Композиция на основе струвита-к и сингенита для применения в строительных материалах - RU2683837C2

Чертежи

Описание

[0001] Данная заявка является обычной заявкой, испрашивающей приоритет по заявке на патент США №14/457,826, поданной 12 августа 2014 г., по предварительной заявке на патент США №61/890,702, поданной 14 октября 2013 г.; по предварительной заявке на патент США №61/890,720, поданной 14 октября 2013 г., предварительной заявке на патент США №61/892,025, поданной 17 октября 2013 г., по предварительной заявке на патент США №61/892,581, поданной 18 октября 2013 г., и по предварительной заявке на патент США №61/915,601, поданной 13 декабря 2013 г., полные содержания которых включены посредством ссылки так, как при полном их изложении в данном документе.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

1. ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение в целом относится к строительным материалам и, более конкретно, к строительным материалам, в которых обеспечена желаемая конечная композиция и соотношение струвита-К и сингенита, причем два минерала, как правило, не добываются вместе, для придания особых и заранее определенных свойств и характеристик строительным материалам.

2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] На протяжении приблизительно трех тысяч лет, и по меньшей мере со времен Древнего Рима, цементы на основе оксида магния (MgO) применялись для строительства стен и сооружений. В течение последних 50 лет улучшенные материалы, содержащие оксид магния, применялись для серийного производства жидких растворов, которые затем заливались в панельные формы, где они могли затвердевать на протяжении продолжительного промежутка времени. Получаемые продукты придают панели жесткость и конструктивную целостность и, таким образом, позволяют панели прикрепляться к блокам стены.

[0004] Стеновая плита, как правило, имеет диапазон плотности от около 1600 фунтов (фунт) до около 1800 фунтов на тысячу квадратных футов (lbs/MSF) (от около 7,8 килограмм (кг) до около 8,3 кг на квадратный метр (м²) плиты около полудюйма (1,27 см)). Прочные или высокоплотные гипсовые стеновые плиты являются дорогими и более сложными для производства, транспортировки, хранения и ручной установки на рабочих участках. Недавняя попытка была сделана в отношении более легких или низкоплотных плит. В то время как известны стеновые плиты с плотностями, уменьшенными за счет добавления легковесных наполнителей и пен, стеновая плита с плотностью менее, чем около 1600 lbs/MSF (около 7,8 кг на м²) в полудюймовой (1,27 см) плите, может уменьшить прочность и целостность получаемой плиты. Поскольку гипсовая плита сверхвысокой плотности или прочная гипсовая плита в целом нежелательны по причинам, изложенным выше, активно продолжаются исследования и разработки с целью получения плит с уменьшенным весом или плотностью, не жертвуя целостностью плиты и прочностью. Одним способом уменьшения веса плиты является применение новых или негипсовых материалов для сердцевины плит.

[0005] Струвит [(NaH₄(PO₄)⋅6(H₂O)] более века был известен в качестве материала природного происхождения и был объектом исследования в медицинской помощи животным и очистке сточных вод. См., например, опубликованную заявку на патент США №2013/0062289, помимо прочего. Более недавняя разработка привела к похожему, хоть и искусственно созданному, минералу, также известному как К-струвит, струвит-К или струвит (К) (далее - «струвит-К»), с химической формулой [KMg(PO₄) ⋅6(H₂O)]. Такой материал, созданный, по сути, человеком, был объектом интенсивного исследования, поскольку было обнаружено, что многие его явно выраженные характеристики, включая его ромбическую кристаллическую структуру, стеклянный блеск, которые делают возможным движение по существу без трения, и сопротивление передаче тепла, очень пригодны для строительной промышленности.

[0006] Благодаря этим и другим свойствам, и вследствие намерения найти в строительстве и строительной промышленности достойную альтернативу гипсовым плитам, как внутренним строительным материалам, струвит-К был выбран для обеспечения хорошей теплостойкой строительной панели плиты, оставляя ее слегка эластичной и обеспечивая легкость массового производства, по сравнению с гипсовой плитой.

[0007] Общеизвестно, что такие панели, содержащие оксихлорид магния, являются более дорогими, обычно стоя в два-три раза дороже альтернатив обычной гипсовой строительной панели, см. например, публикацию заявки на патент США №2013/0115838, опубликованную 9 мая 2013 г. Таким образом, эти виды плит не применимы широко в качестве приемлемых по стоимости строительных материалов для стеновых плит или панелей. Более того, некоторые строительные панели, содержащие оксихлорид магния, выделяют свободный хлоргаз внутри материала плиты, приводя, таким образом, к серьезным проблемам, таким как выщелачивание, неприятный запах, коррозия крепежных деталей и строительной конструкции. Дополнительно, многие из этих видов плит со временем будут распадаться и разлагаться, поскольку они не являются химически устойчивыми. Эти виды плит и панелей особенно подвержены продолжительному воздействию воды и склонны к разрушению при продолжительных воздействиях таких условий.

[0008] В последние годы, строительными нормами, относящимися к окружающей среде и охране здоровья, было установлено, что в некоторых конструктивных структурах и строительных способах могут применяться только строительные материалы, способные обеспечивать улучшенную водостойкость и/или огнестойкость. В результате, безбумажные гипсовые и обычные цементные строительные панели были усовершенствованы для удовлетворения данным требованиям. Однако гипс не является и не даже может являться водонепроницаемым и/или полностью водостойким. Таким образом, необходимо, чтобы водостойкие соединения, такие как воски или кремний-содержащие соединения, добавлялись в их состав для придания приемлемой водостойкости. Это может быть дорогостоящим и, возможно, нецелесообразным добавлением.

[0009] Более того, обычные строительные панели из волоконного цемента и портландцемента очень сложны в эксплуатации и работе при применении в обычных строительных технологиях, требуя, таким образом, больше времени, труда и специальных инструментов для подготовки и установки данных видов строительных панелей.

[0010] В последнее время, международная экономическая ситуация повлияла на рынки строительства и проектирования. Следовательно, строительные компании начали поиски альтернативных строительных материалов, которые обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками, которые по меньшей мере на порядок выше, чем характеристики обычных гипсовых и цементных строительных материалов, одновременно соответствуя показателю «затраты-эффективность» гипсовых и цементных строительных материалов.

[0011] Настоящее изобретение направлено на одновременное отношение между затратами и эффективностью, обеспечивая способ применения линии непрерывного изготовления плит. Параллельные аспекты функциональной эффективности и снижения затрат в контексте улучшенных и разрабатываемых строительных материалов, выполненных для использования по особым назначениям, обеспечат превосходный строительный материал, если все аспекты отрегулированы для получения таких плит или панелей. Ни одна из раскрытых в уровне техники до настоящего времени композиций строительной плиты не могла обеспечить данные возможности. Ни один из способов уровня техники, известных до настоящего времени, не раскрывает способ формирования композитных плит, содержащих синтетические струвит-К и сингенит, согласно изобретению, в особых соотношениях так, чтобы обеспечить желаемые характеристики и признаки панелям стеновых плит, годных к обеспечению сверхлегковесной плиты или строительной панели, являющейся влаго- и огнестойкой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Соответственно, в настоящем документе раскрыта новая и улучшенная композиция и способ получения нового строительного материала, содержащего, в качестве исходных составных соединений, оксид магния (MgO), монокалийфосфат (MKP) и сульфат кальция, включающий штукатурный гипс (полугидрат сульфата кальция). Продукты реакции, сингенит (K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O) и струвит-К (KMgPO₄⋅6H₂O) получаются в многофазных реакциях, иногда проходящих одновременно. Реакции являются основными в случае полугидрата и воды, и кислотными для оксида магния/МКР, причем обе реакции происходят одновременно и параллельно, и могут даже конкурировать друг с другом, если реакция струвита-К не забуференная (скорость понижена) для того, чтобы у полугидрата было достаточно времени и воды для полной регидратации. Считается, что реакция сингенита (как правило, экзотермическая реакция) достигнет максимума температуры 109-186°F (42°-86°C), - в зависимости от чистоты полугидрата и его концентрации). В этом случае первое возрастание температуры стадии реакции является эндотермической реакцией и происходит формирование сингенита в качестве продукта растворения из МКР - К, который выделяется из МКР, и вместе с формированием полугидрата образует K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O (сингенит) перед тем, как струвит-К приближается к своему начальному повышению температуры (экзотермическая реакция - температура может достигнуть максимума 212F((100°C), когда у некоторых реакций наблюдается превышение этих температур). Такое повышение температуры, если осталось непроверенным, может представлять существенное разрушающее действие на полугидратную часть образованного сингенита, даже после его полной регидратации. Раскрытое и заявленное в настоящем документе изобретение представляет собой предпочтительный набор соотношений химических компонентов и способ производства панелей плит, используя непрерывную линию, в том числе заранее определенные и специальные соотношения струвита-К и сингенита по особым назначениям, оптимизированные в отношении стехиометрии для снижения объединенного тепла образования до неразрушительных уровней и дополнительно, способ производства панелей плит, годных к использованию в строительных конструкциях, являющихся огне- и водостойкими, а также разнообразие продукционных плит, изготовленных согласно данным способам и с использованием материалов, согласно изобретению.

[0013] В одном образце, основной механизм имеет стехиометрические количества MgO и KH₂PO₄ в присутствии воды и полугидратного штукатурного гипса для получения струвита-К и сингенита, а также других аморфных побочных продуктов. Данный механизм рассматривается в качестве такого, который соответствует реакции:

MgO+KH₂PO₄+CaSO₄⋅1/2H₂O (KMgPO₄⋅6H₂O+K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O.

[0014] В другом варианте осуществления, наряду с исходными компонентами и незначительными добавками, реакция может содержать несколько стадий реакции, но полная общая реакция соответствует механизму:

3MgO+3KH₂PO₄+2CaSO₄⋅1/2H₂O+3H₂O→KMgPO4⋅6H₂O+K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O+Ca⁺²+2Mg+2+2(PO₄)^-3

в присутствии борной кислоты (H₃BO₃), сульфоната нафталина, серной кислоты (H2SO4) и силоксана, такого как полидиметилсилоксан или поли(метилгидро)силоксан. Следует отметить, что вышеуказанная реакция не рассматривается для получения всех смесей продукта реакции, и полугидратный штукатурный гипс (CaSO₄⋅1/2H₂O) останется в избытке. Считается, что оставшиеся ионные материалы, т.е., (Ca⁺², 2Mg⁺² и 2(PO₄)^-3) будут или реагировать с оставшимся штукатурным гипсом или образовывать скопления соли после сушки. Считается, что по меньшей мере некоторое количество полугидратного штукатурного гипса и оксида магния останутся непрореагировавшими, и эти компоненты останутся в аморфной, беспорядочно распределенной матрице внутри кристаллических структур, которые обнаруживаются в прореагировавшем струвите-К и сингените, как показано на Фиг. 1.

[0015] Дополнительно следует отметить, что компоненты могут быть обеспечены в различных заранее определенных соотношениях, и могут быть включены в особые соотношения для основных компонентов MgO:MKP в соотношении 1:1 до соотношения 1:3,4. Таким образом, несмотря на то, что компоненты, указанные выше, и получаемые продукты реакции демонстрируют особые соотношения, следует понимать, что изменение исходных соотношений компонентов, как было сделано в описанных ниже исследованиях, изменяет продукты реакции и количества прореагировавших и непрореагировавших компонентов. Особые диапазоны в весовых процентах представлены в следующих пропорциях:

MgO: 3,33-70,00%

KH₂PO₄: 4,67-70,00%

CaSO₄⋅1/2H₂O: 10,5-90,0%, давая в сумме 100%.

[0016] В более точном соотношении исходных компонентов, предпочтительными являются следующие пропорции:

MgO: 10,00-40,00%

KH₂PO₄: 40,00-70,00%

CaSO₄⋅1/2H₂O: 25,0-75,0%, давая в сумме 100%.

[0017] В обе эти смеси твердых компонентов добавляют воду для начала реакции в пропорции в соотношении от 100:20 до 100:40 весовых процентов твердых компонентов к воде. В предпочтительной форме реакции, ее проводят в реакционном смесителе непрерывным образом, и получаемая суспензия, в большей части содержащий струвит-К, сингенит, гипс и некоторые потенциально непрореагировавшие компоненты, обеспечивает полужидкую пасту, которая используется вместе с или без гипсовой сердцевины, для обеспечения одной или более продукционных гипсовых плит. В оптимальном составе, соотношение MgO:MKP составляет от 1:1,8 до 1:2,2, а в наиболее выгодном составе, наиболее приближено к 1:2,0.

[0018] В другом варианте осуществления, в данном документе раскрыты и заявлены соотношения компонентов, полученные эмпирическим путем, и руководства для определения эксплуатационных параметров в процессе производства строительных материалов, содержащих особенные строительные композиции, содержащие минералы струвит-К и сингенит. Эти предпочтительные соотношения определяют композицию реагентов из оксида магния (MgO), фосфата и калийсодержащего реагента, такого как монокалийфосфат (KH₂PO₄), и альфа- и/или бета-полугидрат гипса (CaSO₄⋅1/2H₂O), в растворе с водой (H₂O), вместе с разумным применением термодинамических и кинетических свойств эти химических реакций, для направления реакций в желаемом направлении и получения, таким образом, особенных строительных материалов, обладающих желаемыми физическими свойствами.

[0019] Математические соотношения используют принципы термодинамики и стехиометрии и основаны на законах сохранения атомных составов, энергии и массы. Математические соотношения используют желаемую композицию в окончательном продукционном строительном материале, содержащем струвит-К и сингенит, и обеспечивают следующие рабочие параметры в пределах точности 5% действующих рабочих условий:

1. Термодинамические величины процесса, включая, помимо прочего, свободную энергию образования Гиббса, энтальпию образования и энтропию образования;

2. Реология смеси, включая, помимо прочего, плотность и вязкость;

3. Массы и/или соотношения реагентов: оксида магния (MgO), монокалийфосфата (KH₂PO₄), штукатурного гипса в форме альфа- или бета-полугидрата гипса (CaSO₄ 1/2H₂O) и воды (H₂O);

4. Рабочие условия, включая, помимо прочего, температуры и давления реакции, содержание воды, скорость перемешивания, время перемешивания и pH.

[0020] Используя соответствующие математические уравнения, потребитель может определить большое разнообразие возможных формул и шагов процесса в отношении обеспечения особенных строительных материалов, содержащих струвит-К (KMgPO₄⋅6H₂O) и сингенит (K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O), в полном соответствии с описанием химических реакций, раскрытых в вышеупомянутых, одновременно находящихся на рассмотрении, заявках на патент США №14/457,826 и предварительной заявке на патент США №61/865,029 и 61/892,581. Применение процессов и инновационных способов, описанных в настоящем документе, может обеспечить экономически эффективные, сверхлегковесные стеновые плиты, обладающие улучшенными эксплуатационными возможностями, такими как механическая прочность, огне- и влагостойкость, а также антимикробные свойства.

[0021] Некоторые тенденции в части качества могут наблюдаться из предварительных результатов лабораторных анализов и научных дедуктивных рассуждений посредством использования известных научных принципов. Вышеперечисленные 5 рабочих условий могут использоваться для определения необходимых исходных условий на основании желаемых выходов струвита-К и сингенита в окончательной смеси. Возможные модификации исходных параметров теперь будут описаны более подробно для демонстрации эффекта того, как незначительное изменение одного конкретного параметра изменит итоговую окончательную композицию, получаемую из исходных компонентов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0022] Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые фигуры, где:

[0023] Фиг. 1 представляет собой микрофотографию полости в окончательном материале, полученной в одном из протестированных составов для определения локальной структуры окончательных продуктов реакции;

[0024] Фиг. 2 представляет собой график тройной смеси, показывающий пропорции MgO:MKP:штукатурный гипс для конкретных пробных испытаний и графиков с различными составами, использованными в тестовом режиме; и

[0025] Фиг. 3 представляет собой схематическую горизонтальную проекцию, показывающую поперечное сечение реактора-смесителя идеального вытеснения, который может использоваться при получении рассматриваемых композиций согласно изобретению.

[0026] Фиг. 4 представляет собой вид сбоку, схематично показывающий химические компоненты, которые загружаются в смеситель для облегчения получения композитного материала, согласно изобретению, из смеси элементов.

[0027] Фиг. 5 представляет собой вид сбоку в нескольких разрезах, схематично показывающий такую линию производства плит, которая может быть использована в получении панелей плит, согласно изобретению.

[0028] Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении одного варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

[0029] Фиг. 7 представляет собой вид в поперечном сечении другого варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

[0030] Фиг. 8 представляет собой вид в поперечном сечении еще одного другого варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

[0031] Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном сечении дополнительного другого варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

[0032] Фиг. 10 представляет собой вид в поперечном сечении другого варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

[0033] Фиг. 11 представляет собой вид в поперечном сечении еще одного дополнительного другого варианта осуществления панели плиты, согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0034] Химические приемы, согласно изобретению, указаны в вышеупомянутых заявках на патент и повторены ниже. Избыточное тепло, которое экзотермически вырабатывается реакцией фосфата магния, препятствующей одновременному возникновению реакции регидратации штукатурного гипса, и предотвращающей выработку избыточных количеств аморфного полугидрата гипса в качестве нежелательного побочного продукта, должно быть предотвращено в реакции. Таким образом, рассматривается существенным обеспечение соответствующего буфера. Борная кислота является превосходной для замедления реакции фосфата магния, тогда как она также служит в качестве механизма защиты рекристаллизации гипса от неблагоприятных воздействий термического удара, когда начинает образовываться фосфат магния.

[0035] Применение серной кислоты (H₂SO₄) для предварительной обработки воды обеспечивает более кислый растворитель и, таким образом, дополнительно ускоряет реакцию струвита-К. Для снижения стоимости материалов, применяется штукатурный гипс, включая не менее 90% по весу всего состава, в качестве замещающего сореагента. Штукатурный гипс замещает заранее определенные количества оксида магния и монокалийфосфата (МКР), что существенно снижает затраты, поскольку гипсовый штукатурный гипс дешевле и легче по весу, чем данные материалы.

[0036] В качестве побочного продукта и точки неожиданного исследования в реакции штукатурного гипса также вырабатывается другой важный минерал, сингенит. Сингенит более огнестойкий, чем гипс. Однако Сингенит сам по себе не так прочен и огнестоек, как сочетание струвита-К и сингенита. Сингенит также обеспечивает попутную выгоду, как фактор объединения между фосфатом магния и полугидратом гипса, причем он обладает пластично-эластромерными характеристиками, делая, таким образом, менее хрупким и более упругим окончательный продукт, увеличивая обрабатываемость, а также делая плиту более легкой для надрезания/порезки. Это является существенным улучшением по сравнению с известными магниевыми «оксихлоридными» плитами, например, такими как описаны в публикации заявки на патент США №2013/0115835 строительных панелей на основе портландцемента.

[0037] Дополнительно и в идеальном случае, в смесь добавляется кремний для достижения других дополнительных преимуществ,

1) образовывать активированный кремний в присутствии фосфата магния и кислот

2) обеспечивать механизм теплостойкости для гипса и позволять рекристаллизовываться фосфату магния

3) служить для замедления реакции фосфата магния, и

4) обеспечивать пеноудаляющий материал для разложения любой пены, которая могла быть образована в качестве побочного продукта реакции серной кислоты с CaCO₃, что является известной примесью в природном гипсе. Увеличение количества добавляемого кремния дополнительно придает плите существенную водостойкость, а при увеличении количества активированного кремния, даже еще большую. Общая водостойкость была увеличена с использованием существенно более малого количества кремния, который, как правило, применяется/требуется для соответствия эксплуатационным требованиям ASTM к строительным панелям для влажных помещений. Тестирования показали, что может быть достигнута максимальная скорость впитывания ≤ 2%, тогда как, как правило, результаты для обычных гипсовых водостойких стеновых плит, стеклоармированных гипсовых плит, обладают средней абсорбцией, которая в лучшем случае составляет 3,5%-4% общей водостойкости.

[0038] Однако материалы, полученные в результате настоящего изобретения, по своей природе являются водостойкими и не распадаются в присутствии воды как, например, плиты из оксихлорида магния или обычные гипсовые плиты, которые требуют включения водостойких добавок, таких как воск или кремний. Введение полисилоксана в настоящие составы сдерживает отведение влаги в открытые участки и через матрицу продуктов, изготовленных согласно настоящему изобретению, делая его по существу водонепроницаемым до такой степени, что вода больше не может проникать в материал. Более того, даже когда объемная вода или парообразная вода проникает или передается в материал/материалы, полученные согласно настоящему изобретению, она не обладает никаким негативным воздействием на него, и материал сохраняет свою первоначальную прочность. Для предотвращения проникновения объемной или парообразной воды внутрь и сквозь композиции, согласно изобретению, добавляется полисилоксан только, если требуется полная водонепроницаемость, например, как в областях и местоположениях, где строго соблюдаются строительные нормы.

[0039] Один способ применения струвита-К в строительных материалах был предложен для применения на дорогах вместо портландцемента. См., например: "Optimisation of the preparation of a phosphomagnesium cement based on struvite and K-struvite" авторов H. Hammi и A. Mnif, Laboratoire de Valorisation des Materiaux Utiles, Centre National de Recherches en Sciences des Materiaux, Technopole Borj Cedria, Soliman, Tunisie, MATEC Web of Conferences, Том 3, страница 01071 (2013). Было обнаружено, что такие соединения полезны при получении других строительных материалов, таких как панели строительных плит, потолочные плитки и т.д. Такие применения требуют эффективного, своевременного и недорогостоящего производства, так что они могут быть включены в конструктивные элементы, в которых они используются.

[0040] Было отмечено, что получение таких соединений и их способность к своевременной усадке зависит от стехиометрии различных предшественников окончательного усаженного продукта, что главным образом находится в виде KMg(PO₄) ⋅6(H₂O). То есть, в качестве удивительного и неожиданного результата было обнаружено, что соотношения следующих ингредиентов обеспечат наилучшие результаты желаемых характеристик:

[0041] Следующие научные принципы осуществляются для содействия в достижении скорости и направления реакций:

1. Термодинамические принципы:

a. Свободная энергия образования Гиббса, энтальпия образования и энтропия образования - все они указывают на превосходство реакций струвита-К и сингенита

2. Реология реакционной смеси:

a. Плотность и вязкость смеси повышаются с получением больших выходов струвита-К.

3. Массы реагентов и стехиометрические факторы:

a. Соотношение МКР:MgO повысится с получением больших выходов струвита-К до тех пор, пока соотношение МКР:MgO не достигнет, но не превысит, 3,37:1.

b. Штукатурный гипс (полугидрат гипса) - изменение других элементов, обеспеченных для больших выходов струвита-К, не повлияет на потребность в штукатурном гипсе, поскольку штукатурный гипс не участвует в данной реакции.

c. Вода - потребность в воде будет увеличиваться с получением больших выходов струвита-К до тех пор, пока массовое соотношение монокалийфосфата (KH₂PO₄) к воде (H₂O) не будет равняться 2,96:1, с точки зрения стехиометрических факторов.

4. Рабочие условия реакции:

Содержание воды, скорость перемешивания, время перемешивания, pH и температура воды рассматриваются в качестве существенных факторов в получаемых продуктах и побочных продуктах.

[0042] Химическая реакция, обеспечивающая оптимальные результаты, была определена как:

3MgO+3KH₂PO₄+2CaSO₄⋅1/2H₂O+3H₂O→KMgPO₄⋅6H₂O+K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O+Ca⁺²+2Mg⁺²+2(PO4)^-3

при этом реакция протекает в присутствии малых количеств H₂SO₄, H₃BO₃, действующих для управления скоростью реакции, и включая один или более силоксанов для сдерживания отведения воды. Несмотря на то, что формы лингосульфоната или карбоксилата пригодны для использования, в качестве флюидизирующего вещества предпочтительным является сульфонат нафталина.

[0043] Реакция струвита-К является экзотермической реакцией и протекает очень быстро.

Основная главная реакция представлена следующим образом:

MgO+KH₂PO₄+5H₂O→KMg(PO₄) ⋅6(H₂O).

[0044] Реакция сингенита распадается на две отдельные стадии реакции, при этом основной механизм представлен следующим образом:

2CaSO₄⋅1/2H₂O→H⁺+1/2O^2-+2Ca²⁺+2SO₄^2- и

Ca²⁺+2SO₄^2-+2K⁺+H₂O→(K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O+CaSO₄.

[0045] Точный механизм реакции остается на стадии исследования, а некоторые параметры реакции, такие как pH, температура воды и регулировка времени перемешивания и добавлений, были исследованы, как изложено выше. Исходные рабочие параметры считаются влияющими на скорости, продукты и окончательные структуры реакции. Ожидается, что продолжительное исследование и данные, полученные из него, обеспечат основу, которая сделает возможной адаптацию продуктов реакции и степени завершенности реакции, как может требоваться для особых применений.

[0046] В настоящем изобретении было обнаружено, что степень и продолжительность перемешивания играют существенную роль, но во вторую очередь. Рассматривается то, как будет оказано влияние на протекание реакции и на суммарный выход сингенита и струвита-К. Применяя указанные выше соотношения, было обнаружено, что минимальное перемешивание дает более высокие соотношения сингенита, и более длительное перемешивание дает более высокие соотношения струвита-К. Неожиданно было обнаружено, что короткая продолжительность перемешивания делает возможной, прежде всего, низкотемпературную экзотермическую реакцию и, когда перемешивание остановлено минимум по прошествии от 30 секунд до одной минуты, полная усадка/затвердевание суспензии может занимать до 50 минут. Рентгенодифракционный анализ (XRD) показал, что образцы, смешанные данным способом, дают большие количества сингенита и струвита-К, а также увеличенные соотношения непрореагировавшего MgO (наблюдался периклаз) и бассанита (CaSO₄⋅1/2 H₂O). Хотя оказывалось, что каждый образец усаживался после такого непродолжительного перемешивания, в действительности было неожиданно обнаружено, что образец имел только образованную оболочку вокруг неусаженной части - все еще жидкости - внутренней сердевины, и что образец сохранялся при температуре около 86°F (30°C). Оболочка была вскрыта, и было обнаружено, что все материалы вернулись в раствор немедленно при перемешивании со все еще жидким материалом внутренней сердцевины. Последующее перемешивание на протяжении дополнительных 30-40 секунд инициировало вторую реакцию - экзотермическую реакцию, в которой наблюдался подъем температуры до максимума, составляющего 212°F (100°C), изначально считавшейся такой, которая демонстрирует реакцию фосфата магния. Однако после XRD тестирования этого образца материала, было определено, что он содержит струвит-К.

[0047] Последующее продолжительное много- и одностадийное перемешивание вручную и высокоскоростное перемешивание следующих образцов, образованных/сформированных с идентичным составом, как перечислено ниже, демонстрировали кардинально повышенные соотношения выхода струвита-К.

[0048] Результаты XRD демонстрируют выгоду от продолжительного перемешивания MgO:MKP:штукатурный гипс при 1:2:1, а полученные соотношения представлены ниже. Таблица 1 показывает процесс перемешивания тех же компонентов при тех же соотношениях (MgO:MKP:штукатурный гипс) с целью демонстрации повторяемости выходов продуктов относительно скорости реакции.

ТАБЛИЦА 1

[0049] Описанное выше перемешивание в комбинации с особым составом, показанным выше, и изменениями сырьевого материала, подробно изложенными ниже, приводят к новому и неожиданному обнаружению, отличающемуся от ранее известных видов плит из оксида магния или оксихлорида магния.

[0050] Сочетание изложенного выше состава с приемлемыми изменениями в следующих отношениях придают улучшенную экономическую эффективность в отношении крупномасштабного выхода струвита-К в результате процесса/состава.

[0051] Для большей выработки струвита-К, чем сингенита, используется следующий способ:

a. Применение многоступенчатого смесительного аппарата, такого как смеситель идеального вытеснения, как показан на Фиг. 3, многоуровневый барабанный или скребковый смеситель, или их комбинация, или, альтернативно, применяя только один смеситель, который делает возможным длительное время выдержки с контролем подачи сырьевого материала и подачи/выхода сырья, равносильного производственной скорости для обычной плиты шириной 4 фута и толщиной¹/₄-1'', составляющей от приблизительно минимальной 20 футов/мин до максимальной 750 футов/мин, причем сырьевые материалы перемешиваются и сочетаются внутри смесителя следующим образом: (Время выдержки должно равняться или быть больше чем как минимальное 4 минуты, так и максимальное 12 минут). Менее 17,2% оксида магния (MgO) из одного или более соответствующих источников, таких как слегка пережженный, средне пережженный, сильно пережженный MgO, предназначаются для оптимизации и снижения стоимости сырьевого материала, вместе с получением как эффективных, так и оптимальных эксплуатационных признаков в полученном композите, выработанном из состава суспензии.

Большее количество монокалийфосфата (МКР) или, альтернативно, дигидрофосфата калия - KH₂PO₄ (KDP) по меньшей мере 34,5% увеличит молярное отношение оксида магния (MgO) к дигидрофосфату калия, а также приведет к снижению скорости реакции посредством сниженной скорости диссоциации. Предпочтительный MKP или KDP может быть или пищевым, или сельскохозяйственным.

По меньшей мере 17,2% бета-полугидратный штукатурный гипс, то есть, обработанный штукатурный гипс - CaSO₄⋅1/2H₂O, добавлен в качестве сореагента, который дает первичную реакцию с МКР или DKP. Данная реакция замедляет продолжающуюся стадию реакции (Ca²⁺+2SO₄^2-+2K⁺+H₂O→K₂Ca(SO₄)₂⋅H₂O+CaSO₄) посредством первичной регидратации/потребления связанной воды. Первичный этап дает первое повышение температуры от экзотермической реакции для противодействия эндотермической реакции с калием (начиная растворение К из МКР для присоединения к образуемому дигидрату для образования сингенита). Погугидратный штукатурный гипс может обладать показателем чистоты от минимального, приблизительно 65%, до максимального, приблизительно 100%. Полугидратный штукатурный гипс более высокой чистоты улучшает потребление калия по мере образования дигидрата и, таким образом, дополнительно замедляет вторичную реакцию KMgPO₄⋅6H₂O (струвит-К), увеличивая, таким образом, выход струвита-К в окончательной реакции. В результате экзотермической реакции, которая дает горячий KMgPO₄⋅6H₂O (до 212°F (100°C) и иногда выше), регидрированная часть дигидрата полученного сингенита кальцинируется в малой степени. Калий (К), который был отработан в первой реакции сингенита, затем высвобождается в раствор поэтапно и в конечном итоге заново используется в процессе образования KMgPO₄⋅6H₂O по мере протекания непрерывной реакции.

Около 31,1% H₂O (вода) вводится в качестве растворяющего вещества для обеспечения возможности протекания других реакций.

Незначительные остаточные добавки предпочтительно вводятся для содействия реакциям. Все они представляют менее 1,5% всей сухой смеси в итоговой объединенной добавке,

a. серная кислота (H₂SO₄): добавляется к воде для изменения pH и улучшения побуждения итоговой кислотно-основной реакции.

b. борная кислота (H₃BO₃): борная кислота является важной добавкой, поскольку она обеспечивает выгоду как для эндотермической, так и для экзотермической реакции. В первой реакции, она служит для защиты регидратации полугидрата до воды от тепла вторичной реакции MgO/MKP/H₂O, и делает возможным образование сингенита для поддержания связи с калием на протяжении длительного периода. В случае с реакцией MgO/MKP/H₂O, борная кислота является известным замедлителем в целом для реакций магниевофосфатных цементов, задерживая эту реакцию для снижения термического удара.

c. силоксаны, такие как полисилоксан (C₂H₆OSi)_n, полидиметилсилоксан (CH₃[Si(CH₃)₂O]_nSi(CH₃)₃), и похожие соединения, в очень малых добавляемых количествах, обеспечиваются в качестве противовспенивателя. MgO/MKP и любая примесь в источнике полугидрата (CaCO₃) реагирует с MgO в присутствии воды для инициирования реакции пенообразования, которая нежелательна. Если примесей нет, полисилоксан остается неизменным на протяжении всего течения первой и второй реакции, и используется по необходимости для последующей подачи.

d. сульфонат нафталина, такой как C₁₀H₈NNaO₃S, в очень малых добавляемых количествах служит в качестве флюидизирующего вещества или диспергирующего средства для итоговой смеси.

[0052] Чистота бета-полугидратного штукатурного гипса является дополнительным фактором, поскольку более высокая чистота вызывает замедление/задержку итоговой реакции и позволяет более высокое потребление К, снова склоняя первичную реакцию к большей выработке струвита-К в окончательной реакции. Добавки в их текущих раскрытых соотношениях добавления должны приблизительно сохраняться. Тем не менее, максимальный предел выхода струвита-К достигнут. Следует отметить, что снижение добавок MgO или МКР уменьшит выход струвита-К. Увеличение добавок MgO или МКР должно дать равнозначные или большие соотношения выхода струвита-К, но для этого требуется увеличение добавления бета-полугидратного штукатурного гипса или увеличение чистоты полугидратного штукатурного гипса. В данном случае добавления борной и серной кислоты также могут быть увеличены для уравновешивания.

[0053] Вышеописанный способ изменяет соотношения в некоторой степени так, что сочетание вышеуказанных составов со следующими диапазонами придаст улучшенной экономической эффективности в отношении крупномасштабного выхода сингенита в результате способа/состава. Для большей выработки сингенита в способе используется многостадийный смесительный аппарат, такой как смеситель идеального вытеснения, многоуровневый барабанный и/или скребковый смеситель, или комбинация, а источники материалов являются такими, как указано выше. Однако изменения входных параметров компонентов склоняют реакции к отличающемуся результату выхода.

[0054] Оксид магния (MgO) обеспечен в количествах, превосходящих 17,2%: МКР или DKP составляет менее 34,5% и бета-полугидратный штукатурный гипс (CaSO₄⋅1/2H₂O) поступает в количествах, превосходящих 17,2%, причем H₂O (вода) остается в номинальной величине 31,1 весовых процентов твердых компонентов. Остаточные добавки, составляющие менее 1,5% итоговой смеси в общей комбинированной добавке, остаются по существу такими же. Однако следует понимать, что изменения соотношений между MgO, МКР и CaSO₄⋅1/2H₂O для достижения желаемых выходов требуют соответствующих стехиометрических изменений данных трех компонентов.

[0055] Для получения эквивалентного количества как сингенита, так и струвита-К, реакции должны уравновешиваться так, чтобы позволить второй экзотермической реакции существовать в температурном диапазоне от 180°F до 212°F (82,2-100°C), но снижая повышение температуры, а время экзотермической реакции также снизит соотношение выхода струвита-К. Было обнаружено, что смесь, указанная выше, обеспечивает больший выход струвита-К, до 67%, чем обеспечивалось до настоящего момента известными способами, с минимальными дополнительными необходимыми введениями или затратными рабочими этапами, или добавками.

[0056] В конечном итоге, гипсовый компонент делает панель плиты, согласно изобретению, более доступной для различных потребителей. Окончательная продукционная панель плиты обеспечивает поразительное улучшение как в отношении физических характеристик, так и в отношении длительной работы, по сравнению с типовыми гипсовыми панелями. Продукты естественным образом стойкие к ультрафиолету, то есть, способны защищать от проникновения лучей ультрафиолета, так что отсутствует необходимость в обеспечении поверхностных покрытий. Продукты являются чрезвычайно водостойкими. Похожий продукт был описан Surace в документе GB 2,445,660, соответствующем публикации заявки на патент США №2008/171,179. Тогда как описанную плиту можно было получить непрерывным и/или периодическим способом, Surace явно описывает, что применение полугидратного штукатурного гипса следует исключить, поскольку для сушки полугидрата требуются существенные энергозатраты. В вышеописанном продукте, одновременное получение сингенита вызывает стехиометрическую реакцию, которая не требует добавления внешнего тепла для сушки, экзотермическая реакция обеспечивает, таким образом, необходимую тепловую энергию для эндотермической реакции. То есть, реакция полугидрата с монокалийфосфатом (МКР) обеспечивает тепло реакции, используемое для проведения второй реакции, как указано выше.

[0057] При эксплуатации, плиты, имеющие особые композиции струвита-К в особых соотношениях к сингениту, могут быть адаптированы для особых желаемых применений. Первая попытка обеспечить легковесную панель плиты включала следующие этапы получения пробного результата:

[0058] Первичный состав материала основы был смесью 1:1:1, то есть, содержал в равных пропорциях MgO:MKP-(KH₂PO₄):штукатурный гипс (полугидрат CaSO₄⋅1/2H₂O), где MgO, MKP и полугидратный гипс добавлялись как сухой порошок порциями по 15 г каждый в смеситель и заранее смешивались сухими на протяжении 45 секунд для обеспечения однородности материалов. Другие, и для основной реакции, необязательные, добавления материалов представляли 0,03 г кремниевого масла, такого как полиметилводородсилоксан, и диспергирующее средство, содержащее 0,05 г полинафталинсульфоната.

[0059] К этой основной смеси, после сухого смешивания для всех образцов ниже, было добавлено 17 г воды (H₂O). Данная основная смесь затем использовалась для нескольких лабораторных испытаний посредством добавлений различных материалов в целях тестирования, как отмечено в таблице ниже, и несколько образцов, перечисленных в Таблице 2, были протестированы. Смесь, содержащая воду, была перемешана в смесителе (вручную) на протяжении периода от около 30 до 60 секунд на первой фазе, затем ей позволяли частично усадиться, а затем снова начиналось перемешивание продукта, который частично усадился вокруг наружной стороны в структуре оболочки, оставляя центральную сердцевину все еще в жидком состоянии. Когда перемешивание начиналось во второй фазе, усаженная внешняя оболочка немедленно возвращалась обратно в раствор, а после повторного перемешивания на протяжении 30-45 секунд материал мог усадиться полностью.

ТАБЛИЦА 2

[0060] Для каждого из этих образцов, получаемые материалы анализировались на содержание и однородность. Таблица 3 ниже показывает результаты в количественном отношении, и их формат похож на представленные выше в Таблице 1.

ТАБЛИЦА 3

[0061] В дополнение к вышеуказанным количественным результатам, были сделаны некоторые наблюдения, в том числе то, что способ давал состав, который легко обрабатывался, и давал плиты с более прочной сердцевиной. Было также определено, что изменение времени проведения реакций посредством, например, увеличения времени перемешивания с одного этапа на два этапа, колеблющееся от 45 до 90 секунд, приводило к выходу водостойкого материала с более прочной сердцевиной без необходимости в воске или кремние. Это допустимо для окончательной формы большего выхода струвита-К. Наконец, тщательное микроскопическое исследование усаженных материалов показало, что во многих образцах кристаллизация происходила неоднородно в готовых материалах. То есть, происходила правильная кристаллизация. Кристаллы, считавшиеся кристаллами струвита-К, как определяли, образовывались в поверхностном слое вокруг полостей пор и между полостями и остаточным смешанным продуктом. Микрофотография одного из них показана на Фиг. 1. Как можно увидеть, микрофотография показывает кристаллизацию поверхности между полостью поры и окружающей матрицей. Это объясняется содержанием кристаллической структуры сингенита/струвита-К, приводя к улучшенной жесткости структуры получаемой композиции.

[0062] Второй набор лабораторных испытаний запускался с использованием похожей процедуры, как указано выше. Следующая Таблица 4 показывает компоненты образцов снова с использованием следующей основной смеси: 15 г MgO, 15 г МКР (KH₂PO₄), 0,15 г H₂SO₄, 0,25 г борной кислоты (H₃BO₃), 0,05 г диспергирующего вещества. Единственным отличием в этой основной структуре от таковой в таблице 2 выше является то, что количество штукатурного гипса (полугидрата Ca(SO₄)₂⋅1/2H₂O) изменялось, также требуя увеличения воды.

ТАБЛИЦА 4

[0063] Для каждого из этих образцов получаемые материалы анализировали на содержание и однородность. Таблица 5 ниже показывает результаты в количественном отношении, и их формат похож на представленные выше в Таблицах 1 и 3.

ТАБЛИЦА 5

[0064] Дополнительные образцы, отклоняющиеся от соотношения 1:1:1 предыдущих смесей и не использующие основную композицию первых восьми образцов, изготовлялись с использованием следующих составов, перечисленных отдельно в Таблице 6 ниже:

ТАБЛИЦА 6

[0065] Для каждого из этих образцов получаемые материалы анализировали на содержание и однородность. Таблица 7 ниже показывает результаты в количественном отношении, и их формат похож на представленные выше в Таблицах 1, 3 и 5.

ТАБЛИЦА 7

[0066] Как видно, в образцах 12А-15А существенное количество оксида магния (MgO) не принимало участие в основной реакции и вместо этого получалось существенное количество реакционного побочного продукта минерала, установленного как брусит (Mg(OH)₂), который не присутствовал в других образцах. Считается, что избыток MgO, который растворялся при более высокой температуре, вызвал выпадение в осадок побочного продукта брусита.

[0067] Третье лабораторное испытание пятнадцати образцов проводили путем непрерывного перемешивания сырьевых материалов при установленной скорости и времени. Данное испытание было специально направлено на определение влияния изменения соотношений серьевых материалов на свойства продукта, и какие изменения в производстве влияют на различные специальные характеристики, такие как выходы продукта. Потребность в воде была различная для разных областей в диаграмме. В качестве визуального представления, твердые компоненты были отражены на диаграмме состояния тройной системы 10 (Фиг. 2) и сведены в Таблицу 8 в весовых процентах. Как можно увидеть из сравнения точечных графиков различных составов на диаграмме 10 состояний, некоторые точки измерений, например, L, M и N, представляют собой составы с высоким содержанием штукатурного гипса, A-D представляют собой составы с высоким содержанием MgO, а группа, содержащая H-N, представляет собой составы с высоким содержанием МКР (KH₂PO₄), тогда как E, F и G являются по существу равновзвешенными между MgO и MKP. Как можно увидеть с помощью линейной прогрессии соединительных линий в вертикальных направлениях, шаблон предназначался для поддержания постоянного соотношения между MgO и MKP, с изменением только лишь содержания штукатурного гипса. В горизонтально выровненных точках, содержание штукатурного гипса поддерживалось постоянным, а соотношение между MgO и МКР изменялось. Результаты, полученные в отношении прочности и присутствия струвита-К, представлены в Таблице 8. Оптимизированные характеристики прочности для приемлемой стоимости получили по меньшей мере для состава J.

[0068] Характеристиками, испытываемыми в образце J, были: абсорбция воды, усадка при испытании в муфельной печи (прямой указатель огнестойкости) и механическая прочность. Такие добавки, как борная кислота, полисилоксан, лигносульфонат, серная кислота и т.д., не добавлялись для разделения влияния добавок от сырьевых материалов. Для отделения испытуемого изменения, использовали только четыре основных компонента, включая группу оксида магния (MgO), монокалийфосфата-МКР (KH₂PO₄), штукатурного гипса (Ca(SO₄)₂⋅1/2H₂O) при специальных рабочих параметрах. Образцы имели составы с водой, составляющей 31 вес. % окончательной смеси:

ТАБЛИЦА 8

[0069] Следует также учесть, что содержание воды в весовых процентах в образце J, указанное выше, было номинально установлены на уровне 31 весовой процент, причем процентное содержание воды по отношению к твердым компонентам также может свободно изменяться от 15 до 40 весовых процентов, где 25-31 весовых процентов номинально используются в качестве контрольной точки для получения достаточного количества растворителя с целью инициирования реакции компонентов.

[0070] Также важно понимать, что температура воды является решающим фактором в способе. Конкретно, температура воды, по мере ее добавления к твердым компонентам, является важным аспектом, поскольку она влияет на степень реакционности компонентов. Повышение температуры воды увеличивает время, которое должно пройти для усадки суспензии. Стандартной температурой воды является комнатная температура, около 20,0°C-25°C. Таким образом, важно наблюдать и контролировать скорости реакции для поддержания целостности получаемого продукта. Слишком высокая температура, то есть, выше 50°C, может привести к растрескиванию поверхности во время процесса отверждения по мере усадки суспензии, несмотря на то, что может быть желательной тенденция к повышению температуры вместе с уменьшением содержания жидкого растворителя.

[0071] Следующие явные тенденции для характеристик были определены в режиме испытания: композиции фосфата магния (струвит-К/сингенит), согласно изобретению, проявляли существенно повышенную прочность на сжатие, абсорбцию воды и огнестойкость, по сравнению с обычной гипсовой композицией. Более того, было определено, что характеристики продукта действительно можно регулировать с помощью изменений в рабочих параметрах, а также соотношениях сырьевого материала и его свойств. Например, образцы, обработанные при более высокой температуре с пониженным содержанием воды, проявляли более высокую прочность на сжатие. Образцы с более высокой скоростью/временем сдвига проявляли более высокую прочность на сжатие и минимальное уменьшение огне- и водостойкости. Скорость и время сдвига являются силой, с которой смесь перемешивается в смесителе, величина времени продолжительности процесса перемешивания и осуществлялось ли перемешивание вручную или механически.

[0072] Образцы с MgO, кальцинированные при более высоких температурах, проявляли более высокую прочность, образцы с более грубым MgO проявляли более низкую прочность. По всей видимости, это проявляется, как поведение, противоположное таковому для абсорбции воды и свойств усадки при обжиге. Было обнаружено, что один описанный выше образец, образец J, имеет наиболее эффективные и оптимальные свойства в получаемом составе, такие как прочность на сжатие, что в результате объясняется высоким содержанием струвита-К.

[0073] Ссылаясь на Фиг. 3 и 4, предложен поточный и непрерывный способ производства панелей плит. На Фиг. 3 показан смеситель 20 идеального вытеснения, имеющий впуское отверстие 22 и выпускное отверстие 24. Хотя идеальное вытеснение показано в качестве примера, для выполнения данного способа могут применяться смесители других типов, например, смеситель ступенчатой реакции, как будет ясно специалисту в области способов производства плит. Стрелкой во впускном отверстии 22 обозначена точка, в которой исходные компоненты вводятся в смеситель 20, причем способ происходит непрерывно в смесителе 20 идеального вытеснения для их равномерного перемешивания.

[0074] В дополнение к перемешиванию компонентов, смеситель 20 идеального вытеснения обеспечивает реакции в смесителе по мере достижения компонентами различных стадий в смесителе 20. Компоненты, указанные выше в различных вариантах осуществления, вводят во впускное отверстие двумя потоками входных компонентов, как показано на Фиг. 4. Поток 30 жидкого компонента на левой стороне схематичного изображения Фиг. 4 показывает введение жидких компонентов, в том числе требуемые компоненты, такие как вода и необязательные, но предпочтительные компоненты, такие как воск, полисилоксан, кислота/основание (по мере необходимости), диспергирующее вещество и замедлитель. В потоке 32, показанном на правой стороне Фиг. 4, требуемые компоненты содержат компоненты MgO, MKP (KH₂PO₄) и штукатурный гипс (полугидрат), которые вводятся через винтовой конвейер 32, приводимый в действие двигателем 52 и коленчатым валом 50. Необязательные и предпочтительные компоненты содержат наполняющую/гранулирующую добавку в качестве ускорителя, борную кислоту и волокно. Поток 30 подает компоненты с помощью трубопровода 34 или другого подходящего средства, а поток 32 твердых компонентов может подаваться конвейером 32 с помощью двигателя 52/коленчатого вала 50 или другого подходящего средства. Оба этих потока обеспечивают входные компоненты в смеситель 20, который содержит одно или более перемешивающих устройств 38A, 38B, 38C, схематически показанных на Фиг. 4.

[0075] Вновь ссылаясь на Фиг. 3, смеситель 20 показан более подробно с различными перемешивающими устройствами 38A, 38B и 38C, показанными в поэтапном способе перемешивания смесителя 20 ступенчатой реакции. Как показано, имеют место различные уровни перемешивающихся компонентов, которые проявляются по мере поэтапного перемешивания компонентов для создания оптимальных условий для различных реакций, которые происходят в различных точках (вертикально, как показано на Фиг. 3) и в различное время в отношении стадии процесса, на которой проходит часть реакции. То есть, время, которое занимает перемешивание, реагирование и прохождение компонентов от верхнего впускного отверстия 22 материалов до выпускного отверстия 24, является установленным временем, регулируемым рабочими параметрами и этапами перемешивания. Ими управляют для того, чтобы учесть время работы и перемешивания по мере падения материалов стэками в реакционном смесителе 20 под действием силы притяжения. Как отмечено вдоль продольного (вертикального) направления смесителя 20, время, которое было затрачено на компоненты/продукты реакции в смесителе 20, соотносится с уровнем глубины в реакционной камере 23.

[0076] Как показано на Фиг. 3, материалы как таковые осаждаются в реакционной камере 23 смесителя 20, непрерывно перемешиваются перемешивающими устройствами 38A, 38 B и 38C в соответствующее время на протяжении процесса реакции для получения желаемых продуктов и любых побочных продуктов. Поскольку вторая часть реакции, то есть стадия реакции струвита-К, является экзотермической, неусаженная смесь сингенита, струвита-К и гипса, обозначенная как поток продукта или реакционной смеси 42, выходит из выпускного отверстия 24 при повышенной температуре на конвейер 40, двигаясь в направлении стрелки. Далее она обрабатывается в соответствии с известными способами обработки панелей плит. Например, необязательный мат 44 армированного, произвольно выровненного стекловолокна может быть развернут и отмотан от ролика 46 с материалом мата 44, и положен на продукт или реакционную смесь 42 по мере его транспортировки конвейерной лентой 40 в направлении горизонтальной стрелки.

[0077] Хотя на Фиг. 3 и 4 показан смеситель 20 идеального вытеснения, данным изобретением предусмотрены смесители и средства доставки других типов. Например, для непрерывного производства потока материала, согласно изобретению, может быть предусмотрен однофазный корпусной реактор с непрерывным перемешиванием. Совместно вводят все реакционные компоненты в один сосуд соответствующего размера и позволяют процессу перемешивания проходить на протяжении всего заранее определенного времени реакции в зависимости от желаемых продуктов реакции. Реакционные компоненты могут непрерывно перемешиваться, и время пребывания реакционных компонентов может изменяться в точке, в которой поток продукта извлекается из отдельной перемешивающей камеры.

[0078] Кроме того, предусматриваются другие конфигурации, в зависимости от окончательного желаемого продукта. За корпусным реактором с непрерывным перемешиванием (CSTR), обеспечивающим время пребывания компонентов, приближенное к половине общего времени для всей реакции, может следовать фактический реактор идеального вытеснения, такой как реакторный смеситель 20, с трубопроводом соответствующей длины и диаметра, с вставленными статическими смесителями для обеспечения требуемого остаточного времени реакции перед помещением на производственную ленту. По мере перемещения продуктов реакций по ленте по производственной линии, реакция может более быстро подходить к завершению для обеспечения возможности грубого пореза продукта на соответствующие куски для дальнейшей работы, и может включать установленное время для сушки и окончательного пореза на куски так, чтобы обеспечить окончательный продукт панели плиты. По окончанию производственного процесса при помощи данного способа и режима перемешивания можно получить продукционную плиту, которая может иметь в себе идеальное соответствующее количество свободной воды, содержащейся для того, чтобы все реагенты полностью вошли в окончательную композицию.

[0079] Другой вариант представляется для ряда из трех или более реакторов CSTR, соединенных последовательно так, что реакция будет проходить на более поздних стадиях в каждом реакторе по мере продвижения потока по ряду. Продукт из ряда реакторов может быть доставлен на производственную ленту, где реакция может более быстро подходить к завершению для обеспечения возможности грубого пореза продукта на соответствующие куски для дальнейшей работы, включая любую требуемую сушку и окончательный порез на куски окончательного продукта.

[0080] Получение образца плиты путем поточного производства проходило на действующей производственной линии формования плиты, в которой лабораторные опыты были увеличены почти в 100 раз для испытания, пригоден ли способ для применения в получении панели плиты с использованием сочетаний материалов, согласно изобретению. По существу использовались такие же составы, то есть, в соотношении 1:2:1, как описано ниже. Все количества были увеличены, и требовался намного больший смеситель и реакторный сосуд или камера 23. Процедура также была существенным образом модифицирована для обеспечения возможности непрерывного производства, вместо периодического, композиций материалов, согласно изобретению, для применения в линии для плит, работающей почти при нормальной скорости прохождения или около 400 футов в минуту конвейерной ленты 40, согласно описанию вариантов осуществления со ссылкой на Фиг. 3 и 4 выше.

[0081] Некоторое дополнительное оборудование требовалось для запуска данного производства, которое не требовалось при лабораторных опытах, как показано на Фиг. 5. Данное оборудование содержит корпусной реактор 21, смеситель 20, один или более насосов 18, роликовое устройство 19 для нанесения покрытий, может быть предпочтительно два, по одному для каждого из двух поверхностных слоев. Также предусмотрен, но не показан на Фиг. 3 и 4, смеситель гипсовой сердцевины и насос для обеспечения непрерывного потока гипсовой сердцевины, то есть, легковесной гипсовой сердцевины, из которой будет выполнен центральный слой, который в конечном итоге будет содержать центральный или сердцевинный слой с небольшими количествами продуктов реакции струвита-К и сингенита, при наличии таковых. Таким образом, окончательный желаемый продукт должен быть покрыт поверхностным слоем композиции материалов, согласно изобретению, «обволакивающими» легковесную гипсовую сердцевину, как будет описано в отношении вариантов осуществления плиты по Фиг. 6-11 ниже.

[0082] Ссылаясь на Фиг. 3-5, процедура производства покрытий поверхностных слоев по существу является такой же, как описанные выше, за исключением необходимости выполнения регулировок для чрезвычайно увеличенного количества компонентов. Получение необходимых слоев покрытия ожидается, согласно следующей пошаговой процедуре.

[0083] Предварительное перемешивание твердой смеси, содержащей соотношение 1:2:1, то есть, MgO:MKP - (KH₂PO₄):штукатурный гипс (полугидрат Ca(SO₄)₂⋅1/2H₂O), причем фаза предварительного перемешивания продолжается от 30 до 60 секунд. С целью получения достаточного количества суспензионной смеси, обеспечивается около 15 кг каждого из основных компонентов. Пропорциональные количества силоксана, противовспенивателя и диспергирующего вещества, такого как полинафталинсульфонат, могут добавляться в данную смесь, а также вода в примерно такой же весовой пропорции, или около 17 кг, добавляется к сухим компонентам.

[0084] Перемешивают полученную суспензию на протяжении 30-60 секунд в большом смесителе 20 непрерывного действия. По прошествии 15 секунд перемешивания, смесь начинала затвердевать. Было обнаружено, что непрерывное перемешивание заново разжижит смесь. Это представляет собой перемешивание I стадии. По завершению времени данного начального перемешивания I стадии, начиналась временная последовательность. Каждую минуту после времени данного начального перемешивания I стадии смесь снова тщательно перемешивалась периодами по 5 секунд с интервалами по 55 секунд. Это представляет собой перемешивание II стадии.

[0085] Состав, использованный при запуске производства, заставляет продукт усаживаться в любом месте на протяжении 5-20 минут после добавления воды в порошкообразные смеси. Однако в связи с использованным типом смесителя, перемешивание происходило неравномерно, и по техническим причинам продукт не был получен из смесителя/реактора в каких-либо соответствующих количествах.

[0086] Ссылаясь на Фиг. 6-11, продукционные панели плит в различных конфигурациях показаны, как отдельные варианты осуществления панелей плит. Панели плиты могут содержать многочисленные облицовочные материалы, предпочтительно один или два, но изобретением также предусмотрено отсутствие облицовочных материалов. Такие облицовочные материалы могут быть выполнены из бумаги, стекловолокна, термопластика или других материалов с мелкими или открытыми ячейками или тканями, или любой другой соответствующей конфигурации. При использовании произвольной стекломата в качестве носителя, как для верхних, так и для нижних сторон получаемой панели плиты, прореагировавшая суспензия осаждается на этих носителях в секции формования, а затем направляется на формовочное устройство, такое как экструдер или ролики, которыми задается окончательная толщина плиты.

[0087] На Фиг. 6 показана плита 110 из композитного материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной гипсовой сердцевиной 111. Все поверхностные слои, включая верхние 114, нижние 116 и боковые 116 поверхности панели 110, содержат гипсовый материал на основе сингенита-струвита-К, выходящий непосредственно из реакторного смесителя 20 (Фиг. 3), покрывающий гипсовую сердцевину. Сам по себе композитный материал на основе сингенита-струвита-К выделяется из выпускного отверстия 22 реакторного смесителя 20 (Фиг. 3). Также возможно заделать мат 122 из армированных стекловолон внутрь верхней 114, нижней 116 и боковых 118 поверхностей панели 110.

[0088] На Фиг. 7 показана плита 120 из материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной гипсовой сердцевиной 121 из легковесной гипсовой сердцевины с пенообразными или аэрированными пузырьками 123, которые вводятся в слой сердцевины 121 в соответствии с известными способами. Все поверхностные слои верхней 124, нижней 126 и боковых 128 поверхностей панели 120 содержат гипсовый материал на основе сингенита-струвита-К, выходящий непосредственно из реакторного смесителя 20 (Фиг. 3), покрывающий гипсовую сердцевину. Мат 122 из армированных стекловолокон может быть заделан внутрь поверхностных слоев верхней 124, нижней 126 и боковых 128 поверхностей панели 120.

[0089] На Фиг. 8 показана плита 130 из материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной сердцевиной 131 из легковесного композитного материала на основе сингенита-струвита-К с пенообразными или аэрированными пузырьками 133, которые вводятся в слой 125 сингенита-струвита-К сердцевины в соответствии с известными способами. Все поверхностные слои верхней 124, нижней 126 и боковых 128 поверхностей панели 120 содержат плотный, то есть, неаэрированный или непенообразный, гипсовый материал на основе сингенита-струвита-К, выходящий непосредственно из реакторного смесителя 20 (Фиг. 3), покрывая верхнюю 134, нижнюю 136 и боковые 138 поверхности легковесного композитного материала на основе сингенита-струвита-К, содержащегося в сердцевине 131. Мат 132 из армированных стекловолокон может быть заделан внутрь поверхностных слоев верхней 134, нижней 136 и боковых 138 поверхностей панели 130.

[0090] На Фиг. 9 показана плита 140 из материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной сердцевиной 142 из композитного гипсового материала на основе сингенита-струвита-К, выходящего непосредственно из реакторного смесителя 20 (Фиг. 3), без каких-либо армирующих элементов, как в других вариантах осуществления, описанных выше.

[0091] На Фиг. 10 показана плита 150 из материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной сердцевиной 152 из композитного гипсового материала на основе сингенита-струвита-К, которая была вспенена или аэрирована в соответствии с известными процедурами для содержания воздушных или пенообразных пузырьков 143 в сердцевине 141. Для данного варианта осуществления плиты 150 не предусмотрено каких-либо других армирующих элементов, как в других вариантах осуществления, описанных выше.

[0092] На Фиг. 11 показана плита 160 из материала на основе сингенита-струвита-К в поперечном сечении с центральной сердцевиной 161 из композитного гипсового материала на основе сингенита-струвита-К, выходящего непосредственно из реакторного смесителя 20 (Фиг. 3). Все поверхностные слои, т.е., верхний 164, нижний 166 и боковые 168 поверхности панели 120 содержат плотный, то есть, неаэрированный или непенообразный, слой на сердцевине 161. Мат 162 из армированных стекловолокон может быть заделан внутрь поверхностных слоев верхней 164, нижней 166 и боковых 168 поверхностей панели 160.

[0093] Изобретение было описано и представлено в данном документе со ссылкой на варианты осуществления по Фиг. 1-11, но следует понимать, что описанные особенности и функционирование изобретения могут быть модифицированы или изменены, не отступая существенным образом от сущности изобретения. Например, изменения в исходных материалах различных элементов или установленные условия реакции могут быть изменены для установления особых применений и желаемых выходов. Также, могут быть введены дополнительные изменения для обеспечения отличий в получаемых материалах. Например, альтернативные добавки к исходным компонентам могут содержать, в сочетании и/или комбинациях с перечисленными в настоящем документе, борную кислоту, полисилоксановый противовспениватель, лигносульфонат, серную кислоту, деионизированную воду, водопроводную воду и другие, поскольку данные добавки применимы для оказания влияния на реакции.

[0094] Несмотря на то, что вышеописанные добавки обеспечены в качестве активных компонентов для содействия, оказания буферного действия или иным образом запуска одной или более реакций или стадий реакции, предполагается, что композиция и способ, согласно изобретению, могут включать другие типы добавок и наполнителей, такие как известняк, песок, волокна в пропорциях от 1 до 3 весовых процентов общего веса плиты. Они могут включать стекловолокна с тонкими прядями (длиной 10-50 мм и шириной 10-80 мкм), синтетические полимерные волокна, бумагу, и их сочетания, такие как бумага и древесина. Другие добавки могут включать крахмалы, такие как мигрирующий, натуральный, разбавленный кислотой, катионный крахмал, этилированный крахмал или декстрин, или полимеры, такие как поливинилацетат, сополимер поливинилацетата-этилена, поливинилпирролидон, сшитый с полистиролсульфонатом, поливиниловый спирт, метилцеллюлозу, гидроксиэтилметилцеллюлозу, сополимерный латекс стирола-бутадиена, акриловый латекс, акриловый сополимерный латекс, полиэфирную смолу, эпоксидную смолу, полиметилметакрилат или полиакриловую кислоту, все в тех же пропорциональных количествах от 1 до 3 весовых процентов общего веса плиты.

[0095] В дополнение, процесс и скорость перемешивания могут изменяться для получения более оптимальных желаемых результатов. В других изменениях, которые могут использоваться для оптимизации результатов, применяется натуральный штукатурный гипс вместо синтетического, при этом порядок и временное регулирование добавок и ингредиентов могут изменяться, с введением запусков производства, механическим перемешиванием компонентов, например, в ступенчатых реакторах. Другие изменения, которые могут оказать влияние на получаемые соотношения и продукты, могут включать изменение насыщенности, а также соотношения сырьевых компонентов. Они могут включать изменение скорости добавления, температур компонентов, временного регулирования добавок, размера частиц, времени перемешивания и других факторов, которые могут быть определены по мере испытания реакционных процессов.

[0096] Следовательно, частные варианты осуществления, описанные и представленные в настоящем документе, служат только в иллюстративных целях и изобретение не должно рассматриваться, как ограниченное, за исключением формулы изобретения и ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к составу композиции и способу ее производства, применяемым в гибридных строительных материалах, содержащих сигненит (KCa(SO)⋅HO) и струвит-К (KMgPO⋅6HO). Исходные компоненты содержат оксид магния (MgO), монокалийфосфат (МКР) и штукатурный гипс (полугидрат сульфата кальция), перемешанные в заранее определенных соотношениях, приводят к прохождению реакций в несколько стадий, причем реакции проходят одновременно и параллельно. Было обнаружено, что изменения, например температуры воды, рН, времени скоростей перемешивания, влияют на получаемые продукты реакции. Предпочтительные соотношения химических компонентов и производственных параметров, в том числе заранее определенные весовые проценты и особые соотношения струвита-К и сингенита, предоставлены для строительных продуктов, применяемых для конкретных целей. Реакции оптимизированы по стехиометрии, а добавки – для снижения объединенного тепла образования до неразрушительных уровней. Различные добавки помогают управлять и направлять реакции. Строительные продукты, такие как панели плит, содержат полученную композицию. Технический результат - получение сверхлегковесной плиты или строительной панели, являющейся влаго- и огнестойкой. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил., 8 табл.

Формула