СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ СМЕСИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГИПСОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ

Композиционный материал с улучшенными свойствами получается из разбавленной суспензии, представляющей собой смесь гипса и наполнителя, состоящего из частиц усиливающего материала такого, как древесное волокно; нагреванием суспензии под давлением для того, чтобы превратить гипс в альфа полугидрат сульфата кальция; и значительным обезвоживанием горячей суспензии перед повторным гидратированием полугидрата до перехода его в гипс. Материал, который получается в результате, является гомогенным, и содержит кристаллы гипса, физически связанные с отдельными α частицами. Согласно другому аспекту изобретения, сухая штукатурка с улучшенными свойствами, обладающая огнестойкостью, стабильностью размеров (безусадочностью) и отличными прочностными свойствами получается путем обработки давлением композиционной массы перед гидратированием ее до окончательного схватывания.

Изобретение относится к сырьевой смеси для получения композиционного материала, композиционному материалу, способу его приготовления и к способу производства гипсоволокнистых плит. Изобретение может найти применение при изготовлении строительных и штукатурных изделий, а также огнестойких древесно-волокнистых плит.
Специфические свойства гипса (гидрата сульфата кальция) делают его очень распространенным материалом для изготовления промышленной и строительной штукатурки и других строительных изделий, особенно гипсовой сухой штукатурки. Он является доступным и, как правило, недорогим исходным материалом, который путем процесса дегидратирования и повторного гидратирования может быть отлит в формы или можно другим способом из него получить пригодные фасонные изделия. Он также негорюч и относительно устойчив к изменению линейных размеров при воздействии влаги. Однако, т.к. он является хрупким кристаллическим материалом, который имеет относительно низкую прочность на растяжение и изгиб, его использование, как прави-ло, ограничивается применением в ненесущих, ненагруженных и не подвергающихся удару изделиях.
Гипсовая стеновая плита содержит обводненный гипсовый сердечник, заключен-ный между слоями бумажной защитной накладки, и используется, главным образом, для обшивки внутренних стен и потолков. Бумажные защитные накладки значительно увеличивают прочность сухой штукатурки, однако снижают ее огнестойкость. Более того, из-за того, что гипсовый сердечник обладает хрупкостью и низкой способностью удерживать гвоздь и шуруп, обычная сухая штукатурка не может выдерживать тяже-ые подвешенные грузы или амортизировать значительную динамическую нагрузку (удар).
Таким образом, способы улучшения прочности на растяжение и изгиб, увеличение сопротивления выдиранию гвоздя и шурупа и сопротивления динамическому воздействию (удару) гипсовой сухой штукатурки и строительных изделий были и остаются предметом серьезного рассмотрения.
Другим доступным и пригодным материалом, который также широко используется для строительных изделий, является лигно-целлюлозный материал, особенно в виде древесного или бумажного волокна. Например, в дополнение к строительным материалам - фибровому картону, водостойкому картону, многослойному картону и плотному картону (фибровому картону высокой плотности) имеются некоторые виды картонов, получаемых как изделия из лигно-целлюлозных материалов, которые используются в строительной промышленности.
Известна сырьевая смесь для получения композиционного материала, содержащая кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция; дисперсные армирующие частицы и воду.
Известен также композиционный материал, состоящий из гидратированных кристаллов альфа-полугидрата сульфата кальция и дисперсных армирующих частиц растительного происхождения, приготовленный из сырьевой смеси, содержащий кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция дисперсных армирующих частиц растительного происхождения и воду [1].
Известен способ приготовления сырьевой смеси для композиционного материала, включающий дегидратацию дигидрата сульфата кальция до получения полугидрата сульфата в присутствии дисперсных армирующих частиц растительного происхожде-ния.
Известен способ производства гипсоволокнистых плит, включающий формование изделий из водной суспензии сырьевой смеси, содержащей гипс и дисперсные арми-рующие частицы растительного происхождения, включающий подачу указанной сус-пензии на плоскую формующую поверхность для удаления из суспензии избыточной воды с последующим прессованием полученного фильтровального осадка и сушкой готовых плит [3].
Известные композиционные материалы и изделия из них имеют высокую прочность на растяжение и изгиб, однако они имеют высокую цену, недостаточную огнестойкость и часто подвергаются значительному короблению и набуханию при воздействии влаги.
Предыдущие попытки сочетать свойства гипса и целлюлозного волокна, особенно древесного волокна, имели ограниченный успех. Попытки добавить целлюлозное волокно (или другое волокно для этой цели) к гипсовой массе и/или к гипсовому сердечнику в случае сухой штукатурки с обклейкой картоном приводили, в основном, к незначительному повышению или вовсе не повышали прочность из-за неспособности достигнуть сколько-нибудь значительной связи между волокном и гипсом.
Настоящее изобретение решает задачу по созданию дешевых, водостойких, огнестойких строительных материалов и изделий, лишенных указанных недостатков.
Поставленная задача решается за счет того, что сырьевая смесь для получения композиционного материала, содержащая кристаллы альфа-полугидрата сульфата, дис-персные армирующие частицы растительного происхождения и воду, является продук-том дегидратации дигидрата сульфата кальция в присутствии дисперсных армирующих частиц растительного происхождения в нагретой водной суспензии 5-30% кон-центрации при постоянном перемешивании и регулируемом давлении, при этом кри-сталлы альфа-полугидрата сульфата кальция имеют игольчатую форму и равномерно распределены на поверхности и в пустотах дисперсных армирующих частиц. Причем указанные частицы представляют собой волокна, кусочки или чешуйки и являются лигноцеллюлозным материалом, дисперсные частицы могут быть древесными волок-нами.
Дисперсные армирующие частицы используют в количестве 0,5-50 мас.% в пересчете на сухое вещество. Для древесных волокон содержание в смеси предпочтительно 10-20% в пересчете на сухое вещество.
Поставленная задача решается и за счет того, что в способе приготовления сырье-вой смеси для композиционного материала, включающем дегидратацию дигидрата сульфата кальция до получения полугидрата сульфата в присутствии дисперсных армирующих частиц растительного происхождения, дегидратацию осуществляют при постоянном перемешивании и регулируемом давлении в 10-30% водной суспензии, содержащей дигидрат сульфата кальция и дисперсные армирующие частицы растительного происхождения до получения альфа-полугидрата сульфата кальция в виде кристаллов игольчатой формы, равномерно распределенных на поверхности и в пу-стотах дисперсных армирующих частиц. Причем температуру суспензии поддержива-ют при величине больше той, при которой альфа-полугидрат сульфата кальция будет гидратироваться повторно и до тех пор, пока излишняя вода не будет удалена. Опти-мальной температурой суспензии является температура порядка 200°F. При этом приготовленную сырьевую смесь охлаждают при температуре ниже той, при которой кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция будут повторно гидратироваться до ди-гидрата сульфата кальция. Обезвоживание же горячей суспензии после сброса давле-ния осуществляют для удаления оставшейся свободной воды и получения кристаллов сульфата кальция, физически связанных с дисперсными армирующими частицами растительного происхождения.
Используемые при приготовлении сырьевой смеси дисперсные армирующие ча-стицы растительного происхождения представляют собой волокна, кусочки или чешуйки, имеющие проницаемые пустоты.
Кроме того, способ приготовления сырьевой смеси для композиционного материала может быть осуществлен путем дегидратации дигидрата сульфата кальция в присут-ствии дисперсных армирующих частиц растительного происхождения при постоянном перемешивании и регулируемом давлении в 5-30% водной суспензии.
Поставленная задача решается также за счет того, что композиционный материал, состоящий из гидратированных кристаллов альфа-полугидрата сульфата кальция и дисперсных армирующих частиц растительного происхождения, приготовленный из сырьевой смеси, содержащей кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция, дис-персные армирующие частицы растительного происхождения и воду, отличающийся тем, что указанная сырьевая смесь является продуктом дегидратации дигидрата суль-фата в присутствии дисперсных армирующих частиц растительного происхождения в нагретой водной суспензии 10-30% концентрации при постоянном перемешивании и регулируемом давлении, при этом кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция имеют игольчатую форму и равномерно распределены на поверхности и в пустотах дисперсных армирующих частиц.
Содержащиеся в композиционном материале дисперсные армирующие частицы являются целлюлозным материалом, преимущественно древесным волокном. При этом дисперсные армирующие частицы используют в количестве 0,5-30 мас.% в пересчете на сухое вещество. При использовании древесных волокон их количество в смеси со-ставляет 10-20 мас.% в пересчете на сухое вещество.
Поставленная задача, кроме того, решается за счет того, что в способе производства гипсоволокнистых плит, включающем формование изделий из водной суспензии сы-рьевой смеси, содержащей гипс и дисперсные армирующие частицы растительного происхождения, путем подачи указанной суспензии на плоскую формующую поверх-ность для удаления из суспензии избыточной воды с последующим прессованием по-лученного фильтровального осадка и сушкой гипсовых готовых плит, водную суспен-зию, содержащую дигидрат сульфата кальция, дисперсные армирующие частицы растительного происхождения и 40-95 мас.% воды, нагревают при регулируемом давлении и постоянном перемешивании до получения сырьевой смеси в виде водной сус-пензии, содержащей кристаллы альфа-полугидрата сульфата кальция игольчатой фор-мы, равномерно распределенные на поверхности и в пустотах дисперсных армирую-щих частиц растительного происхождения, при этом прессование осуществляют преж-де, чем температура плиты упадет ниже величины, при которой альфа-полугидрат сульфата кальция будет повторно гидратироваться в дигидрат сульфата кальция, а охлаждение плиты осуществляют при температуре, позволяющей альфа-полугидрату сульфата кальция повторно гидратироваться в дигидрат сульфата кальция, при этом получаемая плита имеет плотность 640-800 кг/м3.
Используемые дисперсные армирующие частицы являются лигно-целлюлозным материалом с проницаемыми пустотами. Используемые древесные волокна выбирают из группы: химически очищенные древесные волокна, механически очищенные дре-весные волокна, термомеханически очищенные древесные волокна.
Причем суспензия содержит 0,5-30 мас.% или 10- 20 маc.% древесных волокон в пересчете на сухое вещество.
Способ производства гипсоволокнистых плит предусматривает нагревание сус-пензии в аппарате под давлением до 140-150°C. В указанном способе после дегидратации температуру суспензии поддерживают при величине порядка 90°С до завершения процесса формования плиты.
При этом в отформованной плите остается несвязанной приблизительно 10% воды. После завершения процесса формования плиты ее охлаждают до температуры порядка 49°С для завершения процесса гидратации альфа-полугидрата перед окончательной сушкой плиты, которую осуществляют при 44-52°С. Водная суспензия сырьевой смеси, используемая при производстве гипсоволокнистых плит, содержит предпочтительно 70-95% воды.
Главным объектом изобретения является композиционный материал, который сочетает в себе гипс с другим веществом, имеющим более высокую прочность, таким как древесное волокно, с целью изготовления более прочных изделий отливки, сухой шту-катурки, строительных изделий, и находит для другое применениеы.
Объект изобретения, связанный с предыдущим, представляет собой процесс полу-чения такого композиционного материала.
Более конкретным объектом изобретения является получение стеновой плиты, не содержащей бумагу, из композиционного материала, который является гомогенным, имеет однородную хорошую прочность, включая сопротивление выдиранию гвоздя и шурупа, по всему объему, является огнестойким, и который может быть изготовлен по доступной цене.
Еще более конкретным объектом изобретения является представление экономиче-ски выгодного процесса получения вышеописанной стеновой плиты.
Согласно данному изобретению в широком смысле главный объект состоит в об-жиге под давлением измельченного гипса, находящегося в разбавленной водной сус-пензии в присутствии дисперсных частиц усиливающего материала.
Термин "гипс" в том смысле, в каком он используется здесь, означает сульфат кальция в устойчивом дигидратном состоянии, то есть СаSO4·2H20, и включает природный минерал месторождения, искусственно полученные аналоги и дигидрат, полученный гидратацией полугидрата сульфата кальция или ангидрита.
Термин "дисперсные частицы" подразумевает любую макроскопическую частицу ве-щества, отличного от гипса, такую как волокно, чешуйка или тонкий кусочек. Частица имеет заметные пустоты или углубления, или трещины, разрывы, пустую середину или другие поверхности, в которых могут формироваться кристаллы гипса. Также же-лательно, чтобы эти пустоты занимали значительную часть поверхности частицы; чем больше и лучше распределены эти пустоты, тем выше и более геометрически стабиль-ней будет физическая связь между гипсом и дисперсной армирующей частицей. Веще-ство частицы наполнителя должно иметь желаемые свойства, которые отсутствуют у гипса, и предпочтительно более высокую прочность на растяжение и изгиб. Примером частицы является лигно-целлюлозное волокно, особенно древесное волокно, которое наиболее подходит для композиционного материала и процесса данного изобретения.
Необожженный гипс и дисперсные армирующие частицы перемешивают с необхо-димым количеством жидкости для того, чтобы получить суспензию, которую затем нагревают под давлением, чтобы прокалить гипс до перехода его в полугидрат сульфата кальция.
Полугидрат в конечном счете образует центры кристаллизации и формирует кри-сталлы, в основном игольчатые, внутри и вокруг пустот частиц. Можно в эту суспен-зию добавлять модификаторы кристаллизации. Готовый композит представляет собой частицу наполнителя, физически связанную с кристаллами сульфата кальция. Это сцепление не только обеспечивает хорошую связь между сульфатом кальция и более прочной частицей наполнителя, но и предотвращает миграцию сульфата кальция из частицы, когда полугидрат повторно гидратируется до превращения в дигидрат (гипс).
Этот материал сразу же может быть высушен до того, как он остынет, чтобы затвердеть, но для этой цели используют композицию из повторного гидратированного полугидрата. Чтобы этот материал сразу же стал пригодным к употреблению, из этого композита можно в дальнейшем постепенно удалить всю жидкость, которая не пошла на повторное гидратирование, смешать с другими составляющими композиции в лю-бом желаемом виде и затем повторно гидратировать до схватывания и стабилизации гипсовой композиционной массы.
Имеется множество видов таких композиционных масс, из которых можно прессовать плиты, их можно уплотнять, делать скульптуры, отливки и придавать другие желаемые формы до окончательного схватывания. После того, как композиционный ма-териал затвердеет, его можно резать, обрабатывать резцом, пилить, сверлить и обраба-тывать другими механическими способами. Более того, он проявляет желаемую огне-стойкость и стабильность линейных размеров, присущую гипсу, плюс определенное увеличение (особенно прочности и жесткости) за счет распределенных по объему частиц наполнителя.
Согласно описанию настоящего изобретения частицы наполнителя представляют собой древесину в виде волокна или тонких кусочков. Процесс изготовления компо-зиционного материала гипс/древесное волокно, согласно изобретению, начинают со смешения от приблизительно 0,5% до приблизительно 30%, предпочтительней между 10% и 20% по весу древесного волокна (древесной фибры) с соответствующим количеством размолотого необожженного гипса. Сухую смесь перемешивают с достаточным количеством жидкости, предпочтительней воды для того, чтобы образовать водную суспензию, содержащую около 70-90% воды по весу. Суспензию получают в сосуде высокого давления при температуре, достаточной для того, чтобы гипс превратился в полугидрат сульфата кальция. Желательно непрерывно медленно перемешивать суспензию, чтобы разбивать кусочки волокна и поддерживать эти частицы во взвешенном состоянии. После того, как полугидрат осядет из раствора и рекристаллизуется, жидкую массу еще горячей выгружают из автоклава, постепенно обезвоживая, чтобы по-лучить отжатый осадок. Предпочтительно, чтобы около 70-90% несвязанной воды бы-ло удалено на этой стадии процесса.
Если требуется полугидратное состояние композиционного материала, то в этом случае отжатый осадок выдерживают при высокой температуре, например, при 180°F (82°С) до тех пор, пока вся оставшаяся вода не удалится. Высушенный отжатый осадок можно затем превратить в порошок или гранулы, чтобы легче было нагружать и хранить.
С другой стороны, этот отжатый обезвоженный осадок можно сразу же отпрессовать, отлить или придать ему другую форму и дать возможность остыть до температуры, при которой полугидрат сульфата кальция переходит в гипс внутри и вокруг древесного волокна. После того, как гидратация закончена, твердую массу необходимо высушить, чтобы удалить остаток несвязанной воды.
При получении плиты из смеси гипс/древесное волокно процесс смешения и выдерживания в автоклаве суспензии из гипса и древесного волокна по существу тот же самый, что и описанный выше. В готовую суспензию возможно добавление присадок, модифицирующих процесс определенным образом, или улучшающих свойства, таких как ускорители, замедлители, наполнители, снижающие вес. Их введение предпочти-тельней после выгрузки суспензии до удаления воды. Полученную суспензию выгру-жают на непрерывный ленточный конвейер такого же типа, какие используются в производстве бумаги, обезвоживают, удаляя несвязанной воды столько, сколько возможно. Первоначальный лабораторный эксперимент показал, что на этой стадии может быть удалено самое большое 90% воды. Пока полученный в результате отжатый осадок еще горячий, он во влажном состоянии прессуется в плиту желаемой толщины и/или плотности. Если необходимо придать поверхности определенную текстуру или ламинированную отделку поверхности, это надо делать во время или следом за стади-ей процесса, описанной выше. Во время прессования сырого материала, которое проводится с постояным повышением давления, чтобы сохранить однородность готового продукта, могут случиться две вещи. Дополнительную воду, например, около 80-90% оставшейся воды, удаляют. И, как следствие, этот отжатый осадок продолжает охла-ждаться. Однако, возможно, потребуется дополнительное охлаждение, чтобы снизить температуру отпрессованного слоя до температуры повторной гидратации за приемле-мое время. После того, как повторная гидратация закончена, плиты можно разрезать, отделывать, если требуется, и затем направлять на сушку. Температуру сушки лучше поддерживать достаточно низкой, чтобы избежать перекаливания гипса на поверхно-сти.
Плита из композиционного материала - гипс/древесное волокно, сделанная в соответствии с вышеупомянутым процессом, обладает синергетической комбинацией желаемых особенностей и свойств, которую не имеют плиты, полученные существую-щими сейчас способами. Они обладают более высокой прочностью, включая сопро-тивление выдиранию гвоздя и шурупа, по сравнению с обычной сухой штукатуркой. Она обладает более высокой огнестойкостью и лучше сохраняет линейные размеры при воздействии влаги, чем пиломатериалы, фиброкартон, прессованный бумажный картон и тому подобное. Более того, он может производиться различным по толщине и плотности. И, как будет показано далее в таблицах, изобретение позволяет производить плиту из композиционного материала, имеющую модуль на разрыв, сравнимый с этим показателем для изделий из гипсового фиброкартона, полученного с использованием процессов, описанных в прототипах; но меньшей плотности, и поэтому легче по весу и возможно более низкой стоимости.
Эти и другие свойства и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из более детального изложения изобретения, которое сопровождается чертежами, на которых показано:
фиг.1 - схематическая диаграмма процесса образования композиционного материа-ла согласно первому аспекту настоящего изобретения;
фиг. 2 - схематическая диаграмма другого процесса образования композиционной плиты согласно другому аспекту настоящего изобретения;
фиг. 3 - микроснимок (100х), полученный сканирующим электронным микроско-пом (SЕМ), группы древесных волокон;
фиг. 4 - микроснимок (100х), полученный с помощью SЕМ, частиц гип-са/древесной фибры композиционного материала;
фиг. 5 - микроснимок (1000х), полученный SЕМ, поперечного сечения пучка дре-весных волокон;
фиг. 6 - микроснимок (1000х), полученный SЕМ, поперечного сечения частицы композиции в соответствии с изобретением;
фиг. 7 - микроснимок, полученный SЕМ, поверхности древесного волокна;
фиг. 8 - микроснимок (4000х), полученный SЕМ, того же самого древесного во-локна, как на фиг. 7, показывающий кристалл гипса в трещине;
фиг. 9(а), 9(b), 9(с), 9(d), 9(е) и 9(f) - микроснимки, (20х, 100х, 200х, 500х, 1000х и 1000х соответственно), полученный SЕМ, поперечного сечения плиты из гип-са/кусочков древесины, изготовленной по процессу, изложенному в прототипе; и
фиг. 10(а), 10(b), 10(с), (l0d), 10(е) - микроснимки (50х, 100х, 500х, 1000х и 2500х соответственно), полученный SЕМ, поперечного сечения композиционного материала сухой штукатурки, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением.
Основной процесс, как схематически показано на фиг. 1, начинается с перемеши-вания необожженного гипса: армирующих частиц (древесных волокон) и воды для того, чтобы получить разбавленную водную суспензию. Гипс может быть из природного месторождения или быть продуктом десульфирования или процесса обработки фосфорной кислоты. Гипс должен быть относительно высокой степени чистоты, т.е. предпочтительно, по меньшей мере, 92-96%, и тонкого помола, например, до 92-96% минус 100 меш или меньше. Частицы большего размера, возможно, будут увеличивать время превращения. Гипс может вводиться либо в сухом виде, либо в виде водной суспензии.
В качестве целлюлозного волокна (целлюлозной фибры) можно использовать ма-кулатуру, древесную массу; кусочки древесины и/или другое растительное волокно. Желательно, чтобы это волокно имело поры, отверстия, трещины и/или грубую по-верхность такую, чтобы имелись доступные щели или поры, позволяющие проникать растворенному сульфату кальция. В зависимости от того, из чего получают целлюлоз-ное волокно, например, может потребоваться разбить предварительно комки древесной массы, отделить куски, не проходящие по размеру, и в некоторых случаях предва-рительно путем экстрагирования удалить материалы, служащие замедлителями, и/или загрязняющие вещества, которые могут вредно влиять на процесс обжига гипса; такие как гемицеллюлоза, уксусная кислота и т.п.
Молотый гипс и древесные волокна перемешиваются в соотношении около 0,5 до 30% по весу древесных волокон. Добавляется требуемая вода, чтобы получить суспен-зию, содержащую около 5-30% сухого, для эффективного проведения процесса на ла-бораторном оборудовании предпочтительно содержание сухого 5- 10%.
Приготовленная суспензия загружается в сосуд под давлением, оборудованный приспособлением для непрерывного перемешивания. На этой стадии процесса могут быть добавлены кристаллы модификатора, такого, например, как органические кисло-ты для того, чтобы ускорять или замедлять кристаллизацию или для снижения темпе-ратуры обжига. После того, как автоклав закроют, подается в сосуд пар, чтобы темпе-ратура внутри его была между 212°F(100°C) и около 350°F (177°С) и autogeneous дав-ление; нижний температурный предел определяется практически минимальной температурой, при которой дигидрат сульфата кальция перейдет в результате обжига в полу-гидрат за приемлемое время, а верхний температурный предел лежит около макси-мальной температуры, при которой для обожженного полугидрата отсутствует риск перехода некоторого количества полугидрата сульфата кальция в ангидрит. Основыва-ясь на результатах работы, проведенной к настоящему времени, температура в автоклаве - примерно от приблизительно 285°(140°С) и около 305°F (152°С).
Когда суспензия подвергается обработке при этих условиях в течение достаточно-го времени, например, примерно 15 минут, из молекулы дигидрата сульфата кальция будет удалено достаточное количество воды, чтобы превратить ее в молекулу полу-гидрата. Раствор, в котором частицы путем непрерывного перемешивания поддержи-ваются во взвешенном состоянии, будет смачивать и проникать в открытые пустоты волокна. Когда будет достигнуто насыщение раствора, полугидрат образует зародыш кристаллизации и начнут образовываться кристаллы в, на и вокруг пустот и вдоль во-локон.
После того, как закончится превращение дигидрата в полугидрат, могут быть вве-дены необязательные добавки, и суспензию загружают в оборудование для обезвоживания. Поскольку 90% воды из суспензии удаляется в оборудовании для обезвожива-ния, оставшийся осадок содержит приблизительно 35% воды по весу. На этой стадии этот осадок состоит из древесных волокон, сцепленных с кристаллами вторично гид-ратированного полугидрата сульфата кальция, и может быть разложен на отдельные сложные волокна или узлы, отформован, отлит или спрессован для получения более высокой плотности. Если надо сохранить этот композиционный материал для после-дующего использования в повторно гидратированном состоянии, необходимо быстро его высушить, предпочтительно при приблизительно 200°F(93°C) для того, чтобы уда-лить оставшуюся свободную воду перед тем, как начнется гидратация.
С другой стороны, обезвоженному отжатому осадку может быть непосредственно придана желаемая форма изделия и затем проведена повторная гидратация до затвердения массы композиции из дигидрата сульфата кальция и древесных волокон. Для этого, чтобы завершить это, температура сформованного отжатого осадка опускается ниже приблизительно 120°F (49°С). Хотя удаление основного количества воды на ста-дии обезвоживания значительно влияет на снижение температуры отжатого осадка, может потребоваться дополнительное охлаждение для того, чтобы достичь желаемого уровня в течение приемлемого времени.
В зависимости от ускорителей, замедлителей, модификаторов кристаллизации или других добавок, введенных в суспензию, гидратация может продолжаться от несколь-ких минут до часа и более. Так как игольчатые кристаллы полугидрата сцеплены с древесными волокнами, а большая часть жидкости удалена из отжатого осадка, мигра-ция сульфата кальция предотвращается, оставляя композицию гомогенной. При по-вторной гидратации производится рекристаллизация полугидрата при переходе его в дигидрат внутри или около пустот и на и около древесных волокон, сохраняя гомо-генность композита. Рост кристалла также связывает кристаллы сульфата кальция на примыкающих волокнах, формируя кристаллические образования, имеющие увели-ченную прочность за счет армирования древесными волокнами.
Перед тем, как гидратация закончится, желательно быстро высушить композици-онную массу для того, чтобы удалить оставшуюся свободную воду. Иначе древесные волокна, обладая гигроскопичностью, имеют тенденцию удерживать или даже абсор-бировать несвязанную воду, которая позднее будет испаряться. Если сульфат кальция затвердевает на поверхности до того, как излишек воды будет удален, волокна могут сжаться и вытолкнуть гипс, когда несвязанная вода испарится. Поэтому для получения оптимальных результатов предпочтительно как можно больше свободной воды уда-лить из композиционной массы до того, как температура упадет ниже уровня, при ко-тором начинается гидратация.
После окончательного отверждения этот единственный в своем роде композици-онный материал проявляет свойства, привнесенные в него обоими компонентами. Древесные волокна повышают прочность, особенно прочность на изгиб, гипсовой матрицы, в то время как гипс действует как покрытие и связующее, защищающее дре-весное волокно, придает огнестойкость и снижает расширение при воздействии влаги.
Одной из наиболее подходящих областей применения гипс/древесное волокно мате-риала, обсужденного выше, является производство композиционной сухой штукатур-ки. Процесс изготовления такой композиционной сухой штукатурки проиллюстриро-ван схематически на фиг. 2.
Как показано в базовом процессе фиг. 1 входящие материалы состоят из частиц не-обожженного гипса, очищенного целлюлозного волокна, предпочтительней древесно-го волокна и воды. Гипс и древесные волокна перемешивают в относительных про-порциях приблизительно 5 к 1, и добавляют воду в достаточном количестве для того, чтобы получить суспензию, предпочтительно содержащую приблизительно 5-10% су-хих веществ. Суспензия подвергается обработке паром в автоклаве при температуре предпочтительно между 285°F и 305°F и давлении, в течение времени, достаточного для того, чтобы превратить весь гипс в волокнистый полугидрат сульфата кальция. Суспензию постоянно перемешивают для того, чтобы разбивать комки волокон и под-держивать материалы во взвешенном состоянии, пока происходит превращение.
Снова во время процесса, протекающего в автоклаве, полагают, что растворенный сульфат кальция проникает в пустоты древесных волокон и потом осаждается в виде игольчатых кристаллов полугидрата на и вокруг пустот и поверхности древесных во-локон.
Когда превращение закончено, вводятся желаемые добавки, и суспензия выгружа-ется на конвейер, где обезвоживается. Как можно больше воды удаляют, пока темпера-тура суспензии остается еще высокой. После обезвоживания и до того, как температура упадет ниже температуры повторной гидратации, отжатый осадок во влажном состоя-нии прессуется в течение нескольких минут, чтобы снизить содержание воды и полу-чить конечный продукт желаемой толщины и/или плотности. Опять, если необходимо быстрое охлаждение, температура отжатого осадка понижается приблизительно до 120°F, когда может иметь место повторная гидратация. Гидратация приводит к рекри-сталлизации гипса по месту, физически связывает его с древесными волокнами. От-прессованная плита затем быстро сушится при температуре приблизительно между 110°F(43°C) и 125°F (52°С); предпочтительно приблизительно 120°F (49°С). Отвер-жденная плита может быть разрезана и отделена в соответствии с требованием.
В случае необходимости придать специальную отделку поверхности плиты, упо-мянутый выше процесс можно модифицировать, чтобы произвести дополнительную операцию. Например, легко видеть, что дополнительное количество сухого размолото-го дигидрата можно добавить к готовой суспензии, выгруженной из автоклава, путем распыления на поверхности горячей суспензии, когда она распределена на конвейере для обезвоживания, или разбросать на поверхности отформованного отжатого осадка перед тем, как он был полностью обезвожен, для того, чтобы получить более гладкую, светлую и/или с более богатым содержанием гипса поверхность на готовой плите. Особенная текстура поверхности может быть придана отжатому осадку при выполне-нии операции прессования его во влажном состоянии для того, чтобы плита имела текстурированную отделку. Ламинирование поверхности и покрытие можно наносить после выполнения операции прессования во влажном состоянии и после окончательной сушки. Во всяком случае много различных дополнительных вариантов в этом ас-пекте данного процесса легко могут быть найдены специалистами в этой области.
Дополнительная предполагаемая особенность этого процесса в том, что продукт, из которого постепенно удаляется вода, представляет собой плиту, не содержащую бумаги, поэтому для сушки потребуется значительно меньше энергии по сравнению с той, которая требуется при производстве обычной сухой штукатурки.
Пример 1
В таблице 1 представлены четыре вида композиционного материала одного соста-ва и изготовленного по 4 различным режимам процесса, описанного выше. В каждом случае был взят природный необожженный гипс, имеющий размеры частиц 92-96% минус 100 меш, и в качестве армирующих частиц была взята сосновая древесная масса, очищенная термомеханическим способом.
Образцы всех четырех видов А, В, С и Д были потом отпрессованы, чтобы получить плиту. Прессование обезвоженной суспензии, которое выполняли для получения образцов, производили при постепенном повышении давления до 48, 103, 173, 242, 311 и 380 фунтов на кв. дюйм через каждые 30 секунд. Образцы опыта, однако, прессовали только 1-1/2 минуты до максимального давления 173 фунта на кв. дюйм. В результате температура в опыте А осталась достаточно высокой, сушка произошла перед повтор-ной гидратацией, и образец опыта А, как показало испытание, содержал преобладающее количество полугидрата.
С другой стороны, образцы опытов В, С и Д прессовались во влажном состоянии в течение полных 3 минут, и затем проводилась повторная гидратация до полного от-верждения и перехода в дигидрат.
Для 2 образцов каждого опыта была определена плотность и проведены измерения, и среднее из 2 измерений приведено в табл. 1. Плотность определялась путем деления измеренного веса на измеренный объем, тогда как MOR определялась в соответствии с методом испытания ASTMD 1037.
Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что плита из композиционного материала гипс/древесное волокно может быть изготовлена различной плотности. В действительности, образцы плотностью от приблизительно 26 фунтов на куб. фут до приблизительно 60 фунтов на куб.фут были изготовлены в лаборатории. Сравнение показателей плотности, приведенных в таблице 1, с MOR также подтверждают выво-ды другой лабораторной работы о том, что прочность композиционных плит изменя-ется до некоторой степени в зависимости от плотности.
Вероятно, что более низкую прочность образцов опыта С можно отнести за счет трудностей в работе с более разбавленной суспензией на несовершенном лабораторном оборудовании.
Для того, чтобы показать перспективность свойств плиты из композиционного материала, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением, образцы опыта В сравниваются с образцами обычной сухой штукатурки, древесного фиброкартона и коммерчески доступных плит из сочетания гипс/волокно, которые были изготовлены, как указывалось, в соответствии с процессами, взятыми за прототип, и обсуждались в начале спецификации. Единственная цель этого сравнения - поставить эту новую ком-позиционную плиту в ряд с основными конкурирующими строительными изделиями. Поскольку даже для данного образца или типа плиты характерные свойства можно изменить, окончательные выводы делать еще рано. И последнее примечание: все дан-ные, приведенные далее в таблице II, были получены в результате измерений, выпол-ненных в лаборатории, за исключением тех, которые имеют пометку звездочкой *. Данные, отмеченные звездочкой, взяты из имеющейся литературы.
Данные таблицы II дают возможность сделать некоторые общие замечания. В частности, при сравнении плотности и MOR плита из нового композиционного гипс/волокно материала может выдерживать такое давление, которое удовлетворяет строительную промышленность, при плотности ниже, чем у конкурирующих гипсо-вых фибровых плит. Также очевидно, что плита из нового композиционного материа-ла будет проявлять хорошую характеристику огнестойкости (весьма вероятно отно-ситься к 1 классу), чего нет у плит из древесного волокна, и в то же время обладать более высокой прочностью по всему объему и значительно более высоким сопротив-лением выдиранию гвоздя, чем у обычной сухой штукатурки, относящейся к 1 классу.
Можно ожидать, хотя это и не отражено в данных таблицы II, что плита из нового композиционного материала будет обладать более ценными преимуществами по срав-нению с наиболее конкурирующими изделиями. Ожидается, что этот материал будет стоить дороже, чем относительно недорогая сухая штукатурка, и меньше, чем плиты из древесного волокна; также ожидается, что изготовление будет стоить меньше, чем у других плит, представляющих собой сочетание гипса и волокна.
Пример II
На фиг. 3-10 представлены микроснимки, полученные сканирующим электронным микроскопом (SЕМ), на которых показано характерное строение единственной в своем роде композиции, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 показан маленький пучок, связка древесного волокна того типа, какой используется в качестве армирующей частицы в образцах нового композиционного материала.
На фиг. 4 показан подобный маленький пучок того же самого древесного волокна после соединения с гипсом в соответствии с изобретенным процессом. Волокна стано-вятся большими и даже покрыты гипсом.
На фиг. 5 представлено поперечное сечение отдельного пучка древесных волокон того же гипса как на фиг. 3, в увеличенном виде. Этот снимок показывает, что древес-ное волокно или дисперсная армирующая частица такая, какая используется здесь, чисто фактически представляет собой множество связанных вместе отдельных пустоте-лых волокон. На этом снимке древесное волокно (пучок) спрессован до некоторой сте-пени. Тем не менее, снимок показывает наличие в таких частицах пустот.
На фиг. 6 показано подобное поперечное сечение древесного волокна, которое участвует в процессе согласно настоящему изобретению. На этом снимке легко видеть игольчатые кристаллы гипса, прорастающие через пустоты каждого волокна, вокруг его концов и на поверхности частицы.
На фиг. 7 показана поверхность частицы древесного волокна и несколько трещин или пустот внутри или вдоль ее с кристаллами полугидрата. Особо отмечен игольча-тый кристалл, помеченный буквой "Х", который, как показано на нижеприведенном снимке 8, пророс из одной из трещин (пустот) волокна.
Для того, чтобы сравнить гомогенный композиционный материал, изготовленный согласно настоящему изобретению, с наиболее гетерогенными материалами, представ-ляющими собой смеси и изготовленными в соответствии с процессами получения гипсовой сухой штукатурки, изложенными в прототипах, на фиг. с 9(а) по 9(f) вклю-чительно представлена серия снимков (расположенных по мере увеличения) попереч-ного сечения плиты, изготовленной в соответствии с процессом С, взятым в качестве прототипа. Для сравнения на фиг. с 10(a) по 19(f) включительно представлена серия снимков (расположенных по мере увеличения) поперечного сечения композиционного материала, изготовленного согласно настоящему изобретению.
На фиг. 9(а) древесные волокна расположены на здачительном расстоянии от окружающей массы гипса. На следующей фиг. 9(b) гипс представлен аморфной массой с древесными кусочками внутри подобно частицам наполнителя. Рассматривая фиг. с 9(с) по 9(f), обратим внимание на отдельный кусочек древесины, обозначенный "У" на фиг. 9(b). Становится очевидным, что масса гипса расположена отдельно от вставлен-ного кусочка древесины. Наконец, рассматривая фиг. 9(f), отмечено отсутствие гипса в открытых ячейках древесного кусочка.
Взглянув на фиг. 10(а) и 10(b) видно, что природа нового композиционного мате-риала более гомогенна; кристаллы гипса собраны в пучок и прикреплены к различным древесным волокнам. Рассмотрев фиг. с 10(с) по 10(е), один за другим видно пару дре-весных волокон количество кристаллов гипса, сформировавшихся на концах этих во-локон и внутри пустот.
На этих снимках ясно видно, когда гипс и древесное волокно подвергаются обработке согласно настоящему изобретению путем обжига гипса и разбавленной суспензии под давлением в присутствии дисперсных армирующих частиц и последующему обезвоживанию суспензии перед повторной гидратацией гипса, гипс может рекристаллизоваться внутри и вокруг пустот древесных волокон и сцепляться между собой, в результате чего получается синергетическая композиция, обладающая преимуществами по физико-механическим свойствам.

Волженский А.В. и др. Гипсовые вяжущие изделия, 1974, с.132-133, 18, 19.
SU, авторское свидетельство, 68439, кл. С 04 В 28/14, 1947.
SU, авторское свидетельство, 85973, кл. С 04 В 28/14, 1950.