Способ облегчения гипсовых плит

Способ облегчения гипсовых плит

Реферат

Настоящее изобретение касается способа изготовления облегченных гипсовых плит.

Гипсовая плита представляет собой элемент в форме параллелепипеда, предварительно изготовленный из гипса (дигидросульфат кальция), покрытый с каждой из его поверхностей картоном или бумагой, или минеральными волокнами. Образованное таким образом композиционное изделие обладает хорошими механическими свойствами, при этом листы на его поверхностях служат одновременно арматурой и лицевой стороной.

Гипсовую сердцевину получают исходя из гипсовой массы, образованной в основном смесью гидратируемого сульфата кальция и воды, в которую в случае необходимости добавляют обычные добавки. Под термином «гидратируемый сульфат кальция» в настоящем описании надо понимать безводный сульфат кальция (ангидрит II или III) или полугидратированный сульфат кальция (CaSO₄ ^.1/2 H₂O) в его кристаллической модификации α или β. Такие соединения хорошо известны специалисту и их получают обычно обжигом гипса.

Масса быстро отвердевает в результате гидратации гипса. Затем плиты нагревают в сушильных печах для того, чтобы удалить избыток воды.

Облегчение гипсовых плит помимо их механической прочности представляет собой главную цель. Чтобы облегчить гипсовую плиту, принято вводить в массу воздух, добавляя в гипсовую массу пену.

Уменьшение плотности гипсовых плит является желательным из-за его двойной экономической выгоды. С одной стороны, оно позволяет облегчить продукт и упростить таким образом его транспортировку и, с другой стороны, оно позволяет преодолеть проблему низкого темпа производства за счет уменьшения потребления гипса. В самом деле, обжиг гипса требует времени, и, возможно, что данная стадия будет элементом, лимитирующим скорость производственной линии. Уменьшение потребности в гипсе позволяет, кроме того, уменьшит производственные затраты, связанные с обжигом. Таким образом, уменьшение плотности гипсовых плит позволяет снизить транспортные расходы, увеличить скорость линии и в то же самое время уменьшить производственные затраты.

Известны различные композиции поверхностно-активных веществ для облегчения гипсовых плит. Часто упомянутые композиции содержат алкилоксисульфаты. Так, в документе WO 9516515 описана композиция поверхностно-активных веществ на основе алкилсульфатов и алкилоксисульфатов. В указанной композиции соотношение между алкилсульфатами и алкилдиоксисульфатами или алкилтриоксисульфатами составляет по меньшей мере 12:1, предпочтительно в интервале от 30:1 до 60:1. Использование только алкилсульфатов является нежелательным. В самом деле, гипсовая плита, полученная с одним только алкилсульфатом, демонстрирует очень посредственное облегчение.

В документе US 5643510 описано применение смеси алкилсульфатов и алкилоксисульфатов для регулирования размера пузырьков воздуха в гипсовых плитах. В документе указано, что алкилсульфаты, образующие нестабильные пены, не используются индивидуально, так как получение плиты заданной плотности требовало бы расхода, приблизительно в 3 раза большего, чем расход поверхностно-активного вещества, содержащего алкилоксисульфат. Таким образом, предпочтительным поверхностно-активным веществом является смесь, содержащая около 10% алкилоксисульфата.

Однако использование алкилсульфатов вместо алкилоксисульфата в качестве поверхностно-активного вещества имеет некоторые преимущества. В самом деле, в то время как алкилсульфат может быть получен прямой сульфатацией соответствующего жирного спирта, для получения алкилоксисульфата надо пройти через стадию этоксилирования. Данная стадия является не только дорогостоящей, но она может приводить, кроме того, к образованию нежелательных побочных продуктов.

Проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке дешевого способа изготовления облегченных гипсовых плит, с использованием поверхностно-активного вещества, которое было бы недорогим и легкодоступным.

Вообще говоря качество поверхностно-активного вещества оценивают по отношению к объему пены, который оно позволяет получить. В самом деле, для получения данного объема пены кажется логичным, что расход поверхностно-активного вещества с низкой пенообразующей способностью будет выше. Это ухудшает экономические показатели, в частности увеличивает себестоимость гипсовой плиты.

Однако стабильность пены перед ее введением в гипсовую массу, затем в гипсовой массе также представляет собой фактор, заслуживающий внимания. Так, при равном объеме пена с низкой устойчивостью приводит к менее облегченной гипсовой плите, чем устойчивая пена. Согласно документу US 5643510, алкилсульфаты образуют пены, слабоустойчивые в гипсовой массе.

С другой стороны, ясно, что гипсовая плита, даже облегченная, должна в то же время обладать характеристиками, сравнимыми с характеристиками необлегченных плит, такими как уровень механической прочности. Качество сцепления между гипсовой массой и лицевыми поверхностями плиты как в сухой, так и во влажной окружающей среде также представляет собой требование к качеству, которое следует выполнять.

Изобретение основано на том факте, что если некоторые композиции на основе алкилсульфатов проявляют обычно небольшое сверхпотребление по сравнению со смесями с алкилоксисульфатами, они позволяют получать значительно облегченные гипсовые плиты. Ввиду такого облегчения возможное увеличение экономических затрат с лихвой компенсируется. В самом деле, экономия, возникающая за счет облегчения, может почти в 7 раз превосходить перерасход, связанный с дополнительным потреблением поверхностно-активного вещества. Таким образом, баланс остается в целом очень положительным.

Гипсовые плиты, облегченные таким образом, обладают, кроме того, вполне приемлемыми характеристиками механической прочности и сцепления с наружными поверхностями.

Упомянутый удивительный эффект представляется связанным с взаимодействием между поверхностно-активным веществом, пеной и гипсовой массой.

В самом деле, если пенообразующая способность упомянутых алкилсульфатов является часто менее высокой по сравнению с обычными поверхностно-активными веществами, содержащими алкилоксисульфаты, оказывается, что некоторые из них дают возможность получения пен, совместимых с гипсовой массой. Кроме того, вопреки сведениям из уровня техники, было обнаружено, что сверхпотребление является очень умеренным и в некоторых случаях может быть даже нулевым.

Кажется, что данный эффект по меньшей мере частично возникает вследствие очень хорошей совместимости между гипсовой массой и пеной, которая зависит от их соответствующих вязкостей. Более конкретно представляется, что текучесть двух фаз может быть отрегулирована таким образом, чтобы смесь образовывалась бы без чрезмерной потери объема пены. Таким образом, эффективность пены, генерированной поверхностно-активным веществом, является улучшенной.

Таким образом, оказывается, что потребление поверхностно-активного вещества, а также его способность осуществлять облегчение не являются функцией только его пенообразующей способности, но равным образом зависят от сложного набора других параметров процесса. Имеется основание думать, что, в частности, физико-химические характеристики гипсовой массы, и, в частности, ее текучесть, оказывают влияние на получаемый эффект облегчения.

Таким образом, предметом изобретения является способ изготовления гипсовых плит, имеющих плотность сердцевины меньше 0,77, и содержащий стадии:

- получения пены из воды и поверхностно-активного вещества, состоящего из по меньшей мере одного алкилсульфата формулы H(CH₂)_nOSO₃  ^-M⁺, в которой n обозначает число в диапазоне от 6 до 16, М представляет собой одновалентный катион и среднее число атомов углерода n_m находится в интервале от 9 до 10, и

- введения полученной пены в гипсовую массу,

отличающийся тем, что количество вводимого поверхностно-активного вещества не превышает 0,32 г на литр гипсовой массы.

Под термином "плотность" понимают отношение массы данного объема гипсовой массы к массе упомянутого объема воды. Под плотностью сердцевины понимают плотность гипсовой плиты, за исключением материала, покрывающего поверхности.

Предпочтительно расход поверхностно-активного вещества составляет менее 0,24 г/л, в частности меньше 0,16 г на литр гипсовой массы. Обычно расход составляет более 0,05 г на литр гипсовой массы для плит толщиной 12,5 мм, и 0,02 г/л для плит толщиной 6 мм.

Изготовленная гипсовая плита имеет предпочтительно прочность на сжатие больше 2 МПа, в частности больше 3 МПа.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 60 мас.% додецилсульфата.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, поверхностно-активное вещество содержит от 40 до 95 мас.% децилсульфата. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 60 мас.% октилсульфата. Особенно предпочтительное поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 15 мас.% октилсульфата натрия и от 85 до 95 мас.% децилсульфата натрия.

Особенно предпочтительное поверхностно-активное вещество имеет среднее число атомов углерода в интервале от 9,5 до 10, предпочтительно от 9,7 до 9,9.

Предпочтительно М выбран среди натрия, калия, магния и аммония.

Согласно варианту осуществления, поверхностно-активное вещество содержит, кроме того, комплексообразователь и/или гидротропное соединение.

Изобретение распространяется также на применение поверхностно-активного вещества, состоящего из по меньшей мере одного алкилсульфата формулы H(CH₂)_nOSO₃  ^-M⁺, в которой n обозначает число в диапазоне от 6 до 16, М представляет собой одновалентный катион и среднее число атомов углерода n_m находится в интервале от 9 до 10, для облегчения гипсовых плит, причем используемое количество поверхностно-активного вещества меньше 0,32 г на литр гипсовой массы.

Предпочтительно вышеупомянутое поверхностно-активное вещество используют для получения гипсовых плит, имеющих плотность сердцевины меньше 0,77, в частности, меньше 0,74, и более конкретно меньше 0,72. Однако обычно плотность сердцевины составляет больше 0,48.

Другие характеристики и преимущества изобретения будут детально описаны в изложении, следующем ниже.

Гипсовая композиция содержит гипс, воду и композицию поверхностно-активных веществ. Сверх того она может содержать другие добавки, такие как обычно используемые.

Кроме того, пена, образуемая композицией поверхностно-активных веществ, на которую нацелено изобретение, позволяет получать сравнимые облегчения для гипсовых плит, изготовленных с использованием различных типов гипса. Таким образом, композиция поверхностно-активных веществ является выгодной, так как она является малочувствительной к качеству используемого гипса.

В то же время характеристики пены, образуемой композицией поверхностно-активных веществ, малочувствительны к температуре. Таким образом, когда температура воды изменяется, объем генерируемой пены остается практически постоянным.

Кроме того, оказывается, что качество соединения между гипсом и наружным листовым материалом гипсовых плит является замечательным.

Механические свойства гипсовых плит оценивают обычно при помощи прочности сердцевины на изгиб, твердости сердцевины, твердости по Бринеллю и прочности гипсовой плиты на сжатие. Большое практическое значение имеет также сопротивление, которое оказывает гипсовая плита вбиванию головки гвоздя диаметром 1/4 дюйма, то что принято называть "nail pull test", или сопротивление вдавливанию. Условия вышеупомянутого теста описаны в стандарте ASTM C473 - метод В.

Кроме того, оказывается, что полученные гипсовые плиты проявляют хорошее сцепление между гипсом и наружным листовым материалом.

Композиция поверхностно-активных веществ, подходящая для осуществления способа, представляет собой, например, смесь алкилсульфатов, содержащих 8 и 10 атомов углерода, такую как Emal A10 DE, поставляемая фирмой KAO CORPORATION SA. Однако можно также использовать смесь на основе других алкилсульфатов или смеси алкилсульфатов, которые приводят к композиции, имеющей среднее число атомов углерода от 9 до 10.

Алкилсульфаты, отвечающие формуле H(CH₂)_nOSO₃M, получают обычно сульфатированием соответствующих спиртов. В принципе n чаще всего является четным числом по причине наилучшей доступности данных спиртов. Однако алкилсульфаты с нечетным n также могут быть использованы в объеме охраны изобретения.

Предпочтительно цепочка алкилсульфатов, входящих в композицию, содержит от 8 до 12 атомов углерода.

Композиция поверхностно-активных веществ может, кроме того, содержать гидротропное соединение. Такими гидротропными соединениями являются, например, метанол, этанол, изопропанол, этиленгликоль, пропиленгликоль, полиэтиленгликоль и полипропиленгликоль, а также простые моноалкиловые эфиры этиленгликоля, алкилполигликозиды и их смеси.

Предпочтительно композиция может содержать комплексообразователь или хелатирующий агент, который позволяет сохранять в растворе ионы магния или кальция, в частности, в жесткой воде. Такими комплексообразователями или хелатирующими агентами являются, например, гидроксикарбоновые кислоты и их соли, альдозы и кетозы, неорганические комплексообразователи, более конкретно фосфаты, бораты и полифосфаты, органические комплексообразователи, выбранные более конкретно в группе, содержащей ЭДТК (EDTA), НТК (NTA) и т.д., и производные фосфорной кислоты полимерной структуры, которые содержат гидрокси и/или амино и/или карбоксилатные группы.

Полученная пена позволяет вводить в гипсовую плиту от 0,01 до 0,04 мас.% поверхностно-активного вещества (в расчете на сухое вещество) по отношению к массе плиты. Она занимает объем, составляющий от 20 до 40% от объема гипсовой плиты.

Предпочтительно вспененная гипсовая плита может содержать, кроме того, обычно используемые добавки, такие как разжижители, ускорители, крахмал, и т.п.

Изобретение будет лучше понято при рассмотрении примеров, следующих ниже, которые даны в качестве иллюстрирующих и не ограничивающих объем охраны изобретения.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Готовят миниплиты площадью 0,1 м², имеющие толщину 12,5 мм, на основе гипса из St. Loubes, который представляет собой гипс, полученный импульсным обжигом природного гипса, имеющего следующие характеристики:

содержание гипса	68,8%
ангидрит	0,90%
магнезия	3,70%
доломит	8,80%
тальк	0,80%
флогопит	1,10%
микролин	3,80%
кварц	9,50%
целестин	0,60%
клинохлор	2,00%.

Данные плиты готовят следующим образом. Перемешиванием в течение 1 мин в генераторе пены типа Hamilton Beach, настроенного на напряжение 55 В, смеси 5,25 мл раствора с концентрацией 50 г/л композиции, образованной алкилсульфатами натрия, содержащей 47 мас.% соединений С₈ и 53 мас.% соединений С₁₀, при этом среднее число атомов углерода n_m, принимая в расчет молярные массы компонентов, равно 9, со 170 мл воды при 22°С, готовят пену. Затем вводят пену в смесь 700 г воды с температурой 50°С и 1130 г гипса с температурой 22°С. Гипсовую массу помещают между двумя листами картона. Избыток после заполнения удаляют. Затем миниплиту сушат в сушильной печи при температуре, постепенно увеличивающей от 100°С до 200°С за 15 мин, затем постепенно уменьшающейся от 200°С до 90°С за 25 мин.

Пример 2

Гипсовые плиты изготовлены согласно примеру 1, но с заменой композиции поверхностно-активных веществ тем же самым количеством поверхностно-активного вещества, содержащего 25 мас.% С₈-алкилсульфата и 75 мас.% С₁₀-алкилсульфата. Среднее число атомов углерода n_m в композиции равно 9,5.

Пример 3

Гипсовые плиты изготовлены согласно примеру 1, но с заменой композиции поверхностно-активных веществ тем же самым количеством поверхностно-активного вещества, содержащего 11 мас.% С₈-алкилсульфата и 89 мас.% С₁₀-алкилсульфата. Среднее число атомов углерода n_m в композиции равно 9,8.

Пример 4

Гипсовые плиты изготовлены согласно примеру 1, но с заменой композиции поверхностно-активных веществ тем же самым количеством поверхностно-активного вещества, содержащего 33,3 мас.% С₈-алкилсульфата, 58,4 мас.% С₁₀-алкилсульфата и 8,3 мас.% С₁₂-алкилсульфата. Среднее число атомов углерода n_m в композиции равно 9,5.

Пример 5

Гипсовые плиты изготовлены согласно примеру 1, но с заменой композиции поверхностно-активных веществ тем же самым количеством поверхностно-активного вещества, содержащего 75 мас.% С₈-алкилсульфата и 25 мас.% С₁₀-алкилсульфата. Среднее число атомов углерода n_m в композиции равно 8,5.

Пример 6

Гипсовые плиты изготовлены согласно примеру 1, но с заменой композиции поверхностно-активных веществ тем же самым количеством поверхностно-активного вещества, содержащего алкилсульфат (АС) (AS) и алкилоксисульфат (АОС) (AES). Данное поверхностно-активное вещество выпускается фирмой STEPAN под названием Alphafoamer.

Плиты, изготовленные согласно примерам и высушенные до постоянной массы в соответствии с французским стандартом NF P 72-302, взвешивают и определяют плотность их сердцевины. Результаты приведены в таблице 1, следующей ниже.

Таблица 1
Пример	nm	Объем пены [мл]	Плотность плиты
1	9,0	688	0,728
2	9,5	688	0,712
3	9,8	695	0,692
4	9,5	700	0,698
5*	8,5	680	0,771
6*	AC+АЭС	750	0,700
*Сравнительные примеры

Композиции согласно изобретению позволяют без избыточного сверхпотребления сравнительно со смесями алкилсульфатов и алкилоксисульфатов получать сравнимые облегчения. Пример 3 иллюстрирует композицию поверхностно-активных веществ, используемую в качестве предпочтительной.

Чтобы оценить механические свойства плит, измеряют прочность на сжатие образца размером 5×5 см², изъятого из плиты. Твердость по Бринеллю и разрушающую нагрузку для сердцевины (испытание на изгиб с тремя точками) измеряют согласно стандарту NF P 72-302.

Твердость сердцевины и сопротивление вдавливанию (nail pull test) измеряют согласно стандарту ASTM C473 метод В.

Полученные результаты доказывают, что с композицией поверхностно-активных веществ согласно известному уровню техники (пример 6), когда имеют эквивалентную плотность сердцевины, полученные механические характеристики ниже характеристик, которые получают благодаря способу согласно изобретению.

Характеристики, полученные с композицией согласно примеру 5, соответствуют плитам, имеющим более высокую плотность сердцевины.

Таким образом, при достаточной механической характеристике предпочтительное осуществление соответствует осуществлению, которое приводит к максимальному облегчению. Результаты этих измерений приведены в таблице 2, следующей ниже.

Таблица 2
Пример	Количество используемого поверхностно-активного вещества [г/л]	Усилие сжатия [МПа]	Твердость по Бринеллю [мм]	Твердость сердцевины [даН]	Сопротивление вдавливанию [даН]
1	0,139	3,72	18,70	9,60	37
2	0,139	3,63	19,90	11,40	38
3	0,136	3,46	18,65	9,55	34,8
4	0,138	3,52	18,78	10,25	35,9
5*	0,152	4,52	17,30	14,00	42
6*	0,134	2,59	19,8	7,6	32,6
*Сравнительные примеры

Кроме того, изготовленные гипсовые плиты были охарактеризованы при помощи измерения сцепления между картоном и сердцевиной. Измерение заключается в отрывании картона и оценке процента отклеивания картона от сердцевины. Испытание сцепления в сухом состоянии осуществляют на сухой плите. Испытание сцепления во влажном состоянии через 2 ч осуществляют после повторного увлажнения в течение 2 ч при 30°С в регулируемой атмосфере с влажностью 90%. Результаты представлены в таблице 3, следующей ниже.

Таблица 3
Пример	Сцепление в сухом состоянии (% отклеивания)	Сцепление во влажном состоянии через 2 часа (% отклеивания)
1	0	6
2	0	4
3	0	4
4	0	5
5*	0	7
6*	3	30
*Сравнительные примеры

Результаты доказывают превосходство композиций согласно изобретению на уровне сцепления как в сухом состоянии, так и во влажном состоянии через 2 ч, в частности по сравнению с поверхностно-активными веществами, содержащими алкилоксисульфаты.

1. Способ изготовления гипсовых плит, имеющих плотность сердцевины меньше 0,77, содержащий стадии:

получения пены из воды и поверхностно-активного вещества, состоящего из по меньшей мере одного алкилсульфата формулы H(CH₂)_nOSO₃ ^- M⁺, в которой n обозначает число в диапазоне от 6 до 16, М представляет собой одновалентный катион и среднее число атомов углерода n_m находится в интервале от 9 до 10, и

введения полученной пены в гипсовую массу,

характеризующийся тем, что количество вводимого поверхностно-активного вещества не превышает 0,32 г на литр гипсовой массы.

2. Способ по п.1, в котором расход поверхностно-активного вещества меньше 0,24 г на литр гипсовой массы.

3. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором изготовленная гипсовая плита имеет прочность на сжатие больше 2 МПа.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 60 мас.% додецилсульфата.

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество содержит от 40 до 95 мас.% децилсульфата.

6. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 60 мас.% октилсульфата.

7. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором М выбран среди натрия, калия, магния и аммония.

8. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 25 мас.% октилсульфата натрия и от 75 до 95 мас.% децилсульфата натрия.

9. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество содержит от 5 до 15 мас.% октилсульфата натрия и от 85 до 95 мас.% децилсульфата натрия.

10. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество дополнительно содержит комплексообразователь.

11. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором поверхностно-активное вещество дополнительно содержит гидротропное соединение.

12. Применение поверхностно-активного вещества, состоящего из по меньшей мере одного алкилсульфата формулы H(CH₂)_nOSO₃ ^- M⁺, в которой n обозначает число в диапазоне от 6 до 16, М представляет собой одновалентный катион и среднее число атомов углерода n_m находится в интервале от 9 до 10, для облегчения гипсовых плит, причем используемое количество поверхностно-активного вещества меньше 0,32 г на литр гипсовой массы.

13. Применение по предыдущему пункту, в котором гипсовая плита имеет плотность сердцевины меньше 0,77.