TW201514123A - 使用高水比灰泥比率生產之石膏壁板 - Google Patents

使用高水比灰泥比率生產之石膏壁板 Download PDF

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Abstract

本發明描述一種石膏組合物、板及生產耐火性增加之石膏板的方法。基於特定水比灰泥比率，含凝固石膏之組合物可用於製備具有耐火性之石膏板。

Description

使用高水比灰泥比率生產之石膏壁板 相關申請案之交叉參考
本專利申請案主張2013年10月15日申請之美國非臨時專利申請案第14/054,689號的權益，所述專利申請案以引用之方式併入。
石膏產品大體上可使用由至少水及灰泥形成之漿料來製造。灰泥為半水合硫酸鈣(CaSO4˙½H2O)，其與水反應以形成石膏，該石膏為二水合硫酸鈣(CaSO4˙2H2O)。石膏壁板可為包含芯材、表面薄片及背面薄片之複合板。可藉由以有效提供所需石膏芯材密度之量向灰泥漿料中添加水基泡沫來降低石膏壁板之密度。壁板之體積由石膏、石膏晶體之堆積空隙、水蒸發殘留之空隙(亦即水空隙)及由泡沫產生之空隙(亦即泡沫空隙)佔據。由於每單位體積之板含有的石膏較少，可供用於擴展壁板之耐火性(fire endurance)的結晶水較少。石膏壁板常用於室內牆壁及天花板之乾壁構造，且應能夠承受火及過量溫度。因此，使用使耐火性/抗火 性(fire resistance)最大化之規範來製造石膏壁板。
藉由板可承受標準耐火測試之時間段來量測石膏壁板之耐火性/抗火性。壁板之抗火性根據壁板避免溫度增加、火焰通過及結構性收縮之能力來加以分類。為使各個團體(包括建築公司、居住者及管理機構)在共同基礎上評估耐火性，將耐火測試總成分類為若干標準配置。一些常見總成包括由測試及認證機構Underwriters,Inc.(UL®)所界定之測試設計，該機構具有稱為U305、U419及U423之測試。
通常根據ASTM E119之要求進行標準耐火測試。在該等測試中，可基於壁總成顯示過量溫度上升或火焰通過或結構性收縮之時間來建立抗火性分類。當藉由未暴露表面上之若干熱電偶所量測的平均溫度增加超過環境溫度以上250℉時，或當任何單個熱電偶上升超過環境溫度以上325℉時，出現測試失敗。系統耐火性之持續時間不僅視用於該系統中之石膏板而定，且亦視許多其他因素而定，包括壁總成厚度、螺柱類型及間距、板大小、絕熱類型及其他。
儘管現有技術適用於擴展壁板耐火性及抗火性，但始終需要進一步改良。
在一個態樣中，本發明提供一種抗火性石膏板，其包含安置在兩個覆蓋片之間的凝固石膏組合物，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質。該漿料之水比灰泥比率(water-to-stucco ratio)為 約0.7至約2.0。抗火性石膏板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09(例如ASTM C473-09，方法B)所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(Fire Endurance Index；FEI)大於約52分鐘。
在另一個態樣中，本發明提供一種抗火性石膏板，其包含安置在兩個覆蓋片之間的凝固石膏組合物，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質，且其水比灰泥比率為約1.2至約2.0。抗火性石膏板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09(例如ASTM C473-09，方法B)所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數大於約54分鐘。
在又另一個態樣中，本發明提供一種用於製造抗火性石膏板之方法，其包含形成至少灰泥及水之漿料。該漿料之水比灰泥比率為約0.7至約2.0。將石膏灰泥漿料沈積在薄片上以產生板預成型體。在漿料硬化至足以切割之後，將板預成型體切割為預定尺寸。使板乾燥。抗火性石膏板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09(例如ASTM C473-09，方法B)所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數大於約52分鐘。
本發明之此等及其他優勢以及另外之本發明特徵將自以下描述而顯而易見。
200‧‧‧測試系統
202‧‧‧馬弗爐
204‧‧‧罩殼
206‧‧‧鍋爐腔室
208‧‧‧門
210‧‧‧熱源
212‧‧‧樣品
214‧‧‧間隙
215‧‧‧背面
216‧‧‧隔片
218‧‧‧熱電偶
220‧‧‧資料獲取單元
222‧‧‧鍋爐溫度感測器
224‧‧‧加熱器控制器
301‧‧‧線
302‧‧‧線
303‧‧‧線
304‧‧‧線
305‧‧‧線
306‧‧‧FEI線
307‧‧‧短虛線
308‧‧‧實線
309‧‧‧短虛線
310‧‧‧FEI線
311‧‧‧線
312‧‧‧線
313‧‧‧線
314‧‧‧線
315‧‧‧FEI線
圖1為顯示根據本發明之實施例的低密度石膏板之橫截面的圖式。
圖2為顯示根據本發明之實施例，用於測定壁板樣品之耐火性指數(FEI)的小型測試裝置之結構的圖式。
圖3為顯示根據本發明之實施例，在圖2中所展示之小型耐火測試期間所用之鍋爐的溫度概況(Y軸)隨時間(X軸)變化的線圖。
圖4為顯示根據本發明之實施例，在U419測試之耐火性(Y軸)與圖2小型測試之耐火性(X軸)之間相關性的線圖。
圖5為顯示根據本發明之實施例，在小型耐火測試期間實例1之壁板的未暴露表面溫度(Y軸)隨時間(X軸)變化的線圖。
圖6為顯示根據本發明之實施例，在小型耐火測試期間實例2之壁板的未暴露表面溫度(Y軸)隨時間(X軸)變化的線圖。
圖7為顯示根據本發明之實施例，在小型耐火測試期間實例3之壁板的未暴露表面溫度(Y軸)隨時間(X軸)變化的線圖。
本發明之實施例至少部分以以下出人意料且未預期之發現為前提：包含較高數量之水空隙及數量減少之泡 沫空隙的壁板具有較高耐火性。發現位於石膏基質中之空隙的大小對壁板之耐火性影響明顯。具體言之，發現微觀、均勻分佈之水空隙相對於較大之互連泡沫空隙大體上較佳。為製備包含數量增加之水空隙的板，可增加水比灰泥比率。一般而言，石膏壁板所包含之芯材包含由水比灰泥比率為約0.7至約2.0之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質。
一般而言，當石膏壁板處於熱應力下時，熱能最初針對硫酸鈣結合之水分子的蒸發。彼等兩個水分子使得石膏針對熱量具有高度抗性。在達到215℉後，水分子離開，導致形成半水合硫酸鈣(CaSO4˙½H2O)。當溫度到達250℉時，隨著石膏轉化為硫酸鈣硬石膏，失去殘餘水。兩個反應均為吸熱的，意謂隨著石膏自二水合物「煅燒」為硬石膏，其將吸收熱量。
在壁板測試總成中，熱量自鍋爐轉移至暴露板之表面。隨著暴露壁板之表面溫度增加，跨該板之溫度梯度增加。隨著熱傳遞繼續，隨著壁板中之結晶水離開，未暴露壁板之表面溫度增加。
咸信石膏製品之耐火性與含於該製品內之石膏的量直接相關。咸信隨著石膏量減少，因為待蒸發之結晶水較少，石膏製品之耐火性降低。達成耐火性之先前方法集中於形成較厚及/或較緻密之石膏芯材(亦即包含相對較多石膏之芯材)。隨著石膏增加，芯材包含其量增加的在該芯材內以化學方式結合之水，該芯材可充當散熱片、減少收縮及增加結構穩定性及強度。
目前壁板工業中之趨勢為開發輕型低密度壁板。低基本重量可藉由基於壁板之目標基本重量將灰泥漿料與預定量之泡沫混合來達成。由於每單位體積之板含有的石膏較少，可供用於壁板之耐火性的結晶水較少。另外，在暴露於火中期間，收縮百分比可能隨著板密度降低而增加。兩個因素均使得通過耐火測試愈來愈難。常常向調配物中添加高熱膨脹添加劑以改良耐火性。然而，較大量之高熱膨脹粒子在低重量壁板中的膨脹可能導致剝離及粉碎。
石膏壁板可包含來源於(a)石膏晶體之堆積、(b)水之蒸發及(c)任何泡沫添加劑之存在的空隙。為製造具有恆定密度之板，隨著泡沫空隙增加，可藉由下調水比灰泥比率來減少水空隙之量；隨著水空隙增加，可藉由添加較少泡沫來減少泡沫空隙之量(參見圖1)。在不希望受理論束縛的情況下，當暴露於火中時，來自CaSO4˙2H2O之水蒸氣在釋放至氛圍中之前必須行進通過板。泡沫空隙可相對較大，且在起火期間允許水蒸氣自石膏芯材快速逸出。因為水空隙為微觀的，蒸氣必須解決之流阻比在行進通過泡沫空隙時高。因此，水蒸氣流動通過板之時間較長，因此增加壁板之耐火性。因此，水蒸發空隙之數量增加(例如用較高水比灰泥比率製得)的壁板可具有較高耐火性。然而，若水比灰泥比率太高(且泡沫量太低)，則蒸氣壓可能累積，導致壁板收縮。為得到有效耐火性，可用最佳水比灰泥比率及泡沫含量來製備石膏壁板。為產生具有最佳耐火性及輕型特性之壁板，可在水含量與耐火性特性之間達成平衡。
如一般熟習此項技術者應理解及瞭解的，水比灰泥比率為石膏板製造中之重要參數。水比灰泥比率表示每灰泥量之水量。製造商通常限制灰泥漿料中之水量，歸因於在加熱製程中在最終乾燥步驟期間用於使過量水離開之燃料的高成本。高水比灰泥比率亦導致漿料流動性增加，其可能使得灰泥石膏漿料較難以操作。不同於具有高水比灰泥比率之漿料，水含量低之漿料在凝固期間的石膏晶體生長速率增加，因為可供使用之成核位點濃縮至混合物之較小體積中。在此情境下，晶體生長較快且石膏晶體連鎖之程度較高。歸因於此現象，咸信水比灰泥比率較低之漿料產生強度較高之石膏產品。
出乎意料且未預期地，已發現石膏板之耐火性甚至在不存在添加劑之情況下可比石膏較少之板的耐火性高。具體言之，包含水比灰泥比率較高之芯材的較低重量之板的耐火性可比石膏含量較大之板高(例如參見表1，樣品1及2)。已發現自包含約0.7至約2.0之水比灰泥比率的漿料製備的壁板具有高耐火性。基於水重量與無水煆石膏之重量相比較來計算水比灰泥比率。本發明之壁板的耐火性可大於用低於約0.7之水比灰泥比率製備的板，而板密度及厚度相當或同等。在一些實施例中，水比灰泥比率為約0.9至約1.4。發現耐火性指數值在1.4之水比灰泥比率之後趨於平衡。水比灰泥比率自1.2增加至1.4導致耐火性指數增加2.7分鐘，而水比灰泥比率自1.4增加至1.6導致增加0.8分鐘。因此，較佳水比灰泥比率低於約1.4，且當水比灰泥比率為約1.2至約1.4 時獲得最高成本益處。
在本發明之實施例中，水比灰泥比率可如例如在下表1A及1B中所列。在該等表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示水比灰泥比率。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1A中之第一個「X」為範圍「約0.7至約0.8」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
如上所述，水比灰泥比率之增加導致灰泥漿料流動性之增加。分散劑在此項技術中大體上用於幫助使水與半水合硫酸鈣之混合物流體化，以使得製造可流動漿料所需要之水較少。此外，向漿料中添加分散劑以藉由減少必須在乾燥步驟期間移除之水量來降低生產成本。
在不希望受理論束縛的情況下，因為具有高水比灰泥比率之漿料可具有足夠流動性。所以一些實施例可不需要分散劑。在其他實施例中，可向漿料中添加其量減少之分散劑以賦予足夠流動性。灰泥漿料大體上包含按灰泥重量計小於約0.4重量%之量的分散劑。向灰泥漿料中添加之分散劑的量可為按灰泥重量計小於約0.1重量%的量。在本發明之實施例中，按灰泥重量計的分散劑重量之量可如在例如在表1C中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至 約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示分散劑之量(表1C)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1C中之第一個「X」為範圍「約0%至約0.05%」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
在一些實施例中，該等分散劑可包括萘磺酸鹽，諸如聚萘磺酸及其鹽(聚萘磺酸鹽)及衍生物，其為萘磺酸與甲醛之縮合產物。該等聚萘磺酸鹽包括萘磺酸鈉及萘磺酸鈣。萘磺酸鹽之平均分子量可在介於約3,000至27,000之範圍內變化，儘管分子量可為約8,000至10,000。在既定固體百分比之水溶液中，與較低分子量分散劑相比，較高分子量分 散劑之黏度較高且在調配物中產生較高水需求量。
萘磺酸鹽包括可自GEO Specialty Chemicals,Cleveland,Ohio購得之DILOFLO；可自Hampshire Chemical Corp.,Lexington,Mass.購得之DAXAD；及可自GEO Specialty Chemicals,Lafayette,Ind.購得之LOMAR D。舉例而言，萘磺酸鹽可以固體含量介於約35重量%至約55重量%範圍內之水溶液的形式加以使用。萘磺酸鹽呈例如固體含量介於約40重量%至約45重量%範圍內之水溶液的形式。舉例而言，萘磺酸鹽可以無水固體或粉末形式(諸如LOMAR D)加以使用。
在其他實施例中，可採用熟習此項技術者已知的適用於改良石膏漿料中流動性之分散劑，諸如聚羧酸鹽分散劑。多種聚羧酸鹽分散劑，特定言之聚羧酸醚為已知類型之分散劑。一類分散劑包括兩個重複單元且進一步描述於美國專利第7,767,019號中，其與分散劑相關且以引用之方式併入本文中。此等分散劑之實例為BASF Construction Polymers,GmbH(Trostberg,Germany)之產品且由BASF Construction Polymers,Inc.(,Ga.)(下文「BASF」)供應，且下文稱為「PCE211型分散劑」。PCE211型分散劑之特定分散劑指定為PCE211(下文「211」)。此系列中之其他聚合物包括PCE111。PCE211型分散劑更充分地描述於美國公開案第US 2007/0255032A1號中，其與分散劑相關且以引用之方式併入本文中。一種類型之該等PCE211類型分散劑的分子量可為約20,000至約60,000道爾頓。已發現較低分子量分散劑所造成的凝固時間之延遲比分子量大於60,000道爾頓之分散劑少。 導致總分子量增加之較長側鏈長度一般提供較好可分散性。然而，用石膏之測試指示分散劑之功效在50,000道爾頓以上之分子量下可減少。
另一個類別之聚羧酸鹽化合物包括揭示於美國專利第6,777,517號中且下文稱為「2641型分散劑」之彼等化合物，該專利與分散劑相關且以引用之方式併入本文中。PCE211型及2641型分散劑之實例由BASF製造。較佳2641型分散劑由BASF以MELFLUX 2641F、MELFLUX 2651F及MELFLUX 2500L分散劑出售。
又一個分散劑家族由BASF出售且稱為「1641型分散劑」。1641型分散劑更充分地描述於美國專利第5,798,425號中，其與分散劑相關且以引用之方式併入本文中。該等1641型分散劑之一由BASF以MELFLUX 1641F分散劑出售。其他分散劑包括其他聚羧酸鹽醚(諸如可自Chester,S.C.之Coatex,Inc.購得的COATEX Ethacryl M)及木質磺酸鹽或磺化木質素。木質磺酸鹽為水溶性陰離子聚電解質聚合物，其為使用亞硫酸鹽製漿來產生木漿的副產物。適用於實踐本發明之原理的木質素之一個實例為可自Reed Lignin Inc.,Greenwich,Conn購得之Marasperse C-21。
在其他實施例中，組合物、壁板或方法可「實質上無」分散劑，其意謂該組合物、壁板或方法含有(i)按灰泥重量計0重量%之該分散劑或無該分散劑，或含有(ii)無效量或(iii)不大量之分散劑。如一般熟習此項技術者將瞭解的，無效量之一個實例為低於達成使用分散劑之預定目的 之臨界量的量。如一般熟習此項技術者將瞭解的，不大量可為按灰泥重量計低於約5重量%，諸如低於約2重量%、低於約1重量%、低於約0.5重量%、低於約0.2重量%、低於約0.1重量%或低於約0.01重量%。然而，在替代性實施例中若需要，則該等成分可包括在組合物、壁板或方法中。
可向石膏組合物中添加澱粉以改良板強度，及向紙中添加以改良芯材黏著。在不希望受理論束縛的情況下，可向灰泥漿料中添加膠凝化澱粉以降低漿料之流動性。本發明之澱粉可在向灰泥組合物中添加之前膠凝化(亦即預膠凝化)。在一些實施例中，膠凝化澱粉當向漿料中添加時為部分膠凝化的，且在乾燥步驟中(例如在窯中)發生其餘膠凝化。
灰泥漿料可以任何量包含膠凝化澱粉。在一些實施例中，澱粉之量按灰泥重量計大於約1重量%。在本發明之實施例中，按灰泥重量計的膠凝化澱粉之量可如例如在表1D中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示膠凝化澱粉之量(表1D)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1D中之第一個「X」為範圍「約1%至約1.5%」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
一般熟習此項技術者將瞭解使生澱粉之方法，諸如在至少約185℉(85℃)之溫度下於水中蒸煮生澱粉或其他方法。預膠凝化澱粉之適合實例包括(但不限於)可購自Bunge Milling Inc.之PCF 1000澱粉及均可購自Archer Daniels Midland Company之AMERIKOR 818及HQM澱粉。另外，芯材可視情況包含表徵為具有「中範圍」黏度(亦即黏度為約20厘泊至約700厘泊)的預膠凝化澱粉。
可在一些實施例中使用增稠劑以獲得用於在形成作業線上製造板的恰當流變。可向漿料中添加使灰泥漿料之流動性充分降低所需的任何增稠劑。舉例而言，可向石膏 組合物中添加矽石煙、波特蘭水泥(Portland cement)、飛灰、黏土、纖維素纖維及其混合物。此對線速度大於200呎/分鐘之作業線上的增厚漿料最有利。亦可向石膏漿料中添加高分子量聚合物(諸如聚丙烯醯胺)以降低該漿料之流動性。在一些實施例中，可以按灰泥重量計小於約10重量%向漿料中添加增稠劑或增稠劑之混合物。
在一些實施例中，可向芯材中添加高膨脹粒子。舉例而言，可為向漿料中添加非膨脹蛭石以進一步改良耐火性。與用較大量之蛭石及包含低水比灰泥比率之漿料製備的芯材相比，由水比灰泥比率增加之灰泥漿料製備的石膏芯材可具有較少量之蛭石以增加耐火性。
在一些實施例中，灰泥漿料包含小於約5重量%之蛭石。可利用相對低膨脹蛭石，諸如稱為「級別編號5」非膨脹蛭石(典型粒度小於約0.0157吋(0.40mm))；或呈膨脹體積高於級別編號5蛭石(美國定級系統)之蛭石形式的高膨脹粒子；及其他低膨脹蛭石。在其他實施例中，可使用在不同定級系統下分類之高膨脹蛭石。該等高膨脹蛭石之膨脹及/或熱阻特徵應與本文論述之彼等蛭石的典型特徵實質上類似。舉例而言，在一些實施例中，可使用分類為歐洲、南美洲或南非級別0(微米)或級別1(超細)之蛭石。
在一些實施例中，所用高膨脹蛭石可包括經由多種來源市售之商業美國級別4蛭石。舉例而言，商品生產者可提供高膨脹蛭石之物理特性的規範，諸如莫氏硬度(Mohs hardness)、總水分、自由水分、容積密度、比率、縱橫比、 陽離子交換能力、溶解性、pH值(在蒸餾水中)、膨脹率、膨脹溫度及熔點。預期在不同實施例中使用不同來源之高膨脹蛭石時，此等物理特性將變化。
在一些實施例中，高膨脹蛭石粒子大體上分佈在整個石膏板之芯材部分中。在其他實施例中，高膨脹蛭石粒子大體上均勻分佈在整個石膏板之芯材部分中。高膨脹蛭石大體上可隨機分佈在整個芯材之任何密度降低部分中。在一些實施例中，可能需要使蛭石分佈在板之較緻密部分中不同，諸如在鄰接板表面的任何密度增加之石膏層中或在沿板邊緣密度較高之芯材部分中。在其他實施例中，高膨脹蛭石可自板之彼等較緻密部分實質上排除，諸如板之硬化邊緣及表面。蛭石粒子含量及分佈在板之較緻密部分中的該等變化可歸因於自芯材漿料混合器抽取芯材漿料以用於板之彼等部分中，其藉由經由其他適當手段將蛭石引入至該漿料中以用於板之密度降低芯材部分，藉由使用邊緣混合器或熟習此項技術者已知之其他手段來進行。
在其他實施例中，組合物、壁板或方法可「實質上無」高膨脹材料(諸如蛭石)，其意謂該組合物、壁板或方法含有(i)按灰泥重量計0重量%之該等高膨脹材料(諸如蛭石)或無該等高膨脹材料，或含有(ii)無效量或(iii)不大量之高擴展材料(諸如蛭石)。如一般熟習此項技術者將瞭解的，無效量之一個實例為低於達成使用高膨脹材料(諸如蛭石)之預定目的之臨界量的量。如一般熟習此項技術者將瞭解的，量可為按灰泥重量計低於約5重量%，諸如低於約2 重量%、低於約1重量%、低於約0.5重量%、低於約0.2重量%、低於約0.1重量%或低於約0.01重量%。然而，在替代性實施例中若需要，則該等成分可包括在組合物、壁板或方法中。
可採用類似於在此項技術中所採用之彼等組合物及方法的組合物及方法來實踐本發明，以製備各種含凝固石膏之產品。在芯材中，用於形成結晶基質之灰泥(或煆石膏)組分通常包含來自天然或合成來源的半水合β硫酸鈣、水溶性硫酸鈣硬石膏、半水合α硫酸鈣或此等物質之任何或全部混合物，基本上由其組成或由其組成。在一些實施例中，灰泥可包括非石膏礦物質，諸如與石膏來源結合或在煅燒、加工及/或遞送期間添加的少量黏土或其他組分。
石膏芯材在本發明之實踐中可以習用量包含習知添加劑以賦予所需特性及促進製造，該等添加劑諸如適合之水基泡沫、凝固促進劑、凝固延遲劑、再煅燒抑制劑、黏合劑、黏著劑、調平或非調平劑、殺菌劑、殺真菌劑、pH調節劑、著色劑、補強材料、阻燃劑、防水劑、填充劑、尺寸強化劑及其混合物。另外，石膏芯材可包含諸如以下各者之添加劑：膦酸及/或膦酸鹽化合物、磷酸及/或磷酸鹽化合物、羧酸及/或羧酸鹽化合物、硼酸及/或硼酸鹽化合物、及其混合物。
可在本發明之含石膏組合物中使用促進劑，如美國專利第6,409,825號中所描述，其與促進劑相關且以引用之方式併入本文中。一種所需耐熱性加速劑(heat resistant accelerator；HRA)可由無水研磨石膏粉(二水合硫酸鈣)來製備。少量添加劑(通常約5重量%)(諸如糖、右旋糖、硼酸及澱粉)可用於製造此HRA。目前糖或右旋糖較佳。另一種適用之加速劑為「氣候穩定化之加速劑」或「氣候穩定加速劑」(CSA)，如美國專利第3,573,947號中所描述，其與促進劑相關且以引用之方式併入本文中。
在一些實施例中，向用於製造芯材之石膏漿料中添加三偏磷酸鹽化合物以增強板之強度及減少石膏產品之永久變形。包括三偏磷酸鹽化合物之石膏組合物揭示於美國專利第6,342,284號中，其與三偏磷酸鹽化合物相關且以引用之方式併入本文中。例示性三偏磷酸鹽包括三偏磷酸之鈉、鉀或鋰鹽，諸如可自Astaris,LLC.,St.Louis,Mo購得之彼等鹽。
在本發明之實施例中，可採用發泡劑以在凝固石膏產品中產生空隙，例如小空氣空隙。可藉由泡沫泵將泡沫引入灰泥石膏漿料中。或者，可向灰泥石膏漿料中直接添加液體肥皂。許多該等發泡劑為人所熟知且可容易購得，例如自Ambler,Pa之GEO Specialty Chemicals。適用之發泡劑的進一步描述參見例如美國專利第4,676,835號、第5,158,612號、第5,240,639號及第5,643,510號，其與發泡劑相關且以引用之方式併入本文中。
在許多情況下，較佳在石膏產品中形成空氣空隙以幫助維持其強度。此可藉由採用產生當與煆石膏漿料接觸時相對不穩定之泡沫的發泡劑來實現。較佳地，此藉由摻合主要量的已知產生相對不穩定泡沫之發泡劑與次要量的已知 產生相對穩定泡沫之發泡劑來實現。
此類發泡劑混合物可「離線」預摻合，亦即與製備發泡石膏產品之製程分離。然而，較佳同時且連續地摻合該等發泡劑作為該製程之完整「線上」部分。此可例如藉由泵送不同發泡劑之獨立物料流及使該等物料流在泡沫產生器處或恰好在泡沫產生器之前集合在一起來實現，該泡沫產生器用於產生水基泡沫之物料流，該物料流隨後***煆石膏漿料中且與之混合。藉由以此方式摻合，可簡單且有效地調節發泡劑在摻合物中之比率(例如藉由改變獨立物料流中之一或兩者的流動速率)以在發泡凝固石膏產品中達成所需空隙特徵。將響應於對最終產物進行檢查以確定是否需要該調節來進行該調節。該「線上」摻合及調節之進一步描述可見於美國專利第5,643,510號及美國專利第5,683,635號中，其與發泡劑相關且以引用之方式併入本文中。
適用於產生不穩定發泡體的一種類型之發泡劑的實例具有下式ROSO3 Θ M ⊕ (Q)
其中R為含有2至20個碳原子之烷基，且M為陽離子。較佳地，R為含有8至12個碳原子之烷基。
適用於產生穩定發泡體的一種類型之發泡劑的實例具有下式CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3 Θ M ⊕ (J)
其中X為2至20之數目，Y為0至10之數目且在至少50重量%之發泡劑中大於0，且M為陽離子。
在本發明之一些較佳實施例中，將具有以上式(Q)及(J)之發泡劑摻合在一起以使得式(Q)發泡劑及式(J)發泡劑中Y為0之部分一起構成所得發泡劑摻合物之86至99重量%。
在本發明之一些較佳實施例中，已自具有下式之預摻合發泡劑產生水基泡沫CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3 Θ M ⊕ (Z)
其中X為2至20之數目，Y為0至10之數目且在至少50重量%之發泡劑中為0，且M為陽離子。較佳地，Y在式(Z)發泡劑之86至99重量%中為0。
可以提供芯材密度及板重量降低之量將泡沫引入芯材漿料中。以恰當量、配方及製程將泡沫引入芯材漿料中可在最終乾燥板之芯材內產生所需網狀結構及空氣空隙分佈以及處於空氣空隙之間的壁。在一些實施例中，由泡沫組合物及泡沫引入系統提供的空氣空隙大小、分佈及/或處於空氣空隙之間的壁厚度與下文論述之彼等性質以及向板提供相當之密度、強度及相關特性的彼等性質一致。此空氣空隙結構允許石膏及其他芯材成分減少及芯材密度及重量降低，同時實質上維持(或在一些情況下改良)板強度特性，諸如尤其芯材抗壓強度及板剛性、撓曲強度、拔釘抗性。
在一些該等實施例中，空氣空隙之平均等效球面直徑可為至少約75μm，而在其他實施例中為至少約100μm。在其他實施例中，空氣空隙之平均等效球面直徑可為約75μm至約400μm。在又其他實施例中，空氣空隙之平均等效球面 直徑可為約100μm至約350μm，且標準差為約100至約225。在其他實施例中，空氣空隙之平均等效球面直徑可為約125μm至約325μm，且標準差為約100至約200。
在一些實施例中，約15%至約70%之空氣空隙的等效球面直徑為約150μm或150μm以下。在其他實施例中，約45%至約95%之空氣空隙的等效球面直徑為約300μm或300μm以下，而約5%至約55%之空氣空隙的等效球面直徑為約300μm或300μm以上。在其他實施例中，約45%至約95%之空氣空隙的等效球面直徑為約300μm或300μm以下，而約5%至約55%之空氣空隙的等效球面直徑為約300μm至約600μm。在本文中平均空氣空隙大小之論述中，當計算空氣空隙之數量或平均空氣空隙大小時，不考慮石膏芯材中約5μm或5μm以下之空隙。
在彼等及其他實施例中，在該等實施例中處於空隙之間的壁之厚度、分佈及配置單獨及/或與所需空氣空隙大小分佈及配置組合亦允許板芯材密度及重量降低，同時實質上維持(或在一些情況下改良)板強度特性。在一些該等實施例中，分隔空氣空隙之壁的平均厚度可為至少約25μm。在一些實施例中，在石膏芯材內界定及分隔空氣空隙之壁的平均厚度可為約25μm至約200μm，在其他實施例中約25μm至約μm，且在又其他實施例中約25μm至約50μm。在又其他實施例中，在石膏芯材內界定及分隔空氣空隙之壁的平均厚度可為約25μm至約75μm，且標準差為約5至約40。在又其他實施例中，在石膏芯材內界定及分隔空氣空隙之壁的 平均厚度可為約25μm至約50μm，且標準差為約10至約25。
使用發泡劑來產生所需空隙及壁結構的實例包括論述於美國專利第5,643,510號及美國專利申請案第2007/0048490號中之彼等，其與發泡劑、空隙及壁結構相關且以引用之方式併入本文中。在一些實施例中，可在芯材漿料混合物中使用第一較穩定發泡劑與第二較不穩定發泡劑之組合。在其他實施例中，僅使用一種類型之發泡劑，只要滿足所需密度及板強度需求即可。用於向芯材漿料中添加泡沫之方法為此項技術中已知的，且該方法之實例論述於美國專利第5,643,510號及第5,683,635號中，其揭示內容與發泡劑相關且以引用之方式併入本文中。
可以任何足夠量向漿料中添加發泡劑。在一些實施例中，以每1000ft2板約0.1lb至約2lb之量向漿料中添加能有效形成具有活性發泡劑之板的發泡劑。在一些實施例中，以每1000ft2板約0.1lb至約2lb之量向漿料中添加能有效形成具有活性發泡劑之板的發泡劑。在本發明之實施例中，板中之活性發泡劑可如例如在表1E中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示以lb/1000ft2為單位之發泡劑(表1E)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1E中之第一個「X」為範圍「約0.1lbs/ft3至約0.2lbs/ft3」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
在其他實施例中，組合物、壁板或方法可「實質上無」發泡劑，其意謂該組合物、壁板或方法含有(i)按灰泥重量計0重量%之該發泡劑或無該發泡劑，或含有(ii)無效量或(iii)不大量之發泡劑。如一般熟習此項技術者將瞭解的，無效量之一個實例為低於達成使用發泡劑之預定目的之臨界量的量。如一般熟習此項技術者將瞭解的，量可為按灰泥重量計低於約5重量%，諸如低於約2重量%、低於約1重量%、低於約0.5重量%、低於約0.2重量%、低於約0.1重量%或低於約0.01重量%。然而，在替代性實施例中若需要， 則該等成分可包括在組合物、壁板或方法中。
為製備板，可以類似於在工業規模上製造預成型體之方式將呈漿料形式的至少灰泥及水之混合物沈積在薄片上且形成為一層以產生板。漿料可使用介於約0.7至約2.0之範圍內的水比灰泥比率來製備。漿料可跨越第一薄片之寬度鋪展為預定大致厚度，以形成芯材。在工業設定中，使連續板沿傳送機輸送以提供石膏水合之時間。當芯材充分水合及硬化時，將其切割為一或多個所需大小以形成個別石膏板。隨後將板轉移至窯中且穿過該窯，該窯之溫度足以將該等板乾燥至所需水分水準。在一些實施例中，藉由頂部及底部高密度黏結層來將覆蓋片黏結至凝固石膏芯材上。
本發明之壁板的板密度可為約24lbs/ft3至約48lbs/ft3。在一些實施例中，板密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3。在一些實施例中，板密度為24lbs/ft3至約33lbs/ft3。在本發明之實施例中，板密度可如例如在表1F中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示以lbs/ft3為單位之板密度(表1F)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1F中之第一個「X」為範圍「約24lbs/ft3至約25lbs/ft3」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
石膏板之典型厚度為½吋及5/8吋，但可介於¼吋至1吋之範圍內。可使用本發明所描述之方法及系統來生產任何厚度之壁板。在本發明之實施例中，壁板厚度可如例如在表1G中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示以吋為單位之板厚度(表1G)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1G中之第一個「X」為範圍「約0.59吋至約0.6吋」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
紙片(諸如馬尼拉紙(Manila paper)或牛皮紙(kraft paper))可用作覆蓋片。適用之覆蓋片紙包括可自United States Gypsum Corporation,Chicago,IL.購得之7層馬尼拉紙(Manila 7-ply)及5層新聞用紙(News-Line 5-ply)；可自Caraustar,Newport,Ind.購得之3層灰背紙(Grey-Back 3-ply)及3層乳白色馬尼拉紙(Manila Ivory 3-ply)；及可自United States Gypsum Corporation,Chicago,Illinois購得之馬尼拉(Manila)重紙及MH馬尼拉(Manila)HT(高拉伸)紙。例示性背面覆蓋片紙為5層新聞用紙。另外，纖維素紙可包含任何其他材料或材料之組合。舉例而言，覆蓋片可包含玻璃纖維、陶瓷纖維、礦棉或前述材料之組合。
在其他實施例中，覆蓋片可包含墊子，諸如非編織玻璃纖維墊、其他纖維之薄片材料或非纖維材料，基本上由該等材料組成或由該等材料組成，或紙與其他纖維材料之組合可用作該等覆蓋片中之一或兩者。如本文所用，術語「墊子」包括網狀材料。纖維墊可包括任何適合之纖維墊材料。舉例而言，在一些實施例中，覆蓋片可為由玻璃纖維、聚合 物纖維、無機纖維、有機纖維或其類似物或其組合製備之墊子。聚合物纖維包括(但不限於)聚醯胺纖維、芳族聚醯胺纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維(例如聚對苯二甲酸伸乙酯(PET))、聚乙烯醇(PVOH)及聚乙酸乙烯酯(PVAc)。有機纖維之實例包括棉花、嫘縈及其類似物。墊子之纖維可經塗佈或未經塗佈。選擇適合類型之纖維墊將部分地視其中使用板之應用的類型而定。
在一些實施例中，本發明之板的密度小於40lb/ft3且拔釘抗性可滿足ASTM C473-09之標準(例如ASTM C473-09，方法B)。更特定言之，如根據ASTM C473-09之標準(例如ASTM C473-09，方法B)所測定，當厚度為約5/8吋時，該等板之拔釘抗性可為至少約70lbs。在本發明之實施例中，拔釘抗性可如例如在表1H中所列。在該表中，「X」表示範圍「約[頂部列中對應值]至約[最左欄中對應值]」。所指示之值表示以lbs為單位的板之拔釘抗性(表1H)。為易於呈現，應理解各值表示「約」該值。舉例而言，表1H中之第一個「X」為範圍「約70lbs至約72lbs」。表之範圍在起點與終點之間且包括起點及終點。
在一些實施例中，可使用根據本發明之原理形成的石膏板來構造符合Underwriters Laboratories,Inc.(UL®)總成(諸如U419、U305及U423)規範之總成。根據加熱曲線，諸如在ASTM E119(例如ASTM E119-09a)程序中所論述之彼等曲線，總成一側之表面可暴露於增加之溫度中持續一段時間。在測試期間監測鄰近總成經加熱之側面的溫度及在總成未加熱之側面表面處的溫度，以評估暴露之石膏板所經歷的溫度及經由總成傳遞至未暴露之板的熱量。總成中石膏板耐火效能的一種適用之指示劑(例如在ASTM E119耐火測試中所用的利用負載木材螺柱框架之彼等指示)論述於文章Shipp,P.H.及Yu,Q.,「Thermophysical Characterization of Type X Special Fire Resistant Gypsum Board」,Proceedings of the Fire and Materials 2011 Conference,San Francisco,2011 年1月31日-2月2日，Interscience Communications Ltd.,London,UK，第417-426頁。文章論述承重木材框架壁總成之一系列大量E119耐火測試及其在E119耐火測試程序下之預期效能。美國專利第8,323,785號與ASTM E119相關且以引用之方式併入本文中。
在一些實施例中，根據本發明之原理及根據U419總成之規範形成的石膏板之總成在存在或不存在空腔絕熱之情況下的防火等級為至少約60分鐘。在一些實施例中，根據本發明之原理及根據U305總成之規範形成的石膏板之總成的防火等級為至少約55分鐘。在一些實施例中，根據本發明之原理及根據U305總成之規範形成的石膏板總成的防火等級為至少約60分鐘。在一些實施例中，根據本發明之原理及根據U423總成之規範形成的石膏板之總成的防火等級為至少約60分鐘。
除常見測試方法之外，可使用小型耐火性指數(FEI)測試來分析本發明增加耐火性之效用。FEI測試為開發以作為典型大規模壁板測試之替代的小型測試設備及方法。耐火性等級通常藉由在認證耐火測試實驗室中對每一ASTM標準進行全尺寸(100ft2壁區域)耐火測試來獲得，其耗時、昂貴且不適合於台式研究及品質控制。
測試系統200之橫截面的示意圖顯示在圖2中。測試系統200包括具有形成鍋爐腔室206之罩殼204的馬弗爐202。可藉由門208閉合腔室206，且該腔室內包括熱源210。熱源210可為任何已知類型之熱源，諸如燃料火焰燃燒 器或電阻加熱器，其進行操作以在腔室206內產生大體上均勻分佈之溫度概況。
在圖2之說明中，顯示板樣品212在測試期間安置於鍋爐腔室206內。在所說明之實施例中，將樣品212垂直安裝於腔室206內離門開口一定偏移距離處，以使得在該樣品212之背面215與門208面向烘箱之側面之間形成間隙214。將隔片216與彼此存在距離地安置於樣品212與門208之間，以模擬成品壁總成中隔開壁板之螺柱。儘管間隙214顯示為空的，但在替代性實施例中，間隙214可填充有壁絕熱材料。此外，金屬或木螺柱可用於代替隔片216。隔片可連接至樣品212，且在某些實施例中，其可連同樣品212一起經歷壓縮負載，以模擬承重壁。
在測試期間，將熱電偶218或其他溫度感測裝置緊密地連接至樣品之背面215。背面215可比樣品之前表面厚。熱電偶218在離樣品212之表面較小距離處具有感測尖端。在替代性實施例中，感測尖端可觸碰樣品212或處於樣品212內。熱電偶218經組態以在測試期間感測樣品212之背面的表面溫度或接近表面之溫度。熱電偶218連接至資料獲取單元220，該資料獲取單元進行操作以向該熱電偶218提供功率、自該熱電偶接收指示樣品212之表面溫度的資訊、記錄溫度資訊，以及(視情況或藉助於電腦(未顯示))繪製溫度資訊隨時間之變化，或以其他方式數值地分析資訊。
當進行測試時，藉由恰當控制熱源210之強度，隨時間逐漸增加馬弗爐腔室206之溫度。在一個實施例中， 安置鍋爐溫度感測器222以量測鍋爐腔室206之溫度、向加熱器控制器224提供指示該鍋爐腔室溫度之資訊，且視情況亦向資料獲取單元220提供該資訊。加熱器控制器224可基於由感測器222所提供之資訊以封閉迴路方式進行操作，以藉由恰當且自動地調節熱源210之強度來為腔室206提供預定加熱概況。亦可視情況由資料獲取單元220記錄腔室206之溫度上升，以用於建立測試完整性。
鍋爐腔室之樣品加熱概況顯示於圖3之時間曲線圖中。如自曲線圖可見，在其中沿著縱軸繪製所需腔室溫度(℉)且沿橫軸繪製時間(分鐘)的情況下，在測試之約前43分鐘內遵循對數趨勢地將腔室206自約400℉的溫度逐漸加熱至約1,423℉之溫度，且在測試之剩餘部分內(在所說明之圖表中持續約1小時)維持於該溫度下。因此，如圖3之表上所標記的，經第一加熱時間段226進行測試，且隨後經穩定時間段228持續。
已確定測試期間，通過樣品212之熱傳遞(如由在樣品之背面215上所量測的表面溫度所搜集)伴隨且指示全尺寸耐火測試中通過壁板之預期熱傳遞。本質上，本文中所描述之測試測定通過樣品之熱傳遞速率。在一個實施例中，板之兩側上所獲得的溫度讀數可用於即時地估計通過板之熱傳遞速率。藉由比較不同產品之熱傳遞曲線並將該等曲線與其實際耐火測試結果相互關聯，能有利地實現對不同產品之耐火性效能的判斷及預測。在圖2中所示之測試設置中，將樣品尺寸選擇成尺寸為6.125"×6.625"且厚度為0.625"之矩 形樣品。空腔214之深度為7/8"，且熱電偶218位於門208之幾何中心處，其中熱電偶218之感測探針自門208之內部表面沿樣品212之方向突出約11/16"。以此方式，熱電偶之尖端遠離表面表面3/16"。抵靠著樣品置放玻璃絨框架，以充當隔片216且將樣品保持在適當位置，同時亦密封門框架以免熱量洩漏。對於半吋厚樣品，可將0.125"厚之金屬框架置放於樣品後方，以維持熱電偶與樣品之間的間隙，且保護剩餘測試設置。馬弗爐之控制器224設定成自200℃運行至773℃。馬弗爐前段處之實際溫度曲線顯示在圖3中。
測試提供具體板樣品之溫度-時間曲線。可自該曲線測定耐火性指數(FEI)。FEI定義為測試標本之背面在小型耐火測試中到達600℉所需之時間。繪製資料點A、B、C及D，且在FEI與來自U419全尺寸耐火測試之耐火性時間之間的相關性顯示在圖4中。耐火測試總成之其他設計(諸如U305及U423)可同樣自FEI外推。
在一些實施例中，該石膏板之耐火性指數(FEI)比包含所形成之水比灰泥比率小於約0.7之凝固石膏的板大至少3分鐘。在一些實施例中，該石膏板之耐火性指數(FEI)比包含所形成之水比灰泥比率小於約0.7之凝固石膏的板大至少4分鐘。
因此，在一個實施例中，抗火性石膏板包含：安置在兩個覆蓋片之間的凝固石膏組合物，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質。該漿料之水比灰泥比率為約0.7至約2.0。該板之密度為 約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(FEI)大於約52分鐘。
在另一個實施例中，該凝固石膏組合物包含按該灰泥重量計大於約1重量%之量的膠凝化澱粉。
在另一個實施例中，該凝固石膏組合物包含增稠劑。
在另一個實施例中，該增稠劑為矽石煙、波特蘭水泥、飛灰、黏土、細纖維素粒子、或高分子量聚合物或其任何混合物。
在另一個實施例中，該增稠劑按該灰泥重量計小於約10重量%。
在另一個實施例中，該高分子量聚合物為聚丙烯醯胺。
在另一個實施例中，該組合物進一步包含高熱膨脹粒子。
在另一個實施例中，該高熱膨脹粒子為蛭石。
在另一個實施例中，蛭石按該灰泥重量計小於約5重量%。
在另一個實施例中，該石膏板之板密度為約24lbs/ft3至約33lbs/ft3。
在另一個實施例中，該石膏板之厚度為約0.25吋至約1.0吋。
在另一個實施例中，該石膏板之厚度為約0.59 吋至約0.65吋。
在另一個實施例中，該石膏板之耐火性指數(FEI)比包含所形成之水比灰泥比率小於約0.7之凝固石膏的板大至少3分鐘。
在另一個實施例中，該石膏板之耐火性指數(FEI)比包含所形成之水比灰泥比率小於約0.7之凝固石膏的板大至少4分鐘。
在另一個實施例中，當板根據UL U305而建構為測試總成時，該板在根據ASTM標準E119-09之時間-溫度曲線加熱時的防火等級為至少約55分鐘。
在另一個實施例中，板根據UL U305而建構為測試總成，且其在根據ASTM標準E119-09之時間-溫度曲線加熱時的防火等級為至少約60分鐘。
在另一個實施例中，當板根據UL U419而建構為測試總成時，該板在根據ASTM標準E119-09之時間-溫度曲線加熱時的防火等級為至少約60分鐘。
在另一個實施例中，抗火性石膏板包含：安置在兩個覆蓋片之間的凝固石膏組合物，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質。該漿料之水比灰泥比率為約1.2至約2.0。該板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(FEI)大於約54分鐘。
在另一個實施例中，一種用於製造抗火性石膏板 之方法包含：(a)形成至少灰泥及水之混合物；(b)將漿料安置在第一薄片上；(c)將第二薄片安置在該漿料上以形成具有兩個覆蓋片之板預成型體；(d)在該漿料硬化至足以切割之後，將該板預成型體切割為預定尺寸之板；及(e)使該板乾燥。該漿料之水比灰泥比率為約0.7至約2.0。該板在乾燥時之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(Fire Endurance Index；FEI)大於約52分鐘。
在另一個實施例中，水比灰泥比率為約1.2至約2.0。
應注意，前述僅為實施例之實例。自本文中之全部描述顯而易見其他例示性實施例。一般技術者亦應理解，此等實施例中之每一者可以各種組合與本文中所提供之其他實施例一起使用。
以下實例進一步說明本發明，但當然不應解釋為以任何方式限制其範疇。
實例1-水比灰泥比率對耐火性之影響
此實例展示水比灰泥比率(WSR)對壁板耐火性之影響。因此，使用FEI小型測試裝置(圖2)測試用介於1.0至1.9範圍內之水比灰泥比率製得的五個石膏板(樣品1-5)。
在實驗室中，藉由混合700g灰泥、3.5g加速劑(細粉狀石膏)、10g無水預膠凝化澱粉、1.4g三偏磷酸鈉及1g短切玻璃纖維來製備灰泥漿料(參見表2)。在獨立鋼槽中稱重對應於形成1.0、1.2、1.4、1.6及1.9之水比灰泥比率所需之量的預定量之水。向各鋼槽中添加0.9g分散劑及至多2滴延遲劑。在水溶液達到室溫之後，將鋼槽安設在Hobart混合器下。向水溶液中添加灰泥混合物且立即混合。隨後，啟動泡沫泵且根據預定注射速率將泡沫注射至槽中。預先計算泡沫注射時間以在對各板所需之注射速率不同的情況下製造無水密度為大致1700lbs/MSF之板。在泡沫注射之後，再混合組合物5秒。將漿料立即傾入預製紙包封(用34lbs/MSF新聞用紙及49lbs/MSF馬尼拉紙製得)中，且藉由包夾在其間隔可製造5/8吋板的兩個鋁板片之間來澆鑄。在澆鑄之後，將板置放於預設在350℉下之烘箱中。在30分鐘之後，將板轉 移至預設在110℉下之另一個烘箱中。將板留在烘箱中持續兩夜，且隨後自烘箱移除且稱重。將無水板各自切割為6.625吋×6.125吋之樣品。
在小型裝置(圖2)中單獨測試樣品1-5以測定其相應FEI。五個樣品中之每一者的溫度跡線顯示在圖5中，其中沿橫軸繪製時間且沿縱軸繪製各樣品背面之未暴露表面溫度。在圖5之圖表中，線301表示用1.0之WSR製得之板(樣品1)的溫度跡線，線302表示用1.2之WSR製得之板(樣品2)的溫度跡線，線303表示用1.4之WSR製得之板(樣品3)的溫度跡線，線304表示用1.6之WSR製得之板(樣品4)的溫度跡線，線305表示用1.9之WSR製得之板(樣品5)的溫度跡線，且「FEI」線306自315.6℃(600℉)之溫度水平延伸以標示所有樣品之FEI。
如可自圖5之圖表計算，用1.0之WSR製得之 板(樣品1)的耐火性指數為52.0分鐘，用1.2之WSR製得之板(樣品2)為54.4分鐘，用1.4之WSR製得之板(樣品3)為57.1分鐘，用1.6之WSR製得之板(樣品4)為57.9分鐘，且用1.9之WSR製得之板(樣品5)為60.0分鐘。圖5中之熱量曲線表明在約250℉(板完成煅燒之溫度)之後，通過樣品之熱傳遞視水比灰泥比率而定，且因此視微觀水空隙之數目而定。具有高水比灰泥比率之板含有較高數目之微觀空隙，使水蒸氣較難逸出芯材。
此實例展示較高水比灰泥比率增加石膏壁板之耐火性。
實例2-板重量對具有高水比灰泥比率之板之耐火性的影響
此實例展示高水比灰泥比率對輕型/低密度壁板之耐火性的影響。因此，使用FEI小型測試裝置(圖2)測試基本重量為1235lbs/MSF之板(樣品6)、基本重量為1357lbs/MSF之板(樣品7)及基本重量為1422lbs/MSF之板(樣品8)。使用1.9之水比灰泥比率製得樣品6-8。
在實驗室中，藉由混合700g灰泥、3.5g加速劑(細粉狀石膏)、10g無水預膠凝化澱粉、1.4g三偏磷酸鈉及1g短切玻璃纖維來製備灰泥漿料(參見表2)。在Warring摻合器中稱重對應於形成1.9之水比灰泥比率所需之量的預定量之水。向Warring摻合器中添加0.9g分散劑及0.2g至0.6g液體肥皂。在水溶液達到室溫之後，向摻合器中添加灰泥混合物且立即混合。隨著高速混合作用將空氣抽吸至漿料中，產生泡沫。在七秒之後，將漿料傾入預製紙包封(用41lbs/MSF 新聞用紙及53lbs/MSF馬尼拉紙)中，且藉由包夾在其間隔可製造5/8吋板的兩個鋁板片之間來澆鑄。在澆鑄之後，將板置放於預設在350℉下之烘箱中。在30分鐘之後，將板轉移至預設在110℉下之另一個烘箱中。將板留在烘箱中持續兩夜，且隨後自烘箱移除且稱重。將無水板切割為6.625吋×6.125吋之樣品。
在小型裝置(圖2)中單獨測試樣品6-8以測定其相應FEI。三個樣品中之每一者的溫度跡線顯示在圖6中，其中沿橫軸繪製時間且沿縱軸繪製各樣品背面之未暴露表面溫度。在圖6中，短虛線307表示基本重量為1235lbs/MSF之板(樣品6)的溫度跡線，實線308表示基本重量為1357/MSF之板(樣品7)的溫度跡線，短虛線309表示基本重量1422lbs/MSF之板(樣品8)的溫度跡線，且「FEI」線310自315.6℃(600℉)之溫度水平延伸以標示所有樣品之FEI。
如可自圖6之圖表計算的，基本重量為1235lbs/MSF之板(樣品6)的FEI為57.3分鐘，基本重量為1357lbs/MSF之板(樣品7)為59.5分鐘，且基本重量為1422 lbs/MSF之板(樣品8)為61.3分鐘。
此實例展示約5/8吋厚度之石膏壁板的變化重量在高水比灰泥比率的情況下展現耐火性。
實例3-高水比灰泥比率及蛭石
此實例檢查蛭石與高水比灰泥比率結合對壁板之耐火性的影響。因此，使用耐火性指數(FEI)小型測試裝置(圖2)測試用介於0至100lbs/MSF範圍內之蛭石量製得的五個石膏板(樣品9-13)。使用1.4之水比灰泥比率製得樣品9-13。
在實驗室中，藉由混合700g灰泥、3.5g加速劑(細粉狀石膏)、10g無水預膠凝化澱粉、1.4g三偏磷酸鈉、1g短切玻璃纖維及蛭石來製備灰泥漿料(參見表5)。向獨立鋼槽中添加對應於形成1.4之水比灰泥比率所需之量的預定 量之水。向各鋼槽中添加0.9g分散劑及至多2滴延遲劑。在水溶液達到室溫之後，將鋼槽安設在Hobart混合器下。向水溶液中添加灰泥混合物且立即混合。隨後，啟動泡沫泵且根據預定注射速率將泡沫注射至槽中。預先計算泡沫注射時間以製造大致為1600lbs/MSF之板(參見表6)。在泡沫注射之後，再混合組合物5秒。將漿料立即傾入預製紙包封(用34lbs/MSF新聞用紙及49lbs/MSF馬尼拉紙製得)中，且藉由包夾在其間隔可製造5/8吋板的兩個鋁板片之間來澆鑄。在澆鑄之後，將板置放於預設在350℉下之烘箱中。在30分鐘之後，將板轉移至預設在110℉下之另一個烘箱中。將板留在烘箱中持續兩夜，且隨後自烘箱移除且稱重。將無水板切割為6.625吋×6.125吋之樣品。
在小型裝置(圖2)中單獨測試樣品9-13以測定其相應FEI。四個樣品中之每一者的溫度跡線顯示在圖7中， 其中沿橫軸繪製時間且沿縱軸繪製各樣品背面之溫度。在圖7之圖表中，線311表示對照板(樣品9)之溫度跡線，線312表示具有25lbs/MSF蛭石之板(樣品10)的溫度跡線，線313表示具有50lbs/MSF蛭石之板(樣品11)的溫度跡線，線314表示具有75lbs/MSF蛭石之板(樣品12)的溫度跡線，且「FEI」線315自315.6℃(600℉)之溫度水平延伸以標示所有樣品之FEI。
如可自圖7之圖表計算的，不包含蛭石之板(樣品9)的耐火性指數為55.1分鐘，包含25lbs/MSF蛭石之板(樣品10)為57.2分鐘，包含50lbs/MSF蛭石之板(樣品11)為57.8分鐘，包含75lbs/MSF蛭石之板(樣品12)為58.9分鐘，且包含100lbs/MSF蛭石之板(樣品13)為56.0分鐘。發現當樣品包含100lbs/MSF蛭石(樣品13)時，板完整性受破壞。圖7中之熱量曲線揭示，隨著蛭石量自零增加至75lbs/MSF，板之耐火性指數自55.1分鐘增加至58.9分鐘。蛭石進一步增加可能破壞板完整性，因此損害板之耐火性。
此實例展示包含由具有高水比灰泥比率與蛭石組合之漿料的芯材製備的板可具有甚至更高耐火性。
除非本文另外指示或與上下文明顯矛盾，否則在描述本發明之上下文中(尤其在以下申請專利範圍之上下文中)使用術語「一(a/an)」及「該」及「至少一」及類似參照物應解釋為涵蓋單數及複數兩者。除非本文另外指示或與上下文明顯矛盾，否則使用術語「至少一」後接一或多個項目之列表(例如「A及B中之至少一者(at least one of A and B)」)應解釋為意謂選自所列舉項目之一個項目(A或B)或所列舉項目之兩個或兩個以上的任何組合(A及B)。除非另外說明，否則術語「包含」、「具有」、「包括」及「含有」應解釋為開放式術語(亦即，意謂「包括(但不限於)」)。另外，在敍述「包含」(或其等效物)之所有位置，該「包含」視為併入有「基本上由......組成」及「由......組成」。因此一個實施例「包含」(一個或多個)要素支持實施例「基本上由所述要素組成」及「由所述要素組成」。在敍述「基本上由......組成」之所有位置，視為併入有「由......組成」。因此，實施例「基本上由(一個或多個)要素組成」支持實施例「由所述要素組成」。除非本文另外指示，否則本文中值範圍之列舉僅意欲充當單獨提及屬於該範圍內之各獨立值的簡寫方法，且各獨立值併入本說明書中，如同在本文中單獨地敍述一般。除非本文另外指示或另外與上下文明顯矛盾，否則本文所描述之所有方法可以任何適合之次序進行。除非另外主張，否則使用本文所提供之任何及所有實例或例示性語言(例如，「諸如」)僅意欲較好地闡明本發明而不對本發明之範疇造成限制。本說明書中之語言均不應解釋為將任何未主張之要素指示為對實踐本發明而言必不可少。
本文描述本發明之較佳實施例，包括本發明人已知的用於進行本發明之最佳模式。在閱讀前文描述之後，彼等較佳實施例之變化對一般熟習此項技術者可變得顯而易見。本發明人期望熟習此項技術者適當時採用該等變化，且本發明人意欲以不同於本文中具體描述之方式來實踐本發 明。因此，若適用法律允許，則本發明包括在隨附於本文之申請專利範圍中所陳述之標的物的所有修改及等效物。此外，除非本文另外指示或另外與上下文明顯矛盾，否則本發明涵蓋上述要素在其所有可能變化中之任何組合。

Claims (10)

  1. 一種抗火性石膏板，其包含：一凝固石膏組合物，其安置在兩個覆蓋片之間，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質；該漿料之水比灰泥比率為約0.7至約2.0；以及該板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(Fire Endurance Index；FEI)大於約52分鐘。
  2. 如申請專利範圍第1項之抗火性石膏板，其中該凝固石膏組合物包含按該灰泥重量計大於約1重量%之量的膠凝化澱粉。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之抗火性石膏板，其中該凝固石膏組合物包含選自以下各者之增稠劑：矽石煙、波特蘭水泥(Portland cement)、飛灰、黏土、細纖維素粒子或高分子量聚合物或其任何混合物。
  4. 如申請專利範圍第3項之抗火性石膏板，其中該增稠劑按該灰泥重量計小於約10重量%。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之抗火性石膏 板，其中該組合物更包含高熱膨脹粒子。
  6. 如申請專利範圍第5項之抗火性石膏板，其中該等高熱膨脹粒子為蛭石。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之抗火性石膏板，其中該石膏板之板密度為約24lbs/ft3至約33lbs/ft3。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之抗火性石膏板，其中該石膏板之耐火性指數(FEI)比包含以小於約0.7之水比灰泥比率形成之凝固石膏的板大至少3分鐘。
  9. 一種抗火性石膏板，其包含：一凝固石膏組合物，其安置在兩個覆蓋片之間，該凝固石膏組合物包含由包含至少灰泥及水之漿料形成的凝固石膏之連鎖基質；該漿料之水比灰泥比率為約1.2至約2.0；該板之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(FEI)大於約54分鐘。
  10. 一種用於製造抗火性石膏板之方法，其包含：形成至少灰泥及水之混合物，將漿料安置在一第一薄片上， 將一第二薄片安置在該漿料上以形成一具有兩個覆蓋片之板預成型體，在該漿料硬化至足以切割之後，將該板預成型體切割為一預定尺寸之板，及使該板乾燥；該漿料之水比灰泥比率為約0.7至約2.0；該板在乾燥時之密度為約24lbs/ft3至約40lbs/ft3，且當厚度為約5/8吋時，如根據ASTM C473-09所測定之拔釘抗性為至少約70lbs力，且耐火性指數(FEI)大於約52分鐘。
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