本申請要求2014年6月17日提交的美國申請14/306,859的優(yōu)先權權益，其全部內容以引用方式并入本文。

技術領域

本發(fā)明提供了具有改進的拔釘強度，并制備為具有經(jīng)加強的玻璃纖維氈的石膏產(chǎn)品，以及用于制造經(jīng)加強的玻璃纖維氈的組合物和方法。

背景技術：

各種石膏產(chǎn)品，包括墻板、天花板面板和瓷磚，常用于建筑工業(yè)中。這些石膏產(chǎn)品中的許多通過如下方式制得：制備具有燒石膏(硫酸鈣α半水合物、硫酸鈣β半水合物和/或無水硫酸鈣)的水性石膏漿料、將所述漿料成形，然后通過將燒石膏再水合成石膏(硫酸鈣二水合物)而使所述漿料硬化。

石膏面板可通過將石膏漿料夾在兩個稱為表層(facer)的覆蓋片材之間而制得。在一些應用中，表層為紙片材。石膏漿料夾在兩個紙片材之間的這種墻板在建筑構造中具有許多不同的應用。然而，墻板可能對濕氣敏感，至少在一些應用中，可使用諸如纖維氈的其他表層材料，如例如在美國石膏公司(the United States Gypsum Company)的美國專利8,329,308和美國專利公布2010/0143682中所述，其教導以引用方式并入本文。合適的纖維氈還包括公開于美國專利5,772,846中的那些，其使用粘結在一起的玻璃纖維和聚酯纖維制得。

盡管制備為具有玻璃纖維氈的石膏面板具有許多優(yōu)點，但主要缺點來自在玻璃纖維之間存在空隙的玻璃纖維氈結構，如圖1的顯微照片所示，這可能影響所得石膏面板的一致性和壓縮強度。此外，玻璃纖維易碎，這可能不利地影響所得石膏面板的某些性質，如拔釘強度，所述拔釘強度解釋為面板保持釘子的次優(yōu)能力。

美國專利公布2011/0086214在氈可用于制備石膏材料之前將玻璃氈表面之一與加強層層合。美國專利公布2002/0187296公開了一種組裝線，在所述組裝線上振動玻璃纖維氈，使得氈中的空隙被石膏漿料更均勻地填充。然而，盡管這些方法填充了玻璃纖維氈空隙，但它們不會解決由于易碎玻璃纖維而導致的各種問題，如次優(yōu)拔釘強度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明滿足了這些需求中的至少一些。一個實施例提供了一種石膏產(chǎn)品，其包括夾在兩個玻璃纖維氈之間的石膏芯，所述玻璃纖維氈由鹽晶飽和。至少在一些實施例中，玻璃纖維氈由成石膏溶液飽和，使得石膏晶體在玻璃纖維氈的玻璃纖維上結晶。然后將氈暴露于高溫，以使石膏晶體脫水成硫酸鈣晶體。

另外的實施例提供了用于由石膏漿料和由鹽晶飽和的玻璃纖維氈制備石膏產(chǎn)品的方法。在這些方法中，將玻璃纖維氈浸入成鹽溶液中，并使所述溶液在氈的玻璃纖維上結晶。在一些應用中，在原位結晶反應完成之后，在干燥器或烘箱中在高溫下干燥所述氈。然后制備包含燒石膏和水和任選的其他組分(如粘結劑、填料、纖維、消泡劑和增塑劑)的石膏漿料，并將其夾在由鹽晶飽和的兩個玻璃纖維氈之間。在一些方法中，將兩種溶液混合在一起以獲得成晶體溶液，然后將玻璃纖維氈浸入該成晶體溶液中以在玻璃纖維上原位結晶。在其他方法中，將玻璃纖維氈首先浸入第一溶液中，然后移動至第二溶液。當所述第二溶液與浸泡于所述第一溶液中的玻璃纖維接觸時，在玻璃纖維上發(fā)生原位結晶反應。

附圖說明

圖1為顯示了具有多個空隙和玻璃纖維之間的松散連接的玻璃纖維氈基質的結構的顯微照片；

圖2為由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈基質的顯微照片；

圖3為在拔釘測試之后，比較覆蓋有未經(jīng)處理的玻璃纖維氈的石膏板(圖3A)與覆蓋有由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈的石膏板(圖3B)的圖片；

圖4為利用單個溶液法的玻璃氈結晶過程的示意圖；和

圖5為利用雙溶液法的玻璃氈結晶過程的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了具有改進的拔釘強度的石膏產(chǎn)品(包括石膏面板)，其中石膏芯夾在由鹽晶飽和的玻璃纖維氈之間，所述鹽晶包括但不限于石膏晶體、硫酸鈣、氯化鈉和它們的任意組合。不受限的多種玻璃纖維氈適用于制備這些石膏產(chǎn)品，包括由短切玻璃纖維、連續(xù)原絲玻璃纖維和它們的混合物制得的氈。

至少在一些實施例中，玻璃纖維氈由熱塑性聚合物和玻璃纖維的組合制得。各種熱塑性聚合物適用于制備玻璃纖維氈，包括聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和它們的混合物。

至少在一些實施例中，玻璃纖維氈可由用至少一種粘結劑粘結在一起的玻璃纖維制得。合適的粘結劑包括但不限于苯乙烯丙烯酸類粘結劑。至少在一些實施例中，玻璃纖維氈由玻璃纖維和粘結劑制得，使得玻璃纖維占所述氈的約50重量％至約80重量％，粘結劑占所述氈的約10重量％至約30重量％。一種合適的玻璃纖維氈為使用約70％的玻璃纖維和約30％的丙烯酸類粘結劑制得的由佳斯邁威(Johns Manville)制造的8924氈。

至少在一些實施例中，玻璃纖維氈可由長度為約0.5至約2.0英寸之間，直徑為約6至約25微米之間的纖維制得。至少在一些實施例中，玻璃纖維由直徑為約3微米的生物可溶的微纖維制得。生物可溶的微纖維可占所有玻璃纖維的10％至90％。

玻璃纖維氈可任選地進一步包括填料、顏料或其他惰性或活性成分。例如，氈可包括如下中的至少一者：著色顏料、殺蟲劑、殺真菌劑或它們的混合物。這些添加劑可用于改變顏色、調節(jié)表面的結構或紋理、改進對霉菌或真菌形成的抗性，以及提高耐火性。

一個實施例提供了一種由鹽晶飽和的玻璃纖維氈，其中使所述鹽晶直接在玻璃纖維上結晶。可使用可在玻璃纖維上結晶的任何飽和鹽溶液。這種溶液包括但不限于成石膏溶液、氯化鈉和它們的各種組合。當原位結晶時，晶體將玻璃纖維粘結在一起，并使玻璃纖維易碎性更低。

實施例包括一種玻璃纖維氈，其中至少一些玻璃纖維由鹽晶粘結在一起。在一些實施例中，氈厚度的至少50％由鹽晶飽和。在一些實施例中，氈厚度的至少60％由鹽晶飽和。在一些實施例中，氈厚度的接近100％由鹽晶飽和。

在一個實施例中，玻璃纖維氈由成石膏溶液飽和，使得石膏結晶直接在玻璃纖維上發(fā)生。因此，一些實施例提供了一種玻璃纖維氈，其中至少一些玻璃纖維由硫酸鈣晶體粘結在一起。在一些實施例中，氈厚度的至少50％由硫酸鈣二水合物晶體飽和。在一些實施例中，氈厚度的至少60％由硫酸鈣二水合物晶體飽和。在一些實施例中，氈厚度的接近100％由硫酸鈣二水合物晶體飽和。

可使用各種方法以在玻璃纖維氈的玻璃纖維上原位結晶鹽晶。合適的方法包括使用一種飽和溶液的那些方法。在這些方法中，將玻璃纖維氈浸入成晶體溶液中，并使晶體在氈的玻璃纖維上形成。合適的方法也包括雙溶液法，其中首先將玻璃纖維氈浸入第一溶液，然后將氈置于第二溶液中，所述第二溶液引發(fā)化學反應，其中所述第二溶液與被浸泡至玻璃纖維中的第一溶液反應，這在玻璃纖維上引起鹽結晶?？稍谑覝叵率褂萌芤哼M行在玻璃纖維上的一些結晶方法?；蛘?，合適的溶液可被預熱，然后任選冷卻以引發(fā)玻璃纖維氈上的晶體形成。

圖4示出了用于進行單個溶液法的系統(tǒng)裝置(通常為10)。參照圖4，通過輥裝置16將玻璃纖維氈14從卷12進料至具有鹽溶液的容器18中。玻璃纖維氈14變得被容器18中的鹽溶液飽和，并通過輥裝置20從容器18中提升。然后使由鹽溶液飽和的濕玻璃纖維氈22經(jīng)過計量器24，并通過輥裝置26進料至具有干燥器28的傳送帶上，在所述傳送帶處，濕玻璃纖維氈22被干燥，過量的水蒸發(fā)，鹽晶的結晶反應及其對玻璃纖維的結合完成。由鹽晶飽和的玻璃纖維氈30從干燥器28中離開，并被卷繞成卷32。

用于制備由鹽晶飽和的玻璃纖維氈的合適的方法也包括如下那些：其中使用兩種溶液，從而當?shù)谝蝗芤号c第二溶液混合時，引發(fā)晶體沉淀。在一些實施例中，第一溶液可為硫酸氫鈉(Na₂SO₄X10H₂O)，第二溶液可為氯化鈣(CaCl₂)。

圖5示出了用于進行雙溶液法的系統(tǒng)裝置(通常為34)。參照圖5，通過輥裝置40將玻璃纖維氈38從卷36進料至具有第一溶液的第一容器42中，在所述第一容器42處，玻璃纖維氈38被浸入所述第一溶液中。然后通過輥裝置44將浸泡至第一溶液中的玻璃纖維氈從第一容器42中提升。然后通過輥裝置48將浸泡至第一溶液中的玻璃纖維氈46進料至具有第二溶液的第二容器52中。第一溶液與第二溶液之間的化學反應發(fā)生，并導致在第二容器52中鹽晶在玻璃纖維上沉淀。然后通過輥裝置50將由鹽溶液飽和的濕玻璃纖維氈54從第二容器52中提升，并經(jīng)過計量器56。然后通過輥裝置58將由鹽溶液飽和的濕玻璃纖維氈54進料至具有干燥器60的傳送帶上，過量的水蒸發(fā)，鹽晶的結晶反應及其對玻璃纖維的結合完成。由鹽晶飽和的玻璃纖維氈62從干燥器60中離開，并被卷繞成卷64。

盡管圖4和圖5所示的方法使用干燥器，但其他結晶方法可在無干燥器的情況下進行，并且包括如下那些方法：其中鹽晶對玻璃纖維的結合在室溫下進行，且不將玻璃纖維氈暴露于高溫。在其他實施例中，一些結晶方法可包括在烘箱中而非干燥器中干燥由鹽晶飽和的玻璃纖維氈的步驟。

在一些實施例中，獲得新鮮濃縮鹽溶液，然后使其在玻璃纖維氈中的玻璃纖維上結晶，使得玻璃纖維氈嵌有鹽晶。任意合適濃度的任意化學溶液可用于制備濃縮鹽溶液。

可使用各種方法以在玻璃纖維氈中的玻璃纖維上原位結晶硫酸鈣二水合物。在這些方法中，獲得新鮮濃縮石膏溶液，然后使其在玻璃纖維氈中的玻璃纖維上結晶，使得玻璃纖維氈嵌有石膏晶體。任意合適濃度的任意化學溶液可用于制備濃縮石膏溶液。這些方法包括但不限于制備硫酸氫鈉溶液(Na₂SO₄X10H₂O)和氯化鈣(CaCl₂)溶液，并將玻璃纖維氈浸入新鮮混合的硫酸氫鈉和氯化鈣溶液中?；旌线m當量的硫酸氫鈉溶液與氯化鈣溶液產(chǎn)生濃縮石膏溶液，由此引發(fā)形成石膏晶體的化學反應。將玻璃纖維氈浸入新鮮混合的硫酸氫鈉和氯化鈣中引起石膏晶體在玻璃纖維上結晶，且由石膏晶體飽和的玻璃纖維氈形成。硫酸氫鈉和氯化鈣可以以適于在混合時獲得濃縮石膏溶液的不同的量使用。至少在一些實施例中，硫酸氫鈉和氯化鈣作為0.1M的溶液使用。在其他實施例中，它們可作為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1M的溶液使用。至少在一些實施例中，硫酸氫鈉與氯化鈣之間的摩爾比為1:1。在高濃度的硫酸氫鈉和氯化鈣下，氯化鈉也可在玻璃纖維上形成晶體。

在玻璃纖維上的原位石膏結晶反應可在室溫下進行足以用石膏晶體完全飽和玻璃纖維氈的時間段。至少在一些實施例中，原位結晶反應通過如下方式進行：將玻璃纖維氈浸入新鮮混合的硫酸氫鈉/氯化鈣溶液中達至少1-30分鐘。反應可進行足以用石膏晶體完全或部分飽和玻璃纖維氈的時間段。在一些實施例中，反應進行，直至獲得20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或接近100％的飽和。

在結晶反應完成之后，在高溫下干燥具有在玻璃纖維上結晶的石膏晶體的玻璃纖維氈，以使石膏晶體脫水成不可溶的硫酸鈣(CaSO₄)晶體。至少在一些實施例中，通過在烘箱中干燥由石膏晶體飽和的玻璃纖維氈而進行脫水步驟。干燥時間和溫度可變化。至少在一些實施例中，干燥在100°F至400°F范圍內的溫度下進行。至少在一些實施例中，在110°F下至少1小時而完成干燥。在其他實施例中，在400°F下約1-5分鐘而完成干燥。圖2為如上所述的由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈的顯微照片。

本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，相比于未由鹽晶飽和的玻璃纖維氈，由鹽晶飽和的玻璃纖維氈的孔隙率顯著降低。在比較圖1和圖2時，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)用鹽晶使玻璃纖維氈飽和改進了玻璃纖維氈的一致性，并消除了在圖1的未經(jīng)處理的玻璃纖維氈中可見的空隙。

在玻璃纖維氈被鹽晶飽和并干燥之后，其可用于制備石膏產(chǎn)品，例如石膏面板。在此過程中，將包含燒石膏的石膏漿料與水和任意其他組分(如填料、粘結劑、消泡劑、殺蟲劑和纖維)混合。然后將所述漿料夾在由硫酸鈣晶體飽和的兩個玻璃纖維氈之間。在一些實施例中，將所述漿料夾在由硫酸鈣晶體飽和的兩個玻璃纖維氈之間。

制備石膏產(chǎn)品(包括但不限于石膏面板)的過程可能涉及將由鹽晶飽和的玻璃纖維氈置于傳送帶上或置于位于傳送帶上的成型臺上，所述傳送帶隨后被設置于混合器的排放導管下方。在一些實施例中，使用由結晶硫酸鈣飽和的玻璃纖維氈制備石膏產(chǎn)品。

將石膏漿料的組分進料至混合器，在混合器中攪拌所述組分以形成石膏漿料。可在排放導管中添加泡沫。將石膏漿料排放至由鹽晶飽和的玻璃纖維氈上。在必要時將石膏漿料鋪展于玻璃纖維氈上，并任選地用由鹽晶飽和的第二玻璃纖維氈覆蓋。

將濕石膏面板傳送至成型臺(在成型臺處，將面板定尺寸為所需的厚度)和一個或多個切刀部分(在切刀部分處，將面板切割成所需的長度以提供膠結制品)。使面板硬化，使用干燥過程(例如通過空氣干燥，或將膠結制品傳輸通過窯)去除過量的水。

本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，相比于用未由鹽晶飽和的玻璃纖維氈制得的產(chǎn)品，用由鹽晶飽和的玻璃纖維氈制得的石膏產(chǎn)品的強度得以顯著改進。如圖3所示，相比于用未經(jīng)鹽溶液處理的玻璃纖維氈制得的石膏板(圖3A)，用由鹽晶飽和的玻璃纖維氈制得的石膏板(圖3B)在拔釘測試中表現(xiàn)更好。

拔釘測試根據(jù)美國材料試驗學會(ASTM)標準C473-00進行，并使用在插入墻板中的釘子的頭部上拉拔的機器以測定將釘子頭部拉拔穿過墻板所需的最大的力。如表1所示，本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，相比于用未由鹽晶加強的玻璃纖維氈制得的石膏產(chǎn)品，使用由鹽晶飽和的玻璃纖維氈將石膏產(chǎn)品的拔釘強度增加達數(shù)個單位。

表1.拔釘測試結果

*拔釘差＝平均拔釘(經(jīng)處理的氈)-平均拔釘(未經(jīng)處理的氈)

本發(fā)明將進一步通過如下非限制性的實例進行解釋。

實例1

在盤中混合Na₂SO₄X10H₂O(0.1M)和CaCl₂(0.1M)的溶液。反應產(chǎn)物為CaSO₄X2H₂O(石膏)和NaCl。觀察到由于石膏結晶，混合物在約3分鐘內混濁。就在混合之后，將玻璃纖維氈的6英寸×6英寸的片浸入混合物中，浸泡3分鐘。在飽和反應完成之后，通過如下方法中的一者干燥玻璃纖維氈：

-方法A：在110°F下1小時；或

-方法B：在400°F下的烘箱中3分鐘，以將石膏晶體脫水成不可溶的CaSO₄。

然后使用玻璃纖維氈制備樣品石膏面板。使用未經(jīng)濃縮石膏溶液處理的玻璃纖維氈制備對照石膏面板。

所有樣品石膏面板隨后進行拔釘測試。來自這些測試的結果在表1中報道，其中樣品5-1和6-1表示具有由硫酸鈣晶體飽和，并通過方法A(樣品5-1)或方法B(樣品6-1)干燥的玻璃纖維氈的樣品。如由表1可以看出，具有硫酸鈣加強的玻璃纖維氈的石膏面板在拔釘測試中表現(xiàn)明顯更好，并且相比于具有未經(jīng)處理的玻璃纖維氈的石膏面板提供了接近兩倍的拔釘強度增加。

實例2

如實例1所述制備由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈。使用未經(jīng)鹽晶處理的一片玻璃纖維氈作為對照。使用3M Super 77噴霧粘合劑將未經(jīng)處理的玻璃纖維氈和由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈各自膠粘至紙面石膏板上，以用于耐拔釘測試。

圖3顯示了具有如下兩片5英寸×10英寸的玻璃氈的12英寸×12英寸的石膏板：未經(jīng)處理的玻璃纖維氈在頂部(圖3A)，由硫酸鈣晶體飽和的玻璃纖維氈在底部(圖3B)。兩個石膏墻板經(jīng)歷拔釘測試。

圖3A和圖3B中的每個玻璃纖維材料中的三個黑圈表示進行拔釘測試的位置。施加的將釘子拉拔通過石膏面板所需的力越大，則玻璃纖維氈越強。在多個樣品上進行這些拔釘測試，以提供經(jīng)處理的玻璃氈與未經(jīng)處理的玻璃氈之間的拔釘差的統(tǒng)計學信息。已確定，用鹽晶使玻璃纖維氈飽和改進了氈以及由氈制得的石膏板的強度。

盡管已顯示和描述了由鹽晶飽和的玻璃纖維氈、使用所述氈制得的石膏產(chǎn)品，以及制備這些物品的方法的特定實施例，但本領域技術人員將了解，在不偏離更廣方面且如以下權利要求書所述的本發(fā)明的情況下，可對本發(fā)明進行改變和修改。