Волокнистая пластифицированная гипсовая композиция
Изобретение относится к композиции, включающей специально ориентированное лигноцеллюлозное волокно, связанное с помощью полимера с неорганическим гидратом, таким как гипс. Технический результат заключается в повышении водостойкости композиции. Волокнистая отвержденная композиция включает лигноцеллюлозное волокно, содержащее менее 15 мас.% свободной влаги, связанное с помощью полимера с неорганическим гидратом, содержащим менее 5 мас.% свободной влаги, в отсутствии дополнительного количества воды. 3 н. и 16 з.п. ф-лы.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к композиции, включающей лигноцеллюлозное волокно, связанное с неорганическим гидратом, таким как гипс, с помощью полимера.
Понятие «лигноцеллюлозная биомасса» относится к биомассе растений, состоящей из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Углеводные полимеры (целлюлоза и гемицеллюлозы) в растении соединены с лигнином. Лигноцеллюлозная биомасса, как правило, может происходить из двух источников: быстро возобновляемых однолетних культур и более медленно растущих лесонасаждений.
В целях описания предшествующего уровня техники без излишнего его удлинения данное обсуждение будет сосредоточено на промышленной конопле, относящейся к одному из основных типов лигноцеллюлозной биомассы, известных в предшествующем уровне техники, из которой может быть получено лигноцеллюлозное волокно. К аргументам в пользу выбора конопли относятся ее чрезвычайно высокие прочностные характеристики относительно массы, легкость ее разведения и высокие достигаемые годовые сборы. Существует, однако, множество других типов лигноцеллюлозного волокна, известных в данной области техники, которые также достойны обсуждения, если позволяет место.
Промышленная конопля является однолетней волокнистой культурой, полученной из стеблей конопли посевной Cannabis sativa. До ее запрета в Северной Америке, который завершился в середине 50-х годов, промышленную коноплю широко использовали во всем мире для изготовления канатов и веревок, тканей и других материалов. Одежда, парусина, брезент, корабельные канаты и снасти, бумагоподобные материалы создавались в Соединенных Штатах и других государствах до запрета и в настоящее время начинают рассматриваться вновь, поскольку запрет на промышленную коноплю, по существу не содержащую никакого галлюциногенного химического компонента, подходит к концу.
Конопля является лигноцеллюлозным лубоволокнистым растением, аналогичным льну, кенафу, джуту и рами (китайской крапиве), которые включают два основных типа волокон: длинное лубяное волокно внешней оболочки и волокно сердцевины. Имеются четко выраженные различия между этими двумя соответствующими типами волокон, о чем хорошо известно в данной области техники. Например, длинные лубяные волокна конопли имеют среднюю длину приблизительно 2 дюйма (50 мм), тогда как волокна сердцевины значительно короче и имеют среднюю длину волокна менее 0,05 дюймов (1 мм). Волокна обоих типов могут быть откорректированы до требуемых размеров с помощью различных способов, известных в данной области техники.
Вследствие ежегодной высокой урожайности лубоволокнистых растительных культур, таких как конопля и кенаф, составляющих от 5 до 15 тонн на единицу площади (от 10 до 35 тонн на гектар в год), они привлекают к себе все возрастающее внимание в качестве конкурентоспособных источников возобновляемого технического волокна для целого ряда областей применения. Запасы предпочтительных древесных пород для различных областей применения истощаются, а стоимость соответственно возрастает. Стоимость сырья древесины достигает уровней, при которых целесообразным решением при производстве различных изделий становится альтернатива древесине.
Разрабатываются новые области применения конопли за пределами упомянутых выше многолетних традиционных областей применения конопли, где главным образом использовали длинные внешние лубяные волокна. Эти расширяющиеся сферы применения включают новые типы пластмасс, композиционные панели, источники топлива и специализированные строительные материалы. Традиционные схемы использования сводятся к длинным внешним лубяным волокнам, имеющим относительно высокую промышленную ценность, тогда как сердцевинная часть, составляющая от 60% до 75% от массы растения, а также промышленные отходы от производства длинноволокнистых материалов представляют собой небольшую либо вовсе не представляют никакой коммерческой ценности. Они также, в основном, относятся к производственным отходам, хотя их все в большей степени используют в качестве источников топлива. В известной мере пакля также все в большей степени используется для получения поглощающих материалов, таких как сорбенты, используемые в качестве подстилок для скота. Поскольку применение конопли возрастает и растительные культуры становятся все более возделываемыми, ожидается снижение относительной стоимости за счет возрастающей экономии от масштаба.
В данной области техники появляются новые типы изделий из волокнистых композиционных материалов, как, например, изделия, описанные Wasylciw в патенте US 6641909 и Liang et al. в патенте US 7413692, раскрытие которых в силу данных ссылок включается в настоящий документ, которые используют внутреннюю сердцевинную часть растения, так что имеет место более полное использование всего заготавливаемого стебля. Это недавние примеры, имеющиеся в данной области техники, исключительного использования волокон сердцевины, составляющих основную массу стебля конопли, прежде считавшихся отходами производства или материалом с ограниченной промышленной ценностью по сравнению с внешними лубяными волокнами. Такие разработки увеличивают общую промышленную рентабельность конопляной культуры. Данная область техники изобилует примерами других типов лигноцеллюлозных волокон, в особенности получаемых из древесины, используемых для производства древесноволокнистых плит, композиционных панелей и композиционных древесных материалов различных типов.
Возвращаясь к обсуждению конопли и других типов лубяных волокон, до сегодняшнего дня единственным известным промышленным применением воздушной пыли, высвобождающейся во время процесса обдирания и сортировки внешних лубяных волокон выращенного материала, или мельчайших частей растения, образующихся при обработке и получении материалов из длинных внешних лубяных волокон, было использование их в качестве источника топлива. Эти высвобождающиеся частицы являются в основном лубяными волокнами, хотя некоторое относительно небольшое количество волокон сердцевины нередко попадает в пылевой поток. В частности, в случае конопли такие частицы часто называют суперкороткими волокнами, и они имеют размер в диапазоне от 5 микрон до 5 миллиметров. Они отличаются от коротких волокон сердцевины, которые хотя и имеют такой же диапазон размеров, обладают другими свойствами. Например, эти суперкороткие волокна от обработки внешних лубяных волокон имеют более высокую способность свойлачиваться, чем волокна сердцевины. Короткие и суперкороткие лубяные волокна из конопли имеют более высокую склонность к естественному свойлачиванию, чем аналогичные волокна из других типов лубяных растений. Эта склонность к естественному свойлачиванию уменьшает либо устраняет необходимость в использовании смол или других типов связующих агентов для превращения таких суперкоротких лубяных волокон в полезные твердые продукты по сравнению с волокнами сердцевины, для которых известно несколько, если вообще известно, технологий превращения их в такие полезные твердые продукты без добавления одного или нескольких связующих агентов.
В данной области техники используются различные подходы к ориентированию лигноцеллюлозных волокон таким образом, чтобы их можно было использовать для технических целей. Имеется большое количество способов расположения волокон, начиная от всенаправленных диспергированных волокон через различные типы нетканых расположений и до полностью плетеных расположений. Степень, с которой волокна могут быть специально упорядочены или ориентированы, зависит от различных факторов, таких как тип и длина волокна, прочность, гибкость, гладкость, срок службы, твердость, тип механических, химических и других доступных процессов, а также внутренней способности волокон естественным образом либо принудительно влиять на конкретные расположения или ориентации.
Например, в приведенном выше обсуждении коротких волокон конопли, волокна, получаемые из внешней лубоволокнистой части растения, обладают большей способностью естественным образом свойлачиваться в маты различной толщины, чем внутренние волокна сердцевины. Причины этого не так важны, как возможность воспользоваться преимуществом этого полезного свойства для экономически рентабельного превращения волокон в материалы, которые могут стать полезными для конкретных областей применения.
Другие типы волокон, такие как различные типы древесных плит, щепа, стружки или нити волокон могут иметь небольшую либо не иметь вовсе склонности к естественному свойлачиванию, но их все же можно ориентировать таким образом, чтобы увеличить прочность конструкционного лесоматериала или других продуктов, состоящих из древесных волокон. Механические средства зачастую используют для специального ориентирования таких древесных плит, щепы, стружки или нитей, которые затем объединяют с различными естественными или синтетическими смолами либо с определенными полимерами и в конечном итоге с помощью горячих прессов и/или других типов оборудования соединяют в конечный продукт.
Гипс, представляющий собой дигидрат сульфата кальция, является широко доступным соединением. Это один из ряда неорганических материалов, имеющих одну или более гидратных форм, и это, пожалуй, самый дешевый минерал на земле, который может быть превращен в полезные продукты. Другие примеры неорганических гидратов, используемых производителями, включают: гидрат окиси алюминия, известь (гидратные формы), тетраборат натрия (гидратные формы) и некоторые типы бентонитов и глин, образующие гидраты. Гипс, главным образом, благодаря своей низкой стоимости, распространенности и широкой доступности из различных источников будет использован в качестве примера в следующем обсуждении во избежание и, опять-таки, чрезмерного удлинения данного описания предшествующего уровня техники аналогично тому, как это было сделано выше в случае рассмотрения конопли в качестве примера лигноцеллюлозного волокна.
Неорганический гидрат, используемый в даном изобретении, может быть получен из гипсовых шахт или, во все возрастающем количестве, в качестве побочного продукта химических процессов либо из системы очистки диоксида серы из дымовых газов электростанций, работающих на угле. Он также поступает из рециклизации гипсовых продуктов. Гипс является недорогим и химически инертным. Его наибольшее использование приходится на производство штукатурного раствора и стеновых плит, при этом на производство стеновых плит приходится более 75% от всего мирового потребления гипса. В портландцементе также используются значительные количества гипса. В сельском хозяйстве гипс служит в качестве улучшителя почвы. Кроме того, гипс используют в качестве наполнителя в пищевых и фармацевтических продуктах, таких как хлеба, хлопья, макаронные изделия, пирожные, кондитерские изделия и таблетки.
Стеновые плиты, также известные как гипсовые стеновые плиты, гипсокартон, гипсовый картон или гипрок, включают центральный слой из гипса, находящийся между слоями бумаги. Несмотря на свое широкое применение они имеют свои недостатки. Они обладают слабым сопротивлением растрескиванию или слабой водостойкостью. Кроме того, они имеют ограниченную огнестойкость благодаря склонности гипса крошиться по мере выгорания слоев бумаги. Хотя в данной области техники имеются способы, позволяющие устранить или сократить эти недостатки, известные способы являются относительно дорогостоящими. Стеновые плиты в основном используют при строительстве домов и рабочих помещений, вследствие этого необходимо, чтобы в результате любых усовершенствований стеновых плит получались материалы, которые бы были полезными и нетоксичными. В этом отношении гипс идеален, поскольку он является простым неорганическим соединением, которое нетоксично. Однако стандартные существующие способы обработки гипса, например, при поучении стеновых плит и тому подобного, приводят к получению соединений, которые являются жесткими, однако имеют недостатки, заключающиеся в том, что соединение также обычно бывает хрупким и имеет низкую водостойкость.
Подавляющее большинство изделий, производимых из гипса, получают взаимодействием воды с гипсом, являющимся ключевым аспектом процессов производства указанных изделий и материалов. Источником гипса может служить дигидрат сульфата кальция, некальцинированный либо кальцинированный до полугидрата. Или же источником гипса может быть безводный сульфат кальция. Гипс регидратируют во время образования продукта с получением взаимосвязанной матрицы из кристаллов дигидрата. Это свойство гипса делает его очень полезным материалом для использования при изготовлении стеновых плит, штукатурного гипса и других строительных материалов.
В данной области техники существует множество примеров, описывающих волокнистые гипсовые изделия, получаемые в присутствии воды. Хорошо известно, что обожженный гипс может быть смешан с волокнами или сообожжен с целлюлозным волокнистым материалом с получением композиционного материала из целлюлозных волокон, взаимосвязанных с кристаллами сульфата кальция.
Изучение выпускаемых промышленностью панелей, полученных из гипса и волокна в присутствии воды, показывает, что они состоят из уплотненной смеси дискретного гипса и волокнистых материалов, то есть они в большей степени являются физической смесью, чем гомогенным композиционным материалом. Хотя можно сказать, что гипс обеспечивает, или служит в качестве, связующее для волокон в таких панелях, по-видимому, не существует какого-либо заметного прямого физического взаимосцепления или химического связывания между кристаллами и волокнами. Кроме того, либо из-за способа, с помощью которого образованы эти панели, или же из-за механического перемешивания кристаллов гипса и волокон и/или комкования волокон и обожженного гипса, но эти панели часто не обладают хорошей гомогенностью и однородностью свойств, то есть таких как плотность и прочность, на всей их протяженности. Волокнистые частицы также зависят от наличия внутри них доступных пустот и/или имеют неровные или неправильные формы, чтобы обеспечить улучшенное физическое связывание в результате регидратации обожженного гипса и/или образование гипсовых осадков после конечной сушки и/или твердения.
В то время как в данной области техники существует множество сведений, касающихся волокнистых гипсовых изделий, получаемых в присутствии воды, лишь немногие из них относятся к композициям или изделиям, состоящим из целлюлозного волокна, связанного с гипсом при отсутствии воды. В патенте US 6429257, Buxton et al., раскрытие которого в силу данной ссылки включается в настоящий документ, некоторые из трудностей такого безводного способа описаны очень подробно. Подводя итоги, основными двумя проблемными зонами являются, во-первых, тот факт, что количество воды, реагирующей с одним из ингредиентов полимера Buxton, слишком сложно предугадать и контролировать в целях изобретения Buxton и, во-вторых, что текучие смеси, образующиеся с гипсом, обладают низкими характеристиками текучести в комбинации с некоторыми ингредиентами полимеров, такими как этиленгликоль и глицерин. Buxton преодолевает эти сложности, просто не используя гипс или какие-либо другие неорганические гидраты. Изобретение Buxton направлено на систему для литья полиуретанов и способ, прежде всего, используемый для покрытия деревянных вертикальных брусков каркаса дверного полотна.
В данной области техники известны стратегии, направленные на урегулирование указанных выше трудностей без необходимости в полном отказе от использования неорганических гидратов. Уровни воды могут быть измерены и отрегулированы с помощью тщательного технологического контроля (времени, температуры, расходов, скоростей отверждения, добавления поглотителей влаги, отвердителей и так далее). Аналогичным образом, реологические характеристики могут быть отрегулированы с помощью точного выбора ингредиентов и условий процесса, возможно, избегая использования таких ингредиентов, как этиленгликоль и глицерин, если они являются слишком проблематичными в плане реологических свойств. Медленное нагревание жидкости (в то же время стараясь избегать перегревов) и добавление ингредиентов для улучшения реологических характеристик входит в число способов, используемых для улучшения характеристик потока жидкости.
Полимеры хорошо известны в плане их химической инертности и большого разнообразия свойств. Эти свойства могут изменяться при изменении компонентов полимера или, в случае гомополимеров, при изменении количества полимеризации и, следовательно, молекулярной массы полимера.
В предшествующей области техники имеются примеры полимеров, используемых в комбинации с гипсом или другими неорганическими гидратами, где такие гидраты используют в качестве наполнителей. При использовании в качестве наполнителей такие гидраты, как правило, не соединяются химически с полимерами. Инженеры и другие специалисты в данной области техники могут подобрать неорганические наполнители для пластмасс, с гидратами или без них, с учетом различных факторов, таких как стоимость, доступность и различные физические и химические свойства.
Одним из важных параметров в случае некоторых областей применения является то, как конечный материал реагирует на огонь и тепло. Выбор гидрата помогает повысить огнестойкость, так как гидрат начинает разлагаться, высвобождая водяной пар, под действием огня или прямого нагрева. Это способствует тушению огня, а также снижает температуру материала, так как скрытая теплота фазового перехода поглощается гидратом по мере его испарения. К сожалению, это свойство становится существенным ограничением, препятствующим использованию неорганических гидратов в случаях, когда рабочие температуры постоянно находятся вблизи или превышают точки кипения воды. Это температурное ограничение также затрудняет либо делает невозможным использование гидратов в случаях, когда повышенные температуры задействованы в производственных процессах для получения промышленных пластмасс или композиционных продуктов. Высокотемпературное отверждение с использованием горячих прессов или других средств становится проблематичным и во многих случаях невозможным.
Как правило, неорганические гидраты обычно избегают использовать в пластмассах и композиционных продуктах, в особенности, если один или более аспектов производственного процесса использует повышенные температуры. Приведенное выше обсуждение продуктов, таких как гипсовые стеновые плиты, получаемые в присутствии воды, является важным исключением. В таких случаях требуется, чтобы любые задействованные полимеры были на водной основе или по меньшей мере совместимы с водными суспензиями.
Полиуретаны - это полимеры, содержащие уретановую группу. Уретановая связь образуется при реакции гидроксильных и изоцианатных групп. Высокая реакционная способность изоцианатов вместе с информацией о катализе реакций изоцианатов позволять осуществлять относительно простое получение широкого ассортимента полимеров, исходя из жидких исходных материалов с молекулярными массами от низких до средних.
Пластичные и жесткие пенополиуретаны являются наиболее широко доступными формами полиуретана, имеющимися в продаже. Эти композиции, как правило, включают изоцианаты и полиолы (и/или диолы, которые включены в определение полиолы в контексте данного описания) с приемлемыми катализаторами, поверхностно-активными веществами и вспенивающими веществами, образующими газ для пенообразования.
К существенным преимуществам полиуретанов относится то, что они являются прочными, обладают высокой несущей способностью, хорошей гибкостью при нагрузке температурой, устойчивостью по отношению к действию широкого ассортимента растворителей и кислорода, к истиранию и воздействию механических нагрузок.
Композиция, включающая гипс, пластифицированный полимером, и содержащая гипс в диапазоне приблизительно от 40% до 90 масс.%, описана Roosen, первым упоминавшимся в данном документе изобретателем, с сотрудниками, в патентном документе US 5344490, раскрытие которого в силу данной ссылки включается в настоящий документ. Хотя композиция Roosen обладает хорошей водостойкостью и является нехрупкой, полимер, использованный в ней, является по существу более дорогостоящим, чем гипсовый компонент; это приводит к тому, что полная стоимость деревянных панелей, получаемых из композиции, таких как стеновые плиты, будет относительно более высокой по сравнению с широко используемыми традиционными гипсовыми стеновыми плитами.
В патенте '490 Roosen сообщается об использовании целлюлозы в качестве наполнителя. Фактически, это идет дополнительно в описании перспективного типа панели, которая, однако, никогда не была заявлена или реализована на практике. Описание включало неопределенный волокнистый аспект и в некоторых случаях конкретно описывало использование целлюлозы в качестве наполнителя. Как правило, волокно добавляют в пластифицированную гипсовую композицию в качестве наполнителя, а не имеющуюся пластифицированную гипсовую композицию объединяют со специально ориентированным волокном. Отсутствовало обсуждение специальной ориентации волокон за исключением волнистой древесной щепы или прессовой древесной щепы в композиции патента Roosen. Типы плит, описанные как "древесностружечные плиты" в патенте Roosen основаны на горячих прессах, которые невозможно использовать в комбинации с гидратами, такими как гипс, по причинам, включающим причины, упоминавшиеся ранее в данном описании известного уровня техники.
Важным ограничением, связанным с полимерами полиуретанового типа, является тот факт, что изоцианаты, используемые в химии уретанов, как правило, хорошо реагируют с водой. Например, широко используемый дифенилметандиизоцианат, обычно именуемый MDI, является жидкой уретановой смолой, которая бурно реагирует с водой, выделяя газообразный диоксид углерода в ходе процесса, что может легко привести к неуправляемому пенообразованию. Кроме того, MDI в некоторой степени неспособен образовывать связи с мокрыми или влажными материалами, поскольку функциональные реакционные компоненты MDI при обычных условиях будут вступать в реакцию с молекулами воды, прежде чем смогут образовать связи с подслоенным материалом. Имеются полимеры, хорошо работающие в присутствии воды, однако в большинстве случаев типы полимеров, используемых для получения продуктов с более высококачественными техническими свойствами, такими как лучшая прочность, гибкость, жесткость, водостойкость и так далее, будучи менее восприимчивыми к отрицательным признакам, таким как сжатие в течение длительного времени, гниение, растрескивание при высыхании и так далее, имеют тенденцию к использованию при отсутствии воды. Это особенно важно в случаях, когда ожидается, что продукты в течение многих лет будут оставаться в эксплуатации с минимальными неблагоприятными характеристиками старения.
В патентном документе Englert US 7056460 (раскрытие которого не предназначено для включения в данный документ) описан способ получения гипсоволокнистой плиты с использованием MDI по мокрому способу, согласно которому MDI включен как часть эмульсии, диспергированной по всему волокну. Эмульсию MDI добавляют в конце процесса и предпринимают попытки сохранить значительную часть MDI во время процесса обезвоживания. Этот способ имеет ограниченную эффективность и продуцирует нежелательные обогащенные MDI сточные воды, обеспечивая при этом только фракцию MDI, образующего связь между волокном и гипсом и другими несущими нагрузку ингредиентами матрицы композиции. Кроме того, волокнистые частицы, аналогично частицам, упоминавшимся ранее в этом описании предшествующего уровня техники по отношению к промышленным панелям, получаемым из гипса и волокна в присутствии воды, также зависят от доступных пустот и/или неправильных форм, для обеспечения улучшенного связывания. Эти компромиссы для поддержания стандартной гидратации гипса важны и не могут быть легко проигнорированы. Различные эксперты, включая Englert, работали в направлении устранения или минимизации таких компромиссов с переменным успехом.
Стоимость изготовления стеновых плит и других строительных материалов чувствительна к стоимости исходных материалов. Соответственно, было бы желательно включать дешевую волокнистую систему, такую, чтобы можно было бы уменьшить относительное количество использованного полимера, но при этом сохраняя имеющиеся прочность, срок службы, огнестойкость и водостойкость относительно высокими по сравнению с традиционными строительными материалами. Кроме того, желательно исключить любые виды отходов так, чтобы 100% всех ингредиентов, входящих в композицию, становились частью конечной композиции.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на создание полезной композиции, обладающей рядом интересных свойств, состоящей из лигноцеллюлозного волокна, связанного с одним или более неорганических гидратов, таких как гипс, в отсутствии воды, при использовании полимера. Композицию можно использовать при изготовлении акустической. плитки, стеновых плит, кровельных материалов, фурнитуры, архитектурных формованных изделий, дверей, панелей настила пола, потолочных панелей, кинореквизита, автомобильных формованных в пластмассовом корпусе, строительных конструкционных материалов и других продуктов. Полезный эффект изобретения заключается в создании композиции, представляющей большой интерес с коммерческой точки зрения, но являющейся по существу нетоксичной и зависящей от выбора компонентов и того, как они получены и объединены, с широко варьирующимися характеристиками. При описании настоящего изобретения все термины, не определенные в данном контексте, имеют общепринятые в данной области техники значения.
Связывание лигноцеллюлозных волокон и неорганических гидратов, таких как гипс, обеспечивают прежде всего через посредство использования полимера, создающего химические связи между частями волокон и неорганическими гидратами, по существу создавая сложную молекулу или группу молекул из этих компонентов. Не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагают, что выбор полимерных компонентов в данном изобретении приводит к необычайно и неожиданно хорошим свойствам, таким как высокая водостойкость за счет образования ковалентной связи между неорганическим гидратом и волокнистыми компонентами композиции. И вновь не желая быть связанными какой-либо теорией, также предполагают, что композиции предшествующего уровня техники из гипса и волокна, полученные в присутствии воды, в значительной степени препятствуют достижению таких свойств вследствие вмешательства воды, которая в значительной степени осложняет образование ковалентной связи, возможной при отсутствии воды.
Регулирование размера и формы соответствующих волокон и гипсовых частиц с помощью различных способов, известных в данной области техники, оказывает значительное влияние на свойства отвержденной композиции. Аналогичным образом, изменение ориентации волокнистых компонентов или свойлачивание их с помощью естественных или принудительных процессов перед или во время объединения с гипсом может отрицательно сказываться на свойствах конечных продуктов.
Лигноцеллюлозные волокнистые материалы специально ориентируют с помощью механических или других средств, таких как естественное или принудительное свойлачивание. Другие способы ориентирования волокон включают плетение, предварительную растяжку длинных волокон (тканых или нетканых), механическую или термохимическую очистку и варку с получением бумажного или бумагоподобного волокнистого листа или кристаллических материалов, либо использование потоков газов для ориентации волокон в различных направлениях.
Источники лигноцеллюлозного волокна включают свежие материалы, собираемые ежегодно в случае однолетних культур или реже - в случае лесонасаждений. Другие источники включают отходы волокна после производства или получения других продуктов, таких как этанол и другие виды топлива, либо после рециклизации лигноцеллюлозных материалов. Могут быть использованы также и синтетические источники, хотя они до сих пор не рассматривались для целей данного изобретения.
Конечная отвержденная композиция является жестким или пластичным твердым веществом, полученным из смеси твердых и жидких компонентов, отвержденных до твердого состояния после того, как они были объединены. Также она может стать вспененным твердым веществом за счет использования воздуха или газа другого типа либо за счет введения вспенивающих веществ, известных в данной области техники. Изобретение включает предварительно отвержденный вариант композиции, в котором один или более компонентов удерживаются до тех пор, пока это требуется для обеспечения возможности конечного отверждения. Растворители, воски, красители и другие добавки могут быть введены в композицию, чтобы помогать при обработке и изменять свойства отвержденного продукта.
Качество обработки поверхности может меняться от гладкой поверхности до шероховатой текстуры в зависимости от того, что требуется для конкретной области применения. Аналогично, цвет может изменяться в широком диапазоне, а также параметры прочности, плотности, шероховатости, твердости и гибкости. Огнестойкость может быть достаточно высокой за счет введения добавок, а также благодаря естественной тенденции неорганического гидрата (гидратов) высвобождать водяной пар под воздействием высоких температур. Водостойкость, как упоминалось ранее, также оказалась неожиданно высокой в силу причин, которые не очень понятны.
Некоторые предпочтительные варианты осуществления композиции данного изобретения могут быть описаны как являющиеся 100% твердыми продуктами, термин, используемый в данной области техники для описания композиций, не содержащих летучих растворителей или других компонентов или ингредиентов, высвобождающихся во время или после процесса отверждения. Такие предпочтительные варианты осуществления также могут быть получены с помощью способов, не производящих ни сточных вод или других стоков, ни каких-либо нежелательных твердых, жидких или газообразных выделений, поскольку 100% всех ингредиентов, используемых для составления композиции, могут стать частью конечных продуктов, получаемых из композиции данного изобретения. Следует, однако, отметить, что не суть важно, что композиция данного изобретения не будет содержать растворителей или будет безотходной. Эти приведенные выше характеристики желательны с экологической точки зрения и являются предпочтительными, хотя и не требуются.
Дальнейшие особенности изобретения будут очевидны для специалиста в данной области техники из обзора данного краткого изложения и следующего подробного описания, взятого в совокупности с прилагаемой формулой изобретения. Несмотря на то, что изобретение допускает варианты осуществления в различных формах, описанные в дальнейшем варианты представляют собой конкретные варианты осуществления изобретения при условии, что настоящее раскрытие предназначено для иллюстративных целей и не предназначено для ограничения изобретения конкретными вариантами осуществления, описанными в нем.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним из полезных продуктов, который может быть получен из композиции данного изобретения, является материал для акустической панели, полученный из суперкоротких волокон конопли, описанных выше. На данный момент такие волокна имеют небольшую стоимость, либо вовсе не имеют коммерческой стоимости. Они могут быть объединены с гипсом, доступным из процессов рециклизации и из других источников, описанных выше, который, опять-таки, имеет небольшую стоимость, либо вовсе не имеет коммерческой стоимости. В некоторых случаях имеется отрицательная величина стоимости, относящаяся к этим материалам, зачастую предполагающим существенное вознаграждение за их утилизацию.
Этот материал для акустической панели используют в строительной промышленности в качестве заполняющего картона, субстратов, панелей потолочной плитки и звукоизоляционной плиты. Дополнительные области использования этого типа материала панелей, который может быть охарактеризован как древесноволокнистая плита низкой плотности, включает двери, автомобильные коврики и другие подобные применения. Перед объединением суперкоротких волокон конопли с гипсом их готовят таким образом, чтобы ориентировать для максимальной прочности без добавления дорогостоящих смол и других добавок. Предпочтительный подход состоит в том, чтобы естественным путем свалять эти волокна с помощью процесса Фурдриньера (длинносеточной бумагоделательной машины) или аналогичным способом.
Особенно предпочтительный способ заключается в смешении волокон с водой внутри резервуара, бака, ванны или другой подходящей емкости, перемешивании композиционного материала с помощью мешалки или перемешивающего устройства, подходящего для тщательного перемешивания объема композиционного материала до тех пор, пока пряди волокон не отделятся друг от друга и не диспергируются по всей жидкости, образуя пульповидную водную суспензию.
Степень присутствия волокон в суспензии называют 'плотностью пульпы'. 'Плотность пульпы' представляет собой отношение количества волокон к количеству воды в суспензии и является важным параметром при получении твердой древесноволокнистой плиты и гладкой поверхности. Чрезмерная плотность пульпы приводит к образованию комков, что создает выпуклую поверхность и ограничивает свойлачивание источника волокон, тем самым снижая прочностные характеристики, соответственно. Идеальная плотность должна быть по возможности низкой для достижения высокого качества, но и по возможности высокой для получения рабочей скорости и сниженного потребления воды.
Как правило, температура воды будет в диапазоне от 0,5 до 50°C, предпочтительно, от 25 до 40°C с волокнами, присутствующими в суспензии, в количестве от 0,5% до 12%, предпочтительно, от 1% до 7%, наиболее предпочтительно, от 2% до 4% (по объему). Пульповидную водную суспензию перемешивают в течение периода времени, достаточного для обеспечения разделения всех существующих связей, в зависимости от количества волокон в суспензии и конечных характеристик. Как правило, это время составляет от 2 до 30 минут, предпочтительно, от 5 до 15 минут, наиболее предпочтительно, от 8 до 12 минут, в зависимости от типа и скорости перемешивающего устройства, а также от волокон, используемых внутри суспензии.
Затем волокно удаляют из суспензии, обычно с помощью улавливания сетчатыми фильтрами или дренирования и скобления, либо другими способами, из емкости. Это позволяет избыточной жидкости стекать с волокна внутри пульповидной водной суспензии, приводя к образованию насыщенной однородной пульповидной массы.
Пульповидную массу далее подают в формующий механизм (форму, напускной ящик или другое), преобразующий массу в заданный размер и форму. Преобразованная пульповидная масса затем доводится до полужесткого состояния с помощью тепла, отсасывания, воздушного потока и прессования до тех пор, пока масса не достигнет требуемой конфигурации и характеристик древесноволокнистой плиты низкой плотности. Это является результатом интенсивного отделения волокон в емкости, последующего интенсивного свойлачивания или вторичного восстановления отдельных нитей волокон, где, как предполагается, они усиливаются собственными целлюлозными стяжками внутри лигноцеллюлозного волокнистого сырьевого материала, приводя в результате к образованию древесноволокнистой плиты низкой плотности. Время и температура значительно изменяются в зависимости от толщины получаемых панелей до степени, при которой волокна должны стать достаточно сухими для взаимодействия и связывания с неорганическим гидратом и полимерными компонентами без излишней влажности, оказывающей отрицательные воздействия во время цикла отверждения. При проведении технологических операций также следует принимать во внимание и другие факторы, такие как сведение к минимуму искривления и/или деформирования во время сушки.
Материал также может включать другой целлюлозный материал, краситель, перлит и наполнители. Целевой материал, как правило, имеет плотность от 3 до 20 фунтов на куб. фут и величину коэффициента шумоподавления (NRC) по меньшей мере 45; однако конечное назначение материала может обуславливать обращение к более или менее экстремальным значениям. Такой способ получения волокнистых материалов используют для получения сухих матов разной толщины в случае комбинации с гипсом и/или другим неорганическим гидратом (гидратами).
Готовый волокнистый мат вытягивают вдоль ряда механизмов для обезвоживания, используя продувочный воздух, тепло и отсасывание. Эта комбинация катализатора сжимает мат, заставляя сочлененные края волокна переплетаться с образованием прочной цепи из волокон, толщина и плотность которой определяется количеством волокон, а также интенсивностью катализатора. Промышленная конопля очень хорошо подходит для этой задачи, поскольку она легко и сильно переплетается в результате такого процесса, в то же время обеспечивая достаточный уровень пористости для введения дополнительных материалов.
Полностью высушенный мат подводят к точке переноса, где его вводят в содержащийся там туман, аэрозоль и/или безводную суспензию предпочтительного неорганического гидрата и полимера, которая впитывается всеми порами мата, проникая в материал. Необязательно, избыток неорганического гидрата и полимера может быть введен так, чтобы обработанная поверхность и/или волокнистый мат были полностью насыщены и больше не были пористыми. Хотя это предпочтительно, однако совсем не обязательно, чтобы неорганический гидрат и полимер (или полимерные ингредиенты) были предварительно перемешаны или смешаны перед введением в волокнистый мат.Ингредиенты могут вводиться постепенно, однако конечным продуктом является отвержденная композиция, состоящая из специально ориентированных волокон, неорганического гидрата и полимера, отвержденная в требуемую форму или отвержденная в черновую форму, которая может быть позже сформована, смоделирована, механически обработана или иным способом обработана с получением конечной формы.
Относительные количества волокна, неорганического гидрата и полимера, используемых для приготовления материалов для акустических панелей, составляют соответственно:
от 40 до 95, предпочтительно, от 60 до 85, наиболее предпочтительно, 80 массовых частей волокна,
от 3 до 40, предпочтительно, от 10 до 25, наиболее предпочтительно, 15 массовых частей гипса,
от 1 до 20, предпочтительно, от 2 до 5, наиболее предпочтительно, 5 массовых частей полимера.
Столь широкий диапазон указанных выше параметров объясняется тем, что открытая поверхность или наружная сторона акустической панели для различных областей применения не обязательно должны иметь такой же состав, как и обратная сторона указанной панели, хотя для других областей применения может быть достаточно однородный материал. Например, поскольку потолочная плитка имеет низкие требования к твердости, жесткости и прочности, неорганический гидрат и полимер должны быть сконцентрированы лишь на видимой поверхности продукта, тогда как в случае стеновых панелей, заполняющего картона или применений для автомобилей может потребоваться более однородная прочность по всей толщине продукта. Упомянутые выше диапазоны в их самом широком значении перекрывают диапазоны областей применения, при этом для материала акустической панели наиболее предпочтительным будет соотношение 80:15:5 массовых частей для соответствующих волокна, неорганического гидрата и полимера, при этом акустическая панель, являясь более прочной, чем требуется, может использоваться в качестве потолочной плитки, которая имеется там, где есть крупные рынки. На практике, однако, потолочные плитки, как ожидается, будут иметь показатели, смещенные в сторону минимизации стоимости, что обычно достигается уменьшением до минимума полимерной части. Это предполагает, что соотношение должно сместиться ближе к 95:3:2. Другая возможность заключается в том, что для потолочных плиток, в особенности, если есть отрицательная стоимость для использования рециклизованного гипса, количество гипса и полимера может быть увеличено для получения более высокой прочности и более высокой огнестойкости, так что композиция может сместиться в сторону соотношения, скажем, 40:40:10. Расходы являются необходимым аспектом в том, что касается рынка сбыта потолочной плитки, который зачастую может быть очень чувствителен к цене. В случае тумана, аэрозоли и/или безводной суспензии предпочтительных неорганического гидрата и полимера из предыдущего параграфа (и следующего параграфа), вполне подходящими являются следующие сухие ингредиенты, смешанные вместе при температуре от 20°C до 95°C (предпочтительно, от 40 до 85°C, наиболее предпочтительно, от 70 до 80°C):
от 40 до 90, предпочтительно, от 50 до 80, наиболее предпочтительно, 75 массовых частей гипса,
от 2 до 35, предпочтительно, от 10 до 25, наиболее предпочтительно, 17 массовых частей изоцианата (MDI),
от 5 до 60, предпочтительно, от 25 до 50, наиболее предпочтительно, 39 массовых частей касторового масла (стандартного промышленного, технического или 1 сорта),
от 1 до 5, предпочтительно, от 2 до 3, наиболее предпочтительно, 2 массовых части диоксида титана,
от 0 до 5, предпочтительно, менее 2 массовых частей подходящего осушителя, такого как синтетический цеолит, в количестве, подлежащем уточнению в зависимости от содержания влаги в других ингредиентах,
от 1 до 5 массовых частей подходящих красящих пигментов, количество и тип которых зависят от требуемой окраски, как определено на основании цветового согласования,
небольшие количества отвердителя, такого как дилаурат дибутилолова, третичный амин или другой подходящий катализатор/ускоритель, который легко может быть определен средним специалистом в данной области техники,
дополнительные ингредиенты, легко определяемые средним специалистом в данной области техники, для регулирования свойств в плане конечных требуемых характеристик готового изделия.
Примеры будут включать добавление небольшого количества (от 1 до 5 массовых частей) полиола сахарозы для получения более жесткого изделия. Другие такие ингредиенты включают, не ограничиваясь перечнем, полиольные добавки, известные в данной области техники, которые улучшают прочность продукта на разрыв, его упругость, твердость, жесткость или пластичность. Дополнительные добавки включают вещества, препятствующие слеживанию и комкованию, воски, УФ ингибиторы, антибактериальные агенты, наполнители и так далее,
следы остаточной воды или небольшие количества добавленной воды, чтобы действовать в качестве вспенивающего вещества для создания вспенивания внутри продукта для уменьшения его плотности. Другие вспенивающие вещества, известные в данной области техники, такие как спирты, алканы, охладители или увлеченные газы могут быть использованы вместо или вместе с водой,
растворители, такие как стирольные мономеры для облегчения улучшенного смешивания и/или лучшего взаимодействия между другими полимерами, неорганическими гидратами и лигноцеллюлозными волокнами.
Другой предпочтительный вариант осуществления включает введение более длинноволокнистых целлюлозных материалов, расслоения их с образованием симметричного расположения волокон в сухом виде либо подвергание их той же комбинации технических действий, как описано выше. Профиль материала определен заранее и оптимально включает ширину и плотность материала в соответствии с предполагаемым конечным применением. Этот материал затем объединяют с туманом, аэрозолем и/или безводной суспензией неорганического гидрата и полимера, которые снова поступают в отверстия внутри материала для заполнения пустот, насколько это требуется (до требуемой степени), а также для достижения прочности связи. Далее это сопровождается вторым слоем, или наслоением, более короткого или другого целлюлозного материала, который затем впрессовывают в объединенные материалы с образованием ламината.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления, древесина, лубоволокнистые растения или другие лигноцеллюлозные волокна могут быть ориентированы таким образом, что пряди являются по существу параллельными, с помощью хорошо известных и легко доступных способов и оборудования, используемых в деревообрабатывающей промышленности. Ориентация нитей может быть достигнута при незначительной модификации оборудования и способов, используемых для ориентации древесных нитей для типа панельного продукта, широко известного как структурно-ориентированная панель или "OSB". Такие оборудование и способы, которые также используют для ориентирования нитей соломы хлебных злаков и волокон конопли, хорошо известны в данной области техники. Аналогично, оборудование и способы разработаны для специализированных структурных древесных продуктов, широко известных как длиннополосная древесина или "LSL". Основное различие между OSB и LSL заключается в том, что OSB имеет тенденцию к использованию древесных плит для изготовления деревянных панелей, обычно используемых в качестве строительного обшивочного материала, тогда как LSL использует более длинные полосы древесины для изготовления древесных продуктов, таких как продукты, используемые в качестве балок или тонких композиционных древесных материалов, которые обычно используют в стоечно-балочных конструкциях.
Согласно одному из примеров, ориентацию нитей осуществляют с помощью матового ориентирующего устройства, которое включает множество вращающихся дисков. Согласно одному из примеров, части раскачиваются на рифленой панели, после чего их закрепляют или сжимают. Рифление приводит к выравниванию нитей в линию. Согласно другому примеру, нити могут быть брошены на параллельно выровненные вертикальные бруски, расположенные в форме пространственной сетки, ширина которой меньше длины нити. Вибрация или встряхивание нитей на сетке вызывает падение нитей сквозь сетку и по существу ориентацию их в одном направлении. Могут быть получены слои, имеющие поперечную ориентацию, где ориентация нитей в одном слое перпендикулярна ориентации нитей в других слоях, с целью облегчения плотности и прочности в параллельном и перпендикулярном направлении для машиностроительной сферы.
Например, обшивочный или панельный продукт может иметь центральный слой и два наружных слоя, где ориентация нитей в центральном слое перпендикулярна ориентации нитей в наружных слоях. Такие панельные или обшивочные продукты проявляют тенденцию к относительно однородной, хотя и не очень высокой прочности во всех направлениях. Для высокопрочных древесных продуктов все волокна имеют ориентацию с параллельным расположением для максимального увеличения прочности при продольном растяжении и прочности при сжатии, а также сохранения высокой прочности на изгиб и прочности при поперечном сдвиге, в то же время продукт может относительно легко расслаиваться в продольном направлении. Для целей данного изобретения ориентация волокон является важным фактором, относящимся к технологическим требованиям для каждого соответствующего продукта или партии продуктов, полученных из композиции изобретения. Имеются достаточно хорошо разработанные технологические нормы прочности для различных типов лесоматериалов и деревянных панелей, которые должны удовлетворяться либо превышаться для определенных областей применения и/или для достижения определенных промышленных и/или потребительских сертификации.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, туман, аэрозоль и/или безводную суспензию неорганического гидрата и полимера, такие как описаны ранее, вводят в сухие ориентированные нити между слоями, хотя также можно вводить гидрат и полимер в готовый мат, как в приведенных ранее примерах. Предпочтение отдается введению гидрата и полимера между слоями для обеспечения относительно стабильного количества связывания по всей толщине волокнистого мата, что является трудно достижимым в случае относительно плотных матов путем протягивания гидрата и полимера насквозь от одной стороны к другой. Предварительная обработка волокон гидратом и полимером перед их ориентацией обычно бывает достаточно сложной, хотя также желательно иметь возможность делать это в качестве способа приготовления волокнистой композиции. Предварительно обработанные волокна обычно бывают достаточно липкими и трудно ориентируемыми и оборудование легко загрязняется, хотя трудность уменьшается при введении гидрата и полимера постепенно между слоями или после того, как мат отчасти приготовлен из ориентированных волокон. И опять-таки, хотя это и предпочтительно, но нет необходимости в предварительном перемешивании или смешивании неорганического гидрата и полимера (или полимерных ингредиентов) перед введением в волокнистый мат.
Относительные количества волокна, неорганического гидрата и полимера, используемых для приготовления OSB и/или LSL материалов на волокнистой основе, составляют соответственно:
от 40 до 90, предпочтительно, от 60 до 85, наиболее предпочтительно, 70 массовых частей волокна,
от 5 до 40, предпочтительно, от 10 до 25, наиболее предпочтительно, 15 массовых частей гипса,
от 5 до 30, предпочтительно, от 10 до 20, наиболее предпочтительно, 15 массовых частей полимера.
И снова, как это было в случае акустического материала низкой плотности, описанного ранее, имеется большое варьирование диапазона компонентов, составляющего соотношение волокна, предпочтительного неорганического гидрата и полимера. Причины в случае этих продуктов на основе древесного волокна с более высокой плотностью, изготовленных из композиции данного изобретения, несколько иные. Например, в случае, когда полное заполнение пустот с получением низкого качества поверхности, являющейся чрезвычайно водостойкой, а также имеющей повышенную огнестойкость относительно традиционных продуктов OSB или LSL, является более важным, чем прочность, содержание гипса максимально, тогда как если основным требованием является прочность, максимальным является содержание волокон. Соотношение 70:15:15 массовых частей или массовых процентов волокна, неорганического гидрата и полимера обеспечивает достаточно хорошее заполнение пустот, несколько улучшенную водостойкость и улучшенную огнестойкость по сравнению с традиционными продуктами OSB и LSL без существенного уменьшения прочности продукта. Однако, соотношение может быть сдвинуто в сторону 80:5:15 в случае, когда прочность является наиболее важной, или в другую сторону, например, к 40:40:20, если прочность не очень важна, равно как и аспекты гладкости, водо- и огнестойкости.
Другой предпочтительный вариант осуществления включает использование в качестве источника лигноцеллюлозного волокна для композиции механически раздробленной или пульверизованной бумаги. Например, хорошо известно, что отходы гипсокартона состоят в значительной степени из гипса и бумаги, использованной для создания внешних поверхностей стеновых плит. Как правило, в случае отходов гипсокартона бумага в отходах гипсокартона составляет от 5 до 15 масс.% от материала отходов, остаток по существу приходится на гипс. Отходы гипсокартона часто находятся во влажном состоянии из-за воздействия элементов, вследствие этого может потребоваться осушка материала перед введением его в композицию настоящего изобретения.
Согласно этому предпочтительному варианту осуществления, материалы отходов стеновых плит измельчают или пульверизируют таким образом, что бумага превращается в мелкие частицы, которые в данной области техники иногда называют "бумажной пылью". Независимо от того, является ли материал отходов влажным или сухим при измельчении и пульверизации, материал должен быть достаточно сухим, хотя необезвоженным, перед объединением с полимером согласно данному изобретению. Для максимального увеличения прочности готового материала, состоящего из такой комбинации гипса, волокна и полимера согласно данному варианту осуществления, волокно в форме бумажной пыли является специально ориентированным в виде единственного вида волокон или в комбинации с другими волокнами, указанными в данной работе, так что имеет место повышенная прочность в направлениях, в которых готовые продукты, полученные из композиции, как ожидается, будут подвергаться наибольшему напряжению.
Например, в случае, когда композицию используют для получения кровельной плитки или мягкой кровли, бумажную пыль ориентируют так, что существует достаточная прочность в продольном, широтном и поперечном направлениях, чтобы принимать соответствующие нагрузки в каждом направлении. Такие кровельные материалы или облицовочные материалы для наружных стен часто устанавливают с помощью гвоздей с головками или с помощью скобок, которые не должны легко проходить через кровельную плитку или мягкую кровлю после того, как были установлены, когда указанная кровля в дальнейшем подвергается воздействию штормовых ветров или тому подобного. С практической целью, согласно данному варианту осуществления, волокно перемешивают или смешивают всесторонне в жидкой смеси из неорганического гидрата (гипса в случае рециклизованных отходов стеновых панелей), волокна (бумажной пыли в этом случае рециклизованных отходов стеновых панелей) и полимера (полиуретана или другого подходящего полимера). После конечного отверждения волокно является всесторонне ориентированным, так что имеет место достаточная прочность во всех направлениях, приводящая к достаточно крепкому продукту и, более конкретно, продукту, устойчивому к вытягиванию гвоздей или скоб.
Относительные количества волокна, неорганического гидрата и полимера, используемых для приготовления материалов на основе волокон 'бумажной пыли', составляют соответственно:
От 5 до 30, предпочтительно, от 5 до 15, наиболее предпочтительно, 10 массовых частей волокна,
от 40 до 90, предпочтительно, от 50 до 80, наиболее предпочтительно, 65 массовых частей гипса,
от 5 до 50, предпочтительно, от 10 до 40, наиболее предпочтительно, 25 массовых частей полимера.
В случае использования бумажной пыли, полученной при дроблении и/или пульверизации отходов гипсовых стеновых плит, наиболее простым и наименее затратным подходом является простое использование волокон, поступающих в составе отходов стеновых плит, превращенных в архитектурные формованные изделия, корабельных покрытий, промышленных покрытий, материалов для дорожных ремонтных работ, покрытий для автомобильных стоянок, кровельных материалов и/или других продуктов, без необходимости покупать дополнительные волокна или гипс из других источников. Однако соотношения могут быть отрегулированы в соответствии с конкретными техническими требованиями или требованиями заказчика либо с учетом изменений или неоднородностей поставляемых материалов. Например, процентное содержание волокон бумажной пыли может понизиться, если поступающие отходы стеновых плит имеют низкое качество и должны быть смешаны с более качественным гипсом и/или другим неорганическим гидратом из других источников для поддержания определенного качества продукта, такого как эластичность или гибкость. Или же, может потребоваться добавление дополнительных волокон для продуктов, таких как рулонные кровельные материалы, где требуется дополнительная устойчивость к вытаскиванию гвоздей.
В целях достижения хорошего распределения волокон бумажной пыли во всех направлениях температура смешивания должна быть в диапазоне от 20 до 95°C, предпочтительно, от 40 до 90°C, наиболее предпочтительно, от 70 до 80°C, при этом смешивание следует осуществлять с помощью смесительного оборудования с высоким сдвигом и подвергать процессу в течение от 5 до 30 минут, предпочтительно, от 15 до 25 минут и, наиболее предпочтительно, в течение 20 минут при такой температуре. Однако нет никакого ограничения, как долго может продолжаться смешивание после начального смешения. Например, на производственном предприятии целесообразно поддерживать смесь при температуре и при постоянном перемешивании до тех пор, пока ее не упакуют для доставки в другое место или не превратят в конечные твердые продукты на производственном предприятии, где она была изначально смешана.
Композиция настоящего изобретения может быть использована для изготовления межкомнатных и наружных дверей. Способы изготовления оптимальных по соотношению «цена-качество» дверей должны быть тщательно минимизированы, чтобы снизить затраты до минимума. Эта необходимость минимизировать затраты также справедлива и для всех предыдущих предпочтительных вариантов осуществления и примеров, однако, из-за того, что типичная дверь значительно толще, чем большинство других материалов, описанных ранее, необходимо уделить особое внимание изготовлению двери, чтобы определить минимальный материал, используемый в центральном слое типичной двери. Изготавливаемые в настоящее время двери обычно бывают полыми изделиями, состоящими из реек и вертикальных брусов обвязки дверного полотна сверху, снизу и по бокам, объединенных с внутренней и наружной обшивками. Вертикальные брусы обвязки дверного полотна и рейки обычно изготавливают из композиционного древесного материала с обшивками, спрессованными из древесноволокнистых композиционных материалов или металлических листов. Имеются также двери из цельной древесины, но они уже больше не составляют преобладающее большинство на рынке. Один из способов изготовления двери частично из композиции настоящего изобретения заключается в использовании существующих обшивок, вертикальных брусов обвязки дверного полотна и реек и просто в использовании относительно небольших количество композиции согласно настоящему изобретению, вспененной до высокой степени, для частичного или полного заполнения пустотелой двери, чтобы сделать ее более твердой и огнестойкой. Существующие межкомнатные двери для жилых помещений типа, который является неогнестойким, могут иметь завышенные характеристики, чтобы использоваться в промышленном масштабе, где могут быть получены более высокие цены, если центральная часть будет частично или полностью заполнена огнестойкой композицией согласно настоящему изобретению.
Или же, две половины двери (каждая из которых составляет половину от общей толщины) могут быть вынуты из форм, содержащих композицию в твердом виде, образующую обшивку, со вспененной композицией, заполняющей остаток. Две половины могут быть соединены вместе с помощью композиции или другими способами. Для дополнительной прочности по мере того, как формуется дверь, могут быть вставлены вертикальные брусы обвязки дверного полотна и рейки, изготовленные из композиционного древесного материала или из композиции с OSB, LSL и/или другим лигноцеллюлозным волокном. Таким способом можно получить всю дверь из композиции согласно настоящему изобретению, а не просто компоненты двери.
Примеры с дверью иллюстрируют полезный признак данного изобретения, заключающийся в том, что различные предпочтительные варианты осуществления могут быть объединены для получения продуктов.
Следует отметить, что в каждом из этих описанных выше предпочтительных вариантов осуществления и примеров, представленных на предыдущих страницах, требуется, чтобы эти процессы проводились при температурах ниже температуры, при которой гидрат начинает по существу разлагаться, во избежание или по меньшей мере для сведения к минимуму высвобождения избыточного водяного пара, который может нарушать производственные процессы и/или ухудшать прочность и другие качества и свойства конечной отвержденной композиции.
В контексте данного описания термин "сухой" относится к ингредиентам или материалам композиции, которые по существу не содержат влаги. Напротив, термин "влажный" включает водные суспензии или материалы, которые насыщены водой до такой степени, что присутствует значительное количество свободной влаги. Как правило, в случае неорганических гидратов, в контексте данного описания, сухая форма указанных гидратов содержит менее 5% свободной влаги (масс.%). В случае волокнистых ингредиентов или материалов содержание влаги должно быть менее 15%, чтобы их рассматривать как сухой материал. Предпочтительно, чтобы содержание влаги было менее 2% для неорганических гидратов и менее 7% для лигноцеллюлозного волокна. Избыточная влага может быть в значительной степени удалена, наряду с прочим, с помощью поглотителей влаги и/или с помощью упаривания. Средний специалист в данной области техники может определить соответствующий уровень сухости для различных ингредиентов композиции и использовать соответствующие технологии, такие как нагревание, вентилирование, добавление поглотителей влаги и так далее, для достижения таких уровней без чрезмерного разложения неорганических гидратов или без пересушивания волокон, вследствие чего они становятся слишком мягкими или хрупкими, перед или во время цикла отверждения композиции. Специалист-практик может использовать испытания или приборы для измерения содержания влаги или оценки относительной величины сухости или требуемой сушки методом проб и ошибок.
Важным преимуществом использования сухих материалов является то, что некоторые полимеры, такие как полиуретан, не требуют наличия неправильной формы или пустот в неорганических гидратах или волокнах для получения эффекта сильного сцепления. Не желая быть связанным какой-либо теорией, можно предположить, что это связано с тем, что в случае MDI или другого изоцианата в предпочтительных вариантах осуществления, где полимер является полиуретаном, изоцианат может образовывать ковалентные связи с гидроксильными группами в неорганических гидратах, а также с гидроксильными группами в лигноцеллюлозных волокнах. Ковалентные связи обычно значительно сильнее, чем любые механические связи, которые будут образовываться путем гидратации и/или кристаллизации и/или осаждения неорганических гидратов, которые в основном соединяются физически внутри композиций или материалов, образующихся во влажных процессах. Настоящее изобретение может использовать гладкие волокна и/или неорганические гидраты, а также шероховатые или неровные волокна и/или гидраты, тем самым уменьшая или устраняя необходимость в тщательном распознавании или отборе среди различных источников и типов волокон и неорганических гидратов для обеспечения достаточного связывания.
Готовые отвержденные формы композиции могут иметь различные формы, структурные и неструктурные. Одной из предпочтительных форм является форма панели, включающая панели стандартных размеров и толщины, которые используют в различных аспектах строительства и в других областях применения. Другая может иметь форму столбов или балок. Композиция может быть отлита или иным способом превращена в сразу конечные формы или в черновые формы, которые могут быть впоследствии обработаны начисто посредством дополнительной формовки, отливки, механической обработки и/или других операций до любого размера, формы и конечных характеристик, требуемых изготовителем или конечным потребителем.
Конечные предпочтительные варианты осуществления продукта включают различные материалы для строительства зданий и сооружений, такие как материалы, описанные выше, но не ограниченные этими продуктами или отраслями производства. Например, в зависимости от типа и ориентации волокон, а также от выбора используемого полимера и вариаций в количествах и типах ингредиентов, использованных в полимере, конечные продукты могут быть жесткими или пластичными. Примерами пластичных продуктов являются кровельные материалы, как рулонные кровельные материалы, так и пластичные плоские материалы. Величина пластичности может варьироваться в зависимости от типа и толщины конечных материалов, изготовленных из композиции, а также от требуемых характеристик. Рулонные кровельные материалы обычно делают более пластичными, чем листовые, для которых не требуется, чтобы они были получены или транспортировались в скатанном виде.
Аналогично для использования при изготовлении отформованных деталей автомобилей, таких как приборные щитки, панели внутренних дверей и так далее, требования к окончательной отделке и пластичности композиции зачастую существенно отличаются от аналогичных параметров для структурных строительных материалов. Качество обработки поверхности, цвет, текстура и форма контура являются, в частности, одной из областей, где автомобильные, авиационные и аналогичные области применения композиции совершенно отличаются от традиционных плоских, ровных и обычно жестких и неокрашенных применений композиции для конструирования и строительства. Кинореквизит является примером области применения, где используется широкий диапазон свойств, форм, видов пластичности и окончательной отделки.
Еще одним предпочтительным вариантом осуществления является использование композиции при изготовлении ламинированных напольных покрытий с различной отделкой поверхности с использованием целого ряда волокон. Отличительной чертой композиции настоящего изобретения по сравнению с ламинированными напольными покрытиями предшествующего уровня техники является то, что композиция настоящего изобретения, которая может быть использована с волокнами любого типа, описанными в данной работе, обычно обладает относительно более высокой устойчивостью к воде и влаге. Выпускаемые в настоящее время стандартные продукты предшествующего уровня техники не очень хорошо подходят для использования в ванных комнатах и других местах, где они подвергаются воздействию воды или высокой влажности, в особенности в условиях постоянной или продолжительной влажности.
Ламинированные напольные покрытия могут быть сделаны с чистовой обработкой поверхности и в размерах и формах, аналогичных стандартным или широко используемым ламинированным покрытиям, известным в данной области техники. Дополнительным отличием и полезным признаком является то, что ламинированные напольные покрытия, полученные из композиции согласно настоящему изобретению, могут в большинстве случаев иметь различные параметры жесткости, пластичности и упругости, чтобы было легче удовлетворять предпочтениям изготовителя, потребителя или пользователя, чем в случае использования стандартных ламинированных напольных покрытий предшествующего уровня техники. Еще одним полезным признаком является повышенная огнестойкость.
Другими предпочтительными применениями композиции является использование ее для изготовления фурнитуры или компонентов фурнитуры, изоляционных материалов, архитектурных формованных изделий, частей окон, дверей и компонентов дверей.
Хотя изобретение раскрыто в его предпочтительной форме, конкретные варианты его осуществления, такие как раскрытые и проиллюстрированные в данной работе, не следует рассматривать в ограничивающем смысле, поскольку возможны многочисленные изменения. Предмет изобретения включает все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных элементов, признаков, функций и/или свойств, раскрытых здесь. Никакая отдельная особенность, функция, элемент или свойство раскрытых вариантов осуществления не является существенной. Следующая формула изобретения определяет некоторые комбинации и подкомбинации, которые считаются новыми и неочевидными. Другие комбинации и подкомбинации признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены через поправку к настоящей формуле изобретения или представлением новых пунктов притязаний к этой или родственной заявке. Такие пункты притязаний также рассматриваются как включенные в предмет настоящего изобретения, независимо от того, являются ли они шире, уже или равны по объему исходной формуле изобретения. Данное изобретение также охватывает все варианты осуществления и все области применения, которые будут непосредственно понятны для специалиста при прочтении данной заявки на основании его или ее знаний и необязательно простых типовых испытаний.
1. Волокнистая отвержденная композиция, включающая лигноцеллюлозное волокно, содержащее менее 15 мас.% свободной влаги, связанное с помощью полимера с неорганическим гидратом, содержащим менее 5 мас.% свободной влаги, в отсутствии дополнительного количества воды.
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозное волокно специально ориентировано перед связыванием с неорганическим гидратом.
3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что неорганический гидрат является одним или более из веществ, используемых по отдельности или в комбинации, выбранных из гидратных форм гипса, гидрата окиси алюминия, извести, тетрабората натрия или бентонита, полимер является полиуретаном, и лигноцеллюлозное волокно является одним или более из видов волокон, используемых по отдельности или в комбинации, выбранных из волокон конопли, льна, кенафа, джута, рами или другого растения лубоволокнистого типа.
4. Композиция по п. 3, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозное волокно также включает один или более из видов волокон, используемых по отдельности или в комбинации, выбранных из разнообразных видов древесного волокна, используемых для получения строительных или конструкционных материалов, фурнитуры или любых других продуктов для внутреннего или наружного использования, обычно называемых древесными или композиционными древесными материалами или компонентами.
5. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозное волокно представляет собой или включает механически раздробленную или пульверизованную бумагу, и волокно ориентировано с помощью смешения или перемешивания механически раздробленной или пульверизованной бумаги, также называемой бумажной пылью, в перемешанной смеси неорганического гидрата и полимера.
6. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что лигноцеллюлозное волокно специально ориентировано перед связыванием с помощью способов естественного или принудительного свойлачивания или с помощью способов и оборудования для изготовления структурно-ориентированной панели и/или длиннополосной древесины.
7. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что гидрат содержит менее 2 мас.% свободной влаги, а волокно содержит менее 7 мас.% свободной влаги.
8. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что между неорганическим гидратом и волокном образуется ковалентная связь.
9. Способ получения волокнистой отвержденной композиции, включающий связывание лигноцеллюлозного волокна, содержащего менее 15 мас. % свободной влаги, с помощью полимера с неорганическим гидратом, содержащим менее 5 мас.% свободной влаги, необязательно в присутствии следов воды или необязательно с удалением избыточной влаги.
10. Способ по п. 9, дополнительно включающий перед связыванием волокна с гидратом смешивание волокна с водой с образованием пульповидной водной суспензии, перемешивание суспензии, свойлачивание волокна с образованием волокнистого мата и сушку мата.
11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что волокно объединяют с туманом, аэрозолем или безводной суспензией предварительно перемешанных неорганического гидрата и полимера.
12. Способ по п. 11, дополнительно включающий ориентацию компонентов волокна до или во время объединения с туманом, аэрозолем или безводной суспензией.
13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что волокно получают из суперкоротких волокон конопли.
14. Способ по п. 9, отличающийся тем, что неорганический гидрат представляет собой гипс, а полимер является полиуретаном.
15. Способ по п. 9, отличающийся тем, что один или более ингредиентов полимера не объединяют сначала, чтобы сохранить способность к хранению и/или транспортировке неотвержденной смеси в течение неопределенного времени перед окончательным объединением всех ингредиентов с получением отвержденной композиции.
16. Способ по п. 9, отличающийся тем, что лигноцеллюлозное волокно представляет собой волокнистый мат, и неорганический гидрат связывают с ним с помощью полимера, пока неорганический гидрат и полимер впитываются всеми порами мата.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что неорганический гидрат и полимер впитываются всеми порами мата при температурах ниже 95°С.
18. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что композиция остается сухой во время отверждения.
19. Изделие, изготовленное из композиции по п. 1, представляющее собой архитектурное формованное изделие, акустическую панель, дверь, корабельное покрытие, кровельное покрытие, рулонное кровельное покрытие, стеновую панель, ламинированное напольное покрытие, материал для дорожных ремонтных работ, герметизатор трещин в бетоне или асфальте, парковочное покрытие, конструкционную панель, строительный лесоматериал, фурнитуру или компонент фурнитуры, кинореквизит, автомобильный формованный компонент, компонент двери или окна, вспененный изоляционный материал или клеящий материал.
