石膏墙板用于建造住宅和商业建筑，以形成内墙和天花板并且在某些情 况下形成外墙。因为其较容易安装并且需要最少的修整，石膏墙板在建造住 宅和办公建筑中是用于上述目的的优选材料。
石膏墙板由硬化的包括石膏的芯体组成，该芯体表面带有纸或其它适于 接收例如涂料的涂层的纤维材料。石膏墙板通常通过以下方式制造：将主要 由煅烧的石膏组成的含水芯体浆料置于两张纸之间从而形成夹层结构。各种 类型的覆盖纸在本领域是已知的。可使该含水石膏芯体浆料通过煅烧的石膏 的再水合而固化或硬化，通常还继之以在干燥机中热处理以便除去多余的 水。在石膏浆料已固化(即，与存在于该含水浆料中的水起反应)并且干燥 之后，该成型的板材被切割成所需尺寸。用于生产石膏墙板的方法在本领域 是已知的。
最初，用于制造石膏墙板的芯体组合物的常规方法包括在高速混合装置 中对干配料进行预混合。该干配料通常包括半水合硫酸钙(灰泥)、促凝剂 以及防干剂(例如淀粉)。该干配料与芯体组合物的“湿”(含水的)部分一 起在混合装置中混合。该湿部分可包括第一组分，其包括水、纸浆与可选地 一种或多种流动性增强剂的混合物，以及缓凝剂。纸浆溶液提供了主要部分 的形成芯体组合物的石膏浆料中的水。第二湿组分可包括上述增强剂、泡沫 材料(foam)和如需要的其它常规添加剂的混合物。上述干和湿部分一起构 成最终形成石膏墙板芯体的含水的石膏浆料。
该石膏墙板芯体的主要配料是半水合硫酸钙，其通常被称为“煅烧的石 膏”、“灰泥”或“熟石膏”。灰泥有许多期望的物理性能，包括但不限于， 耐火性、热稳定性和比重尺寸稳定性(hydrometric dimensional stability)、抗 压强度和中性的pH值。一般地，灰泥通过干燥、研磨以及煅烧天然石膏矿 石(即二水合硫酸钙)制备。在制造灰泥中的干燥步骤包括使天然石膏矿石 通过回转窑去除例如来自雨雪而存在于矿石中的任何水份。然后将该干燥的 矿石研磨到期望的细度。该干燥的研细的石膏可被称为“石膏粉”而不管其 用途目的。该石膏粉被用作用于转化成灰泥的煅烧过程中的原料。
制造灰泥过程中的煅烧(或脱水)步骤通过加热石膏粉来进行，其产生 半水合硫酸钙(灰泥)和水蒸汽。
这样的煅烧过程步骤在“煅烧炉”中进行，不少类型的煅烧炉对于本领 域的技术人员来说都是已知的。
煅烧的石膏直接与水反应并且当与适当比例的水混合时可“固化”。然 而，该煅烧过程本身的能量消耗巨大。使用单级和多级装置煅烧石膏的几种 方法已经被描述，例如在美国专利5954497中所描述的。
通常，在石膏板的制造过程中，可包括减轻重量和增加其它性能的若干 添加剂的石膏浆料沉积在移动的纸(或玻璃纤维垫(glassfiber matt))基底 上，该基底本身支撑在长的运输带上。然后，将第二纸基底放在浆料上以构 成石膏板的第二面并且该夹层结构经过成型台(forming station)，其确定石 膏板的宽度和厚度。在这种连续操作中，石膏浆料在穿过成型台之后开始固 化。当产生足够的固化时，该板被切割成可用于市售的长度，然后经过板干 燥机。此后，在销售之前，如果需要将所述板修剪、上带(taped)、捆扎 (bundled)、装运和储存。
大多数石膏墙板是以4英尺宽和8英尺长的板材销售的。板材的厚度自 1/4英寸到1英寸变化，其取决于具体的等级和应用，其中1/2”(英寸)或 5/8”(英寸)的厚度是常见的。生产石膏墙板的多种板材尺寸和厚度用于各 种应用。这种板易于使用并且能易于刻痕和折断(score and snap)以便沿较 整齐的线使它们断裂。
由于某些原因，生产石膏墙板的方法超过百年之久。它在能量丰富且便 宜而且温室气体问题未知的时候得到了发展。这是重要的特性。虽然多年来 已经改善了石膏墙板技术以便包括耐火性作为某些墙板的特性，并且对石膏 墙板的检测也已经标准化(例如以ASTM C1396)，但在主要的制造步骤方 面几乎没有变化，并且大多数墙板仍然由煅烧的石膏制成。
如图1所示，其展示了生产石膏墙板的典型方法中的主要步骤，生产石 膏墙板需要大量能量。“物化能”被定义为最终产品“在产品的生产中从原 材料阶段到送货所需的总能量”。如图1所示，生产石膏墙板的四个步骤(干 燥石膏、煅烧石膏、用热水混合浆料以及干燥板材)消耗了相当多的能量。 因此，石膏的物化能以及产生的温室气体都很高。然而，当今少有代替石膏 墙板的其它建筑材料存在。
能量的使用贯穿整个石膏加工。石膏矿石开采之后必须干燥，一般在回 转干燥器或急骤干燥器中进行干燥。然后必须将其粉碎然后煅烧(虽然粉碎 通常在干燥之前进行)。所有这些过程需要大量能量仅仅只是为了准备在制 造过程中使用的石膏。在将其煅烧之后，一般将其与热水(通常接近于沸点 温度-需要更多能量)混合以便形成开始固化的热浆料，之后板材(切割自 固化浆料)使用大量能量在板材干燥机干燥大约40到60分钟以便蒸发残余 水分。通常在包装前，高达每平方英尺一磅(11b)的水需要从石膏板中被干 燥出来。因此，极其期望减少石膏墙板的总的物化能，从而减少能量成本 和温室气体。
温室气体，特别是CO2，产生自化石燃料的燃烧以及某些材料例如石膏 的煅烧。因此石膏制造过程由于该过程的需要而产生大量的温室气体。
根据国家标准与技术研究所(NIST-美国商务部)，具体来说是根据 NISTIR 6916，石膏墙板的制造需要每磅8196BTU。在5/8”的石膏板平均 重约75磅的情况下，这相当于每块板材总的物化能超过600,000BTU。其它 消息来源表示每块板材物化能小于600,000BTU，然而另外一些表示其可能 更多。据估算物化能构成超过50％的制造成本。随着能量成本的增加，并且 如果烟尘排放税(carbon tax)颁布实施，那么由煅烧的石膏制造墙板的成本 将继续随能量成本直接上升。此外，作为全球抗击气候变化的努力的一部分， 材料生产者肩负着为广泛使用的产品找寻能量依存低的替代方案的责任。
据估算，石膏墙板的制造中能量的使用接近美国所有能量使用的1％(以 BTU计)。在美国每年使用400到500亿平方英尺的墙板，其制造中消耗高 达900万亿BTU。因而，通过为支撑热量消耗强大的生产过程而需要的化石 燃料的燃烧，超过5000万吨温室气体释放进入大气，由此危害环境并且促 使全球变暖。
现有技术专注于降低石膏板的重量或增加其强度，或少量减少能量使 用。例如，在美国专利6,699,426中描述了一种方法，其在石膏板中采用添 加剂来减少干燥时间从而减少干燥阶段能量的使用。这些尝试一般都从设想 采用煅烧的石膏(天然的或者合成的)开始，因为石膏墙板制造商会发现从 头开始重新设计材料及采矿方法将可能丧失几十亿美元的基础设施和技术 秘密，并且使得他们的石膏矿变得毫无价值。
然而，在关注气候变化的情况下，制造墙板，要求其在制造期间显著降 低能量的使用，包括消除制造石膏墙板常用的煅烧、热水和干燥步骤，是众 所期望的。

根据本发明，提供了制造新型墙板(在此定义为“EcoRockTM”墙板) 的新方法。所得的该新型EcoRock墙板可以在大多数应用中替代石膏墙板。 用这种方式形成的墙板显著地降低了与该墙板相关的物化能，因而显著减少 了危害环境的温室气体排放。
根据以下结合附图的详细说明，本发明将被完整地理解。

图1展示了石膏干式墙的制造方法，其表示某标准石膏干墙的制造步 骤，具体来说是消耗大量能量的制造步骤。
图2展示了EcoRock的制造方法，其表示EcoRock的制造步骤，如其 中所示，该制造步骤需要很少的能量。

以下本发明的实施方式的详细说明仅仅是说明性的而非限制性的。其它 的实施方式根据这些说明对本领域技术人员来说是显而易见的。对示例实施 方式进行详细说明以便清楚地传达本发明。然而，所提供的详细说明中的数 量不是要限制对实施方式的预期的变化；而相反地，其目的在于覆盖落入后 附权利要求所定义的本发明的精神和范围的所有改变、等价方式以及替代方 案。可以在不脱离本发明的精神或不损害本发明的任何优越性的情况下作出 各种细节上的改变。以下详细说明用来使得这些实施方式对于本领域普通技 术人员更明显。
本申请描述的新的墙板制造方法排除了制造石膏墙板的现有技术中能 量消耗最强的过程，例如石膏干燥、煅烧、热水以及板材的干燥。该新方法 可使墙板由非煅烧材料形成，该材料是丰富且安全的并且能够自然地反应以 便形成坚固的也是耐火性的板材。
该新型EcoRock墙板包括氧化镁(MgO)、氧化钙、氢氧化钙、氧化铁 (赤铁矿或磁铁矿)以及碱性磷酸盐(磷酸钠、磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸 三钾、三元过磷酸盐、磷酸二氢钙、磷酸二钾或磷酸)溶液中的一种或多种 构成的粘合剂。选取的粘合剂材料，通常与填料一起，在特定的EcoRock的 制造方法或所选的用于形成EcoRock墙板或墙板的方法的开始时被混合。在 添加液体例如水之前，这样的粘合剂与填料粉末的混合体被称为“干混合 体”。MgO可以是煅烧的或未煅烧的。然而，未煅烧的MgO价格可较低廉 并且与煅烧的MgO相比提供更显著的能量节约。因而，虽然煅烧的MgO可 用于EcoRock方法，但不需要使用煅烧的MgO。
在美国专利申请20060048682中，Arun S.Wagh等人描述了一种密封剂， 其可被施用(例如被喷撒)到基于粉煤灰的油井中，并且其部分地使用了 MgO和KH2PO4。这种密封剂用于涂覆在油井中已存在的水泥上并且很硬。 虽然在Wagh的密封剂中有些粘合剂成分类似于用于EcoRock墙板的粘合剂 成分，但用于建筑结构中的墙板并没有由Wagh描述或预期。Wagh也没有 描述任何其中的性能会是墙板特性(例如刻痕和折断能力)的实施方式。
磷酸二氢钾是用作肥料、食品添加剂和杀真菌剂的可溶性盐。氧化镁， 地壳中第八位丰富的物质，是一种白色固体矿物，由菱镁矿、白云石或海水 天然地产生并用于废物管理应用中。这些成分可以按许多不同的比例相互组 合，得到各种固化时间和强度。
现在描述根据本发明的基于磷酸二氢钾(KH2PO4)的方法。在添加水 (H2O)和氧化镁(MgO)之后，反应产物是磷酸镁钾(MgKPO4·6H2O)， 其由MgO在KH2PO4溶液中溶解并最终反应形成固化的产物而形成。这一 反应产物下文称之为“粘合剂”。
虽然在现有技术中已经描述过使用硅酸盐水泥并部分地使用煅烧的氧 化镁的水泥板(例如在美国专利4,003,752中)，但这些板相比标准石膏墙板 仍具有包括重量、加工和刻痕/折断能力在内的许多问题。它们没有描述在本 发明中制造粘合剂的与某些磷酸盐的放热反应。
在本发明的方法中，粘合剂组分之间的放热反应自然地发生并且加热浆 料。反应时间可以通过许多因素进行控制，所述因素包括浆料的全部成分、 浆料中粘合剂的重量百分比(％)、浆料中的填料、浆料中水或其它液体的 量以及向浆料添加硼酸。硼酸(粉末形式)使反应放慢。其他缓速剂可以包 括硼砂、三聚磷酸钠、磺酸钠、柠檬酸以及许多其它工业中常用的市售缓速 剂。图2表现了本发明的方法的简易性在于：图2描述了两个步骤：即用冷 水与浆料混合(由此节约大量能量)然后由该浆料形成墙板。该墙板既可以 在模子中形成，也可以采用用于形成石膏墙板然后切割成所需尺寸的输送系 统形成。
浆料开始迅速变稠，放热反应对浆料进行加热并且浆料最终固化成硬 块。取决于填料含量以及混合物的尺寸，通常会观测到40℃到90℃的最高 温度。硬度也可以通过填料来控制，并且可以从极其强硬并坚固到柔软(但 是是干的)并易断裂变化。使板材足够坚固以便从模子中或连续的浆料中除 去的固化时间可以设定为由20秒到数天，这取决于添加剂或填料。例如， 硼酸可以将固化时间从数秒扩展到数天，其中粉末硼酸按0％到3％的范围添 加到粘合剂中。虽然二十(20)秒的固化时间带来极高的产率，但对于高质 量制造而言浆料可能开始固化得太快，因而固化时间通常应该通过添加硼酸 而调整到较长时间。
根据本发明，材料的许多不同的组合都是可以的，带来了改进的强度、 硬度、刻痕/折断能力、纸粘附力、耐热性、重量和耐火性。粘合剂可与许多 不同填料相容，所述填料包括碳酸钙(CaCO3)、硅灰石(硅酸钙)、玉米淀 粉、陶瓷微球、珍珠岩、粉煤灰、废品及其他低物化能材料。未煅烧的石膏 也可用作填料。通过仔细地选择低能量的、丰富的、可生物降解的材料作为 填料，例如以上所列的那些，本发明的墙板开始具有石膏墙板的特性。这些 特性(重量、使得能被运输的结构强度、能够被刻痕随后沿着刻痕线折断的 能力、耐火能力以及能够被钉入或者相反能被附着到其它材料例如立柱 (stud)上的能力)对市场是重要的并且是使产品作为石膏墙板的替代物在 商业上成功所必需的。
碳酸钙(CaCO3)是丰富且无毒的。由玉米制得的玉米淀粉是丰富且无 毒的。陶瓷微球是燃煤电厂的废料，而且可以减轻材料的重量并增加结合这 些材料的墙板的耐热和耐火性。干混合体可以包括高达80％重量的陶瓷微 球。这种干混合体已经成功地结合到EcoRock中。更高的浓度将会增加成本 并且降低强度。粉煤灰也是燃煤电厂的废料，其在本发明中可以有效地再利 用。干混合体可以包括高达80％重量的粉煤灰。这种干混合料已经成功地结 合到EcoRock中；然而非常高浓度的粉煤灰会增加重量、使芯体颜色变暗并 且使芯体硬到可能不期望的程度。生物纤维(即可被生物降解的植物纤维) 被用来在本实施方式中增强抗拉伸性和抗弯曲性；然而也可采用其它纤维， 例如纤维素或玻璃。特殊纤维在水泥板中的使用在美国专利6676744中被公 开并且已为本领域的技术人员所熟知。
实施例1
在本发明的一个实施方式中，粉末的干混合体采用以下按重量比的材料 制得：
磷酸二氢钾                  27％
氧化镁                      9％
碳酸钙                      18％
玉米淀粉                    11％
陶瓷微球(500μm直径)        33％
生物纤维                    1％
硼酸                        1％
磷酸二氢钾和氧化镁一起形成浆料中的粘合剂并因此在该待形成的 EcoRock墙板芯体中。碳酸钙、玉米淀粉和陶瓷微球形成浆料中的填料并且 当浆料已硬化时生物纤维强化该芯体。硼酸是使放热反应放慢的缓速剂并因 而使浆料的固化变慢。
然后将相当于该干混合体34重量％的水加入到该干混合体以形成浆料。 在一个实施方式中，湿混合体(“初始浆料”)通过混合机混合三(3)分钟。 可以采用各种混合机，例如叶式混合机，条件是混合体可以在硬化前迅速地 从混合机除去。
浆料可以浇在纸饰面(paper facing)上，纸可如同标准石膏过程中一样 围绕其侧面包覆。对于本实施方式而言不需要衬纸或纸胶粘剂，但是也可以 根据需要加入。
在从混合机中除去之后放热反应几乎立即开始并且持续数个小时，吸收 大部分的水进入反应中。板材可以在少于30分钟之内切割和除去，这取决 于可用的处理设备。然而反应中并未使用全部的水，并且对水的某种程度的 吸收将持续许多小时。在24-48小时之内，水的主要部分已经被吸收，并且 还会发生某种程度的蒸发。当使用纸饰面时，最好该板材独自干燥24小时 以便降低模子形成在纸上的可能性。这可以在支架上在室温条件下完成而无 需加热。干燥时间在较高的温度下将会较快并且在冰点以上的较低温下会较 慢。80F以上的温度被检测过但是并不考虑在内是因为本设计关注于低能量 过程。残余干燥将在较高温度下继续增加，然而加热(至室温以上)是不利 的，因为放热反应需要利用水，而水将因此过快地蒸发。当该放热反应发生 在冰点以下时，残余水将在芯体内冻结直至温度上升至冰点以上。估计环境 湿度水平也将影响残余干燥时间，但这没有被研究。
所得的板材(“最终产品”)具有类似于或者大于石膏墙板的强度特性， 并且可以容易地被刻痕和折断。这种粘合剂产生轻微地(或坚固地)粘合某 些填料的独特能力(与常用于水泥板的硅酸盐水泥相比)。水泥板(其常被 用于砖瓦衬底和室外应用)没有表现出室内使用的石膏板的许多吸引人的特 征，例如低重量、刻痕和折断以及纸饰面。
实施例2
在另一实施方式中，将与实例1中相同量的干粉末按相同比例混合在一 起，但是省去硼酸。在这种情况下，反应更加迅速地发生使得板材可以在5 分钟之内切割和移走。
实施例3
在另一实施方式中，将与实施例1中相同量的干粉末按相同的比例混 和，但是所加的水包含有通过泡沫产生器添加的发泡剂(通常是肥皂)。这 样生产出强度稍低且重量减小的板材。在石膏墙板中发泡的实例包括在下述 专利中描述的那些，所述专利有美国专利US5,240,639、US5,158,612、 US4,678,515、US4,618,380和US4,156,615。这种添加剂的使用对于制造石 膏墙板领域的技术人员来说是公知的。
实施例4
在另一实施方案中，通过增加粘合剂在浆料中的重量以及由此增加在将 形成墙板的芯体中的重量来制造用于室外的板材。这赋予得到的EcoRock墙 板额外的强度和耐水性。此外，在这一实施方式中，没有使用纸饰面或者包 装纸，因为该墙板将暴露于环境中。这一实施方式中的组成重量比如下：
磷酸二氢钾                  41％
氧化镁                      14％
碳酸钙                      25％
玉米淀粉                    6％
陶瓷微球(500μm直径)        12％
生物纤维                    1％
硼酸                        1％
然后将相当于该干混合体32重量％的水加到干混合体中以形成浆料。
最后的实施例4
在其它的实施方式中，粘合剂磷酸二氢钾与氧化镁的比例可以改变使得 它们按重量比是等量的。这可以导致较低的水的消耗量。作为本发明的特点， 一种粘合剂组分与另一种粘合剂组分的重量比可以改变以便使得最小化材 料的成本。10％的一种粘合剂成分与90％的其他粘合剂成分组合经混合表现 出可接受的放热反应。
对浆料的加工可以采用多种不同的技术进行，这取决于许多因素，例如 所需板材数量、生产空间以及当前工程技术人员对该方法的熟悉程度。普通 石膏浆料方法是制造本发明的EcoRock墙板的大多数实施方式的一种可接 受的方法，这种方法使用输送系统，该系统是将浆料包覆在纸中的连续的长 生产线。这种方法为生产石膏墙板领域的技术人员所熟知。用于水泥板的生 产的Hatscheck方法，对于制造产本发明的墙板来说，特别是对于不需要纸 饰面或衬底的那些来说，也是可接受的，并且已为生产水泥板领域的技术人 员所熟知。当采用Hatscheck方法时需要额外的水来稀释浆料，因为所使用 的制造设备通常需要低粘度的浆料。或者，作为另一种制造方法，浆料可以 浇灌进预定尺寸的模子中并使其固化。然后可将每块板材从模子中移出，而 模子可以重复使用。
根据上述披露，本发明的其它实施方式是显而易见的。