полиметилводородсилоксан, с вязкостью по меньшей мере 36 сП (0,036 Па•с) и возможностью полимеризации с получением силикона. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой высокомолекулярный модифицированный водородом силоксан, такой как полиметилводородсилоксан, с вязкостью по меньшей мере 40 сП (0,04 Па•с) и возможностью полимеризации с получением силикона. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой высокомолекулярный модифицированный водородом силоксан, такой как полиметилводородсилоксан, с вязкостью по меньшей мере 50 сП (0,05 Па•с) и возможностью полимеризации с получением силикона. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой высокомолекулярный модифицированный водородом силоксан, такой как полиметилводородсилоксан, с вязкостью от 60 до 80 сП (от 0,06 до 0,08 Па•с) и возможностью полимеризации с получением силикона. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой высокомолекулярный модифицированный водородом силоксан, такой как полиметилводородсилоксан, с вязкостью по меньшей мере 80 сП (0,08 Па•с) и возможностью полимеризации с получением силикона. В некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой силоксан с вязкостью выше 36 сП (0,036 Па•с). В некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой силоксан с вязкостью выше 40 сП (0,04 Па•с). В некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой силоксан с вязкостью выше 50 сП (0,05 Па•с). В некоторых вариантах осуществления высоковязкий силоксан представляет собой силоксан с вязкостью от 60 до 80 сП (от 0,06 до 0,08 Па•с).

Высоковязкий силоксан предпочтительно добавляют в гипсовую суспензию в виде эмульсии или дисперсии. Предпочтительно дисперсию высоковязкого силоксана смешивают с гипсовой суспензией как описано в патенте США № 7413603, включенном в настоящее описание посредством ссылки. Конечная концентрация высоковязкого силоксана в гипсовой суспензии может составлять от примерно 0,08% до примерно 1%, от примерно 0,1% до примерно 0,8% или от примерно 0,4% до примерно 0,5% в расчете на массу гипсовой суспензии.

Для инициирования полимеризации силоксана с получением гипсового изделия можно добавлять различные ускорители. Такие ускорители включают, но не ограничиваются ими, оксид магния. Ускорители полимеризации силоксана могут быть использованы в различных концентрациях. В некоторых вариантах осуществления ускоритель полимеризации силоксана используют в концентрации от 0,01% до 0,1%.

В некоторых вариантах осуществления гипсовые изделия получают из суспензии, которая содержит от 80% до 95% строительного гипса (гипсовой штукатурки). По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления к суспензии могут быть добавлены целлюлозные волокна в различных концентрациях. В некоторых вариантах осуществления волокна используют в количестве от 5% до 10%. Подходящие волокна включают, но не ограничиваются ими, древесные и бумажные волокна.

Для получения гипсового изделия из гипсовой суспензии, содержащей по меньшей мере один высоковязкий силоксан, можно использовать различные способы. В некоторых вариантах осуществления гипсовую суспензию, необязательно дополнительно содержащую древесные или бумажные волокна, обрабатывают в резервуаре под давлением при температуре, достаточной для превращения гипса в альфа-полугидрат сульфата кальция. После кальцинирования в суспензию вводят дисперсию высоковязкого силоксана и другие добавки.

Суспензию, пока она находится в горячем состоянии, перекачивают в напорный ящик длинносеточных машин, с помощью которого распределяют суспензию по всей ширине зоны формования. Из напорного ящика суспензию наносят на непрерывную дренажную ткань, где происходит удаление большей части воды и на которой образуется отфильтрованный осадок. До 90% несвязанной воды может быть удалено из отфильтрованного осадка с помощью формовочного транспортера. Предпочтительно обезвоживание выполняют в вакууме для удаления дополнительной воды. Предпочтительно удаляют столько воды, сколько возможно удалить до остывания полугидрата и его превращения в дигидрат. Образование и обезвоживание отфильтрованного осадка описаны в патенте США № 5320677, включенном в данное описание посредством ссылки. В других вариантах осуществления гипсовую суспензию помещают между двумя листами бумаги или двумя полимерными матами.

Суспензию прессуют и придают любую желаемую форму. Можно использовать любой способ формования, в том числе прессование, литье, литье под давлением и тому подобное. В результате удаления воды отфильтрованный осадок охлаждается до температуры, при которой может начаться регидратация. Однако может потребоваться дополнительное внешнее охлаждение для достаточного снижения температуры с целью осуществления регидратации в течение приемлемого периода времени. Предпочтительно прессовать отфильтрованный осадок во влажном состоянии, пока он поддается формованию, с получением листа, панели или любого другого гипсового изделия требуемого размера, формы, плотности и толщины.

Испытание для определения суммарного выброса углеводородов можно провести на образцах, приготовленных с использованием силоксана низкой вязкости или силоксана высокой вязкости. Существует прямая взаимосвязь между суммарным выбросом углеводородов и количеством силоксановой пыли, образующейся в сушильной печи. Чем больше количество суммарного углеводорода, тем больше силоксановой пыли. Кроме того, можно провести испытания для измерения водостойкости гипсового изделия. В этом испытании полученное изделие оставляют высохнуть. Затем изделие погружают в воду на два часа и поглощение воды измеряют как разницу между массами в сухом и влажном состоянии.

Как показано в таблицах ниже, выполнили оценку водостойкости и суммарного выброса углеводородов для силоксанов с различными вязкостями от двух поставщиков. Количество ЛОС выразили как суммарное содержание углеводородов (THC), собранных во время сушки при 450°F (232°C).

Как показано в таблицах ниже, авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что при замене силоксана с низкой вязкостью примерно 20 сП (0,02 Па•с) на силоксан с высокой вязкостью примерно 40 сП (0,04 Па•с) или выше значительно уменьшается суммарный выброс углеводородов. В то же время гипсовые изделия из высоковязкого силоксана по-прежнему сохраняют водостойкость, сравнимую с водостойкостью обычных изделий из силоксана с низкой вязкостью.

Таблица I. Результаты оценки силоксана от Поставщика 1

ТАБЛИЦА II. Результаты оценки силоксана от Поставщика 2

Таблица III. Результаты оценки силоксана от поставщика 2 (2-я партия)

В совместно рассматриваемой заявке на патент США 61/977885 описано применение покрытия из метилсиликоната калия для повышения водостойкости гипсоволокнистого листа и сокращения суммарного выброса углеводородов в процессе производства.

В некоторых вариантах осуществления гипсоволокнистые изделия получают из высоковязкого силоксана с покрытием, содержащим метилсиликонат калия. Как следует из Таблицы 4 ниже, при нанесении покрытия с содержанием метилсиликоната калия на гипсоволокнистый лист, полученный с использованием высоковязкого силоксана, водостойкость изделия была сопоставима с водостойкостью гипсового изделия с покрытием, содержащим силоксан с низкой вязкостью. Однако изделие из высоковязкого силоксана выделяло значительно меньше суммарных углеводородов, что указывает на синергический эффект между высоковязким силоксаном и покрытием из метилсиликоната калия.

В некоторых вариантах осуществления изготовлен гипсокартонный лист, в котором гипсовый сердечник, содержащий высоковязкий силоксан, расположен между двумя облицовочными листами. Как показано в Таблице 5, стеновые панели, изготовленные из высоковязкого силоксана, были сравнимы по водостойкости со стеновыми панелями из силоксана с низкой вязкостью. Тем не менее, стеновые панели из высоковязкого силоксана выделяли значительно меньше суммарных углеводородов. Наблюдалось улучшение, касающееся суммарного выброса углеводородов, как показано в Таблице 5.

Таблица V. Результаты оценки силоксана от Поставщика 3

ПРИМЕР 1

В данном примере были сформованы квадраты гипсоволокнистой плиты (36,8 см х 36,8 см, толщиной 1,27 см) из суспензии гипса и древесного волокна, содержащей 92,5% строительного гипса, 7,0% древесного волокна, 0,13% силоксана различной вязкости, 0,06% оксида магния и 0,3% ускорителя теплостойкости. Суспензию вылили в форму Tappi, воду удалили с помощью вакуума. Образовавшийся слой спрессовали и положили на стол для затвердевания по меньшей мере на 30 минут, а затем сушили при 110°F (43°C) в течение ночи. Образцы были приготовлены из силоксанов со следующими вязкостями: 20, 25, 40, 42, 52, 62, 75, 78, 83 и 242 сП (0,020, 0,025, 0,040, 0,042, 0,052, 0,062, 0,075, 0,078, 0,083 и 0,242 Па•с).

Для определения выброса суммарных углеводородов из плиты вырезали два образца (каждый 3 дюйма x 5 дюймов (7,62 см х 12,7 см)) и положили в полиэтиленовый пакет с застежкой для измерения THC в печи Arcadis при 450°F (232°С). Остальную часть затвердевшего листа после этого сушили при 400°F (204°С) в течение 20 минут, а затем при 110°F (43°С) в течение ночи.

Для испытания на водостойкость вырезали два образца (6 дюймов х 6 дюймов (15,24 см х 15,24 см) каждый) из высушенной плиты, а затем погрузили в воду на два часа. Вычислили количество поглощенной воды в процентах от сухой массы.

Результаты ТНС и испытаний на водостойкость приведены в Таблицах 1, 2 и 3.

ПРИМЕР 2

В данном примере были сформованы квадраты гипсоволокнистой плиты (36,8 см х 36,8 см, толщиной 1,27 см) из суспензии гипса и древесного волокна, содержащей 92,6% строительного гипса, 7,0% древесного волокна, 0,08% силоксана различной вязкости, 0,04% оксида магния и 0,3% ускорителя теплостойкости. Суспензию вылили в форму Tappi, воду удалили с помощью вакуума. Образовавшийся слой спрессовали и положили на стол для затвердевания по меньшей мере на 30 минут. Затем затвердевшую плиту покрыли 1%-ным раствором метилсиликоната калия. Для образца силоксана с низкой вязкостью использовали силоксан с вязкостью 25 сП (0,025 Па•с). Для образца силоксана с высокой вязкостью использовали силоксан с вязкостью 62 сП (0,062 Па•с).

Для испытания суммарного выброса углеводородов из плиты вырезали два образца (каждый 3 дюйма x 5 дюймов (7,62 см х 12,7 см)) и положили в полиэтиленовый пакет с застежкой для измерения THC в печи Arcadis при 450°F (232°С). Остальную часть затвердевшей плиты после этого сушили при 400°F (204°С) в течение 20 минут, а затем при 110°F (43°С) в течение ночи.

Для испытания на водостойкость вырезали два образца (6 дюймов х 6 дюймов (15,24 см х 15,24 см каждый) из высушенного листа, а затем погрузили в воду на два часа. Вычислили количество поглощенной воды в процентах от сухой массы.

Результаты испытаний приведены в Таблице 4.

Пример 3

В данном примере приготовили образцы гипсокартона с использованием силоксана различной вязкости и испытали их на водостойкость и суммарный выброс углеводородов. В следующем примере с гипсокартоном для определения влияния вязкости полиметилводородсилоксана на суммарный выброс углеводородов лабораторные плиты и кубики изготовили следующим образом (% от массы штукатурки): силоксан 0,77%, вода/строительный гипс (строительный гипс из FGD) = 1,1, MgO 0,4%, летучая зола 0,8%, HRA 0,05%, крахмал USG95 0,3% и крахмал LC211 0,3%. Размеры плит для испытания составляли 4 дюйма x 6 дюймов x 0,5 дюйма (10,2 см x 15,2 см x 1,3 см), с обеих сторон была припрессована прочная бумага (манильская бумага с лицевой стороны и газетная бумага на обратной стороне). Образцы были приготовлены из силоксанов со следующими вязкостями: 24 и 36 сП (0,024 и 0,036 Па•с) .

Для определения выбросов THC использовали печь Arcadis и анализаторТНС, рабочая температура составляла 450°F (232°С), время испытания 75 минут для сушки лабораторной плиты. Для испытания на водостойкость для определения поглощения воды сформовали кубики 2 дюйма x 2 дюйма x 2 дюйма (5,1 см х 5,1 см х 5,1 см). Результаты представлены в Таблице 5.

Пример 4

В данном примере провели оценку двух высоковязких силоксанов (от Поставщика 1 с вязкостью 48 сП (0,048 Па•с) и Поставщика 2 с вязкостью 58 сП (0,058 Па•с)) как в лаборатории, так и на производственной линии. Для оценки в лаборатории использовали 0,13% силоксана, применяли такие же методики, как описано в Примере 1. Для оценки на производственной линии все настройки на машине сохранили, за исключением того, что вместо используемого в настоящее время силоксана низкой вязкости на линию закачивали высоковязкий силоксан. Контейнеры с высоковязким силоксаном были соединены с впускным отверстием дозирующего насоса для силоксана через дополнительный вход. Переключили положение шарового крана, чтобы выбирать источник материала из резервуара с обычным материалом и испытуемым материалом. Контейнеры с высоковязкими силоксанами подняли вверх, чтобы обеспечить подачу на вход насоса под действием силы тяжести. Использование силоксана в машине составило 0,2% до, во время и после испытания.

Фрагмент образца влажной плиты на производственной линии перед сушкой оторвали от производственной панели, нарезали размером 3 дюйма x 5 дюймов (7,62 см х 12,7 см) для измерения THC в печи Arcadis при 450°F (232°С). Для испытания на водостойкость вырезали два образца (12 дюймов х12 дюймов (30,5 см х 30,5 см) каждый) из высушенной панели, а затем погрузили в воду на два часа. Вычислили количество поглощенной воды в процентах от сухой массы.

Результаты оценки в лаборатории и на производственной линии приведены в Таблицах 6 и 7 соответственно.

Таблица VI. Лабораторные результаты оценки силоксанов для испытания на машине

Таблица VII. Результаты оценки силоксанов на производственной линии

Как следует из оценки в лаборатории и на производственной линии, высоковязкий силоксан обеспечивает водостойкость гипсового изделия, аналогичную водостойкости гипсового изделия, полученного из силоксана с низкой вязкостью. Однако высоковязкий силоксан обеспечивает значительное снижение ТНС по сравнению с силоксаном с низкой вязкостью.