Фибролит с повышенной водостойкостью
Поддающаяся перекачиванию насосом текучая суспензия для производства фибролита с повышенной водостойкостью включает: кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция, закрепленный в порах частиц основы; кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция; кремнийорганическое соединение, которое содержится в количестве приблизительно от 0,08 до 1,0% в расчете на общую массу кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция и кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция, закрепленного в порах частиц основы; оксид магния, который содержится в количестве приблизительно от 0,08 до 1,5% в расчете на общую массу кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция и кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция, закрепленного в порах частиц основы; и воду. Охарактеризованы способ изготовления фибролита и изделие, изготовленное из указанной суспензии. Технический результат: повышение водостойкости фибролита без ухудшения других физико-механических свойств. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изделия из гипса, в частности гипсовые панели или стеновые плиты, обычно используют в промышленной и строительной продукции по причине их доступности и низкой стоимости. С помощью процессов дегидратации и повторной гидратации гипса, также известного под названиями дигидрат сульфата кальция или природный гипс, изделиям из него можно придать множество полезных форм. По меньшей мере отчасти благодаря наличию двух молекул воды, ассоциированных с каждой молекулой сульфата кальция, изделия из гипса являются огнезащитными материалами. Без армирующих материалов формованный сухой гипс относительно хрупок и не может выдерживать большие нагрузки или удары значительной силы.
Известно, что добавление материалов основы, таких как древесные или бумажные волокна, повышает прочность стеновых плит на растяжение и изгиб. Однако уменьшение содержания дигидрата сульфата кальция и добавление горючего материала понижает огнезащитные свойства конечного продукта и увеличивает его стоимость.
Попытки изготовления армированных частицами гипсовых изделий без бумажного покрытия, таких как фибролит, не привели к ожидаемому увеличению прочности. Не углубляясь в теорию, можно предположить, что недостаточное сцепление между частицами гипса и армирующими частицами позволяет им отделяться друг от друга на границе раздела и приводит к невозможности получения прочной панели из композиционного материала.
В патенте США №5320677 показано, что прочный композиционный материал может быть изготовлен смешиванием дигидрата сульфата кальция и частиц древесины перед прокаливанием гипса. После образования разбавленной суспензии гипса и частиц ее нагревают по меньшей мере до 140°С при повышенном давлении для превращения дигидрата сульфата кальция в альфа-форму полугидрата сульфата кальция, также известного под названиями строительный алебастр или парижская штукатурка. Альфа-форма, используемая в этом процессе, характеризуется образованием вытянутых игольчатых кристаллов. В процессе образования кристаллов некоторые из них возникают в порах, впадинах и других дефектах на поверхности частицы. При охлаждении суспензии строительный алебастр повторно гидратируется, образуя взаимосвязанную матрицу из кристаллов гипса и армирующих частиц.
Значительное число работ было посвящено повышению водостойкости гипсовых изделий. В патенте США 2198776 для снижения водопоглощения предложено использовать углеводороды, в том числе парафин и асфальт. В качестве покрытия на поверхности конечного продукта из гипса использовали неорганические вещества, включая металлсодержащие мыла и кремнийорганические смолы. Но, например, при использовании парафина водостойкость изделий плохо воспроизводится. Вследствие того что в настоящее время в производственном оборудовании применяют разные системы нанесения парафина, для надежного поддержания величин погружения на приемлемом уровне парафин используют в избыточном количестве (при более высокой полной стоимости).
Из предшествующего уровня техники известно, что в суспензию полезно добавлять силоксаны в виде эмульсии. В патенте США №5817262 эмульсию силоксана добавляли в изделия из фибролита. Стабильную эмульсию добавляли в водную суспензию гипса после кальцинирования, затем проводили повторное гидратирование. Путем обезвоживания суспензии получали отфильтрованный осадок путем отжима отфильтрованного осадка на пористой поверхности. Затем осадок оставляли затвердевать, после чего его высушивали в стандартной сушильной печи. Однако данная плита не обладала ожидаемой прочностью.
Задача настоящего изобретения состоит в создании фибролитовой панели, обладающей повышенной водостойкостью в сочетании с высокой прочностью.
Эти и другие задачи решены настоящим изобретением, включающим добавление водостойкой добавки в фибролит в присутствии катализатора, что приводит к образованию плиты, обладающей как повышенной прочностью, так и лучшей водостойкостью.
В частности, изделия, включающие фибролит, изготовляют из поддающейся перекачиванию насосом текучей суспензии, включающей кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция, закрепленный в порах частиц основы кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция, кремнийорганическое соединение, оксид магния и воду. Оксид магния катализирует превращение кремнийорганического соединения в кремнийорганический полимер.
В предпочтительном способе изготовления водостойкого фибролита дигидрат сульфата кальция смешивают с частицами основы и водой для образования суспензии, которую нагревают под давлением с целью прокаливания дигидрата сульфата кальция, в результате чего образуется кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция. После снятия давления к суспензии добавляют кремнийорганическое соединение и оксид магния. Суспензию обезвоживают с образованием осадка на фильтре, которому затем придают требуемую форму и оставляют его затвердевать.
Также было обнаружено, что не обязательно применять устойчивую эмульсию для эффективного использования силоксанов в гипсовых суспензиях. Силоксан можно перевести в диспергированную форму, которая остается стабильной в течение времени, достаточного для образования, затвердевания и высыхания конечного продукта. По сравнению с плитами, изготовленными с использованием эмульсий силоксана, плита, изготовленная из суспензии, включающей диспергированный в воде силоксан, обладает повышенной прочностью.
Фибролит, предложенный в настоящем изобретении, обладает повышенной водостойкостью. Использование оксида магния в качестве катализатора приводит к более быстрой и полной полимеризации силоксана, что придает изделию дополнительную гидрофобность. Полученные результаты достигаются без ухудшения физических свойств фибролита.
Согласно настоящему изобретению, армированные частицами гипсовые изделия изготовляют формованием текучей гипсовой суспензии, поддающейся перекачиванию насосом. Основным компонентом суспензии является гипссодержащий материал. Исходный гипссодержащий материал включает дигидрат сульфата кальция в любой форме, в том числе природный гипс, высокосортный гипс (terra alba) и любой синтетический аналог или их смесь. Предпочтительным видом гипса является цемент Кина - синтетический гипс, получаемый как побочный продукт в результате очистки дымового газа Аллеганской электростанции (Вилоу-Айленд, штат Западная Вирджиния).
Другие пригодные для использования гипссодержащие продукты, включая строительный гипс и высокосортный гипс, имеются в продаже у United States Gypsum Company, Gypsum, штат Огайо. В суспензии можно использовать влажный гипс без предварительного высушивания в отличие от обычной стены сухой кладки с бумажным покрытием. Предпочтительно использовать тонко перемолотый гипс относительно высокой чистоты. Предпочтительно такое распределение частиц гипса по размерам, при котором по меньшей мере 92% частиц проходят через сито в 100 меш (число ячеек на один линейный дюйм). Гипс можно вводить в виде сухого порошка или водной суспензии.
Другим компонентом гипсовой суспензии являются частицы основы. Термин "частица основы" относится к любой макроскопической частице, такой как волокно, стружка или хлопья, из любого материала, которая способна армировать гипс. Главным образом нерастворимая в жидкой фазе суспензии частица основы должна также обладать доступными пустотами, например ямками, трещинами, щелями, разломами, бороздками или другими дефектами поверхности, в которые может проникать суспензия и в которых могут образовываться кристаллы сульфата кальция. Также желательно, чтобы указанные пустоты присутствовали на значительной доле поверхности частицы. Физическая связь между частицей основы и гипсом будет крепче там, где пустоты часто и равномерно распределены по поверхности частицы. Предпочтительно, чтобы частица основы обладала большей прочностью на разрыв и изгиб, чем гипс. Примером частицы основы, пригодной для использования в суспензии и способе по настоящему изобретению, является лигноцеллюлозное волокно, особенно древесное или бумажное волокно. Массовая доля частиц основы составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 30% в расчете на массу гипссодержащего компонента. Предпочтительное содержание частиц основы в конечном изделии составляет от приблизительно 3 до приблизительно 20 масс.%, более предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 15 масс.%. Хотя последующее обсуждение относится к древесному волокну, это не следует воспринимать как ограничение; древесное волокно рассматривается как характерный представитель более широкого класса соединений, пригодных к использованию в настоящем изобретении.
Древесное волокно предпочтительно использовать в виде переработанной из макулатуры бумаги, древесной массы, картона, древесной стружки, другого источника лигноцеллюлозного волокна или их смесей. Переработанная картонная тара является особенно предпочтительным источником частиц основы. Может потребоваться предварительная обработка для разбиения комков, отделения частиц слишком больших и малых размеров, а также, в некоторых случаях, очистки от загрязнений, таких как гемицеллюлоза, флавоноиды и др., которые могут оказывать неблагоприятное влияние на кальцинирование гипса.
Другим компонентом настоящего изобретения является кремнийорганическое соединение, способное образовывать кремнийорганическую полимерную структуру в гипсовой матрице. В качестве кремнийорганического соединения предпочтительно использовать модифицированный водородом низкомолекулярный силоксан, адаптированный для полимеризации в кремнийорганический полимер. Предпочтительно добавлять кремнийорганическое соединение в виде водной эмульсии, дисперсии или коллоидного раствора. Для использования в настоящем изобретении пригодна любая смесь кремнийорганического соединения и воды, в которой кремнийорганическое соединение в основном остается в диспергированном состоянии до тех пор, пока не образуется кремнийорганический полимер.
Хотя в существующем уроне техники используют эмульсию силоксана, в настоящем изобретении силоксан предпочтительно применять без образования устойчивой эмульсии. Воду и кремнийорганическое соединение предпочтительно смешивать в высокоинтенсивном перемешивающем устройстве, которое создает тонкую дисперсию кремнийорганического масла в воде. Дисперсию предпочтительно вводить в суспензию гипса между стадиями автоклавной обработки в кальцинаторах и перемешивания в стационарном смесителе перед процессом формования. Для повышения водостойкости конечного продукта выбранное кремнийорганическое соединение должно обладать способностью к отверждению или полимеризации в кремнийорганический полимер в присутствии оксида магния на стадии высушивания. Предпочтительным кремнийорганическим соединением является продукт под названием SILRES BS 94, производимый компанией Wacker Chemical Corporation (Адриан, штат Мичиган).
Предпочтительное содержание кремнийорганического компонента составляет от приблизительно 0,08 до приблизительно 1% в расчете на массу гипссодержащего материала. Более предпочтительное содержание кремнийорганического компонента составляет от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,8% или от приблизительно 0,4 до приблизительно 0,5% в расчете на массу гипссодержащего материала. Предпочтительно, чтобы выбранное кремнийорганическое соединение являлось химически устойчивым по отношению к гипсу и древесным волокнам, из которых получают гипсовое изделие. Предпочтительно, чтобы кремнийорганический компонент не взаимодействовал с любыми добавками, используемыми для модификации физических свойств или времени затвердевания гипса, и был способен отверждаться при температуре, которая достигается внутри изделия при окончательном высушивании продукта.
Наличие кремнийорганического полимера, распределенного по всему объему гипсовой матрицы, придает водостойкость гипсовому изделию. Этого достигают добавлением раствора силоксана и катализатора, который распределяется по всему объему суспензии. Для катализа полимеризации кремнийорганического соединения требуется оксид магния, также известный под названием "жженая магнезия". Образование кремнийорганического полимера непосредственно in situ обеспечивает распределение полимера и итоговой водостойкости по всему объему конечного продукта. Предпочтительное содержание оксида магния составляет от приблизительно 0,08 до приблизительно 1,5% в расчете на массу гипсового компонента. Предпочтительное содержание оксида магния составляет от приблизительно 0,3 до приблизительно 1,0%, более предпочтительное от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,0% в расчете на массу гипсового компонента.
На рынке представлены по меньшей мере три сорта оксида магния, в зависимости от температуры обжига. "Пережженный" оксид магния, обожженный при температурах от 1500 до 2000°С, теряет почти всю реакционную способность. Примерами "пережженного" оксида магния являются продукты MagChem P98-PV (Martin Marietta Magnesia Specialties, Бетесда, штат Мэриленд) и BayMag 96 (ВауМаg, Inc., Калгари, провинция Альберта, Канада). Примером "сильно обожженного" оксида магния является продукт MagChem 10 (Martin Marietta Magnesia Specialties, Бетесда, штат Мэриленд). "Сильно обожженный" оксид магния получают при температурах от 1000 до 1500°С. Он обладает ограниченной реакционной способностью и высокой плотностью; его обычно применяют в тех областях, где требуется постепенное разложение или низкая химическая активность, например, в качестве удобрения или корма для животных. Третьим сортом оксида магния является "слабо обожженная" или "едкая" магнезия, полученная обжигом при температурах от 700 до 1000°С. Этот вид оксида магния широко применяют в различных областях, включая процессы обработки пластмасс, резины, бумажной и древесной массы, как добавку при варке стали, как склеивающее вещество, а также для нейтрализации кислот. Примеры слабо обожженной магнезии включают продукты ВауМаg 30, ВауМаg 40 и ВауМаg 30 (-325 Mesh) (BayMag, Inc., Калгари, провинция Альберта, Канада). Предпочтительно использовать пережженный оксид магния. Высокая химическая активность слабо обожженного оксида магния приводит к нежелательным реакциям, в результате которых образуется водород, что может вызвать разбухание и растрескивание изделия при его затвердевании.
Суспензию катализатора получают смешиванием оксида магния с водой. Для образования разбавленной суспензии, поддающейся перекачиванию насосом, используют достаточное количество воды. Можно использовать воду из множества различных источников, включая пресную воду, воду, переработанную после данного технологического процесса, или воду, переработанную после других процессов, например процессов производства гипсовых плит. Оксид магния отмеряют в смесительный бак, используя метод массового или объемного дозатора, известный специалистам в данной области. В бак непрерывно подают воду и используют высокоинтенсивный смеситель для диспергирования порошка в жидкой фазе. Затем полученную суспензию катализатора впрыскивают в суспензию гипса с помощью поршневого насоса, предпочтительно винтового насоса.
После перемешивания суспензии из частиц основы и гипса ее нагревают под давлением для прокаливания гипса, в результате чего он превращается в альфа-полугидрат сульфата кальция. Не углубляясь в теорию, можно предположить, что разбавленная суспензия смачивает частицы основы и растворенный сульфат кальция проникает в их поры и трещины. В итоге in situ в порах частиц основы зарождаются и растут кристаллы полугидрата кальция. Образующиеся кристаллы имеют преимущественно игольчатую форму, которая соответствует форме маленьких трещин в частицах основы, что способствует плотному закреплению кристаллов в них. В результате альфа-полугидрат сульфата кальция оказывается физически закрепленным в порах частиц основы. В суспензию можно добавить модификаторы кристаллов, такие как квасцы (General Alum & Chemical Corporation, Холланд, штат Огайо). Способ изготовления фибролита с квасцами описан в патенте США №2005/0161853, опубликованном 28 июля 2005 г., который включен сюда путем ссылки.
Повышенные температуру и давление поддерживают в течение времени, достаточного для превращения большей части дигидрата сульфата кальция в полугидрат сульфата кальция. В указанных выше условиях для растворения дигидратной формы и рекристаллизации альфа-формы полугидрата достаточно приблизительно 15 мин. Предположительно, при повышенном давлении в автоклаве кристаллы растворенного альфа-полугидрата сульфата кальция образуются внутри трещин и пустот частиц основы и проникают в них, при этом частицы основы выступают в роли центров образования зародышей, из которых вырастают длинные игольчатые кристаллы, закрепляющиеся в них. После проведения прокаливания давление в автоклаве снижают до атмосферного и вводят в суспензию возможные добавки. После образования обогащенного волокнами полугидрата при желании суспензию можно быстро высушить для дальнейшего использования в виде альфа-полугидрата.
Обычно начало повторной гидратации регулируют с помощью температуры суспензии. При температурах ниже 71°С (160°F) образуется взаимосвязанная матрица из кристаллов дигидрата, некоторые из которых закреплены в порах частиц основы. Это приводит к образованию очень прочной матрицы из кристаллов дигидрата, в которую также включены частицы основы. После образования матрицы из кристаллов дигидрата также образуется матрица кремнийорганического полимера из молекул силоксана. Так как обе матрицы образуются из повторяющихся элементов, рассеянных по всему объему суспензии, получается связная система из матрицы кристаллов дигидрата и матрицы кремнийорганического полимера, причем кремнийорганическая матрица образуется вокруг гипсовой матрицы. Оксид магния, окруженный матрицей кремнийорганического полимера, распределен по всему объему конечного изделия.
При желании в суспензию вводят возможные добавки для изменения свойств конечного продукта. Для увеличения скорости реакции гидратации добавляют ускорители (в количестве до 170 г/м2 (35 фунтов на 1000 кв. футов)). Предпочтительным ускорителем затвердевания является продукт под названием HRA (United States Gypsum Company, Gypsum, штат Огайо), представляющий собой смесь свежеизмельченных дигидрата сульфата кальция и сахара в примерной пропорции от 5 до 25 массовых частей сахара на 100 массовых частей дигидрата сульфата кальция. Это дополнительно описано в патенте США №2078199, который включен сюда путем ссылки. Квасцы также являются возможной добавкой, ускоряющей затвердевание фибролита. Квасцы обладают дополнительным преимуществом, т.к. они способствуют флоккуляции мелких частиц при обезвоживании суспензии. В суспензию можно добавлять дополнительные водостойкие вещества, такие как воск. Добавки, которые также включают консерванты, пламегасители и компоненты, повышающие прочность, вводят в суспензию после ее выпуска из автоклава.
Желательно непрерывно перемешивать суспензию плавными движениями, для того чтобы все частицы находились во взвешенном состоянии. После того как образуется полугидрат и из раствора выпадают его игольчатые кристаллы, давление над суспензией продукта реакции понижают и выпускают ее из автоклава. На этой стадии обычно добавляют эмульсию силоксана и другие требуемые добавки.
В предпочтительном воплощении настоящего изобретения фибролит изготавливают из суспензии гипса. Гипссодержащий компонент представляет собой гипс, а частицы основы представляют собой бумажное волокно. Бумажную массу смешивают с водой для образования суспензии, содержащей 4% бумаги, а гипс диспергируют в воде для образования суспензии, содержащей около 40% твердых частиц гипса. В результате смешивания двух указанных жидких потоков получают разбавленную гипсовую суспензию, содержащую от 70 до 95 масс.% воды. Гипсовую суспензию подвергают обработке в автоклаве при температуре, достаточной для превращения гипса в альфа-полугидрат сульфата кальция. В сосуд вдувают водяной пар, чтобы обеспечить температуру в сосуде от 143°С (290°F) до 157°С (315°F) и автогенное давление. Нижняя граница температуры примерно соответствует известной из опыта минимальной температуре, при которой дигидрат сульфата кальция переходит в форму полугидрата за приемлемый интервал времени. Верхняя граница температуры примерно соответствует максимальной температуре, при которой прокаливание происходит без чрезмерного риска разложения волокна. Предпочтительная температура в автоклаве приблизительно составляет от 143°С (290°F) до 152°С (305°F).
После прокаливания в поток гипсовой суспензии вводят добавки. Некоторые добавки могут быть смешаны друг с другом перед введением в гипсовую суспензию. Кремнийорганическую эмульсию и суспензию катализатора предпочтительно вводить в гипсовую суспензию по отдельности перед дозированием суспензии в напорном баке. Диспергирование добавок предпочтительно проводить с использованием большого статического смесителя, аналогичного описанному в патенте США №2002/0117559, который включен сюда путем ссылки. Прохождение суспензии и добавок через внутренние поверхности статического смесителя, имеющие неправильную форму, приводит к возникновению турбулентности, достаточной для распределения добавок по всему объему суспензии.
Еще горячую суспензию перекачивают в напорный бак длинносеточного типа, в котором суспензия распределяется по ширине формующей зоны. Из напорного бака суспензию наносят на непрерывное дренажное полотно, на котором из суспензии удаляется основная часть воды и образуется осадок. Не менее 90% несвязанной воды может быть удалено из осадка на войлочном конвейере. Для дополнительного удаления воды предпочтительно провести обезвоживание в вакууме. Предпочтительно удалить как можно больше воды до охлаждения полугидрата и его превращения в дигидрат. Образование осадка на фильтре и его обезвоживание описаны в патенте США №5320677, который включен сюда путем ссылки.
Суспензию, содержащую множество таких частиц основы, прессуют и формуют в изделия любой требуемой формы. Можно использовать любой способ формования, включая прессование, отливку, штамповку и т.д. После удаления воды осадок на фильтре охлаждают до температуры, при которой может начаться повторная гидратация. Однако может потребоваться проведение дополнительного внешнего охлаждения для понижения температуры до достаточно низкого значения, чтобы провести повторную гидратацию за приемлемый интервал времени.
Предпочтительно проводить прессование влажного осадка в плиты или панели требуемого размера, плотности и толщины, пока осадок еще обладает способностью изменять форму. Если нужно провести специальное текстурирование поверхности или чистовую обработку ламинированной поверхности плиты, предпочтительно обрабатывать поверхность на этой стадии или после нее. Способ производства текстурированных панелей и характеристики панелей, изготовленных таким способом, подробно описаны в патенте США №6197235, который включен сюда путем ссылки. В ходе прессования влажного осадка, которое для сохранения целостности изделия предпочтительно проводить постепенно повышая давление и удаляя воду, происходят два процесса. Во-первых, удаляется добавочная вода, что дополнительно охлаждает осадок до температуры, при которой происходит повторная гидратация. Во-вторых, кристаллы полугидрата сульфата кальция превращаются в кристаллы дигидрата in situ внутри и вокруг древесных волокон.
После того как повторная гидратация достигает степени, которая достаточна для того, чтобы отфильтрованный осадок сохранял свою форму, его обрезают, отправляют в сушильную печь для высушивания и разрезают на плиты. На стадии высушивания важно нагреть изделие до такой температуры, которая достаточно высока для испарения избыточной влаги, но достаточно низка для того, чтобы не происходило обжига. Желательно сушить изделие в условиях, при которых температура внутри него достигает по меньшей мере 74°С (165°F); более предпочтительно, чтобы температура внутри изделия находилась в интервале от 74°С (165°F) до 93°С (190°F).
После почти полного затвердевания композиционный материал приобретает повышенную прочность, особенно прочность на изгиб, благодаря включению частиц основы в гипсовую матрицу. Кремнийорганический полимер действует в качестве покрытия и связующего вещества для защиты частиц основы, во много раз снижая воздействие влаги на частицы основы и вызванное этим воздействием расширение частиц основы.
В приведенных ниже примерах проводили эксперименты по поглощению воды согласно стандарту D1037 Американского общества по испытанию материалов (ASTM), который включен сюда путем ссылки. В начале испытания образцы материала продукта с размером стороны 5 дюймов (12,5 см) взвешивали в сухом состоянии. Затем образцы погружали в воду на 2 часа, после чего их повторно взвешивали для определения массы во влажном состоянии. Затем рассчитывали количество поглощенной воды в процентах от массы в сухом состоянии как разность между массами во влажном и сухом состояниях, деленную на массу в сухом состоянии и умноженную на 100. Если не указано иное, все значения даны в расчете на массу в сухом состоянии.
ПРИМЕР 1
Водостойкость образцов фибролита испытывали, измеряя количество воды, поглощенной образцами, которые были погружены в воду на определенный интервал времени. В общем случае образец считали водостойким, если его масса после выдерживания в воде увеличивалась не более чем на 10% по сравнению с массой сухого образца, тогда как для некоторых воплощений заданное значение поглощения воды составляло менее 5%.
Основной состав фибролита показан в таблице 1. Силоксан BS 94 и пережженный оксид магния добавляли в количествах, приведенных в Таблице 2.
Данные получены на опытной установке, которая со скоростью 2 фута в минуту (61 см/мин) непрерывно производит фибролит, содержащий 15 масс.% частиц основы, из которых 10% представляют собой бумажное волокно. В качестве гипса использовали синтетический гипс из Gypsum, штат Огайо. Контрольные образцы не содержали водостойких добавок. Силоксан SILRES BS 94 и пережженный оксид магния добавляли в количествах, указанных в таблице 2. В качестве модификатора роста кристаллов добавляли жидкие квасцы (содержащие 48% твердого вещества) в количестве 1 литр на 100 галлонов (378,5 л) суспензии.
| ТАБЛИЦА 1 | |
| Компонент | Вес, фунт (кг) |
| Бумажное волокно | 14,4 (6,5) |
| Масса суспензии | 906,8 (412,2) |
| Твердые частицы в суспензии | 136,0 (61,8) |
| Гипс | 122,4 (55,6) |
| Влажный цемент Кина | 101,0 (45,9) |
| Высокосортный гипс | 30,6 (13,9) |
| Катализатор затвердевания HRA | 1,2 (0,5) |
Силоксан SILRES BS 94 отмеряли и смешивали с водой в смесителе с большим сдвиговым усилием фирмы Ross. Механизмы опытной установки были настроены на формование плиты шириной 4 дюйма (10,1 см) со скоростью 2 фута в минуту (61 см/мин). Реакторы прокаливания в опытной установке предварительно нагревали в течение 30 мин и затем осушали. За 30 мин до введения суспензии в реакторы подавали пар при температуре 146°С (295°F). Прокаленную суспензию смешивали с суспензиями добавок HRA и квасцов, которые вводили непосредственно перед стационарным смесителем до напорного бака. Полученную суспензию обезвоживали, прессовали и оставляли затвердевать перед высушиванием для удаления избытка воды. Затем высушенные панели разрезали на куски нужных размеров и из полученных плит вырезали образцы для погружных испытаний. Для испытаний на поглощение воды образцы смачивали водой в течение 2 часов, как определено в стандарте С 1037 Американского общества по испытанию материалов (ASTM), который включен сюда путем ссылки. Поглощение воды рассчитывали по увеличению массы за время смачивания.
| ТАБЛИЦА 2 | |||||
| Образец | Силоксан BS 94 | MgO | Абсорбция за 1 день | Абсорбция за 7 дней | Плотность, фунт/фут3 (г/см3) |
| Контрольный 1 | 0 | 0 | 51,51% | 54,55% | 57,08 (0,915) |
| 2 | 0,5% | 0,5% | 9,51% | 6,75% | 56,35 (0,903) |
| 3 | 0,3% | 0,5% | 8,95% | 6,31% | 55,73 (0,901) |
| 4 | 0,3% | 0,4% | 9,22% | 6,14% | 56,22 (0,901) |
| 5 | 0,5% | 0,4% | 9,17% | 6,51% | 56,42 (0,905) |
| 6 | 0,3% | 0,4% | 10,38% | 7,64% | 56,41 (0,904) |
| 7 | 0,3% | 0,5% | 10,53% | 7,17% | 56,48 (0,906) |
| 8 | 0,5% | 0,5% | 9,06% | 6,62% | 56,60 (0,907) |
| 9 | 0,5% | 0,4% | 9,28% | 6,54% | 54,50 (0,874) |
| Контрольный 2 | 0 | 0 | 51,67% | 52,24% | 61,11 (0,980) |
Данные испытания показывают воспроизводимость величин поглощения воды менее 10% в фибролитовых системах.
ПРИМЕР 2
Плиты фибролита толщиной 1,3 см (0,5 дюйма) изготавливали на опытной установке промышленного масштаба со скоростью 12,3 м/мин (40 футов в минуту); для катализа полимеризации силоксана применяли оксид магния. Плотность конечного продукта составляла 1,13-1,16 г/см3 (67-69 фунт/фут3). Содержание каждого из компонентов в продукте приведено в таблице 3. Были опробованы два разных источника магния с несколько различающимися составами, как указано в содержании компонентов.
Суспензию, приготовленную из гипса и переработанного из макулатуры бумажного волокна, прокачивали через автоклав непрерывного прокаливания при температуре 146°С (295°F); номинальное время пребывания суспензии в автоклаве составляло 22 мин. После возвращения к атмосферному давлению и исходной температуре в поток прокаленной суспензии вкачивали остальные добавки, включая MgO и силоксан.
Полученную гипсовую суспензию закачивали в напорный бак длинносеточного типа и обезвоживали с помощью пористой формующей ткани. Для облегчения удаления воды использовали 7 вакуумных камер с остаточным давлением от 13,6-33,9 кПа (от 4 до 10 дюймов (от 102 до 254 мм) ртутного столба). Вода стекала через зазоры между волокнами войлока. После первичного удаления воды на сеточном столе для дальнейшего уплотнения осадка применяли дополнительный вакуум в сочетании со сжатием. После того как произошла частичная повторная гидратация или частичное затвердевание, панель повергали дополнительному прессованию для получения заданной толщины, а также других требуемых физических и механических свойств.
Затвердевшие панели для высушивания оставляли на ночь в сушилке периодического действия при постоянной температуре 43°С (110°F).
| ТАБЛИЦА 3 | |
| Компонент | Содержание, масс.% |
| Переработанное бумажное волокно | 5,9 |
| Гипс | 80,1 |
| Измельченный гипс | 1,5 |
| Силоксан | 0,5 |
| MgO | 1,0 (при использовании Р98) |
| 1,0 (при использовании 325 2) |
Испытания поглощения воды образцами плиты проводили согласно стандарту С 1037 Американского общества по испытанию материалов (ASTM), описанному выше. Результаты приведены ниже в таблице 4. Показано, что фибролит со значением поглощения воды менее 5%, определенным по согласованной методике, можно производить в промышленном масштабе.
| ТАБЛИЦА 4 | ||||
| Образец | Источник MgO | Масса в сухом состоянии, фунт (кг) | Масса во влажном состоянии, фунт (кг) | Поглощение, % |
| A East | P98 | 115,2 (52,4) | 117,0 (53,2) | 1,53 |
| A Cent | P98 | 113,7 (51,7) | 115,3 (52,4) | 1,45 |
| West | P98 | 104,5 (47,5) | 106,6 (48,5) | 2,01 |
| BE | P98 | 104,1 (47,3) | 106,1 (48,2) | 1,86 |
| ВС | P98 | 113,5 (51,6) | 115,5 (52,4) | 1,77 |
| BW | P98 | 104,0 (47,3) | 105,9 (48,1) | 1,85 |
| СЕ | P98 | 107,5 (48,9) | 114,5 (52,0) | 6,57 |
| СС | P98 | 105,4 (47,9) | 116,4 (52,9) | 10,39 |
| CW | P98 | 106,2 (48,3) | 108,2 (49,2) | 1,88 |
| DE | P98 | 104,3 (47,4) | 106,3 (48,3) | 1,87 |
| DC | P98 | 110,3 (50,2) | 112,2 (51,0) | 1,77 |
| DW | P98 | 103,1 (46,9) | 105,1 (47.8) | 1,87 |
| ЕЕ | P98 | 105,1 (47,8) | 114,9 (52,2) | 9,43 |
| EC | P98 | 110,5 (50,2) | 112,4 (51,1) | 1,67 |
| EW | P98 | 106,9 (48,6) | 112,9 (51,3) | 5,58 |
| FE | P98 | 102,7 (46,7) | 104,7 (47,9) | 1,98 |
| FC | P98 | 113,2 (51,5) | 115,1 (52,3) | 1,70 |
| FW | P98 | 103,9 (47,2) | 105,9 (48,1) | 1,98 |
| AE | 325 2 | 105,3 (47,9) | 107,3 (48,8) | 1,89 |
| AC | 325 2 | 111,4 (50,6) | 113,3 (51,6) | 1,68 |
| AW | 325 2 | 103,4 (47,0) | 105,8 (48,1) | 1,86 |
| BE | 325 2 | 104,1 (47,3) | 105,9 (48,1) | 1,73 |
| ВС | 325 2 | 105,7 (48,0) | 107,4 (48,8) | 1,59 |
| BW | 325 2 | 108,9 (49,5) | 110,8 (50,4) | 1,77 |
| CE | 325 2 | 103,7 (47,1) | 105,6 (48,0) | 1,84 |
| CC | 325 2 | 109,7 (49,9) | 111,6 (50,7) | 1,73 |
| CW | 325 2 | 105,9 (48,1) | 107,6 (48,9) | 1,61 |
Приведенные данные показывают возможность получения в промышленном масштабе фибролита с поглощением воды менее 5%.
ПРИМЕР 3
Фибролит, в котором полимеризация силоксана катализирована оксидом магния Р98 (состав см. в Примере 2), сравнивали с водостойкой плитой, содержащей 2,5% воска. Все изделия были изготовлены и испытаны теми же способами, что и в Примере 2. Заданное значение поглощения воды составляло менее 5%. Образцы 1, 2 и 3, изготовленные с использованием силоксана SILRES BS 94, сравнивали со стандартным фибролитом, изготовленным с использованием воска.
| ТАБЛИЦА 5 | |
| Образец | Поглощение воды, % |
| Воск | 3,74 |
| 1 | 3,21 |
| 2 | 3,09 |
| 3 | 3,20 |
Данное испытание показывает, что можно достичь меньшей абсорбции воды по сравнению с более традиционным содержащим воск фибролитом.
Несмотря на то что здесь показано и описано частное воплощение фибролита, обладающего повышенной водостойкостью, специалистам в данной области понятно, что в настоящее изобретение могут быть внесены изменения и модификации без отклонения от его расширенных аспектов, изложенных далее в формуле изобретения.
1. Поддающаяся перекачиванию насосом текучая суспензия для производства фибролита с повышенной водостойкостью, включающая:
кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция, закрепленный в порах частиц основы;
кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция;
кремнийорганическое соединение, которое содержится в количестве приблизительно от 0,08 до 1,0% в расчете на общую массу кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция и кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция, закрепленного в порах частиц основы;
оксид магния, который содержится в количестве приблизительно от 0,08 до 1,5% в расчете на общую массу кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция и кальцинированного альфа-полугидрата сульфата кальция, закрепленного в порах частиц основы; и
воду.
2. Суспензия по п.1, в которой указанное кремнийорганическое соединение включает модифицированный водородом низкомолекулярный силоксан.
3. Суспензия по п.1, в которой указанные частицы основы включают либо древесные волокна, либо бумажные волокна.
4. Суспензия по п.1, в которой указанный оксид магния представляет собой пережженный или сильно обожженный оксид магния.
5. Суспензия по п.1, в которой указанное кремнийорганическое соединение содержится в количестве приблизительно от 0,4 до 0,5%.
6. Суспензия по п.2, в которой указанный модифицированный водородом силоксан представляет собой модифицированный водородом метилсилоксан.
7. Суспензия по п.4, в которой указанный оксид магния представляет собой пережженный оксид магния.
8. Суспензия по п.1, в которой указанный оксид магния содержится в количестве приблизительно от 0,3 до 0,4%.
9. Способ изготовления фибролита с повышенной водостойкостью, включающий:
смешивание дигидрата сульфата кальция и частиц основы с водой для образования суспензии;
нагревание суспензии под давлением для превращения дигидрата сульфата кальция в кальцинированный альфа-полугидрат сульфата кальция;
снятие давления;
добавление кремнийорганического соединения и оксида магния с образованием текучей суспензии по любому из пп.1-8;
обезвоживание суспензии с образованием осадка на фильтре;
формование осадка для придания ему требуемой формы и
самопроизвольное затвердевание осадка.
10. Способ по п.9, в котором указанная стадия формования включает отлив суспензии для образования осадка.
11. Способ по п.10, в котором указанная стадия обезвоживания включает вакуумирование осадка.
12. Способ по п.11, дополнительно включающий сушку осадка в сушильной печи.
13. Изделие из фибролита с повышенной водостойкостью, выполненное из суспензии по любому из пп.1-8, включающее:
частицы основы, распределенные по всему объему указанного изделия, имеющие множество кристаллов дигидрата сульфата кальция, образовавшихся по меньшей мере в одной из групп, включающих поры, пустоты, трещины, щели, разломы, ямки, полости и другие дефекты поверхности указанных частиц основы;
взаимосвязанную матрицу из кристаллов дигидрата сульфата кальция, распределенных по всему объему указанного изделия, включая один или большее количество кристаллов из указанного множества кристаллов дигидрата сульфата кальция, образовавшихся в указанных частицах основы;
матрицу из кремнийорганического полимера, распределенную по всему объему указанного изделия вокруг указанной матрицы сульфата кальция; и оксид магния, распределенный по всему объему указанного изделия и окруженный указанной матрицей из кремнийорганического полимера.
14. Изделие по п.13, в котором указанный оксид магния представляет собой пережженный оксид магния.
15. Изделие по п.13, в котором указанное кремнийорганическое соединение представляет собой модифицированный водородом силоксан.
16. Изделие по п.15, в котором указанные частицы основы представляют собой древесные или бумажные волокна.
