專利名稱：新的復(fù)合材料及其制造方法
以前曾作過結(jié)合石膏和纖維素纖維，特別是木纖維的有利特性的嘗試并已很有限地獲得成功。把纖維素纖維(或這方面其它纖維)加到石膏灰泥和/或灰泥板芯中的嘗試一般不會使強度提高或提高很小，因為迄今不能使纖維和石膏之間產(chǎn)生任何顯著結(jié)合力。美國專利4，328，178;4，239，716;4，392，896和4，645，548公開了近來的例子，其中木纖維或其它天然纖維混入灰泥(硫酸鈣半水合物)淤漿以用作再水化石膏板等的增強材料。類似地，把石膏顆粒加到木纖維產(chǎn)品的嘗試也已經(jīng)不用了，因為這種方法不能使足夠的石膏保持在產(chǎn)品中，所以實質(zhì)上改進不了基本材料的耐火性或尺寸穩(wěn)定性。
近來，一些廠商在制備含石膏和木材纖維或紙纖維的混合物的板材產(chǎn)品中獲得了有限的成功。在這些方法中，把煅燒的石膏(灰泥)與木材纖維或紙纖維和水混合，配制成淤漿，然后，同時或在將灰泥再水化以成固化石膏之前壓制。
在一種這樣的方法中(先有技術(shù)方法A)，是將廢紙與灰泥在淤漿水溶液中混合，然后排放到制氈傳送帶上并脫水。將藻的半水合物/紙餅包卷纏繞在圓筒上，累積成板的厚度，然后定尺剪切。將未加工的氈料層疊在硬質(zhì)板間的車上，并水合約3-4小時。然后，將硬化板干燥、修整和砂磨，根據(jù)需要再封口。
在一種所謂“半干燥”法(現(xiàn)有技術(shù)方法B)中，是把灰泥和廢紙干混。第二混合機中加入一部分再水化所需的水，混合物料在連續(xù)傳送帶上形成不同層。剩下的所需水噴在若干層上，然后在送入連續(xù)壓制機前，把這些層合并成多層墊層。在初始固化后，切割并修整粗板，并在支撐帶上“充分固化”，然后干燥。
在另一種所謂“半干燥”法(現(xiàn)有技術(shù)方法C)中，把灰泥和木片預(yù)先干混。將冰或雪晶體狀的水計量加入混合物中，然后噴到連續(xù)壓制機底部上的環(huán)墊層上。在墊層壓制到所需厚度后，將緩慢溶化，然后發(fā)生水化。在木板最后固化后，將其切割、修整和干燥。如果不需要，可進行砂磨處理。
對用這些方法制得的工業(yè)板材的檢查結(jié)果表明，它們是由分散的石膏和纖維材料的密實混合物構(gòu)成，即與均勻復(fù)合體相比，它們是物理混合更好的混合物。盡管可以把石膏說成是提供或用作這些板材中纖維的粘合劑，但看不出它在石膏晶體和纖維之間有任何有利于直接物理鎖聯(lián)或化學(xué)鍵合作用。此外，無論是因為這些板材的成型方式，還是因為石膏晶體和纖維的機械混合方式，和/或因為紙纖維或灰泥的結(jié)塊作用，這些板材在其層面上都不具有均勻和單一性質(zhì)(即例如密度和強度)。
按照近來發(fā)布的美國專利4，734，163介紹的方法(現(xiàn)有技術(shù)方法D)，粗的或未煅燒的石膏細(xì)磨并與5-10%的紙漿混合?；旌衔锉徊糠置撍纬娠灎钗?，再用壓輥進一步脫水直至水/固體顆粒之比小于0.4。將餅狀物切成毛板，修整切割后層疊在雙鋼板層之間并放入高壓釜中。將高壓釜內(nèi)的溫度升到約140℃，以使石膏轉(zhuǎn)化成硫酸鈣-α-半水合物。在容器板材的后續(xù)逐漸冷卻過程中，半水合物再水化成二水合物(石膏)，得到板材整體。然后，將板材干燥，需要的話再精加工。
這種方法與前述方法的不同之處在于煅燒石膏是在紙纖維存在下進行的。
本發(fā)明的主要目的是提供一種復(fù)合材料，這種材料結(jié)合了石膏與另外的高強度物質(zhì)(如木質(zhì)纖維)，用于制備更堅固的澆鑄產(chǎn)品、灰泥、建材或其它應(yīng)用。
一個相關(guān)的目的是提供制備這種復(fù)合材料的方法。
本發(fā)明的一個更具體的目的是提供由這種復(fù)合材料構(gòu)成的無紙壁板，它是均勻的;具有一致良好的強度(包括在這個層面上具有抗釘子和螺絲拔出的強度);尺寸穩(wěn)定性更好，而且即使在含濕氣氛下其強度也能得到保持;耐火;和在實用成本下能得以制備。
另一個具體目的是提供一種經(jīng)濟地制備上述壁板的方法。
概括地講，按照本發(fā)明在強度更高的材料的基質(zhì)顆粒存在下，在稀淤漿中加壓煅燒研磨的石膏能實現(xiàn)本發(fā)明的主要目的。
這里所用的術(shù)語“石膏”指的是穩(wěn)定二水合物狀態(tài)下的硫酸鈣，即CaSO4·2H2O，包括天然存在的礦物、合成得到的等同物和由硫酸鈣半水合物(灰泥)或脫水物水化形成的二水合物。
術(shù)語“基質(zhì)顆?！敝荚诎ǔ嗤獾娜魏挝镔|(zhì)的微小顆粒(如纖維，小片或薄片等)。所述顆粒中還應(yīng)具有可進入的空隙，無論凹坑、裂縫、裂紋、空芯，還是其它表面缺陷，只要能在其內(nèi)形成硫酸鈣晶體即可。這類空隙還最好存在于顆粒的明顯部位，可以看出，空隙分布的越多越好，則在石膏和基質(zhì)顆粒間的物理結(jié)合力就越大，幾何穩(wěn)定性就越好?；|(zhì)顆粒物質(zhì)應(yīng)具有石膏缺少的特性，最好是具有至少較高的抗拉強度和彎曲強度。木素纖維素纖維、特別是木纖維是特別適用于本發(fā)明的復(fù)合材料和方法的基質(zhì)顆粒。所以，不打算對看作是“基質(zhì)顆?！钡奈锪虾?或顆粒做限定，以下為方便起見，常使用木纖維代替更廣義的術(shù)語。
未煅燒的石膏和基質(zhì)顆粒與足量的液體混合，形成稀淤漿，然后加壓下加熱以煅燒石膏，使其轉(zhuǎn)化為硫酸鈣α-半水合物。雖然尚未搞清楚本發(fā)明的微觀機理，但據(jù)信，稀淤漿浸濕了基質(zhì)顆粒，并把溶解的硫酸鈣攜帶到其中的空隙中。半水合物終將成核，且在空隙中和附近就地形成晶體(以針狀晶體占優(yōu)勢)。需要的話，可將晶體改性劑加到漿料中。所得復(fù)合體是與硫酸鈣晶體物理鎖聯(lián)的基質(zhì)顆粒。這種鎖聯(lián)作用不僅在硫酸鈣和強度更大的基質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生良好的結(jié)合力，而且在半水合物隨后再水化成二水合物(石膏)時防止了硫酸鈣從基質(zhì)顆粒遷移出。
這種材料可在其冷卻前立即干燥，以提供一種穩(wěn)定的、但可在以后再水化的半水合物。另外，如果要使其馬上直接轉(zhuǎn)化成可使用的產(chǎn)品形式，則除了再水化所需的液體之外，還要從全部液體中進一步分離出復(fù)合材料，與其它類似復(fù)合顆?；旌?，制成所需形狀，然后再水化成硬化和穩(wěn)定的石膏復(fù)合塊體。
許多的這些復(fù)合顆粒被壓實、壓制成板、澆鑄、雕刻、模塑或在最終固化前用其它方法形成所需形狀的塊體。在最終硬化后，復(fù)合材料可進行切割、雕琢、鋦開、鉆孔和其它機械加工。不僅如此，這種復(fù)合材料具有耐火性和石膏的尺寸穩(wěn)定性以及由于基質(zhì)顆粒物質(zhì)所提供的特定的增強性，特別是強度和韌性。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，基質(zhì)顆粒是木纖維或木碎片。按照本發(fā)明，制備復(fù)合石膏/木纖維材料的方法是先使約0.5%-約30%、最好約10%-20%(重量)的木纖維與分別補充研磨但未煅燒的石膏混合。然后，使干混物與足夠的液體(最好是水)混合，形成水含量約為70%-95%(重量)的稀淤漿。將該稀淤漿在足以使石膏轉(zhuǎn)化成硫酸鈣半水合物的溫度下于壓力容器中進行處理。在該過程中最好借助于輕微攪拌或混合裝置連續(xù)攪拌漿料，破壞所有纖維結(jié)塊并使全部顆粒保持在懸浮狀態(tài)下。在半水合物從溶液中析出和再結(jié)晶后，從高壓釜排放出產(chǎn)物淤漿，在仍很熱時，基本上脫水成濾餅。在本方法的這一點上，約70-90%未結(jié)合的水宜從淤漿中除掉。
如果需要復(fù)合材料處于半水合狀態(tài)，則將濾餅保持在高溫下(如，約180°F，即82℃)，直至除掉全部剩下的游離水。然后，可將干燥的濾餅粉碎成粉末或顆粒材料，以易于處置、儲存和再成型。
另一方法是，可立即對脫水的濾餅材料壓制、模塑或用其它方法成型，并冷卻到某一溫度，在此溫度下，硫酸鈣半水合物將水化成石膏，同時原地保持在木質(zhì)纖維中和附近。水化完畢后，最好將固化的塊體迅速干燥以除去任何殘留的游離水。
按照本發(fā)明的另一實施方案，提供了制備復(fù)合石膏/木纖維板的方法?；旌虾透邏焊幚硎嗪湍纠w維淤漿的方法大致與上述的相同。某些改進工藝或提高性能的添加劑，如加速劑、緩凝劑、減重填料等等可加到產(chǎn)物淤漿中，最好在從高壓釜排放出后和在脫水之前加入。產(chǎn)物漿料被排到連續(xù)的氈制傳送帶上(例如造紙操作使用的類型)，并盡可能多地除去未結(jié)合的水。初始實驗室試驗已表明，在此階段可除去高達90%的水。在所得濾餅還很熱時，將其濕壓成所需厚度和/或密度的板。如果板要進行特定的表面紋理處理或?qū)雍媳砻婢庸t最好在該工藝步驟之中或之后進行。在濕壓中(最好隨著逐漸提高壓力進行濕壓以保持產(chǎn)品的完整性)發(fā)生兩件事。首先除掉了額外的水份(如約80-90%剩下的水)，結(jié)果濾餅進一步冷卻。但是，還可能需要提供外部冷卻，以使壓制的墊層溫度在可接受的時間內(nèi)降到再水化溫度以下。再水化完成后，可切割板，需要的話再精整，然后送入窯中干燥。干燥溫度最好應(yīng)保持足夠低，以避免任何石膏在表面上再煅燒。
按照前述方法制得的復(fù)合石膏/木纖維板提供了所需特性的協(xié)同效果，還提供了現(xiàn)有板不能提供的特性。與常用的灰泥板相比，這種復(fù)合纖維板提供了改進的強度，包括釘子和螺絲耐拔拉特性在內(nèi)。與木材、纖維板、顆粒板、壓紙板等相比，它還提供了較高的耐火性和在濕氣氛下的尺寸穩(wěn)定性。而且，可制備出密度和厚度范圍很寬的復(fù)合纖維材料。如下表所示，本發(fā)明可制備一種斷裂模量(MOR)與用前面介紹的現(xiàn)有技術(shù)工藝制得的石膏纖維板產(chǎn)品不相上下的復(fù)合板，但其密度低，因而重量輕，成本可更小。
在本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員詳細(xì)閱讀了以下說明和參考附圖后會得知本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點。以下附圖構(gòu)成了本說明書的一部分，其中

圖1是按照本發(fā)明的一個方案形成復(fù)合材料的方法的示意圖;
圖2是按照本發(fā)明的另一方案形成復(fù)合板的示意圖;
圖3是一組木纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)的顯微圖(100倍);
圖4是一組復(fù)合石膏/木纖維顆粒的SEM顯微圖(100倍);
圖5是一簇木纖維截面的SEM顯微圖(1000倍);
圖6是本發(fā)明的復(fù)合體顆粒截面的SEM顯微鏡圖(1000倍);
圖7是木纖維表面的SEM顯微圖(1000倍);
圖8是與圖7中相同的木纖維的SEM顯微圖(4000倍)，它示出了在鄰近凹腔內(nèi)的石膏晶體。
圖9(a)、9(b)、9(c)、9(d)、9(e)和9(f)是用現(xiàn)有技術(shù)方法制得的石膏/木片板截面的SEM顯微圖(分別是20倍，100倍，200倍，500倍，1000倍和1000倍);以及圖10(a)、10(b)、10(c)、10(d)和10(e)是按本發(fā)明制得的復(fù)合壁板截面的SEM顯微圖(分別是50倍，100倍，500倍，1000倍和2500倍)。
如圖1示意說明，這種基本方法是先混合未煅燒石膏、基質(zhì)顆粒(木纖維)和水以形成稀的水淤漿。石膏可選用原礦或管道氣脫硫或磷酸工藝的副產(chǎn)品。石膏的純度應(yīng)較高，即最好至少約92-96%，且細(xì)磨到例如92-96%的顆粒為低于100目或更小。較大的顆?？墒罐D(zhuǎn)化時間延長。可以干粉或借助于水淤漿引入石膏。
纖維素纖維的來源可以是廢紙、木漿、木片和/或其它植物纖維。纖維最好是多孔的、空心的、碎裂的和/或粗面的纖維，以便其物理幾何形狀能提供滲入溶解的硫酸鈣的間隙或空隙。在任何情況下，纖維素纖維(如木漿)在加工之前要求粉碎成碎塊、分離尺寸過大或過小的材料，并在某些情況下，還要預(yù)先抽提與強度有關(guān)的物料和/或可能會對煅燒石膏產(chǎn)生不利影響的雜質(zhì)，如半纖維素、乙酸等等。
研磨過的石膏和木纖維以木纖維為0.5-30%的重量比進行混合。加入足量的水以配制成約5-30%(重量)固體含量的淤漿，盡管迄今5-10%(重量)固體顆粒已足以有效地在可利用的實驗室設(shè)備上加工和處理。
將淤漿加入到一個配有連續(xù)攪拌或混合裝置的壓力容器中。需要的話，可在此時將結(jié)晶改性劑(如有機酸)加到料漿中以促進或阻礙結(jié)晶或降低煅燒溫度。在封閉容器之后，將蒸汽注入到容器中，以使容器的內(nèi)部溫度提高到約212°F(100℃)和約350°F(177℃)之間，自生加壓;該下限溫度約為實際最低溫度，在此溫度下，硫酸鈣二水合物將在適當(dāng)時間內(nèi)煅燒成半水化物態(tài);該上限溫度約為煅燒半水合物的最高溫度，在此溫度下不會冒著使一些硫酸鈣半水合物轉(zhuǎn)化為無水硫酸鈣的風(fēng)險。從目前已做的工作看，高壓釜的溫度最好是在約285°F(140℃)-305°F(152℃)范圍內(nèi)。
當(dāng)淤漿在這些條件下處理足夠長的時間(如約15分鐘)時，從硫酸鈣二水合物分子中將脫出足夠水以使其轉(zhuǎn)化為半水合物分子。溶液(借助于連續(xù)攪拌使顆粒保持在懸浮液中)將浸濕和透入基質(zhì)纖維的開口空隙中。當(dāng)溶液達到飽和時，半水合物將成核并在空隙的內(nèi)、上和周圍和沿基質(zhì)纖維壁開始形成晶體。
在二水合物轉(zhuǎn)化為半水合物完成后，可加入任選的添加劑和將淤漿排到脫水裝置中。在脫水裝置中，除掉高達90%的淤漿水，留下含約35%(重量)水的濾餅。在此階段，濾餅由與可再水化的硫酸鈣半水合物晶體鎖聯(lián)的木纖維素構(gòu)成，并仍可碎成單個的復(fù)合纖維或球粒，成型，澆注或壓實成高密度。如果需要將復(fù)合材料保持在這種可再水能的狀態(tài)下便于將來使用，則必須將其迅速干燥(最好在約200°F即93℃)，以在水化開始前脫除剩下的游離水。
另外，也可將脫水的濾餅直接形成所需產(chǎn)品形狀，然后再水化成復(fù)合硫酸鈣二水合物和木質(zhì)纖維的固化的塊體。為此，將形成的濾餅溫度降低到低于約120°F(49℃)以下。盡管在脫水步驟中抽提出大量的水將會顯著降低濾餅的溫度，但可能還需要輔助外部冷卻以在合適的時間內(nèi)達到所需水平。
根據(jù)料漿中添加的加速劑、緩凝劑、結(jié)晶改性劑或其它添加劑的不同，水化反應(yīng)可為僅幾分鐘至一小時或更長。由于針狀半水合物晶體與木質(zhì)纖維鎖聯(lián)，和載液從濾餅中大量移出避免了硫酸鈣的遷移，留下了均勻的復(fù)合體。再水化作用能使半水合物在空隙內(nèi)和周圍和在木纖維上和周圍再水化成二水合物，從而使復(fù)合材料保持均勻。晶體生長還能使硫酸鈣晶體連接到相鄰的纖維上，形成很大的晶塊，木纖維的增強作用使強度提高。
在水化完成前，最好迅速干燥復(fù)合塊體以除去剩下的水。否則吸濕木纖維往往會保留、甚至吸收以后將蒸發(fā)的未結(jié)合水。如果在除掉額外的水之前充分固化硫酸鈣面層，則纖維可能會收縮并在未結(jié)合的水蒸發(fā)時從石膏中脫出。因此，對最佳結(jié)果來說，最好在溫度下降到水化開始時的溫度之前，盡可能多地從復(fù)合塊體中除掉過量的游離水。
當(dāng)最終硬化后，該獨特的復(fù)合材料顯示出由這兩種組分提供的所希望的性質(zhì)。木纖維增大了石膏基體的強度，特別是撓曲強度，而石膏作為涂層和粘合劑保護了木纖維，賦予了耐火性并降低由于潮濕引起的膨脹。
上面所討論的復(fù)合石膏/木纖維材料的一個特別適合的應(yīng)用是生產(chǎn)復(fù)合壁板。制造復(fù)合壁板的方法在流程圖2中作了說明。
從圖1的基本方法來看，進料由未煅燒的石膏顆粒、精制的纖維素纖維(最好是木纖維)和水組成。石膏和木纖維分別以約5∶1的比例混合，再加入到足夠的水中制成固體含量最好約為5-10%的淤漿。在蒸汽高壓釜中，最好在約285至305°F的溫度下和在自生壓力下處理該淤漿足夠的時間，以使所有的石膏轉(zhuǎn)化成含纖維的硫酸鈣α-半水合物。在進行轉(zhuǎn)化時，最好對淤漿連續(xù)地混合或攪拌以破壞纖維的結(jié)塊并使原料處于懸浮狀態(tài)。
在熱壓操作中，據(jù)信溶解的硫酸鈣滲入木纖維的空隙中，然后以針狀的半水合物晶體沉淀在空隙中、上和周圍以及木纖維的表面上。當(dāng)轉(zhuǎn)化完成后，加入所需的添加劑并將淤漿排在脫水傳送帶上。當(dāng)產(chǎn)物淤漿的溫度仍較高時，盡可能多地除去水。脫水后，在濾餅的溫度降低到低于再水化的溫度之前，濕壓濾餅幾分鐘以進一步降低水的含量并達到最終產(chǎn)物的厚度和/或密度。如果需要，借助于外部冷卻，使濾餅的溫度降低到低于約120°F，從而可發(fā)生再水化反應(yīng)。再水化使石膏就地再結(jié)晶，并與木纖維物理鎖聯(lián)然后在約110°F(43℃)至125°F(52℃)，最好為約120°F(49℃)的溫度下迅速干燥經(jīng)壓制的板，可切割硬化和干燥的板材，另外再精制成所需規(guī)格。
在希望對板進行特種表面精制的情況下，前述方法同樣適用于改進的附加步驟。例如，可以預(yù)言，可將附加的干磨過的二水合物加到從高壓釜中排出的產(chǎn)物淤漿中;當(dāng)熱淤漿排放在脫水傳送帶上時噴在其表面上或者在形成的濾餅已完全脫水之前灑在其上，從而提供更平滑、更光亮著色和/或具有富集石膏表面的產(chǎn)品板。在濕壓操作時可賦予濾餅特殊的表面紋理，從而提供具有紋理面層的板。在濕壓步驟之后，也可以在最終干燥之前，可在表面進行疊層或涂層加工?？傊?，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將很容易對本方法的這一方面作許多其它改進。
由于產(chǎn)品是基本脫水的無紙板，因此干燥所需的能量將明顯地低于制造相應(yīng)的常規(guī)灰泥板所需的能量，這是本方法的另一可預(yù)料的特征。
下面表1所列的復(fù)合材料的四種樣品是采用間歇體系由上述方法的4種不同實驗制造的。在每一種情況下，未煅燒的石膏進料是具有92-96%不足100目的顆粒的灰泥土，基質(zhì)顆粒進料是熱機械精制的松木漿。
所有的四種樣品A、B、C和D隨后被壓成板樣品。對脫水淤漿的加壓應(yīng)使對板的壓力每隔30秒逐步增至48、103、173、243、311和380PSI(磅/平方英寸)。但對樣品A加壓僅1-0.5分鐘就到達173 PSI的最大值。結(jié)果，樣品A的溫度在再水化之前保持在足以發(fā)生干燥的溫度下，使所測試的樣品A主要由半水合物材料構(gòu)成。
另一方面，濕壓樣品B、C和D3分鐘然后再水化，從而完全形成二水合物。
取每一樣品的兩個試樣，測量其密度和MOR，二次測量的平均值列于表Ⅰ中。密度是通過將測量的重量除以測量的體積而測得的，而MOR則是按照ASTM D1037試驗法測量的。

表Ⅰ的數(shù)據(jù)表明，可制造出密度范圍很寬的復(fù)合石膏/木纖維板。事實上，實驗室已制得的樣品的密度范圍約為26磅/立方英尺至高約60磅/立方英尺。表Ⅰ中MOR的測量值與相應(yīng)的密度數(shù)據(jù)的比較總的來說也支持了實驗工作獲得的結(jié)論，即復(fù)合板的強度在某種程度隨密度而異。據(jù)認(rèn)為，樣品C的強度較低可能是用不精制的實驗裝置難以處理較稀的淤漿所致。
為了展示本發(fā)明制造的復(fù)合板的某些特性，將樣品B發(fā)表與常規(guī)灰泥板，木纖維和商售石膏/纖維復(fù)合板的樣品作比較，正如所述的那樣，某些比較樣品是本說明書一開始討論的先有工藝制造的。比較的目的僅僅是在可競爭的板產(chǎn)品的通常環(huán)境中選出新的復(fù)合板。因為具體性質(zhì)可變化，甚至在特定的板型或樣品范圍內(nèi)，因此讀者沒必要對難以得出具體結(jié)論感興趣。最后請注意，除非用星號(＊)注明，表Ⅱ所列的所用數(shù)據(jù)均是在實驗室中實際測量而得。用星號標(biāo)注的數(shù)據(jù)取之于可得到的文獻。

從表Ⅱ的數(shù)據(jù)可得到某些總的看法。特別注意到，從密度和MOR的比較可得知，新的復(fù)合石膏/木纖維板能以比可競爭的石膏纖維板更低的密度提供適應(yīng)建筑工業(yè)的MOR值。還可觀察到，新的復(fù)合板將提供好的防火特性(可高達Ⅰ級)，而木纖維板卻不能，同時還能在所有方向上提供均勻的高強度，特別是能提供比常規(guī)Ⅰ級灰泥板更大的釘固拔拉(nail pull-out)強度。
雖然表Ⅱ的數(shù)據(jù)沒有反映出新復(fù)合板的成本低于大多數(shù)可競爭產(chǎn)品的成本，但這是可以預(yù)料的。本發(fā)明的新的復(fù)合板的成本高于很便宜的灰泥板，但低于木纖維板。可以預(yù)料，本發(fā)明生產(chǎn)的復(fù)合板的成本將低于其它石膏/纖維組合板。
圖3-10所示的掃描電鏡(SEM)的顯微圖顯示本發(fā)明生產(chǎn)的獨特復(fù)合體的特殊效果。
圖3顯示了在新的復(fù)合材料的樣品中用作基質(zhì)顆粒的一小束裸露的木纖維。觀察者可看到這些木纖維的高縱橫比和不規(guī)則幾何形狀。
圖4顯示了在按本發(fā)明的方法與石膏結(jié)合后類似的一小束同類木纖維。這些纖維看起來更松散且被石膏基本上均勻包覆。
圖5顯示了與圖3同類的一簇隔開的木纖維的放大橫截面，該圖片揭示了所用的木纖維或基質(zhì)顆粒實際上經(jīng)常是許多束縛在一起的單個空纖維。在該圖片中，木纖維(簇)稍被壓縮。盡管如此，仍顯示出這些顆粒中的典型空芯或空隙。
圖6顯示了基質(zhì)木纖維的類似的放大橫截面，該木纖維已按本發(fā)明的方法處理。在該圖片中，可較容易地看出單個纖維的空芯內(nèi)以及基質(zhì)顆粒的端部和外表面已形成的針狀石膏晶體。
圖7顯示了基質(zhì)木纖維的表面和木纖維表面上的幾個凹點或空隙以及幾個不連續(xù)的半水化物晶體。請尤其注意用字母‘X’表明的針狀晶體，這晶體在圖8所示的進一步放大的圖片中清楚地顯示了在基質(zhì)纖維的凹坑之一上已形成。
為了將本發(fā)明生產(chǎn)的均勻復(fù)合材料與制造石膏纖維板的先有技術(shù)所得到的不均勻混合的材料作比較，圖9(a)至9(f)給出了按先有技術(shù)方法C制得的板的橫截面的一組圖片(放大圖)。為便于比較，圖10(a)至10(f)給出了本發(fā)明的復(fù)合材料的橫截面的一組圖片(放大圖)。
請看圖9(9)，木片與周圍的石膏塊明顯區(qū)分出。再請看圖9(b)，石膏象是包埋了木片的非晶塊體，就象包埋了填料顆粒一樣。再進一步觀看圖9(c)至9(f)，把注意力集中在圖9(b)中用“Y”標(biāo)明的具體木片上，這樣更清楚地看出石膏狀體被埋入的木片分離開。最后，請?zhí)貏e注意9(f)，木片的開口空腔無任何石膏。
現(xiàn)在請看圖10(a)和10(b)，可明顯地看出新的復(fù)合材料的更均勻性質(zhì)，可區(qū)分的石膏晶體聚集在各種木纖維的周圍和連接在不同的木纖維上。請繼續(xù)觀察圖10(c)至10(e)，把注意力集中在一對木纖維和在木纖維端部和其周圍以及木纖維的空芯內(nèi)形成的許多石膏晶體上。
正如圖片清楚顯示的那樣，當(dāng)石膏和木纖維按本發(fā)明的方法加工時，即加壓下將石膏在含基質(zhì)木纖維的淤漿中煅燒，接著在石膏再水化前脫去淤漿中的水時，石膏可在木纖維的空隙中和周圍重結(jié)晶并相互鎖聯(lián)，從而提供了具有有用優(yōu)點的協(xié)合復(fù)合體。已證明得到的復(fù)合材料特別適合用作壁板。
雖然已聯(lián)系具體實施方案討論了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員一旦熟習(xí)本發(fā)明后，將會對復(fù)合材料、其制造方法和其用途作各種修改、變動和改進，這些仍屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料，該材料包含一種非石膏材料、且在其一部分體上具有可進入的空隙的基質(zhì)顆粒，和硫酸鈣晶體，該晶體中至少一部分在基質(zhì)顆粒的空隙內(nèi)和周圍就地成核，形成與基質(zhì)顆粒物理鎖聯(lián)的硫酸鈣結(jié)晶基體。
2.權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是片狀、薄片或纖維狀且具有高的縱橫比。
3.權(quán)利要求1或2的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是有機物質(zhì)。
4.權(quán)利要求3的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是木素-纖維素物質(zhì)。
5.權(quán)利要求3或4的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是木纖維。
6.權(quán)利要求1至5中任一項的復(fù)合材料，其中大部分晶體是針狀晶體。
7.權(quán)利要求6的復(fù)合材料，其中晶體是從溶于水的硫酸鈣二水合物中沉淀出的且加壓煅燒的穩(wěn)定的α-半水合物晶體。
8.權(quán)利要求1至5中任一項的復(fù)合材料，其中硫酸鈣晶體是再水化的硫酸鈣二水合物。
9.權(quán)利要求6的復(fù)合材料，其中硫酸鈣晶體由針狀α-半水合物晶體再水化而得。
10.權(quán)利要求1至9中任一項的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是許多在其體上具有可進入孔隙的基質(zhì)纖維素顆粒之一，至少一部分硫酸晶體在基質(zhì)顆粒的大部分空隙中和周圍就地形成，從而使基質(zhì)纖維素顆粒與硫酸鈣晶體發(fā)生物理鎖聯(lián)。
11.權(quán)利要求10的復(fù)合材料，其中硫酸鈣晶體在基質(zhì)顆粒上和周圍與其它晶體相連接以形成與基質(zhì)顆粒鎖聯(lián)的晶體網(wǎng)絡(luò)。
12.權(quán)利要求11的復(fù)合材料，其中一部分與特定基質(zhì)顆粒結(jié)合的硫酸鈣晶體與在相鄰的晶質(zhì)顆粒上、內(nèi)或周圍形成的晶體相連結(jié)或纏結(jié)。
13.一種復(fù)合材料，該材料包含許多固態(tài)的、高的縱橫比的非石膏材料的基質(zhì)顆粒，該顆粒體上具有許多可進入的空隙，和在大部分基質(zhì)顆粒的至少一部分空隙中和周圍就地形成的穩(wěn)定的硫酸鈣晶體，在各種基質(zhì)顆粒上的至少一部分所述晶體與類似的和其它基質(zhì)顆粒鎖聯(lián)的晶體相連結(jié)或纏結(jié)，形成含與非石膏材料的不連續(xù)基質(zhì)顆粒物理纏結(jié)的石膏結(jié)晶基體的基本均勻的復(fù)合材料。
14.權(quán)利要求13的復(fù)合材料，其中晶體是硫酸鈣二水合物晶體，該晶體的制備方法是將石膏在含有基質(zhì)顆粒的淤漿及加壓條件下煅燒，然后使煅燒過的石膏在基質(zhì)顆粒的空隙中和周圍就地再水化。
15.權(quán)利要求13或14的復(fù)合材料，其中石膏晶體和結(jié)合的基質(zhì)顆粒的基體被壓實，以使其密度大于形成開始時的密度。
16.權(quán)利要求13或14或15的復(fù)合材料，其中基質(zhì)顆粒是木纖維或木片。
17.一種石膏/木纖維復(fù)合壁板，該壁板包含各含基質(zhì)木纖維的纏結(jié)復(fù)合顆粒和在木纖維的可進入空隙中、上和周圍形成的石膏晶體互相物理鎖聯(lián)的壓實的塊體。
18.權(quán)利要求17的復(fù)合壁板，其中壓實的塊體的密度約為40-50磅/立方英尺。
19.權(quán)利要求17或18的復(fù)合壁板，該壁板含約10-20%(重量)的木纖維。
20.權(quán)利要求17、18或19的復(fù)合壁板，其中石膏晶體主要由再水化的針狀α-半水合物晶體組成。
21.一種制造復(fù)合材料的方法，該方法包括在由至少70%(重量)的液體組成的稀淤漿中混合研磨過的石膏和強度更高的材料的基質(zhì)顆粒，在基質(zhì)顆粒存在下通過在加壓下加熱稀淤漿對石膏進行煅燒，從而形成針狀硫酸鈣α-半水合物晶體，在半水合物再水化成石膏前從煅燒石膏和基質(zhì)顆粒中分離出大部分液體。
22.權(quán)利要求21的方法，該方法包括在煅燒石膏和形成半水合物的同時連續(xù)攪拌淤漿。
23.一種制造復(fù)合材料的方法，該方法包括將研磨過的石膏和許多在其體上具有可進入的空隙的基質(zhì)顆粒與足夠的液體一起攪拌以形成一種稀淤漿，加壓下加熱至溫度足以使石膏煅燒成硫酸鈣半水合物，使硫酸鈣分子在基質(zhì)顆粒的空隙中和周圍就地成核和形成晶體，對熱淤漿進行脫水，干燥脫水過的固體以基本除去所有殘留的游離水并穩(wěn)定仍與基質(zhì)顆粒物理鎖聯(lián)的硫酸鈣晶體。
24.權(quán)利要求23的方法，該方法包括使淤漿和脫水固體的溫度保持在高于硫酸鈣半水合物再水化成硫酸鈣二水合物所需的溫度直到通過脫水和干燥基本上已去除所有的過量游離水為止。
25.權(quán)利要求30或31的方法，該方法包括在加熱淤漿直到石膏煅燒完成時連續(xù)地攪拌淤漿。
26.權(quán)利要求23、24或25的方法，該方法包括使淤漿的溫度保持在約200°F直到淤漿已基本脫水，最好已基本干燥。
27.權(quán)利要求23至26中任一項的方法，其中基質(zhì)顆粒是具有高縱橫比的纖維狀、小片狀和薄片狀的纖維素顆粒，且各個顆粒在其大部分體上具有可進入的空隙。
28.權(quán)利要求23至27中任一項的方法，該方法包括在溫度低于硫酸鈣半水合物晶體再水化成硫酸鈣二水合物所需的溫度下冷卻脫水的固體，且在干燥脫水的塊體以除去殘留的游離水前進行這種再水化反應(yīng)。
29.權(quán)利要求23至28中任一項的方法，該方法包括對熱的淤漿進行脫水以形成濾餅，然后濕壓濾餅，在干燥該濾餅前使濾餅的溫度降低到硫酸鈣半水化物再水化成石膏晶體所需的溫度。
30.權(quán)利要求23至27中任一項的方法，該方法包括由熱的淤漿形成一種墊層，壓縮該材料使墊層達到所需的厚度或密度。
31.權(quán)利要求30的方法，該方法包括使壓實的材料的溫度降低到低于硫酸鈣再水化成石膏所需的溫度且使這種水化反應(yīng)繼續(xù)進行直到與基質(zhì)顆粒物理鎖聯(lián)的石膏晶體連接類似的晶體形成完整的均勻塊體，然后干燥該塊體以除去保留的游離水。
32.一種制造復(fù)合板的方法，該方法包括將研磨的石膏和在具體上具有可進入的空隙的基質(zhì)顆粒與足夠的水一起混合以形成稀的含水淤漿，連續(xù)攪拌下在壓力容器中加熱淤漿直到溫度足以使石膏煅燒成硫酸鈣半水合物，使淤漿保持在該溫度下直到至少一部分硫酸鈣半水合物已在基質(zhì)顆粒的空隙中和周圍基本上結(jié)晶，將熱淤漿排放在平的多孔成型表面上且除去大部分水以形成濾餅，壓縮濾餅以形成預(yù)定密度和/或厚度的板并在板的溫度降低到低于硫酸鈣半水合物將再水化成石膏的溫度之前除去其中多余的水，將板冷卻至低于再水化的溫度并使硫酸鈣半水化物水化成石膏直到完成，干燥板以除去殘留的游離水。
33.權(quán)利要求32的方法，其中稀淤漿包含研磨的石膏和分散的木素纖維基質(zhì)顆粒，所述纖維素顆粒在其一部分體上具有可進入的空隙。
34.權(quán)利要求32或33的方法，其中基質(zhì)顆粒是木纖維，該木纖維選自化學(xué)精制木漿、機械精制木漿、熱-機械精制木漿和上述木漿的組合。
35.權(quán)利要求34的方法，其中在淤漿中的固體大約含0.5-30%(重量)的纖維。
36.權(quán)利要求35的方法，其中在淤漿中的固體含10-20%(重量)的木纖維。
37.權(quán)利要求32至36中任一項的方法，其中稀淤漿中含至少約40-95%，較好的為70-95%(重量)的水。
38.權(quán)利要求32至37中任一項的方法，其中在壓力容器中將淤漿加熱至溫度大約為285°F至305°F。
39.權(quán)利要求32至38中任一項的方法，其中使熱淤漿的溫度保持在高于約200°F直到淤漿已基本脫水且被濕壓成板。
40.權(quán)利要求39的方法，其中約90%未結(jié)合的水通過脫水和濕壓相結(jié)合的方法從淤漿中被除去。
41.權(quán)利要求39或40的方法，其中通過壓制熱的濾餅形成的板被冷卻至大約120°F的溫度，從而在最終干燥板之前進行硫酸鈣半水合物的再水化。
42.權(quán)利要求32至41中任一項的方法，其中板在大約110至125°F的持續(xù)溫度下干燥。
43.權(quán)利要求32至42中任一項的方法，其中壓實脫水的濾餅以形成板，該板在水化和干燥后的密度為40-50磅/立方英尺。
全文摘要
一種改進的復(fù)合材料，其制造方法包括在稀淤漿中混合石膏和更堅固物質(zhì)的基質(zhì)顆粒；加壓下加熱淤漿以使石膏轉(zhuǎn)化成硫酸鈣α-半水合物，在半水合物重新轉(zhuǎn)化成石膏之前基本上脫去熱淤漿中的水。得到的材料是含與不連續(xù)基質(zhì)顆粒物理鎖聯(lián)的石膏晶體的均勻塊體。本發(fā)明還涉及具有耐火、尺寸穩(wěn)定和極好強度性能的改進壁板，其制備方法是在復(fù)合塊體水化成最終產(chǎn)物前壓縮復(fù)合體塊體。
文檔編號B28B1/52GK1056457SQ9010358
公開日1991年11月27日 申請日期1990年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月17日
發(fā)明者墨扎A·拜格 申請人:美國吉譜薩穆公司