專利名稱：生產(chǎn)石膏/木纖維板的二苯甲烷二異氰酸酯的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)復(fù)合材料；更具體地說，涉及物理性能得到改進(jìn)的復(fù)合石膏/纖維素纖維材料，這種材料尤其可用于制備建筑制品。本發(fā)明特別涉及浸漬二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)的石膏/木纖維建筑板，在制板過程中，通過向石膏和木纖維中添加MDI乳液提高物理特性。
石膏(CaSO4·2H2O)具備的某些特性使其特別適合于制備工業(yè)制品和建筑制品；尤其是石膏墻板。石膏非常豐富并且通常是一種廉價原料，通過脫水作用和再水化作用，可將它們澆鑄、模制或用其他方法制成有用的形狀。它們也具有不燃性，當(dāng)將它們置于潮濕環(huán)境中時尺寸相對穩(wěn)定。但是，因為它們是易碎的結(jié)晶材料，抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度較低，所以其應(yīng)用通常僅限于非結(jié)構(gòu)、非承重和非吸收沖擊的領(lǐng)域。
石膏墻板；即也稱作石膏板或干飾面內(nèi)墻(drywall)，由多層紙覆蓋板之間夾層的再水化石膏芯構(gòu)成，并大量用作內(nèi)墻和天花板。因為石膏芯的易碎性和釘、螺絲夾持特性差，常規(guī)的干飾面內(nèi)墻本身不能承載懸掛重物的荷重或吸收較大的沖擊。因此，長期以來人們力求改進(jìn)石膏墻板和建筑制品的抗拉、抗彎曲強(qiáng)度、釘和螺絲夾持強(qiáng)度以及抗沖擊特性，并且目前也仍然是人們所迫切尋求的。
另一種易于買到和得到的材料是木素纖維材料，特別是木纖維和紙纖維，它們也廣泛地應(yīng)用于建筑制品行業(yè)。例如，除了木材外，刨花板、纖維板、糯米紙板、膠合板和Ahard@板(高密纖維板)是建筑工業(yè)中使用的一些木素纖維材料加工制品。這類材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度要比石膏墻板優(yōu)越。但是，它們的成本一般較高，防火性差，低密制品的強(qiáng)度不算太高。因此，也需要改善由纖維素材料制成的建筑制品的限制用途的特性。
USP5817262和5320677詳細(xì)描述了結(jié)合石膏和纖維素纖維，尤其是木纖維有益特性的早期嘗試，將這兩項專利引入本文作為參考，并且它們被轉(zhuǎn)讓給了美國石膏公司。本發(fā)明的一個目的是改進(jìn)USP5817262和5320677的技術(shù)，并且提供一種石膏/木纖維板(GWF)制品，這種制品具有改進(jìn)的強(qiáng)度、抗沖擊性、抗螺絲、釘撥出和尺寸穩(wěn)定性。
制備復(fù)合GWF材料的一般方法以及根據(jù)USP5817262和5320677專利的教導(dǎo)是首先將約0.5-30％重量，優(yōu)選3-20％重量的木纖維與相應(yīng)磨碎的補(bǔ)充材料--未煅燒的石膏混合。將干混合物與足夠量的液體，優(yōu)選水混合，制成含水量約為70-95％重量的稀漿料。在加壓容器，例如高壓釜中處理漿料，處理溫度為約285-305°F，使石膏足以轉(zhuǎn)變成針狀的CaSO4·1/2H2O晶體。需要連續(xù)地攪拌漿料，通過適度地攪拌或混合以打開任何纖維團(tuán)，并使所有的顆粒懸浮在懸浮液中。在半水合物已經(jīng)形成和已經(jīng)從溶液中沉淀出半水合物晶體后，當(dāng)漿料從高壓釜中排出時，釋放施加在產(chǎn)品漿料上的壓力。此時向漿料中添加任何其他所需的添加劑。趁漿料仍熱時，將其加入到料箱(head box)中，料箱再把漿料分布到多孔的氈制輸送器(felting conveyor)上。在輸送器上，漿料借助于真空泵的作用脫水，通過氈制輸送器抽出水，在輸送器的表面上形成濾餅?？空婵毡每沙V餅中多達(dá)90％的未結(jié)合水。加熱漿料的溫度保持在高于約160°F的溫度，直到已經(jīng)基本上脫水，并將其濕壓成板。由于除去了水，濾餅被冷卻到再水化可以開始的溫度。但是，仍然需要進(jìn)行外部冷卻，以使溫度低到在可接受的時間內(nèi)足以實現(xiàn)再水化的溫度。
在徹底進(jìn)行再水化之前，優(yōu)選將濾餅濕壓成所需厚度和/或密度的板。如果要使板具備特殊的表面結(jié)構(gòu)或?qū)訅罕砻婀舛?，那么最好在該處理步驟期間或處理步驟之后進(jìn)行。在為確保制品的完整性，優(yōu)選逐漸增加壓力的濕壓期間，有兩種情況發(fā)生(1)除去了另外的水，例如約50-60％的剩余水；和(2)由于除去了另外的水，濾餅被進(jìn)一步冷卻到迅速發(fā)生再水化的溫度。CaSO4·1/2H2O水化成石膏，在木纖維內(nèi)和木纖維周圍針狀CaSO4·1/2H2O晶體就地轉(zhuǎn)變成石膏晶體。再水化完成后，如果需要的話，可切割和修整板材，然后置于窯中干燥。理想地，應(yīng)保持較低的干燥溫度，以避免在任何石膏的表面上發(fā)生再煅燒。
過去，GWF制品取決于作為唯一內(nèi)部粘合劑的石膏。當(dāng)使用石膏作為唯一芯粘合劑時，對于高密GWF制品例如55-pcf(磅/英尺3)外模板(exterior sheathing)和65-pcf襯底制品表現(xiàn)出極好的工作性，但是，對于低密板來說強(qiáng)度就不夠高。特別是僅含石膏的GWF制品對于諸如家具部件和其他木基應(yīng)用的關(guān)鍵性低密制品而言，其抗彎強(qiáng)度和剛度不夠高。于是，人們已經(jīng)開始尋找改進(jìn)GWF制品物理特性的方法。
從二十世紀(jì)80年代初期開始，人們可以從市場上買到異氰酸酯的水分散液。人們根據(jù)特定二異氰酸酯MDI的用途，用這些分散液中的一種代替常規(guī)的酚甲醛樹脂，將它們用作刨花板和定向鋼絞繩板(OSB)的粘合劑。就MDI應(yīng)用于GWF制品而言，這里描述的MDI乳液體系具有許多的優(yōu)點(diǎn)，它們比用石膏作粘合劑優(yōu)越。MDI是一種熱固樹脂，能與纖維素纖維中的兩個羥基形成化學(xué)鍵以及通過異氰酸酯基團(tuán)與水反應(yīng)本身發(fā)生交聯(lián)。如果需要的話，通過適當(dāng)?shù)厥褂么呋瘎?，能夠擇?yōu)地催化這些反應(yīng)中的任何一個反應(yīng)。MDI也是一種抗潮濕和抗?jié)穸鹊奈镔|(zhì)，如果在GWF板中適當(dāng)?shù)厥褂肕DI，就能使該板具有改進(jìn)的物理特性，例如改進(jìn)的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、抗釘和螺絲拔出和抗沖擊性。
添加到GWF漿料中的任何粘合劑例如MDI必需滿足下列兩個條件(1)它們在料箱的溫度和化學(xué)條件下必須是穩(wěn)定的，和(2)粘合劑必須保持在基礎(chǔ)底板中(basemat)。這些要求阻礙了先前將MDI摻入到GWF制品中的嘗試。
早期不成功的嘗試已經(jīng)迫使人們使用純MDI作為GWF制品的芯添加劑，其用量低，約占漿料總固含量的2％重量。在早期嘗試中，純MDI立即與料箱中的水發(fā)生反應(yīng)，聚合成褐色的聚合材料，導(dǎo)致保持在GWF基礎(chǔ)底板中的MDI以局部聚脲固體的形式存在。早期嘗試中的這種即刻反應(yīng)和局部化是令人討厭的，這是因為MDI不起粘合劑的作用，而是包含在制品的芯中起惰性填料作用。在這種情況下，MDI不會提高GWF制品的強(qiáng)度。試驗還表明使用MDI和水的預(yù)混合物導(dǎo)致同樣的失望結(jié)果，因為其穩(wěn)定性極其有限。
在GWF加工中成功地運(yùn)用MDI取決于MDI在料箱中是否穩(wěn)定，以便在制板過程中，它們在一段時間后發(fā)生聚合，并且還取決于保持在濾餅或基礎(chǔ)底板中的MDI。更具體地說，任何MDI添加劑在約180-205F的料箱溫度下必須是穩(wěn)定的，并且在漿料的離子環(huán)境中也是穩(wěn)定的。漿料中的石膏和各種添加劑產(chǎn)生大量的多價陽離子。由于石膏的溶解性，存在的Ca2+離子濃度約為1800ppm。根據(jù)所使用的各種添加劑，可以有Al3+或K+離子存在。Al3+離子的典型濃度為900ppm，但是可以高達(dá)9000ppm。Al3+一般是由促凝劑明礬Al2(SO3)4產(chǎn)生的。K+離子的典型濃度為4500ppm，并且是由促凝劑硫酸鉀K2SO4產(chǎn)生的。因此，理想的是用乳化劑或表面活性劑穩(wěn)定MDI。因為MDI不是水溶性的，所以還要使用穩(wěn)定化的表面活性劑。
在典型的乳液中，在高剪切下將水、MDI和合適的表面活性劑混合，以便使MDI以小滴的形式分散在水中。經(jīng)混合賦予該系統(tǒng)的能量很大程度上控制形成的乳液的顆粒大小。在無合適的表面活性劑存在時，例如在MDI預(yù)混合物的情況下，在水中的MDI顆粒分散液將逐漸分成兩個明顯的相。表面活性劑的作用是通過穩(wěn)定單個MDI顆粒防止這種相分離。在微觀水平上，表面活性劑向MDI/水界面遷移，在該界面上形成一個層，其親水部分朝外地指向水溶液，其疏水部分定向地與MDI液滴表面相鄰。在這種情況下，表面活性劑可表現(xiàn)出與基質(zhì)顆粒氫鍵鍵合，于是，當(dāng)水被排掉時，它們保留在基礎(chǔ)底板中，而不是隨水一起被虹吸掉。除了氫鍵鍵合外，用石膏和基質(zhì)顆粒機(jī)械捕集MDI也促進(jìn)了MDI在基礎(chǔ)底板中的高滯留。
表面活性劑一般被分成三類，非離子、陽離子和陰離子型表面活性劑。每一類表面活性劑都有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們可以穩(wěn)定什么材料，它們在高溫下是如何起反應(yīng)的，以及它們在電解質(zhì)例如Ca2+、Al3+或K+離子的存在下是如何起反應(yīng)的，而這些離子是在GWF配料時存在的。正如本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將認(rèn)識到的，下面是三類表面活性劑適用性的極一般的規(guī)則。
一般來說，非離子表面活性劑比較不適合于高溫環(huán)境，例如料箱中的溫度。在這種環(huán)境中，表面活性劑的氧乙烯鏈(EO)本身易于卷曲。在這些條件下，它們不能起乳液穩(wěn)定劑的作用。為了增加熱穩(wěn)定性，需要增加表面活性劑的疏水/疏脂平衡(HLB)值。非離子表面活性劑一般不受存在的電解質(zhì)的影響，例如在GWF配料中可能存在的電解質(zhì)。
陰離子表面活性劑一般不受高溫的影響，達(dá)到了適合于料箱中溫度的程度。但是，某些陰離子表面活性劑受到多價陽離子的不利影響，多價陽離子易于與陰離子部位鍵合。
陽離子表面活性劑一般既不受高溫的影響，也不受存在的電解質(zhì)的影響，因此，它們適合于處理GWF。但是，許多陽離子表面活性劑會含有少量的未反應(yīng)的伯胺和仲胺，它們會催化MDI與水發(fā)生反應(yīng)。這種副反應(yīng)并不是令人所期望的，因為它們將導(dǎo)致局部形成脲聚合物團(tuán)塊，從而有害于最終制品的強(qiáng)度。未反應(yīng)的伯胺和仲胺可通過加入添加劑例如路易斯酸除去。
人們還描述了表面活性劑是如何起作用的。外部表面活性劑不與MDI和水溶液中的任一相起反應(yīng)，而是簡單地存在于兩相的界面處。其在界面的存在是一種動力學(xué)過程，表面活性劑分子連續(xù)不斷地離開界面抵達(dá)本體溶液，以及從本體溶液抵達(dá)該界面。
如果使用外部乳化劑，MDI的耐久性要求MDI乳液使用高HLB的非離子型乳化劑。眾所周知，相變型溫度(PIT)直接隨表面活性劑的HLB的改變而發(fā)生改變。因此，高HLB乳化劑使形成的外部穩(wěn)定的乳液具有更高的熱穩(wěn)定性，于是，HLB值是表面活性劑的大體適用性的最好的第一手指標(biāo)。另外，已經(jīng)表明可將陽離子乳化劑與高HLB非離子表面活性劑結(jié)合使用，以獲得合適的熱和電解質(zhì)穩(wěn)定性，而不存在單獨(dú)使用陽離子乳化劑時的不良作用。
內(nèi)部表面活性劑含有官能團(tuán)，從而實際上與分散相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在內(nèi)部穩(wěn)定化的乳液中，氧乙烯鏈化學(xué)連接到MDI骨架上。通過改變氧乙烯鏈的分子量(即改變鏈上的EO基團(tuán)的數(shù)量)，可以調(diào)整分子的Aeffective@HLB。
如果使用內(nèi)部乳化劑，MDI的耐久性再次要求MDI乳液使用高HLB非離子乳化劑。正如上文討論的，改變氧乙烯鏈的分子量可以調(diào)整HLB。因為相變型溫度(PIT)直接隨表面活性劑的HLB而發(fā)生改變，所以采用較多EO基團(tuán)實現(xiàn)的高HLB可使得形成的內(nèi)部穩(wěn)定的乳液具有更高的熱穩(wěn)定性。
因為各種類型的表面活性劑具有不同的特性，所以必須發(fā)現(xiàn)一種單一的表面活性劑或表面活性劑的組合來穩(wěn)定乳液，以使其具有所需的熱和電解質(zhì)穩(wěn)定性。
本發(fā)明的一個主要目的是提供一種物理特性得到改進(jìn)的石膏和纖維建筑板，它們是通過使石膏和其他具有較高強(qiáng)度的物質(zhì)，例如木纖維組合制備的，并且在整個所述的板中分散有MDI粘合劑以獲得更堅固的建筑制品。
本發(fā)明促進(jìn)了二異氰酯化學(xué)物質(zhì)MDI的應(yīng)用，在任何易于從市場上買到的二異氰酸酯中，MDI具有的分子量最高，具有的蒸汽壓最低。結(jié)果，在生產(chǎn)環(huán)境中使用MDI時，它們對環(huán)境相當(dāng)友好并且較安全。這種異氰酸酯的所述特定用途也優(yōu)于其他的二異氰酸酯化學(xué)物質(zhì)例如甲苯二異氰酸酯(TDI)，與其它市售異氰酸酯相比，它可形成最硬的聚合物。加入硬質(zhì)粘合劑是有利的，因為它們會使制品具有很好的抗彎強(qiáng)度，生產(chǎn)出硬質(zhì)和剛性制品。
本發(fā)明的相關(guān)目的是提供一種這種石膏復(fù)合建筑板的生產(chǎn)方法，其中向CaSO4·1/2H2O和其他的諸如木纖維的高強(qiáng)物質(zhì)的加熱漿料中添加MDI，使所述加熱的含MDI的漿料通過多孔平板成型平面，例如氈制輸送器，制成有形的濾餅，將該濾餅進(jìn)一步加工成石膏板制品。
本發(fā)明一個更具體的目的是提供一種無紙墻板，這種墻板具有均勻優(yōu)越的強(qiáng)度，包括抗釘和螺絲拔出，穿過該板時發(fā)生膨脹并且尺寸更穩(wěn)定，防火以及能夠以實際成本生產(chǎn)。
按照本發(fā)明，最理想地是通過向CaSO4·1/2H2O材料的熱稀漿料中添加MDI乳液實現(xiàn)本發(fā)明的主要目的，所述材料已經(jīng)將它們在下列條件下煅燒產(chǎn)生貫穿于其增強(qiáng)材料基質(zhì)顆粒空隙中和周圍的針狀α半水合物晶體，并且使?jié){料通過多孔平板成型表面制成濾餅，脫水并使損失的MDI最小。在半水合物完全再水化成石膏前將濾餅壓制成板，之后將板進(jìn)行干燥，在乳液消失時，使MDI與殘余水和纖維素纖維發(fā)生反應(yīng)，并本身發(fā)生聚合。
本文使用的術(shù)語“石膏”是指穩(wěn)定的二水合物狀態(tài)的硫酸鈣，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的礦物、合成產(chǎn)生的等同物、水化CaSO4·1/2H2O(灰泥(stucco))或無水硫酸鈣形成的二水合物材料。本文使用的術(shù)語“硫酸鈣材料”是指任何形式的硫酸鈣，即無水硫酸鈣、CaSO4·1/2H2O、CaSO4·2H2O和它們的混合物。
術(shù)語“基質(zhì)顆?！笔侵赋嘀獾奈镔|(zhì)的任何宏觀顆粒，例如纖維、碎片或薄片。該顆粒一般難溶于漿液中，在其內(nèi)部還應(yīng)該有可達(dá)到的孔隙；無論是孔、裂紋、裂縫、空心還是其他的表面缺陷，它們均可以被漿料溶劑滲透，并在其中形成CaSO4·2H2O晶體。如果在顆粒的適當(dāng)位置有孔隙存在就最好。大量的空隙和整個顆粒上孔隙的大量分布將改善物理結(jié)合以及增強(qiáng)MDI、石膏和基質(zhì)顆粒間幾何上的穩(wěn)定鍵合?；|(zhì)顆粒應(yīng)該具有石膏所缺乏的物理特性，例如良好的抗拉性和抗彎強(qiáng)度。特別適合于本文所述方法和材料的纖維實例是纖維素纖維，特別是木素纖維素纖維例如木纖維。因此，無意對可用作“基質(zhì)顆粒”的材料和/或顆粒進(jìn)行限制，為方便起見，在下文中經(jīng)常用木纖維來代替更廣義的術(shù)語。
本文使用的術(shù)語“MDI乳液”是指MDI的水乳液，它們在GWF漿料中是穩(wěn)定的，在該條件下保持了其中的CaSO4·1/2H2O晶體。
基本方法是首先使未經(jīng)煅燒的石膏和基質(zhì)顆粒(例如木纖維或紙纖維)與水混合形成含水稀漿料。石膏源可以采用原礦，也可以采用燃料氣體脫硫化或磷酸法的副產(chǎn)品。石膏的純度應(yīng)該較高，即優(yōu)選地至少為約92-96％，并且被磨細(xì)?？梢允褂么箢w粒，但是會延長轉(zhuǎn)變時間。石膏可以以干粉的形式加入，也可以經(jīng)由含水漿料加入。
基質(zhì)顆粒優(yōu)選為纖維素纖維，它們可以來自廢紙、木紙漿、木片、和/或其他的植物纖維源。優(yōu)選使用100％紙纖維，但是也可以使用各種纖維的混合物，例如25％重量紙纖維和75％重量云衫纖維的混合物。優(yōu)選地，植物纖維是多孔、空心、開裂的或具有粗糙的表面，以便其物理幾何結(jié)構(gòu)提供可達(dá)到的裂縫或孔隙，這些裂縫或孔隙用于容納溶解硫酸鈣的滲透。
根據(jù)纖維例如木紙漿的來源，還可在處理前散開纖維團(tuán)，將其分成尺寸過大材料和尺寸過小材料，在某些情況下，預(yù)提取出阻強(qiáng)材料和/或污染物，例如會對石膏的煅燒產(chǎn)生不利影響的半纖維素或乙酸。
將研磨過的石膏和木纖維與足夠量的水混合制成固含量約為5-30％重量的漿料，而固含量約為10-20％重量的漿料是優(yōu)選的。漿料中的固體應(yīng)該包括約0.5-30％重量的木纖維，優(yōu)選約10％重量木纖維，其余的主要是石膏。
轉(zhuǎn)變成半水合物將漿料加料到壓力容器，例如高壓釜中，所述容器配有連續(xù)攪拌裝置或混合裝置。如有需要，在此時可向漿料中添加結(jié)晶改性劑，例如有機(jī)酸，以促進(jìn)或延遲結(jié)晶或降低煅燒溫度。向容器中注入蒸汽，使容器的內(nèi)部溫度升至自壓下的約212°F(100℃)至約350°F(177℃)。溫度下限差不多是實際操作的最低溫度，在該溫度下，操作生產(chǎn)線上在合理的時間內(nèi)水合硫酸鈣可被煅燒成半水合物狀態(tài)。溫度上限大約是煅燒半水合物的最高溫度，在該溫度下沒有過度鍛燒使CaSO4·1/2H2O轉(zhuǎn)變成無水硫酸鈣的危險。高壓釜的溫度優(yōu)選約為285°F(140℃)-305°F(152℃)。
當(dāng)在這些條件下處理漿料足夠的時間，優(yōu)選15分鐘后，排出足夠多的水以使CaSO4·2H2O晶體轉(zhuǎn)變成針狀半水合物晶體。借助于連續(xù)的攪拌使顆粒懸浮在懸浮液中，溶液潤濕和滲透基質(zhì)纖維的開口孔隙。當(dāng)溶液達(dá)到飽和時，半水合物成核并在空隙內(nèi)、空隙上和空隙周圍以及沿著基質(zhì)纖維壁開始形成晶體。
確信在高壓釜中進(jìn)行處理時，溶解的硫酸鈣滲透到木纖維的空隙中，接著以針狀半水合物晶體的形式沉淀在木纖維的空隙內(nèi)、空隙上和空隙的周圍以及木纖維的表面上。當(dāng)轉(zhuǎn)變完成后，降低高壓釜的壓力，添加所需的常規(guī)添加劑和MDI乳液，常規(guī)添加劑包括促凝劑、緩凝劑、保存劑、阻燃劑和強(qiáng)度增強(qiáng)劑，它們一般是在料箱中或剛好在進(jìn)入料箱前加入的，然后從料箱中卸出漿料，輸送到脫水輸送器上。
MDI在從高壓釜中卸出漿料后，最好在馬上進(jìn)入料箱前添加MDI乳液，以便在形成濾餅和脫水步驟之前使MDI有足夠的時間與漿料進(jìn)行徹底的混合。添加MDI乳液時漿料的溫度對所選擇的具體乳液來說是關(guān)鍵。也就是說，必須配制這樣的MDI乳液使得其在MDI乳液與石膏木纖維漿料混合時漿料的特定溫度下是穩(wěn)定的。MDI乳液在漿料中諸如促凝劑類的添加劑存在下必須是穩(wěn)定的。不僅當(dāng)被添加到漿料中時MDI乳液必須具有穩(wěn)定性，而且在脫水和制板步驟的整個過程中都要保持穩(wěn)定。最重要的是，在脫水過程中，在濾餅中應(yīng)有足夠比例的MDI存在。在有足夠的滯留量的情形下，當(dāng)添加到漿料中的MDI乳液的量足以使按漿料總固含量計至少有約3％重量的MDI存在時，會明顯地提高物理特性。為實現(xiàn)更大的改善，優(yōu)選使用約2-14％重量的MDI。優(yōu)選的MDI是Mondur1441，由Bayer公司生產(chǎn)。
乳化劑下列實施例描述了各種MDI乳液的制備方法，它們可在本發(fā)明公開的方法中使用，使GWF板具有改進(jìn)的物理特性，但是應(yīng)該清楚這些是實施例，采用合適的變化方法可以制備物理特性得到改進(jìn)的許多其他石膏木纖維制品。
優(yōu)選的非離子型乳化劑是一種HLB值超過20的嵌段多元醇，具有合適的熱穩(wěn)定性。特別地，Macol27(一種HLB值為22的嵌段多元醇，由PPG工業(yè)公司生產(chǎn))是一種優(yōu)選的非離子外部乳化劑。
優(yōu)選的外部乳液優(yōu)選的外部穩(wěn)定的MDI乳液是一種Macol27穩(wěn)定的Mondur1441乳液制備物(20.0％活性)。該乳液含有水 7960.8克Mondur1441 MDI 1990.2克Macol27(100％活性) 79.6克該制備物所含的表面活性劑量按MDI重量計為4.0％活性表面活性劑。通過添加去離子水和Macol27制成穩(wěn)定的乳液，Macol27是一種白色粉末。攪拌混合物大約10分鐘，使Macol27溶解。隨著劇烈機(jī)械攪拌，將MDI緩慢地添加到混合物中，形成穩(wěn)定的乳液。
作為可供選擇的另一種制備物，可以將諸如脂肪酸季胺(由Wilmington,Delaware的ICI Americas股份有限公司銷售，名稱為G-265)的陽離子乳化劑加入到Macol27中，添加比例為1份G-265對應(yīng)于14份Macol27。
優(yōu)選的內(nèi)部乳液優(yōu)選的內(nèi)部穩(wěn)定的MDI乳液是在60℃(140°F)下與MDI Mondur1441混合的Union Carbide Carbowax5000制備物。Carbowax5000產(chǎn)品是一種甲氧基聚乙二醇，其平均分子量為5000(n=113)。該乳液含有下列成分Mondur1441 MDI 2000.00克Carbowax5000(100％活性) 120.00克該制備物含有按MDI重量計6.0％重量的聚乙二醇(PEG)。該穩(wěn)定乳液通過向合適的混合容器中添加Mondur1441和Carbowax5000薄片制備。借助于機(jī)械裝置例如攪拌棒連續(xù)地攪拌Carbowax5000和MDI，并加熱到140°F180分鐘，使Carbowax5000完全地溶解。冷卻溶液至室溫，以減弱MDI與水之間發(fā)生的反應(yīng)。在快速的機(jī)械攪拌下，在合適容器中向7960克脫離子水中添加1990.2克Carbowax5000和MDI混合物，制成穩(wěn)定的水乳液。
向漿料中添加乳液一旦制成穩(wěn)定的MDI乳液，就在漿料剛要進(jìn)入料箱之前將它們加入到漿料中，典型地是加入到將漿料從高壓釜輸送到料箱的管道中。在管道內(nèi)可以設(shè)置本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的機(jī)械攪拌裝置，從而有助于將乳液混入漿料中。
脫水使熱的含MDI的漿料通過料箱，借助于該料箱將漿料分布在平板多孔的成型表面上，制成濾餅。當(dāng)漿料從高壓釜中卸出時通過蒸發(fā)并借助于水靠漿料的自重通過多孔成型表面使濾餅脫水，優(yōu)選地借助于真空進(jìn)行脫水。盡管因脫水導(dǎo)致濾餅冷卻，但是在制品漿料的溫度仍然較高時并且在半水合物轉(zhuǎn)變成石膏之前應(yīng)盡可能多地除去水。在脫水裝置中除去多達(dá)90％的漿料中的水，使濾餅的水含量約為35％重量。在該階段，濾餅由木纖維組成，木纖維由可再水化的CaSO4·1/2H2O晶體連結(jié)，并且仍可將它們破碎成單個的復(fù)合纖維或顆粒、成形、澆鑄或密實成較高的密度。
濾餅的形成和濾餅的脫水最好采用US5320677所描述的類型的造紙設(shè)備進(jìn)行，該專利并入本發(fā)明作為本發(fā)明公開的一部分。
壓制和再水化濕壓脫水濾餅幾分鐘，進(jìn)一步降低水含量，并將濾餅壓制成所需形狀、厚度和/或密度。盡管脫水步驟中排出的大量水會明顯降低濾餅的溫度，但是在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)為達(dá)到所要求的含量可以進(jìn)行另外的外部冷卻。理想地，將濾餅的溫度降低到約120°F(49℃)以下，以便可以進(jìn)行較快的再水化。在物理連結(jié)木纖維的地方，將α半水合物晶體再水化和再結(jié)晶成針狀石膏晶體。
根據(jù)漿料中存在的促凝劑、緩凝劑、晶體改性劑或其他的添加劑，水化時間可以是從僅幾分鐘到1小時或1小時以上。因為針狀半水合物晶體與木纖維的連結(jié)和大部分載液從濾餅中的除去，避免了硫酸鈣的遷移，使它們均勻地分布在復(fù)合材料中。再水化的結(jié)果是使半水合物晶體就地(即在木纖維的空隙內(nèi)和周圍)再結(jié)晶成二水合物晶體，由此確保了復(fù)合材料的均勻性。晶體生長也連接了在相鄰的纖維上的硫酸鈣晶體，形成完整的結(jié)晶塊，通過增強(qiáng)木纖維提高了其強(qiáng)度。
當(dāng)水化完成時，理想的是迅速地干燥復(fù)合材料塊，以除去殘存的游離水。否則吸濕性木纖維易于保留、甚至是吸附未結(jié)合的水，而該未結(jié)合水是后期將要蒸發(fā)掉的。如果硫酸鈣涂層在額外的水被排出之前就完全凝固，那么纖維會收縮，當(dāng)未結(jié)合水被蒸發(fā)掉時，它們與石膏脫開。因此，為了獲得理想的結(jié)果，最好在溫度降低到水化開始的溫度以下之前盡可能地除去復(fù)合材料塊中盡可能多的過量游離水。
干燥為了使最終制品中的游離水的含量降低到約0.5％或更少，隨后在較高的溫度下對壓制板進(jìn)行迅速地干燥，壓制板通常含約30％重量的游離水。干燥溫度不應(yīng)超過200°F(93℃)，若高于該溫度，石膏會被煅燒?？蓪δ毯透稍锏陌暹M(jìn)行切割，再加工成所需的規(guī)格。
當(dāng)最終凝固后，獨(dú)有的復(fù)合材料表現(xiàn)出其所有組分所賦予的所需特性。木纖維增加了石膏基體的強(qiáng)度，特別是抗彎強(qiáng)度，而石膏起涂層和粘合劑的作用，保護(hù)木纖維，使其防火并降低因濕度引起的膨脹。MDI改善了材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度以及改善了抗沖擊強(qiáng)度和抗釘和螺絲拔出。
結(jié)果下表概括了采用上述實施例1和2描述的內(nèi)部和外部乳液實現(xiàn)的GWF墻板的強(qiáng)度增加?！癕D”是指在機(jī)器方向上沿其最長的方向切割和分析試樣?！癆CMD”是指與機(jī)器方向垂直沿其最長的方向切割試樣。諸如所表明的，MDI的添加量按漿料中總固含量的重量計為3％或6％。
在MDI的添加量為3％時，觀察到比強(qiáng)度增加51％(內(nèi)部乳化劑)和31％(外部乳化劑)。在MDI的添加量為6％時，觀察到比強(qiáng)度增加57％(內(nèi)部乳化劑)和10％(外部乳化劑)。MDI％密度(pcf) MOR(pci) 比強(qiáng)度(psi)對照值(0％MDI)MD 41.5 434 652CMD 36.6 415 7083.00％(內(nèi)部) MD 43.4 718 1031CMD 38.7 667 10296.00％(內(nèi)部) MD 45.4 718 987CMD 41.1 760 11543.00％(外部) MD 43.5 718 851CMD 38.7 667 9346.00％(外部) MD 41.4 446 673CMD 39.8 533 835
本發(fā)明的表現(xiàn)形式和本文的描述僅僅是為了詳細(xì)說明。很顯然，在不違背本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求的范圍的情況下，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人可對其作各種改變。
權(quán)利要求
1．一種復(fù)合材料的制備方法，包括將磨碎的石膏與增強(qiáng)材料的基質(zhì)顆粒和足夠量的液體混合制備稀漿料，該漿料含至少約70％重量的液體；在基質(zhì)顆粒的存在下，通過在壓力下加熱稀漿料煅燒石膏，形成針狀硫酸鈣α半水合物晶體；向漿料中混入穩(wěn)定的二異氰酸酯；和在半水合物再水化成石膏之前從煅燒石膏和基質(zhì)顆粒中分離出大部分的液體。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中將二苯甲烷二異氰酸酯穩(wěn)定為水乳液。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中采用含非離子乳化劑的水乳液穩(wěn)定二苯甲烷二異氰酸酯。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中非離子乳化劑是嵌段多元醇。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中嵌段多元醇具有的疏水/疏脂平衡值大于或等于20.0。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中嵌段多元醇是通過向低分子有機(jī)化合物中順序加入兩種或多種氧化烯制備的。
8．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中以足夠乳化二苯甲烷二異氰酸酯的量添加非離子乳化劑。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中嵌段多元醇存在的比例使得構(gòu)成的表面活性劑，按二苯甲烷二異氰酸酯的重量計為4.0％。
10．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中水乳液含有陽離子乳化劑。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中陽離子乳化劑是季鹽型表面活性劑。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中陽離子乳化劑是脂肪季銨衍生物。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中陽離子乳化劑存在的量是每14份非離子乳化劑對應(yīng)于1份陽離子乳化劑。
14．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中嵌段多元醇是甲氧基聚乙二醇。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中甲氧基聚乙二醇構(gòu)成聚乙二醇的含量按二苯甲烷二異氰酸酯的重量計為6.0％。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中甲氧基聚乙二醇的量足夠乳化二苯甲烷二異氰酸酯。
17．一種復(fù)合材料的制備方法，包括將磨碎的石膏和大量的基質(zhì)顆粒與水一起混合形成漿料，所述的基質(zhì)顆粒一般難溶于所述水中并且具有可被含有所述石膏的漿料溶劑滲透的空隙并且所述漿料足夠稀從而使所述的基質(zhì)顆粒被漿料中的溶劑潤濕，當(dāng)在壓力下加熱時利于針狀硫酸鈣α半水合物晶體生長；在壓力下加熱漿料至足以將石膏煅燒成CaSO4·1/2H2O的溫度；保持漿料的溫度和壓力，同時使硫酸鈣分子成核并在基質(zhì)顆粒的空隙內(nèi)和周圍就地形成晶體；釋放壓力，將粘合劑混入到漿料中；脫除漿料中的水制成脫水的固體；和干燥脫水的固體，從而基本上除去所有殘存的游離水并穩(wěn)定硫酸鈣。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中粘合劑是二異氰酸酯。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中二苯甲烷二異氰酸酯穩(wěn)定在通過添加至少一種表面活性劑而產(chǎn)生的乳液中。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中乳液在鈣、鋁、鉀、或硫酸根離子的存在下是穩(wěn)定的。
22．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中乳液在180-205°F的溫度下是穩(wěn)定的。
23．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中通過機(jī)械捕集使二苯甲烷二異氰酸酯保留在脫水固體中。
24．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中二苯甲烷二異氰酸酯是均勻地分散在脫水固體中的。
25．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中表面活性劑是離子表面活性劑，其含量足以乳化二苯甲烷二異氰酸酯。
26．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中構(gòu)成表面活性劑的量按二苯甲烷二異氰酸酯的重量計為4.0％。
27．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中表面活性劑是陽離子型表面活性劑。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中表面活性劑是脂肪季銨衍生物。
29．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中MDI是通過含有至少一種非離子型和陽離子型表面活性劑的混合物穩(wěn)定的。
30．根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中混合物含有嵌段多元醇和脂肪季銨衍生物。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中混合物是1份的脂肪季銨衍生物對14份嵌段多元醇。
32．一種復(fù)合材料，包含非石膏材料的基質(zhì)顆粒，并且在其表面上和主體部分內(nèi)具有空隙；至少一部分在基質(zhì)顆粒的空隙內(nèi)和周圍就地形成的針狀石膏晶體，形成的硫酸鈣結(jié)晶基質(zhì)與基質(zhì)顆粒物理地連結(jié)；和將基質(zhì)顆粒彼此連結(jié)在一起的聚合的二異氰酸酯粘合劑。
33．根據(jù)權(quán)利要求32的復(fù)合材料，其中二異氰酸酯粘合劑是均勻分布在復(fù)合材料中的。
34．根據(jù)權(quán)利要求33的復(fù)合材料，其中二異氰酸酯粘合劑是二苯甲烷二異氰酸酯。
35．根據(jù)權(quán)利要求34的復(fù)合材料，其中二苯甲烷二異氰酸酯使最終制品的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度至少增加了30％。
36．根據(jù)權(quán)利要求34的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是纖維素物質(zhì)。
37．根據(jù)權(quán)利要求36的復(fù)合材料制品，其中纖維素物質(zhì)是木纖維或紙纖維。
38．根據(jù)權(quán)利要求33的復(fù)合材料制品，其中制品具有的密度為38-45pcf。
39．一種復(fù)合材料板的制備方法，包括將磨碎的石膏和基質(zhì)顆粒與足夠的水一起混合形成漿料，所述的基質(zhì)顆粒具有可被含有所述石膏的漿料溶劑滲透的滲透空隙，并且所述漿料足夠稀從而可以基本上潤濕基質(zhì)顆粒中的可滲透空隙，并且在壓力下加熱時有利于針狀硫酸鈣α半水合物晶體的形成；在壓力容器中加熱漿料至足以將石膏煅燒成硫酸鈣α半水合物的溫度，攪拌漿料，并保持漿料的溫度直到至少部分的硫酸鈣半水合物基本上結(jié)晶滲透基質(zhì)顆粒的空隙；向漿料中添加二異氰酸酯；將加熱的漿料卸到平板多孔的成型表面上，除去漿料中的大部分水形成濾餅；壓制濾餅形成板，并在板的溫度降低到硫酸鈣半水合物將再水化成石膏的溫度之前除去額外的水；冷卻板至低于再水化溫度，使硫酸鈣半水合物再水化成石膏；并且干燥板，除去殘存的游離水。
40．根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
41．根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中二苯甲烷二異氰酸酯是作為一種乳液添加到漿料中的。
42．根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中采用至少一種非離子型表面活性劑制備二苯甲烷二異氰酸酯乳液，所述的表面活性劑在漿料中是穩(wěn)定的。
43．根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中表面活性劑保留在濾餅中。
44．根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中表面活性劑通過氫鍵保留在濾餅中。
45．根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中非離子型表面活性劑是嵌段多元醇。
46．根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中非離子表面活性劑是甲氧基聚乙二醇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備改進(jìn)石膏/木纖維板的方法。也公開了用該方法制備的制品。該方法包括:向硫酸鈣材料和纖維素纖維的水漿料中添加二異氰酸酯,特別是二苯甲烷二異氰酸酯(MDI),其中MDI是作為乳液添加的,它們在漿料中是穩(wěn)定的。該方法進(jìn)一步包括:使含MDI的漿料通過平板多孔成型表面,形成濾餅;通過多孔表面除去濾餅中的大部分水;將濾餅壓制成板并除去額外的水;和干燥板除去殘存的游離水。
文檔編號C04B14/38GK1309101SQ0013743
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者M·安格勒特 申請人:美國石膏公司