CN1042012C - 新的复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进的复合材料，其制造方法包括在稀淤浆中混合石膏和更坚固物质的基质颗粒；加压下加热淤浆以使石膏转化成硫酸钙α-半水合物，在半水合物重新转化成石膏之前基本上脱去热淤浆中的水。得到的材料是含与不连续基质颗粒物理锁联的石膏晶体的均匀块体。本发明还涉及具有耐火、尺寸稳定和极好强度性能的改进壁板，其制备方法是在复合块体水化成最终产物前压缩复合体块体。
Description
本发明涉及一种新的复合材料。具体地说，本发明涉及一种特别适用于制备建筑材料和灰泥产品的石膏/纤维素纤维复合材料。更确切地说，本发明涉及一种耐火的复合石膏/木纤维板。
石膏(硫酸钙二水合物)的某些特性使其非常普遍用于制备工业和建筑灰泥材料和其它建筑产品，特别是石膏壁板。这种原材料来源丰富且一般廉价，通过脱水和再水化，通过浇铸、模制或用其它成型方法制成有用的成型制品。而且，这种材料不燃，在暴露在湿气氛下尺寸保持相对稳定。但是，由于它是脆性结晶材料，抗拉强度和弯曲强度相当低，所以其用途一般局限于非结构、非承载和非冲击吸收方面的应用。
石膏壁板，亦称灰泥板或干板，由夹在多层纸盖片间的再水化石膏芯构成，大量用于内壁和天花板方面的应用。纸盖片对灰泥板的强度起显著作用，这但自然会损坏其耐火性。此外，由于其石膏芯的脆性和不易钉钉和拧螺丝，常用的干板本身不能支撑住重的悬挂物或吸收显著的冲击。
所以，迄今一直在寻求能改进石膏灰泥和建筑产品的抗伸、弯曲、钉钉和拧螺丝等性能的手段，而且目前对此极为重视。
另一种也广泛用于建材的易获得的和较廉价的材料是木质纤维素材料，特别是木材纤维和纸纤维形式的纤维素材料。举例来说，除了木材之外，颗粒板、纤维板、压片板、胶合板和硬质板(高密度纤维板)是建筑业用的加工的木质纤维素材料产品的一些形式。这类材料具有比石膏更好的抗拉伸和弯曲强度。但是，它们一般价格偏高，耐火性差，而且当暴露在湿气氛下时，常常易溶胀或翘曲。因此，需要提供一种能改进因用纤维素材料制成的建材的局限性的手段。
以前曾作过结合石膏和纤维素纤维，特别是木纤维的有利特性的尝试并已很有限地获得成功。把纤维素纤维(或这方面其它纤维)加到石膏灰泥和/或灰泥板芯中的尝试一般不会使强度提高或提高很小，因为迄今不能使纤维和石膏之间产生任何显著结合力。美国专利4,328,178；4,239,716；4,392,896和4,645,548公开了近来的例子，其中木纤维或其它天然纤维混入灰泥(硫酸钙半水合物)淤浆以用作再水化石膏板等的增强材料。类似地，把石膏颗粒加到木纤维产品的尝试也已经不用了，因为这种方法不能使足够的石膏保持在产品中，所以实质上改进不了基本材料的耐火性或尺寸稳定性。
近来，一些厂商在制备含石膏和木材纤维或纸纤维的混合物的板材产品中获得了有限的成功。在这些方法中，把煅烧的石膏(灰泥)与木材纤维或纸纤维和水混合，配制成淤浆，然后，同时或在将灰泥再水化以成固化石膏之前压制。
在一种这样的方法中(先有技术方法A)，是将废纸与灰泥在淤浆水溶液中混合，然后排放到制毡传送带上并脱水。将薄的半水合物/纸饼包卷缠绕在圆筒上，累积成板的厚度，然后定尺剪切。将未加工的毡料层叠在硬质板间的车上，并水合约3-4小时。然后，将硬化板干燥、修整和砂磨，根据需要再封口。
在一种所谓“半干燥”法(现有技术方法B)中，是把灰泥和废纸干混。第二混合机中加入一部分再水化所需的水，混合物料在连续传送带上形成不同层。剩下的所需水喷在若干层上，然后在送入连续压制机前，把这些层合并成多层垫层。在初始固化后，切割并修整粗板，并在支撑带上“充分固化”，然后干燥。
在另一种所谓“半干燥”法(现有技术方法C)中，把灰泥和木片预先干混。将冰或雪晶体状的水计量加入混合物中，然后喷到连续压制机底部上的环垫层上。在垫层压制到所需厚度后，将缓慢溶化，然后发生水化。在木板最后固化后，将其切割、修整和干燥。如果不需要，可进行砂磨处理。
对用这些方法制得的工业板材的检查结果表明，它们是由分散的石膏和纤维材料的密实混合物构成，即与均匀复合体相比，它们是物理混合更好的混合物。尽管可以把石膏说成是提供或用作这些板材中纤维的粘合剂，但看不出它在石膏晶体和纤维之间有任何有利于直接物理锁联或化学键合作用。此外，无论是因为这些板材的成型方式，还是因为石膏晶体和纤维的机械混合方式，和/或因为纸纤维或灰泥的结块作用，这些板材在其层面上都不具有均匀和单一性质(即例如密度和强度)。
按照近来发布的美国专利4,734,163介绍的方法(现有技术方法D)，粗的或未煅烧的石膏细磨并与5-10％的纸浆混合。混合物被部分脱水，形成饼状物，再用压辊进一步脱水直至水/固体颗粒之比小于0.4。将饼状物切成毛板，修整切割后层叠在双钢板层之间并放入高压釜中。将高压釜内的温度升到约140℃，以使石膏转化成硫酸钙-α-半水合物。在容器板材的后续逐渐冷却过程中，半水合物再水化成二水合物(石膏)，得到板材整体。然后，将板材干燥，需要的话再精加工。
这种方法与前述方法的不同之处在于煅烧石膏是在纸纤维存在下进行的。
本发明的主要目的是提供一种复合材料，这种材料结合了石膏与另外的高强度物质(如木质纤维)，用于制备更坚固的浇铸产品、灰泥、建材或其它应用。
一个相关的目的是提供制备这种复合材料的方法。
本发明的一个更具体的目的是提供由这种复合材料构成的无纸壁板，它是均匀的；具有一致良好的强度(包括在这个层面上具有抗钉子和螺丝拔出的强度)；尺寸稳定性更好，而且即使在含湿气氛下其强度也能得到保持；耐火；和在实用成本下能得以制备。
另一个具体目的是提供一种经济地制备上述壁板的方法。
概括地讲，按照本发明在强度更高的材料的基质颗粒存在下，在稀淤浆中加压煅烧研磨的石膏能实现本发明的主要目的。
具体地说，本发明提供的复合材料包含一种在其表面和/或一部分体上具有空隙的增强材料的基质颗粒，和硫酸钙α-半水合物晶体，其中至少所述硫酸钙α-半水合物为针状，并且一些晶体已在基质颗粒的空隙内和周围就地形成，从而形成与基质颗粒物理锁联的硫酸钙结晶基体。
本发明提供的制造上述复合材料的方法包括在加热和加压下在液体介质中对石膏进行煅烧，所述液体介质促进针状硫酸钙α-半水合物晶体的生长且含许多悬浮在所述介质中和在其表面和体内具有所述液体介质可渗透的空隙的基质颗粒。
这里所用的术语“石膏”指的是稳定二水合物状态下的硫酸钙，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的矿物、合成得到的等同物和由硫酸钙半水合物(灰泥)或脱水物水化形成的二水合物。
术语“基质颗粒”指在包括除石膏外的任何物质的微小颗粒(如纤维、小片或薄片等)。所述颗粒中还应具有可进入的空隙，无论凹坑、裂缝、裂纹、空芯，还是其它表面缺陷，只要能在其内形成硫酸钙晶体即可。这类空隙还最好存在于颗粒的明显部位，可以看出，空隙分布的越多越好，则在石膏和基质颗粒间的物理结合力就越大，几何稳定性就越好。基质颗粒物质应具有石膏缺少的特性，最好是具有至少较高的抗拉强度和弯曲强度。木素纤维素纤维、特别是木纤维是特别适用于本发明的复合材料和方法的基质颗粒。所以，不打算对看作是“基质颗粒”的物料和/或颗粒做限定，以下为方便起见，常使用木纤维代替更广义的术语。
未煅烧的石膏和基质颗粒与足量的液体混合，形成稀淤浆，然后加压下加热以煅烧石膏，使其转化为硫酸钙α-半水合物。虽然尚未搞清楚本发明的微观机理，但据信，稀淤浆浸湿了基质颗粒，并把溶解的硫酸钙携带到其中的空隙中。半水合物终将成核，且在空隙中和附近就地形成晶体(以针状晶体占优势)。需要的话，可将晶体改性剂加到浆料中。所得复合体是与硫酸钙晶体物理锁联的基质颗粒。这种锁联作用不仅在硫酸钙和强度更大的基质颗粒之间产生良好的结合力，而且在半水合物随后再水化成二水合物(石膏)时防止了硫酸钙从基质颗粒迁移出。
这种材料可在其冷却前立即干燥，以提供一种稳定的、但可在以后再水化的半水合物。另外，如果要使其马上直接转化成可使用的产品形式，则除了再水化所需的液体之外，还要从全部液体中进一步分离出复合材料，与其它类似复合颗粒混合，制成所需形状，然后再水化成硬化和稳定的石膏复合块体。
许多的这些复合颗粒被压实、压制成板、浇铸、雕刻、模塑或在最终固化前用其它方法形成所需形状的块体。在最终硬化后，复合材料可进行切割、雕琢、锔开、钻孔和其它机械加工。不仅如此，这种复合材料具有耐火性和石膏的尺寸稳定性以及由于基质颗粒物质所提供的特定的增强性，特别是强度和韧性。
按照本发明的优选实施方案，基质颗粒是木纤维或木碎片。按照本发明，制备复合石膏/木纤维材料的方法是先使约0.5％-约30％、最好约10％-20％(重量)的木纤维与分别补充研磨但未煅烧的石膏混合。然后，使干混物与足够的液体(最好是水)混合，形成水含量约为70％-95％(重量)的稀淤浆。将该稀淤浆在足以使石膏转化成硫酸钙半水合物的温度下于压力容器中进行处理。在该过程中最好借助于轻微搅拌或混合装置连续搅拌浆料，破坏所有纤维结块并使全部颗粒保持在悬浮状态下。在半水合物从溶液中析出和再结晶后，从高压釜排放出产物淤浆，在仍很热时，基本上脱水成滤饼。在本方法的这一点上，约70-90％未结合的水宜从淤浆中除掉。
如果需要复合材料处于半水合状态，则将滤饼保持在高温下(如，约180°F，即82℃)，直至除掉全部剩下的游离水。然后，可将干燥的滤饼粉碎成粉末或颗粒材料，以易于处置、储存和再成型。
另一方法是，可立即对脱水的滤饼材料压制、模塑或用其它方法成型，并冷却到某一温度，在此温度下，硫酸钙半水合物将水化成石膏，同时原地保持在木质纤维中和附近。水化完毕后，最好将固化的块体迅速干燥以除去任何残留的游离水。
按照本发明的另一实施方案，提供了制备复合石膏/木纤维板的方法。混合和高压釜处理石膏和木纤维淤浆的方法大致与上述的相同。某些改进工艺或提高性能的添加剂，如加速剂、缓凝剂、减重填料等等可加到产物淤浆中，最好在从高压釜排放出后和在脱水之前加入。产物浆料被排到连续的毡制传送带上(例如造纸操作使用的类型)，并尽可能多地除去未结合的水。初始实验室试验已表明，在此阶段可除去高达90％的水。在所得滤饼还很热时，将其湿压成所需厚度和/或密度的板。如果板要进行特定的表面纹理处理或层合表面精加工则最好在该工艺步骤之中或之后进行。在湿压中(最好随着逐渐提高压力进行湿压以保持产品的完整性)发生两件事。首先除掉了额外的水份(如约80-90％剩下的水)，结果滤饼进一步冷却。但是，还可能需要提供外部冷却，以使压制的垫层温度在可接受的时间内降到再水化温度以下。再水化完成后，可切割板，需要的话再精整，然后送入窑中干燥。干燥温度最好应保持足够低，以避免任何石膏在表面上再煅烧。
按照前述方法制得的复合石膏/木纤维板提供了所需特性的协同效果，还提供了现有板不能提供的特性。与常用的灰泥板相比，这种复合纤维板提供了改进的强度，包括钉子和螺丝耐拔拉特性在内。与木材、纤维板、颗粒板、压纸板等相比，它还提供了较高的耐火性和在湿气氛下的尺寸稳定性。而且，可制备出密度和厚度范围很宽的复合纤维材料。如下表所示，本发明可制备一种断裂模量(MOR)与用前面介绍的现有技术工艺制得的石膏纤维板产品不相上下的复合板，但其密度低，因而重量轻，成本可更小。
在本领域专业人员详细阅读了以下说明和参考附图后会得知本发明的这些和其它优点。以下附图构成了本说明书的一部分，其中：
图1是按照本发明的一个方案形成复合材料的方法的示意图；
图2是按照本发明的另一方案形成复合板的示意图；
图3是一组木纤维的扫描电子显微镜(SEM)的显微图(100倍)；
图4是一组复合石膏/木纤维颗粒的SEM显微图(100倍)；
图5是一簇木纤维截面的SEM显微图(1000倍)；
图6是本发明的复合体颗粒截面的SEM显微图(100倍)；
图7是木纤维表面的SEM显微图(1000倍)；
图8是与图7中相同的木纤维的SEM显微图(4000倍)，它示出了在邻近凹腔内的石膏晶体。
图9(a)、9(b)、9(c)、9(d)、9(e)和9(f)是用现有技术方法制得的石膏/木片板截面的SEM显微图(分别是20倍，100倍，200倍，500倍，1000倍和1000倍)；以及
图10(a)、10(b)、10(c)、10(d)和10(e)是按本发明制得的复合壁板截面的SEM显微图(分别是50倍，100倍，500倍，1000倍和2500倍)。
如图1示意说明，这种基本方法是先混合未煅烧石膏、基质颗粒(木纤维)和水以形成稀的水淤浆。石膏可选用原矿或烟道气脱硫或磷酸工艺的副产品。石膏的纯度应较高，即最好至少约92-96％，且细磨到例如92-96％的颗粒为低于100目或更小。较大的颗粒可使转化时间延长。可以干粉或借助于水淤浆引入石膏。
纤维素纤维的来源可以是废纸、木浆、木片和/或其它植物纤维。纤维最好是多孔的、空心的、碎裂的和/或粗面的纤维，以便其物理几何形状能提供渗入溶解的硫酸钙的间隙或空隙。在任何情况下，纤维素纤维(如木浆)在加工之前要求粉碎成碎块、分离尺寸过大或过小的材料，并在某些情况下，还要预先抽提与强度有关的物料和/或可能会对煅烧石膏产生不利影响的杂质，如半纤维素、乙酸等等。
研磨过的石膏和木纤维以木纤维为0.5-30％的重量比进行混合。加入足量的水以配制成约5-30％(重量)固体含量的淤浆，尽管迄今5-10％(重量)固体颗粒已足以有效地在可利用的实验室设备上加工和处理。
将淤浆加入到一个配有连续搅拌或混合装置的压力容器中。需要的话，可在此时将结晶改性剂(如有机酸)加到料浆中以促进或阻碍结晶或降低煅烧温度。在封闭容器之后，将蒸汽注入到容器中，以使容器的内部温度提高到约212°F(100℃)和约350°F(177℃)之间，自生加压；该下限温度约为实际最低温度，在此温度下，硫酸钙二水合物将在适当时间内煅烧成半水化物态；该上限温度约为煅烧半水合物的最高温度，在此温度下不会冒着使一些硫酸钙半水合物转化为无水硫酸钙的风险。从目前已做的工作看，高压釜的温度最好是在约285°F(140℃)-305°F(152℃)范围内。
当淤浆在这些条件下处理足够长的时间(如约15分钟)时，从硫酸钙二水合物分子中将脱出足够水以使其转化为半水合物分子。溶液(借助于连续搅拌使颗粒保持在悬浮液中)将浸湿和透入基质纤维的开口空隙中。当溶液达到饱和时，半水合物将成核并在空隙的内、上和周围和沿基质纤维壁开始形成晶体。
在二水合物转化为半水合物完成后，可加入任选的添加剂和将淤浆排到脱水装置中。在脱水装置中，除掉高达90％的淤浆水，留下含约35％(重量)水的滤饼。在此阶段，滤饼由与可再水化的硫酸钙半水合物晶体锁联的木纤维素构成，并仍可碎成单个的复合纤维或球粒，成型，浇注或压实成高密度。如果需要将复合材料保持在这种可再水化的状态下便于将来使用，则必须将其迅速干燥(最好在约200°F即93℃)，以在水化开始前脱除剩下的游离水。
另外，也可将脱水的滤饼直接形成所需产品形状，然后再水化成复合硫酸钙二水合物和木质纤维的固化的块体。为此，将形成的滤饼温度降低到低于约120°F(49℃)以下。尽管在脱水步骤中抽提出大量的水将会显著降低滤饼的温度，但可能还需要辅助外部冷却以在合适的时间内达到所需水平。
根据料浆中添加的加速剂、缓凝剂、结晶改性剂或其它添加剂的不同，水化反应可为仅几分钟至一小时或更长。由于针状半水合物晶体与木质纤维锁联，和载液从滤饼中大量移出避免了硫酸钙的迁移，留下了均匀的复合体。再水化作用能使半水合物在空隙内和周围和在木纤维上和周围再水化成二水合物，从而使复合材料保持均匀。晶体生长还能使硫酸钙晶体连接到相邻的纤维上，形成很大的晶块，木纤维的增强作用使强度提高。
在水化完成前，最好迅速干燥复合块体以除去剩下的水。否则吸湿木纤维往往会保留、甚至吸收以后将蒸发的未结合水。如果在除掉额外的水之前充分固化硫酸钙面层，则纤维可能会收缩并在未结合的水蒸发时从石膏中脱出。因此，对最佳结果来说，最好在温度下降到水化开始时的温度之前，尽可能多地从复合块体中除掉过量的游离水。
当最终硬化后，该独特的复合材料显示出由这两种组分提供的所希望的性质。木纤维增大了石膏基体的强度，特别是挠曲强度，而石膏作为涂层和粘合剂保护了木纤维，赋予了耐火性并降低由于潮湿引起的膨胀。
上面所讨论的复合石膏/木纤维材料的一个特别适合的应用是生产复合壁板。制造复合壁板的方法在流程图2中作了说明。
从图1的基本方法来看，进料由未煅烧的石膏颗粒、精制的纤维素纤维(最好是木纤维)和水组成。石膏和木纤维分别以约5∶1的比例混合，再加入到足够的水中制成固体含量最好约为5-10％的淤浆。在蒸汽高压釜中，最好在约285至305°F的温度下和在自生压力下处理该淤浆足够的时间，以使所有的石膏转化成含纤维的硫酸钙α-半水合物。在进行转化时，最好对淤浆连续地混合或搅拌以破坏纤维的结块并使原料处于悬浮状态。
在热压操作中，据信溶解的硫酸钙渗入木纤维的空隙中，然后以针状的半水合物晶体沉淀在空隙中、上和周围以及木纤维的表面上。当转化完成后，加入所需的添加剂并将淤浆排在脱水传送带上。当产物淤浆的温度仍较高时，尽可能多地除去水。脱水后，在滤饼的温度降低到低于再水化的温度之前，湿压滤饼几分钟以进一步降低水的含量并达到最终产物的厚度和/或密度。如果需要，借助于外部冷却，使滤饼的温度降低到低于约120°F，从而可发生再水化反应。再水化使石膏就地再结晶，并与木纤维物理锁联然后在约110°F(43℃)至125°F(52℃)，最好为约120°F(49℃)的温度下迅速干燥经压制的板，可切割硬化和干燥的板材，另外再精制成所需规格。
在希望对板进行特种表面精制的情况下，前述方法同样适用于改进的附加步骤。例如，可以预言，可将附加的干磨过的二水合物加到从高压釜中排出的产物淤浆中；当热淤浆排放在脱水传送带上时喷在其表面上或者在形成的滤饼已完全脱水之前洒在其上，从而提供更平滑、更光亮着色和/或具有富集石膏表面的产品板。在湿压操作时可赋予滤饼特殊的表面纹理，从而提供具有纹理面层的板。在湿压步骤之后，也可以在最终干燥之前，可在表面进行叠层或涂层加工。总之，本领域熟练技术人员将很容易对本方法的这一方面作许多其它改进。
由于产品是基本脱水的无纸板，因此干燥所需的能量将明显地低于制造相应的常规灰泥板所需的能量，这是本方法的另一可预料的特征。
下面表1所列的复合材料的四种样品是采用间歇体系由上述方法的4种不同实验制造的。在每一种情况下，未煅烧的石膏进料是具有92-96％不足100目的颗粒的灰泥土，基质颗粒进料是热机械精制的松木浆。
所有的四种样品A、B、C和D随后被压成板样品。对脱水淤浆的加压应使对板的压力每隔30秒逐步增至48、103、173、243、311和380 PSI(磅/平方英寸)。但对样品A加压仅1-0.5分钟就到达173 PSI的最大值。结果，样品A的温度在再水化之前保持在足以发生干燥的温度下，使所测试的样品A主要由半水合物材料构成。
另一方面，湿压样品B、C和D3分钟然后再水化，从而完全形成二水合物。
取每一样品的两个试样，测量其密度和MOR，二次测量的平均值列于表I中。密度是通过将测量的重量除以测量的体积而测得的，而MOR则是按照ASTM D1037试验法测量的。
表1
| 样品 | 固体 | 水淤浆总量的重量％ | 煅烧温度 | 压力时间(分) | 加压后水化时间(分) | 厚度(英寸) | 密度磅/英寸3 | MOR(psi) | ||
| 石膏固体总量的重量％ | 木纤维固体总量的重量％ | °F | (℃) | |||||||
| ABCD | 83.3％83.3％89.9％89.9％ | 16.7％16.7％10.1％10.1％ | 89.389.394.392.2 | 277284295295 | (136)(140)(146)(146) | 1-1/2333 | 0606060 | 0.6880.8261.120.558 | 38.84547.656.8 | 396967841984 |
表I的数据表明，可制造出密度范围很宽的复合石膏/木纤维板。事实上，实验室已制得的样品的密度范围约为26磅/立方英尺至高约60磅/立方英尺。表I中MOR的测量值与相应的密度数据的比较总的来说也支持了实验工作获得的结论，即复合板的强度在某种程度随密度而异。据认为，样品C的强度较低可能是用不精制的实验装置难以处理较稀的淤浆所致。
为了展示本发明制造的复合板的某些特性，将样品B发表与常规灰泥板，木纤维和商售石膏/纤维复合板的样品作比较，正如所述的那样，某些比较样品是本说明书一开始讨论的先有工艺制造的。比较的目的仅仅是在可竞争的板产品的通常环境中选出新的复合板。因为具体性质可变化，甚至在特定的板型或样品范围内，因此读者没必要对难以得出具体结论感兴趣。最后请注意，除非用星号(*)注明，表II所列的所用数据均是在实验室中实际测量而得。用星号标注的数据取之于可得到的文献。
表2
| 样品 | 说明 | 厚度(英寸) | 密度磅/英寸3 | 重量(lbs/msf) | MOR(psi) | 钉固拔拉(lbs/F) | 阻燃性燃烧扩散级 |
| BDEFGH | 本发明(17％木纤维83％石膏灰泥板(石膏芯纸面层)石膏墙板*木纤维板(盖板)中等密度的木纤维板胶合板 | 0.8260.5070.625*0.5531/2(标定)1/2(标定) | 45.041.448.6*17.249.637.8 | 310317242535*78820671468 | 967MD 932CD 307MD 672*CD 224MD 45057184319 | 25.33.05.5N.A. | I级(预期的)I级I级*III级或IV级III/IV级III级 |
表2(续)
| 样品 | 说明 | 厚度(英寸) | 密度磅/英寸3 | 重量(lbs/msf) | MOR(psi) | 钉固拔拉(lbs/F) | 阻燃性燃烧扩散级 |
| IJK | 先有技术方法C(灰泥/木片)先有技术方法B(纸纤维/灰泥)先有技术方法A(纸/灰泥) | 0.5060.2440.477**0.499 | 7070.359.275.5 | 2953143322093146 | 1153N.A.N.A.1062 | 32-10050-6040-4542-70 | I级N.A.N.A. |
MD＝机器走向
CD＝横向
** 含珠光体
从表II的数据可得到某些总的看法。特别注意到，从密度和MOR的比较可得知，新的复合石膏/木纤维板能以比可竞争的石膏纤维板更低的密度提供适应建筑工业的MOR值。还可观察到，新的复合板将提供好的防火特性(可高达I级)，而木纤维板却不能，同时还能在所有方向上提供均匀的高强度，特别是能提供比常规I级灰泥板更大的钉固拔拉(nail pull-out)强度。
虽然表II的数据没有反映出新复合板的成本低于大多数可竞争产品的成本，但这是可以预料的。本发明的新的复合板的成本高于很便宜的灰泥板，但低于木纤维板。可以预料，本发明生产的复合板的成本将低于其它石膏/纤维组合板。
图3-10所示的扫描电镜(SEM)的显微图显示本发明生产的独特复合体的特殊效果。
图3显示了在新的复合材料的样品中用作基质颗粒的一小束裸露的木纤维。观察者可看到这些木纤维的高纵横比和不规则几何形状。
图4显示了在按本发明的方法与石膏结合后类似的一小束同类木纤维。这些纤维看起来更松散且被石膏基本上均匀包覆。
图5显示了与图3同类的一簇隔开的木纤维的放大横截面，该图片揭示了所用的木纤维或基质颗粒实际上经常是许多束缚在一起的单个空纤维。在该图片中，木纤维(簇)稍被压缩。尽管如此，仍显示出这些颗粒中的典型空芯或空隙。
图6显示了基质木纤维的类似的放大横截面，该木纤维已按本发明的方法处理。在该图片中，可较容易地看出单个纤维的空芯内以及基质颗粒的端部和外表面已形成的针状石膏晶体。
图7显示了基质木纤维的表面和木纤维表面上的几个凹点或空隙以及几个不连续的半水化物晶体。请尤其注意用字母‘X’表明的针状晶体，这晶体在图8所示的进一步放大的图片中清楚地显示了在基质纤维的凹坑之一上已形成。
为了将本发明生产的均匀复合材料与制造石膏纤维板的先有技术所得到的不均匀混合的材料作比较，图9(a)至9(f)给出了按先有技术方法C制得的板的横截面的一组图片(放大图)。为便于比较，图10(a)至10(f)给出了本发明的复合材料的横截面的一组图片(放大图)。
请看图9(a)，木片与周围的石膏块明显区分出。再请看图9(b)，石膏象是包埋了木片的非晶块体，就象包埋了填料颗粒一样。再进一步观看图9(c)至9(f)，把注意力集中在图9(b)中用“Y”标明的具体木片上，这样更清楚地看出石膏状体被埋入的木片分离开。最后，请特别注意9(f)，木片的开口空腔无任何石膏。
现在请看图10(a)和10(b)，可明显地看出新的复合材料的更均匀性质，可区分的石膏晶体聚集在各种木纤维的周围和连接在不同的木纤维上。请继续观察图10(c)至10(e)，把注意力集中在一对木纤维和在木纤维端部和其周围以及木纤维的空芯内形成的许多石膏晶体上。
正如图片清楚显示的那样，当石膏和木纤维按本发明的方法加工时，即加压下将石膏在含基质木纤维的淤浆中煅烧，接着在石膏再水化前脱去淤浆中的水时，石膏可在木纤维的空隙中和周围重结晶并相互锁联，从而提供了具有有用优点的协合复合体。已证明得到的复合材料特别适合用作壁板。
虽然已联系具体实施方案讨论了本发明，但是本领域熟练技术人员一旦熟习本发明后，将会对复合材料、其制造方法和其用途作各种修改、变动和改进，这些仍属于本发明的范围。
Claims (26)
1.一种复合材料，包含一种在其表面和/或一部分体上具有空隙的增强材料的基质颗粒，和硫酸钙α-半水合物晶体，其特征在于至少所述硫酸钙α-半水合物为针状并且一些晶体已在基质颗粒的空隙内和周围就地形成，从而形成与基质颗粒物理锁联的硫酸钙结晶基体。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于基质颗粒是片状、薄片或纤维状。
3.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于基质颗粒是包括木纤维的木素-纤维素物质。
4.如权利要求1所述的复合材料，含有包含石膏的硫酸钙半水合物晶体，其特征在于该晶体以再水化针状α-半水合物晶体形成存在，所述晶体在基质颗粒的空隙内和周围已就地形成，从而形成由与增强材料的分散基质颗粒物理锁联的石膏晶体组成的基本均匀的块体。
5.如权利要求3所述的复合材料，其特征在于基质颗粒为复合材料的0.5到30％(重量)。
6.如权利要求4所述的复合材料，其特征在于所述基质颗粒为木纤维，所述块体形成了壁板。
7.如权利要求6所述的复合材料，其特征在于壁板的压实的块体的密度为642-802公斤/立方米。
8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于含10-20％(重量)的木纤维。
9.一种制造复合材料的方法，包括在加热和加压下在液体介质中对石膏进行煅烧，其特征在于所述液体介质促进针状硫酸钙α-法水合物晶体的生长且含许多悬浮在所述介质中和在其表面和体内具有所述液体介质可渗透的空隙的基质颗粒。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于包括将研磨过的石膏与增强材料的基质颗粒和足够的液体混合从而制得由至少70％(重量)的液体组成的稀淤浆；在基质颗粒存在下通过在加压下加热稀淤浆对石膏进行煅烧，从而形成针状硫酸钙α-半水合物晶体；在半水合物再水化成石膏前从煅烧的石膏和基质颗粒中分离出大部分液体。
11.如权利要求10所述的制造复合材料的方法，其特征在于进一步包括在煅烧石膏和形成半水合物的同时连续地搅拌淤浆。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于进一步包括加压下加热淤浆和直到石膏煅烧基本上完成的同时连续地搅拌淤浆。
13.如权利要求9所述的制造复合材料的方法，其特征在于包括将研磨过的石膏和许多基质颗粒与足够的水一起混合以形成淤浆，所述的基质颗粒通常不溶于水，但在其表面和/或体内具有含悬浮的和/或稳定的石膏的淤浆溶剂可渗透的空隙，所述的淤浆被充分稀释到用淤浆溶剂浸湿所述基质颗粒中的空隙并促进加压下加热时针对硫酸钙α-半水合物晶体的生长；加压下加热至温度足以将石膏煅烧成硫酸钙α-半水合物，保持在加压下加热淤浆，同时使硫酸钙分子在基质颗粒的空隙中和周围就地成核并形成晶体；释压并对加热的淤浆脱水；和干燥脱水的固体，以基本上除去残留的游离水，而硫酸钙晶体则仍与基质颗粒物理锁联。
14.如权利要求13所述的制造复合材料的方法，其特征在于进一步包括使淤浆和脱水固体的温度保持在高于硫酸钙半水合物再水化成硫酸钙二水合物所需的温度，直到通过脱水和干燥基本上已去除所有过量游量水为止。
15.如权利要求14所述的制造复合材料的方法，其特征在于进一步包括使淤浆的温度保持在高于93℃，直到淤浆基本上被脱水和干燥。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括在温度低于硫酸钙半水全物晶体再水化成硫酸钙二水合物所需温度下冷却脱水的固体，并在干燥已脱水的块体以除去残留的游离水前进行这种再水化反应。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括对加热的淤浆进行脱水以形成滤饼，然后温压滤饼，在干燥该滤饼前使滤饼的温度降低到硫酸钙半水化合物再水化成石膏晶体所需的温度。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括由加热的淤浆形成一种垫层，使垫层基本上脱水后湿压垫层以压缩材料至减小的厚度和/或增大的密度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于进一步包括使压实的材料的温度降低到低于硫酸钙再水化成石膏所需的温度且使这种再水化反应继续进行到与基质颗粒物理锁联的石膏连接类似的晶体，从而形成完整的均匀块体，然后干燥该块体以除去残留的游离水。
20.如权利要求13所述的制造复合材料的方法，其特征在于进一步包括：将热淤浆排放在多孔成型表面上并除去大部分以形成滤饼；对滤饼加压以形成板，并在板的温度降低到低于硫酸钙半水合物再水化成石膏的温度之前除去其中多余的水；将板冷却至低于再水化的温度并使硫酸钙半水合物再水化成石膏；和干燥板以除去残留的游离水。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于基质颗粒是木纤维。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于在淤浆中的固体含10-20％(重量)的木纤维。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于稀淤浆含至少70-95％(重量)的水，淤浆在加压容器中被加热至温度在140℃至152℃。
24.权利要求20-23中任一项所述的方法，其中加热淤浆的温度保持在高于93℃，直到已被基本上脱水和湿压成板。
25.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其中将通过对滤饼加压而形成的板冷却至温度为49℃，从而在最终干燥前进行硫酸钙半水合物的再水化。
26.如权利要求20-23中任一项所述的方法，其中脱水的滤饼被压成板，该板在水化和干燥后的密度为642-802千克/立方米。
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| CN (1) | CN1042012C (zh) |
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Citations (3)
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| US3822340A (en) * | 1972-03-27 | 1974-07-02 | Franklin Key | Calcium sulfate whisker fibers and the method for the manufacture thereof |
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-
1990
- 1990-05-17 CN CN90103587A patent/CN1042012C/zh not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
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Also Published As
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Legal Events
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
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Applicant after: Woosgo Enterprise Co., Ltd. Applicant before: Gypsum Co. |
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Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: GYPSUM CO. TO: VOSGO ENTERPRISE CO., LTD. |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 19990210 |