具有中等范圍粘度的預(yù)膠化淀粉，以及與其相關(guān)的產(chǎn)品、漿料和方法
【專利說(shuō)明】具有中等范圍粘度的預(yù)膠化淀粉，以及與其相關(guān)的產(chǎn)品、漿 料和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年10月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/717, 588、2013年 3月15日提交的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 13/835, 002和2013年10月2日提交的美國(guó)部分 繼續(xù)申請(qǐng)No. 14/044,582的權(quán)益，前述專利申請(qǐng)全部以全文引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 凝固石膏（即硫酸鈣二水合物）是用于許多產(chǎn)品（包括用于建筑構(gòu)造和改建的面 板和其他產(chǎn)品）的公知材料。一個(gè)這種面板（通常稱為石膏板）為夾在兩個(gè)覆蓋片材（例 如紙面板）之間的凝固石膏芯的形式，并常用于建筑物的內(nèi)墻和天花板的干式墻構(gòu)造。通 常稱為"面層"的一個(gè)或多個(gè)致密層可包括于芯的任一側(cè)上，通常在紙-芯界面處。
[0004] 在板的制造過(guò)程中，通常在葉式混合器中混合灰泥（即硫酸鈣半水合物和/或硫 酸鈣無(wú)水石膏的形式的煅燒石膏）、水和合適的其他成分，如所述術(shù)語(yǔ)在本領(lǐng)域中使用那 樣。漿料形成并從混合器中排放至攜帶覆蓋片材的移動(dòng)的傳送帶上，所述覆蓋片材具有已 經(jīng)施用（通常在混合器的上游）的面層（如果存在的話）中的一個(gè)。漿料在紙（面層任選 地包括于紙上）上鋪展。將具有或不具有面層的另一覆蓋片材施用至漿料，以在例如成型 板等的協(xié)助下形成具有所需厚度的夾層結(jié)構(gòu)。澆鑄混合物，并使其硬化，以通過(guò)煅燒石膏與 水反應(yīng)而形成結(jié)晶水合石膏（即硫酸鈣二水合物）的基質(zhì)，從而形成凝固（即再水合）石 膏。正是煅燒石膏的所需水合使得凝固石膏晶體的連鎖基質(zhì)能夠形成，由此將強(qiáng)度賦予產(chǎn) 品中的石膏結(jié)構(gòu)。需要加熱（例如在窯中）以驅(qū)逐剩余的游離（即未反應(yīng)的）水，以生成 干燥產(chǎn)品。
[0005] 被驅(qū)逐的過(guò)量的水表示體系的低效率。需要能量輸入來(lái)去除水，且制造過(guò)程減慢 以適應(yīng)干燥步驟。然而，已證實(shí)在不損害商品的其他關(guān)鍵方面（包括板重量和強(qiáng)度）的情 況下，降低體系中的水量是極困難的。
[0006] 應(yīng)了解，本【背景技術(shù)】描述由本發(fā)明人創(chuàng)作以協(xié)助讀者，并不被當(dāng)作對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的 引用，也不被當(dāng)作表示所指出的問(wèn)題的任意者本身在本領(lǐng)域中得以認(rèn)知。盡管所描述的原 理在一些方面和實(shí)施例中緩和了其他體系中所固有的問(wèn)題，但應(yīng)了解所保護(hù)的創(chuàng)新的范圍 由所附權(quán)利要求書(shū)限定，而不由用以解決本文記載的任何特定問(wèn)題的要求保護(hù)的發(fā)明的能 力限定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在一方面，本發(fā)明提供了包括凝固石膏芯的板。所述芯可包含石膏的連鎖晶體基 質(zhì)。所述板可設(shè)置于兩個(gè)覆蓋片材（例如由紙形成）之間。凝固石膏芯由漿料形成，所述 漿料包含水、灰泥和至少一種預(yù)膠化淀粉，所述至少一種預(yù)膠化淀粉的特征在于，當(dāng)?shù)矸廴?以下實(shí)例1中所述經(jīng)受根據(jù)VM法的條件時(shí)，其具有"中等范圍"的粘度（即具有約20厘 泊至約700厘泊的粘度），且淀粉以淀粉和水的總重量的15重量％的量在水中。因此，VM 法用于確定當(dāng)?shù)矸劢?jīng)受VM法的條件時(shí)其是否顯示中等范圍的粘度特性。這不意味著淀粉 必須在這些條件下添加至石膏漿料中。相反，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)將淀粉添加至漿料中 時(shí)，其可為濕潤(rùn)（以淀粉在水中的各種濃度）或干燥形式，并且其無(wú)需在VM法中所述的條 件下完全膠化或其他。如本文所用，"預(yù)膠化"意指任意程度的膠化。
[0008] 在另一方面，本發(fā)明提供了漿料，其包含水、灰泥和至少一種預(yù)膠化淀粉，所述至 少一種預(yù)膠化淀粉具有約20厘泊至約700厘泊的中等范圍的粘度，其中所述粘度根據(jù)VM 法測(cè)得。漿料有時(shí)稱為"石膏漿料"，因?yàn)楫?dāng)水與灰泥反應(yīng)時(shí)，石膏在其中形成。當(dāng)漿料中的 灰泥與水反應(yīng)時(shí)，石膏（即硫酸鈣二水合物）開(kāi)始形成。漿料可用于制備板以及其他石膏 產(chǎn)品。
[0009] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備板的方法?；旌纤?、灰泥和至少一種預(yù)膠化淀 粉以形成漿料，所述至少一種預(yù)膠化淀粉的特征在于根據(jù)VM法的中等范圍的粘度。淀粉 可以以濕潤(rùn)或干燥的形式添加。所述預(yù)膠化淀粉在添加至漿料中時(shí)無(wú)需為完全膠化的，并 且無(wú)需在VM法中所述的條件下。將漿料設(shè)置于第一覆蓋片材與第二覆蓋片材之間，以形 成作為面板前體的濕組件。在此方面，如本文所用，"設(shè)置于……之間"應(yīng)理解為意指面層 可任選地施用或包括于芯與覆蓋片材中的一者或兩者之間，從而應(yīng)了解覆蓋片材可包括面 層。切割面板以形成板。干燥所述板。在干燥之后，可根據(jù)需要進(jìn)行最終定尺寸（例如切 害J)和加工。根據(jù)一些實(shí)施例，淀粉可在包括于漿料中之前被化學(xué)改性（以相對(duì)于預(yù)膠化 步驟的任意順序）。在一些實(shí)施例中，預(yù)膠化淀粉在添加至漿料中時(shí)為部分膠化的，剩余的 膠化在干燥步驟（例如在窯中）發(fā)生。在一些實(shí)施例中，淀粉在窯中變得完全膠化。
[0010] 在另一方面，接合配混物包含碳酸鈣和至少一種預(yù)膠化淀粉，其中所述淀粉具有 約20厘泊至約700厘泊的粘度，且其中所述粘度根據(jù)VM法測(cè)得。在一些實(shí)施例中，所述 接合配混物還包含煅燒石膏、水和/或凝固阻滯劑。
[0011] 在另一方面，吸聲面板包括吸聲部件，所述吸聲部件包括纖維和至少一種預(yù)膠化 淀粉，其中所述淀粉具有約20厘泊至約700厘泊的粘度，其中所述粘度根據(jù)VM法測(cè)得，且 其中所述面板根據(jù)ASTMC423-02具有至少約0.5的降噪系數(shù)。在一些實(shí)施例中，所述纖 維包括礦物棉。
[0012] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種板，所述板包括設(shè)置于兩個(gè)覆蓋片材之間的凝固 石膏芯，所述芯由包含灰泥、水和至少一種預(yù)膠化淀粉的漿料形成，其中所述淀粉具有大于 約30%的冷水溶解度，且其中所述凝固石膏芯具有比使用冷水溶解度小于約30%的淀粉 制得的凝固石膏芯更大的壓縮強(qiáng)度。
[0013] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備板的方法，其包括混合至少水、灰泥和至少一 種預(yù)膠化淀粉以形成漿料、將所述漿料設(shè)置于第一覆蓋片材與第二覆蓋片材之間以形成濕 組件、將所述濕組件切割成板以及干燥所述板。所述淀粉具有大于約30%的冷水溶解度，且 所述凝固石膏芯具有比使用冷水溶解度小于約30%的淀粉制得的凝固石膏芯更大的壓縮 強(qiáng)度。
[0014] 在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備預(yù)膠化淀粉的方法，其包括混合至少水和非 預(yù)膠化淀粉以制備濕淀粉、將所述濕淀粉設(shè)置于具有在約90°C或更大的溫度下的沖模的擠 出機(jī)中以及干燥所述淀粉。所述預(yù)膠化淀粉具有大于約30%的冷水溶解度。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由粘度儀產(chǎn)生的粘度圖，其示出了不同狀態(tài)下的淀粉 的粘度，其中X軸為時(shí)間，Y軸疊置了轉(zhuǎn)矩（主Y軸，在左邊）和溫度（次Y軸，在右邊）。
[0016] 圖2為顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)例13的立方體在指定密度（X軸）下的壓 縮強(qiáng)度（Y軸）的線形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明的實(shí)施例的前提至少部分在于在石膏漿料中包含預(yù)膠化淀粉，所述預(yù)膠化 淀粉的特征在于具有"中等范圍"粘度（例如約20厘泊至約700厘泊）。盡管在將淀粉置 于根據(jù)本文描述的VM法的某些條件下時(shí)測(cè)定粘度特性，但應(yīng)了解預(yù)膠化淀粉無(wú)需在這些 條件下添加至漿料。令人驚訝地且出乎意料地，已發(fā)現(xiàn)包含中等范圍粘度的預(yù)膠化淀粉提 供了顯著益處的組合，例如關(guān)于淀粉效率（例如可使用更少的淀粉）、產(chǎn)物強(qiáng)度提高和水需 求，例如在一些實(shí)施例中一致地。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括關(guān)于淀粉效率、水需求和/或 強(qiáng)度的益處代表了與已知用于石膏漿料中的淀粉（如非膠化淀粉（未經(jīng)熱煉）或粘度為20 厘泊以下或700厘泊以上的預(yù)膠化淀粉（經(jīng)熱煉），如根據(jù)VMA法所測(cè)得）相比顯著的改進(jìn) 和進(jìn)步。這些發(fā)現(xiàn)賦予了顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括但不限于降低原料成本、提高制造效率和提高產(chǎn) 品強(qiáng)度，例如提供具有足夠強(qiáng)度性質(zhì)的更低重量的產(chǎn)品。
[0018] 淀粉被分類為碳水化合物，并含有兩類多糖，即線性的直鏈淀粉和支化的支鏈淀 粉。淀粉顆粒為半結(jié)晶的（例如如在偏振光下所見(jiàn)），并在室溫下為不可溶的。膠化為如下 過(guò)程：將淀粉置于水中并加熱（"熱煉"），使得淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)熔化，淀粉分子溶解于 水中，從而產(chǎn)生良好的分散體。已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將淀粉顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槟z化形式時(shí)，由于淀粉顆粒為 水不溶性的，淀粉顆粒最初在水中提供小的粘度。隨著溫度增加，淀粉顆粒溶脹，結(jié)晶結(jié)構(gòu) 在膠化溫度下熔化。當(dāng)?shù)矸垲w粒具有最大溶脹時(shí)為峰值粘度。進(jìn)一步的加熱將破壞淀粉顆 粒，并將淀粉分子溶解于水中，且粘度急劇下降。在冷卻之后，淀粉分子將再締合而形成3-D 凝膠結(jié)構(gòu)，其中粘度由于所述凝膠結(jié)構(gòu)而增加。參見(jiàn)例如如下本文所述的圖1。一些商用淀 粉以預(yù)膠化形式銷售，而其他以顆粒形式銷售。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，商用顆粒形式發(fā) 生至少一定程度的膠化，使得其在添加至石膏漿料（通常在混合器中，例如葉式混合器）中 之前為預(yù)膠化的。
[0019] 為了獲得根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的所需中等范圍粘度，可將淀粉分子改性，例如水 解葡萄糖單元之間的糖苷鍵，以獲得所需的分子量。例如，這種改性可包括酸改性、酶改性 和/或其他方法。例如，用于獲得低粘度的其他方法包括例如機(jī)械能擠出或?qū)⒌矸鄯肿痈?性為包含更多的線性直鏈淀粉單元。作為一個(gè)例子，在TackidexK720的情況中，通過(guò)機(jī)械 能擠出、更多的直鏈淀粉單元（~35% )和羥丙基化而獲得低粘度。改性可在發(fā)生膠化之 前或之后進(jìn)行。在酶改性的情況中，通常優(yōu)選的是改性在膠化步驟之后進(jìn)行。最常用的淀 粉轉(zhuǎn)化酶為a-淀粉酶（阿爾法-淀粉酶）?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)pH或通過(guò)加熱而停止酶水解反 應(yīng)。在酸改性的情況中，通常優(yōu)選的是改性在膠化之前進(jìn)行，因?yàn)檫@往往更有效且成本密集 度更低。為了制備酸改性的淀粉，應(yīng)了解未經(jīng)改性的淀粉的水性懸浮體可用例如少量的強(qiáng) 酸（如鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸等）處理。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間，可改變解聚程度。例如，當(dāng) 獲得適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性（例如如通過(guò)進(jìn)程內(nèi)實(shí)驗(yàn)室控制所測(cè)定）時(shí)，引入溫和的堿以中和酸并 停止水解。因此，可制得各種流動(dòng)性的酸改性的淀粉。而且，酸改性的淀粉可在中和之后直 接使用而無(wú)進(jìn)一步提純或者可提純以去除鹽。酸改性的淀粉的最終使用可決定提純的希望 程度。例如，由硫酸改性并由氫氧化鈣中和的淀粉的組合物可含有硫酸根離子和鈣離子，所 述硫酸根離子和鈣離子可被添加至灰泥和水漿料中。由于灰泥已經(jīng)具有硫酸根離子和鈣離 子，因此可不必在添加至漿料中之前提純硫酸改性的淀粉。因此，決定提純的希望程度的考 慮包括例如酸和堿的特性，以及是否希望將除了硫酸根離子和鈣離子之外的其他離子添加 至漿料。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的顯示中等范圍粘度特性的預(yù)膠化淀粉為產(chǎn)品（例如墻板）強(qiáng)度提供 了明顯的益處。由于淀粉含有具有三個(gè)羥基基團(tuán)的葡萄糖單體，因此淀粉提供了用于氫鍵 結(jié)合至石膏晶體的許多位點(diǎn)。盡管不希望受限于任何特定的理論，但據(jù)信顯示出中等范圍 粘度特性的預(yù)膠化淀粉的分子尺寸提供最佳的淀粉分子移動(dòng)性以將淀粉分子與石膏晶體 對(duì)準(zhǔn)，從而有利于淀粉例如經(jīng)由氫鍵而良好結(jié)合至石膏晶體，以加強(qiáng)所得結(jié)晶石膏基質(zhì)。粘 度在中等范圍之外的預(yù)膠化淀粉（其分別具有更長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)和更高的分子量（粘度過(guò)高）， 和更短的鏈長(zhǎng)和更低的分子量（粘度過(guò)低））不提供相同的益處組合。也據(jù)信對(duì)于淀粉效 率而言，當(dāng)?shù)矸鄯肿映浞纸Y(jié)合至石膏晶體時(shí)，由于晶體已被結(jié)合而使得不存在用于粘附或 結(jié)合淀粉的另外的石膏晶體位點(diǎn)，因此額外的淀粉不會(huì)增加明顯的益處。因此，由于石膏晶 體與中等范圍粘度的預(yù)膠化淀粉分子之間的最佳結(jié)合，實(shí)際上結(jié)晶石膏基質(zhì)的強(qiáng)度得以提 高，并且與常規(guī)淀粉相比需要更少的淀粉來(lái)提升該強(qiáng)度。
[0021] 顯示中等范圍粘度特性的預(yù)膠化淀粉也提供了關(guān)于水需求的優(yōu)點(diǎn)。將淀粉添加至 石膏漿料要求將額外的水添加至石膏漿料中，以保持所需程度的漿料流動(dòng)性。這是因?yàn)榈?粉增加粘度，并降低石膏漿料的流動(dòng)性。因此，在常規(guī)體系中淀粉的使用導(dǎo)致水需求的增 加，從而在石膏漿料中要求甚至更多的過(guò)量水。令人驚訝地且出乎意料地，根據(jù)本發(fā)明的具 有中等范圍粘度特性的預(yù)膠化淀粉需要更少的水，從而降低了對(duì)石膏漿料中的水需求的影 響，尤其是相比于常規(guī)淀粉。此外，由于具有中等范圍粘度特性的本發(fā)明的預(yù)膠化淀粉的效 率而可使用更少的淀粉，因此根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)水需求的積極影響甚至更明顯。 所述更低的水需求提供了制造過(guò)程中的顯著效率。例如，過(guò)量水需要能量輸入以用于干燥。 線速度必須減慢以適應(yīng)干燥。因此，通過(guò)降低石膏漿料中的水載量，可發(fā)現(xiàn)更少的能源和成 本，以及更快的生產(chǎn)率。在一些實(shí)施例中，石膏漿料中的水需求的增加小于其他淀粉（如粘 度在700厘泊以上（例如約773厘泊）的預(yù)膠化淀粉）所需的水需求的增加。
[0022] 可選擇任何合適的淀粉，只要其可例如經(jīng)由改性或其他方式滿足本發(fā)明的中等范 圍粘度特性。如本文所用，"淀粉"指包含淀粉組分的組合物。這樣，淀粉可為100%純淀 粉或者可具有其他組分（如通常存在于面粉中的那些（如蛋白質(zhì)和纖維）），只要淀粉組分 構(gòu)成淀粉組合物的至少約75重量％。淀粉可為含有淀粉的面粉（例如玉米粉）的形式， 如具有面粉的至少約75重量％，例如至少約80重量％，至少約85重量％，至少約90重 量％，至少約95重量％等的淀粉的面粉。例如但非限制性地，淀粉可為如下形式：含有淀 粉的玉米粉；玉米淀粉，例如CHmon砹 260 (ADM)、Supercore^S23F(GPC)、AmidonM-B 065R(Roquette);豌豆淀粉，例如酸改性的乙?；矸郏鏑learamLG7015 (Roquette); 烷基化淀粉，如羥乙基化的淀粉，例如ain&0# 714(ADM)、Coahrsaster?K57F(GPC) 或羥丙基化的淀粉，例如Tackidex⑧K720(Roquette);以及氧化淀粉，如0int:OTli) 444 (ADM);或它們的任意組合。
[0023] 石膏漿料通常在葉式混合器內(nèi)形成。然而，將成分引入混合器中的方式可變化。例 如，在進(jìn)入混合器之前，可預(yù)混組分的各種組合，例如可預(yù)混一種或多種干燥成分和/或一 種或多種濕潤(rùn)成分。如本文所用，對(duì)于"添加至漿料中"，應(yīng)了解成分可在進(jìn)入如本文所述形 成漿料的混合器中之前以任何合適的方式預(yù)混。
[0024] 本發(fā)明的具有中等范圍粘度特性的預(yù)膠化淀粉可以以濕潤(rùn)或干燥的形式包含于 石膏漿料中。如果為濕潤(rùn)形式，則淀粉可以以任何合適的濃度包含，并可與其他濕潤(rùn)成分預(yù) 混。盡管根據(jù)實(shí)例1中所述的VM法在水中的淀粉的量為淀粉和水的總重量的15重量％ 的情況下測(cè)量粘度，但這并不必然意味著添加至漿料的淀粉在VM法所述的條件下完全膠 化或其他或者并不必然意味著添加至漿料的淀粉必須在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的15%溶液 中。相反，在這些特定條件下表征淀粉的粘度特征，以確定淀粉是否滿足本發(fā)明的實(shí)施例的 粘度標(biāo)準(zhǔn)，并允許在歸一化的情況下比較不同淀粉的粘度特性。
[0025]因此，如本文所用，"預(yù)膠化"意指淀粉在包含于石膏漿料中之前具有任意膠化程 度。在一些實(shí)施例中，預(yù)膠化淀粉在包含于漿料中時(shí)可為部分膠化的，但在暴露于高溫時(shí) (例如在用于干燥步驟以去除過(guò)量水的窯中）變得完全膠化。在一些實(shí)施例中，只要淀粉在 根據(jù)VM法的條件下滿足中等范圍粘度特性，甚至在離開(kāi)窯時(shí)預(yù)膠化淀粉也為不完全膠化 的。
[0026] 粘度儀和差示掃描量熱法（DSC)為描述淀粉膠化的兩個(gè)不同的方法?？赏ㄟ^(guò)例如 來(lái)自DSC的熱譜圖，例如使用峰面積（晶體的熔化）計(jì)算而確定淀粉膠化程度。粘度圖（來(lái) 自粘度儀）對(duì)于確定部分膠化程度而言是較不合意的，但其是獲得諸如淀粉的粘度改變、 膠化最大值、膠化溫度、膠凝、保持過(guò)程