專利名稱：制備高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)建筑水泥板材的多層工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用可凝固漿料制備建筑板材的連續(xù)工藝和相關(guān)裝置，更特別地，涉及一種制造增強(qiáng)水泥板材的工藝，在此指建筑水泥板材(SCP)(也是公知的建筑水泥板材)，其中離散纖維與快速定位漿料結(jié)合以提供柔性強(qiáng)度和韌度。本發(fā)明還涉及根據(jù)本工藝制備的SCP板材。
背景技術(shù)：
水泥板材已經(jīng)使用在建筑工業(yè)中以形成住宅和/或商業(yè)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)墻和外墻。這種板材的優(yōu)點(diǎn)包括比標(biāo)準(zhǔn)石膏基墻板抗潮。然而，這種傳統(tǒng)板材的缺點(diǎn)是，即它們不具有即使不比建筑膠合板或定向絞合板(OSB)堅(jiān)固、也能夠與它們相媲美的這樣足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
典型地，目前的現(xiàn)有技術(shù)的水泥板材包括至少一個(gè)在強(qiáng)化或穩(wěn)定材料層之間的硬化水泥或石膏復(fù)合層。在一些情況下，強(qiáng)化或穩(wěn)定材料為連續(xù)的玻璃纖維網(wǎng)等，而在另一些情況下，短的離散纖維作為強(qiáng)化材料用于水泥中心。在前述情況下，所述網(wǎng)常常從輥以薄片方式施加到可凝固漿料各層上或之間。美國(guó)專利Nos.4,420,295、4,504,335和6,176,920中提供了傳統(tǒng)水泥板材使用的生產(chǎn)技術(shù)范例，這些內(nèi)容作為參考合并與此。此外，其它石膏水泥合成物也整體在美國(guó)專利Nos.5,685,903、5,858,083和5,958,131中披露。
使用漿料和離散纖維的多層建造以獲得理想的板材厚度的制備水泥板材傳統(tǒng)工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是引入到以編織物或絲網(wǎng)形式的漿料中的離散纖維并不是合理而均勻分布在漿料中，這樣，基本上由纖維和基體之間交互作用而產(chǎn)生的強(qiáng)化性能會(huì)隨著板的厚度而變化，取決于每個(gè)板層的厚度和其它變量的數(shù)目。當(dāng)穿過(guò)纖維網(wǎng)產(chǎn)生的漿料沒(méi)有充分穿透時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維和基體之間較差的粘結(jié)和交互作用，引起低的板材強(qiáng)度。同時(shí)，在極端情況下，當(dāng)產(chǎn)生漿料和纖維不同層時(shí)，纖維不正確的粘結(jié)和無(wú)效分布產(chǎn)生纖維的無(wú)效利用，最后導(dǎo)致極端差的板材強(qiáng)度的形成。
制備水泥板材的傳統(tǒng)工藝的另一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)品太昂貴，使得與戶外/建筑膠合板或定向刨花板(OSB)相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。
傳統(tǒng)水泥板材成本相對(duì)大的一個(gè)原因是由于漿料特別是削弱所形成的板的外觀的顆粒和凝塊中過(guò)早凝固所產(chǎn)生的生產(chǎn)線停工，和產(chǎn)品裝備效率的干擾。產(chǎn)品裝備上過(guò)早凝固漿料的顯著聚集需要生產(chǎn)線停工，從而增加了最終板的成本。
因此，需要一種制備與建筑膠合板和OSB相當(dāng)結(jié)構(gòu)性能的纖維增強(qiáng)水泥板材的工藝和/或相關(guān)裝置，其減少了由于過(guò)早凝固漿料顆粒而導(dǎo)致的生產(chǎn)線停工。同時(shí)還需要制備這種更有效使用組分材料的建筑水泥板材的工藝和/或相關(guān)裝置以減少整個(gè)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中的生產(chǎn)成本。
此外，上述用于構(gòu)成為在起到類似夾板和OSB的建筑環(huán)境的水泥結(jié)構(gòu)性板材也稱作SCP’s的需要意味著板材是可釘?shù)那夷苁褂脗鹘y(tǒng)鋸片和其它傳統(tǒng)木工工具切割或工作。此外，SCP板材應(yīng)該符合建筑法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的抗剪力、載重量、水感應(yīng)擴(kuò)充和防燃燒性能，由公知實(shí)驗(yàn)如ASTM E72、ASTM661、ASTM C1185和ASTM E136等施加在建筑膠合板上測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
上述需要由特征為制備建筑水泥板材(SCP’s或SCP板材)的多層工藝和由這種工藝制備的SCP’s的本發(fā)明得到滿足或超越。當(dāng)松散分布、切碎纖維或漿料層在移動(dòng)絲網(wǎng)上的初始沉積之后，纖維沉積在漿料層中。嵌入裝置將最新沉積的纖維混合到漿料中，此后，漿料的附加層，然后添加切碎的纖維，之后嵌入更多。根據(jù)需要，對(duì)板的每一層重復(fù)工藝。一旦完成，板具有更均勻分布的纖維組分，其導(dǎo)致相對(duì)強(qiáng)度的板材且不需要如水泥板材現(xiàn)有制備技術(shù)中教導(dǎo)的那樣增強(qiáng)纖維的厚的編織物。
更具體地，本發(fā)明涉及一種制備建筑水泥板材的多層工藝，包括(a)提供一個(gè)移動(dòng)絲網(wǎng)；(b)在絲網(wǎng)上沉積第一層松散纖維；(c)在絲網(wǎng)上沉積一層可凝固漿料；(d)在漿料上沉積第二層松散纖維；(e)將所述第二層纖維嵌入漿料中；(f)重復(fù)(c)至(e)步驟的漿料沉積直到獲得板材中可凝固纖維增強(qiáng)漿料的理想層數(shù)。同時(shí)，還提供了本發(fā)明工藝制備的結(jié)構(gòu)性水泥板材(SCP)和適合于制備根據(jù)本發(fā)明工藝的建筑水泥板材的裝置。


圖1是適合于實(shí)施本發(fā)明的工藝的圖解正視圖；圖2是用于本發(fā)明的工藝中的漿料進(jìn)料站的透視圖；圖3是適合于本發(fā)明工藝使用的嵌入裝置的不完整頂視圖；圖4是根據(jù)本過(guò)程制備的建筑水泥板材的不完整垂直剖面圖；圖5是用于實(shí)施圖1中實(shí)施例的另一工藝的另一裝置的圖解正視圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，圖解地示出了結(jié)構(gòu)性板材生產(chǎn)線，并整體表示為10。
生產(chǎn)線10包括具有多個(gè)支腿13或其它支撐物的支承框架或成型平臺(tái)12。移動(dòng)載體14包括在支承框架12上，正如具有光滑、防水表面的環(huán)形橡膠狀傳送帶那樣，然而，可設(shè)想為多孔表面。本領(lǐng)域公知支承框架12可以由至少一個(gè)可以包括表示為13的支腿的板狀部分組成。支承框架12還包括處于框架遠(yuǎn)端18的主驅(qū)動(dòng)輥16和處于框架近端22的空轉(zhuǎn)輥20。同時(shí)，優(yōu)選提供至少一個(gè)皮帶導(dǎo)向和/或張緊裝置24以維持輥16，20上載體14理想的張力和位置。
同時(shí)，在優(yōu)選實(shí)施例中，一卷牛皮紙、隔離紙的絲網(wǎng)26和/或如公知技術(shù)所知的其它設(shè)計(jì)用來(lái)在凝固之前支撐漿料的支承材料的絲網(wǎng)可以提供并放置在載體14上，以保護(hù)和/或保持載體14的干凈。然而，同樣可設(shè)想由本生產(chǎn)線10制備的板材直接在載體14上成形。在后一種情況下，提供了至少一個(gè)洗帶單元28。載體14沿著與以公知技術(shù)已知的驅(qū)動(dòng)主驅(qū)動(dòng)輥16的馬達(dá)、滑輪、皮帶或鏈條聯(lián)合的支承框架12移動(dòng)。并可設(shè)想變化載體14的速度以適應(yīng)應(yīng)用。
本發(fā)明中，建筑水泥板材產(chǎn)品最初是在絲網(wǎng)26上沉積一層松散、切碎的纖維30或一層漿料。在漿料的第一沉積之前沉積纖維30的好處是纖維會(huì)靠近最終板材的外表面嵌入。纖維沉積的變量和切碎裝置由本生產(chǎn)線10決定，然而，優(yōu)選系統(tǒng)使用了至少一個(gè)保持?jǐn)?shù)個(gè)玻璃纖維芯的線軸32的支架31，纖維芯34從每個(gè)線軸輸送給切碎站或裝置，也即切碎機(jī)36。
切碎機(jī)36包括旋轉(zhuǎn)葉片輥38，橫向穿過(guò)載體14寬度延伸的徑向延伸的葉片40從葉片輥38伸出，以與支承輥42緊密地、接觸地且旋轉(zhuǎn)的關(guān)系放置。在優(yōu)選實(shí)施例中，葉片輥38和支承輥42以相對(duì)緊密的關(guān)系放置，使得葉片輥38的旋轉(zhuǎn)同時(shí)旋轉(zhuǎn)支承輥42，然而也可以設(shè)想進(jìn)行反向的旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，支承輥42優(yōu)選用彈性支撐材料覆蓋使得葉片40靠著支撐材料將芯34切成段。輥38上的葉片40的間距確定了切碎的纖維長(zhǎng)度。如圖1所示，切碎機(jī)36放置在載體14上方靠近近端22，以使得生產(chǎn)線10長(zhǎng)度的生產(chǎn)利用最大化。當(dāng)纖維芯34被切碎，纖維30就松散地落在載體絲網(wǎng)26上。
接下來(lái)，漿料輸送站或漿料進(jìn)料器44接收來(lái)自如漏斗、料倉(cāng)等遠(yuǎn)處的混合位置47的漿料供應(yīng)。同樣的可設(shè)想，該工藝可以以載體14上的漿料初始沉積開(kāi)始。雖然可設(shè)想可凝固漿料的多樣性，本工藝特別設(shè)計(jì)用來(lái)制備建筑水泥板材。這樣，漿料優(yōu)選包括變化數(shù)量的波特蘭水泥、石膏、聚凝物、水、促凝劑、增塑劑、起泡劑、填料和/或其它公知成分，并在前述列舉作為參考已合并與此的專利中有描述。這些成分的相對(duì)數(shù)量，包括去除上述中的一些或再添加其它的，都可以變化以適應(yīng)情況。
雖然可以設(shè)想在移動(dòng)載體14上均勻地沉積一薄層的漿料46的漿料進(jìn)料器44的各種結(jié)構(gòu)，但優(yōu)選的漿料進(jìn)料器44包括與載體14的行進(jìn)方向橫向放置的主計(jì)量輥48。副輥或備用輥50與計(jì)量輥48以緊密的平行的旋轉(zhuǎn)的關(guān)系放置，以在計(jì)量輥48和副輥50之間形成壓輥52。優(yōu)選由如Teflon牌材料等不粘材料制得的一對(duì)側(cè)壁54防止?jié){料46從進(jìn)料器46的兩側(cè)溢出流入壓輥52中。
本發(fā)明的重要特征是進(jìn)料器44在移動(dòng)載體14或載體絲網(wǎng)26上沉積均勻、相對(duì)薄的漿料層46。合適的層厚為約0.05至0.20英寸。然而，本工藝制備的優(yōu)選結(jié)構(gòu)性板材優(yōu)選具有四層，合適的建筑板為大約0.5英寸，特別優(yōu)選的漿料層厚為大約0.125英寸。
參照?qǐng)D1和2，為了獲得如上所述的漿料層厚度，漿料進(jìn)料器44提供有某些特征。首先，為了確保漿料46在整個(gè)絲網(wǎng)26上均勻沉積，漿料通過(guò)位于公知類型的側(cè)向往復(fù)、鋼絲驅(qū)動(dòng)、液體動(dòng)力的分配器58內(nèi)的軟管56輸送給進(jìn)料器44。從軟管56流出的漿料由此以側(cè)向往復(fù)運(yùn)動(dòng)流入進(jìn)料器44中，以填充輥48、50和側(cè)壁54限定的儲(chǔ)液槽59。由此計(jì)量輥48的旋轉(zhuǎn)從儲(chǔ)液槽中抽出漿料46層。
接下來(lái)，厚度監(jiān)測(cè)或厚度控制輥60放置在主計(jì)量輥48垂直中心線的稍微上方和/或稍微下游，以調(diào)節(jié)在主計(jì)量輥48外表面62上的從進(jìn)料器儲(chǔ)液槽57抽出的漿料46的厚度。厚度控制輥60的另一個(gè)相關(guān)特征為其允許處理不同和持續(xù)變化粘度的漿料。主計(jì)量輥48以與載體14和載體絲網(wǎng)26運(yùn)動(dòng)方向的相同的行進(jìn)方向“T”被驅(qū)動(dòng)，主計(jì)量輥48、備用輥52和厚度監(jiān)測(cè)輥58都以相同方向旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動(dòng)，這使得在相應(yīng)的移動(dòng)外表面上過(guò)早凝固漿料的機(jī)會(huì)最少。由于外表面62上的漿料46向載體絲網(wǎng)26移動(dòng)，位于主計(jì)量輥48和載體絲網(wǎng)26之間的橫向脫芯線(stripping wire)64確保漿料46完全沉積在載體絲網(wǎng)上，而不會(huì)向著壓輥52和進(jìn)料器儲(chǔ)液槽59的方向向后行進(jìn)。脫芯線64還有助于使主計(jì)量輥48免于過(guò)早凝固漿料并維持漿料相對(duì)均勻的垂落。
第二切碎站或裝置66，優(yōu)選與切碎機(jī)36一樣，放置在進(jìn)料器44的下游以在漿料46上沉積第二層纖維68。在優(yōu)選實(shí)施例中，從給切碎機(jī)36供料的相同支架31向切碎機(jī)裝置66供給芯34。然而，根據(jù)應(yīng)用可設(shè)想將分離支架31提供給每個(gè)獨(dú)立的切碎機(jī)。
接下來(lái)，參照?qǐng)D1和3，嵌入裝置，大體表示為70，以與漿料46和生產(chǎn)線10的移動(dòng)載體14為操作關(guān)系地放置，以將纖維68嵌入漿料46中。雖然可設(shè)想各種的嵌入裝置，包括但不限于振動(dòng)器、羊角滑輪等，但是在優(yōu)選實(shí)施例中，嵌入裝置70包括至少一對(duì)橫向于框架12上載體絲網(wǎng)26的“T”行進(jìn)方向安裝的大體平行的軸72。每個(gè)軸72具有多個(gè)相當(dāng)大直徑的圓盤74，其由小直徑圓盤76在軸上彼此軸向分離。
在SCP板材生產(chǎn)中，軸72和圓盤74、76繞著軸的縱向軸線一起旋轉(zhuǎn)。正如公知技術(shù)那樣，一個(gè)或兩個(gè)軸72可以被提供動(dòng)力，如果只有一個(gè)被提供動(dòng)力，另一個(gè)可以由皮帶、鏈條、齒輪驅(qū)動(dòng)或其它公知?jiǎng)恿魉图夹g(shù)驅(qū)動(dòng)以維持與驅(qū)動(dòng)輥對(duì)應(yīng)的方向和速度。相鄰的優(yōu)選為平行的軸72的相應(yīng)圓盤74、76彼此相互嚙合，用來(lái)在漿料中形成“捏合”或“揉搓”運(yùn)動(dòng)，以將預(yù)先沉積在其上的纖維68嵌入。此外，圓盤72、74緊密、互相嚙合且旋轉(zhuǎn)的關(guān)系防止在圓盤上的漿料46的聚集，并有效形成顯著降低由于過(guò)早凝固漿料塊造成的生產(chǎn)線停工的“自我清潔”操作。
軸72上圓盤74、76的相互嚙合關(guān)系包括小直徑的隔板圓盤76和相對(duì)大直徑的主圓盤74的相對(duì)外圍的緊密相鄰沉積，這也有利于自我清潔操作。因?yàn)閳A盤74、76緊密接近地彼此相對(duì)旋轉(zhuǎn)(但是優(yōu)選為相同方向)，所以對(duì)于漿料顆粒來(lái)說(shuō)很難進(jìn)入裝置并過(guò)早凝固。通過(guò)提供兩套彼此沿側(cè)向偏離的圓盤74，漿料46受到中斷、進(jìn)一步將纖維68嵌入漿料46中的形成“捏合”操作的多種操作。
一旦纖維68已經(jīng)被嵌入，或換句話說(shuō)當(dāng)移動(dòng)載體絲網(wǎng)26穿過(guò)嵌入裝置70時(shí)，SCP板材的第一層77就完成了。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一層77的高度或厚度接近0.05至0.20英寸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與SCP板材中類似層結(jié)合時(shí)，該范圍提供了理想的強(qiáng)度和剛度。然而，可以根據(jù)應(yīng)用設(shè)想其它的厚度。
為了建立理想厚度的建筑水泥板材，需要附加層。為此，基本與進(jìn)料器44相同的第二漿料進(jìn)料器78以與移動(dòng)載體14的操作關(guān)系設(shè)置，并設(shè)置成沉積用于在現(xiàn)有層77上沉積漿料46的附加層80。
接下來(lái)，基本上與切碎機(jī)36和66相同的附加切碎機(jī)82以與框架12操作關(guān)系設(shè)置以沉積第三層纖維84，該第三層纖維84從以類似于支架31的方式相對(duì)框架12構(gòu)造并放置的支架(未示出)提供。纖維84沉積在漿料層80上，并使用第二嵌入裝置86被嵌入。類似于嵌入裝置70的結(jié)構(gòu)和布置，第二嵌入裝置86相對(duì)于移動(dòng)載體絲網(wǎng)14稍微更高地安裝，使得第一層77不會(huì)被干擾。用這種方式，就產(chǎn)生了漿料和嵌入纖維的第二層80。
參照?qǐng)D1和4，對(duì)于可凝固漿料和纖維的每一連續(xù)層，跟隨在纖維切碎機(jī)36、66、82和嵌入裝置70、86之后的附加漿料進(jìn)料站44、78提供在生產(chǎn)線10上。在優(yōu)選實(shí)施例中，提供了總的四層77、80、88、90以形成SCP板材92。在如上所述的四層嵌入纖維的可凝固漿料上沉積時(shí)，成形裝置94(圖1)優(yōu)選提供到框架12，以形成板材92上表面96。這種成形裝置94在可凝固漿料/板生產(chǎn)技術(shù)中是公知的，通常為與多層板材的高度和形狀一致的彈簧負(fù)載或振動(dòng)板，以適應(yīng)理想的尺寸特性。本發(fā)明的重要特征是板材92由在凝固時(shí)形成整體的纖維增強(qiáng)基體的多層77、80、88、90組成。假設(shè)每層中纖維的存在和放置如披露和如下描述的那樣得到控制并維持在特定的理想?yún)?shù)范圍內(nèi)，將由本工藝制備的板材92分成細(xì)層幾乎是不可能的。
在這一點(diǎn)上，漿料層開(kāi)始凝固，相應(yīng)板材92通過(guò)切割裝置98，在優(yōu)選實(shí)施例中為噴水切割機(jī)而彼此分離。包括移動(dòng)葉片的其它切割裝置也認(rèn)為適合于這種操作，只要它們能夠在本發(fā)明板材組合物中產(chǎn)生合適的尖銳的邊緣。切割裝置98相對(duì)于線10和框架12放置，使得板材制備成具有理想的長(zhǎng)度，其可以不同于圖1中的表示。因?yàn)檩d體絲網(wǎng)14的速度相對(duì)低，可以安裝切割裝置98，以垂直于絲網(wǎng)14的行進(jìn)方向切割。當(dāng)以更快的生產(chǎn)速度時(shí)，這種切割裝置與絲網(wǎng)行進(jìn)方向呈角度地安裝在生產(chǎn)線10上。切割時(shí)，分離的板材92被堆疊以進(jìn)一步如公知技術(shù)那樣處理、包裝、存儲(chǔ)和/或運(yùn)輸。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4和5，生產(chǎn)線10的另一個(gè)實(shí)施例總體表示為100。線100與線10的許多零件相同，這些共同零件使用了相同的標(biāo)記。線100和線10的主要區(qū)別在于線10中制備SCP板材92時(shí)，板材的下側(cè)102或底面會(huì)比上側(cè)或頂面96更平滑，即使在與成形裝置94接合之后。在某些情況下，取決于板材92的應(yīng)用，優(yōu)選為具有光滑表面和相對(duì)粗糙的表面。然而，在其它應(yīng)用中，理想地是具有表面96、102都光滑的板。因?yàn)楣饣棙?gòu)由漿料與平滑載體14或載體絲網(wǎng)26的接觸形成，以獲得具有表面或側(cè)面都光滑的SCP板材，上面和下面96、102都需要靠著載體14或釋放絲網(wǎng)26形成。
為此，生產(chǎn)線100包括足夠的纖維切碎站36、66、82，漿料進(jìn)料站44、78和嵌入裝置70、86以生產(chǎn)至少三層77、80和88。附加層可以通過(guò)如上所述的相對(duì)于生產(chǎn)線10的站的重復(fù)來(lái)形成。然而，在生產(chǎn)線100中，在SCP板材最后一層制備中，提供了具有繞主輥110、112(其中之一被驅(qū)動(dòng))反相旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)108的上層面106，該絲網(wǎng)108在移動(dòng)的多層漿料46上沉積了具有光滑外表面的一層漿料和纖維114。
更特別地，上層面106包括類似于纖維沉積站36的上部纖維沉積站116、類似于進(jìn)料站44的上部漿料進(jìn)料站118、類似于切碎站66的第二上部纖維沉積站120和類似于嵌入裝置70的嵌入裝置122，用來(lái)在移動(dòng)漿料46的相反位置中沉積覆蓋層114。這樣，最終的SCP板材124就具有光滑的上、下表面96、102。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是最終的SCP板材92、124構(gòu)造成使得纖維30、68、84在整個(gè)板材上均勻地分布。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能以相對(duì)小的、更有效使用纖維來(lái)生產(chǎn)更牢固的板材。纖維相對(duì)于每一層中漿料體積的百分比優(yōu)選為漿料層77、80、88、90、114體積的大約1.5％至3％。
在數(shù)量方面，纖維和漿料層數(shù)量的影響、板材中纖維的體積百分率和各漿料層的厚度以及纖維嵌入效率上的纖維股直徑都作為本發(fā)明的一部分做出了研究和確定。在分析中，確定了以下參數(shù)vT＝混合物總體積
vs＝板材漿料總體積vf＝板材纖維總體積vf，l＝纖維總體積/層vT，l＝混合物總體積/層vs，l＝漿料總體積/層Nl＝漿料層總層數(shù)；纖維層總層數(shù)Vf＝板材纖維總體積百分率df＝單個(gè)纖維股的當(dāng)量直徑lf＝單個(gè)纖維股的長(zhǎng)度t＝板材厚度tl＝包括漿料和纖維的單個(gè)層的總厚度ts，l＝單個(gè)漿料層的厚度nf，l’nf1，l，nf2，l＝纖維層中纖維的總數(shù)目 凸起纖維表面積百分率，Sf，lp假設(shè)由相同數(shù)量的漿料和纖維層組成的板材。使得這些層的數(shù)目等于Nl，板材中纖維體積百分率等于Vf。
混合物總體積＝漿料總體積+纖維總體積vT＝vs+vf(1)混合物總體積/層＝漿料總體積/層+纖維總體積/層vTNl=vsNl+vfNl---(2)]]>vT，l＝Vs，l+vf，l(3)其中，vT，l＝vt/Nl；vs，l＝vs/Nl；vf，l＝vf/Nl假設(shè)所有纖維層包含相同數(shù)量的纖維，則纖維總體積/層vf，l就等于Vf,l=vT*VfNl---(4)]]>假設(shè)纖維為圓柱形，則纖維股的數(shù)量/層nf，l就等于
nf,l=vT*VfNlπd24*lf=4vTVfπdf2lfNl---(5)]]>其中，df為纖維股當(dāng)量直徑。
圓柱纖維的凸起表面積等于其長(zhǎng)度和直徑的乘積。因此，包含在纖維層中所有纖維的總凸起表面積就等于sf,lP=nf,l*df*lf=4vTVfNlπdf---(6)]]>凸起纖維表面積百分率Sf，lp由如下限定 Sf,lP=4vTVfNlπdfvs,lts,l=4vTVfNlπdfvTt(=vs,lts,l=vT,ltl)=4VftπNldf---(7)]]>其中，ts，l和vs，l分別為單個(gè)漿料層的厚度和體積。
這樣，凸起纖維表面積百分率Sf，lp可以表示為Sf,lP=4VftπNldf---(8)]]>凸起纖維表面積百分率Sf，lp還可以由等式7按如下推導(dǎo)出來(lái)Sf,lP=4vTVfNlπdfvs,lts,l=4vTVfNlπdf(1-Vf)*vTNl*1ts,l=4Vf*ts,lπdf(1-Vf)=4Vf*tlπdf---(9)]]>其中，ts，l為不同漿料層的厚度，tl為包括漿料和纖維的單個(gè)層的厚度。
這樣，凸起纖維表面積百分率Sf，lp可以表示為Sf,lP=4Vf*ts,lπdf(1-Vf)---(10)]]>等式8和10描述了凸起纖維表面積百分率Sf，lp參數(shù)與除了纖維總體積百分率Vf變量之外的一些其它變量的依存關(guān)系。
總的來(lái)說(shuō)，沉積在不同漿料層上的纖維網(wǎng)層凸起纖維表面積百分率Sf，lp由以下數(shù)學(xué)關(guān)系得出
Sf,lP=4VftlπNldf=4Vf*ts,lπdf(1-Vf)]]>其中，Vf為板材纖維總體積百分率，t為板材總厚度，df為纖維股的直徑，Nl為纖維層總層數(shù)，ts，l為使用的不同漿料層的厚度。
基于凸起纖維表面積百分率Sf，lp的這些變量的討論分析影響在下面給出·凸起纖維表面積百分率Sf，lp與纖維層總層數(shù)N1成反比。相應(yīng)地，對(duì)于給定的纖維直徑、板材厚度和纖維體積百分率，纖維層總層數(shù)Nl增加，則凸起纖維表面積百分率Sf，lp就降低，反之亦然。
·凸起纖維表面積百分率Sf，lp與不同漿料層厚度ts，l成正比。相應(yīng)地，對(duì)于給定的纖維股直徑和纖維體積百分率，不同漿料層厚度ts，l增加，則凸起纖維表面積百分率Sf，lp也增加，反之亦然。
·凸起纖維表面積百分率Sf，lp與纖維股直徑df成反比。相應(yīng)地，對(duì)于給定的板材厚度、纖維體積百分率和纖維層總層數(shù)，纖維股直徑df增加，則凸起纖維表面積百分率Sf，lp就降低，反之亦然。
·凸起纖維表面積百分率Sf，lp與纖維體積百分率Vf成正比。相應(yīng)地，對(duì)于給定的纖維板材厚度、纖維股直徑和纖維層總層數(shù)，凸起纖維表面積百分率Sf，lp與纖維體積百分率Vf的增加成比例增加，反之亦然。
·凸起纖維表面積百分率Sf，lp與板材總厚度t成正比。相應(yīng)地，對(duì)于給定纖維股直徑、纖維體積百分率和纖維層總層數(shù)，板材總厚度t增加，則凸起纖維表面積百分率Sf，lp也增加，反之亦然。
實(shí)驗(yàn)性觀察證實(shí)，覆蓋在水泥漿料層上的纖維網(wǎng)層的嵌入效率是參數(shù)“凸起纖維表面積百分率”的函數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，凸起纖維表面積百分率越小，纖維層就越容易嵌入漿料層中。良好纖維嵌入效率的原因可以解釋為纖維網(wǎng)層中開(kāi)口面積或孔隙率的程度隨著凸起纖維表面積百分率的降低而增加。當(dāng)獲得了更多的開(kāi)口面積時(shí)，穿過(guò)纖維網(wǎng)層的漿料就增加了，這有助于提高纖維嵌入效率。
相應(yīng)地，為了獲得良好纖維嵌入效率，目標(biāo)函數(shù)就變成將纖維表面積百分率保持在特定臨界值以下。值得注意的是，通過(guò)改變等式8和10中出現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)變量，凸起纖維表面積百分率可以得到修整，以獲得良好纖維嵌入效率。
影響凸起纖維表面積百分率大小的不同變量是確定的，并建議了一些修整“凸起纖維表面積百分率”大小的途徑，以獲得良好纖維嵌入效率。這些途徑包括改變以下變量中的一個(gè)或多個(gè)，以保持凸起纖維表面積百分率低于特定臨界值不同纖維和漿料層的數(shù)目，不同漿料層的厚度和纖維股的直徑。
基于這些基礎(chǔ)工作，凸起纖維表面積百分率Sf，lp的優(yōu)選數(shù)量為如下優(yōu)選凸起纖維表面積百分率Sf，lp＜0.65最優(yōu)選凸起纖維表面積百分率Sf，lp＜0.45對(duì)于設(shè)計(jì)板材纖維體積百分率Vf，前述凸起纖維表面積百分率的優(yōu)選大小的獲得可能由配置如下變量中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同纖維層的總層數(shù)、不同漿料層的厚度和纖維股直徑。特別地，這些變量的理想范圍是導(dǎo)致凸起纖維表面積百分率的優(yōu)選數(shù)量為如下不同漿料層的厚度，ts，l不同漿料層的優(yōu)選厚度ts，l≤0.20英寸不同漿料層更優(yōu)選厚度ts，l≤0.12英寸不同漿料層最優(yōu)選厚度ts，l≤0.08英寸不同纖維層的層數(shù)，Nl不同纖維層的優(yōu)選層數(shù)Nl≥4不同纖維層的最優(yōu)選層數(shù)Nl≥6纖維股直徑，df纖維股優(yōu)選直徑df≥30特纖維股最優(yōu)選直徑df≥70特雖然已經(jīng)示出并揭示了制備高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)建筑水泥板材的多層工藝的具體實(shí)施方式
，但是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以對(duì)其做出的改變和修改都沒(méi)有脫離本發(fā)明的廣義的并且如在隨后權(quán)利要求中闡明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備建筑水泥板材的多層工藝，包括(a)提供一個(gè)移動(dòng)絲網(wǎng)；(b)在所述絲網(wǎng)上沉積第一層松散纖維；(c)在所述絲網(wǎng)上沉積一層可凝固漿料；(d)在所述漿料上沉積第二層松散纖維；(e)將所述第二層纖維嵌入所述漿料中；和(f)重復(fù)步驟(c)至(e)直到獲得所需的層數(shù)的可凝固的纖維增強(qiáng)漿料。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，進(jìn)一步包括用成形裝置形成所述多層板。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，進(jìn)一步包括將所述多層纖維增強(qiáng)漿料切割成板的長(zhǎng)度。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，重復(fù)所述(c)至(e)步驟至少三次，使得板最終有至少四層。
5.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，由步驟(c)至(e)制備的每層的厚度在大約0.05至0.20英寸的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述纖維具有等于或大于30的特值。
7.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述纖維具有等于或大于70的特值。
8.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述漿料使用具有計(jì)量輥和厚度控制輥的壓輥進(jìn)料器供應(yīng)到所述絲網(wǎng)上。
9.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述嵌入步驟由自我清潔的嵌入裝置執(zhí)行。
10.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述嵌入步驟通過(guò)一對(duì)相互嚙合的圓盤軸承旋轉(zhuǎn)軸來(lái)完成。
11.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述嵌入步驟通過(guò)捏合力的多次應(yīng)用完成。
12.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，最后一層由上層面和反向旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)制備，該反向旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)在所述移動(dòng)的多層漿料上沉積了具有光滑外表面的一層漿料和多層纖維。
13.如權(quán)利要求1所述的工藝，進(jìn)一步包括將載體層提供給所述移動(dòng)絲網(wǎng)。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝，其中，所述載體層為脫膜紙。
15.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述纖維占所述漿料層體積的至少1.5％。
16.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述纖維占所述漿料層體積的大約3％。
17.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，由步驟(b)至(e)制備的所述漿料層中纖維的對(duì)應(yīng)比例由優(yōu)選小于0.65和更優(yōu)選小于0.45的凸起纖維表面積百分率表示。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述工藝制備的建筑水泥板材。
19.如權(quán)利要求18所述的建筑水泥板材，其中，所述板材由四層組成，每層都是由步驟(c)至(e)制備。
20.如權(quán)利要求18所述的建筑水泥板材，其中，由步驟(b)至(e)和步驟(c)至(e)之一制備的漿料層中纖維的對(duì)應(yīng)比例由優(yōu)選小于0.65和更優(yōu)選小于0.45的凸起纖維表面積百分率表示。
21.一種制備多層建筑水泥板材(92)的裝置，包括支撐移動(dòng)絲網(wǎng)(14)的傳送帶型框架(12)；與所述框架(12)為操作關(guān)系并構(gòu)造用于在所述移動(dòng)絲網(wǎng)(14)上沉積松散纖維(30)的第一松散纖維分布站(36)；與所述框架(12)為操作關(guān)系并構(gòu)造用于在所述移動(dòng)絲網(wǎng)(14)上沉積可凝固漿料薄層(46)以覆蓋所述纖維(30)的第一漿料進(jìn)料站(44)；與所述框架(12)為操作關(guān)系并構(gòu)造用于在所述漿料(46)上沉積松散纖維(30)的第二松散纖維分布站(66)；與所述框架(12)為操作關(guān)系并構(gòu)造用于在所述漿料(46)中產(chǎn)生捏合運(yùn)動(dòng)以將所述纖維(30)嵌入到所述漿料(46)中的嵌入裝置(70)；和以操作關(guān)系提供到所述框架以依次提供具有多層(77，80，88，90)的建筑水泥板材(92)的所述漿料進(jìn)料站、所述纖維沉積站和嵌入裝置的附加順序，所述每一層都具有嵌入的纖維。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，進(jìn)一步包括用來(lái)分離在所述框架(12)上制備的板材的切割裝置(96)。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，進(jìn)一步包括布置在所述絲網(wǎng)(14)上方并沿相反方向移動(dòng)的第二移動(dòng)絲網(wǎng)(108)，所述第二移動(dòng)絲網(wǎng)(108)具有上部纖維沉積站(116)、上部漿料進(jìn)料站(118)、第二上部纖維沉積站(120)和用于在所述移動(dòng)漿料(46)上的相反位置上沉積覆蓋層的嵌入裝置(122)。
24.一種由多層(77，80，88，90)組成的建筑水泥板材(92)，每一層通過(guò)在移動(dòng)絲網(wǎng)(14)上沉積可凝固漿料(46)層、在所述漿料(46)上沉積纖維(30)并將所述纖維(30)嵌入所述漿料(46)中形成，使得每個(gè)所述層(77，80，88，90)與相鄰層(77，80，88，90)整體成形。
25.如權(quán)利要求22所述的建筑水泥板材(92)，其中，所述板材(92)的每個(gè)所述層(77，80，88，90)的厚度范圍為0.05至0.20英寸。
26.一種使用如下公式制造水泥板材的工藝Sf,lP=4Vf*ts,lπdf(1-Vf)]]>用來(lái)確定在所述最終板材中纖維的凸起纖維表面積百分率。
27.如權(quán)利要求26所述的工藝，其中，所述纖維占用來(lái)制備板材的漿料層體積的至少1.5％。
28.如權(quán)利要求26所述的工藝，其中，所述纖維占用來(lái)制備板材的漿料層體積的大約3％。
29.如權(quán)利要求26所述的工藝，其中，所述凸起纖維表面積百分率優(yōu)選小于0.65，和最優(yōu)選小于0.45。
30.如權(quán)利要求26所述的工藝，進(jìn)一步包括通過(guò)產(chǎn)生纖維混合漿料的多層來(lái)制備板材的步驟，其中，每個(gè)所述層的厚度在大約0.05至0.20英寸的范圍內(nèi)。
31.如權(quán)利要求26所述的工藝，其中，所述纖維具有等于或大于30的特值。
32.如權(quán)利要求26所述的工藝，其中，所述纖維具有等于或大于70的特值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備建筑水泥板材的多層工藝，包括(a)提供一個(gè)移動(dòng)絲網(wǎng)；(b)在絲網(wǎng)上沉積第一層松散纖維；(c)在絲網(wǎng)上沉積一層可凝固漿料；(d)在漿料上沉積第二層松散纖維；(e)將所述第二層纖維嵌入漿料中；(f)重復(fù)(c)至(e)步驟直到獲得板材中可凝固纖維增強(qiáng)漿料的理想層數(shù)。同時(shí)，還提供了本發(fā)明工藝制備的結(jié)構(gòu)性板材、適合于制備根據(jù)本發(fā)明工藝的建筑水泥板材的裝置，和具有多層的建筑水泥板材，每層由將一層可凝固漿料沉積在移動(dòng)絲網(wǎng)上、將纖維沉積在漿料中并將纖維嵌入漿料使得每層與相鄰層整體成形而產(chǎn)生的。
文檔編號(hào)B28B5/02GK1852792SQ200480026770
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者A·迪貝, J·W·錢伯斯, A·格林加德, A·C·李, D·P·米勒, M·J·波特 申請(qǐng)人:美國(guó)石膏公司