Композиции и способы для обработки затвердевшего гипса - RU2294907C2

Описание

Область изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к композициям и способам для обработки продуктов на основе затвердевшего гипса и к способам для изготовления материалов, содержащих затвердевший гипс. Более конкретно настоящее изобретение относится к композициям и способам для обработки и приготовления затвердевшего гипса, так что затвердевшему гипсу придаются улучшенные характеристики, включая поверхностную твердость, прочность, термическую стабильность, окрашиваемость, стойкость к истиранию и/или стойкость к эрозии под действием воды.

Предпосылки изобретения

Затвердевший гипс (дигидрат сульфата кальция) является хорошо известным материалом, который используется для изготовления многих типов продуктов и который повсеместно включается во многие типы продуктов. Как правило, продукты, содержащие гипс, получают путем получения смеси обожженного гипса (полуводный гидрат сульфата кальция и/или ангидрит сульфата кальция) и воды и необязательно других компонентов, по желанию. Смесь, как правило, отливают в заданной форме или выливают на поверхность подложки. Обожженный гипс взаимодействует с водой с образованием матрицы кристаллического гидратированного гипса (дигидрат сульфата кальция). Является желательным гидратирование обожженного гипса, которая делает возможным формирование сцепленной матрицы из затвердевшего гипса, тем самым придавая прочность структуре гипса в продукте, содержащем гипс. Для удаления непрореагировавшей воды может быть использован небольшой нагрев с получением сухого продукта.

Существует постоянная потребность в улучшении параметров определенных характеристик в частности, поверхностных характеристик затвердевшего гипса для многих продуктов, которые включают в себя затвердевший гипс в качестве главного компонента. В этом отношении поверхность затвердевшего гипса у множества обычных продуктов, содержащих затвердевший гипс, является восприимчивой к эрозии под действием воды и к истиранию и исцарапыванию во время использования, из-за плохих, как правило, поверхностных характеристик затвердевшего гипса. По этой причине является желательным повышение прочности и поверхностной твердости компонента затвердевшего гипса таких продуктов.

Так, например, затвердевший гипс является главным компонентом форм, изготавливаемых из строительного гипса (гипсовых матриц), которые используются при отливке керамических статуэток, и тому подобное, с использованием технологий литья под давлением или шликерного литья, известных в данной области. В таких процессах литья в форму добавляют влажный материал, например смесь воды и глины. Гипсовую форму конструируют таким образом, чтобы она была пористой, с тем, чтобы она могла поглощать воду, которая удаляется из формуемой глины с образованием сырого изделия. В ходе процесса литья форма становится насыщенной водой, и воду нужно периодически удалять из формы, например, путем продувки воздухом под давлением или с помощью других технологий сушки для формирования желаемого формованного продукта (сырого изделия). Поскольку затвердевший гипс гипсовой матрицы (формы) является до некоторой степени растворимым в воде, непрерывный перенос воды в форму и из нее вызывает эрозию затвердевшего гипса формы (гипсовой матрицы).

Многие обычные гипсовые формы являются также до некоторой степени нестабильными, термически и по размерам. Формы из гипса часто подвергаются продолжительному воздействию повышенных температур, например температур 140°F или выше, в течение периода времени, например, 30 минут или более продолжительного. В частности, может также происходить и наблюдалось повторное кальцинирование поверхности затвердевшего гипса. Повторное кальцинирование поверхности приводит, что нежелательно, к потере некоторой части прочности, поскольку часть матрицы затвердевшего гипса становится менее прочной. Например, поверхностное повторное кальцинирование может вызывать усадку компонента затвердевшего гипса, а затем вызывать появление трещин в гипсовых формах. Является также желательным увеличение срока службы гипсовых форм путем повышения поверхностной твердости, прочности и стойкости форм к истиранию.

Аналогично было бы также желательным улучшение поверхностных характеристик многих других продуктов, которые содержат затвердевший гипс в качестве главного компонента. Например, обычная скульптура, устанавливаемая на открытом воздухе, также может испытывать эрозию под действием воды, вызываемую соприкосновением с влажностью из любого из известных источников, включая конденсацию в форме дождя, снега и льда. В дополнение к этому скульптура, устанавливаемая на открытом воздухе и в помещении, склонна к истиранию, и в связи с этим улучшение стойкости к истиранию гипсовой матрицы скульптуры также является желательным. Окрашиваемость или адгезия краски на поверхности затвердевшего гипса у продуктов, содержащих затвердевший гипс, таких как скульптура, также является желательной, например, для сведения к минимуму количества краски, необходимой для адекватного покрытия поверхности продукта, сведения к минимуму скалывания краски и тому подобное. В дополнение к этому существует необходимость в создании скульптуры, содержащей затвердевший гипс, имеющей улучшенную термическую стабильность и стабильность по размерам. Обычная скульптура во время изготовления должна сушиться при относительно низких температурах, поскольку повышенные температуры (например, 100°С или выше) могут приводить к растрескиванию и к термической усадке затвердевшего гипса. Скульптура, изготовленная из затвердевшего гипса, который является термически стабильным и стабильным по размерам, может сушиться при повышенных температурах, тем самым повышается общая эффективность процесса.

Затвердевший гипс также включается в облицовочный строительный гипс, такой, например, как строительный гипс DIAMOND® для отделки внутренних помещений, коммерчески доступный от United States Gypsum Company, используемый для отделки стеновых панелей внутренних помещений. Облицовочные строительные гипсы приготавливают таким образом, чтобы они имели относительно мягкую поверхность, с тем, чтобы облегчить их нанесение на подложку. В результате, поверхностная твердость и прочность облицовочного строительного гипса понижаются, так что строительный гипс становится более восприимчивым к исцарапыванию или истиранию. В особенности это составляет проблему, когда к продукту ингредиента добавляют известь, что является типичным при улучшении технологических свойств облицовочной смеси. Соответственно способность продукта противостоять истиранию ослабляется.

Является также известным объединение затвердевшего гипса с целлюлозными волокнами, например гипсово-древесноволокнистая панель, такая как композитные панели FIBEROCK®, коммерчески доступные от United States Gypsum Company. При изготовлении этого типа панелей обожженный гипс (например, полуводный гидрат альфа-сульфата кальция) и вода проникают в поры целлюлозных волокон. При повторном гидратировании затвердевший гипс образуется in situ в порах целлюлозных волокон и вокруг них, тем самым добавляя прочности продукту. Композит из затвердевшего гипса-волокна может страдать от эрозии под действием воды, истирания и образования пузырьков. В дополнение к этому вода, необходимая для образования затвердевшего гипса, вызывает образование пузырьков на волокнах. В результате такие продукты не связываются должным образом с краской и по этой причине демонстрируют плохую окрашиваемость, так что необходимы большие количества краски.

Затвердевший гипс также используется, как известно, в качестве главного компонента в стяжках (подстилочных покрытиях) для полов. Кроме того, существует возрастающая потребность в наливных стяжках для полов, содержащих затвердевший гипс, которые включают встроенную в них систему нагрева горячей водой. Однако нагрев может вызвать некоторое повторное кальцинирование затвердевшего гипса, тем самым приводя к термической усадке и к образованию невидимых трещин в полах. Стяжки для полов, содержащие затвердевший гипс, также являются склонными к эрозии под действием воды и к истиранию.

Соответственно из того, что приведено выше, будет понятно, что в данной области существует потребность в продуктах на основе затвердевшего гипса, которые демонстрируют повышенную стойкость к истиранию, стойкость к эрозии под действием воды, поверхностную твердость, окрашиваемость, прочность, термическую стабильность или тому подобное. Существует также необходимость в композиции и способе для обработки затвердевшего гипса, для удовлетворения одной или нескольких из этих потребностей.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение предлагает содержащий затвердевший гипс материал, композицию для нанесения покрытия из содержащего затвердевший гипс материала, способ для обработки содержащего затвердевший гипс материала и способ для изготовления содержащего затвердевший гипс материала.

Обнаружено, что обработка затвердевшего гипса с помощью различных сочетаний одноосновных фосфатных солей, триметафосфатных солей и ациклических полифосфатных солей, имеющих, по меньшей мере, три фосфатных единицы, придают затвердевшему гипсу улучшенные поверхностные характеристики, прочность и термическую стабильность, и стабильность по размерам. Обработка затвердевшего гипса, как будет ясно специалистам в данной области, может включать в себя обработку затвердевшего гипса после затвердения. Является также возможным введение триметафосфатной соли во время формования продукта из затвердевшего гипса, с последующей обработкой после затвердения с помощью одного или обоих оставшихся типов солей, и при этом по-прежнему достигается неожиданное улучшение поверхностной прочности и характеристик стабильности продуктов из затвердевшего гипса. Как будет понятно, могут быть использованы различные сочетания обработок, при этом по-прежнему достигаются преимущества настоящего изобретения, как здесь описывается.

Таким образом, в одном аспекте настоящее изобретение предусматривает водную композицию для нанесения покрытия на содержащий затвердевший гипс материал, которую получают, по меньшей мере, из одного элемента из числа каждого из классов фосфатных солей, описанных выше, и которая предпочтительно придает материалу, содержащему затвердевший гипс, улучшение одного или нескольких свойств из прочности, поверхностной твердости, стойкости к эрозии под действием воды или стойкости к истиранию. Водная композиция формируется, по меньшей мере, из одной одноосновной фосфатной соли; по меньшей мере, одной триметафосфатной соли; и, по меньшей мере, одной ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы. В некоторых воплощениях, для формирования композиции используется также диспергируемый в воде полимер или водорастворимый полимер, такой как полимерный латекс или что-либо подобное.

Настоящее изобретение также предусматривает способ обработки содержащего затвердевший гипс материала. Способ включает в себя нанесение на содержащий затвердевший гипс материал, по меньшей мере, по одному элементу из числа каждого из, по меньшей мере, двух из следующих типов неорганических фосфатных солей: одноосновных фосфатных солей, триметафосфатных солей и ациклических полифосфатных солей, имеющих, по меньшей мере, три фосфатных единицы. В некоторых воплощениях содержащий затвердевший гипс материал дополнительно обрабатывают диспергируемым в воде полимером или водорастворимым полимером, таким как полимерный латекс или что-либо подобное.

Предпочтительно неорганические фосфатные соли наносятся в количествах, достаточных для придания материалу, содержащему затвердевший гипс, улучшения по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом одной или нескольких из следующих характеристик: прочности (например, на изгиб), поверхностной твердости, стойкости к истиранию, стойкости к эрозии под действием воды или тому подобного.

В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает способ изготовления содержащего затвердевший гипс материала. Способ включает в себя формирование матрицы из затвердевшего гипса, из воды, обожженного гипса, и, по меньшей мере, одной триметафосфатной соли. Затем матрицу из затвердевшего гипса обрабатывают, по меньшей мере, одним из следующих далее типов неорганических фосфатных солей: одноосновными фосфатными солями и ациклическими полифосфатными солями, имеющими, по меньшей мере, три фосфатные единицы. В этом аспекте настоящего изобретения для обработки затвердевшего гипса солями, описанными выше, используется обработка после затвердения.

Преимущественно композиции и способы по настоящему изобретению улучшают продукты, содержащие затвердевший гипс, путем улучшения одной или нескольких желаемых характеристик продуктов, таких, например, как поверхностная твердость, стойкость к истиранию, стойкость к эрозии под действием воды, окрашиваемость, термическая стабильность, как, например, стойкость к растрескиванию, стабильность по размерам, как, например, стойкость к усадке, прочность и тому подобное. Композиции и способы по настоящему изобретению могут быть использованы с любыми из целого ряда продуктов, содержащих затвердевший гипс, включая в качестве примера, а не ограничения, гипсовые формы (матрицы) для отливки гончарных изделий, скульптуру для установки внутри/снаружи зданий, облицовочные строительные гипсы, продукты из гипсоцеллюлозного волокна, стяжки для полов и тому подобное.

Эти и другие преимущества настоящего изобретения, а также дополнительные особенности изобретения станут понятны из приведенного здесь описания настоящего изобретения.

Настоящее изобретение может быть понято лучше всего со ссылками на следующее далее подробное описание предпочтительных воплощений.

Подробное описание предпочтительных воплощений

В настоящем изобретении предлагается композиция и способ для обработки содержащего затвердевший гипс материала. Содержащий затвердевший гипс материал может представлять собой любой из большого множества продуктов, для которых полезны выгодные эффекты настоящего изобретения. Так, например, материал, содержащий затвердевший гипс материал, может находиться в виде гипсовых форм для отливки гончарных изделий, скульптуры для установки внутри/снаружи зданий, продуктов из гипса-целлюлозного волокна, таких как гипсоводревесноволокнистые стенные панели, облицовочные строительные гипсы, подстилающие покрытия для полов и тому подобное. Композиция и способ по настоящему изобретению желательным образом улучшают одну или несколько из характеристик: поверхностной твердости, окрашиваемости, термической стабильности, стабильности по размерам, стойкости к эрозии под действием воды, стойкости к истиранию и тому подобное, а также прочности (влажной и/или сухой) содержащего затвердевший гипс материала.

Содержащий затвердевший гипс материал в соответствии с настоящим изобретением содержит сцепленную матрицу затвердевшего гипса, которая получена из смеси, содержащей воду и обожженный гипс, и которую обрабатывают с помощью сочетания двух или более из следующих далее трех типов солей: одноосновных фосфатных солей, триметафосфатных солей и ациклических полифосфатных солей. Сочетание солей для этой обработки предпочтительно включают в водный раствор.

Обожженный гипс может быть волокнистым или неволокнистым. В некоторых воплощениях большая часть (например, по меньшей мере, примерно 50% массовых) обожженного гипса является неволокнистой, в то время как в других воплощениях большая часть (например, по меньшей мере, примерно 5% массовых) обожженного гипса является волокнистой. В дополнение к этому обожженный гипс может находиться в форме полуводного гидрата альфа-сульфата кальция, полуводного гидрата бета-сульфата кальция, водорастворимого ангидрита сульфата кальция или их сочетаний.

В некоторых воплощениях содержащий затвердевший гипс материал помимо затвердевшего гипса содержит дополнительные компоненты. Так, например, содержащий затвердевший гипс материал может включать один или несколько наполнителей, например инертных наполнителей, таких как кремниевый песок, гашеная известь или что-либо подобное, в количествах, обычно используемых в таких материалах, содержащих затвердевший гипс, как легко поймет специалист в данной области.

В соответствии с настоящим изобретением, содержащий затвердевший гипс материал обрабатывают, по меньшей мере, двумя из следующих неорганических фосфатов: (а) по меньшей мере, одной одноосновной фосфатной солью; (b) по меньшей мере, одной триметафосфатой солью; и/или (с) по меньшей мере, одной ациклической полифосфатной солью, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы. В предпочтительных воплощениях содержащий затвердевший гипс материал обрабатывают, по меньшей мере, одним соединением из каждого из следующих классов: из одноосновной фосфатной соли, триметафосфатной соли и ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы. Специалист в данной области должен понять, что когда настоящее описание упоминает использование "фосфатной соли", фосфатная соль может представлять собой соль саму по себе или это может быть фосфатный ион. Например, когда фосфатную соль добавляют в воду для получения композиции, полученная водная композиция, как предполагается, включает в себя фосфатный ион, и фосфатный ион, как предполагается, используется для обработки содержащего затвердевший гипс материала. Важно, как было обнаружено, то, что обработка материала затвердевшего гипса композицией, приготовленной с использованием описанных здесь солей, обеспечивает преимущества продукту на основе затвердевшего гипса, и авторы хотели бы ограничиваться какой-либо конкретной теорией или механизмом, с помощью которых могут быть достигнуты эти преимущественные результаты.

Одноосновная фосфатная соль и ациклическая полифосфатная соль, желательно, применяются при обработке после затвердения, то есть после того, как сформирована большая часть, а предпочтительно после того, как сформирован весь затвердевший гипс. В этом отношении одноосновная фосфатная соль и ациклическая полифосфатная соль, имеющая, по меньшей мере, три фосфатных единицы, могут добавляться (например, посредством водного раствора) после формирования затвердевшего гипса и перед удалением избытка воды или после него. Таким образом, обработка после затвердения может использоваться на влажном (водном) затвердевшем гипсе, а также на сухом затвердевшем гипсе. Предпочтительно триметафосфатную соль обеспечивают также при обработке после затвердения и предпочтительно в виде компонента композиции для обработки после затвердения наряду с одноосновной фосфатной солью и ациклической полифосфатной солью в той степени, в которой такие соли включаются в композицию.

В некоторых воплощениях является желательным и даже предпочтительным добавление триметафосфатной соли при обработке перед формованием, например, путем включения триметафосфатной соли в смесь, содержащую воду и обожженный гипс, используемый для приготовления затвердевшего гипса, а затем при обработке после затвердения с добавлением к затвердевшему гипсу остальных фосфатных солей, например путем распыления, пропитки или нанесения кистью водного раствора фосфатов. Неожиданно это сочетание обработки перед формованием и обработки после затвердения обеспечивает выгодное воздействие на содержащий затвердевший гипс материал. Одноосновная фосфатная соль и ациклическая полифосфатная соль, имеющая, по меньшей мере, три фосфатных единицы, не включают в обработку перед формованием, поскольку они являются замедлителями скорости образования затвердевшего гипса и ослабляют или даже предотвращают формирование сцепленной матрицы затвердевшего гипса, тем самым приводя к получению продуктов с нежелательными поверхностными характеристиками и прочностью.

При обработке после затвердения одноосновную фосфатную соль, триметафосфатную соль и/или ациклическую полифосфатную соль, имеющую, по меньшей мере, три фосфатных единицы, можно наносить любым пригодным для использования способом.

Например, фосфаты могут наноситься посредством распыления, погружения, нанесения центрифугированием, нанесения кистью, нанесения валиком или их сочетаний. Другие пригодные для использования способы нанесения неорганических фосфатов являются очевидными для специалистов в данной области. Например, в контексте гипсовых форм для гончарных изделий фосфаты могут наноситься в процессе удаления из формы воды с помощью продувки. В связи с этим фосфаты могут включаться, если это желательно, в ходе продувки воздухом. В частности, в контексте настоящего изобретения каждый фосфат может быть нанесен по отдельности, вместе с носителем, таким как вода, или без него, или фосфаты могут наноситься с помощью водной композиции, содержащей желаемые фосфаты. Предпочтительно фосфаты наносятся с помощью водной композиции, приготовленной, по меньшей мере, из двух, из следующих неорганических фосфатов: (а) по меньшей мере, одной одноосновной фосфатной соли; (b) по меньшей мере, одной триметафосфатной соли; и (с) по меньшей мере, одной ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы. Обнаружено, что существует сочетание двух или более неорганических фосфатов, которое обеспечивает улучшение свойств продуктов на основе затвердевшего гипса по сравнению с обработкой продуктов на основе затвердевшего гипса с использованием только одной из этих фосфатных солей. Таким образом, способ нанесения или порядок нанесения не являются критичным для обработки после затвердения содержащего затвердевший гипс материала.

Не имея намерения быть связанными какой-либо конкретной теорией, предполагают, что каждая из неорганических фосфатных солей вносит вклад в различные прочностные и поверхностные характеристики затвердевшего гипса таким образом, что в их сочетании это создает превосходный продукт на основе затвердевшего гипса. Так, предполагают, что одноосновная фосфатная соль улучшает прочность при сжатии в сухом состоянии, влажную или сухую поверхностную твердость и стойкость к истиранию затвердевшего гипса. В дополнение к этому одноосновная фосфатная соль демонстрирует синэргические эффекты в сочетании с триметафосфатной солью и/или ациклической полифосфатной солью, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы, по отношению к другим характеристикам содержащего затвердевший гипс материала.

Как правило, в одноосновной фосфатной соли анион происходит из кислоты (например, фосфорной кислоты), в которой замещен один атом водорода в молекуле. В этой соли замещенный водород заменяется катионом. В качестве примера, а не в качестве ограничения одноосновная фосфатная соль может быть выбрана из дигидрофосфата аммония, дигидрофосфата натрия, дигидрофосфата лития, дигидрофосфата калия или их сочетаний. В предпочтительном воплощении одноосновная фосфатная соль представляет собой дигидрофосфат аммония.

Одноосновную фосфатную соль включают в количестве, достаточном для улучшения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала, таких, например, как прочность на сжатие в сухом состоянии, влажная или сухая поверхностная твердость и тому подобное. Будет очевидным, что одноосновную фосфатную соль предпочтительно включают в водную композицию, которую затем наносят на продукт на основе затвердевшего гипса при нанесении во время обработки после затвердения. Предпочтительно количество одноосновной соли, используемой для обработки затвердевшего гипса, составляет примерно от 0,05% примерно до 2% массовых от затвердевшего гипса в содержащем затвердевший гипс материале. Соответственно когда ее включают в водную композицию, эта композиция предпочтительно содержит одноосновную фосфатную соль (или ион) в количестве примерно от 0,1% примерно до 10% массовых, предпочтительно примерно от 1% примерно до 4% массовых, а более предпочтительно примерно от 2% примерно до 3%. Количества могут изменяться в зависимости от тех желаемых физических свойств и экономической эффективности, которые должны быть достигнуты.

Триметафосфатная соль, как предполагается, является полезной для улучшения прочности, термической стабильности и стабильности по размерам содержащего затвердевший гипс материала. В дополнение к этому триметафосфатная соль действует синэргически с одноосновной фосфатной солью и/или ациклической полифосфатной солью, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы, для улучшения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала.

Триметафосфатная соль имеет циклическую структуру, которая содержит три атома фосфора в шестичленном кольце. В соответствии с настоящим изобретением, может использоваться любая пригодная для использования триметафосфатная соль (предпочтительно водорастворимая), включая двойные соли, то есть триметафосфатные соли, имеющие два различных катиона. Триметафосфатная соль может выбираться, например, из триметафосфата натрия, триметафосфата калия, триметафосфата аммония, триметафосфата лития или их сочетания. Триметафосфат натрия является предпочтительным.

Триметафосфатная соль может вводиться при обработке перед формованием или после формования, в количестве, эффективном для улучшения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала, таких, например, как прочность, термическая стабильность и стабильность по размерам и тому подобное. Будет очевидным, что триметафосфатную соль можно включать в водную композицию, которую затем наносят на продукт на основе затвердевшего гипса при обработке после затвердения или которую наносят на обожженный гипс при обработке перед формованием. Количество триметафосфатной соли, которое добавляют, является достаточным для придания затвердевшему гипсу желаемых характеристик. Предпочтительно количество триметафосфатной соли, используемое для обработки затвердевшего гипса с помощью технологий нанесения либо после формования, либо перед формованием, составляет примерно от 0,05% примерно до 2% массовых от затвердевшего гипса в содержащем затвердевший гипс материале. Соответственно когда ее включают в водную композицию, эта композиция предпочтительно содержит триметафосфатную соль (или ион) в количестве примерно от 0,5% примерно до 10% массовых, предпочтительно примерно от 1% примерно до 4% массовых, а более предпочтительно примерно от 1% примерно до 2%. Количества могут изменяться в зависимости от желаемого улучшения продуктов, содержащих затвердевший гипс, и экономической эффективности.

Ациклическая полифосфатная соль, имеющая, по меньшей мере, три фосфатных единицы, как предполагается, является полезной для улучшения влажной или сухой поверхностной твердости и стойкости к эрозии под действием воды содержащего затвердевший гипс материала и она действует синэргически с одноосновной фосфатной солью и/или триметафосфатной солью для дополнительного улучшения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала. Ациклическая полифосфатная соль может иметь различные степени полимеризации. Более длинные цепи являются предпочтительными, при условии, что ациклическая полифосфатная соль остается растворимой в воде. Ациклическая полифосфатная соль содержит, по меньшей мере, три фосфатных единицы, но верхний предел количества фосфатных единиц может изменяться при условии, что ациклическая полифосфатная соль остается водорастворимой.

Любая пригодная для использования ациклическая полифосфатная соль, имеющая, по меньшей мере, три фосфатных единицы, может использоваться в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительно ациклическая полифосфатная соль имеет примерно от 6 примерно до 27 повторяющихся фосфатных единиц. Так, например, пригодные для использования ациклические полифосфатные соли в соответствии с настоящим изобретением включают в себя, но не ограничиваются этим, гексаметафосфат натрия, имеющий примерно от 6 примерно до 27 повторяющихся фосфатных единиц, гексаметафосфат калия, имеющий примерно от 6 примерно до 27 повторяющихся фосфатных единиц, гексаметафосфат аммония, имеющий примерно от 6 примерно до 27 повторяющихся фосфатных единиц, и их сочетания. Предпочтительная ациклическая полифосфатная соль, пригодная для использования в настоящем изобретении, является коммерчески доступной как CALGON® от Astaris, Inc., St. Louis, Missouri, которая представляет собой гексаметафосфат натрия, имеющий примерно 6-27 повторяющихся фосфатных единиц.

Ациклическую полифосфатную соль включают в количестве, достаточном для улучшения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала, таких, например, как влажная или сухая поверхностная твердость и стойкость к эрозии под действием воды, и тому подобное. Будет очевидным, что ациклическую полифосфатную соль предпочтительно включают в водную композицию, которую затем наносят на продукт на основе затвердевшего гипса при обработке после затвердения. Количество ациклической полифосфатной соли, которое добавляют, является достаточным для придания желаемых характеристик материалу, содержащему затвердевший гипс. Предпочтительно количество ациклической полифосфатной соли, используемое для обработки затвердевшего гипса, составляет примерно от 0,05% примерно до 2% массовых от затвердевшего гипса в содержащем затвердевший гипс материале. Соответственно когда ее включают в водную композицию, эта композиция предпочтительно содержит ациклическую полифосфатную соль (или ион) в количестве примерно от 1% примерно до 10% массовых, предпочтительно примерно от 2% примерно до 8% массовых, а более предпочтительно примерно от 2% примерно до 4%. Количества могут изменяться в зависимости от желаемого улучшения продукта на основе затвердевшего гипса и экономической эффективности.

Будет очевидным, что в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться различные сочетания неорганических фосфатных солей, а именно одноосновной фосфатной соли, триметафосфатной соли и ациклической полифосфатной соли. В этом отношении различные сочетания неорганических фосфатов дают неожиданные преимущества с точки зрения желаемых характеристик содержащего затвердевший гипс материала. Например, сочетание одноосновной фосфатной соли и ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три повторяющихся фосфатных единицы, в сочетании демонстрирует неожиданные преимущества по отношению к прочности на сжатие в сухом состоянии, влажной или сухой поверхностной твердости и стойкости к истиранию. В дополнение к этому сочетания триметафосфатной соли и ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы, синэргически улучшают стойкость к истиранию. Предпочтительно вместе используют, по меньшей мере, по одной соли каждого вида из одноосновной фосфатной соли, триметафосфатной соли и ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три фосфатных единицы, используются вместе.

В соответствии с настоящим изобретением, неорганические фосфаты могут индивидуально наноситься на содержащий затвердевший гипс материал или в некоторых воплощениях предусматривается композиция, которую готовят, по меньшей мере, из двух различных видов солей из числа следующих неорганических фосфатов: (а) по меньшей мере, одной одноосновной фосфатной соли, (b) по меньшей мере, одной триметафосфатной соли и/или (с) по меньшей мере, одной ациклической полифосфатной соли, имеющей, по меньшей мере, три повторяющихся фосфатных единицы.

В некоторых воплощениях водной композиции присутствует, по меньшей мере, по одному из каждого из трех классов неорганических фосфатов в соответствующем количестве. Только в качестве иллюстрации композиция может, например, содержать примерно от 2% массовых примерно до 8% массовых ациклической полифосфатной соли, имеющей три фосфатных единицы, и примерно от 1% массовых примерно до 4% массовых каждого соединения из триметафосфатной соли и одноосновной фосфатной соли.

В некоторых воплощениях содержащий затвердевший гипс материал обрабатывают после затвердения с помощью полимерного раствора, содержащего диспергируемые в воде или водорастворимые полимеры, такие, например, как полимерный латекс. Применение такого полимерного раствора помогает при улучшении, например, стойкости содержащего затвердевший гипс материала к эрозии под действием воды. В дополнение к этому полимерный раствор действует синергически с неорганическими фосфатами по настоящему изобретению по отношению к другим желаемым характеристикам содержащего затвердевший гипс материала. Например, использование полимерного раствора требует использования меньшего количества неорганических фосфатов. Это является преимуществом, поскольку полимерные материалы (например, полимерный латекс), как правило, являются менее дорогими, чем различные неорганические фосфаты, которые, как обнаружено, являются пригодными для использования в практике настоящего изобретения.

Не имея намерения быть связанными какой-либо конкретной теорией, предполагают, что неорганические фосфаты улучшают поперечную сшивку диспергируемых в воде или водорастворимых полимеров и связывание кристаллов гипса на поверхности продуктов на основе гипса. Например, предполагают, что растворимость гипса в водном растворе фосфата и миграция фосфатов и диспергируемого в воде или водорастворимого полимера к поверхности содержащего гипс материала во время сушки катализирует формирование композитов - неорганический фосфат-органический полимер на поверхности содержащего затвердевший гипс материала. Путем использования диспергируемого в воде или водорастворимого полимера, в сочетании с неорганическими фосфатами по настоящему изобретению стойкость к эрозии под действием воды, стойкость к истиранию и прочность на изгиб содержащего затвердевший гипс материала улучшаются.

Любой пригодный для использования диспергируемый в воде или водорастворимый полимер может использоваться в соответствии с настоящим изобретением. Например, диспергируемый в воде или водорастворимый полимер может выбираться из поливинилового спирта, поливинилацетата, гуаровой смолы, латекса из сульфонированного полистирола, акриловых полимеров, каучукового латекса и тому подобного, или их смесей или сополимеров. Полимер может быть включен, если это желательно, в водную композицию, которая содержит желаемое сочетание неорганических фосфатов, или альтернативно содержащий затвердевший гипс материал может индивидуально обрабатываться полимерным раствором, отдельно от обработки неорганическими фосфатами. Если он включается в водную композицию, содержащую неорганические фосфаты, полимер может присутствовать в водной композиции в любом соответствующем количестве. Например, полимер может присутствовать в количестве примерно от 0,1% примерно до 2% массовых композиции.

В соответствии с предпочтительными воплощениями настоящего изобретения, неорганические фосфаты наносят на содержащий затвердевший гипс материал или в случае триметафосфатной соли наносят на содержащий затвердевший гипс материал, и/или добавляют во время получения содержащего затвердевший гипс материал в количествах, достаточных для улучшения одной или нескольких характеристик из прочности, поверхностной твердости, стойкости к истиранию или стойкости к эрозии под действием воды содержащего затвердевший гипс материала (например, полученного продукта). Будет очевидным, что две или более из этих характеристик, три или более из этих характеристик, или даже все четыре этих характеристики, а также другие характеристики содержащего затвердевший гипс материала могут быть улучшены в некоторых воплощениях настоящего изобретения по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом.

В порядке иллюстрации, но не какого-либо ограничения, обнаружено, что некоторые воплощения настоящего изобретения демонстрируют уменьшение эрозии содержащего затвердевший гипс материала под действием воды, по меньшей мере примерно на 25%. В некоторых воплощениях эрозия под действием воды уменьшается, по меньшей мере, примерно на 35% или, по меньшей мере, примерно на 45% (например, по меньшей мере, примерно на 55%, 65%, 75% или более) по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом. В методике исследования эрозии под действием воды два куба из содержащего затвердевший гипс материала (2 дюйма × 2 дюйма × 2 дюйма), имеющих один и тот же тип обработки или необработанных (контроль), погружают в баню из свежей воды (24 дюйма × 48 дюйма × 4 дюйма) на одну неделю. В течение всей недели исследований эрозии под действием воды в водяной бане имеется постоянный поток свежей водопроводной воды, 0,5 галлонов в минуту, втекающий в нее с одного края, при этом вода вытекает с другого края.

Затем эрозию под действием воды измеряют через одну неделю путем сравнения массы двух кубов до погружения в водяную баню и после него. В некоторых воплощениях настоящее изобретение предлагает содержащий затвердевший гипс материал, который противостоит эрозии под действием воды, предпочтительно характеризуемый потерями массы меньшими примерно 5%, более предпочтительно потерями массы меньшими примерно 3%, после погружения содержащего затвердевший гипс материала в баню из свежей воды в течение одной недели.

По отношению к увеличению стойкости к истиранию будет очевидным, что в некоторых воплощениях настоящего изобретения стойкость к истиранию обработанного содержащего затвердевший гипс материала по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом улучшается, по меньшей мере, примерно на 95%. В некоторых воплощениях стойкость к истиранию улучшается, по меньшей мере, примерно на 96% или, по меньшей мере, примерно на 97% (например, по меньшей мере, примерно на 98%, по меньшей мере, примерно на 99% или выше), при тестировании согласно ASTM D 4977-98b, для 30 циклов исследования на износ под нагрузкой 25 фунтов. В предпочтительных воплощениях обработанный содержащий затвердевший гипс материал демонстрирует отсутствие потерь массы, что указывает на отсутствие повреждений поверхности и, следовательно, отсутствие истирания.

В некоторых воплощениях настоящее изобретение увеличивает прочность на изгиб обработанного содержащего затвердевший гипс материала по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом, по меньшей мере, примерно на 5%. В предпочтительных воплощениях прочность на изгиб улучшается, по меньшей мере, примерно на 10%, по меньшей мере, примерно на 12% (например, по меньшей мере, примерно на 14%) или более в соответствии с исследованиями согласно ASTM С 473-95.

Следует принять во внимание, что для некоторых воплощений настоящего изобретения проявляется улучшение поверхностной твердости обработанного содержащего затвердевший гипс материала по сравнению с необработанным содержащим затвердевший гипс материалом, по меньшей мере, примерно на 15% (например, по меньшей мере, примерно на 25%). В предпочтительных воплощениях поверхностная твердость улучшается, по меньшей мере, примерно на 35% (например, по меньшей мере, примерно на 45%), по меньшей мере, примерно на 55% (например, по меньшей мере, примерно на 65%), по меньшей мере, примерно на 75% (например, по меньшей мере, примерно на 85%), или даже, по меньшей мере, примерно на 95% (например, по меньшей мере, примерно на 105%, по меньшей мере, примерно на 115%, или более), при тестировании на устройстве Constant Diameter (C-D) Monotron (производится Shore Instrument and Manufacturing Company, New York). Исследования поверхностной твердости с помощью аппарата Monotron будут без труда понятны специалистам в данной области (см., например, Davis et al., The Inspection of Engineering Materials, Third Edition, pp.184-185, 200-203 (1964)).

Измерения поверхностной твердости представляют собой нагрузку, необходимую для того, чтобы заставить 10 мм стальной шарик проникнуть на 0,01 дюйма в поверхность гипсовой отливки, но если это проникновение требует нагрузки, превышающей 180 кг (предельная возможность инструмента), используется проникновение на 0,005 дюйма. Исследуемые образцы, используемые при исследованиях, представляют собой брикеты для измерения прочности на разрыв или 2-дюймовые кубы для измерения прочности на сжатие.

Следующие далее примеры дополнительно иллюстрируют настоящее изобретение, но не должны рассматриваться как ограничивающие его рамки каким-либо образом. В примерах, описываемых ниже, следующие аббревиатуры имеют указанные значения:

MAP = моноаммоний фосфат (дигидрофосфат аммония);

NaTMP = триметафосфат натрия;

NaHMP = гексаметафосфат натрия с длинной цепью (CALGON, коммерчески доступный от Astaris, Inc., St. Louis, МО); и

PVAC = поливинилацетат (получен Air Products).

ПРИМЕРЫ 1-8

Эти примеры иллюстрируют воздействие композиции и способов по настоящему изобретению на прочность, твердость, стойкость к эрозии под действием воды и поглощение воды содержащими затвердевший гипс материалами.

Двухдюймовые гипсовые кубы изготавливают при консистенции 70 см³ (то есть добавляя 100 г строительного гипса в 70 см³ воды) с использованием No.l Molding Plaster (коммерчески доступный от United States Gypsum Company) в соответствии со стандартными и хорошо известными лабораторными процедурами. Кубы сушат в 110°F ((≈ 43,3°С) печи до достижения постоянной массы. По десять кубов для каждого исследуемого образца пропитывают в водных растворах, содержащих различные сочетания фосфатов, в течение одного часа. Кубы извлекают из химических растворов и оставляются при комнатных условиях в течение одного часа. Влажную массу, прочность на сжатие во влажном состоянии и поверхностную твердость во влажном состоянии определяют для половины обработанных кубов (пять кубов). Оставшиеся обработанные кубы повторно сушат при 110°F ((≈43,3°С) в печи до достижения постоянной массы. Определяют прочность на сжатие, поверхностную твердость на устройстве Monotron и стойкость к эрозии под действием воды в сухом состоянии. В некоторых исследованиях изготавливают цилиндр заводского изготовления из затвердевшего гипса диаметром 4 дюйма и высотой 8 дюймов ((≈10,2 см × 20,3 см), для исследования воздействий обработки поверхности на характеристики продувки формы. Результаты представлены в таблице 1.

Среди исследуемых химических реагентов хорошие результаты получают для неорганических фосфатов и/или их сочетания, как показано в таблице 1. Обработка исследуемых образцов гипса после затвердения с помощью этого способа увеличивает поверхностную твердость (Monotron) на 30-55%, прочность на сжатие на 20-45 процентов и стойкость к эрозии под действием воды на 40-70% по сравнению с контрольным образцом (обработанным только водопроводной водой).

ПРИМЕРЫ 9-14

Эти примеры иллюстрируют улучшение стойкости к истиранию содержащего затвердевший гипс материала, приготовленного в соответствии с настоящим изобретением.

Для каждого полученного в примерах препарата для обработки после затвердения 1 мм слой Interior Finish Plaster DIAMOND® наносят с помощью кельмы на кусок гипсовой панели IMPERIAL® 2,5 дюйма × 9 дюйма × 1/2 дюйма (коммерчески доступной от United States Gypsum Company). После затвердения и сушки на воздухе строительного гипса на поверхность строительного гипса с помощью кисти наносят желаемый раствор для обработки после затвердения. Непосредственно после обработки регистрируют влажную массу гипсовой панели. Разность между влажной массой и сухой массой используют для определения общей дозы химических реагентов для обработки после затвердения, после чего образец повторно сушат на воздухе. Стандартные исследования на износ, 30 циклов, осуществляют на повторно высушенном образце, на устройстве для исследования (DUROWELD, Lake Bluff, IL), в соответствии с ASTM D4977. Для покрытий с высокой стойкостью к истиранию осуществляют 400-800 циклов истирания. Потери массы и/или повреждение поверхности после исследования на износ определяют и используют в качестве критериев для стойкости к истиранию. Чем меньше потери массы и повреждения поверхности, тем больше стойкость к истиранию.

В таблице 2 приведены измерения стойкости к истиранию и поверхностной твердости Interior Finish Plaster DIAMOND® до и после нанесения покрытий в ходе обработки после затвердения. В таблице 2 "раствор" относится к водному раствору, содержащему различные химические композиции.

Как можно видеть из табл.2, после 30 циклов исследования на износ потери массы обработанной панели значительно уменьшаются по сравнению с контрольным образцом, обработанным только водопроводной водой. В случае образцов 12, 13 и 14 исследования на износ демонстрируют отсутствие потерь массы после 30 циклов исследований. Это указывает на то, что покрытия, нанесенные при обработке после затвердения, значительно улучшают стойкость к истиранию Interior Finish Plaster DIAMOND®. Для обработанных после затвердения образцов 12 и 13 заметных повреждений не наблюдается даже после 400 циклов исследований на истирание. Результаты исследований подтверждают, что высокая стойкость к истиранию может достигаться при низкой дозе реагентов всего в 1-4 фунта на MSF, как показано в таблице 2.

ПРИМЕРЫ 15-18

Эти примеры иллюстрируют влияние настоящего изобретения на эрозию под действием воды и прочность на сжатие продуктов, содержащих затвердевший гипс.

Двухдюймовые гипсовые кубы изготавливают в консистенции 70 см³, используя No.1 Molding Plaster, следуя тем же методикам изготовления образцов, которые описаны в примере 1. Для каждых условий исследований по четыре высушенных исследуемых куба пропитывают в указанном растворе для обработки после затвердения в течение одного часа. Обработанные кубы извлекают из растворов и сушат в лабораторной печи при 112°F до достижения постоянной массы. Исследуют прочность на сжатие высушенных кубов и регистрируют усредненное значение. В дополнение к этому остающийся исследуемый для каждых условий куб затем помещают в баню из свежей воды для исследования эрозии под действием воды в течение недели. После извлечения образцов из водяной бани кубы повторно сушат и взвешивают. Потери массы до и после исследования эрозии под действием воды используют для определения стойкости к эрозии под действием воды. Результаты приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, с помощью обработки после затвердения прочность куба на сжатие увеличивается. Более того, по сравнению с контрольным образцом (обработанным только водопроводной водой) стойкость к эрозии под действием воды также значительно увеличивается с помощью обработки после затвердения, при самом маленьком значении потерь массы, отражающем самое маленькое значение эрозии под действием воды. Пример 16 дополнительно подтверждает, что сочетание латекса PVAC и неорганических фосфатов обеспечивает наилучшую стойкость к эрозии под действием воды.

ПРИМЕРЫ 19-21

Эти примеры иллюстрируют влияние настоящего изобретения на прочность при изгибе материала, содержащего затвердевшие гипсы.

Три образца композитной панели FIBEROCK® 3 дюйма × 10 дюймов ×¹/₂ дюйма сушат в лабораторной печи. Каждый образец панели FIBEROCK® обрабатывают указанным раствором для обработки после затвердения. Образцы снова сушат. Затем исследуют прочность на изгиб для каждого из образцов. Каждый из тех двух образцов, которые обрабатывают в соответствии с настоящим изобретением, демонстрирует увеличение прочности на изгиб по сравнению с контрольным образцом (пример 19), который обрабатывают только водой. В примере 20 обработку осуществляют путем 3-кратного нанесения кистью раствора для обработки после затвердения. В примере 21 обработку осуществляют путем пропитки в растворе в течение 15 секунд. Результаты представлены в таблице 4.

Все ссылки, цитируемые здесь, включая патенты, заявки на патенты и публикации, тем самым включаются сюда посредством ссылок во всей их полноте.

Хотя настоящее изобретение описано с акцентом на предпочтительные воплощения, специалисту в данной области будет ясно, что могут быть использованы вариации предпочтительных воплощений и что предполагается, что настоящее изобретение может осуществляться на практике иным образом, чем здесь конкретно описано. Соответственно настоящее изобретение включает в себя все модификации, охваченные рамками настоящего изобретения, как определено следующей далее формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к композиции для нанесения покрытия на затвердевший гипсовый материал и способу обработки содержащего затвердевший гипс материала. Технический результат - повышение прочности материалов, содержащих затвердевший гипс, поверхностной твердости, стойкости к истиранию и/или стойкости к эрозии под действием воды. Водная композиция для нанесения покрытия на содержащий затвердевший гипс материал, содержащая, по меньшей мере, воду, по меньшей мере, одну триметафосфатную соль, по меньшей мере, одну одноосновную фосфатную соль и, по меньшей мере, одну ациклическую полифосфатную соль, содержащую, по меньшей мере, три фосфатные единицы. Способ обработки содержащего затвердевший гипс материал включает в себя: нанесение на указанный содержащий затвердевший гипс материал, по меньшей мере, одного соединения, из, по меньшей мере, двух типов неорганических фосфатных солей: одноосновных фосфатных солей, триметафосфатных солей и ациклических полифосфатных солей, содержащих, по меньшей мере, три фосфатных единицы Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 4 табл.

Формула