石膏(二水硫酸钙)的某些特性使得其非常普遍地应用于制造工业和建 筑产品，尤其是石膏墙板。石膏是丰富的且通常并不昂贵的原材料，其通过 脱水(或煅烧)和再水合的方法可以被铸造、模铸或者另外形成有用的形 状。生产石膏墙板和其它石膏产品的基础材料是半水合形式的硫酸钙 (CaSO4·1/2H2O)，一般被称作“灰泥(stucco)”，其是通过二水合形式硫酸 钙(CaSO4·2H2O)的热转化而被生产的，二水合形式硫酸钙中11/2的水分子 被除去。再水合以后，该半水合物溶解，石膏晶体析出，和晶体物凝结并形 成固体，提供一凝固石膏材料。
石膏分为α-半水合石膏和β-半水合石膏两类，其通过不同的煅烧方法而 生产。α-半水合物(或α石膏)是在压力下煅烧的。β-半水合物(或β石 膏)是通过在釜中(kettle)于大气压下煅烧而制造的。用于制造石膏墙板的 灰泥是专有的β-半水合物形式。α-半水合物不被用于商业生产石膏墙板主要 是由于与β-半水合物相比其较慢的水合速度(这将需要较慢的线速度)，以 及当α-半水合物以制造墙板的常规密度被使用时获得的较低的强度特性。然 而，在制造石膏墙板时能够使用α-半水合物或α-半水合物和β-半水合物的混 合物将是有益的，因为α-半水合物是一种具有多种独特有益特性的、可容易 获得的原材料。这些独特的有益特性包括比β-半水合物明显更低的需水量以 生成所需的流动性，而且生成的凝结铸件密度更高，强度更高且表面硬度更 高。
为了保证浆料适当的流动性，在石膏浆料中需要使用相当大量的水。令 人遗憾地，这些水绝大部分必须最终通过加热被除去，由于在加热处理中所 用燃料的成本高而使得这一过程非常昂贵。这一加热步骤也很耗时。这意味 着如果α-半水合物可以被用于制造墙板，其将大大减少所需用水并因此减少 生产墙板所需的费用和时间。
现在已经发现，当α-半水合物被研磨以生成如下所述的α-半水合物颗粒 时，其水合速率可以被充分提高而不损失包括其低需水量在内的任何其它所 需特性。事实上已经发现，在用于制造墙板的浆料中α-半水合物的水合速率 可以被达到，其完全可以满足用于生产石膏墙板。

在一个实施方式中，本发明构成石膏墙板，其包括位于两层基本上平行 的盖板之间一凝固石膏组合物，该凝固石膏组合物是使用一水的含石膏浆料 和研磨过的α-半水合物而制成。该α-半水合物具有在下述范围内的粒径分 布：
d(0.1)＝大约3μ～5μ；
d(0.5)＝大约14μ～50μ；
d(0.9)＝大约40μ～100μ，
以及在大约3100cm2/g～大约9000cm2/g范围的Blaine表面积。在浆料中还 使用了其它常规成分，包括适宜的分散剂(例如萘磺酸盐)、强度添加剂 (例如三偏磷酸盐)、促进剂、粘结剂、淀粉、纸纤维、玻璃纤维和其它已 知成分。可以添加肥皂泡沫以减小最终石膏墙板产品的密度。
在另一个实施方式中，本发明建立一种制造石膏墙板的方法，其为通过 混合一含水的含石膏浆料和研磨过的α-半水合物，所述α-半水合物具有在下 述范围内的粒径分布：
d(0.1)＝大约3μ～5μ；
d(0.5)＝大约14μ～50μ；
d(0.9)＝大约40μ～100μ，
以及在大约3100cm2/g～大约9000cm2/g范围的Blaine表面积。生成的含有 石膏的浆料被沉淀到第一纸盖板上，和第二纸盖板被放置到已沉淀的浆料上 以形成石膏墙板。当含石膏的浆料硬化到足以切削时切削该石膏墙板，并且 干燥所生成的石膏墙板。在该浆料中还使用其它常规成分，包括适宜的分散 剂(例如萘磺酸盐)、强度添加剂(例如三偏磷酸盐)、促进剂、粘结剂、 淀粉、纸纤维、玻璃纤维和其它已知成分。可以添加肥皂泡沫以减小最终石 膏墙板产品的密度。
在又一个实施方式中，本发明包括石膏墙板和用于制造墙板的浆料，其 中一些或者所有的灰泥组分是如上所述粒径范围的研磨过的α-半水合物。灰 泥组分不全是α-半水合物的，其余的灰泥组分是β-半水合物。通过向浆料中 引入基于干灰泥重量，按重量计大约0.12～0.4％的三偏磷酸盐以及基于配方 中干灰泥的重量，按重量计0.5～2.5％的萘磺酸盐分散剂来进一步降低在这种 用于制造石膏墙板的浆料中的需水量。在该浆料中还使用其它常规成分，包 括适宜的促进剂、粘结剂、淀粉、纸纤维、玻璃纤维和其它已知成分。可以 添加肥皂泡沫以减小最终石膏墙板产品的密度。
附图说明
图1描述了本发明的一个实施方式中α-半水合物和β-半水合物样品的粒 径分布曲线图。
图2描述了精细研磨过的α-半水合物和β-半水合物50∶50的混合物的水 合速率以及100％的α-半水合物的水合速率的曲线图。
图3描述了精细研磨过的α-半水合物和β-半水合物的50∶50(w/w)混 合物的抗压强度以及100％的β-半水合物的抗压强度的曲线图。
图4描述了本发明的一个实施方式中作为含石膏浆料配方(配方B)的 流动性测量的坍落尺寸的柱状图。
图5描述了本发明的一个实施方式中的含石膏浆料配方(配方A)的抗 压强度的曲线图。
图6描述了本发明的一个实施方式中的由精细研磨过的α-半水合物和β- 半水合物的50∶50(w/w)混合物制造的板的拔钉试验数据的曲线图。
图7描述了根据本发明的一个实施方式由100％的研磨过的α-半水合物 制造的墙板的拔钉试验数据的曲线图。

本发明出乎意料地发现，使用被研磨成特定粒径范围的α-半水合物可以 获得石膏墙板。任何适宜的标准市售研磨设备可以被用于此目的。通过使用 机械球磨工具可以完成研磨，例如冲击式磨碎机或球磨机。
α-半水合物的粒径分布(“PSD”)是本发明的关键特征并且需要在下 述范围内：
d(0.1)＝大约3μ～5μ
d(0.5)＝大约14μ～50μ
d(0.9)＝大约40μ～100μ。
该粒径范围可以在Malvern Instruments Model Mastercizer 2000或其它市售可 得的测量设备上所测定。
上述数值代表了体积百分数，即，d(0.1)表示颗粒总体积的10％具有小 于或等于大约3μ～5μ的直径，而剩余的90％具有大于3μ～5μ的直径；d(0.5) 表示颗粒总体积的50％具有小于或等于大约14μ～50μ的直径，而50％具有 大于14μ～50μ的直径；而d(0.9)表示颗粒总体积的90％具有小于或等于大约 40μ～100μ的直径，而剩余的10％具有大于40μ～100μ的直径。
优选地，PSD在下述范围内：
d(0.1)＝大约3μ～5μ
d(0.5)＝大约14μ～20μ
d(0.9)＝大约40μ～50μ。
一个优选的α-半水合物具有PSD为：d(0.1)＝5μ，d(0.5)＝50μ，d(0.9) ＝100μ。另一个更优选的α-半水合物具有PSD为：d(0.1)＝5μ，d(0.5)＝ 20μ，d(0.9)＝50μ。又一个更优选的α-半水合物具有PSD为：d(0.1)＝3μ，d (0.5)＝14μ，d(0.9)＝40μ。尤其优选的α-半水合物具有PSD为：d(0.1)＝ 3μ，d(0.5)＝14.1μ，d(0.9)＝45.9μ。
另外，同时该研磨颗粒的Blaine表面积应为大约3100～9000cm2/g，优 选大约3500～6000cm2/g和最优选大约3900cm2/g。该Blaine表面积可以在 获得自Humboldt Manufacturing Co.，Norridge，Illinois的设备上或其它市售可 得的测量设备上被测量。
基于相同的PSD分析，商品级β-半水合物的PSD为：d(0.1)＝2.1μ，d (0.5)＝9.2μ，d(0.9)＝49.1μ。商品级研磨过的α-半水合物典型地具有下述 PSD：d(0.1)＝4.4μ，d(0.5)＝36.8μ，d(0.9)＝169μ，而未研磨过的α-半水合 物具有下述PSD：d(0.1)＝17.4μ，d(0.5)＝64.5μ，d(0.9)＝162.8μ。商品级 研磨过的α-半水合物典型地具有Blaine表面积为大约2700cm2/g。这些数值 全部落在本发明的实施方式的有效范围以外。
在联合使用β-半水合物和本发明的α-半水合物的实施方式中，α-半水合 物和β-半水合物优选地在引入浆料前被混合。任何适宜的标准市售混合设备 或类似装置可以被用于此目的。例如，出于实验目的，可以将精细研磨过的 α-半水合物和β-半水合物加入到一塑料袋中，然后将其密封并用手摇动以制 备混合物。尤其优选α-半水合物和β-半水合物按50∶50(w/w)的混合物。
水/灰泥(w/s)比率，或者“WSR”是一个重要的经济参数，由于必须最 终通过加热将过量的水除去，由于加热处理中所使用的燃料的成本高而使得 这一过程非常昂贵。将处理水的量以及随后的WSR保持低值是有益的。在本 发明的实施方式中，WSR可以在大约0.2～大约1.0的范围内。在一个优选的 实施方式中，WSR可以是大约0.4～大约0.5，这一范围证明了相当低的需水 量。另外，已经发现了使用根据本发明的α-半水合物制造的石膏浆料在非常 低的WSR，例如从大约0.2到大约0.3时保持了优异的流动性。使用这种浆 料制造的石膏墙板也展现出优异的抗压强度。
按重量计，至少大约0.12～0.4％的三偏磷酸盐与大约0.5％～2.5％的萘 磺酸盐分散剂(两者全部基于石膏浆料中所用的干灰泥的重量)的极少量的 混合出人意料地并且显著地提高了石膏浆料的流动性，这一提高超出了使用 根据本发明的α-半水合物所实现的已经显著提高的流动性。这进一步减少了 生产具有显著流动性的、被用于制造石膏墙板的石膏浆料的需水量。至少是 标准配方(三偏磷酸钠)大约2倍的三偏磷酸盐的水平被认为促进萘磺酸盐 分散剂的分散活性。需要注意的是在本发明的所有实施方式中，必须使用萘 磺酸盐分散剂和水溶性偏磷酸盐或多磷酸盐(优选水溶性三偏磷酸盐)的混 合物。
本发明所使用的萘磺酸盐分散剂包括聚萘磺酸及其盐(聚萘磺酸盐)以 及衍生物，其是萘磺酸和甲醛的缩合产物。尤其满意的聚萘磺酸盐包括聚萘 磺酸钠和聚萘磺酸钙。聚萘磺酸盐的平均分子量可以是大约3000～20000， 尽管优选分子量大约8000～10000。较高分子量的分散剂具有较高的粘性， 以及在配方中产生较大的需水量。有用的萘磺酸盐包括获得自Henkel Corporation的LOMAR D，获得自GEO Specialty Chemicals，Cleveland，Ohio 的DILOFLO，以及获得自Hampshire Chemical Corp.，Lexington， Massachusetts的DAXAD。萘磺酸盐优选以水溶液形式被使用，例如，按重 量计大约40～45％的固体含量。
本发明所使用的聚萘磺酸盐具有下述通式结构(I)：

其中n＞2，和其中M是钠、钾、钙等。
基于石膏复合物配方中所使用的干灰泥重量，按重量计萘磺酸盐分散剂 必须在大约0.5～大约2.5％的范围内被使用。萘磺酸盐分散剂的优选范围是 基于干灰泥重量，按重量计大约0.5％～大约1.5％，更优选基于干灰泥重 量，按重量计大约0.7％～大约1.5％，最优选基于干灰泥重量，按重量计大 约0.7％～大约1.2％。
根据本发明可以使用任何适宜的水溶性偏磷酸盐或多磷酸盐。优选使用 三偏磷酸盐，包括复盐(double salts)，即具有两种阳离子的三偏磷酸盐。 尤其有用的三偏磷酸盐包括三偏磷酸钠，三偏磷酸钾，三偏磷酸钙，三偏磷 酸钠钙，三偏磷酸锂，三偏磷酸铵等或其组合。优选的三偏磷酸盐是三偏磷 酸钠。优选使用该三偏磷酸盐的水溶液，例如，按重量计大约10～15％固体 含量。也可以使用其它环形或非环形多磷酸盐，如在Yu等的美国专利 6,409,825中所述，所述专利在此被引用作为参考。
在含石膏组合物中，三偏磷酸钠是公知的添加剂，尽管其通常以基于在 石膏浆料中所使用的干灰泥重量，按重量计大约0.05％～0.08％的范围内被使 用。在本发明的实施方式中，基于在石膏复合物配方中所使用的干灰泥重 量，按重量计，三偏磷酸钠(或其它水溶性偏磷酸盐或多磷酸盐)必须在大 约0.12％～大约0.4％的范围内。基于在石膏复合物配方中所使用的干灰泥重 量，按重量计，三偏磷酸钠(或其它水溶性偏磷酸盐或多磷酸盐)优选在大 约0.12％～大约0.3％的范围内。
淀粉，尤其包括预胶化淀粉可以被用于根据本发明所制备的含有石膏的 浆料中。优选的预胶化淀粉是预胶化玉米淀粉，例如获得自Bunge，St.Louis， Missouri的预胶化玉米粉，其具有下述典型分析：湿度7.5％，蛋白8.0％，油 0.5％，粗纤维0.5％，灰0.3％；具有生坯强度(green strength)为0.48psi；以 及具有松装体积密度为35.0 lb/ft3。基于含石膏浆料中所用的干灰泥的重量， 预胶化玉米淀粉可以按重量计高达大约10％被使用。
其它有用的淀粉包括酸改性淀粉，例如获得自Bunge，St.Louis，Missouri 的诸如HI-BOND的酸改性玉米粉。该淀粉具有下述典型分析：湿度 10.0％，油1.4％，溶质17.0％，碱的流动性98.0％，松装体积密度30 lb/ft3， 以及20％浆料产生pH4.3。再一个有用的淀粉是非-预胶化小麦淀粉，例如获 得自ADM/Ogilvie，Montreal，Quebec，Canada的ECOSOL-45，其具有最大量 的溶质为25.0％。
根据本发明，当萘磺酸盐分散剂三偏磷酸盐组合物与预胶化玉米淀粉结 合，以及可选择地与纸纤维或玻璃纤维结合，可以进一步达到出人意料的结 果。由含有这三种成分的配方所制造的石膏墙板强度增加且重量减小，而且 由于在其制造中需水量降低而在经济上更加令人满意。
在本发明的含石膏组合物中可以使用促进剂，例如，如Yu等在美国专 利6,409,825中所述的湿石膏促进剂(WGA)，其在此被引用作为参考。一 个所需的抗热促进剂(HRA)可以由石膏粉(landplaster)(二水硫酸钙)的 干研磨而制成。小量(通常大约按重量计5％)诸如糖、葡萄糖、硼酸和淀粉 的添加剂可以被用于生产该HRA。目前优选糖或葡萄糖。其它有用的促进剂 是如在美国专利3,573,947中所述的“气候稳定促进剂(climate stabilized accelerator)”或者“可气候稳定的促进剂(climate stable accelerator)” (CSA)，其在此被引用作为参考。
根据本发明的实施方式所制造的石膏墙板包括盖板或面板，在它们中间 由含石膏的浆料形成了一凝固的石膏芯。根据本发明，含石膏浆料将包括具 有如上所述粒径的研磨过的α-半水合物，或者该α-半水合物和β-半水合物的 混合物。该凝固的含石膏芯材料被夹在两层基本上平行的盖板之间，例如纸 盖板。本领域公知的各种类型的纸盖板以及所有该类型的纸盖板可以被用于 本发明。也可以使用包括玻璃或聚合物纤维底板的盖板。
下述实施例进一步说明了本发明。它们不能被解释为以任何方式限制本 发明的范围。
煅烧技术提供了一种经济地生产α-半水合物的方法。然而，商品级的， 工厂生产的α-半水合物不能以墙板生产所需的方式被容易地水合。已经发 现，如在实施例1中所示，将常规α-半水合物研磨成如图1所示的所需粒径 分布(“PSD”)加速了水合过程，如图2和下面表1所示。
实施例1、制备精细研磨过的α-半水合物
用获得自Vortec Industries of Long Beach，California的Vortec M-1冲击式 磨粉机，以60Hz速度设定在1.8 lb./min来研磨未研磨过的α-半水合物。原 材料以及精细研磨过的材料的PSD如图1所示。用实验室规模的双筒混合器 将所获得的精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物以50∶50(wt/wt)的比率混 合。
如图1所示，精细研磨过的α-半水合物的PSD非常接近类似于β-半水合 物的PSD。图中也显示了未研磨过的α-半水合物用于比较。
如图2所示，尽管100％的α-半水合物样品也被精细研磨过，但是该精 细研磨过的α-半水合物和β-半水合物的50∶50混合物的水合速率比100％的α- 半水合物的水合速率充分地减少。根据Veeramasuneni等在美国专利 6,815,049的实施例2中所建立的检测方法测定水合速率，其在此被引用作为 参考。
表1说明了用于示例性混合物的水合时间的提高。
表1：
  50∶50灰泥样品的α组分   50％水合的时间，   分钟。   98％水合的时间，   分钟。   常规未研磨过的α-半水合物w/0.5％   2.5～3.5   ＞10
  CSA以及0.5％碳酸钾(或硫酸氢钠)   33Hz Vortec研磨过的αw/0.5％CSA   3.75   11.67   60Hz Vortec精细研磨过的αw/0.5％CSA   4   9.67   60Hz Vortec精细研磨过的αw/0.5％   CSA以及0.5％碳酸钾   3.25   8.83   60Hz Vortec精细研磨过的αw/1％石膏   粉以及0.5％碳酸钾   3.50   7.75   常规的墙板浆料   50％水合的时间，   分钟。   98％水合的时间，   分钟。   不含α(只有β灰泥w/WGA)   3～4   5～6.5
所有的50∶50混合物包括按重量计1.0％的LOMAR D。
如表1所示，随着混合物被优化，98％水合(干燥炉)的时间从大约 12min减少到8.8min。事实上，当精细研磨过的α-半水合物包括未煅烧的石 膏(CaSO4·2H2O，即“石膏粉”)时，水合更加迅速为7.8min。因此，α-半水 合物的精细研磨解决了水合速率慢的问题。
实施例2、α/β混合物的抗压强度
参考图3，精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物的50∶50(w/w)混合物 显示出与100％β-半水合物大体上相等的台架立方体强度(bench cube strength)。如图1所报告的，使用净灰泥立方体测定抗压强度psi，该灰泥立 方体仅仅由水和灰泥(没有泡沫)以不同密度(每立方英尺(pcf)的磅数) 而制造。未研磨过的α-半水合物与β-半水合物的50∶50(w/w)混合物产生了较 差的强度结果。
实施例3、样品石膏浆料的配方
下表2显示了石膏浆料的配方。表2中的所有数值表示为基于干灰泥总 重量的重量百分数。
表2：
  组分   配方A，wt.％   配方B，wt.％   精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物的   50∶50(w/w)混合物   100   100   三偏磷酸钠   0.30   0.30   分散剂(萘磺酸盐)   0.5   2.5   预胶化淀粉   1.0   3.0   可气候稳定的促进剂(CSA)   0.5   0.5   水/灰泥比率   0.5   0.5
实施例4、配方B对需水量的作用
如表2所示，如配方B中的高水平三偏磷酸盐和淀粉被用于制备含石膏 浆料。诸如配方B的浆料组合物被发现在低WSR时具有优异的流动性。如 图4所示，使用诸如配方B保持了相当低的需水量。为了测定浆料中的流动 性，进行如下的坍落试验。
坍落试验。使用石膏板芯浆料在混合器上进行这一试验。该试验在12× 12英寸树脂玻璃板上进行以便不需要等到浆料凝固就可以测量浆料的直径。 浆料被从距离混合器尽可能近地抽出。用试验浆料样品迅速填充2×4英寸 的平壁铜器或者PVC圆筒模具，并溢出使其变得平整。然后将圆筒模具迅速 直向上提起以获得石膏饼。测量该石膏饼的直径。所生成的石膏饼的直径在 大约5～10英寸的范围内。重复该试验直到三个连续试验的结果在1/8英寸 以内，并且然后将该数值记录为坍落直径(坍落尺寸)。整个试验过程进行 不超过15秒。
实施例5、配方A对抗压强度的作用
当诸如配方A(表2)的浆料组合物被用于立方体试验时被发现显示出 出众的抗压强度。如图5所示，当使用配方A时，不同立方体密度的抗压强 度与没有淀粉或者没有淀粉及分散剂的试验相比至少高出大约10％。需要强 调的是，为了实现浆料中WSR低，总是需要萘磺酸盐分散剂。
根据ASTM C-472以及根据Veeramasuneni等的美国专利6,815,049测定 抗压强度，该专利在此被引用作为参考。
实施例6、使用50∶50混合的精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物的制备 的墙板的拔钉试验(Nail Pull Tests)
根据Yu等的美国专利6,342,284以及Yu等的美国专利6,632,550制备样 品石膏墙板，所述专利在此被引用作为参考。该方法包括分别产生泡沫并将 该泡沫引入到如这些专利的实施例5中所述的其它成分的浆料中。
为了说明使用精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物的50∶50(w/w)混合 物，萘磺酸盐分散剂以及三偏磷酸盐的更优异性能，在0.472WSR制备板材 样品。如图6所示，在0.55WSR，由精细研磨过的α-半水合物与β-半水合物 的50∶50(w/w)混合物，基于灰泥重量按重量计1％的萘磺酸盐分散剂，以及 基于灰泥重量按重量计0.3％的三偏磷酸盐制造的板材比由常规(工厂研磨 的)α-半水合物与β-半水合物的50∶50(w/w)混合物(以及相同的添加剂)所 制备的板材提供了更加好的拔钉数值。使用精细研磨过的α-半水合物与β-半 水合物的混合物制备两套测试板材。
根据ASTM C-473进行了拔钉抗性试验。另外注意到典型的石膏墙板厚 为大约英寸以及重为每1000平方英尺材料上大约1600～1800磅，或者 lb/MSF。(“MSF”是本领域对千平方英尺的标准缩写；其是对盒子，波纹介 质以及墙板的面积测量。)
实施例7、使用100％精细研磨过的α-半水合物制备的浆料
如果在浆料配方中使用实施例1所制备的100％精细研磨过的α-半水合 物，可以预期与使用β-半水合物制造的浆料相比将会得到更低的需水量。另 外，如果在诸如上述实施例3中的包括三偏磷酸盐以及萘磺酸盐分散剂的浆 料配方中使用100％精细研磨过的α-半水合物，可以预期需水量将更加减 少，即WSR的范围在大约0.2～大约0.3。如图7所示，根据本发明由100％ 研磨过的α-半水合物所制造的墙板提供了满足或超出工业标准的优异的拔钉 数值。使用100％研磨过的α-半水合物制备三套测试板材。
除非在此另有说明或者明显与上下文相矛盾，在说明本发明的文中(尤 其是在下述权利要求的文中)使用的术语“一”(“a”“an”)和“该”(“the”) 以及类似的所指对象被理解为包括单数和复数。在此，列举数值范围仅仅意 图作为对单独引证每个落入此范围的数值的简化方法，除非在此另有说明， 每个单独数值如同在此所单独列举而被引入说明书中。在此描述的所有方法 可以以任何适宜的顺序进行，除非另有指明或者明显与文中相矛盾。除非另 有主张，在此提供的任何一个以及全部实施例，或者示例性语言(例如：“例 如”)的使用仅仅意指对本发明更好的说明并且不限制本发明的范围。说明书 中的语言不能被理解为将任何非-主张的要素作为对实践本发明很重要。
在此描述了本发明优选的实施方式，包括发明人已知的进行本发明的最 佳方式。需要理解的是该说明性实施方式仅仅是示例性的，并且不能被用于 限制本发明范围。