使用高的水-灰泥比率產(chǎn)生的石膏墻板的制作方法
【專利說明】使用高的水-灰泥比率產(chǎn)生的石實(shí)墻板
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本專利申請(qǐng)要求2013年10月15日提交的美國非臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?4/054,689的權(quán) 益，該專利申請(qǐng)W引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 石膏產(chǎn)品通?？墒褂糜芍辽偎突夷嘈纬傻臐{料制造。灰泥，即半水合硫酸巧 (CaS〇4 · 1/2也0)，與水反應(yīng)形成石膏，即二水合硫酸巧（CaS〇4 · 2也0)。石膏墻板可為包含 忍、面層和背層的復(fù)合板?？赏ㄟ^W有效提供所需石膏忍密度的量向灰泥漿料加入水性泡 沫來減小石膏墻板的密度。墻板的體積由石膏、石膏晶體的堆積空隙、因水的蒸發(fā)留下的空 隙（即，水空隙）和由泡沫生成的空隙（即，泡沫空隙)所占據(jù)。由于所述板每單位體積含較少 的石膏，故可用的延長墻板耐火極限的結(jié)晶水較少。石膏墻板通常用在內(nèi)墻和天花板的干 式墻構(gòu)造中，并且應(yīng)能夠承受火和過高的溫度。因此，石膏墻板使用最大化耐火極限(fire endurance)/耐火性(res i s1:ance)的規(guī)范制造。
[0004] 石膏墻板的耐火極限/耐火性由板可承受標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的時(shí)間段量度。墻板的耐 火性根據(jù)墻板避免溫度上升、火焰通過和結(jié)構(gòu)巧塌的能力來分類。為使各方，包括建設(shè)者、 居住者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，在一個(gè)共同的基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)耐火極限，耐火試驗(yàn)組件被歸類為若干標(biāo)準(zhǔn) 配置。一些常見的組件包括由化derwriters Laboratories,Inc. ( UL嚴(yán)）定義的試驗(yàn)設(shè)計(jì)， Underwriters Laboratories，Inc.是一家測試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，有著被稱為11305、1]419和1]423 的試驗(yàn)。
[0005] 標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)根據(jù)ASTM E119的要求按慣例進(jìn)行。在此類試驗(yàn)中，可基于墻組件顯 示出溫度過度上升或火焰通過或結(jié)構(gòu)巧塌的時(shí)間來建立耐火性分級(jí)。當(dāng)如通過未暴露表面 上若干熱電偶所測得平均溫度升高環(huán)境溫度W上不止250°F或任何單獨(dú)的熱電偶升高環(huán)境 溫度W上不止325°即寸發(fā)生試驗(yàn)的失敗。系統(tǒng)耐火極限的持續(xù)時(shí)間不僅依賴于系統(tǒng)中所用 的石膏板，而且依賴于許多其它因素，包括墻組件厚度、壁骨類型和間距、板尺寸、絕緣類型 等。
[0006] 雖然現(xiàn)有的技術(shù)在延長墻板耐火極限和耐火性方面是有用的，但進(jìn)一步的改進(jìn)總 是可取的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種耐火石膏板，其包含設(shè)置于兩個(gè)覆蓋片材之間的 凝固石膏組合物，所述凝固石膏組合物包含由漿料形成的凝固石膏的互鎖基質(zhì)，所述漿料 包含至少灰泥和水。所述漿料具有約0.7至約2.0的水-灰泥比率。所述耐火石膏板具有約 24化s/ft3至約4(Ubs/ft3的密度，并且當(dāng)在約5/8英寸的厚度下時(shí)，所述耐火石膏板具有如 根據(jù)ASTM C473-09(例如，ASTM C473-09,方法B)所測得至少約7(Ubs力的拔釘阻力，和高于 約52分鐘的耐火極限指數(shù)(FEI)。
[000引在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種耐火石膏板，其包含設(shè)置于兩個(gè)覆蓋片材之間 的凝固石膏組合物，所述凝固石膏組合物包含由漿料形成的凝固石膏的互鎖基質(zhì)，所述漿 料包含至少灰泥和水并具有約1.2至約2.0的水-灰泥比率。所述耐火石膏板具有約24化s/ ft3至約401bs/ft3的密度，并且當(dāng)在約5/8英寸的厚度下時(shí)，所述耐火石膏板具有如根據(jù) ASTM C473-09(例如，ASTM C473-09,方法B)所測得至少約7(Ubs力的拔釘阻力，和高于約54 分鐘的耐火極限指數(shù)(FEI)。
[0009] 在又一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種用于制造耐火石膏板的方法，其包括形成至 少灰泥和水的漿料。所述漿料具有約0.7至約2.0的水-灰泥比率。將石膏灰泥漿料沉積在片 材上W產(chǎn)生板預(yù)制體。在漿料對(duì)于切割來說已充分硬化后將板預(yù)制體切割成預(yù)定的尺寸。 將板干燥。所述耐火石膏板具有約24化s/ft3至約4(Ubs/ft3的密度，并且當(dāng)在約5/8英寸的 厚度下時(shí)，所述耐火石膏板具有如根據(jù)ASTM C473-09(例如，ASTM C473-09,方法B)所測得 至少約7(Ubs力的拔釘阻力，和高于約52分鐘的耐火極限指數(shù)(FEI)。
[0010] 閱讀下面的描述，本發(fā)明的運(yùn)些及其它優(yōu)點(diǎn)W及另外的發(fā)明特征將是顯而易見 的。
【附圖說明】
[0011] 圖1為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的低密度石膏板的橫截面的圖。
[0012] 圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用來測定墻板樣品的耐火極限指數(shù)(FEI)的小規(guī) 模試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
[0013] 圖3為線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在圖2中所示小規(guī)模耐火試驗(yàn)過程中使用 的爐的溫度(Y-軸)對(duì)時(shí)間(X-軸）曲線。
[0014] 圖4為線圖，示出了U419試驗(yàn)的耐火極限(Y-軸)與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖2小規(guī) 模試驗(yàn)的耐火極限(X-軸)之間的相關(guān)性。
[0015] 圖5為線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在小規(guī)模耐火試驗(yàn)過程中實(shí)例1的墻板的 未暴露表面的溫度(Y-軸)對(duì)時(shí)間(X-軸)的關(guān)系。
[0016] 圖6為線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在小規(guī)模耐火試驗(yàn)過程中實(shí)例2的墻板的 未暴露表面的溫度(Y-軸)對(duì)時(shí)間(X-軸)的關(guān)系。
[0017] 圖7為線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在小規(guī)模耐火試驗(yàn)過程中實(shí)例3的墻板的 未暴露表面的溫度(Y-軸)對(duì)時(shí)間(X-軸)的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明的實(shí)施例至少部分地W下述令人驚奇且意外的發(fā)現(xiàn)為前提:包含更大的數(shù) 量的水空隙和減少的數(shù)量的泡沫空隙的墻板具有更高的耐火極限。發(fā)現(xiàn)位于石膏基質(zhì)中的 空隙的尺寸對(duì)墻板的耐火極限有著顯著影響。具體而言，發(fā)現(xiàn)微觀的、均勻分布的水空隙通 常比大的、互連的泡沫空隙優(yōu)選。為制備包含增大的數(shù)量的水空隙的板，可提高水-灰泥比 率。一般來說，石膏墻板包含運(yùn)樣的忍，其包含由水-灰泥比率為約0.7至約2.0的漿料形成 的凝固石膏的互鎖基質(zhì)。
[0019] -般來說，當(dāng)石膏墻板在熱應(yīng)力下時(shí)，熱能最初將被引導(dǎo)向硫酸巧結(jié)合水分子的 蒸發(fā)。正是運(yùn)兩分子的水賦予石膏高度耐熱性。在達(dá)到215°F后，水分子被趕走，運(yùn)導(dǎo)致半水 合硫酸巧(CaS化· 1/2出0)的形成。當(dāng)溫度達(dá)到250°即寸，剩余的水隨著石膏轉(zhuǎn)化為無水硫酸 巧而失去。兩個(gè)反應(yīng)均是吸熱的，意味著隨著其從二水合物"般燒"成無水石膏，石膏將吸收 熱。
[0020] 在墻板試驗(yàn)組件中，熱將自爐向暴露板的表面?zhèn)鬟f。隨著暴露墻板的表面溫度升 高，板上的溫度梯度將增大。隨著傳熱的繼續(xù)，未暴露墻板的表面溫度將因墻板中的結(jié)晶水 被趕走而升高。
[0021] 石膏制品的耐火極限據(jù)信與制品內(nèi)所含石膏的量直接相關(guān)。據(jù)信隨著石膏的量減 小，石膏制品的耐火極限將減小，因?yàn)榭捎脕碚舭l(fā)的結(jié)晶水較少。一種針對(duì)耐火極限的先前 方法聚焦于較厚和/或較致密石膏忍（即，相對(duì)包含更多石膏的忍）的形成。隨著石膏增多， 忍將在忍內(nèi)包含增大的量的化學(xué)結(jié)合水，所述水可充當(dāng)吸熱設(shè)備、減少收縮W及提高結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性和強(qiáng)度。
[0022] 墻板工業(yè)中的當(dāng)前趨勢是開發(fā)輕質(zhì)、低密度的墻板?？苫趬Π宓哪繕?biāo)基重通過 混合灰泥漿料與預(yù)定的量的泡沫來實(shí)現(xiàn)低的基重。隨著板每單位體積含較少的石膏，可用 于墻板的耐火極限的結(jié)晶水將較少。另外，在暴露于火的過程中，收縮百分?jǐn)?shù)可能隨著板密 度的減小而增大。兩個(gè)因素均使得越來越難W通過耐火試驗(yàn)。常向配方中加入高熱膨脹添 加劑來改善耐火極限。然而，低重量墻板中大量的高熱膨脹顆粒的膨脹可能導(dǎo)致剝落和破 碎。
[0023] 石膏墻板可包含源自（a)石膏晶體的堆積、（b)水的蒸發(fā)和(C)任何泡沫添加劑的 存在的空隙。為了使得板具有恒定的密度，當(dāng)泡沫空隙增多時(shí)，可通過下調(diào)水-灰泥比率來 減少水空隙的量；當(dāng)水空隙增多時(shí)，可通過添加較少的泡沫來減少泡沫空隙的量(參見圖 1)。不希望受理論束縛，但當(dāng)暴露于火時(shí)，來自化S化· 2出0的水蒸氣在被釋放到大氣中之前 必須行進(jìn)通過板。泡沫空隙可能較大并在火災(zāi)中允許水蒸氣快速自石膏忍逃離。由于水空 隙是微觀的，故與行進(jìn)通過泡沫空隙時(shí)相比，蒸氣必須克服更高的流動(dòng)阻力。結(jié)果，水蒸氣 流動(dòng)通過板要花更長的時(shí)間，從而提高墻板的耐火極限。因此，具有增大的數(shù)量的水蒸發(fā)空 隙的墻板，例如用較高的水-灰泥比率制得的墻板，可具有較高的耐火極限。然而，如果水- 灰泥比率太高(而泡沫量太低），則蒸氣壓可能積聚，從而導(dǎo)致墻板的巧塌。為取得有效的耐 火極限，石膏墻板可用最佳的水-灰泥比率和泡沫含量制備。為產(chǎn)生具有最佳耐火極限和輕 質(zhì)性質(zhì)的墻板，可取得水含量與耐火極限性質(zhì)之間的平衡。
[0024] 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解和認(rèn)可，水-灰泥比率是石膏板制造中的一個(gè)重要 參數(shù)。水-灰泥比率表示每單位灰泥量的水量。由于在趕走過量水的最終干燥步驟過程中加 熱工藝中所用燃料的高成本，故制造商通常限制灰泥漿料中的水量。高的水-灰泥比率還導(dǎo) 致漿料流動(dòng)性的增加，運(yùn)可能使得灰泥石膏漿料更難W操作。與具有高的水-灰泥比率的漿 料不同，具有低水含量的漿料在凝固過程中有著提高的石膏晶體生長速率，因?yàn)榭捎玫某?核位點(diǎn)集中到混合物的較小體積中。在此情況下，晶體生長較快且石膏晶體的互鎖程度較 高。由于此現(xiàn)象，據(jù)信具有較低水-灰泥比率的漿料產(chǎn)生具有較高強(qiáng)度的石膏產(chǎn)品。
[0025] 令人驚奇且意外的是，已發(fā)現(xiàn)石膏板可具有比具有較少石膏的板更高的耐火極 限，甚至在不存在添加劑的情況下。具體而言，包含具有較高水-灰泥比率的忍的較低重量 的板可具有比具有較大石膏含量的板更高的耐火極限(例如，參見表1，樣品1和2)。已發(fā)現(xiàn)， 由包含約0.7至約2.0的水-灰泥比率的漿料制得的墻板具有高的耐火極限。水-灰泥比率基 于水的重量與干燥的般石膏的重量的比較來計(jì)算。本發(fā)明的墻板可具有比用低于約0.7的 水-灰泥比率制得并具有相當(dāng)或等價(jià)的板密度和厚度的板高的耐火極限。在一些實(shí)施例中， 水-灰泥比率為約0.9至約1.4。發(fā)現(xiàn)耐火極限指數(shù)值在1.4的水-灰泥比率之后趨于平緩。 水-灰泥比率從1.2增至1.4導(dǎo)致耐火極限指數(shù)增加2.7分鐘，而水-灰泥比率從1.4增至1.6 導(dǎo)致0.8分鐘的增加。因此，優(yōu)選的水-灰泥比率在約1.4W下，當(dāng)水-灰泥比率為約1.2至約 1.4時(shí)獲得最高成本效益。
[00%] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，水-灰泥比率可例如為如下表1A和1B中所列。在運(yùn)些表中， "X"表示范圍"約[頂行中的相應(yīng)值]至約[最左列中的相應(yīng)值]"。所示的值表示水-灰泥比 率。為了便于呈現(xiàn)，應(yīng)理解每一個(gè)值均表示"約"該值。例如，表1A中的第一個(gè)?'為范圍"約 0.7至約0.8"。該表的范圍介于起點(diǎn)和終點(diǎn)之間并包括起點(diǎn)和終點(diǎn)。
[0027]表1A
[002引
[0029]表1B
[0030]
[0031] 如上所述，水-灰泥比率的增大導(dǎo)致灰泥漿料的流動(dòng)性的增加。本領(lǐng)域中通常使用 分散劑來幫助流化水與半水合硫酸巧的混合物W便需要較少的水來制備可流動(dòng)漿料。此 夕h向漿料中加入分散劑W通過減少在干燥步驟過程中必須移除的水的量來降低生產(chǎn)成 本。
[0032] 不希望受理論束縛，但一些實(shí)施例可能不需要分散劑，因?yàn)榫哂懈叩乃?灰泥比率 的漿料可能具有足夠的流動(dòng)性。在其它實(shí)施例中，可向漿料中加入減少的量的分散劑來賦 予足夠的流動(dòng)性?；夷酀{料通常W基于灰泥的重量計(jì)低于約0.4重量％的量包含分散劑。加 到灰泥漿料的分散劑的量可為基于灰泥的重量計(jì)低于約0.1重量％的量。在本發(fā)明的實(shí)施 例中，基于灰泥的重量計(jì)，分散劑W重量計(jì)的量可例如為如表1C中所列。在該表中，"X"表示 范圍"約[頂行中的相應(yīng)值]至約[最左列中的相應(yīng)值]"。所示的值表示分散劑的量(表1C)。 為了便于呈現(xiàn)，應(yīng)理解每一個(gè)值均表示"約"該值。例如，表1C中的第一個(gè)?'為范圍"約0% 至約0.05%"。該表的范圍介于起點(diǎn)和終點(diǎn)之間并包括起點(diǎn)和終點(diǎn)。
[0033]表1C [00341
[0035] 在一些實(shí)施例中，此類分散劑可包括糞橫酸鹽，如聚糞橫酸及其鹽(聚糞橫酸鹽） 和衍生物，糞橫酸鹽為糞橫酸與甲醒的縮合產(chǎn)物。此