用于建筑材料的鸟粪石-K及钾石膏组合物 |
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| 申请号 | CN201480068472.9 | 申请日 | 2014-10-14 | 公开(公告)号 | CN105873880A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 瑟登帝石膏公司; | 发明人 | 罗伯特·J·豪伯; 杰拉尔德·D·博伊兹顿; 内森·弗雷利; 塞夫里内·朗伯雷; 戈拉夫·V·帕塔尔金; 艾萨克·K·切里安; 塞尔吉奥·琴图廖内; 阿尼尔班·高希; | ||||
| 摘要 | 用于包含 钾 石膏 (K2Ca(SO4)2.H2O)和 鸟 粪石?K(KMgPO4.6H2O)的混合的本 发明 的 建筑材料 的组合物及其制备方法。起始成分包括 氧 化镁(MgO)、 磷酸 一钾(MKP)以及灰泥(半 水 合 硫酸 钙 )，以预定比率混合，导致反应通过多个相进行，所述反应以不同方式同时且并行地进行。已发现例如水温、pH、混合时间以及速率的变量会影响所得反应产物。针对用于特定用途的建筑产品，提供了化学成分的优选比率以及制备参数，包括鸟粪石?K和钾石膏的预定重量百分比和特定比率。使反应的化学计量和添加剂最佳化，以将组合形成热降低至非破坏性水平。各种添加剂有助于控制和引导反应。建筑产品诸如板材嵌板包括所得组合物。将显著量的组合物邻近建筑嵌 板面 设置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于连续制备用于建筑产品的组合物的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 用于建筑材料的鸟粪石-K及钾石膏组合物[0001] 相关申请的引证 [0002] 这是非临时申请，对于优先权其依赖于2014年8月12日提交的美国专利申请号14/457,826、2013年10月14日提交的美国临时申请号61/890,702、2013年10月14日提交的美国临时申请号61/890,720、2013年10月17日提交的美国临时申请号61/892,025、2013年10月 18日提交的美国临时申请号61/892,581、以及2013年12月13日提交的美国临时申请号61/ 915,601，通过引证结合其整个说明书如同完全阐述于此。 技术领域[0003] 本发明总体涉及建筑材料，并且更具体地涉及提供其中期望最终组成及比率的鸟粪石-K和钾石膏(两种通常不会一起存在的矿物)，以赋予建筑材料特定及预定性质和特性的建筑材料。 背景技术[0004] 大约三千年来，且至少从罗马时代起，已使用氧化镁(MgO)类水泥来建造墙体及结构。在过去50年内，已将改善的含有氧化镁的材料用于分批制备浆料，随后将所述浆料倒入嵌板模具内，使它们在其中固化延长的时段。所得产品赋予嵌板刚性及结构完整性，从而允许嵌板固定至墙体组件(wall assemblies)。 [0005] 壁板通常具有每约半英寸(1.27cm)板约1,600磅(lbs.)至约1,800lbs.每千平方英尺(lbs/MSF)(约7.8千克(kg)至约8.3kg每平方米(m2))的密度范围。重或高密度石膏壁板成本昂贵且更难制备、运输、储存、以及在工作场所进行人工安装。近来的趋势是朝向较轻或低密度板。虽然已知通过添加轻质填料和发泡体而具有降低密度的壁板，但在半英寸(1.27cm)板中具有低于约1,600lbs/MSF(约7.8kg/m2)的密度的壁板可以降低所得板的强度和完整度。由于基于上述原因而一般并不期望超高密度或重石膏壁板，因此正快速进行研究发展以生产降低重量或密度的板，而不牺牲板完整度和强度。一种降低板重量的方法是使用新颖或非石膏材料作为板的核。 [0006] 已知鸟粪石[(NaH4(PO4)·6(H2O)]为天然存在的矿物超过一世纪，且其是在动物健康过程及污水处理中的研究主题。尤其参见，例如，美国公开专利申请第2013/0062289号。近来的发展产生相似、人工创造的矿物，可替换地称为K-鸟粪石、鸟粪石-K或鸟粪石(K)(后文称为“鸟粪石-K”)，其具有化学式[KMg(PO4)·6(H2O)]。此基本上人造的矿物由于其的许多显著特征而成为密集研究的主题，所述特征包括其的斜方晶体结构、玻璃光泽，其允许实质上无摩擦的运动，并且耐传热，被发现极适用于建筑工业。 [0007] 由于这些及其它性质，且由于建筑及建造工业中期望找到可替代石膏板作为内部建筑材料的可行选择，已确定鸟粪石-K提供良好的耐热建筑板材嵌板(building board panel)，同时仍保持轻微弹性且提供与石膏板相当的大规模制备容易度。 [0008] 熟知这种包含氧氯化镁的嵌板更昂贵，通常达到传统石膏建筑嵌板替代物的成本的二至三倍，参见例如，2013年5月9日公开的美国专利公开第2013/0115838号。因此，这种类型的板材尚未被广泛接受作为壁板或嵌板的成本合理的建筑材料。此外，一些含氧氯化镁的建筑嵌板在板材内产生游离氯气，因此呈现重大问题，诸如滤去、臭味、扣件及建筑结构腐蚀。此外，许多这些类型的板材会随时间而损坏及分解，因为它们不是化学稳定的。这些类型的板及嵌板尤其易遭受长期水暴露，且易于在长期暴露至这种状态下分开。 [0009] 近年来，环境及健康安全驱动的建筑法规指定仅可将能够提供改善的耐水性和或耐火性的建筑材料用于特定建造结构及建筑方法中。因此，已发展出满足这些需求的无纸石膏及传统水泥建筑嵌板。然而，石膏并非且从来不能防水和或完全耐水。因此，需将耐水化合物诸如蜡或硅酮添加至其制剂中以赋予可接受的耐水性。这可能是成本昂贵且或许不必要的添加。 [0011] 近来，国际经济情势影响了建筑及建造市场。因此，建造公司被迫寻求提供至少比传统石膏及水泥建筑材料大一个数量级的改善的性能特性，同时仍符合石膏及水泥建筑材料的成本效益的替代建筑材料。 [0012] 本发明解决成本与效益之间的同时对立，同时提供使用连续板材生产线的方法。在经设计来服务特定用途的改善的及工程化的建筑材料的情况中，功能效益及降低成本的双重考虑在调整所有考虑因素以获得这种板或嵌板的情况下将提供理想的建筑材料。迄今为止，尚无已公开的已知现有技术建筑板组合物可提供这种能力。迄今为止，尚无已知的现有技术方法教导本发明的形成包含特定比率的合成鸟粪石-K及钾石膏的复合板的方法来为壁板嵌板提供可利用于提供耐水分及耐火的超轻量板或建筑嵌板的期望特性和特征。 发明内容[0013] 因此，本文提供一种用于生产新颖建筑材料的新颖及改善的组合物及方法，其包含氧化镁(MgO)、磷酸一钾(MKP)及包含灰泥(stucco)(半水合硫酸钙)的硫酸钙作为起始成分化合物。反应产物钾石膏(K2Ca(SO4)2·H2O)及鸟粪石-K(KMgPO4·6H2O)通过多相反应进行，有时同时发生。反应在半水合物及水的情况中是碱性及对于氧化镁/MKP是酸性，两反应同时且并行地发生，且如果鸟粪石-K反应未经缓冲(速率减缓)以允许半水合物有足够时间与水完全再水合，甚至可彼此竞争。据认为钾石膏反应(通常为放热反应)将达到109-186°F(42°-86℃)的最大温度-取决于半水合物的纯度及其浓度)。在此情况，第一共反应温度上升是吸热反应，且发生钾石膏的形成作为MKP溶解的产物-自MKP释放的K连同形成的半水合物一起形成K2Ca(SO4)2·H2O(钾石膏)，在鸟粪石-K接近其自身的起始升温(放热反应-温度可到达212°F(100℃)的最大值，其中观察到一些反应超过这些温度)之前。如果未检查，此温度上升可能会对所形成的钾石膏的半水合物部分造成重大的破坏效应，即使在其完全再水合后。此处公开及要求保护的发明是化学成分的比率的优选组合及使用连续生产线制备板材嵌板的方法，其包括针对化学计量最佳化以将组合形成热降低至非破坏性水平的针对特定用途的鸟粪石-K及钾石膏的预定及特定比率，此外，可利用在耐火及耐水分的建筑建造中的板材嵌板的制备方法，以及多种根据这些方法及使用本发明材料制得的板材产品。 [0014] 在一种样品中，核心机理具有在水及半水合物灰泥(灰泥半水合物，hemihydrate stucco)存在下的化学计量含量的MgO及KH2PO4，以获得鸟粪石-K及钾石膏及其它非晶形副产物。据认为此机理遵循以下反应： [0015] MgO+KH2PO4+CaSO4·1/2H2O→KMgPO4·6H2O+K2Ca(SO4)2·H2O。 [0016] 在另一实施方式中，在硼酸(H3BO3)、萘磺酸盐、硫酸(H2SO4)及硅氧烷诸如聚二甲基硅氧烷或聚(甲基氢)硅氧烷的存在下，连同起始成分及微量添加剂，反应可包括几个子反应，但总体的一般反应遵循以下机理： [0017] 3MgO+3KH2PO4+2CaSO4·1/2H2O+3H2O→KMgPO4·6H2O+ [0018] K2Ca(SO4)2·H2O+Ca+2+2Mg+2+2(PO4)-3。应注意，上述反应尚未被认为完成总反应产物混合物，且将残留过量的灰泥半水合物(CaSO4·1/2H2O)。据认为残留的离子材料即(Ca+2、2Mg+2及2(PO4)-3)将与残留的灰泥反应，或将在干燥时形成盐聚集物。据认为至少一些灰泥半水合物及氧化镁保持未反应，且这些成分保持在由反应的鸟粪石-K及钾石膏所呈现的晶体结构内的非晶形、随机分布的基质中，如图1所示。 [0019] 应进一步注意，组成材料可以不同预定比率提供，且可针对主要组分MgO:MKP以1:1比率至高达1:3.4比率的特定比率包含。因此，虽然以上指出的组成材料及所得的反应产物示出为具有特定比率，但应理解如已在下文试验中进行的改变起始组分比率会改变反应产物及反应的和未反应的组分的量。提供以下比例的特定的重量百分比范围： [0020] MgO： 3.33至70.00％ [0021] KH2PO4： 4.67至70.00％ [0022] CaSO4·1/2H2O： 10.5至90.0％添加至100％。 [0023] 在起始组成材料的精确比率中，以下比例是优选的： [0024] MgO： 10.0至40.0％ [0025] KH2PO4： 40.0至70.00％ [0026] CaSO4·1/2H2O： 25.0至75.0％添加至100％。 [0027] 向这些固体组分混合物的两者中，以在100:20至高达100:40重量百分比的固体组分与水的范围内的比例添加水来开始反应。在反应的优选形式中，其是在反应混合器中以连续方法进行，且主要包含鸟粪石-K、钾石膏、石膏、以及一些潜在的未反应的组分的所得浆料提供与或不与石膏核结合使用来提供一或多种石膏板产品的半液体糊状物。在最佳制剂中，MgO:MKP的比率是在1:1.8至1:2.2之间，并且在最佳制剂中，最接近大约1:2.0。 [0028] 在另一实施方式中，本文公开及要求保护的用于限定在包括含矿物鸟粪石-K及钾石膏的独特建筑组合物的建筑材料的制备方法中的工艺参数的组成材料的经验得出比率及准则。这些优选比率限定氧化镁(MgO)、含磷酸盐及钾的反应物诸如磷酸一钾(KH2PO4)、及半水合α和/或β石膏(CaSO4·1/2H2O)在水(H2O)溶液中的反应组合物，连同明智使用这些化学反应的热力学及动力性质来以期望方向引导反应，因而获得具有期望物理性质的独特建筑材料。 [0029] 数学比率利用热力学及化学计量原理且是基于原子组成、能量及质量的守恒定律。数学比率使用包含鸟粪石-K及钾石膏的最终产物建筑材料中的期望组合物，且提供准确度在实际工艺条件的5％内的以下工艺参数： [0030] 1.工艺的热力学量值，包括但不限于形成的吉布斯自由能、形成焓、及形成熵； [0031] 2.混合物的流变性，包括但不限于密度及粘度； [0032] 3.氧化镁(MgO)、磷酸一钾(KH2PO4)、半水合α和或β石膏(CaSO4·1/2H2O)形式的灰泥及水(H2O)的反应物质量和/或比率； [0033] 4.工艺条件，包括但不限于，反应温度及压力、水含量、混合速率、混合时间、及pH。 [0034] 使用适宜的数学方程式，使用者可确定朝向提供包含鸟粪石-K(KMg(PO4)·6(H2O))及钾石膏(K2Ca(SO4)2·H2O)的独特建筑材料的相当多种可能的式及工艺迭代，均根据前述共同代决的美国专利申请序列号14/457,826、及美国临时申请第61/865,029及61/892,581号中所公开的化学反应的公开内容。使用文中所述的工艺及创新方法可提供具有提高的性能能力诸如机械强度、耐火和耐水分及抗微生物性质的成本效益、超低重量的壁板。 [0035] 由初步实验室结果及使用已知科学原理的科学演译推论可见某些定性趋势。可使用以上所列的5个工艺条件来基于最终混合物中所期望的鸟粪石-K及钾石膏的产率预测所需的起始条件。现将更详细地描述起始参数的可能改变，以示出改变任何一个特定参数将如何改变衍生自起始组分的最终所得组合物的效应。附图说明 [0036] 现将参照附图在下文更详细地论述本发明，其中： [0037] 图1是用来确定所得反应产物的局部结构的在其中一个测试制剂中显影的所得材料中的空隙的显微照片； [0038] 图2是显示用于特定试验的MgO:MKP:灰泥的比例的三元图，且其描绘用于测试方案中的各种制剂；以及 [0039] 图3是示出诸如可利用于生产本发明的相关组合物的活塞流混合反应器的截面的示意平面图。 [0041] 图5是示意显示诸如可利用于生产本发明的板材嵌板的板材生产线的几个区段的侧视图。 [0042] 图6是本发明板材嵌板的一个实施方式的截面侧视图。 [0043] 图7是本发明板材嵌板的另一实施方式的截面侧视图。 [0044] 图8是本发明板材嵌板的又另一实施方式的截面侧视图。 [0045] 图9是本发明板材嵌板的又另一实施方式的截面侧视图。 [0046] 图10是本发明板材嵌板的另一实施方式的截面侧视图。 [0047] 图11是本发明板材嵌板的又再另一实施方式的截面侧视图。 具体实施方式[0048] 本发明的化学陈述于前述专利申请中并复述于下文。反应中应避免磷酸镁反应放热产生的大量热抑制同时发生的灰泥再水合反应且避免产生过量的非晶形石膏半水合物作为不期望的副产物。因此，认为提供适宜的缓冲剂是必要的。硼酸对于延迟磷酸镁反应是理想的，同时其还可用作保护石膏再结晶防止当磷酸镁开始形成时的热冲击的不利作用的机理。 [0049] 使用硫酸(H2SO4)来预处理水以提供更为酸性的溶剂，且因此进一步加速鸟粪石-K反应。为降低材料成本，使用占总体制剂的按重量计多至90％的灰泥来作为替代的共反应物。灰泥取代预定量的氧化镁及磷酸一钾(MKP)，由于石膏灰泥比这些材料便宜且重量更轻，因此这显著地降低成本。 [0050] 作为副产物及意料之外的发现点，在灰泥反应中还生成另一重要矿物钾石膏。钾石膏比石膏更耐火。然而，钾石膏本身并不如鸟粪石-K及钾石膏的组合强韧且耐火。钾石膏还提供作为磷酸镁与石膏半水合物之间的复合因子的附带效益，由此其纳入塑弹性特征，因而使终产物显著地更脆且更具挠性，增加可操控性，且使得板材更容易刻痕/切割。这是比已知的“氧氯化”镁板，例如，诸如美国专利公开2013/0115835中所述的那些及波特兰水泥类水泥建筑嵌板的显著改善。 [0051] 另外且理想地，将硅酮添加至混合物以实现四种其它的补充效益，[0052] 1)在磷酸镁及酸的存在下形成经催化的硅酮 [0053] 2)提供石膏的耐热性机理且允许磷酸镁再结晶 [0054] 3)用来延迟磷酸镁反应，以及 [0055] 4)提供使任何可以作为硫酸与CaCO3的反应副产物(其是天然石膏中的已知杂质)产生的泡沫分解的消泡材料。增加硅酮的添加量进一步赋予板材实质的耐水性，且甚至使催化的硅酮增加地更多。已使用比通常为符合潮湿区域建筑嵌板的ASTM性能需求所使用/需要的显著更少量的硅酮来增加总耐水性。试验显示可达到≤2％的最大吸收率，而在传统的耐水性石膏壁板、玻璃强化石膏板上的结果通常产生最佳为3.5％至4％总耐水性的平均吸收。 [0056] 然而，由本发明所产生的材料天性为耐水性，且不会如，例如需要结合耐水性添加剂诸如蜡或硅酮的氧氯化镁板或传统石膏板在水的存在下分解。在本发明制剂中结合聚硅氧烷限制水芯吸至根据本发明制备的产品的开放区域中及穿过其基质，基本上使其不透水至水不再可芯吸至材料中的程度。此外，即使当本体水或蒸气水芯吸至或转移至根据本发明所产生的一或多种材料中时，也不会在其上具有不利效应且材料保持其原始强度。为防止本体或蒸气水侵入及遍及本发明组合物，仅在需要完全不透水时，例如，诸如在建筑法规已强迫要求所述规格的区域及场所中添加聚硅氧烷。 [0057] 已建议将一种在建筑材料中使用鸟粪石-K的方法使用于道路中来替代波特兰水泥。参见，例如：“基于鸟粪石及K-鸟粪石的磷镁水泥的制备的最佳化(Optimisation of the preparation of a phosphomagnesium cement based on struvite and K-struvite)”，H.Hammi及A.Mnif，Laboratoire de Valorisation des Matériaux Utiles，Centre National de Recherches en Sciences des Matériaux，Technopole Borj Cedria，Soliman，Tunisie，MATEC Web of Conferences卷3，第01071页(2013)。这种化合物还被发现适用于生产其它建筑材料，诸如壁板嵌板、天花板磁砖等。这种用途需要有效率、适时且廉价的生产，使得可将它们结合至使用其的结构组件中。 [0058] 已注意到这种化合物的生产及其以适时方式凝固的能力取决于各种前驱物对最终凝固产物(其基本上是呈KMg(PO4)·6(H2O)的形式)的化学计量。也就是说，已发现如下的成分比率将提供期望特性的最佳结果的惊人且意料之外的结果： [0059] 以下科学原理是促进驱使反应的快速性及方向的工具： [0060] 1.热力学原理： [0061] a.形成吉布斯自由能、形成焓、及形成熵均指示鸟粪石-K及钾石膏反应的优势[0062] 2.反应混合物的流变性： [0063] a.混合物的密度及粘度随产生较高鸟粪石-K产率而增加。 [0064] 3.反应物质量及化学计量的考虑： [0065] a.MKP:MgO的比率将随产生较高的鸟粪石-K产率而增加，直至达到MKP:MgO的比率，但不超过3.37:1。 [0066] b.灰泥(石膏半水合物)-灰泥需求将不会受提供较高鸟粪石-K产率的其它元素的变化影响，因为灰泥不会参与此反应。 [0067] c.水-由化学计量的考虑，水需求将随产生较高的鸟粪石-K产率而增加，直至磷酸一钾(KH2PO4)与水(H2O)的质量比等于2.96:1。 [0068] 4.工艺反应条件： [0069] 水含量、混合速率、混合时间、pH、及水温均被考虑作为所得产物及副产物中的重要因素。 [0070] 已确定提供最佳结果的化学反应为： [0071] [0072] 在少量H2SO4、H3BO3存在下发生反应可控制反应速率，且包括一种或多种硅氧烷以限制水芯吸。尽管可使用木质磺酸盐或羧酸盐形式，但萘磺酸盐作为流化剂是优选的。 [0073] 鸟粪石-K反应是放热反应且进行地非常快速。基本的核心反应由下式表示： [0074] MgO+KH2PO4+5H2O→KMg(PO4)·6(H2O)。 [0075] 钾石膏反应分成两个分开的子反应，基本机理由下式表示： [0076] 2CaSO4·1/2H2O→H++1/2O2-+2Ca2++2SO42-及 [0077] Ca2++2SO42-+2K++H2O→K2Ca(SO4)2·H2O+CaSO4。 [0078] 确切的反应机理仍有待研究，且已如上所述探索某些反应参数，诸如pH、水温、及混合和添加时间。认为起始工艺参数会影响反应速率、产物及最终结构。预期持续的研究及由其得到的数据提供将使得能够定制反应产物及反应完成程度的基础，此可以是特定应用所期望的。 [0079] 在本发明中，已发现混合程度及长度扮演重要的角色，但为次要的量级。认为反应如何进行及钾石膏和鸟粪石-K的最终产率会受影响。使用以上所提供的比率，已发现最小的混合产生较高的钾石膏比率及较长的混合产生较高的鸟粪石-K比率。意料之外地，发现短混合期间使得第一低温产生放热反应，且当最低限度地在30秒至1分钟后停止混合时，浆料的完全凝固/硬化可以耗时高达50分钟。X-射线衍射(XRD)试验已指示以此方式混合的样品产生比鸟粪石-K大量的钾石膏，以及提高比率的未反应MgO(已观察到方镁石)及烧石膏(CaSO4·1/2H2O)。尽管各样品在此短暂混合后看来凝固，但事实上意料之外地发现样品仅在未凝固、仍为流体的内部核心周围形成壳，且样品保持86°F(30℃)左右的温度。当与仍为流体的内部核心材料混合时，壳破开且发现所有材料立即回到溶液中。进一步混合额外30至40秒引发第二反应-放热反应，其中观察到温度升至212°F(100℃)的最大值，最初认为其是磷酸镁反应的指标。然而，在对此样品材料进行XRD测试后，确定其包含鸟粪石-K。 [0080] 由如下所列的相同制剂所构成/配制的追踪样品的后续延长的多阶段及单阶段手动混合及高速混合显示大大提高的鸟粪石-K产率比。 [0081] XRD结果显示1:2:1MgO:MKP:灰泥的延长混合的效益且所得比率阐述如下。表1显示相同组成材料的混合过程及比率(MgO:MKP:灰泥)，以显示反应速率产物的再现性。 [0082] [0083] 表1 [0084] 如上所述的混合结合以上显示的特定制剂及详述于下的原料添加变化产生区别于先前已知的氧化镁或氧氯化镁型板的新颖且意料之外的发现。 [0085] 结合上述制剂与对以下范围的适当变化赋予与由于工艺/制剂所致的大规模鸟粪石-K产率相关的改善经济效率。 [0086] 为产生比钾石膏多的鸟粪石-K，使用以下方法： [0087] a.使用多阶段混合装置，诸如如图3所示的活塞流混合器、多层笔(multilevel pen)或刮刀混合器、或其组合，或者仅使用容许长停留时间与原料供应及进料-通过/输出的混合器来将典型4英尺宽及1/4至1”厚板的制备速度等效控制于大约20英尺/分钟的最小值至750英尺/分钟的最大值的范围内，原料在混合器内是如下混合及组合：(停留时间必须等于或大于4分钟的最小值及12分钟的最大值)。旨在使少于17.2％的来自一种或多种适当来源的氧化镁(MgO)(诸如轻死烧(light dead burned)、中死烧、硬死烧MgO)最佳化及减少原料成本，同时在所得生成复合物的浆料制剂中产生有效率且最佳的效能特征。 [0088] 较大量的磷酸一钾(MKP)或者至少34.5％的磷酸二氢钾KH2PO4(KDP)将使氧化镁(MgO)与磷酸二氢钾的摩尔比增加，且还将经由减小解离速率导致反应速率降低。优选的MKP或KDP可为食品级或农业级。 [0089] 添加至少17.2％的β灰泥半水合物(即经处理的灰泥-CaSO4·1/2H2O)作为共反应物，其与MKP或KDP产生起始反应。此反应经由起始再水合/吸收共生水减缓连续共反应(Ca2+2- + +2SO4 +2K +H2O→K2Ca(SO4)2·H2O+CaSO4)。此起始步骤自放热反应产生第一升温，来抗衡与钾的吸热反应(开始自MKP解离K而与形成的二水合物结合形成钾石膏)。半水合物灰泥可具有自大约65％的最小值至100％的最大值的纯度范围。较高纯度的半水合物灰泥在形成二水合物时改善钾的吸收，由此进一步减缓第二KMgPO4·6H2O(鸟粪石-K)反应，因此增加终反应中鸟粪石-K的产率。由于产生KMgPO4·6H2O的放热反应热(高至212°F(100℃)及有时更高)，因此所得钾石膏的再水合的二水合物部分煅烧至较小程度。已于第一钾石膏反应中用尽的钾(K)随后分阶段释放至溶液中，并最终当连续反应进行时再利用于KMg2PO4·6H2O产生工艺中。 [0090] 引入约31.1％H2O(水)作为溶质以允许其它反应进行。 [0091] 优选引入微量残留添加剂以促进反应。这些全部占总结合添加中的总干燥混合物的少于1.5％。 [0092] a.硫酸(H2SO4)：添加至水中以改变pH且改善总体酸类反应的引发。 [0093] b.硼酸(H3BO3)：硼酸是重要的添加剂，因其对吸热及放热反应均可提供效益。在第一反应中，其用来保护水分再水合的半水合物防止受到第二MgO/MKP/H2O反应的热，且容许形成的钾石膏保持与钾缔合较长时间段。在MgO/MKP/H2O反应的情况中，硼酸是一般对于磷酸镁水泥反应是已知的延迟剂，其延迟此反应以降低热冲击。 [0094] c.极低添加量的硅氧烷，诸如聚硅氧烷(C2H6OSi)n、聚二甲基硅氧烷(CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3)、及类似化合物，是提供作为消泡剂。MgO/MKP及半水合物来源(CaCO3)内的任何杂质在水的存在下与MgO反应，而引起不期望的起泡反应。如果不存在杂质，则聚硅氧烷在第一及第二反应的整个过程中保持原封不动，且视需要利用作为连续进料。 [0095] d.极低添加量的萘磺酸盐诸如C10H8NNaO3S作为整体混合物的流化剂或分散剂。 [0096] β半水合物灰泥的纯度是附加因素，因为较高纯度的半水合物会引起总体反应减慢/延迟且容许吸收更大量K，再次使起始反应朝向在终反应中产生更多鸟粪石-K。应大致维持在其当前公开添加比率的添加剂。然而，达到最大鸟粪石-K产率极限。应注意MgO或MKP添加减少将产生较少鸟粪石-K。增加MgO和或MKP添加物应产生相当或更大产率比的鸟粪石-K，但为此需要增加β半水合物灰泥添加或提高半水合物灰泥纯度。在此情况，还可增加硼酸及硫酸添加来弥补。 [0097] 上述工艺稍微改变比率，使得组合以上制剂与以下范围将赋予与由于工艺/制剂所致的大规模钾石膏产率相关的改善的经济效率。为产生更多钾石膏，所述方法使用多阶段混合装置诸如活塞流混合器、多层笔和或刮刀混合器或其组合，且材料来源如上述。然而，改变组成材料的输入参数使反应朝向不同产率结果。 [0098] 氧化镁(MgO)是以大于17.2％的量提供：MKP或KDP是少于34.5％且β半水合物灰泥(CaSO4·1/2H2O)是以大于17.2％的量输入，且H2O(水)以固体组分的31.1重量百分比的标称值残留。占总组合添加中总体混合物的少于1.5％的其余添加剂基本上保持相同。然而，应理解为达成期望产率的在MgO、MKP及CaSO4·1/2H2O之间的比率变化需要三种组分的适当化学计量变化。 [0099] 为产生等量的钾石膏及鸟粪石-K两者-必需以使得第二放热反应可存在于180°F至212°F(82.2-100℃)温度范围内的方式平衡反应，但降低来自放热反应的升温及放热反应的时间还将降低鸟粪石-K的产率比。已发现如上所述的混合物通过最小的额外必须输入或昂贵的工艺步骤或添加剂提供比迄今为止由已知工艺所提供的显著更大的鸟粪石-K产率，高达67％。 [0100] 最终，石膏组分使得本发明的板材嵌板更能为各种消费者所负担得起。最终的板材嵌板产品在物理特性及长期性能方面提供优于传统石膏嵌板的重大改善。产品天然为抗UV性，即，其能够提供保护防止紫外射线穿透，因此无需性能表面涂覆。产品极耐水。Surace在GB 2,445,660(等同于美国专利公开第2008/171,179号)中描述类似产品。虽然所述板材能够以连续和/或间歇工艺生产，但Surace明确地教导应避免使用半水合石膏灰泥，因为将需要干燥半水合物所需的大量能量输入。在上述产品中，同时生产钾石膏引发无需添加外部热来干燥的化学计量反应，放热反应由此提供吸热反应所需的热能。也就是说，半水合物与磷酸一钾(MKP)的反应提供利用来驱动如上述的第二反应的反应热。 [0101] 在使用时，可针对特定期望用途定制具有相对钾石膏的特定比率的鸟粪石-K的特定组合物的板材。提供轻质板材嵌板的起始尝试包括以下步骤来获得样品结果： [0102] 起始基础材料制剂为1:1:1混合物，即包含等比例的MgO:MKP-(KH2PO4):灰泥(半水合物CaSO4·1/2H2O)，其中MgO、MKP及半水合石膏是以各15g的剂量以干粉末添加至混合器，并干预混45秒以确保材料的均匀度。其他，针对主反应，可选地，材料添加为0.03g硅酮油，诸如聚甲基氢硅氧烷，及包含0.05g聚萘磺酸盐的分散剂。 [0103] 在针对以下所有样品进行干混后，向此基础混合物中添加17g水(H2O)。随后如下表中所示添加用于测试用途的不同材料将此基础混合物用于几个实验室试验，并测试如表2中所列的几个样品。在第一相中将含水混合物在混合器中(用手)混合约30至60秒的时间段，接着使其部分凝固，然后对壳结构中的外部周围已部分凝固、剩下中心核心仍呈液态的产物再次开始混合。当在第二相中开始混合时，凝固外壳立即回到溶液中，以及在再次混合约30至45秒后，使材料完全凝固。 [0104] [0105] 表2 [0106] 针对这些样品的每种，分析所得材料的含量及均匀度。下表3显示定量结果，且这些结果的形式与上表1相似。 [0107] [0108] 表3 [0109] 除了以上定量结果外，进行几项观察，包括工艺产生与工艺亲和的制剂且产生具有较强核心的板材。还确定通过，例如，将从一个阶段至两个阶段的混合时间增加为45至90秒的范围来改变反应时间产生具有耐水性的较强核心材料，而无需蜡或硅酮。推测此是由较高鸟粪石-K产率所导致。最后，凝固材料的密切显微镜检查显示在许多样品中，在最终材料中以非均匀方式发生结晶。也就是说，发生良好形成的结晶。经确定在空隙空间周围的边界层中及在空隙与其余混合产物之间已形成据信为鸟粪石-K晶体的晶体。这些中的一个的显微照片显示于图1中。如图可见，显微照片显示在空隙空间与周围基质之间的边界的结晶。应理解此包括结晶钾石膏/鸟粪石-K结构，从而导致最终组合物中的较佳结构刚性。 [0110] 如上所述使用类似程序进行第二批实验室试验。下表4显示再次使用如下基础混合物的样品组分： [0111] 15g MgO、15g MKP(KH2PO4)、0.15g H2SO4、0.25g硼酸(H3BO3)、0.05g分散剂。此基础结构与上表2中的一项差异是改变灰泥(半水合物CaSO4·1/2H2O)的量，且还需要增加水。 [0112]样品编号 利用以上基础制剂，以重量计添加以下材料 1A 15g灰泥、20g水 2A 20g灰泥、24g水 3A 25g灰泥、28g水 4A 30g灰泥、32g水 5A 35g灰泥、36g水 6A 40g灰泥、40g水 7A 50g灰泥、48g水 8A 60g灰泥、56g水 9A 15g灰泥、27g水、额外的15g MKP [0113] 表4 [0114] 针对这些样品的每个，分析所得材料的含量及均匀度。下表5显示定量结果，且这些结果的形式与上表1和3的那些相似。 [0115] [0116] 表5 [0117] 通过使用各个列于下表6中的以下制剂构成源自1:1:1比率的先前混合物且未使用头八个样品的基础组合物的额外样品： [0118] [0119] [0120] 表6 [0121] 针对这些样品的每个，分析所得材料的含量及均匀度。下表7显示定量结果，且这些结果的形式与上表1、3及5的那些相似。 [0122] [0123] 表7 [0124] 如在样品12A-15A中明显可见，大量的氧化镁(MgO)无法参与主反应，而是产生大量不存在于其它样品中的鉴定为氢氧镁石(Mg(OH)2)的矿物反应副产物。认为在较高温度下溶解的过量MgO导致氢氧镁石副产物沉淀。 [0125] 通过在指定速率及时间下连续混合原料来进行15个样品的第三实验室试验。此轮试验是特定针对确定原料比率的变化对产品性质的影响，及生产中的何种变量会影响不同指定特性，诸如产品产率。图中不同区域的水分需求不同。作为视觉辅助，将固体组分绘制在三元图10(图2)中且列表于表8(以重量百分比计)。如可由比较相图10中不同制剂的图点所见，一些数据点(例如，L、M及N)是高灰泥制剂，A-D是高MgO制剂，及包括H-N的组是高MKP(KH2PO4)制剂，而E、F及G在MgO与MKP之间基本上重量相等。如可沿垂直方向中的连接线的直线行进所见，其为旨在MgO与MKP之间维持恒定比率而仅改变灰泥含量的型态。在水平排列点中，灰泥含量维持恒定及改变MgO与MKP之间的比率。关于强度及鸟粪石-K的存在的所得结果阐述在表8中。至少针对制剂J得到针对可接受成本的最佳强度性能。 [0126] 在样品J制剂中测试的特性是吸水性、在蒙孚炉(furnace muffle)试验中的收缩率(耐火性的直接指标)及机械强度。未添加诸如硼酸、聚硅氧烷、木质磺酸盐、硫酸等添加剂，以减低添加剂对原料的效应。为隔离测试变量，仅在特定工艺参数下利用包括氧化镁(MgO)、磷酸一钾-MKP(KH2PO4)、灰泥(CaSO4·1/2H2O)的组的四个基本组分。样品具有其中水占最终混合物的31重量％的制剂： [0127] [0128] 表8 [0129] 还应理解上述样品J中水的重量百分比是标称设定为31重量百分比，水相对于固体组分的百分比还可在15至40重量百分比之间任意变化，其中标称使用25-31重量百分比作为具有足量溶剂来引发组分的反应的基准。 [0130] 也重要的是意识到水温是工艺中的关键因素。具体地，在水添加至固体组分时的温度是重要考虑因素，因其会影响组分的反应速率。水温提高使浆料凝固所必需经过的时间增加。标准水温是在室温下，约在20.0℃与25℃之间。因此，重要的是监测及控制反应速率以维持所得产品的完整性。过高的温度(即超过50℃)会导致当浆料凝固时表面在硬化过程期间龟裂，尽管已发现提高温度结合减少液体溶剂可能是期望的趋势。 [0131] 由测试方案，已确定以下关于特性的明显趋势：本发明的磷酸镁(鸟粪石-K/钾石膏)组合物相比于单纯的石膏组合物展现显著改善的压缩强度、吸水性及耐火性。此外，已确定产品特性实际上可通过工艺参数中的变量及原料比率及其性质来调整。例如，在较高温度下处理的具有较低水含量的那些样品展现较高压缩强度。具有较高剪切速率/时间的样品展现较高压缩强度及耐火和耐水性的微不足道的减小。剪切速率及时间是混合物在混合器中混合的效力、混合过程进行的时间量及混合是否是通过手动或机械方式进行。 [0132] 具有在较高温度下煅烧的MgO的样品展现较高强度，具有较粗MgO的样品展现较低强度。此似乎是展现与吸水性及燃烧收缩(fire shrinkage)性质相反的性能。已发现以上论述的一个样品(样品J)在所得制剂中具有最有效且最佳的性质，诸如压缩强度，所述结果是归因于高鸟粪石-K含量。 [0133] 现参照图3及4，提出制备板材嵌板的联机(in-line)连续工艺。图3中显示活塞流混合器20，其具有入口孔22及出口孔24。虽然显示活塞流作为实例，但如板材制造工艺技术人员认识到，还可使用其它类型的混合器，例如分步反应混合器(step reaction mixer)来实行此工艺。入口孔22处的箭头是显示起始组成材料输入至混合器20中的点，在活塞流混合器20中连续发生的工艺提供其的均匀混合。 [0134] 除了混合组分外，活塞流混合器20提供当组分到达混合器20中的不同阶段时在混合器中的反应。阐述于以上各种实施方式中的组成材料自两个输入组分的流股输入至入口中，如图4所示。在图4的示意图左侧上的液体组分流股30显示包括必需组分诸如水及可选但优选的组分诸如蜡、聚硅氧烷、酸/碱(视需要)、分散剂及延迟剂的液体组分的输入。由图4右侧上显示的流股32，必需组分包括组分MgO、MKP(KH2PO4)及灰泥(半水合物)，其是通过由电动机52及曲柄50驱动的螺旋输送器32输入。可选且优选的组分包括填料/球磨添加剂如加速剂、硼酸、及纤维。流股30通过管线34或其它适当装置进料组成材料，及固体组分流股 32可通过输送器32经电动机52/曲柄50或其它适当装置进料。此两流股将输入组分提供至混合器20，所述混合器20包括示意性地示于图4的一或多个混合器装置38A、38B、38C。 [0135] 再次参照图3，更详细地显示混合器20，其具有示于分步反应混合器20的阶段混合工艺中的不同混合器装置38A、38B及38C。如图所示，存在当组成材料分阶段混合时所存在的不同水平的混合组分，以针对在不同点(如图3所示的垂直位置)及相对于所发生的反应部分的工艺步骤在不同时间发生的不同反应产生最佳条件。也就是说，组成材料用来混合、反应及自顶部材料入口22流至出口24的时间是由工艺参数及混合步骤所主宰的凝固时间。进行这些以将工艺及当材料因重力下降通过反应混合器20中的堆叠(堆叠体，stack)时的混合时间列入考虑。当沿混合器20的纵向(垂直)方向标记时，组分/反应产物在混合器20中经过的时间与在反应器室23内的深度值相关联。 [0136] 如图3所示，沉积至混合器20的反应器室23中的这些材料在反应过程期间的适当时间经混合器装置38A、38B及38C连续混合，以得到期望产物及任何副产物。由于第二部分的反应(即鸟粪石-K子反应)是放热的，因此钾石膏、鸟粪石-K及石膏的未凝固混合物(指示为产物或反应混合物42的流股)在高温下自出口24流出至在箭头方向移动的输送器40上。其根据已知的板材嵌板工艺进一步加工。例如，可将随机排列强化玻璃纤维的可选毡44展开及自毡44的材料的卷筒46取出并在产物或反应混合物42经输送带40于水平箭头方向输送时铺于其上。 [0137] 虽然图3及4中显示活塞流混合器20，但本发明涵盖其它类型的混合器及输送工具。例如，可提供单相连续搅拌槽反应器来连续制备本发明材料的流股。将所有反应物组分一起输入适宜尺寸的单个容器中，及取决于期望的反应产物，使混合过程进行一段总预定反应时间。将连续混合反应物组分，且将在自单个混合室取出产物流股的点改变反应物组分的停留时间。 [0138] 取决于最终期望产物，还涵盖其它构造。在提供组分大约总反应的一半总时间的停留时间的连续搅拌槽反应器(CSTR)之后将接着真正的活塞流反应器，诸如混合反应器20，其具有适宜长度及直径的管线与散置的静态混合器，以在置于制备带上之前提供所需的剩余反应时间。当带沿生产线移动反应产物时，反应将更密切地接近完成，以容许将产品大略切割成适宜长度用于进一步处理，且可包括用于干燥及最终切割成适宜长度的凝固时间，以提供板材嵌板成品。此过程及混合方案将在制造工艺结束时产生其中理想地应含有适量游离水的板材产品，以容许所有反应物完全达到最终组成。 [0139] 另一选择是用于一系列三或更多个串联连接的CSTR反应器，以致当流动行进通过所述系列时，在各反应器中的反应将在更高阶段。来自所述系列反应器的产物将传递至制备带，在此反应将更密切地接近完成，以容许将产品大略切割成适宜长度用于进一步处理，包括任何所需的干燥及最终切割成成品的长度。 [0140] 联机生产(inline production)的样品板材制备是在实际的板材制备成形线上运行，其中将实验室试验放大约100倍，以测试工艺是否可用于利用本发明材料组合的板材嵌板生产。如下文所论述，利用基本上相同的制剂，即1:2:1比率。将所有量放大，且需要更大的混合器及反应器容器或室23。还以显著的方式修改程序，以使得可根据参照以上图3及4的实施方式的说明连续(而非间歇)生产本发明的材料组合物，用于在几近正常的运行速度或大约40英尺/分钟的输送带40下运行的板材生产线。 [0141] 此生产试验需要在实验室试验中不需要的某些额外设备，如图5所示。此设备包括釜式反应器21、混合器20、一个或多个泵18、滚筒涂覆机19，两个可以是优选的，一个用于两个表面层中的每一个。还提供用于提供核心石膏(即轻量核心石膏，其将构成最终将构成具有极少(如果有的话)鸟粪石-K及钾石膏反应产物的中心或核心层的中心层)的连续流动的核心石膏混合器及泵，但未显示于图3及4。因此，最终期望产物应为表面层，其涂覆有本发明的材料组合物“包裹”于轻量石膏核心周围，如将针对以下图6-11的板材实施方式进行论述。 [0142] 现参照图3-5，制备表面层涂层的程序基本上与上述程序相同，仅除了需要针对大大增加的组成材料规模进行调整。预期以下的逐步程序可产生所需的涂层。 [0143] 预混合包括1:2:1比率(即MgO:MKP-(KH2PO4):灰泥(半水合物CaSO4·1/2H2O)的固体混合物，预混合相持续30至60秒。为确保制备足够的浆料混合物，提供约15kg的各基础组分。可将比例量的硅氧烷、消泡剂、及分散剂(诸如聚萘磺酸盐)添加至此混合物，及将约相同重量比例(或约17kg)的水添加至干组分。 [0144] 将所得浆料在大型连续混合器20中混合30至60秒。在混合15秒后，混合物开始固化。已发现连续混合将使混合物再液化。此是第I相混合。在完成此起始第I相混合时间后，开始时序。在此起始第I相混合时间后的每分钟，将混合物再次剧烈混合5秒时间，间隔55秒。此是第II相混合。 [0145] 在生产试验中使用的制剂使产品在将水添加至粉末混合物后的5-20分钟内的任何时刻凝固。然而，由于所使用混合器的类型，混合是不均匀地发生，且出于技术理由未由混合器/反应器获得任何显著量的产物。 [0146] 现参照图6-11，显示不同构造的板材嵌板产品作为单独的板材嵌板实施方式。板材嵌板可包括多种铺面材料(facer material)，优选一种或两种，但本发明涵盖甚至无铺面材料。这种铺面材料可为呈封闭或开放网状或编织、或任何其它适当构造的纸张、玻璃纤维、热塑性或其它材料。当使用无规玻璃毡作为所得板材嵌板的顶面及底面两者的载体时，反应的浆料在形成台沉积在这些载体上，随后提供至成形装置，诸如挤出机或滚筒，其确定最终板厚度。 [0147] 在图6中，显示钾石膏-鸟粪石-K复合材料板110的截面具有中心石膏核心111。包括嵌板110的顶表面114、底表面116及侧表面118的所有表面层均具有直接来自反应混合器20(图3)的覆盖石膏核心的钾石膏-鸟粪石-K-石膏材料。钾石膏-鸟粪石-K复合材料是直接自反应混合器20(图3)的出口22排出。还可将强化玻璃纤维的毡112嵌入嵌板110的顶表面 114、底表面116及侧表面118内。 [0148] 在图7中，显示钾石膏-鸟粪石-K材料板120的截面具有轻质核心石膏的中心核心121，所述轻质核心石膏的中心核心121具有根据已知方法注射至核心层121中的起泡或充气气泡123。包括嵌板120的顶表面124、底表面126及侧表面128的所有表面层均具有直接来自反应混合器20(图3)的覆盖石膏核心的钾石膏-鸟粪石-K-石膏材料。可将强化玻璃纤维的毡122嵌入嵌板120的顶表面124、底表面126及侧表面128的表面层内。 [0149] 在图8中，显示钾石膏-鸟粪石-K材料板130的截面具有轻质钾石膏-鸟粪石-K复合材料的中心核心131，所述中心核心131具有根据已知方法注射至钾石膏-鸟粪石-K核心层125中的起泡或充气气泡133。包括嵌板120的顶表面124、底表面126及侧表面128的所有表面层均具有直接来自反应混合器20(图3)的覆盖构成核心131的轻质钾石膏-鸟粪石-K复合材料的顶表面134、底表面136及侧表面138的致密(即未充气或未起泡)的钾石膏-鸟粪石-K-石膏材料。可将强化玻璃纤维的毡132嵌入嵌板130的顶表面134、底表面136及侧表面138的表面层内。 [0150] 在图9中，显示钾石膏-鸟粪石-K材料板140的截面具有直接来自反应混合器20(图3)的钾石膏-鸟粪石-K-石膏复合材料的中心核心142，而无如同前述其它实施方式的任何其它强化要素。 [0151] 在图10中，显示钾石膏-鸟粪石-K材料板150的截面具有钾石膏-鸟粪石-K-石膏复合材料的中心核心152，且已根据已知程序起泡或充气，以在核心141内包括空气或泡沫气泡143。在板150的该实施方式中未提供如同前述其它实施方式的其它强化要素。 [0152] 在图11中，显示钾石膏-鸟粪石-K材料板160的截面具有包括直接来自反应混合器20(图3)的钾石膏-鸟粪石-K复合材料的中心核心161。嵌板120的所有表面层(即顶表面 164、底表面166及侧表面168)均具有覆盖核心161的致密(即未充气或未起泡)的层。可将强化玻璃纤维的毡162嵌入嵌板160的顶表面164、底表面166及侧表面168的表面层内。 [0153] 此处的发明已参照图1-11的实施方式阐述及说明，但应理解所述发明的特征及操作易于修改或改变，而不显著地脱离本发明的精神。例如，可改变各种组件的起始物料、或特定反应条件，以配合特定应用及期望产率。此外，可引入额外变化以提供所得材料的差异。例如，起始组分的可选添加剂可包括(文中所列的各种排列组合)硼酸、聚硅氧烷、消泡剂、木质磺酸盐、硫酸、去离子水、自来水等，因为这些物质与影响反应相关。 [0154] 虽然提供上述添加剂作为用于促进、缓冲或者引发一个或多个所进行的反应或子反应的活性组分，但涵盖本发明组合物及工艺可包括其它类型的添加剂及填料，诸如比例在总板材重量的1至3重量百分比之间的石灰石、砂石、纤维。这些可包括短股玻璃纤维(10-50mm长及10-80μm宽)、合成聚合物纤维、纸张、及其聚集物(诸如纸张及木材)。其它添加剂可包括淀粉，诸如移动性、天然、酸解、阳离子淀粉、乙基化淀粉或糊精，或聚合物，诸如聚乙酸乙烯酯、聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、与聚苯乙烯磺酸酯交联、聚乙烯醇、甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯共聚物乳胶、丙烯酸酯乳胶、丙烯酸共聚物乳胶、聚酯树脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、或聚丙烯酸，其均为在总板材重量的1至3重量百分比之间的相同比例量。 [0155] 此外，可改变混合过程及速度以获得更佳的期望结果。可利用来最佳化结果的其它变量是使用天然的替代合成的灰泥，可改变添加物及成分的顺序及时间，且在例如分步反应器中引入组分的生产试验、机械混合。其它可能会影响所得比率及产物的变量可包括改变组成原料的状态以及比率。这些可包括改变添加速率、组分温度、添加时刻、粒度、混合时间、及其它可由经验确定针对反应工艺所获得的因素。 |
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