低重量和密度的耐火石膏面板的制作方法
【專利摘要】一種具有足以提供至少17.0分鐘的隔熱指數(shù)的耐火能力的約5/8英寸至3/4英寸厚的低重量低密度石膏面板，在所選實施例中，當(dāng)經(jīng)受U419測試工序時，其在至少30分鐘內(nèi)不會破壞，所述石膏面板也具有顯著的耐水性。
【專利說明】低重量和密度的耐火石膏面板
[0001]相關(guān)專利申請的交叉引用
[0002]本部分繼續(xù)申請要求2010年6月7日提交的在先美國專利申請N0.12/795，125 的權(quán)益，所述美國專利申請N0.12/795，125為2006年6月7日提交的美國專利申請 N0.11/449，177的延續(xù)申請，所述美國專利申請N0.11/449，177要求2005年6月9日提交的美國臨時專利申請N0.60/688，839的優(yōu)先權(quán)，并于2010年6月8日授權(quán)為美國專利 N0.7，731，794，所述專利的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]如上引用的在先申請涉及制備包含含磷酸鹽的組分、預(yù)膠化淀粉和萘磺酸鹽分散劑的石膏漿料的方法，以及通過所述方法制得的產(chǎn)品。所述在先申請也涉及通過將含磷酸鹽的組分、預(yù)膠化淀粉和萘磺酸鹽分散劑引入用于制備面板的漿料中，從而增加低重量和密度的石膏面板的干強(qiáng)度的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]諸如石膏面板的常規(guī)含石膏的產(chǎn)品具有許多優(yōu)點，如低成本和易加工性，盡管當(dāng)切割或鉆孔產(chǎn)品時可產(chǎn)生大量的石膏粉塵。在在先申請中已通過將淀粉和其他成分引入用于制備這種產(chǎn)品的漿料中而在制備含石膏的產(chǎn)品中實現(xiàn)了各種改進(jìn)。淀粉可增加含石膏的產(chǎn)品(包括石膏面板)的撓曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。
[0005]通常必要的是在含有預(yù)膠化淀粉的石膏漿料中使用大量的水，以確保漿料的適當(dāng)流動性。遺憾的是，所述水的大部分必須最終通過加熱而去除，由于在加熱過程中所用的燃料的高成本，這是昂貴的。加熱步驟也是耗時的。如在先申請中所說明，已發(fā)現(xiàn)萘磺酸鹽分散劑的使用可增加漿料的流動性，因此克服了水需求的問題。另外，也發(fā)現(xiàn)如果萘磺酸鹽分散劑的使用量足夠高，則其可交聯(lián)至預(yù)膠化淀粉以在干燥之后結(jié)合石膏晶體，由此增加石膏復(fù)合材料的干強(qiáng)度。
[0006]在過去未認(rèn)識到含磷酸鹽的組分會影響石膏漿料的水需求。然而，如在在先申請中所說明，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在特定分散劑的存在下將含磷酸鹽的組分的量增加至至今為止的水平有可能使用出乎意料的降低量的水而獲得適當(dāng)?shù)臐{料流動性，甚至在高淀粉量的存在下。當(dāng)然，這是高度有利的，因為這轉(zhuǎn)而降低了燃料使用，并降低了與隨后的水去除處理步驟相關(guān)的處理時間。本發(fā)明人也發(fā)現(xiàn)，可通過在用于制備面板的漿料中使用萘磺酸鹽分散劑以及預(yù)膠化淀粉來增加石膏面板的干強(qiáng)度。
[0007]在先申請的發(fā)明包括石膏面板，所述石膏面板包括在兩個基本上平行的覆蓋片材之間形成的凝固石膏組合物，所述凝固石膏組合物為使用水、灰泥、預(yù)膠化淀粉、萘磺酸鹽分散劑和任選的水溶性磷酸鹽(優(yōu)選三偏磷酸鈉)的含石膏的漿料制得的凝固石膏組合物。 該石膏面板具有高強(qiáng)度，以及比常規(guī)石膏面板低得多的重量。另外，在切割、鋸切、折斷或鉆孔根據(jù)該實施例制得的面板時產(chǎn)生少得多的粉塵。
[0008]在先申請的發(fā)明的另一實施例包括一種制備石膏面板的方法， 所述方法包括混合包含水、灰泥、預(yù)膠化淀粉和萘磺酸鹽分散劑的含石膏的漿料，其中所述預(yù)膠化淀粉以至少約0.5重量％直至約10重量％的量(以灰泥重量計)存在。將所得含石膏的漿料沉積于第一紙質(zhì)覆蓋片材，并將第二紙質(zhì)覆蓋片材置于經(jīng)沉積的漿料上以形成石膏面板。在含石膏的漿料充分硬化以用于切割之后，切割石膏面板，并干燥所得石膏面板。含石膏的漿料可任選地包含含磷酸鹽的組分，例如三偏磷酸鈉。其他常規(guī)成分也可在漿料中使用，視情況包括促進(jìn)劑、粘結(jié)劑、紙纖維、玻璃纖維和其他已知成分。通常添加肥皂泡沫以降低最終石膏面板產(chǎn)品的密度。
[0009]本發(fā)明通常涉及具有良好的隔熱性質(zhì)、良好的耐熱收縮性、良好的耐火性，以及 (在本發(fā)明的一些方面)良好的耐水性的低重量和密度的石膏面板。
[0010]在建筑和其他建造應(yīng)用中所用的石膏面板(如石膏墻板或天花板面板)通常包括具有由紙、玻璃纖維或其他合適的材料制成的覆蓋片材的石膏芯。石膏面板通常通過如下方式制得:混合“灰泥”與水和其他成分以制備用于形成面板芯的漿料。
[0011]如本領(lǐng)域通常理解，灰泥主要包括一種或多種形式的煅燒石膏，即經(jīng)受脫水(通常通過加熱)以形成無水石膏或半水石膏(CaSO4 *1/240)的石膏。煅燒石膏可包括來自天然或合成來源的3半水合硫酸鈣、a半水合硫酸鈣、水溶性硫酸鈣無水石膏，或這些的任意者或全部的混合物。當(dāng)將煅燒石膏引入用于形成面板芯的漿料中時，其開始水合過程，所述水合過程在石膏面板的形成過程中完成。當(dāng)所述水合過程適當(dāng)?shù)赝瓿蓵r，其產(chǎn)生多種結(jié)晶形式的凝固石膏二水合物(即CaSO4 ? 2H20的形式)的通常連續(xù)的結(jié)晶基質(zhì)。
[0012]在面板的形成過程中，覆蓋片材通常作為連續(xù)幅材提供。石膏漿料作為流或帶在第一覆蓋片材上沉積。所述漿料以預(yù)定的大約厚度在第一覆蓋片材的整個寬度上鋪展，以形成面板芯。然后將第二覆蓋片材置于頂部上，從而將石膏芯夾在覆蓋片材之間，并形成連續(xù)面板。
[0013]連續(xù)面板通常沿著輸送機(jī)傳輸，以允許所述芯繼續(xù)水合過程。當(dāng)所述芯充分水合并硬化時，將其切割成一種或多種所需尺寸以形成單獨(dú)的石膏面板。然后將面板經(jīng)過在足以完成水合過程并將面板干燥至所需游離水分水平(通常為相對較低的游離水分含量)的溫度下的窯爐。
[0014]取決于所用的過程和面板的預(yù)期用途和其他考慮，可將包含石膏和其他添加劑的另外的漿料層、條或帶施用至第一和/或第二覆蓋片材，以為精制面板提供特定的性質(zhì)，如硬化的邊緣或硬化的面板面。類似地，可在過程中的一個或多個位置處將泡沫添加至石膏芯漿料和/或其他漿料`條或帶，以在石膏芯或精制面板的芯的部分內(nèi)提供氣穴分布。
[0015]取決于所需面板尺寸、覆蓋層組成、芯組成等，可切割和加工所得面板以用于多種應(yīng)用中。取決于石膏面板的預(yù)期用途和應(yīng)用，石膏面板的厚度通常為約1/4英寸至約I英寸。面板可應(yīng)用于多種用于形成墻、天花板和使用一種或多種緊固元件(如螺釘、釘子和/ 或粘合劑)的其他類似系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)元件中。
[0016]如果精制石膏面板暴露于相對較高的溫度，如通過高溫火焰或氣體制得的那些石膏面板，則石膏芯的部分可吸收足夠的熱量以使水從芯的石膏二水合物晶體中釋放。熱量吸收以及水從石膏二水合物中釋放可足以將通過面板或面板內(nèi)的熱傳遞延遲一段時間。在某些高溫水平下，高溫火焰或氣體也可導(dǎo)致石膏芯中的相變以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的重排。這種溫度還可導(dǎo)致石膏芯晶體結(jié)構(gòu)中的鹽和雜質(zhì)的熔化或其他絡(luò)合。另外，取決于熱源溫度和暴露時間，由于這種高溫火焰或氣體所導(dǎo)致的由石膏芯吸收的熱量可足以再煅燒芯的部分。
[0017]更具體地，當(dāng)加熱至212° F (IO(TC)時，石膏芯經(jīng)歷分解反應(yīng)，其中根據(jù)如下等式 I，在石膏轉(zhuǎn)化為半水合物時，75%的結(jié)晶水作為蒸汽被去除:
[0018]CaSO4 ? 2H20 — CaSO4 ? 1/2H20+11/2H20 [I]
[0019]進(jìn)一步加熱至250° F (120°C)去除了剩余的結(jié)晶水，同時半水合物轉(zhuǎn)化為無水石膏(其為硫酸鈣)，(等式2):
[0020]CaSO4 ? 1/2H20 — CaSO4+1/2H20 [2]
[0021]到芯到達(dá)392° F (200°C)的時候，所有石膏轉(zhuǎn)化為無水石膏相。這些轉(zhuǎn)變溫度為大概的，并可隨著石膏中的雜質(zhì)或添加劑而變化。推動反應(yīng)[I]和[2]所需的脫水熱量總共為390Btu/lb(906kJ/kg)。由相變反應(yīng)所吸收的所述能量以及由產(chǎn)生的蒸汽所帶走的熱量充當(dāng)實質(zhì)受熱器，并產(chǎn)生石膏作為防火材料的許多獨(dú)特品質(zhì)。例如，將石膏從75° F加熱至400° F (24至204°C)所需的能量是加熱相等質(zhì)量的混凝土的能量的超過七倍那樣多。
[0022]當(dāng)石膏煅燒，在過程中吸收和耗散熱能時，晶體基質(zhì)的體積收縮。收縮量取決于石膏的初始組成，所述初始組成包括來自開采石膏的礦床的不同雜質(zhì)或來自制造過程的添加劑。通常假設(shè)收縮的大多數(shù)在石膏轉(zhuǎn)化為無水石膏時在脫水反應(yīng)[I]和[2]的過程中發(fā)生。
[0023]石膏芯的收縮影響石膏面板在高溫火焰或氣體存在下的性能。收縮越大，則獲得給定水平的耐火性能越困難。這可取決于建筑組件本身而加重或減少。
[0024]由于石膏面板在建筑組件中附接至框架或其他支撐結(jié)構(gòu)，使得石膏面板被限制在面板平面中移動，因此收縮裂縫出現(xiàn)。如果建筑組件偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離火，則由于靠火側(cè)的面板變形成凹形表面，所述靠火側(cè)的面板處于壓縮下。當(dāng)面板沿著其長度和寬度被橫向和縱向壓縮時，收縮作用減少。這在使用櫳骨墻時發(fā)生，其中壁骨從靠火側(cè)燒焦并變?nèi)?，從而?dǎo)致它們在施加于結(jié)構(gòu)上的垂直載荷下偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離火。
[0025]相反，如果建筑組件偏轉(zhuǎn)朝向火，`則其迫使暴露于火側(cè)的面板變成處于張力下的凸形表面。由于結(jié)構(gòu)的移動拉伸面板，因此對收縮裂縫的敏感性增加。這在使用輕質(zhì)鋼架墻(其中靠火側(cè)的金屬壁骨加熱和膨脹最大)以及天花板和地板組件(其中下方的火使得組件變?nèi)酰亓d荷導(dǎo)致組件向下偏轉(zhuǎn))時發(fā)生。對組件耐火性的總體影響取決于收縮和偏轉(zhuǎn)的相對速率。
[0026]由于這些高溫加熱作用中的一些或全部，石膏面板可在一個或多個方向上經(jīng)歷面板尺寸的收縮，且這種收縮可導(dǎo)致面板的結(jié)構(gòu)完整性的破壞。當(dāng)面板附接至墻、天花板或其他框架組件時，面板收縮可導(dǎo)致面板與安裝于相同組件中的其他面板以及與它們的支撐件分離，并在一些情況下導(dǎo)致面板或支撐件(或兩者)的坍塌。作為結(jié)果，高溫下的受熱空氣可進(jìn)入或經(jīng)過墻或天花板結(jié)構(gòu)。
[0027]如上所述，石膏面板抵抗相對較高的溫度的作用一段時間，這可固有地延遲高熱水平經(jīng)過面板或在面板之間經(jīng)過，并進(jìn)入(或經(jīng)過)使用所述面板的系統(tǒng)。通常配制稱為耐火或“耐火級”的石膏面板以提高面板延遲熱量經(jīng)過墻或天花板結(jié)構(gòu)的能力，且所述石膏面板在控制建筑物內(nèi)的火災(zāi)蔓延中起到重要作用。作為結(jié)果，建筑規(guī)范當(dāng)局和其他有關(guān)公共和私人實體通常設(shè)定了用于耐火級石膏面板的耐火性能的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。
[0028]可通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y試來評價石膏面板耐火和相關(guān)的極高熱量的能力。在建造工業(yè)中常規(guī)使用的這種測試的例子包括由保險商實驗室(“UL”)出版的那些測試(如UL U305、U419和U423測試工序和方案)，以及描述于由美國材料試驗協(xié)會(ASTM)出版的規(guī)范E119 中的工序。這種測試可包括使用石膏面板構(gòu)建測試組件，通常在由木或鋼壁骨形成的墻框架的每一面上單層施用面板。取決于測試，組件可經(jīng)受或不經(jīng)受載荷力。根據(jù)加熱曲線(如在UL U305、U419和U423測試工序和ASTM El 19工序中要求的那些)，將組件一側(cè)的表面暴露于增加的溫度一段時間。
[0029]在測試過程中監(jiān)測靠近受熱側(cè)的溫度以及組件的未受熱側(cè)的表面的溫度，以評價暴露的石膏面板所經(jīng)受的溫度以及傳遞通過組件到達(dá)未暴露面板的熱量。當(dāng)面板具有一個或多個結(jié)構(gòu)破壞時和/或當(dāng)組件的未暴露側(cè)的溫度超過預(yù)定閾值使，終止測試。通常，這些閾值溫度基于這種傳感器中的任一者的最大溫度和/或傳感器在未暴露的石膏面板的表面上感應(yīng)的溫度的平均值。
[0030]如在UL U305、U419和U423以及ASTM El 19中所述的那些的測試工序涉及組件對熱傳遞通過整個組件的抗性。在一方面，所述測試也提供了當(dāng)組件經(jīng)受高溫加熱時，組件中所用的石膏面板對在x_y方向(寬度和長度)上的收縮的抗性的量度。這種測試也提供了面板對結(jié)構(gòu)完整性的損失的抗性的量度，所述結(jié)構(gòu)完整性的損失產(chǎn)生墻組件中的面板之間的開放間隙或空間，從而導(dǎo)致高溫進(jìn)入組件的內(nèi)部腔體。在另一方面，所述測試提供了石膏面板抵抗熱傳遞通過面板和組件的能力的量度。據(jù)信這種測試反映了特定系統(tǒng)分別提供建筑物居住者和消防員/火災(zāi)控制系統(tǒng)逃離或解決火災(zāi)條件的機(jī)遇之窗的能力。
[0031]在過去，使用多種策略來改進(jìn)耐火級石膏面板的耐火性。例如，已使用更厚、更致密的面板芯來增加面板中水和石膏的存在以提高它們充當(dāng)受熱器的能力，降低面板收縮， 并增加面板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度。可選擇地或者除了增加面板芯的密度之外，已將包括玻璃和其他纖維的各種成分摻入石膏芯中，以通過增加面板芯的拉伸強(qiáng)度以及通過在整個芯基質(zhì)中分布收縮應(yīng)力而提高石膏面板的耐火性。類似地，已在過去使用某些粘土 (如尺寸小于約I微米的那些)和膠體二氧化硅或氧化鋁添加劑(如尺寸小于I微米的那些)的量，以在石膏面板芯中提供增加的耐火性(和耐高溫收縮性)。
[0032]然而，本領(lǐng)域的一個信條是，通過降低芯中的石膏量而降低石膏面板的重量和/ 或密度將不利地影響面板的結(jié)構(gòu)完整性和它們對火和高熱條件的抗性。
[0033]在過去用于改進(jìn)耐火級石膏面板的耐火性的另一方法是將非膨脹蛭石(也稱為蛭石礦石)和礦物纖維或玻璃纖維添加至石膏面板芯中。在這種方法中，預(yù)期蛭石在受熱條件下膨脹，以彌補(bǔ)芯的石膏組分的收縮。據(jù)信礦物纖維/玻璃纖維將經(jīng)干燥的石膏的部分保持在一起。這種方法在美國專利N0.2，526，066和N0.2，744，022中討論。然而，這兩篇參考文獻(xiàn)均依賴于高密度芯以提供足夠的石膏充當(dāng)受熱器。它們公開了制備1/2英寸厚的石膏面板，所述石膏面板的重量為2至2.3磅/平方英尺(2，000至2，300磅/千平方英尺 (“l(fā)b/msf”))，密度為約50磅/立方英尺(“pcf”)或更大。另外，‘022專利涉及增加‘066 專利中公開的面板的石膏含量(以及因此密度和重量)，并降低那些面板的礦物纖維/玻璃纖維含量，以提供更大的石膏-受熱器能力。諸如‘022專利的參考文獻(xiàn)還認(rèn)識到，蛭石的膨脹性質(zhì)除非受到限制，否則將在高溫條件下在相對較短的時間內(nèi)導(dǎo)致芯的散裂(即碎裂、 剝離或片落)以及使用含有蛭石的面板制得的墻組件的破壞。
[0034]在另一實例中，美國專利N0.3，454，456描述了將非膨脹蛭石引入耐火級石膏面板芯中，以抵抗面板的收縮?！?56專利也依賴于相對較高的石膏含量和密度提供所需的受熱器能力?！?56專利公開了具有約19251b/msf的最小重量和約46pcf的密度的精制1/2 英寸石膏面板的面板重量。這是與對于耐火級應(yīng)用目前商業(yè)上提供的更厚和重得多的5/8 英寸厚的石膏面板(約2175至23001b/msf)可相比的密度。
[0035]‘456專利也公開了在石膏面板芯中使用蛭石來增加面板的耐火等級具有明顯局限性。例如‘456專利指出(如同‘022專利)，蛭石在芯內(nèi)的膨脹可導(dǎo)致芯由于散裂和其他破壞作用而分裂?！?56專利也公開了非膨脹蛭石粒子可使芯結(jié)構(gòu)變?nèi)?，使得芯變得弱、柔軟和易碎?！?56專利旨在通過使用具有相對較小的粒徑分布(超過90%的非膨脹粒子小于 n0.50篩目尺寸(大約0.117英寸(0.297mm)開口)，小于10%的非膨脹粒子略大于n0.50篩目尺寸)的“獨(dú)特的”非膨脹蛭石，從而在石膏面板中使用蛭石來解決這些顯著的固有局限性。該方法據(jù)稱抑制了面板上蛭石膨脹的不利作用，如‘456專利的第2欄第52-72行所述。
[0036]在另一方法中，美國專利3，616，173涉及具有石膏芯的1/2英寸厚的耐火石膏面板，‘173專利的石膏面板的特征在于更輕的重量或更低的密度。‘173專利的面板與現(xiàn)有技術(shù)1/2英寸面板的區(qū)別在于重量約2，0001b/msf或更大，并具有超過約48pcf的芯密度。 因此，‘173專利公開了密度為約35pcf或35pcf以上，優(yōu)選約40pcf至約50pcf的面板。 ‘173專利通過將顯著量的小粒徑無機(jī)材料(粘土、膠體二氧化硅或膠體氧化鋁)摻入其石膏芯中，以及摻入在高溫條件下防止其石膏面板的收縮所需的量的玻璃纖維，從而實現(xiàn)了其公開的芯密度。
[0037]也做出其他努力以通過各種方式來增加石膏面板的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，并降低面板重量。參見例如美國專利7，731，794和7，736，720以及美國專利申請公布 2007/0048490A1,2008/0090068A1和2010/0139528A1。然而，這些努力本身并未充分考慮制備對火和高熱條件足夠抗性的低重量面板。
[0038]在許多應(yīng)用中，提供具有抵抗相對高熱或火條件的作用以使熱水平經(jīng)過這種面板延遲甚至半小時的能力的這種低重量石膏面板將是對本領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)。然而，通常認(rèn)為明顯降低石膏面板中的芯的密度不僅將降低面板的強(qiáng)度性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完整性，還會降低它們使熱量經(jīng)過面板延遲甚至半小時的能力。更特別地，在這些應(yīng)用中特別關(guān)注具有預(yù)期低強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性和故意的低石膏含量的面板，因為預(yù)期它們過于易受通過與相對高熱或火條件接觸所導(dǎo)致的收縮力和其他應(yīng)力的侵害，并且對于吸收和阻擋與這些條件相關(guān)的熱量是無效的。
[0039]盡管如此 ，公認(rèn)的是降低石膏面板的重量使運(yùn)輸更容易和更經(jīng)濟(jì)，并且更易于處理和安裝。因此，如果可制得在需要耐火和耐極熱的應(yīng)用中表現(xiàn)良好的低重量和低密度的石膏面板而無需依賴于諸如蛭石、粘土、膠體二氧化硅或膠體氧化鋁的添加劑，則這將是耐火石膏面板領(lǐng)域中的重要進(jìn)步。
[0040]最后，應(yīng)注意在不存在耐水添加劑的情況下，當(dāng)凝固石膏浸入水中時，其吸收其重量的至多50%的水。而且，當(dāng)石膏面板(包括耐火石膏面板)吸收水時，它們?nèi)苊?，變得變形并失去?qiáng)度，這可能使它們的耐火性質(zhì)劣化。相比于常規(guī)更重的耐火面板，低重量和密度的耐火面板具有多得多的空氣和/或水空穴。預(yù)期這些空穴會增加吸水速率和程度，從而使這種低重量耐火面板比常規(guī)更重的耐火面板更具吸水性。
[0041]在過去已有許多嘗試來通常改進(jìn)石膏面板的耐水性。已將各種烴類(包括蠟、樹脂和浙青)添加至用于制備面板的漿料中，以將耐水性賦予凝固面板。為此目的使用硅氧烷也是公知的。
[0042]盡管硅氧烷在石膏漿料中的使用是通過原位形成硅樹脂而將耐水性賦予精制面板的有用方式，但預(yù)期硅氧烷不會充分保護(hù)低重量和密度的面板。因此，本領(lǐng)域需要一種通過提高通常由硅氧烷所賦予的耐水性而以合理的成本制備具有改進(jìn)的耐水性的低重量和密度的耐火石膏面板的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0043]本發(fā)明的低重量低密度的石膏面板為在先的共同待審的美國專利申請 N0.12/795，125的教導(dǎo)的改進(jìn)，所述專利申請以引用方式并入本文?！?25申請的發(fā)明包括一種用于形成低密度石膏面板的漿料，其可包含灰泥、分散劑、含磷酸鹽的組分和預(yù)膠化淀粉。分散劑可以以約0.1重量％-3.0重量％的量存在，以干灰泥的重量計。預(yù)膠化淀粉可以以至少約0.5重量％直至約10重量％的量存在，以配方中的干灰泥的重量計。含磷酸鹽的組分可以以至少約0.12重量％的量存在，以灰泥的重量計。其他漿料添加劑可包括促進(jìn)劑、粘結(jié)劑、紙或玻璃纖維和其他已知成分。本發(fā)明也包括使用這種漿料制得的低重量低密度石骨面板。
[0044]在一些方面，本發(fā)明包括一種標(biāo)稱5/8英寸厚的低重量低密度石膏面板以及制造這種面板的方法，所述低重量低密度石膏面板比通常用于建造應(yīng)用的標(biāo)稱5/8英寸厚的石膏面板輕得多且密度更低，并具有將高熱水平經(jīng)過面板延遲超過半小時的能力。在一些這種方面，本發(fā)明的面板(芯加上覆蓋片材)具有約27至約37磅/立方英尺(“pcf ”)，優(yōu)選約 29至約34pcf，更優(yōu)選約30至約32pcf的密度，所述面板設(shè)置在兩個基本上平行的覆蓋片材之間。在這種方面，大約5/8英寸厚的本發(fā)明的面板的重量小于約19001b/msf，優(yōu)選小于約17401b/msf,且更優(yōu)選小于約16401b/msf。
[0045]在其他方面，本發(fā)明的低重量和密度的面板的配方以及制備所述面板的方法提供了石膏面板，所述石膏面板具有上述耐火性質(zhì)、小于約37pcf，優(yōu)選小于約34pcf?且更優(yōu)選小于約32pcf的密度，以及滿足ASTM C1396/C1396/M-09的標(biāo)準(zhǔn)的拔釘阻力(nail pull resistance)。更特別地,在本發(fā)明的實施例中,這種面板具有至少871b的拔釘阻力。
[0046]在本發(fā)明的其他方面，使用包含至少水、灰泥和如下確定的其他組分的含石膏的漿料提供了用于標(biāo)稱5/8英寸的耐火級面板的凝固石膏芯組合物。在一個這種實施例中， 凝固石膏芯具有約25至約36pcf的密度,且所述芯包含約10401bs/msf至約14901bs/msf 的量的灰泥；以灰泥計約0.3重量％至約4重量％的預(yù)膠化淀粉；以灰泥計約0.1重量％至約0.3重量％的礦物纖維、玻璃纖維或碳纖維，以及·以灰泥計約0.15重量％至約0.5重量％ 的磷酸鹽。(除非另外指出，否則石膏芯的組分的百分比基于用于制備芯漿料的灰泥的重量以重量表示)。
[0047]在其他方面，本發(fā)明的面板的石膏芯具有約27至約33磅/立方英尺的密度，以及約1315至約1610磅lb/msf的凝固石膏芯重量。在這種方面，所述石膏芯也包含約0.5% 至約2.0%的預(yù)膠化淀粉；約0.1%至約0.3%的礦物纖維、玻璃纖維或碳纖維?’灰泥，以及約 0.01%至約0.15%的磷酸鹽。
[0048]本發(fā)明也包括具有標(biāo)稱3/4英寸厚度的石膏面板的制備和用途。這種面板將具有如上所述的值的約120%的面板成分水平。另外，它們抵抗火和高熱條件的能力在標(biāo)稱5/8英寸厚的面板的所述能力的至少約120%的水平上。本發(fā)明的面板和芯配方的其他方面和變型在下文討論。
[0049]其他常規(guī)添加劑也可以以常規(guī)的量在本文公開的芯漿料和石膏芯組合物的方面中的每一個中使用，以將所需的性質(zhì)賦予芯，并有利于它們的制造。這種添加劑的例子為促凝劑、緩凝劑、脫水抑制劑、粘結(jié)劑、粘合劑、分散助劑、均化劑或非均化劑、增稠劑、殺菌劑、 殺真菌劑、PH調(diào)節(jié)劑、著色劑、防水劑、填料和它們的混合物。
[0050]在本文公開的本發(fā)明的面板及其制造方法的上述方面和其他方面中，使用如下進(jìn)一步討論的方法將水性泡沫以有效提供所需石膏芯密度的量添加至芯漿料中。泡沫組分向芯漿料的添加產(chǎn)生有助于一種或多種面板和/或芯強(qiáng)度性質(zhì)的空穴和空穴尺寸的分布。類似地，可將包含石膏和其他添加劑的另外的漿料層、條或帶(其可具有相對于芯的其他部分增加的密度)施用至第一或第二覆蓋片材，以將特定的性質(zhì)提供至精制面板，如硬化的邊緣或硬化的面板表面。
[0051]本發(fā)明的另一方面包括一種制備石膏面板的方法，所述石膏面板能夠?qū)崴浇?jīng)過面板延遲約半小時或更長，其中凝固石膏芯組分由含煅燒石膏的水性漿料形成。在此方面，所述漿料包含預(yù)膠化淀粉、分散劑、磷酸鹽、礦物纖維/玻璃纖維/碳纖維、泡沫和其他添加劑、水/灰泥重量比為約0.6至約1.2，優(yōu)選約0.8至約1.0，更優(yōu)選約0.9的灰泥和水。然后芯漿料作為連續(xù)帶沉積于第一覆蓋片材的連續(xù)幅材上，并在所述連續(xù)幅材上分布。 然后將第二覆蓋片材的連續(xù)幅材置于沉積的漿料上，以形成具有所需的大約5/8英寸(或 3/4)厚度的通常連續(xù)的石膏面板。在含煅燒石膏的漿料充分硬化(通過煅燒石膏的脫水以形成凝固石膏的連續(xù)基質(zhì))以用于切割之后，將所述通常連續(xù)的石膏面板切割成具有所需長度的單獨(dú)的面板，并干燥所得石膏面板。
[0052]本發(fā)明的實施例滿足或超越了對以合理成本制備具有改進(jìn)的耐水性的耐火石膏面板的催化劑和方法的需要，其中硅氧烷的聚合加速，且在一些情況中可降低滿足 ASTM1398規(guī)范所需的硅氧烷的量。
[0053]更具體地，使用包含灰泥、C類飛灰、氧化鎂、硅氧烷和水的乳狀液，以及以灰泥重量計大于2.0重量％的預(yù)膠化淀粉的漿料，硅氧烷的聚合得以改進(jìn)。該漿料在制備耐水/ 耐火石膏面板的方法中使用，所述方法包括制備硅氧烷、預(yù)膠化淀粉和水的乳狀液的漿料， 然后將所述漿料與灰泥、氧化鎂和C類飛灰的干燥混合物組合。然后使用所述漿料制造石膏面板，如前所述。所得產(chǎn)品可用于制備耐火耐水石膏面板，所述耐火耐水石膏面板具有包括硫酸鈣二水合物晶體和硅樹脂的交織基質(zhì)的芯，其中包含氧化鎂和來自C類飛灰的組分的催化劑分散于整個所述交織基質(zhì)中。
[0054]氧化鎂和C類飛灰的混合物催化硅氧烷的聚合，以加速由所述漿料制得的產(chǎn)品中耐水性的發(fā)展。以此方式制得的耐火/耐水石膏面板無需儲存長時間來等待硅氧烷的聚合反應(yīng)的完成。
[0055]該催化劑的使用也增加了反應(yīng)程度，從而產(chǎn)生改進(jìn)的耐水性。使用飛灰和氧化鎂組合，可獲得小于5重量％的吸水率。因此，除了使聚合反應(yīng)加速之外，該催化劑也允許硅氧烷更完全地聚合，從而在一些情況中允許降低硅氧烷的量。由于硅氧烷是更昂貴的面板添加劑之一，因此使用量的降低產(chǎn)生原料成本的節(jié)約。
[0056]本發(fā)明的另一優(yōu)點是面板的尺寸穩(wěn)定性。用于催化該反應(yīng)的一些化合物在面板干燥時產(chǎn)生顯著的膨脹。當(dāng)面板內(nèi)部膨脹時，其導(dǎo)致外表面的裂縫，并損壞面板。飛灰和氧化鎂的使用在精制面板中產(chǎn)生極小的膨脹和極小的裂縫。也出乎意料地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)聚合的硅樹脂在高熱條件下減少了面板的收縮。
[0057]所述組合的飛灰和氧化鎂催化劑也使用范圍廣泛的氧化鎂等級而提供了令人滿意的聚合。盡管現(xiàn)有技術(shù)僅公開了僵燒氧化鎂適于充當(dāng)硅氧烷聚合的催化劑，但當(dāng)與飛灰組合時，甚至可使用硬燒或輕燒氧化鎂。該特征為石膏面板制造商提供了在用于漿料中的氧化鎂源的選擇上的另外的自由度。
[0058]最后，大于2.0重量％的預(yù)膠化淀粉連同硅氧烷起作用，以獲得良好的耐水性。盡管認(rèn)為硅氧烷/高度預(yù)膠化淀粉組合首先通過堵塞入水口，然后通過在淀粉吸水時形成高度粘性的淀粉/水組合，從而減慢水通過面板邊緣上的微孔進(jìn)入，但本發(fā)明人不旨在受限于該理論。
[0059]如上
【發(fā)明內(nèi)容】
不旨在限制如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的其他方面和實施例在下文和所附附圖中公開。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0060]除非另外明確指出，否則如下所列并進(jìn)一步討論的附圖為本文公開的發(fā)明的示例，而非限制本文公開的發(fā)明。
[0061]圖1為在使用本發(fā)明的面板的測試組件(所述測試組件如本文實例8所述經(jīng)受在 U419的條件下的耐火測試)的未暴露未受熱表面上的最大單個傳感器溫度的圖和傳感器溫度的平均值的圖，以及用于在測試組件的暴露受熱側(cè)上的爐溫的ASTM119溫度曲線的圖。
[0062]圖2為圖1中所示的最大單個傳感器溫度和平均傳感器溫度的數(shù)據(jù)的放大圖。
[0063]圖3為在使用本發(fā)明的面板的測試組件(所述測試組件如本文實例9所述經(jīng)受在 U305的條件下的耐火測試)的未暴露未受熱表面上的最大單個傳感器溫度的圖和傳感器溫度的平均值的圖，以及用于在測試組件的暴露受熱側(cè)上的爐溫的ASTM119溫度曲線的圖。
[0064]圖4為圖3中所示的最大單個傳感器溫度和平均傳感器溫度的數(shù)據(jù)的放大圖。
【具體實施方式】
[0065]共同待審的申請的本發(fā)明的一些實施例提供了由含有灰泥、預(yù)膠化淀粉和萘磺酸鹽分散劑的含石膏的漿料制得的精制的含石膏的產(chǎn)品。所述萘磺酸鹽分散劑以約0.1重量％-3.0重量％的量存在，以干灰泥的重量計。預(yù)膠化淀粉以至少約0.5重量％直至約10 重量％的量存在，以配方中的干灰泥的重量計?？稍跐{料中使用的其他成分包括粘結(jié)劑、紙纖維、玻璃纖維和促進(jìn)劑。通常將肥皂泡沫添加至新制的含石膏的漿料中，以降低最終的含石膏的產(chǎn)品(例如石膏面板)的密度。
[0066]約0.5重量％直至約10重量％的預(yù)膠化淀粉、約0.1重量％直至約3.0重量％的萘磺酸鹽分散劑，和最少至少約0.12重量％直至約0.4重量％的含磷酸鹽的組分(所有均以石膏漿料中所用的干灰泥的重量計)的組合出乎意料地并顯著增加了石膏漿料的流動性。 這顯著降低了生產(chǎn)具有足夠流動性以用于制備含石膏的產(chǎn)品(如石膏面板)的石膏漿料所需的水量。據(jù)信作為標(biāo)準(zhǔn)配方(作為三偏磷酸鈉)的三偏磷酸鹽水平的至少約兩倍的三偏磷酸鹽水平增加了萘磺酸鹽分散劑的分散劑活性。[0067]在共同待審的申請中所用的萘磺酸鹽分散劑包括聚萘磺酸及其鹽(聚萘磺酸鹽)和衍生物(其為萘磺酸與甲醛的縮合產(chǎn)物)。特別合意的聚萘磺酸鹽包括萘磺酸鈉和萘磺酸鈣。萘磺酸鹽的平均分子量可為約3，000至27，000，盡管優(yōu)選的是分子量為約8，000至10，000。在給定固體％水溶液下，相比于更低分子量的分散劑，更高分子量的分散劑具有更高的粘度，并產(chǎn)生配方中更高的水需求?？捎玫妮粱撬猁}包括可得自俄亥俄州克利夫蘭的GEO專業(yè)化學(xué)公司(GEO Specialty Chemicals, Cleveland, Ohio) 的DIL0FL0、可得自馬薩諸塞州列克星敦的漢普夏化學(xué)公司(Hampshire Chemical Corp., Lexington, Massachusetts)的DAXAD,和可得自印第安納州拉斐特的GEO專業(yè)化學(xué)公司(GEO Specialty Chemicals, Lafayette, Indiana)的 LOMAR D。例如，萘橫酸鹽優(yōu)選用作35-55重量％固含量范圍內(nèi)的水溶液。最優(yōu)選的是使用例如約40-45重量％固含量范圍內(nèi)的水溶液形式的萘磺酸鹽?；蛘?，當(dāng)適當(dāng)時，萘磺酸鹽可以以干燥固體或粉末的形式使用，例如LOMAR D0
[0068]可用于本發(fā)明的聚萘磺酸鹽具有通用結(jié)構(gòu)(I):
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種石膏面板，其包括設(shè)置于兩個覆蓋片材之間的凝固石膏芯，所述面板具有在約 27至約371b/ft3 (約433至約592kg/m3)范圍內(nèi)的密度和至少約17分鐘的隔熱指數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石膏面板，其中所述面板具有至少約Illb(約5kg)的芯硬度， 并且在約0.625英寸(約1.588cm)的標(biāo)稱面板厚度下所述面板具有至少約851b (約39kg) 的拔釘阻力，所述拔釘阻力根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-09測定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的石膏面板，其中所述面板顯示出約10%或更小的高溫收縮率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的石膏面板，其中所述面板具有約5重量％或更小的吸水率，所述吸水率根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-09測定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的石膏面板，其中所述凝固石膏芯由漿料形成，所述漿料包含至少水、灰泥和有效提供比由不含淀粉的漿料形成的凝固石膏芯更大的芯硬度的量的淀粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的石膏面板，其中所述凝固石膏芯由漿料形成，所述漿料包含至少水、灰泥、以灰泥重量計約0.5重量％至約10重量％的量的淀粉，以及以灰泥重量計約0.1重量％至約0.3重量％的量的礦物纖維、玻璃纖維或碳纖維或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的石膏面板，其中所述漿料還包含:(i)以灰泥重量計約0.1重量％至約3重量％的量的分散劑；(ii)以灰泥重量計約0.1重量％至約0.5 重量％的量的含磷酸鹽的組分；(iii)以灰泥重量計至少約0.4重量％的量的硅氧烷；(iv) 以灰泥重量計至少約2重量％的量的預(yù)膠化淀粉；或(V) (i)- (iv)的任意組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的石膏面板，其中所述漿料還包括有效增加如下性質(zhì)的量的硅氧烷:(i)面板的耐水性，使得所述面板具有約5重量％或更小的吸水率， 所述吸水率根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-09測定；(ii)面板的耐高溫收縮性，使得所述面板顯示出比具有由不含硅氧烷的漿料形成的凝固石膏芯的面板的高溫收縮率更小的高溫收縮率；(iii)面板的耐高溫收縮性，使得所述面板顯示出為具有由不含硅氧烷的漿料形成的凝固石膏芯的面板的高溫收縮率的約一半或更小的高溫收縮率；或(iv) (i)- (iii )的任意組合。
9.一種耐火石膏面板，其包括設(shè)置于兩個覆蓋片材之間的凝固石膏芯，所述面板具有在約27至約371b/ft3 (約433至約592kg/m3)范圍內(nèi)的密度，所述面板有效抑制熱傳遞通過根據(jù)UL U419或UL U305工序制得的所述面板的組件，在所述組件中一個表面暴露于熱源，且相對的未受熱表面包括施用于其上的多個傳感器，使得在約30分鐘的經(jīng)過時間時在未受熱表面上的最大單個傳感器溫度小于約415° F (約213°C)，熱源遵循根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn) E119-09a的時間-溫度曲線，且傳感器以根據(jù)用于制備組件的工序的圖案排列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制熱傳遞通過所述組件，使得在約30分鐘的經(jīng)過時間時在未受熱表面上的平均傳感器溫度小于約340° F (約 171。。)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的耐火石膏面板，其中:(i)所述面板具有至少約Illb (約5kg)的芯硬度；(ii)所述面板具有大于約17分鐘的隔熱指數(shù)；(iii)在約 0.625英寸(約1.588cm)的標(biāo)稱面板厚度下,所述面板具有至少約851b (約39kg)的拔釘阻力，所述拔釘阻力根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-09測定；(iv)所述面板顯示出約10%或更小的高溫收縮率；(V)所述面板具有約5重量％或更小的吸水率，所述吸水率根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)C473-09 測定；或(vi) (i)- (V)的任意組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的耐火石膏面板，其中當(dāng)根據(jù)UL U305工序制得組件時，所述面板有效抑制熱傳遞通過所述組件，使得:(a)在未受熱表面上的最大單個傳感器溫度(i)當(dāng)根據(jù)ULU305測量時，在約45分鐘的經(jīng)過時間時小于約415° F (約213°C)，或(ii)當(dāng)根據(jù)ULU305測量時，在約45分鐘的經(jīng)過時間時小于約270。F (約132。。)；(b)在未受熱表面上的平均傳感器溫度(i)當(dāng)根據(jù)ULU305測量時，在約30分鐘的經(jīng)過時間時小于約340° F (約171°C)，或(ii)當(dāng)根據(jù)ULU305測量時，在約45分鐘的經(jīng)過時間時小于約245° F (約118°C)；或(c)(a)和(b)的任意組合。
【文檔編號】C04B20/06GK103596901SQ201280017800
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月25日
【發(fā)明者】余強(qiáng), W·D·宋, S·維拉瑪斯納尼, W·欒 申請人:美國石膏公司