Способ обжига при низком содержании волокна для изготовления гипсоволокнистого листа

Способ обжига при низком содержании волокна для изготовления гипсоволокнистого листа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[001] Настоящая заявка заявляет приоритет заявки на патент США №11/962031, поданной 20 декабря 2007 года, полностью ссылкой включенной в настоящую заявку.

[002] Настоящее изобретение относится, в общем, к усовершенствованным гипсовым комбинированным листам с волокнами целлюлозы, используемым в строительстве в качестве плит для потолка, каркасных и обшивочных элементов, элементов чистовой обшивки и других типов строительных конструкций, имеющих значительно более низкую плотность и бóльшую гибкость при значительном снижении общего количества волокон целлюлозы, которое добавляется в гипс для реакции с гипсом в реакторе для обжига гипса перед тем, как дополнительная масса целлюлозных волокон добавляется в суспензию обожженного гипса и целлюлозных волокон, эта суспензия формируется в ковер, который обезвоживается, регидратируется в гипс, а затем высушивается для получения армированного волокнами гипсоволокнистого листа (далее по тексту именуемого "гипсоволокнистым листом" или "ГВЛ").

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[003] Гипсоволокнистые листы используются в строительной индустрии для возведения внутренних и наружных стен жилых и/или промышленных знаний. Однако один из недостатков этих известных листов является то, что они не обладают достаточной ударной вязкостью при изгибе в такой степени, чтобы эти листы могли быть сравнимыми с листами на основе древесины, такими как фанера или ориентированно-стружечная плита (ОСП).

[004] На протяжении своего срока службы строительные конструкции подвергаются различным ударным нагрузкам (например, повреждение от града или повреждение от предметов, с силой ударяющихся в здания во время торнадо и ураганов). Не все строительные обшивочные листы являются достаточно ударновязкими, чтобы выдерживать эти ударные нагрузки. Если необходимо продемонстрировать стойкость к ударной нагрузке, на обшивочных листах проводят измерения, чтобы определить ударную нагрузку, которую лист может выдержать без разрушения.

[005] Ударная вязкость при изгибе, как она характеризуется в настоящем описании, измеряется как равная общей площади под кривой зависимости изгибающей нагрузки - прогиб для образца, нагруженного при трехточечном изгибе.

[006] В одном примере ударная вязкость при изгибе измеряется как общая площадь под кривой зависимости изгибающей нагрузки - прогиб для образца для испытаний на изгиб, нагруженного при трехточечном изгибе по методу испытаний по стандарту Американского общества по испытанию материалов ASTM D1037.

[007] Листы на основе древесины, достигающие значительной ударной вязкости при изгибе, - это обычно фанера или ориентированно-стружечная плита (ОСП), которые состоят из деревянного шпона или крупной стружки, которые склеены между собой. Эти листы могут обеспечить ударную вязкость при изгибе, но каждый является горючим и во многих случаях, кроме случая морской фанеры, эти листы недолговечны, если подвергаются воздействию воды. Лист, изготовленный из гидравлического цемента, будет оказывать сопротивление воде, но он намного тяжелее, чем деревянные листы. Считается, что в настоящее время нет листов по сравнимой стоимости, которые могут обеспечить ударную вязкость при изгибе настоящего изобретения, избегая при этом недостатков фанеры или ОСП листов.

[008] Кроме того, необходимость в гипсоволокнистых листах, рассчитанных на поведение в строительном окружении, аналогичное поведению фанеры и ОСП, означает, что эти листы являются гвоздимыми и могут резаться или обрабатываться с использованием обычных пил и иных обычных плотницких инструментов.

[009] Лист должен позволять резать его дисковыми пилами, которые используются для резки дерева. Кроме того, лист должен позволять крепить его к каркасу гвоздями или винтами.

[0010] При воздействии воды лист должен быть размерно-устойчивым, т.е. должен расширяться как можно меньше, предпочтительно, менее 0,1% при измерении по стандарту ASTM С 1278. Описание стандарта для некоторых гипсоволокнистых листов приводятся при 5% поглощении влаги при 2-часовом замачивании, хотя другие гипсоволокнистые листы при испытании на 2-часовое замачивание могут иметь 10% поглощение влаги. Лист не должен подвергаться биологическому разложению или нападению насекомых или гнили. Вместе с тем лист должен обеспечивать способную к соединению основу для наружных отделочных систем.

[0011] Прочность на изгиб гипсоволокнистого листа (ГВЛ) толщиной 0,5 дюйма (12,7 мм), имеющего плотность примерно от 714 кг/м³ (50 фунтов/фут³) примерно до 1000 кг/м³ (70 фунтов/фут³), равна по меньшей мере 5,2 МПа (750 фунт/кв. дюйм) и, предпочтительно, более 6,9 МПа (1000 фунт/кв. дюйм) при измерении по стандарту ASTM D1037.

[0012] Должно быть очевидным, что имеющиеся в настоящее время изделия и композиты на основе гипса и волокна и на основе дерева отвечают некоторым, но не всем вышеупомянутым рабочим характеристикам. В частности, существует необходимость в усовершенствованных листах на основе гипса и волокна, которые являются легкими и имеющими улучшенную ударную вязкость при изгибе и которые превосходят способности используемых в настоящее время гипсоволокнистого листа и листа на основе дерева путем обеспечения негорючести и долговечности при воздействии воды.

[0013] Хотя для армирования гипсового листа и гипсоволокнистого листа используется стекловолокно, для армирования гипсового листа предложены и другие волокна, такие как металлические волокна, волокна древесины или бумаги, углеродные или полимерные волокна.

[0014] В патенте США №5320677, выданном М.Бэйг (M.Baig), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, описываются изделие из комбинированного материала гипс/древесное волокно (ГДВ) и способ изготовления этого изделия, в котором разбавленную суспензию частиц гипса и волокон целлюлозы нагревают под давлением для преобразования сырого гипса в кальция сульфат полугидрат путем обжига гипса в присутствии древесных волокон. Растворенным кальция сульфатом смачивают пустоты в волокне, и результирующий полугидрат в конечном итоге в месте пустот волокна целлюлозы образует кристаллы. Однако было бы желательным дополнительно усовершенствовать ГДВ, чтобы уменьшить плотность и повысить гибкость листа, уменьшить количество непрореагировавшего полугидрата, который нельзя легко регидратировать в гипс в процессе производства ГДВ, и сократить время схватывания листа, одновременно с этим значительно уменьшив количество паровой энергии, требуемой для обжига гипса в кальция сульфат полугидрат.

[0015] В патенте США №6508895, выданном Линн и др. (Lynn et al), ссылкой включенном в настоящее описание, описывается безбумажный гипсоволокнистый лист, который имеет улучшенную ударопрочность по сравнению с гипсоволокнистым листом благодаря использованию процесса, в котором изготавливают многослойный гипсоволокнистый лист, имеющий гибкую сетку, предпочтительно, сетку из стекловолокна, заделанную в заднюю сторону листа, для обеспечения повышенной ударопрочности. В этом процессе сетку подают в зону изготовления листа до прессования листа перед сушкой. Факультативно, в верхний слой гипсоволокнистого листа могут заделывать второй слой сетки.

[0016] В патенте США №4199366 А, выданном Шафер и др. (Schaefer et al.), который ссылкой включается в настоящее описание, раскрывается армированный волокнами вяжущий материал, имеющий короткие волокна поливинилового спирта в количестве по меньшей мере 2 объемных % от общего объема материала. Эти волокна имеют относительное удлинение при разрыве примерно 4-8% и модуль более 130 г/дтекс. Предлагается также способ изготовления этого материала.

[0017] В патенте США №4306911 A, выданном Гордону и др. (Gordon et al.), который ссылкой включается в настоящее описание, предлагается способ производства армированного волокнами получаемого гидравлическим путем схватывающегося материала.

[0018] В патенте США №4339273 А, выданном Мейер и др. (Meier et al.), который ссылкой включается в настоящее описание, раскрываются способ получения армированного волокнами гидравлически схватывающегося состава, полученный состав и его использование.

[0019] В патенте США №5298071 А, выданном Вондран (Vondran), который ссылкой включается в настоящее описание, раскрывается состав из волокон и способного к гидратации вяжущего материала, включающего однородное дисперсионное совместно волокно в способном к гидратации вяжущем порошке.

[0020] В патенте США №5817262 А, выданном Энглерт (Englert), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается способ получения гипсоволокнистого листа с древесными волокнами с улучшенной влагостойкостью путем добавки водной эмульсии силоксана в суспензию обожженного гипса и древесных волокон при температуре выше точки, в которой полугидрат регидратирует в гипс.

[0021] В патенте США №6010596, выданном Сонг (Song), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается способ получения влагостойкого гипсоволокнистого листа с древесными волокнами путем добавки эмульсии парафина в суспензию обожженную гипса и древесных волокон до того, как кальция сульфат полугидрат регидратирует в гипс.

[0022] В патенте США №6221521 В1, выданном Линн (Lynn), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается трехслойный безбумажный армированный волокнами гипсоволокнистый лист, который является негорючий, и в котором использовано не более 3 мас.% органического материала в его сердцевинном слое и 10-30% бумажного армирующего волокна, добавленных в обожженный гипс в его поверхностные слои.

[0023] В патенте США №6268042 В1, выданном М.Бэйг (Baig), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается высокопрочный, низкой плотности волокнистый лист для использования в мебели, изготовленный из минеральной ваты, легкого заполнителя, 20-35% волокна целлюлозы, вяжущего и до 23% твердых частиц гипса.

[0024] В патенте США №6406779 В1, выданном Карбо и др. (Carbo et al.), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается безбумажный гипсоволокнистый лист, изготовленный из обожженного гипса и добавленного волокна целлюлозы, с улучшенными поверхностными характеристиками за счет добавления термоотверждаемой грунтовки, представляющей собой водную эмульсию пленкообразующего полимерного материала.

[0025] В патенте США №6508895 В2, выданном Линн и др. (Lynn et al.), который ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается безбумажный многослойный гипсоволокнистый лист с повышенной ударопрочностью, который имеет сетку из стекловолокна, заделанную в его заднюю сторону.

[0026] В патентах США №6531210 В2 и 7056460, выданном Энглерт (Englert), которые ссылкой полностью включаются в настоящее описание, раскрывается способ получения усовершенствованного гипсоволокнистого листа с древесными волокнами путем добавки устойчивой эмульсии метилендифенилдиизоцианата в водную суспензию обожженного гипса и древесных волокон непосредственно перед тем, как суспензию подают в напорный ящик в процессе, описанном в патенте США №5558710 А выше.

[0027] В заявке US 2005/0161853 на имя Миллер и др. (Miller et al.), которая ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается усовершенствованный способ обжига гипса и волокна целлюлозы при изготовлении изделий из гипса/волокна целлюлозы путем добавления модификаторов кристаллов перед нагреванием, чтобы сократить время и уменьшить температуру, необходимые для завершения обжига, или увеличить соотношение геометрических размеров игольчатых кристаллов, образующихся во время процесса обжига.

[0028] В заявке US 2006/0243171 на имя Ю и др (Yu et al.), которая ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается ускоритель схватывания влажного гипса, содержащий органическое фосфоновое соединение, фосфатосодержащее соединение и их смеси для повышения регидратации обожженного гипса.

[0029] В заявке US 2007/0056478 на имя Миллер и др. (Miller et al.), которая ссылкой полностью включается в настоящее описание, раскрывается усовершенствованный способ получения водостойкого гипсоволокнистого листа, который включает стадию, на которой в обожженную суспензию кальция сульфата полугидрата и волокна целлюлозы добавляют силиконовое соединение и магния оксид после стадии обжига и до обезвоживания суспензии для получения фильтровальной лепешки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0030] Настоящее изобретение относится к усовершенствованному гипсоволокнистому листу и энергетически эффективному способу со значительно меньшим временем схватывания по сравнению с нынешними технологическими процессами изготовления гипсоволокнистых листов, которым изготавливают улучшенный гипсоволокнистый лист, армированный волокном целлюлозы, практически не имеющий негидратированного полугидрата (далее по тексту именуемого «НПГ»), который нельзя легко регидратировать в гипс без добавления воды. Хотя НПГ и можно регидратировать в гипс после сушки путем добавления воды, особенно важно количество НПГ, поскольку результирующий ГВЛ, изготовленный из этого регидратированного НПГ, будет обладать намного меньшей прочностью по сравнению с листами, изготовленными из полугидрата, регидратированного в гипс до сушки ковра. Усовершенствованный гипсоволокнистый лист имеет более низкую плотность, бóльшую гибкость и значительно более короткое время схватывания по сравнению с гипсоволокнистым листом, изготовленным с тем же количеством волокна целлюлозы, но у которого все волокно целлюлозы добавлено в гипс до обжига гипса.

[0031] В предлагаемом способе необожженный гипс и первую порцию частиц-хозяев, например бумажного волокна, смешивают с достаточным количеством жидкости до получения разбавленной суспензии, которую затем нагревают паром под давлением для обжига гипса, превращая его в альфа кальция сульфат полугидрат. Хотя микромеханика настоящего изобретения не совсем понятна, считается, что разбавленная суспензия-растворитель промывает частицы-хозяева, перенося растворенный кальция сульфат в имеющиеся в них пустоты. Полугидрат в конечном итоге служит центром кристаллизации и образует кристаллы, преимущественно игольчатые кристаллы, в месте и вокруг пустот частиц-хозяев. При необходимости в этом в суспензию могут добавлять модификаторы кристаллов. Полученный в результате композит представляет собой частицы-хозяева, физически сблокированные с кристаллами кальция сульфата. Это блокирование не только создает хорошую связь между кальция сульфатом и более прочными частицами-хозяевами, но и предотвращает миграцию кальция сульфата из частиц-хозяев, когда полугидрат впоследствии регидратируют в дигидрат (гипс).

[0032] Множество таких комбинированных частиц образуют массу материала, которую могут уплотнить, спрессовать в листы, отливать, ваять, отливать в формы или формировать иным образом в нужную форму до окончательного схватывания. После окончательного схватывания этот комбинированный материал можно резать, долбить долотом; строгать стамеской, пилить и обрабатывать механически иным образом. Кроме того, он обладает необходимой огнестойкостью и размерной устойчивостью гипса плюс некоторыми улучшениями характеристиками (особенно прочности и ударной вязкости), привнесенными субстанцией частиц-хозяев.

[0033] В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения, частицы-хозяева представляют собой бумажное волокно. Как показано на фиг.2, бумагу вначале превращают в волокнистую массу, а затем смешивают с водой до получения суспензии, содержащей примерно 3-4,5 мас.% (на основании общего содержания твердых частиц). Измельченный необожженный гипс также смешивают в смесителе с достаточным количеством воды до получения суспензии, имеющий примерно 65-85 мас.% воды. Суспензии измельченного гипса и превращенной в волокнистую массу бумагу затем смешивают в другом смесителе 10 до получения однородной суспензии, которую подают в сосуд высокого давления (систему реактора) 22. В сосуде высокого давления (системе реактора) суспензию нагревают до температуры, достаточной для превращения гипса в кальция сульфат полугидрат. При этом суспензию в сосуде высокого давления желательно непрерывно перемешивать путем легкого помешивания или смешивания, чтобы разбивать любые сгустки или комья волокон, и поддерживать все частицы во взвешенном состоянии. В сосуде высокого давления полугидрат выпадает из раствора в осадок и образует игольчатые кристаллы альфа полугидрата. Затем давление на суспензию продукта сбрасывают, когда суспензию выпускают из системы реактора в удерживающий бак 23. Остаток волокон-«хозяев» ("превращенной в волокнистую массу бумаги"), т.е. вторую порцию бумажных волокон, добавляют в суспензию гипса и волокон вместе с другими факультативными ингредиентами в статическом смесителе 24. Волокна-хозяева обычно представляют собой бумажные волокна. В число добавляемых ингредиентов могут включать выбранные добавки, изменяющие технологический процесс или усиливающие свойства, такие как ускорители, замедлители, наполнители для уменьшения массы, водостойкие добавки и т.п. Еще горячую, результирующую суспензию продукта 46 из статического смесителя 24 выпускают через напорный ящик 12 на непрерывный отливный конвейер 42, подобный используемому в бумагоделательных операциях, для получения фильтровальной лепешки и удаления как можно больше несвязанной воды. Из фильтровальной лепешки отливным обезвоживающим конвейером 42 можно удалить до 90% воды. В результате удаления воды и пропусканию воздуха через полученный ковер через вакуумные короба 14 фильтровальная лепешка охлаждается до температуры, при которой может начаться регидратация. Однако может все же потребоваться обеспечить дополнительное внешнее охлаждение, чтобы снизить температуру достаточно для осуществления регидратации в течение приемлемого отрезка времени.

[0034] Перед тем как произойдет обширная регидратация, фильтровальную лепешку предпочтительно уплотняют в лист нужной толщины и/или плотности. Если листу необходимо придать специальную структуру поверхности или ламинированную поверхностную отделку, это предпочтительно осуществляют во время этой стадии процесса или после нее. При прессовании во влажном состоянии, которое предпочтительно осуществляют при постепенном повышении давления, чтобы сохранить целостность изделия, удаляют дополнительную воду, например, примерно 50-60% остающейся воды. Затем на стадии прессования в полутвердом сухом состоянии ковер дополнительно прессуют. В результате дополнительного удаления воды фильтровальную лепешку охлаждают дополнительно до температуры, при которой происходит быстрая регидратация. Кальция сульфат полугидрат гидратирует в гипс, и при этом игольчатые кристаллы кальция сульфата полугидрата преобразуются в кристаллы гипса в месте волокон целлюлозы и вокруг их. После некоторой регидратации листы можно сушить в печи и затем резать и обрезать, если нужно. Предпочтительно, температуру сушки необходимо поддерживать достаточно низкой во избежание повторного обжига любого гипса на поверхности.

[0035] Волокна целлюлозы равномерно распределены в суспензии гипса и волокон целлюлозы. Хотя волокна целлюлозы предпочтительно добавлять в суспензию в статическом смесителе до напорного ящика волокна целлюлозы можно добавлять в суспензию гипса и волокон в напорном ящике при условии, что перед укладкой на конвейер 42 волокна равномерно диспергированы в суспензии продукта 46.

[0036] Установлено, что предлагаемый способ позволяет уменьшить общее количество волокна целлюлозы, добавляемого в гипс на стадии обжига примерно на 50-70% от общего добавленного волокна целлюлозы или примерно 3-4,5 мас.% волокон целлюлозы. Остальное волокно целлюлозы добавляют после обжига без ухудшения свойств гипсоволокнистого листа с волокнами целлюлозы. Предлагаемый способ позволяет уменьшить общую потребляемую энергию на обжиг примерно на 35-40% или более, а время обжига сократить примерно до 15-18 минут, и, весьма неожиданно, сокращает время схватывания гипсоволокнистого листа (ГВЛ) без ухудшения его свойств.

[0037] Кроме того, предлагаемый способ допускает большее количество обожженного гипса и меньшие количества высококачественных бумажных волокон или волокон целлюлозы в процессе обжига без утраты структурных свойств гипсоволокнистого листа, требуемых в этой отрасли.

[0038] Как уже отмечалось, существует необходимость в строительных листах, которые легче и могут заменить имеющиеся в настоящее время гипсоволокнистые листы, имеющие следующие недостатки: высокая плотность изделия, низкая ударная вязкость, низкая технологичность при установке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

[0039] ФИГ.1 представляет собой схему вида в перспективном изображении одного варианта осуществления предлагаемого гипсоволокнистого листа 10 с волокнами целлюлозы.

[0040] ФИГ.2 представляет собой схематическое представление варианта осуществления предлагаемого способа изготовления гипсоволокнистого листа.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

А. ЛИСТ

[0041] Настоящее изобретение относится к армированному, размерно-устойчивому гипсоволокнистому листу с волокнами целлюлозы. ФИГ. 1 представляет собой вид в перспективном изображении предлагаемого листа 10.

[0042] Лист содержит однородную фазу, полученную в результате отверждения водной смеси гипса и целлюлозных волокон, причем лист содержит, на основе сухого вещества, 95-70 мас.% гипса, 5-10 мас.% целлюлозного волокна и примерно 0-3 мас.% негидратированного полугидрата ("НПГ").

[0043] Основными исходными материалами, используемыми для изготовления листов изобретения, являются неорганическое вяжущее, например, альфа кальция сульфат альфа полугидрат, целлюлозное волокно из "частиц-хозяев", вода и факультативные добавки, а также добавляемое волокно целлюлозы, которое добавляется в суспензию обожженного гипса перед тем, как суспензия формируется в ковер.

[0044] Листы волокна во многих случаях применения, например при чистовой обшивке, прибивают гвоздями и крепят винтами к вертикальному каркасу.

[0045] Другим отличительным признаком данного изобретения является то, что полученный в результате ГВЛ конструктивно исполнен таким образом, что добавленные волокна целлюлозы равномерно распределены по всему листу. Процент волокон относительно массы готового изделия предпочтительно находится в пределах примерно 6-10%, например, равен 6 мас.%.

[0046] Специалистам в области изготовления листов будут очевидны и другие способы укладки смеси суспензии и добавления волокон целлюлозы. Например, вместо использования нынешнего непрерывного способа изготовления непрерывного листа можно было бы использовать и способ периодического действия для изготовления листов подобным образом, которые после достаточного схватывания материала можно резать на листы нужного размера.

В. СОСТАВ

[0047] Компонентами, используемыми для изготовления предлагаемых листов, являются кальция сульфат дигидрат, бумажные или иные целлюлозные волокна, альфа кальция сульфат альфа полугидрат и вода. Для регулирования характеристик схватывания сырого (т.е. негидратированного) материала в состав могут добавляться небольшие количества вяжущих, ускорителей и/или замедлителей. Типичными добавками, не ограничивающими объем настоящего изобретения, являются ускорители для альфа кальция сульфат полугидрата, такие как гипс.

[0048] Предлагаемые листы содержат однородную фазу, в которой равномерно распределено некоторое количество волокон целлюлозы. Как показано на ФИГ.2, однородная фаза является результатом отверждения водной смеси обожженного гипса и волокна целлюлозы из реактора под давлением и водной суспензии дополнительных волокон целлюлозы, введенной в суспензию гипса и волокон после того, как она выходит из реакторов реактора и непосредственно перед напорным ящиком для суспензии, откуда она подается на формирующую ленту при температуре примерно 180-200°F под атмосферным давлением.

[0049] Типичные широкие пропорции вариантов осуществления предлагаемых составов, на основании массы сухого вещества, приведены ТАБЛИЦЕ 1.

ТАБЛИЦА 1
ТИПИЧНАЯ МАССОВАЯ ПРОПОРЦИЯ СМЕСИ (НА ОСНОВАНИИ МАССЫ СУХОГО ВЕЩЕСТВА)	ШИРОКИЙ ДИАПАЗОН, МАС.%	ТИПИЧНЫЙ ДИАПАЗОН, МАС.%	БОЛЕЕ ТИПИЧНЫЙ ДИАПАЗОН, МАС.%
Гипс	70-95	90-94	90-92
Волокна целлюлозы, добавленные в гипс до обжига	2-15	3-5	3-4,5
Волокно целлюлозы, добавленное в суспензию после выхода из обжигового реактора	3-15	3-5	3-4,5
Всего волокна целлюлозы	5-30	6-10	8-9
НПГ	5,0-10,0	0,0-3,0	0,0-3,0
Добавки	1,0	1,0	1,0
Итого	100	100	100

[0050] В первом варианте осуществления изобретения сухими ингредиентами состава будут гипс и волокна целлюлозы, а влажными ингредиентами состава будет вода. Для получения предлагаемого листа сухие ингредиенты и влажные ингредиенты объединяются. Волокна целлюлозы, добавленные в смесь гипса и волокон целлюлозы, выходящую из реактора, равномерно распределены в матрице по всей толщине листа. Из общей массы сухих ингредиентов предлагаемый лист обычно содержит примерно 90-95 мас.% гипса и 5-10 мас.% целлюлозного волокна, причем первая порция волокна целлюлозы добавляется до обжига и вторая порция волокна целлюлозы, обычно по меньшей мере половина общего содержания волокна целлюлозы в готовом листе, добавляется после того, как суспензия гипса и целлюлозы выходит из реактора. В типичном промышленном варианте осуществления лист будет содержать примерно 90-92 мас.% гипса и примерно 8-10 мас.% волокна целлюлозы на основе массы ингредиентов в сухом состоянии.

1. Кальция сульфат полугидрат

[0051] Кальция сульфат полугидрат, который может использоваться в предлагаемых листах, изготавливается из гипсовой руды, естественно встречающегося полезного ископаемого (кальция сульфат дигидрат CaSO₄·1/2H₂O), или других источников химических побочных продуктов. Если не будет указано иное, термин «гипс» будет означать дигидратную форму кальция сульфата. Сырой гипс подвергается термической обработке для получения схватывающегося кальция сульфата, но чаще это полугидрат, CaSO₄·1/2H₂O. Для известных конечных использований схватывающийся кальция сульфат реагирует с водой для отверждения путем образования дигидрата (гипс). Полугидрат имеет две признанные морфологии, называемые альфа полугидрат и бета полугидрат. Они выбираются для различных случаев применения, исходя из их физических свойств и стоимости. Обе формы реагируют с водой с образованием кальция сульфат дигидрата, обычно с большим соотношением геометрических размеров. Альфа полугидрат образует более плотные микроструктуры, обладающие более высокой прочностью и плотностью по сравнению с микроструктурами, образованными бета полугидратом. Это может быть обусловлено тем фактом, что альфа полугидрат требует меньше воды для получения текучей суспензии, что дает в результате более плотную отливку и бóльшую прочность. Поэтому альфа полугидрат мог бы заменить бета полугидрат, чтобы повысить прочность и плотность, или же их можно было бы комбинировать для регулирования свойств.

[0052] Типичный вариант осуществления для неорганического вяжущего, используемого для изготовления предлагаемых листов, представляет собой смесь, содержащую альфа кальция сульфат полугидрат и лигноцеллюлозного волокна из бумаги, такой как крафт-бумага, макулатура и т.п.

2. «Частицы-хозяева»

[0053] Термин «частицы-хозяева» охватывает любую макроскопическую частицу, такую как волокно, стружку или пластинку, вещества, иного, нежели гипс. Эта частица, которая обычно нерастворима в жидкости суспензии, должна также иметь в себе доступные пустоты, будь то ямки, трещины, бороздки, полые сердечники или иные поверхностные изъяны, проницаемые для растворителя суспензии и в которых могут образовываться кристаллы кальция сульфата. Кроме того, желательно, чтобы эти пустоты присутствовали на значительной части частицы, поскольку чем больше этих пустот и чем лучше они распределены, тем геометрически устойчивее будет физическая связь между гипсом и частицами-хозяевами. Субстанция частиц-хозяев должна иметь необходимые свойства, отсутствующие у гипса, и, предпочтительно, по меньшей мере, более высокую прочность на растяжение и на изгиб. Лигноцеллюлозное волокно, особенно бумажное волокно, служит примером частиц-хозяев, особенно подходящих для предлагаемого комбинированного материала и способа. Поэтому без намерения ограничить материал и/или частицы, подходящие в качестве частиц-хозяев, далее для удобства вместо более широкого термина часто используется термин «бумажное волокно».

3. Гипс/волокно целлюлозы

[0054] Термин «гипсоволокнистый лист» (ГВЛ), используемый в тексте настоящего описания, охватывает смеси гипса и частиц-хозяев, включая волокна целлюлозы, например бумажные волокна, которые используются для изготовления листов, в которых, по меньшей мере, часть гипса находится в виде игольчатых кристаллов кальция сульфат дигидрата, расположенных в пустотах частиц-хозяев, причем кристаллы дигидрата образуются на месте путем гидратации игольчатых кристаллов кальция сульфата полугидрата в пустотах и возле них. Гипсоволокнистые листы изготавливают способом, показанным на ФИГ.2, который представляет собой измененный первоначальный способ изготовления гипсоволокнистого листа по патенту США №5320677.

[0055] Обычно бумажные волокна доступны крупными кусками, которые превращают в волокнистую массу во влажном состоянии с получением однородной суспензии с содержанием твердых частиц примерно 4 мас.%.

Б. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ЛИСТА

1. Смешивание суспензии

[0056] Предлагаемый способ изготовления комбинированного листа иллюстрируется на схеме на ФИГ.2.

[0057] Способ начинают со смешивания необожженного гипса и частиц-хозяев (например, бумажных волокон) с водой до получения разбавленной водной суспензии. Источником гипса может служить необогащенная руда или побочный продукт обессеривания дымовых газов или процесс получения фосфорной кислоты. Гипс обычно должен быть чистотой 82-98% и обычно тонкоизмельченным, например, до 92-96% минут 100 меш или мельче. Более крупные частицы могут продлить время преобразования. Гипс может вводиться либо в виде сухого порошка, либо как водная суспензия.

[0058] В соответствии с настоящим изобретением, суспензию гипса и волокна целлюлозы обжигают вместе любым подходящим способом. Типичный способ приготовления этой комбинированной суспензии описан в патенте США №5320677, который полностью ссылкой включается в настоящее описание. В соответствии с настоящим способом, гипсоволокнистый слой с волокном целлюлозы с добавленным волокном целлюлозы помещают на формующий экран 44 на обезвоживающем конвейере 30, используя GFD суспензию волокна, через напорный ящик 12 и обезвоживают его, используя вакуумную станцию 14, для получения слоя суспензии гипса и бумажного волокна на пористой формирующей ленте (экране) 42.

[0059] Вернемся к ФИГ.2. Основной способ начинают со смешивания необожженного гипса с водой для получения первой суспензии, затем превращают бумагу в волокнистую массу с водой для получения однородной суспензии, и эти две суспензии объединяют в смесителе 11, оснащенном мешалкой (не показана), для получения разбавленной водной суспензии. Источником гипса обычно может служить необогащенная руда или побочный продукт обессеривания дымовых газов. Гипс должен быть относительно высокой чистоты, т.е. предпочтительно по меньшей мере 92-96%, и тонкоизмельченным, например, до 92-96% минус 100 - минус 200 меш или мельче. Более крупные частицы могут продлить время преобразования. Гипс обычно вводят в виде водной суспензии.

[0060] Частицами-хозяевами предпочтительно является целлюлозное волокно, которое могут получать из макулатуры, древесной массы, древесных стружек и/или иного источника растительных волокон. Волокно предпочтительно должно быть пористым, полым разделенным и/или с шероховатой поверхностью, чтобы его физическая геометрия создавала доступные поры или пустоты, в которые будет проникать растворенный кальция сульфат. Кроме того, в любом случае источник, например, древесная масса, может потребовать предварительной обработки для разбивки сгустков, отделения материала большего или меньшего размеров и, в некоторых случаях, предварительного извлечения материалов, замедляющих прочность и/или загрязнителей, которые могли пагубно повлиять на обжиг гипса; такие как гемицеллюлоза, кислота уксусная и т.п.

[0061] Суспензию измельченного гипса, содержащую обычно 40 мас.% твердого вещества, и суспензию волокон целлюлозы, например, бумажных волокон, обычно имеющую консистенцию примерно 4%, смешивают с достаточным количеством воды для получения комбинированной суспензии, обычно содержащей примерно 15-35 мас.% твердого вещества. Твердые вещества в суспензии должны составлять примерно 0,5-5,0 мас.% волокон целлюлозы, а остальное, главным образом, - гипс.

2. Преобразование в полугидрат

[0062] Суспензию подают в сосуд (сосуды) давления или автоклав (автоклавы) 22, оснащенный устройством непрерывного перемешивания или смешивания. В этот момент в суспензию могут добавлять, при необходимости в этом, модификаторы кристаллов, такие как органические кислоты, чтобы стимулировать или замедлить кристаллизацию или уменьшить температуру обжига. В реакционный сосуд 22 подают пар, чтобы повысить температуру в сосуде примерно до 100-177°C (212-350°F), а давление до 70 фунтов-сил/кв. дюйм для насыщенного пара; причем более низкая температура представляет собой приблизительно практический минимум, при котором кальция сульфат дигидрат будет обожжен в полугидратное состояние в течение обоснованного времени; а более высокая температура представляет собой примерно максимальную температуру для обжига полугидрата без риска вызвать преобразование некоторой части кальция сульфата полугидрата в ангидрит. Температура реакционного сосуда равна предпочтительно порядка примерно 140-152°C (285-305°F).

[0063] При обработке суспензии при этих условиях в течение достаточного времени, например, порядка 18-23 минут, из молекулы кальция сульфата дигидрата будет выведено достаточно воды, чтобы превратить ее в молекулу полугидрата. Раствор, поддерживаемый посредством непрерывного перемешивания для поддержания частиц во взвешенном состоянии, будет смачивать и заполнять открытые пустоты в частицах-хозяевах. При достижении насыщения раствора полугидрат будет служить центром кристаллизации и начнет образование кристаллов в пустотах, на них, и вокруг них, и вдоль стенок волокон-хозяев.

[0064] Первое значительное усовершенствование нынешнего способа заключается в том, что при добавлении в реактор для совместного обжига с гипсом лишь половины используемого волокна целлюлозы количество пара, необходимое для обжига смеси, уменьшается на 30-40% или более по сравнению с количеством пара, используемым при добавлении в реактор 22 всего волокна целлюлозы.

[0065] Считается, что при протекании реакции автоклавной обработки растворенный кальция сульфат проникает в пустоты в волокнах целлюлозы и затем осаждается в виде игольчатых кристаллов полугидрата в пустотах, на поверхностях целлюлозных волокон и вокруг них. Когда превращение завершено, давление в автоклаве уменьшают, после чего могут вводиться любые нужные добавки, включая парафиновую эмульсию, обычно в напорном ящике 12 или до него, а затем суспензию 46 выпускают на движущуюся пористую ленту 44 обезвоживающего конвейера 42. В момент способа после того, как суспензия выходит из реактора 22 и удерживающего бака 23, вводится в статический смеситель 24, в суспензию гипса и целлюлозы обычно добавляют дополнительные волокна целлюлозы. Смешанная суспензия гипса и целлюлозы, включая вторую порцию добавленного волокна целлюлозы из гидроразбивателя и любые факультативные добавки, затем подается в напорный ящик 12. Обычные добавки, включая ускорители, замедлители, консерв