生產石膏/木纖維板的二苯甲烷二異氰酸酯的用途的製作方法

2023-05-18 23:00:41 1

專利名稱：生產石膏/木纖維板的二苯甲烷二異氰酸酯的用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及改進複合材料；更具體地說，涉及物理性能得到改進的複合石膏/纖維素纖維材料，這種材料尤其可用於製備建築製品。本發明特別涉及浸漬二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)的石膏/木纖維建築板，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於製備工業製品和建築製品；尤其是石膏牆板。石膏非常豐富並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、模製或用其他方法製成有用的形狀。它們也具有不燃性，當將它們置於潮溼環境中時尺寸相對穩定。但是，因為它們是易碎的結晶材料，抗拉強度和抗彎曲強度較低，所以其應用通常僅限於非結構、非承重和非吸收衝擊的領域。
石膏牆板；即也稱作石膏板或幹飾面內牆(drywall)，由多層紙覆蓋板之間夾層的再水化石膏芯構成，並大量用作內牆和天花板。因為石膏芯的易碎性和釘、螺絲夾持特性差，常規的幹飾面內牆本身不能承載懸掛重物的荷重或吸收較大的衝擊。因此，長期以來人們力求改進石膏牆板和建築製品的抗拉、抗彎曲強度、釘和螺絲夾持強度以及抗衝擊特性，並且目前也仍然是人們所迫切尋求的。
另一種易於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，它們也廣泛地應用於建築製品行業。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)是建築工業中使用的一些木素纖維材料加工製品。這類材料的抗拉強度和抗彎強度要比石膏牆板優越。但是，它們的成本一般較高，防火性差，低密製品的強度不算太高。因此，也需要改善由纖維素材料製成的建築製品的限制用途的特性。
USP5817262和5320677詳細描述了結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，並且它們被轉讓給了美國石膏公司。本發明的一個目的是改進USP5817262和5320677的技術，並且提供一種石膏/木纖維板(GWF)製品，這種製品具有改進的強度、抗衝擊性、抗螺絲、釘撥出和尺寸穩定性。
製備複合GWF材料的一般方法以及根據USP5817262和5320677專利的教導是首先將約0.5-30％重量，優選3-20％重量的木纖維與相應磨碎的補充材料--未煅燒的石膏混合。將幹混合物與足夠量的液體，優選水混合，製成含水量約為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，使石膏足以轉變成針狀的CaSO4·1/2H2O晶體。需要連續地攪拌漿料，通過適度地攪拌或混合以打開任何纖維團，並使所有的顆粒懸浮在懸浮液中。在半水合物已經形成和已經從溶液中沉澱出半水合物晶體後，當漿料從高壓釜中排出時，釋放施加在產品漿料上的壓力。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，漿料藉助於真空泵的作用脫水，通過氈制輸送器抽出水，在輸送器的表面上形成濾餅。靠真空泵可除去濾餅中多達90％的未結合水。加熱漿料的溫度保持在高於約160°F的溫度，直到已經基本上脫水，並將其溼壓成板。由於除去了水，濾餅被冷卻到再水化可以開始的溫度。但是，仍然需要進行外部冷卻，以使溫度低到在可接受的時間內足以實現再水化的溫度。
在徹底進行再水化之前，優選將濾餅溼壓成所需厚度和/或密度的板。如果要使板具備特殊的表面結構或層壓表面光度，那麼最好在該處理步驟期間或處理步驟之後進行。在為確保製品的完整性，優選逐漸增加壓力的溼壓期間，有兩種情況發生(1)除去了另外的水，例如約50-60％的剩餘水；和(2)由於除去了另外的水，濾餅被進一步冷卻到迅速發生再水化的溫度。CaSO4·1/2H2O水化成石膏，在木纖維內和木纖維周圍針狀CaSO4·1/2H2O晶體就地轉變成石膏晶體。再水化完成後，如果需要的話，可切割和修整板材，然後置於窯中乾燥。理想地，應保持較低的乾燥溫度，以避免在任何石膏的表面上發生再煅燒。
過去，GWF製品取決於作為唯一內部粘合劑的石膏。當使用石膏作為唯一芯粘合劑時，對於高密GWF製品例如55-pcf(磅/英尺3)外模板(exterior sheathing)和65-pcf襯底製品表現出極好的工作性，但是，對於低密板來說強度就不夠高。特別是僅含石膏的GWF製品對於諸如家具部件和其他木基應用的關鍵性低密製品而言，其抗彎強度和剛度不夠高。於是，人們已經開始尋找改進GWF製品物理特性的方法。
從二十世紀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應用於GWF製品而言，這裡描述的MDI乳液體系具有許多的優點，它們比用石膏作粘合劑優越。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鍵以及通過異氰酸酯基團與水反應本身發生交聯。如果需要的話，通過適當地使用催化劑，能夠擇優地催化這些反應中的任何一個反應。MDI也是一種抗潮溼和抗溼度的物質，如果在GWF板中適當地使用MDI，就能使該板具有改進的物理特性，例如改進的抗彎強度和抗拉強度、抗釘和螺絲拔出和抗衝擊性。
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條件下必須是穩定的，和(2)粘合劑必須保持在基礎底板中(basemat)。這些要求阻礙了先前將MDI摻入到GWF製品中的嘗試。
早期不成功的嘗試已經迫使人們使用純MDI作為GWF製品的芯添加劑，其用量低，約佔漿料總固含量的2％重量。在早期嘗試中，純MDI立即與料箱中的水發生反應，聚合成褐色的聚合材料，導致保持在GWF基礎底板中的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製品的強度。試驗還表明使用MDI和水的預混合物導致同樣的失望結果，因為其穩定性極其有限。
在GWF加工中成功地運用MDI取決於MDI在料箱中是否穩定，以便在制板過程中，它們在一段時間後發生聚合，並且還取決於保持在濾餅或基礎底板中的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定的，並且在漿料的離子環境中也是穩定的。漿料中的石膏和各種添加劑產生大量的多價陽離子。由於石膏的溶解性，存在的Ca2+離子濃度約為1800ppm。根據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9000ppm。Al3+一般是由促凝劑明礬Al2(SO3)4產生的。K+離子的典型濃度為4500ppm，並且是由促凝劑硫酸鉀K2SO4產生的。因此，理想的是用乳化劑或表面活性劑穩定MDI。因為MDI不是水溶性的，所以還要使用穩定化的表面活性劑。
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。經混合賦予該系統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，表面活性劑可表現出與基質顆粒氫鍵鍵合，於是，當水被排掉時，它們保留在基礎底板中，而不是隨水一起被虹吸掉。除了氫鍵鍵合外，用石膏和基質顆粒機械捕集MDI也促進了MDI在基礎底板中的高滯留。
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點和缺點，它們可以穩定什麼材料，它們在高溫下是如何起反應的，以及它們在電解質例如Ca2+、Al3+或K+離子的存在下是如何起反應的，而這些離子是在GWF配料時存在的。正如本領域熟練技術人員將認識到的，下面是三類表面活性劑適用性的極一般的規則。
一般來說，非離子表面活性劑比較不適合於高溫環境，例如料箱中的溫度。在這種環境中，表面活性劑的氧乙烯鏈(EO)本身易於捲曲。在這些條件下，它們不能起乳液穩定劑的作用。為了增加熱穩定性，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的影響，例如在GWF配料中可能存在的電解質。
陰離子表面活性劑一般不受高溫的影響，達到了適合於料箱中溫度的程度。但是，某些陰離子表面活性劑受到多價陽離子的不利影響，多價陽離子易於與陰離子部位鍵合。
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的影響，因此，它們適合於處理GWF。但是，許多陽離子表面活性劑會含有少量的未反應的伯胺和仲胺，它們會催化MDI與水發生反應。這種副反應並不是令人所期望的，因為它們將導致局部形成脲聚合物團塊，從而有害於最終製品的強度。未反應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，而是簡單地存在於兩相的界面處。其在界面的存在是一種動力學過程，表面活性劑分子連續不斷地離開界面抵達本體溶液，以及從本體溶液抵達該界面。
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的改變而發生改變。因此，高HLB乳化劑使形成的外部穩定的乳液具有更高的熱穩定性，於是，HLB值是表面活性劑的大體適用性的最好的第一手指標。另外，已經表明可將陽離子乳化劑與高HLB非離子表面活性劑結合使用，以獲得合適的熱和電解質穩定性，而不存在單獨使用陽離子乳化劑時的不良作用。
內部表面活性劑含有官能團，從而實際上與分散相發生化學反應。在內部穩定化的乳液中，氧乙烯鏈化學連接到MDI骨架上。通過改變氧乙烯鏈的分子量(即改變鏈上的EO基團的數量)，可以調整分子的Aeffective@HLB。
如果使用內部乳化劑，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整HLB。因為相變型溫度(PIT)直接隨表面活性劑的HLB而發生改變，所以採用較多EO基團實現的高HLB可使得形成的內部穩定的乳液具有更高的熱穩定性。
因為各種類型的表面活性劑具有不同的特性，所以必須發現一種單一的表面活性劑或表面活性劑的組合來穩定乳液，以使其具有所需的熱和電解質穩定性。
本發明的一個主要目的是提供一種物理特性得到改進的石膏和纖維建築板，它們是通過使石膏和其他具有較高強度的物質，例如木纖維組合製備的，並且在整個所述的板中分散有MDI粘合劑以獲得更堅固的建築製品。
本發明促進了二異氰酯化學物質MDI的應用，在任何易於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。結果，在生產環境中使用MDI時，它們對環境相當友好並且較安全。這種異氰酸酯的所述特定用途也優於其他的二異氰酸酯化學物質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。加入硬質粘合劑是有利的，因為它們會使製品具有很好的抗彎強度，生產出硬質和剛性製品。
本發明的相關目的是提供一種這種石膏複合建築板的生產方法，其中向CaSO4·1/2H2O和其他的諸如木纖維的高強物質的加熱漿料中添加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，製成有形的濾餅，將該濾餅進一步加工成石膏板製品。
本發明一個更具體的目的是提供一種無紙牆板，這種牆板具有均勻優越的強度，包括抗釘和螺絲拔出，穿過該板時發生膨脹並且尺寸更穩定，防火以及能夠以實際成本生產。
按照本發明，最理想地是通過向CaSO4·1/2H2O材料的熱稀漿料中添加MDI乳液實現本發明的主要目的，所述材料已經將它們在下列條件下煅燒產生貫穿於其增強材料基質顆粒空隙中和周圍的針狀α半水合物晶體，並且使漿料通過多孔平板成型表面製成濾餅，脫水並使損失的MDI最小。在半水合物完全再水化成石膏前將濾餅壓製成板，之後將板進行乾燥，在乳液消失時，使MDI與殘餘水和纖維素纖維發生反應，並本身發生聚合。
本文使用的術語「石膏」是指穩定的二水合物狀態的硫酸鈣，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的礦物、合成產生的等同物、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。
術語「基質顆粒」是指除石膏之外的物質的任何宏觀顆粒，例如纖維、碎片或薄片。該顆粒一般難溶於漿液中，在其內部還應該有可達到的孔隙；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，並在其中形成CaSO4·2H2O晶體。如果在顆粒的適當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合以及增強MDI、石膏和基質顆粒間幾何上的穩定鍵合。基質顆粒應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度。特別適合於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「基質顆粒」的材料和/或顆粒進行限制，為方便起見，在下文中經常用木纖維來代替更廣義的術語。
本文使用的術語「MDI乳液」是指MDI的水乳液，它們在GWF漿料中是穩定的，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煅燒的石膏和基質顆粒(例如木纖維或紙纖維)與水混合形成含水稀漿料。石膏源可以採用原礦，也可以採用燃料氣體脫硫化或磷酸法的副產品。石膏的純度應該較高，即優選地至少為約92-96％，並且被磨細。可以使用大顆粒，但是會延長轉變時間。石膏可以以乾粉的形式加入，也可以經由含水漿料加入。
基質顆粒優選為纖維素纖維，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％重量雲衫纖維的混合物。優選地，植物纖維是多孔、空心、開裂的或具有粗糙的表面，以便其物理幾何結構提供可達到的裂縫或孔隙，這些裂縫或孔隙用於容納溶解硫酸鈣的滲透。
根據纖維例如木紙漿的來源，還可在處理前散開纖維團，將其分成尺寸過大材料和尺寸過小材料，在某些情況下，預提取出阻強材料和/或汙染物，例如會對石膏的煅燒產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製成固含量約為5-30％重量的漿料，而固含量約為10-20％重量的漿料是優選的。漿料中的固體應該包括約0.5-30％重量的木纖維，優選約10％重量木纖維，其餘的主要是石膏。
轉變成半水合物將漿料加料到壓力容器，例如高壓釜中，所述容器配有連續攪拌裝置或混合裝置。如有需要，在此時可向漿料中添加結晶改性劑，例如有機酸，以促進或延遲結晶或降低煅燒溫度。向容器中注入蒸汽，使容器的內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，操作生產線上在合理的時間內水合硫酸鈣可被煅燒成半水合物狀態。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轉變成無水硫酸鈣的危險。高壓釜的溫度優選約為285°F(140℃)-305°F(152℃)。
當在這些條件下處理漿料足夠的時間，優選15分鐘後，排出足夠多的水以使CaSO4·2H2O晶體轉變成針狀半水合物晶體。藉助於連續的攪拌使顆粒懸浮在懸浮液中，溶液潤溼和滲透基質纖維的開口孔隙。當溶液達到飽和時，半水合物成核並在空隙內、空隙上和空隙周圍以及沿著基質纖維壁開始形成晶體。
確信在高壓釜中進行處理時，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澱在木纖維的空隙內、空隙上和空隙的周圍以及木纖維的表面上。當轉變完成後，降低高壓釜的壓力，添加所需的常規添加劑和MDI乳液，常規添加劑包括促凝劑、緩凝劑、保存劑、阻燃劑和強度增強劑，它們一般是在料箱中或剛好在進入料箱前加入的，然後從料箱中卸出漿料，輸送到脫水輸送器上。
MDI在從高壓釜中卸出漿料後，最好在馬上進入料箱前添加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鍵。也就是說，必須配製這樣的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定的。不僅當被添加到漿料中時MDI乳液必須具有穩定性，而且在脫水和制板步驟的整個過程中都要保持穩定。最重要的是，在脫水過程中，在濾餅中應有足夠比例的MDI存在。在有足夠的滯留量的情形下，當添加到漿料中的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。為實現更大的改善，優選使用約2-14％重量的MDI。優選的MDI是Mondur1441，由Bayer公司生產。
乳化劑下列實施例描述了各種MDI乳液的製備方法，它們可在本發明公開的方法中使用，使GWF板具有改進的物理特性，但是應該清楚這些是實施例，採用合適的變化方法可以製備物理特性得到改進的許多其他石膏木纖維製品。
優選的非離子型乳化劑是一種HLB值超過20的嵌段多元醇，具有合適的熱穩定性。特別地，Macol27(一種HLB值為22的嵌段多元醇，由PPG工業公司生產)是一種優選的非離子外部乳化劑。
優選的外部乳液優選的外部穩定的MDI乳液是一種Macol27穩定的Mondur1441乳液製備物(20.0％活性)。該乳液含有水 7960.8克Mondur1441 MDI 1990.2克Macol27(100％活性) 79.6克該製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製成穩定的乳液，Macol27是一種白色粉末。攪拌混合物大約10分鐘，使Macol27溶解。隨著劇烈機械攪拌，將MDI緩慢地添加到混合物中，形成穩定的乳液。
作為可供選擇的另一種製備物，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對應於14份Macol27。
優選的內部乳液優選的內部穩定的MDI乳液是在60℃(140°F)下與MDI Mondur1441混合的Union Carbide Carbowax5000製備物。Carbowax5000產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克該製備物含有按MDI重量計6.0％重量的聚乙二醇(PEG)。該穩定乳液通過向合適的混合容器中添加Mondur1441和Carbowax5000薄片製備。藉助於機械裝置例如攪拌棒連續地攪拌Carbowax5000和MDI，並加熱到140°F180分鐘，使Carbowax5000完全地溶解。冷卻溶液至室溫，以減弱MDI與水之間發生的反應。在快速的機械攪拌下，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，製成穩定的水乳液。
向漿料中添加乳液一旦製成穩定的MDI乳液，就在漿料剛要進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。在管道內可以設置本領域技術人員熟知的機械攪拌裝置，從而有助於將乳液混入漿料中。
脫水使熱的含MDI的漿料通過料箱，藉助於該料箱將漿料分布在平板多孔的成型表面上，製成濾餅。當漿料從高壓釜中卸出時通過蒸發並藉助於水靠漿料的自重通過多孔成型表面使濾餅脫水，優選地藉助於真空進行脫水。儘管因脫水導致濾餅冷卻，但是在制品漿料的溫度仍然較高時並且在半水合物轉變成石膏之前應儘可能多地除去水。在脫水裝置中除去多達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，並且仍可將它們破碎成單個的複合纖維或顆粒、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採用US5320677所描述的類型的造紙設備進行，該專利併入本發明作為本發明公開的一部分。
壓制和再水化溼壓脫水濾餅幾分鐘，進一步降低水含量，並將濾餅壓製成所需形狀、厚度和/或密度。儘管脫水步驟中排出的大量水會明顯降低濾餅的溫度，但是在適當的時間內為達到所要求的含量可以進行另外的外部冷卻。理想地，將濾餅的溫度降低到約120°F(49℃)以下，以便可以進行較快的再水化。在物理連結木纖維的地方，將α半水合物晶體再水化和再結晶成針狀石膏晶體。
根據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複合材料中。再水化的結果是使半水合物晶體就地(即在木纖維的空隙內和周圍)再結晶成二水合物晶體，由此確保了複合材料的均勻性。晶體生長也連接了在相鄰的纖維上的硫酸鈣晶體，形成完整的結晶塊，通過增強木纖維提高了其強度。
當水化完成時，理想的是迅速地乾燥複合材料塊，以除去殘存的游離水。否則吸溼性木纖維易於保留、甚至是吸附未結合的水，而該未結合水是後期將要蒸發掉的。如果硫酸鈣塗層在額外的水被排出之前就完全凝固，那麼纖維會收縮，當未結合水被蒸發掉時，它們與石膏脫開。因此，為了獲得理想的結果，最好在溫度降低到水化開始的溫度以下之前儘可能地除去複合材料塊中儘可能多的過量游離水。
乾燥為了使最終製品中的游離水的含量降低到約0.5％或更少，隨後在較高的溫度下對壓制板進行迅速地乾燥，壓制板通常含約30％重量的游離水。乾燥溫度不應超過200°F(93℃)，若高於該溫度，石膏會被煅燒。可對凝固和乾燥的板進行切割，再加工成所需的規格。
當最終凝固後，獨有的複合材料表現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度，特別是抗彎強度，而石膏起塗層和粘合劑的作用，保護木纖維，使其防火併降低因溼度引起的膨脹。MDI改善了材料的抗拉強度和抗彎強度以及改善了抗衝擊強度和抗釘和螺絲拔出。
結果下表概括了採用上述實施例1和2描述的內部和外部乳液實現的GWF牆板的強度增加。「MD」是指在機器方向上沿其最長的方向切割和分析試樣。「ACMD」是指與機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，觀察到比強度增加51％(內部乳化劑)和31％(外部乳化劑)。在MDI的添加量為6％時，觀察到比強度增加57％(內部乳化劑)和10％(外部乳化劑)。MDI％密度(pcf) MOR(pci) 比強度(psi)對照值(0％MDI)MD 41.5 434 652CMD 36.6 415 7083.00％(內部) MD 43.4 718 1031CMD 38.7 667 10296.00％(內部) 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
本發明的表現形式和本文的描述僅僅是為了詳細說明。很顯然，在不違背本發明的精神和所附權利要求的範圍的情況下，本領域熟練技術人可對其作各種改變。
權利要求
1．一種複合材料的製備方法，包括將磨碎的石膏與增強材料的基質顆粒和足夠量的液體混合製備稀漿料，該漿料含至少約70％重量的液體；在基質顆粒的存在下，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顆粒中分離出大部分的液體。
2．根據權利要求1的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
3．根據權利要求2的方法，其中將二苯甲烷二異氰酸酯穩定為水乳液。
4．根據權利要求2的方法，其中採用含非離子乳化劑的水乳液穩定二苯甲烷二異氰酸酯。
5．根據權利要求4的方法，其中非離子乳化劑是嵌段多元醇。
6．根據權利要求5的方法，其中嵌段多元醇具有的疏水/疏脂平衡值大於或等於20.0。
7．根據權利要求5的方法，其中嵌段多元醇是通過向低分子有機化合物中順序加入兩種或多種氧化烯製備的。
8．根據權利要求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．根據權利要求7的方法，其中嵌段多元醇存在的比例使得構成的表面活性劑，按二苯甲烷二異氰酸酯的重量計為4.0％。
10．根據權利要求4的方法，其中水乳液含有陽離子乳化劑。
11．根據權利要求10的方法，其中陽離子乳化劑是季鹽型表面活性劑。
12．根據權利要求11的方法，其中陽離子乳化劑是脂肪季銨衍生物。
13．根據權利要求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於1份陽離子乳化劑。
14．根據權利要求5的方法，其中嵌段多元醇是甲氧基聚乙二醇。
15．根據權利要求14的方法，其中甲氧基聚乙二醇構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．根據權利要求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。
17．一種複合材料的製備方法，包括將磨碎的石膏和大量的基質顆粒與水一起混合形成漿料，所述的基質顆粒一般難溶於所述水中並且具有可被含有所述石膏的漿料溶劑滲透的空隙並且所述漿料足夠稀從而使所述的基質顆粒被漿料中的溶劑潤溼，當在壓力下加熱時利於針狀硫酸鈣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並在基質顆粒的空隙內和周圍就地形成晶體；釋放壓力，將粘合劑混入到漿料中；脫除漿料中的水製成脫水的固體；和乾燥脫水的固體，從而基本上除去所有殘存的游離水並穩定硫酸鈣。
18．根據權利要求17的方法，其中粘合劑是二異氰酸酯。
19．根據權利要求18的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
20．根據權利要求19的方法，其中二苯甲烷二異氰酸酯穩定在通過添加至少一種表面活性劑而產生的乳液中。
21．根據權利要求20的方法，其中乳液在鈣、鋁、鉀、或硫酸根離子的存在下是穩定的。
22．根據權利要求20的方法，其中乳液在180-205°F的溫度下是穩定的。
23．根據權利要求20的方法，其中通過機械捕集使二苯甲烷二異氰酸酯保留在脫水固體中。
24．根據權利要求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．根據權利要求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．根據權利要求20的方法，其中構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．根據權利要求20的方法，其中表面活性劑是陽離子型表面活性劑。
28．根據權利要求27的方法，其中表面活性劑是脂肪季銨衍生物。
29．根據權利要求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定的。
30．根據權利要求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．根據權利要求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。
32．一種複合材料，包含非石膏材料的基質顆粒，並且在其表面上和主體部分內具有空隙；至少一部分在基質顆粒的空隙內和周圍就地形成的針狀石膏晶體，形成的硫酸鈣結晶基質與基質顆粒物理地連結；和將基質顆粒彼此連結在一起的聚合的二異氰酸酯粘合劑。
33．根據權利要求32的複合材料，其中二異氰酸酯粘合劑是均勻分布在複合材料中的。
34．根據權利要求33的複合材料，其中二異氰酸酯粘合劑是二苯甲烷二異氰酸酯。
35．根據權利要求34的複合材料，其中二苯甲烷二異氰酸酯使最終製品的抗拉強度和抗彎強度至少增加了30％。
36．根據權利要求34的複合材料，其中基質顆粒是纖維素物質。
37．根據權利要求36的複合材料製品，其中纖維素物質是木纖維或紙纖維。
38．根據權利要求33的複合材料製品，其中製品具有的密度為38-45pcf。
39．一種複合材料板的製備方法，包括將磨碎的石膏和基質顆粒與足夠的水一起混合形成漿料，所述的基質顆粒具有可被含有所述石膏的漿料溶劑滲透的滲透空隙，並且所述漿料足夠稀從而可以基本上潤溼基質顆粒中的可滲透空隙，並且在壓力下加熱時有利於針狀硫酸鈣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，並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晶滲透基質顆粒的空隙；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，並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；冷卻板至低於再水化溫度，使硫酸鈣半水合物再水化成石膏；並且乾燥板，除去殘存的游離水。
40．根據權利要求39的方法，其中二異氰酸酯是二苯甲烷二異氰酸酯。
41．根據權利要求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．根據權利要求41的方法，其中採用至少一種非離子型表面活性劑製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定的。
43．根據權利要求42的方法，其中表面活性劑保留在濾餅中。
44．根據權利要求43的方法，其中表面活性劑通過氫鍵保留在濾餅中。
45．根據權利要求42的方法，其中非離子型表面活性劑是嵌段多元醇。
46．根據權利要求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
本發明公開了一種製備改進石膏/木纖維板的方法。也公開了用該方法製備的製品。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,它們在漿料中是穩定的。該方法進一步包括: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;將濾餅壓製成板並除去額外的水;和乾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 優先權日1999年12月30日
發明者M·安格勒特 申請人:美國石膏公司