TW201518074A - 含有矽膠之石膏製品 - Google Patents

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Abstract

描述石膏組成物、板以及製造增加耐火性的石膏板的方法。基於矽膠的添加，含凝固石膏的組合物可用來製備具有耐火性的石膏板。

Description

含有矽膠之石膏製品
本專利申請案要求美國非臨時專利案的權益，該非臨時專利案的申請案號為14/072592，申請日期為2013年11月5日，其內容被併入本文中作為參考。
石膏製品通常可以從至少由水和灰泥所形成的漿料來製成。灰泥與水反應形成石膏，灰泥是硫酸鈣半水化合物(CaSO4‧½ H2O)，而石膏是硫酸鈣二水化合物(CaSO4‧2H2O)。石膏牆板可以是包括核心、面板和背板的複合板。石膏牆板的密度可以被降低，其係將有效量的水性泡沫塑料加入灰泥漿液中來提供所要的石膏核心的密度。由於單位體積的複合板包含較少的石膏，故沒有那麼多結晶水可以用來提高牆板的耐火性。石膏牆板通常用於室內牆壁和天花板的牆板結構，且其需能夠承受火和過高溫度二者。因此，石膏牆板之製造係使用耐火性/抗火性最佳化的規格。
石膏牆板的耐火性/抗火性，係以牆板能夠承受標準耐火試驗之時間來量測。牆板的抗火性係根據牆板避免 溫度的上升，火焰的通行，和結構的崩塌的能力來分類。為了讓包括建構者、居住者和規管機構等各種團體能夠在共同的基礎上來評估耐火性，防火測試組件被分為幾個標準的排列。一些常見的組件包括由美國保險商實驗室公司(Underwriters Laboratories,Inc.(UL®))所界定的測試設計，該公司是測試和認證機構，其已經測試的防火測試組件被稱為U305，U419，U423。
標準耐火試驗通常係根據ASTM E119進行。在這樣的測試中，耐火性的分類可以依據壁的組件所顯示的過度的溫度上升、或火焰的通行、或結構的崩塌的時間來建立。這種測試的失效係發生於，在未曝露的表面上的幾個熱電偶所測得的平均溫度上升超過環境溫度250℉(121℃)以上時，或在任何單個熱電偶所測得的平均溫度上升超過環境溫度325℉(163℃)以上時。系統的耐火時間不僅取決於系統中使用的石膏板，而且還取決於許多其他因素，包括壁的組件的厚度、螺栓類型和間距、板的尺寸、絕熱類型及其他參數等。
雖然現有技術在增長牆板耐火性和阻抗性上是有用的，但進一步的改善始終是需要的。
在一方面，本發明提供一種石膏板，其包括設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括由漿料所形成的凝固石膏的互鎖的基材，該漿料包括至少灰泥、水和金屬矽酸鹽。該凝固石膏組合物包含矽膠。石膏 板具有的密度約15磅/立方呎至約42磅/立方呎，且具有大於約53分鐘的耐火性指數。
在另一方面，本發明提供可已提高耐火性的石膏板，該石膏板包括含有灰泥、水和金屬矽酸鹽的漿料，漿料設置於兩片覆蓋片之間而形成板的預成型體，當漿料充分硬化足以被切割之後，板的預成型體被切成預定尺寸的石膏板，並進行乾燥。金屬矽酸鹽的至少一部分轉變為矽膠。相比於不具有矽膠的板，石膏板增加了耐火性，其密度為由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎，且其耐火性指數大於約53分鐘。
本發明的這些和其它優點，以及其他的發明特徵，從下面的描述中將會顯而易見。
100‧‧‧分割-像素圖像傳感器
102‧‧‧像素陣列
104 106 108 110‧‧‧大的光電二極體
112 114 116 118‧‧‧小的光電二極體
200‧‧‧圖像數據的匯集高動態範圍(IDAHDR)的成像系統
202‧‧‧圖像傳感器
204‧‧‧圖像數據匯集模組
206‧‧‧平均化模組
208‧‧‧自動曝光控制(AEC)模組
210‧‧‧曝光處理模組
212‧‧‧圖像數據幀
214‧‧‧入射光
216‧‧‧耦合到
300‧‧‧圖像傳感器
302‧‧‧像素陣列
304 306 308 310‧‧‧光電二極體
312‧‧‧控制電子裝置
400‧‧‧圖像傳感器
402‧‧‧像素陣列
404 406 408 410‧‧‧大的光電二極體
412 414 416 418‧‧‧小的光電二極體
420‧‧‧控制電子裝置
500‧‧‧產生虛擬的長曝光圖像數據集的方法
502‧‧‧產生N個圖像數據集
504‧‧‧匯集N個圖像數據集
506‧‧‧產生N個所要的曝光時間
508‧‧‧產生N個調整的曝光時間
圖1是根據本發明的實施例的牆板的耐火性指數的散佈圖，顯示在一個範圍內的重量%(X軸)的蛭石的耐火性指數(FEI)(Y軸)。
圖2顯示小規模試驗裝置的結構，其用來決定根據本發明實施例的牆板樣品的耐火性指數(FEI)。
圖3是根據本發明實施例的爐的溫度(Y軸)對時間(X軸)的相關曲線圖，該爐係使用於圖2所示的小規模耐火試驗的過程中。
圖4是根據本發明的實施例的U419試驗的耐火性(Y軸) 和圖2的小規模試驗的耐火性之間的相關曲線圖。
圖5是根據本發明實施例的例2的牆板，在小規模的耐火試驗時的耐火性指數(FEI)(Y軸)對在一個範圍內的矽酸鹽重量%(X-軸)的相關曲線圖。
圖6是根據本發明實施例的例2的牆板，在小規模的耐火試驗時，未曝露的表面的溫度(Y軸)對時間(X軸)的相關曲線圖。
圖7是根據本發明實施例的例3的牆板，在小規模的耐火試驗時的耐火性指數(FEI)(Y軸)對在一個範圍內的矽酸鹽重量%(X-軸)的相關曲線圖。
圖8是根據本發明實施例的例3的牆板，在小規模的耐火試驗時，未曝露的表面的溫度(Y軸)對時間(X軸)的相關曲線圖。
圖9是根據本發明實施例的例3的牆板，在小規模的耐火試驗時的抗壓強度(Y軸)對在一個範圍內的矽酸鹽重量%(X軸)的散佈圖。
圖10是根據本發明實施例的例4的牆板，在小規模的耐火試驗時的耐火性指數(FEI)(Y軸)對在一個範圍內的矽酸鹽重量%(X-軸)的曲線圖。
圖11是根據本發明實施例的例5的牆板；在小規模的耐火試驗時的抗壓強度(Y軸)對在一個範圍內的矽酸鹽重量%(X軸)的散佈圖。
本發明的實施例，至少部分地，基於以下的發現：含有矽膠的石膏製品(如石膏牆板)具有令人驚奇的和意想不到的改善的耐火性和抗壓強度。根據本發明的實施例，已經發現到，當金屬矽酸鹽被加入灰泥漿料(包括水、灰泥和有需要時的選擇性的添加劑)時，矽膠可以在製造過程中現場被形成。矽膠的聚合的且高度交聯的網絡可以賦予石膏基材莒具有耐火性和強度二者。雖然不希望受到任何特定理論的束縛，可以相信：矽膠的親水特性和矽膠與石膏之間的奈米級的相互作用分別產生了耐火性和強度的增加。比起不具有或具有較少量的矽膠的等效密度(在板的情況下為厚度)的製品，本發明的製品可具有更大的耐火性和抗壓強度。石膏製品的形式可以為牆板、天花板面板(例如，天花板瓷磚或板)、吸音磚、接合劑或類似物。
應了解到，矽膠是一種多孔形式的二氧化矽，其可以從金屬矽酸鹽來合成製備。矽膠是無定形固體，由於其可吸附水和其他小分子，故一般用作乾燥劑和過濾劑。Si-O鍵的局部偶極允許矽膠可以與水分子做氫鍵結合，而矽膠的多孔性與大表面積，使得其能夠容易地吸附水。依照本發明的實施例，在石膏製品的製造過程中，金屬矽酸鹽可以現場地形成矽膠。
在灰泥漿料中金屬矽酸鹽可以轉化為矽膠，而產生增加的耐火性和強度的石膏板。在本技藝中，一般認為：輕質石膏板在高溫下特別容易收縮。由於矽膠可以減小高溫 時，如暴露於火時的體積，這是令人驚訝和出乎意料的發現：矽膠在耐火測試時能增加輕質板的耐火性，且只有很小的收縮。因此，在一些實施例中，金屬矽酸鹽可被加入石膏漿料中以形成輕質石膏板(例如，板的密度小於約42磅/立方呎、小於約40磅/立方呎、小於約38磅/立方呎、小於約35磅/立方呎、小於約33磅/立方呎及更小)。
任何合適的金屬矽酸鹽可被加入灰泥組合物，以提高石膏製品的耐火性和抗壓強度。例如，在一些實施例中，金屬是鈉、鉀或鋰。在一些實施例中，不同的金屬矽酸鹽的組合可以被加入漿料所形式的灰泥組合物中，以增加石膏製品的耐火性和抗壓強度。可以轉化為矽膠的任何金屬矽酸鹽，都適用於本發明。例如，如矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鋰的鹼金屬矽酸鹽，或者它們的任何組合都適用於本發明。
任何合適的量的金屬矽酸鹽或金屬矽酸鹽的混合物可以被加入灰泥。金屬矽酸鹽可以以本身(固體形式)，或潮濕的形式，如淤漿或溶液，而被加入。除非另有說明，應當理解到，本文中所描述的金屬矽酸鹽的量是指金屬矽酸鹽的活性的，未稀釋的重量，而不是指包含金屬矽酸鹽的整體的溶液或漿料的重量。
在一些實施例中，基於灰泥的重量來計，被加入的金屬矽酸鹽的量大於約0.01重量%。例如，基於灰泥的重量來計，被加入的金屬矽酸鹽的量由約0.01重量%至約5重量%。在其他實施例中，基於灰泥的重量來計，被加入的金屬矽酸鹽的量由約0.01重量%至約1重量%。在本發明的實 施例中，被加入的金屬矽酸鹽的量可以是，例如，如表1A和1B之所列。在表中，“X”表示“由約[最上面行所對應的值]至約[最左邊的列所對應的值]的範圍”。所指示的值表示基於灰泥的重量的被加入的金屬矽酸鹽的量。為便於表述，應當理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表1A中的第一個“X”表示“由約0.01%至約0.05%”的範圍。表的範圍是在起始值和終點值之間且包括起始值和終點值。
在一些實施例中，金屬矽酸鹽組分可以是矽酸鈉，又稱水玻璃或液體玻璃，其可被轉化為矽膠。在這些實施例中，矽酸鈉可以用作唯一的金屬矽酸鹽組分，或選擇性地，與另一種金屬矽酸鹽組合。應理解到，矽酸鈉是鹼性無機化合物，其通常用於製造工業和消費產品中。因為矽酸鈉易溶於水，故其常作為水溶液出售。
依據本發明所使用的金屬矽酸鹽可以以任何合適的方式來製備。例如，為了說明，在某些實施例中，在平爐中高溫下將高純度的矽砂(二氧化矽SiO2)和蘇打灰(碳酸鈉Na2CO3)熔融來製備矽酸鈉。首先，蘇打灰和矽砂在1100℃至1300℃時被熔化而產生稱為玻璃碎塊的無定形固體狀的玻璃，其包含二氧化矽SiO2和氧化鈉Na2O的混合物。第二，玻璃碎塊在容器中的壓力下被溶解於水中。所得溶液有時稱為水玻璃而可以直接使用於本發明的一些實施例的灰泥漿料 中。在一些實施例中，包含矽酸鹽的產品的性質可以經由改變二氧化矽/氧化鈉的重量比來進行操作。如果需要的話，可對水玻璃加入不同量的氫氧化鈉(NaOH)來改變二氧化矽/氧化鈉的比例。其它的金屬矽酸鹽通常以相同的方式來製備。一般市售的金屬矽酸鹽是溶液或固相，且可以具有寬範圍的特性。
以各種不同比例組合的二氧化矽SiO2和金屬氧化物MXO(其中，M是金屬且x1)的水溶液，其常以金屬矽酸鹽之名稱被使用，並且可以依據SiO2/MXO的比率被確定與被分等級。為了說明，以各種不同比例組合的SiO2和氧化鈉Na2O的水溶液，其常以矽酸鈉之名稱被使用，並且可以依據SiO2/Na2O的比率被確定與被分等級。
本發明的二氧化矽SiO2對金屬氧化物的比例可以是任何合適的比例。在一些實施例中，二氧化矽SiO2對金屬氧化物的比例為由約0.5至約5。在其它實施例中，二氧化矽SiO2對金屬氧化物的比例為由約2至約4。在本發明的實施例中，二氧化矽SiO2對金屬氧化物的比例可以是，例如，如在表2之所列，其中，“X”表示“由約[最上面一行的對應的值]至約[最左邊的列的對應的值]”的範圍。所指示的值係表示二氧化矽SiO2對金屬氧化物的比例(表2)。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表2中的第一個“X”是“由約0.5：1至約1：1”。表的範圍係指在起點和終點之間並包括起點和終點。
被加入灰泥的金屬矽酸鹽溶液可以具有任何合適的pH值。在根據本發明的一些實施例中，已經發現，石膏製品，例如牆板，灰泥與pH值小於10的金屬矽酸鹽溶液所製成的石膏產品，可以提高耐火性和抗壓強度。因此，在一些實施例中，金屬矽酸鹽溶液的pH為由約5至約10，例如由約5至約9、由約5至約8、由約5至約7、由約5至約6、由約6至約10、由約6至約9、由約6至約8、由約6至約7、由約7至約10、由約7至約9、或由約7至約8。
例如，在一些實施例中，被加入灰泥中的金屬矽 酸鹽溶液的pH值是從至少約5到小於約10。業已發現，在一些實施例中，如在矽酸鈉的情況下，具有的pH值大約為10或以上(例如，pH值由約10至約13)的溶液在由灰泥形成石膏的過程中可能會導致遲緩的效應。因此，在一些實施例中，組合物、牆板或方法可以是“基本上不含”具有pH值至少為約10的矽酸鹽，其意為組合物、牆板或方法包含(i)依灰泥的重量而言，0重量%的矽酸鹽，或不含pH值至少為大約10這樣的矽酸鹽，或(ii)無效量的pH值至少為約10的矽酸鹽，或(iii)無關緊要之量的pH值至少為約10的矽酸鹽。如本領域之一般技術人員應理解的，無效量的pH值至少為約10的矽酸鹽的例子是，其量低於一閾值，該閾值是矽酸鹽被用來達到預期目的值。如本領域之一般技術人員應理解的，基於石膏灰泥的重量而言，無效量可以是，例如，低於約0.5重量%、例如低於約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，如果需要，pH值至少為約10的金屬矽酸鹽溶液可以被使用於組合物、牆板或方法中，尤其是在任何遲緩效應被接受或減輕的情況。在一些實施例中，已經發現，pH值大於約10的金屬矽酸鹽溶液能夠提高耐火性和抗壓強度。因此，在一些實施例中，金屬矽酸鹽溶液的pH值可為由約10至約13、例如由約10至約12、由約10至約11、由約11至約13、由約11至約12或由約12至約13。在一些實施例中，組合物、牆板或方法可以是“基本上不含”pH值大於約10的矽酸鹽，其意為組合物、牆板 或方法包含(i)基於灰泥的重量而言，0重量%的矽酸鹽，或不含pH值至少為大約10的這樣的矽酸鹽，或(ii)無效量的pH值至少為約10的矽酸鹽，或(iii)無關緊要之量的pH值至少為約10的矽酸鹽。如本領域之一般技術人員應理解的，無效量的pH值至少為約10的矽酸鹽的例子是，其量低於一閾值，該閾值是矽酸鹽被用來達到預期目的值。如本領域之一般技術人員應理解的，基於石膏灰泥的重量而言，無效量可以是，例如，低於約0.5重量%，例如低於約0.2重量%、低於約0.1重量%或低於約0.01重量%。
在一些實施例中，金屬矽酸鹽可以在灰泥漿料中，經由水玻璃技術就地被轉變而形成矽膠。在水玻璃的過程中，酸被加入矽酸鹽中以降低pH值，此會導致矽酸鹽的水解而形成矽酸。矽酸分子的矽醇基(-Si-OH)可以自發地聚合而形成聚合物(即，矽膠)。矽的四價性質可使矽酸能夠形成四個新的矽-氧鍵，其可產生高度交聯的矽基聚合物。經由此過程，分子成為大的三維網絡。
在一些實施例中，在灰泥被添加之前，金屬矽酸鹽以酸來中和。在板製造的過程中，在酸已被添加至金屬矽酸鹽之後，矽膠之形成最好於由約2分鐘至約120分鐘發生。對於實際的板的製造，加入到灰泥漿料之前，矽酸鹽溶液必須具有良好的流動性，因為矽酸鹽溶液要被泵入灰泥組合物中。如果在泵送之前，矽酸就已凝膠，則矽酸鹽就難以泵送。凝膠形成的時間取決於一些因素，包括金屬矽酸鹽溶液的初始濃度，溶液加入酸之後的pH值，二氧化矽/氧化鈉的比例， 和酸的類型/濃度。
在一些實施例中，添加酸之前，金屬矽酸鹽溶液用水來稀釋，以得到所需的濃度。在其他實施例中，添加酸之前，固態的金屬矽酸鹽與水混合，以獲得具有所需濃度的溶液。金屬矽酸鹽溶液可以是任何足夠的濃度。在一些實施例中，金屬矽酸鹽溶液的濃度，依據金屬矽酸鹽在水中的量，由約0.1%至約10%。在其他實施例中，金屬矽酸鹽溶液的濃度由約0.1%至約4%。金屬矽酸鹽溶液的濃度最好由約3%至約4%。
任何足夠的酸可以被加入金屬矽酸鹽來中和。例如，可以使用如硝酸、乙酸和水解的硫酸鋁的酸。在一些實施例中，可以使用如鹽酸(20%濃度)和硫酸(98%濃度)的強酸。對於本發明，硫酸通常比鹽酸較好，因為氯離子的存在可能有害於板的強度。
在較佳的實施例中，足量的酸被加入矽酸鹽溶液，以形成pH值為由約5至約10的溶液。在一些實施例中，當矽酸鹽溶液與灰泥漿料組合時，其pH值會降低。當矽酸鹽溶液的pH值為由約5至約8時，凝膠的形成最快速。在一些實施例中，足量的酸被加入矽酸鈉溶液中，以形成pH值為由約6至約8的溶液，在本發明的實施例中，加入酸之後，矽酸鹽溶液的pH值可以是，例如，如表3之所列，其中，“X”表示“由約[最上面一行對應的值]至約[最左邊的列對應的值]“的範圍。所指示的值表示酸加入後的矽酸鹽溶液的pH值(表3)。為便於表述，應當理解到，每一個值表示“大約” 這個值。例如，表3中的第一個“X”是“由約5至約5.5”的範圍。表中的範圍是在起點和終點之間並包括起點和終點。
矽酸鹽溶液可以至少與灰泥結合以形成具有更大耐火性和強度的牆板。在一些實施例中，凝固的石膏組合物設置在兩個覆蓋片之間，該凝固的石膏組合物包括由至少含有灰泥、水和金屬矽酸鹽之漿料所形成的凝固石膏的交互聯鎖的基材。在一些實施例中，金屬矽酸鹽與乾燥灰泥結合。在其他實施例中，金屬矽酸鹽的固體或溶液直接被加入灰泥漿料中。含有矽酸鹽的灰泥漿料被設置在兩個覆蓋片之間。 在漿料充分硬化而可被切割之後，板的預製件被切割成預定尺寸的板。板被乾燥。雖然不希望受任何特定理論的束縛，可以相信，由於灰泥水合而形成石膏，矽酸鹽的濃度增加，促使矽膠更快形成。因為板在高溫下乾燥，故形成矽膠的聚合反應可以進行完成。
在一些實施例中，矽酸鹽被加到灰泥之前，可以部分地被聚合。在其他實施例中，矽酸鹽在漿料中時可以部分地被聚合，但當暴露於升高的溫度時，例如，在窯中乾燥以除去過量的水的步驟中，可以完全轉化為矽膠。在某些實施例中，即使在窯裡，矽酸鹽無法完全被聚合。依據本發明，比起不含矽膠的石膏製品的抗壓強度，只要矽膠是有效的量，則任何矽酸鈉對矽膠的比例都足夠來提高石膏製品的抗壓強度。
如上所述，矽酸鹽聚合成矽膠的程度可以是任何合適的量，例如約50%或更多(即1：1的比率)、60%或更多、70%或更多、80%或更多、90%或更多、95%或更多及99%或更多。然而，若聚合度更小，則無法充分利用本發明的一些實施例使耐火性和強度增大。因此，在一些實施例中，凝固石膏組合物所包含的矽膠的量最好高於凝固石膏組合物的金屬矽酸鹽的量。在一些實施例中，凝固石膏組合物具有的矽膠對金屬矽酸鹽的比例較佳的是，例如，至少約2：1、至少約3：1、至少約4：1、至少約5：1、至少約10：1、至少約20：1、至少約50：1、至少約75：1、至少約80：1、至少約90：1，至少約95：1、至少約97：1、至少約99：1或完全聚合成矽膠(100 %)。
在一些實施例中，如蛭石的高熱膨脹的添加劑可以被添加到含有金屬矽酸鹽的漿料製劑中，以改善其耐火性。如本文所用，蛭石是鋁，鎂，和鐵的水合矽酸鹽礦物群組的用語，它可以經由加熱而賦予更大的耐火性。然而，當過量的蛭石被用於製造輕質的板時，蛭石顆粒的膨脹會導致剝落和破碎。使用如蛭石的高熱膨脹的添加劑，其成本比較昂貴，且蛭石的含量超過閾值時，其耐火性的有效增加通常會趨於平穩。如圖1之所示，蛭石的量由2.7重量%增加到3.6重量%時，其耐火性指數(FEI)增加了3.5分鐘，而蛭石的量由3.6.重量%增加到5.4重量%時，其耐火性指數(FEI)的增加小於1分鐘。因此，當蛭石含量低於約3.6重量%時，可得到最高的成本效益。
根據一些實施例，矽酸鹽和蛭石的組合可以增加石膏板的耐火性。用量減少的高膨脹的顆粒，如蛭石，與一種或多種金屬矽酸鹽的組合，可以被包括在一些實施例的灰泥漿料中。例如，其好處之一是，蛭石可以使含有矽膠之板的收縮降低。矽膠在高溫下可轉化成二氧化矽(SiO2)，因而導致石膏製品的體積的收縮。石膏組合物的體積的收縮會導致更快的石膏芯的傳熱。如蛭石的高熱膨脹的添加劑的添加有助於抵消這種收縮。
在一些實施例中，包含用量減少的如蛭石的高膨脹的顆粒。例如，使用較少量的蛭石的防火板令人驚奇地和意想不到地提高了耐火性，而且，製造過程中需要的費用也 較少。在一些實施例中，灰泥漿料中蛭石的量為約5重量%或更少，例如4重量%或更少、3重量%或更少、2重量%或更少、1重量%或更少、0.5重量%或更少或0.1重量%或更少。上述各終點可以有一個下限值，例如，其範圍從0.001重量%、0.01重量%、0.05重量%、0.1重量%、0.5重量%、1重量%、1.5重量%或2重量%，作為適當的數值。
在一些實施例中，蛭石可以以任何足夠的量被加入漿料的形式的灰泥組合物中。可以使用相對低膨脹的蛭石，諸如被稱為“5級”("Grade No.5")的未膨脹的蛭石(具有小於約0.0157吋(0.40毫米)的典型的顆粒大小)，或高膨脹顆粒的蛭石，其相對於5級蛭石具有高的體積膨脹(美國分級系統)，以及其他低膨脹蛭石。在其他實施例中，使用在不同的分級系統下被分類為高膨脹的蛭石。這樣的高膨脹的蛭石應具有基本上相似於本文所述的那些典型的膨脹和/或熱阻特性。例如，在一些實施例中，可以使用的蛭石被分類為歐洲歐洲歐洲，南美或南非南美，或南非南美，或南非0級(微米)或1級(超細)等蛭石。
在一些實施例中，使用的高膨脹的蛭石可包括美國商業用的四級蛭石，其有各種市售來源。商業製造者可以提供高膨脹的蛭石的物理特性的規格，例如，如莫氏(Mohs)硬度、總水分、游離水分、體積密度、特定比率、寬高比、陽離子交換容量、溶解度、pH值(在蒸餾水中)、膨脹比、發泡溫度和熔點等。可以預期的是在不同的實施例中，使用不同來源的高膨脹的蛭石，其物理性質將會有所改變。
在一些實施例中，高膨脹的蛭石的顆粒通常分佈在整個石膏板的芯部。在其他實施例中，高膨脹的蛭石的顆粒通常均勻地分佈在整個石膏板的芯部。高膨脹的蛭石的顆粒通常可以隨機地分佈在整個芯部的任何減小的密度的部分。在一些實施例中，可以期望在板的密度較大的部分具有不同的蛭石的分佈，如在相鄰於面板的面的任何增加的密度的石膏層，或在沿著面板邊緣的密度較大的芯部部分。在其他實施例中，在面板的較密集的部分，高膨脹的蛭石可以基本上被排除，如面板的硬化的邊緣和面。在面板的較密集的部分，造成蛭石顆粒的含量和分佈的這樣的變化的可能原因有，為了面板的那些部分的使用而從芯部漿料混合器抽取芯部漿料；為了面板的減小密度的芯部部分，以其他適當的工具將蛭石引入漿料，使用邊緣混合器，或使用本領域技術人員所知的其他的裝置。
在本發明的實施例中，蛭石的量可以是，例如，如表4之所列，其中，“X”表示“由約[最上面一行對應的值]至約[最左邊的列對應的值]“的範圍。所指示的值表示基於石膏灰泥的重量的蛭石的重量%。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表4中的第一個“X”是“由約0%至約0.2%”的範圍。表中的範圍是在起點和終點之間且包括起點和終點。
在一些實施例中，矽膠可以作為低成本的高膨脹材料如蛭石的替代物。因此，在一些實施例中，所要的牆板係從基本上不含高膨脹材料如蛭石的漿料來形成。另外，在一些實施例中，牆板或板的製備方法可以是“基本上不含”高膨脹材料如蛭石，其意為漿料，牆板，或方法包含(i)基於石膏灰泥的重量而言是0重量%，或沒有這樣的如蛭石的高膨脹材料，或(ii)無效的量的如蛭石的高膨脹材料，或(iii)無關緊要的量的如蛭石的高膨脹材料。如本領域一般的技術人員所理解的，無效的量的例子是低於一閾值的量，這樣的量可以實現使用如蛭石的高膨脹材料的預期目的。這樣的量可以是，例如，低於約5重量%、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%，如本領域一般的技術人員所理解的，這些重量係依據灰泥的重量來計。然而，在替代性實施例中，如果需要，這樣的成分可以被包含在組合物、牆 板或方法中。
在一些實施例中，相對於具有小於約0.01重量%的金屬矽酸鹽的凝固石膏芯部，凝固石膏芯部的金屬矽酸鹽的量是有效的，可以來提高凝固石膏芯的抗壓強度，這些重量係依據灰泥的重量來計。本發明的板具有的抗壓強度，符合ASTM C1396的標準，在一些實施例中，係參考ASTM C473-10測試方法(如ASTM C473-10，方法B)。在本發明的實施例中，抗壓強度可以是，例如，如表5之所列，其中“X”表示“由約[最上面一行對應的值]至約[最左邊的列對應的值]“的範圍。指示值表示板的單位為PSI(磅/平方吋)的抗壓強度(表5)。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表5中的第一個“X”是“由約200磅/平方吋至約220磅/平方吋”的範圍。表中的範圍是在起點和終點之間並包括起點和終點。
一般來說，當石膏牆板在熱應力下時，熱能會開始使硫酸鈣結合的水分子蒸發。使石膏可以高度耐熱的是那兩種的水分子。當達到215℉(102℃)時，水分子被驅除，從而導致硫酸鈣半水合物的形成。當溫度達到250℉(121℃)時，剩下的水分會丟失掉而石膏轉變成無水硫酸鈣。這兩種反應都是吸熱，其意味著石膏會吸收熱量，從二水合物被“煅燒”成無水合物。雖然不希望受任何特定理論的束縛，一般認為，整個芯部形成親水性矽凝膠網絡會導致耐火性和抗壓強度的改進。一般進一步認為，在煅燒過程中，從石膏芯部釋放的濕氣被吸附在矽膠表面。一般認為，水分從矽膠表面蒸發所需要的額外的能量有效地降低了板的溫度，從而導致具有更高的耐火性。一般認為，在火中煅燒時，多孔矽凝膠的三維網絡，由於接近石膏，可以有效地吸收奈米級的水分。
雖然不希望受到任何特定理論的束縛，一般也認為，矽膠的三維網絡分佈在整個芯部且與石膏晶體奈米級地交織在一起。一般認為，矽膠環繞著石膏晶體，在形成石膏板過程中，會施加力量於石膏晶體上，而使芯更具完整性。一般認為，矽膠之作用好像是板的結構中的增強網絡，可以用來提高其抗壓強度。
水在灰泥漿料中的量可以影響石膏製品的耐火性，如申請號為14/054689的美國專利案所公開的，其關於水與灰泥的比被引用併入本文中做為參考。在一些實施例中，漿料可具有的水與灰泥的比為約0.7至約2.0。在其它實施例中，漿料可以具有的水與灰泥的比為約1.0至約2.0。在其它 實施例中，漿料可以具有的水與灰泥的比為約1.2至約2.0。
在一個實施例中，本發明提供一種石膏板，其包括設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漿料所形成的凝固石膏的交互聯鎖的基材，該漿料至少含有灰泥、水和金屬矽酸鹽。漿料具有的水與灰泥的比為約1.2至約2.0。石膏板具有的密度為由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎，具有至少約70磅力的抗拉釘力，其係根據ASTM C473-09來測定(例如，ASTM C473-09，方法B)，並具有大於約50分鐘的耐火性指數FEI。
實施本發明，可以使用類似於在本領域中那些製備各種凝固石膏產品所使用的組合物和方法。在芯部中，用於形成結晶基材的灰泥(或燒石膏)的成分典型地包含，基本上包括，或包括天然的或合成的β硫酸鈣半水化合物，可溶於水的無水硫酸鈣，α硫酸鈣半水化合物，或這些的全部或任何的混合物。在一些實施例中，灰泥可以包括非石膏礦物，如少量的粘土或其它組分，該組分與石膏源相關聯且在煅燒，處理和/或輸送過程中被加入。
在本發明實施中，石膏芯部可以包含常規量的常見的添加劑，其用來賦予期望的性質，並幫助製造，例如：合適的水性泡沫體、凝固促進劑、凝固遲緩劑、再煅燒抑制劑、粘合劑、粘著劑、平整或非平整劑、殺菌劑、殺真菌劑、pH調節劑、著色劑、強化材料、阻燃劑、防水劑、填料、尺寸增強劑以及它們的混合物。在一些實施例中，可以使用分散劑，如萘磺酸鹽，聚羧酸鹽，或羥烷基化的化合物。另外， 石膏芯部可以包括添加劑，如膦和/或膦酸鹽化合物、磷和/或磷酸鹽化合物、羧酸和/或羧酸鹽化合物以及它們的混合物。
促進劑，如6409825號的美國專利案之所述，其促進劑有關的內容被引用併入本文中作為參考，可以被使用在含本發明的組合物的石膏中。一種所要的抗熱促進劑(HRA)可以用乾磨的土地灰泥(二水硫酸鈣)來製備。少量的添加劑(通常為約5重量%)，如糖、右旋糖、硼酸和澱粉可以被用來製備此種HRA，目前較佳的是糖，或葡萄糖。另一種有用的促進劑是“氣候穩定化促進劑”或“氣候穩定的促進劑”(CSA)，如3573947號的美國專利案之所述，其有關的促進劑的內容被引用併入本文中作為參考。
在一些實施例中，三偏磷酸鹽化合物被加入石膏漿料中用來製造芯部，以提高板的強度，並減少石膏製品的永久變形。包括如三偏磷酸鹽化合物的多磷酸鹽的石膏的組合物被公開在美國專利案6342284號中，其有關的三偏磷酸鹽化合物的內容被引用併入本文中做為參考。示例性的三偏磷酸鹽包括三偏磷酸鈉、鉀或鋰，這些可從Astaris,LLC.,St.Louis,Mo.Astaris，LLC取得。
增稠劑可以用在一些實施例中，以便在板的製造線上獲得合適的流變性。能夠充分降低灰泥漿料的流動性所需的任何增稠劑都可以被添加到漿料中。例如，矽灰、波特蘭水泥、粉煤灰、粘土、纖維素纖維，和它們的混合物都可以被添加到石膏組合物中。對於線速度大於200呎/分的生產線，使泥漿增稠，這是最有利的。如聚丙烯酰胺的高分子量 的聚合物，也可以被添加到石膏漿料中，以降低漿料的流動性。在一些實施例中，依據石膏灰泥的重量來計，增稠劑或增稠劑的混合物可以以小於約10重量%被加入漿料中。
在本發明的實施例中，發泡劑可以被用來在凝固石膏製品中產生孔隙，例如，小的空氣孔隙。經由泡沫泵，泡沫可以被引入灰泥石膏漿料中。或者，液體皂，可以直接地被添加到灰泥石膏漿料中。許多這樣的發泡劑係屬公知，且容易由市售得到，例如來自GEO Specialty Chemicals in Ambler,Pa。對於有用的發泡劑的進一步的描述，可參見，例如：美國專利案4676835號，5158612號，5240639號，和5643510號，他們的有關的發泡劑的內容被引用併入本文中作為參考。
在許多情況下，為了幫助保持石膏製品的強度，在石膏製品中形成空氣孔隙，這將是優選的。此可使用發泡劑來實現，與熟石膏漿料接觸時，發泡劑可產生較不穩定的泡沫。例如，其可藉由混合主要量的已知的能產生較不穩定的泡沫的發泡劑，與少量的已知的能產生相對穩定的泡沫的發泡劑來實現。
這樣的發泡劑混合物可以“離線”地預混合，也就是，獨立於發泡石膏製品的製備過程。然而，較佳的混合是同時地不斷地混合這樣的發泡劑，作為“上線”的整體過程的一部分。此可以被實現，例如，經由泵送不同的分離的發泡劑的物流，並在泡沫發生器之處，或者僅僅在泡沫發生器之前，把物流混合在一起，該泡沫發生器被用來產生水性 泡沫的物流，然後被***並與煅燒石膏漿料混合。經由這種方式混合，在混合物中的發泡劑的比例，可以簡單而有效地被調節(例如，改變一個或兩個分開的物流的流速)，以實現在發泡凝固石膏製品中得到所需的孔隙特性。最終製品的檢查被用來確定是否需要這樣的調整，而來實施這樣的調整。這種“線上”混合和調整的進一步的描述，可以被發現於美國專利案5643510號和美國專利案5683635號，他們的有關發泡劑的內容被引用併入本文中作為參考。
一種用來產生不穩定的泡沫的發泡劑的例子，具有化學式ROSO3ΘM⊕ (Q)
其中R是從2至20個的碳原子的烷基，和M是陽離子。較佳地，R是從8到12個的碳原子的烷基。
一種用來產生不穩定的泡沫的發泡劑的例子，具有化學式CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3ΘM⊕ (J)
其中，X是從2到20之數目，Y是從0到10並且在至少50重量%的發泡劑中是大於0之數目，以及M是陽離子。
在本發明的一些較佳的實施例中，具有上面的化學式(Q)和(J)的發泡劑被混合在一起，使得化學式(Q)的發泡劑和其中Y為0的化學式(J)發泡劑的部分，共同構成由86至99重量%的最終的混合物的發泡劑。
在本發明的一些較佳的實施例中，水性泡沫係從具有下式的預混發泡劑來產生CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3ΘM⊕ (Z)
其中X是從2到20的數目，Y是從0至10的數目且在至少50重量%的發泡劑中是0，以及M是陽離子。較佳地，在由86至99重量%的化學式(Z)發泡劑中Y是0。
泡沫可以以一個數量被引入芯部漿料中，以提供減小的芯部密度和面板重量。泡沫以一個適當的量，配方，和過程被引入芯部漿料中，能夠在最終乾燥的面板的芯部內，產生期望的空氣孔隙的網絡和分佈，及空氣孔隙之間的壁。在一些實施例中，由泡沫組成和泡沫引入系統所提供的空氣孔隙的尺寸，分佈，和/或空氣孔隙之間的壁的厚度符合下面所討論的那些，以及提供可與面板比較的密度，強度及相關屬性的那些。這種空氣孔隙結構允許石膏和其他芯部成分和芯部密度和重量的減少，同時基本上維持(或在某些情況下是改善)面板的強度性能，如芯部的抗壓強度，面板的剛性，彎曲強度，拉釘阻力，等等。
在一些這樣的實施例中，空氣孔隙的等效球的平均直徑可為至少約75微米，且在其它實施例中至少約100微米。在其它實施例中，空氣孔隙的等效球的平均直徑可為由約75微米至約400微米。在其它實施例中，空氣孔隙的等效球平均直徑可為由約100微米至約350微米，其標準偏差為由約100微米至約225微米。在其它實施例中，空氣孔隙的 等效球的平均直徑可為由約125微米至約325微米，其標準偏差為由約100微米至約200微米。
在一些實施例中，由約15%至約70%的空氣孔隙具有約150微米或更小的等效球的直徑。在其他實施例中，由約45%至約95%的空氣孔隙具有約300微米或更小的等效球的直徑，和由約5%至約55%的空氣孔隙具有約300微米或更大的等效球的直徑。在其他實施例中，由約45%至約95%的空氣空隙具有由約300微米或更小的等效球的直徑，和由約5%至約55%的空氣孔隙具有約300微米至約600微米的等效球的直徑。在此處平均空氣孔隙的討論中，計算空氣孔隙的數量或平均空氣孔隙的大小時，石膏芯部中約5微米或更小的孔隙不被討論。
在這些和其它實施例中，這樣的實施例的孔隙之間的壁的厚度，分佈和結構，單獨和/或與期望的空氣孔隙大小分佈和排列組合，也允許板的芯部密度和重量的降低，同時基本上保持(或在某些情況下可改善)面板的強度性能。在一些這樣的實施例中，分隔空氣孔隙的壁的平均厚度可為至少約25微米。在一些實施例中，界定及分隔石膏芯部的空氣孔隙的壁可以具有的平均厚度為約25微米至約200微米，在其它實施例中為由約25微米至約微米，及在仍是其它實施例中為約25微米至約50微米。在又是其它實施例中，界定及分隔石膏芯部的空氣孔隙的壁可以具有的平均厚度為由約25微米至約75微米，其標準偏差由約5至約40。在又是其它實施例中，界定及分隔石膏芯部的空氣孔隙的壁可以具有 的平均厚度為由約25微米至約50微米，其標準偏差由約10至約25。
使用發泡劑以產生所希望的孔隙和壁的結構的例子包括討論於美國專利案5643510號和美國專利申請案2007/0048490號，其中與發泡劑，空隙，和壁結構有關的內容被引用併入本文中作為參考。在一些實施例中，第一更穩定的發泡劑和第二較小穩定的發泡劑的組合可以被使用於芯部漿料的混合。在其他實施例中，只要所需的密度和面板強度的要求得到滿足，也可只用一種類型的發泡劑。將泡沫加入芯部漿料中的方法在本領域係屬已知，且這種方法的例子被討論於美國專利案5643510號和5683635號，其中與發泡劑有關的內容被引用併入本文中作為參考。
本發明的牆板可以有任何合適的密度。板的重量是厚度的函數。因為板通常製成不同的厚度，板的密度在本文中用來作為板重量的度量。本發明的實施例的優點可以由各種不同的板的密度看出，例如，約每立方呎42磅(磅/立方呎，lbs/ft3或PCF)或更小，如由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎，及由約20磅/立方呎至約37磅/立方呎。
然而，本發明的較佳實施例在具有更低的密度(例如，約35磅/立方呎或更小)時特別有用，其中增強的耐火性和/或抗壓強度有利地能夠使用較輕的板。例如，在一些實施例中，板的密度可以為由約15磅/立方呎至約35磅/立方呎，例如，由約15磅/立方呎至33磅/立方呎、由約15磅/立方呎至約30磅/立方呎、由約20磅/立方呎至約35磅/立方呎、 由約20磅/立方呎至約33磅/立方呎、由約24磅/立方呎至約35磅/立方呎、由約24磅/立方呎至約33磅/立方呎、由約27磅/立英呎至約35磅/立方呎、由約27磅/立方呎至約33磅/立方呎、由約30磅/立方呎至約35磅/立方呎和由約30磅/立方呎至約33磅/立方呎。
在本發明的實施例中，板的密度可以是，例如，如表6A和6B之所列。在表中，“X”表示“由約[最上面一行對應的值]至約[最左邊的列對應的值]”的範圍。所指示的值為單位為磅/立方呎的板的密度(表6A和6B)。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表6A的第一個“X”是“由約15磅/立方呎至約16磅/立方呎”的範圍。表的範圍為在起點和終點之間並包括起點和終點。
依據牆板的目標的基礎重量，將灰泥漿料與預定量的泡沫混合可得到低的基礎重量。由於每單位體積的板包含較少的石膏，故可貢獻於牆板耐火性的結晶水較少。另外，暴露於火時，隨著板的密度的降低，收縮百分比可以增加。這兩種因素使其越來越難以通過防火測試。令人驚奇的和意外的是，在本發明的實施例中包含的金屬矽酸鹽可製備出低密度的，如本文中所描述的，且具有耐火特性的最終製品。
使用目前所描述的方法和系統可以生產任意厚度的牆板。石膏板的典型厚度為1/2吋和5/8吋，但也可以為由1/4吋至1吋。在一些實施例中，牆板的厚度可以為由約0.25吋至約1吋。在本發明的實施例中，牆板的厚度可以是，例如，如表7之所列，其中，“X”表示“由約[最上面一行對 應的值]至約[最左邊列對應的值]”的範圍。所示之值表示以吋為單位的板的厚度(表7)。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表7中的第一個“X”是“由約0.59吋至約0.6吋”的範圍。表中的範圍是在起點和終點之間並包括起點和終點。
本發明可提供高耐火性的輕質石膏板。在較佳的實施例中，厚度為約5/8吋的板具有小於約2000磅/1000平方呎的基礎重量。在其它較佳的實施例中，厚度為約5/8吋的板具有小於約1800磅/1000平方呎的基準基重。然而，本發明的牆板可以是任何的基礎重量。在本發明的實施例中，牆板的基礎重量可以是，例如，如表8之所列，其中，“X”表示“由約[最上面一行對應的值]至約[最左邊的列對應的值]的 範圍”。所指示的值表示以磅/1000平方呎為單位的基板的基礎重量(表8)。為便於表述，應理解到，每一個值表示“大約”這個值。例如，表8中的第一個“X”是“由約1200磅/1000平方呎至約1300磅/1000平方呎”的範圍。表中的範圍是在起點和終點之間且包括起點和終點。
紙張，如馬尼拉紙或牛皮紙，可用作覆蓋片。有用的覆蓋]紙張，包括馬尼拉-7層(Manila 7-ply)和新聞線-5層(News-Line 5-ply)；灰背-3層(Grey-Back 3-ply)和馬尼拉象牙-3層(Manila Ivory 3-ply)；和馬尼拉重磅紙(Manila heavy paper)和MH馬尼拉HT(高強度)紙(MH Manila HT(high tensile)paper)。示例性的背覆蓋片的紙是新聞線-5層。另外，纖維素紙可包括任何其他材料或材料的組合。例如，覆蓋片可包括玻璃纖維、陶瓷纖維、礦物棉或上述材料的組合。
在其他實施例中，覆蓋片可包括，基本上包括，或墊子，如非編織玻璃纖維墊，其他纖維或非纖維材料的片材料，或紙和其它纖維材料的組合可以作為覆蓋片的一個或兩個。如本文所使用的，“墊”一詞包括網狀材料。纖維墊可包括任何合適的纖維墊材料。例如，在一些實施例中，覆蓋片可以是由玻璃纖維，聚合物纖維，礦物纖維，有機纖維，或類似的或它們的組合所製成的墊。聚合物纖維包括，但不限於，聚酰胺纖維、聚芳酰胺纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維(例如，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET))、聚乙烯醇(PVOH)，和聚醋酸乙烯酯(PVAc)。有機纖維的例子包括棉花，人造絲，等等。墊的纖維可以被塗覆或不被塗覆。選擇合適的類型的纖維墊，部分地取決於所用的板的應用的類型。
在一些實施例中，包括重的新聞紙的石膏板具有更大的耐火性。在一些實施例中，石膏板包括設置在第一和第二覆蓋片之間的凝固石膏組合物。該凝固石膏組合物包括漿料所形成的凝固石膏的交互聯鎖的基材，該漿料至少包括灰泥、水和金屬矽酸鹽。至少一個覆蓋片具有的基礎重量大於約50磅/1000平方呎。在另一個實施例中，至少一個覆蓋片具有的基礎重量大於約55磅/1000平方呎。在又一個實施例中，至少一個覆蓋片具有的基礎重量大於約60磅/1000平方呎。
在一個實施例中，本發明提供一種石膏板，其包括設置在第一和第二覆蓋片之間的凝固石膏組合物。該凝固石膏組合物包括由漿料所形成的凝固石膏的經互聯鎖的基 材，該漿料至少包括灰泥、水和金屬矽酸鹽。石膏板包括矽膠，其厚度為約5/8英寸時具有由約15磅/立方尺至約42磅/立方呎的密度，和小於約2000磅/1000平方呎的乾燥重量。第二覆蓋片(例如，背面覆蓋片)具有大於約0.014吋的厚度，及約0.1瓦/(米．度K)(w/(m.k.))或更低的熱導率。當板被置放在耐火性指數的測試設備中且第二覆蓋片(如背面覆蓋片)面對測試設備之門時，板的耐火性指數FEI大於約50分鐘。
在一實施例中，石膏板由漿料所形成，該漿料含有灰泥、水和金屬矽酸鹽。漿料可使用通常使用的針式混合器來混煉，其係屬本領域已知。漿料被設置在兩個覆蓋片之間，當漿料充分硬化可以被切割之後，被切成預定尺寸的板，並進行乾燥。板所包括的矽膠的量大於板的金屬矽酸鹽的量，並具有由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度，及大於約53分鐘的耐火性指數(FEI)。在一些實施例中，pH值為由約5至約10的金屬矽酸鹽溶液被加入漿料中。用硫酸來處理溶液，可以得到具有pH值為由約5至約10的金屬矽酸鹽溶液。在一些實施例中，金屬矽酸鹽溶液具有由約0.1%至約10%的濃度。
接合劑的製劑可以包括矽膠，其包括二個乾燥的和預拌的實施例。在一些實施例中，接合劑至少由碳酸鈣和金屬矽酸鹽來形成。金屬矽酸鹽可以在現場轉變成矽膠。在另一個實施例中，接合劑還包括煅燒石膏。在另一個實施例中，接合劑還包括水和凝固遲緩劑。本領域一般技術人員將 理解到，在預拌的實施例中，為了抑制過早凝固，凝固遲緩劑最好也包括在一些實施例中。例如，美國專利案4661161號；5746822號；和美國專利申請公開案2011/0100844號描述了凝固遲緩劑(例如，磷酸鹽如焦磷酸四鈉(TSPP)、聚丙烯酸和/或其鹽類或類似物)，以及其他成分(例如，膠乳乳液的粘合劑，增稠劑，如本文中所描述的磷酸鹽，和類似物，或者它們的組合)。根據本發明，他們是有用的，他們的關於凝固遲緩劑的內容被引用併入本文中作為參考。其他成分以及製造和使用接合劑的方法被討論於，例如，美國專利案6406537號和6805741號；以及美國專利申請公開案2008/0305252號，他們的關於接合劑的內容被引用併入本文中作為參考。
根據本發明的實施例的金屬矽酸鹽還可以被使用於各種類型的吸音板(例如，天花板貼磚)。在一些實施例中，金屬矽酸鹽根據需要可以與熟石膏，水和其他成分混合使用，所述金屬矽酸鹽轉化為矽膠。在一些實施例中，吸音板也包括纖維，例如礦物棉。在一些實施例中，根據ASTM C423-02，面板具有至少約0.5(例如，至少約0.7或至少約1)的噪音降低係數(Noise Reduction Coefficient)。製造吸音貼磚的成份和方法的討論請參見，例如，美國專利案1769519號；6443258號；7364015號；7851057號；和7862687號，他們的關於吸音貼磚的內容被引用併入本文中作為參考。
在一些實施例中，組件可以使用根據本發明的原理所形成的石膏板來構建，其符合美國保險商實驗室公司 (UL®)(Underwriters Laboratories,Inc.(UL®))的組件的規範，如U419，U305，和U423。組件的一側的表面可以根據加熱曲線，如ASTM E119(例如，ASTM E119-09a)程序所討論的，暴露於上升的溫度一段時間。在測試時，監測組件的接近加熱側的溫度和組件的未加熱面的表面溫度，以評估暴露的石膏面板所經歷的溫度，及通過組件傳遞到未曝露的面板的熱。組裝中石膏板的防火性能的一個有用的指標，例如那些如美國ASTM E119防火測試所要求的利用加載的木螺栓架，其討論於Shipp,P.H.及Yu,Q.的論文：“X型特種耐火石膏板的熱物理性質“，該論文發表於2011年1月31日-2月2日召開的防火與材料2011年大會，舊金山，跨學科通信有限公司，英國倫敦，417-426頁(Shipp,P.H.,and Yu,Q.,"Thermophysical Characterization of Type X Special Fire Resistant Gypsum Board," Proceedings of the Fire and Materials 2011 Conference,San Francisco,31st January-2nd February 2011,Interscience Communications Ltd.,London,UK,pp.417-426.)。該論文討論了有關在E119耐火試驗程序下，承載木框架的牆的組件和他們的被預期的性能的一系列廣泛的E119防火測試。美國專利案8323785號關於ASTM E119的內容被引用併入本文中作為參考。
在一些實施例中，根據本發明之原理所形成的且符合U419組件之規範，具有或不具有空隙絕熱的石膏板的組件，其依據ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線加熱時，具有至少約60分鐘的防火等級。在一些實施例中，根據本發 明之原理所形成的且符合U305組件之規範，具有或不具有空隙絕熱的石膏板的組件，其依據ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線加熱時，具有至少約55分鐘的防火等級。在一些實施例中，根據本發明之原理所形成的且符合U305組件之規範，具有或不具有空隙絕熱的石膏板的組件，其依據ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線加熱時，具有至少約60分鐘的防火等級。在一些實施例中，根據本發明之原理所形成的且符合U423組件之規範，具有或不具有空隙絕熱的石膏板的組件，其依據ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線加熱時，具有至少約60分鐘的防火等級。
除了通常的測試方法，本發明的提高耐火性的效用可以用小規模的耐火性指數FEI試驗來進行分析。耐火性指數FEI試驗是小規模的測試設備和方法，其被發展用來替代典型的大規模的牆板試驗。耐火評級通常是在認證的防火測試實驗室依照ASTM標準，執行全尺寸(100平方呎的牆面積)的防火測試來穫得，其是費時的且昂貴的，並不適合桌上式的研究和品質控制。
測試系統200的示意圖，即橫截面圖，被顯示於圖2中。測試系統200包括膛式爐202，其具有用來形成爐腔206的外殼204。爐腔206可以用爐門208來關閉，且爐腔206包括熱源210在其內。熱源210可以是任何已知類型的熱源，如燃料-燃燒器，或電阻加熱器，其在爐運作時可以在爐腔206內建立大致均勻的溫度分佈。
圖2顯示，板的樣品212在測試時，被置放在爐 腔206內。在所示實施例中，樣品212被垂直地安裝在爐腔206內，且從門開口偏移一段距離，使得在樣品212的背面215和門208面向爐內的一側之間形成間隙214。間隔件216被設置在樣品212和門208之間，用來模擬完成的牆組件中隔開牆板的螺栓。雖然顯示出的間隙214是空的，而在替代性實施例中，間隙214可以以絕緣材料的壁來填充。另外，金屬或木的螺栓可以用來代替間隔件216。間隔件可以被連接到樣品212，並且在某些實施例中，間隔件可以隨著樣品212受到壓縮的載荷，用來模擬承受負載的牆。
熱電偶218或其他溫度感測裝置在測試期間被連接靠近樣品的背面215。背面215可以比樣品的前面更稠密。熱電偶218具有感測尖端，其置放在離開樣品212的表面的一小距離處。在替代性實施例中，感測尖端可以接觸或者在樣品212之內。熱電偶218被配置用來在測試期間可以感測樣品212的背面的表面的溫度或接近表面的溫度。熱電偶218被連接到數據獲取單元220，數據獲取單元運作時可以將電力提供給熱電偶218，並由熱電偶218接收指示樣品212的表面溫度的數據，記錄溫度的數據，以及選擇性地或借助計算機的輔助(未示出)繪製隨時間變化的溫度數據的圖，或除此以外對數據作數值分析。
當測試進行時，經由適當地控制熱源210的強度，膛式爐的爐腔206的溫度會隨時間逐漸增加。在一個實施例中，爐的溫度感測器222被設置用來測量爐腔206內的溫度，提供表示爐腔溫度的數據給加熱器控制器224，和選擇 性地，也提供數據給數據獲取單元220。加熱器控制器224可以依據感測器222所提供的數據而以閉環方式來運作，藉由適當地自動地調節熱源210的強度可以提供預定的變化溫度給爐腔206。爐腔206的溫度上升也可選擇性地由數據獲取單元220記錄，用來建立測試的完整性。
爐腔的樣品的加熱曲線顯示於圖3的時間曲線圖中。可以從曲線圖看出，其中，垂直軸是所期望的爐腔的溫度(華氏)，而橫軸是時間(分鐘)。大約在試驗的最初的43分鐘，爐腔206從約400℉(204℃)的溫度，以對數趨勢被逐漸地加熱到約1423℉(773℃)的溫度，試驗的其餘時間則保持在該溫度下，其在顯示的曲線圖中持續約1小時。因此，試驗進行了最初的加熱時間226，然後繼續進行穩定的期間228，如圖3的圖表之所標記。
已經被確定，在測試過程中通過樣品212的熱傳遞，如測量樣品的背面215的表面溫度所收集的，其伴隨於且表示在全規模的防火測試中通過牆板的預期的熱傳遞。本質上，本文所述之測試確定了通過樣品的熱傳遞的速率。在一個實施例中，所取得的板的兩側的溫度讀數可以被用來估計實時地通過板的傳熱速率。經由比較不同產品的熱傳遞曲線且將曲線關聯到它們的實際的耐火測試的結果，可以有利地判斷和預測不同產品的耐火性能。在圖2所示的測試設置中，樣本被選擇為矩形，其具有6.125吋×6.625吋的尺寸及0.625吋的厚度。間隙214的深度為7/8吋，且熱電偶218被設置在門208的幾何中心，其中熱電偶218的感測尖端在樣 品212的方向上係由門208的內表面突出約11/16吋，因此，熱電偶的尖端離開樣品的表面3/16吋的距離。玻璃棉框架被設置頂著樣品，用來當作間隔件216，並固持樣品在原地方，同時也密封門框架以免熱的洩漏。對於半吋厚的樣品，0.125吋厚的金屬框架可放置在樣品後面，以保持熱電偶和樣品之間的間隙，並固持其餘的測試裝置。在膛式爐中的控制器224被設定為從200℃運行至773℃。膛式爐前端的實際溫度曲線顯示於圖3中。
測試可提供特定的板的樣品的溫度-時間曲線。耐火性指數FEI可以從曲線來確定。耐火性指數被定義為，試片在小規模耐火試驗中，其背面達到600℉(315.5℃)所需的時間。數據點A，B，C和D被作圖，且由U419全尺寸耐火試驗得到的耐火性和小規模耐火試驗的FEI(耐火性指數)之間的相關性被顯示於圖4中。如U305和U423的耐火測試組件的其他的設計也可以從FEI(耐火性指數)外推得到。
在一些實施例中，石膏板具有的FEI(耐火性指數)大於不含矽膠的凝固石膏的板至少2分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少3分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少4分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少5分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少6分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少7分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的 FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少8分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少9分鐘。在一些實施例中，石膏板具有的FEI大於不含矽膠的凝固石膏的板至少10分鐘。
因此，在實施例中，石膏板包括設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漿料所形成的凝固石膏的交互聯鎖的基材，該漿料至少含有灰泥、水和金屬矽酸鹽，其中凝固石膏組合物包含的矽膠的量大於凝固石膏組合物中金屬矽酸鹽的量，石膏板具有從約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度，和大於約53分鐘的FEI(耐火性指數)。
在一實施例中，石膏板包括設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漿料所形成的凝固石膏的交互聯鎖的基材，該漿料至少含有灰泥、水和金屬矽酸鹽，其中凝固石膏組合物包含矽膠，石膏板具有從約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度，和大於約53分鐘的FEI(耐火性指數)。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鋰，或者它們的組合。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽(在活性基礎上)的量，依據灰泥的重量來計，為由約0.01重量%至約5重量%。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽(在活性基礎上)的量，依據灰泥的重量來計，為由約0.01重量%至約1重量 %。
在另一個實施例中，在被加入漿料之前，金屬矽酸鹽被包含在具有pH值為約5至約10的溶液中。
在另一個實施例中，在被加入漿料之前，金屬矽酸鹽被包含在具有pH值為約5至約7的溶液中。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽具有由約0.5至約5.0的二氧化矽(SiO2)與金屬氧化物的比例。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽具有由約2至約4的二氧化矽(SiO2)與金屬氧化物的比例。
在另一個實施例中，依據石膏灰泥的重量來計，凝固石膏組合物包含小於約5重量%的蛭石。
在另一個實施例中，石膏板具有的矽膠對金屬矽酸鹽的重量比為由約1比1至約99比1。
在另一個實施例中，板具有的矽膠對金屬矽酸鹽的重量比大於約99比1。
在另一個實施例中，板具有的矽膠對金屬矽酸鹽的重量比大於約90比10。
在另一個實施例中，板具有的矽膠對金屬矽酸鹽的重量比大於約1比1。
在另一個實施例中，基板具有的密度為由約15磅/立方呎至約35磅/立方呎。
在另一個實施例中，基板具有的密度為由約15磅/立方呎至約33磅/立方呎。
在另一個實施例中，厚度約5/8吋的板具有的乾 燥重量為小於約2000磅/1000平方呎。
在另一個實施例中，石膏板所含的矽膠的量是有效的，相對於不含矽膠的石膏板的抗壓強度，含矽膠的石膏板可以增加抗壓強度。
在另一個實施例中，石膏板具有的FEI(耐火性指數)大於不含矽膠的凝固石膏的板的FEI(耐火性指數)至少約3分鐘。
在另一個實施例中，板被建構成符合UL U305的測試組件，該板在依據美國ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線下被加熱時，具有至少約55分鐘的耐火等級。
在另一個實施例中，板被建構成符合UL U305的測試組件，該板在依據美國ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線下被加熱時，具有至少約60分鐘的耐火等級。
在另一個實施例中，板被建構成符合UL U419的測試組件，該板在依據美國ASTM標準E119-09的時間-溫度曲線下被加熱時，具有至少約60分鐘的耐火等級。
在另一個實施例中，石膏板具有的厚度為由約0.59吋至約0.65吋。
在另一個實施例中，漿料具有的水對灰泥的比為由約1.0至約2.0。
在另一個實施例中，漿料具有的水對灰泥的比為由約1.2至約2.0。
在另一個實施例中，兩個覆蓋片中的至少一個具有的基礎重量大於約60磅/1000平方呎。
在一個實施例中，用來製造石膏板的方法，其包括形成漿料，該漿料包括灰泥、水和金屬矽酸鹽，該漿料被設置兩個覆蓋片之間，該漿料在硬化充分可以被切割之後，板預製件被切割成預定尺寸的板，板被乾燥，其中，板包括矽膠，具有由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度，並具有大於約53分鐘的FEI(耐火性指數)。
在一個實施例中，用來提高石膏板的耐火性的方法，其包括形成漿料，該漿料包括灰泥、水和金屬矽酸鹽，該漿料被設置兩個覆蓋片之間，用來形成板預製件，該漿料在硬化充分可以被切割之後，板預製件被切割成預定尺寸的石膏板，石膏板被乾燥；其中，至少一部分的金屬矽酸鹽轉化為矽膠，且石膏板比起不含矽膠的板增加了耐火性，其密度由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎，其耐火性指數大於約53分鐘。
在另一個實施例中，方法進一步包括：金屬矽酸鹽在形成漿料之前被包含在pH值為由約5至約10的溶液中。
在另一個實施例中，使用硫酸將金屬矽酸鹽溶液中和至pH值為由約5至約10。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽在溶液中且具有的pH值為由約5至約10。
在另一個實施例中，漿料包含具有pH值為由約5至約10的金屬矽酸鹽溶液。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽溶液具有由約0.1%至約10%的濃度。
在另一個實施例中，金屬矽酸鹽溶液具有由約3%至約4%的濃度。
在一個實施例中，吸音板包括含有矽膠的吸音組件，其中，根據ASTM C423-02，該板具有至少約0.5的噪音降低係數。
在另一個實施例中，吸音板還包括纖維。
在一個實施例中，接合劑包括碳酸鈣和矽膠。
在另一個實施例中，接合劑還包括熟石膏。
在另一個實施例中，接合劑進一步包括水和凝固遲緩劑。
應注意到，前面所述的僅是實施例的例子。從本文的描述的全部內容可以得知，其他的示例性實施例是顯而易見的。本領域的一般技術人員應理解到，這些實施例的每一個，可以與本文所提供的其他的實施例作各種不同的組合而被使用。
下面的例子用來進一步說明本發明，當然，其不應該被解釋為係要以任何方式來限制本發明之範圍。
例子 例1-中和矽酸鹽的方法
本例子顯示中和矽酸鹽的實用的方法。因此，濃縮的矽酸鈉(PQ公司的N®，濃度=37.5%，二氧化矽/氧化鈉=3.22)，使用表9中所公開的條件來進行處理。
矽酸鈉溶液用水稀釋，並用鹽酸HCl(20%)或 硫酸H2SO4(98%)處理。被觀察到，凝膠的形成取決於矽酸鹽濃度，溶液的pH值，及所用的酸的類型。當矽酸鹽溶液被稀釋至3.2%的濃度，且加入H2SO4(98%，1.4克)直到pH值為6.73(參閱表9，試驗編號4)時，可得到製造板的最實用的條件。在這些條件下，矽酸鹽溶液在2小時內形成凝膠。
例2-矽酸鹽對耐火性的影響
本例子顯示矽酸鹽的加入對牆板耐火性的影響。因此，製作了五個石膏板(樣品1-5)，依據灰泥的重量來計，石膏板的活性矽酸鹽的量由0重量%至0.90重量%。另外，使用1.0的恆定比的水與灰泥，和變化量的泡沫來獲得所需的板的重量。
在實驗室中，將30克的矽酸鈉(PQ Corp’s N®，37.5%的濃度，pH值11.3，二氧化矽/氧化鈉=3.22)和1000毫升的自來水混合來製備3%矽酸鈉溶液。將溶液調節至pH值約為5.8。將溶液新鮮地製備成各個板。在個別的鋼碗中加入0克的矽酸鹽溶液(樣品1)、150克的矽酸鹽溶液(樣品2)、300克的矽酸鹽溶液(樣品3)、600克的矽酸鹽溶液(樣品4)及900克的矽酸鹽溶液(樣品5)。額外的自來水被加入樣品1-4的碗中，使其達到900克的總重量。向水中加入2-3滴的緩凝劑(Dow Chemical,Versenex 90)和0.5克的分散劑(GEO Specialty Chemicals,Diloflo CA)。在五個個別的碗中混合900克的灰泥、5.2克的碎玻璃纖維(Owens Corning,Advantex 790C-16W)、34.6克的蛭石(Virginia Vermiculite，4級)、15.1克的預膠化澱粉((Bunge Milling,USG-95)、2.3克的促進劑(USG，地面石膏)和1.0克的三偏磷酸鈉(Innophos)。各個灰泥混合物被倒入含有矽酸鹽/遲緩劑/分散劑的混合物的鋼碗中，其在Hobart混合器下進行安裝。該混合物立即被混合且注入泡沫。25秒之後，停止泡沫之注入，且灰泥漿料再被混合5秒鐘。然後灰泥漿料立即 被倒入預先做好的紙封套(50磅/1000平方呎的馬尼拉紙和40磅/1000平方呎的新聞線紙，面積為1呎x1呎)。含有灰泥漿料的封套被夾在兩塊鋁板之間，鋁板被分隔以製成5/8吋的板。石膏被允許凝固。板被放入預先設定在350℉(177℃)的爐中30分鐘，然後將板轉移至另一個設定在110℉(43℃)的爐中。板在爐中乾燥兩個晚上。乾燥的板被切成6.625吋x6.125吋的尺寸。
樣品1-5個別在小規模的裝置(圖2)中被測試，以確定它們各自的耐火性指數FEI。四個樣品的溫度踪迹顯示 於圖5，其中橫軸是時間，和垂直軸是各樣品的背面的未曝露的表面溫度。在圖5的曲線中，線A表示對照組板(樣品1)的溫度踪迹，線B表示由具有0.15%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣2)的溫度踪迹，線C表示由具有0.30%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣3)的溫度踪迹，而線D表示由具有0.60%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣4)的溫度踪迹。由於樣品5的板的重量過高，其數據沒有被包括在圖5中。
如可從圖5的曲線圖來計算，對照組板的耐火性指數為52.2分鐘(樣品1)，由具有0.15%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣2)為55.8分鐘，由具有0.30%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣3)為54.7分鐘，由具有0.60%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣4)為54.6分鐘，由具有0.90%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(表11，試樣5)的耐火性指數FEI為55.2分鐘。
如表11之所示，在蛭石的存在下，矽酸鹽的量不會顯著影響到收縮率。當與對照組相比，從包括0.40%的收到時的矽酸鹽(即0.15%的活性矽酸鹽)的漿料所形成的板的耐火性指數FEI增加了3.6分鐘。圖6表明，0.15%的活性矽酸鹽含量的板的耐火性指數FEI達到峰值。依據石膏灰泥的重量來計，收到時的矽酸鹽的重量百分比表示金屬矽酸鹽溶液，而活性矽酸鹽的重量百分比表示金屬矽酸鹽。
該例子顯示，金屬矽酸鹽被加入灰泥漿料可以提高石膏壁板的耐火性。
例3-矽酸鹽的最佳用量的決定
本例子決定用來提高耐火性和抗壓強度的最佳的矽酸鹽的含量。另外，本例子檢查矽酸鹽的中和對耐火性和抗壓強度的影響。因此，以活性的矽酸鈉來製作9種石膏板(樣品6-14)，該活性的矽酸鈉的量係基於石膏灰泥的重量來計，其為由0重量%至0.25重量%。另外，使用1.0的恆定的水對灰泥的比，和數量變化的泡沫，以獲得所需的板的重量。
在實驗室中，將30克的矽酸鈉(PQ Corp’s N®，37.5%的濃度，pH值11.3，二氧化矽/氧化鈉=3.22)和970 毫升的自來水混合來製備3%的矽酸鈉溶液。將溶液調節至pH值約6.9。溶液新鮮地被製備成每塊板。在個別的鋼碗中加入0克的矽酸鹽溶液(樣品6和12)、50克的矽酸鹽溶液(樣品7)、100克的矽酸鹽溶液(樣品8)、150克的矽酸鹽溶液(樣品9)、200克的矽酸鹽溶液(樣品10)和250克的矽酸鹽溶液(樣品11)。100克和150克的未中和的矽酸鹽溶液被分別加入鋼碗中，以形成樣品13和14。額外的自來水被加入碗中，使總重量達到900克。向水中加入2-3滴的凝固遲緩劑(Dow Chemical，Versenex90)和0.5克的分散劑(GEO Specialty Chemicals,Diloflo CA)。在八個個別的碗中混合900克的灰泥、5.2克的碎玻璃纖維(Owens Corning,Advantex 790C-16W)、34.6克的蛭石(Virginia蛭石，4級)、15.1克的預膠化澱粉(Bunge Milling，USG-95)、2.3克的促進劑(USG，地面石膏)和1.0克的三偏磷酸鈉(Innophos)。各種灰泥混合物被倒入含有矽酸鹽/凝固遲緩劑/分散劑的混合物的鋼碗中，其在Hobart混合器下進行安裝。混合物立即被混合並注入泡沫。18秒之後，停止泡沫之注入，且灰泥漿料再混合12秒。然後灰泥漿料立即被倒入預先做好的紙封套(50磅/1000平方呎的馬尼拉紙和62磅/1000平方呎的新聞線紙，面積為1呎x1呎)。含灰泥漿料的封套被夾在兩塊鋁板之間，鋁板被分開以製作5/8吋的板。石膏被允許凝固。板被放入預先設定在350℉(177℃)的爐中30分鐘，然後將板轉移至另一個設定在110℉(43℃)的爐中。該板在爐中乾燥兩個晚上。乾燥的板被切成6.625吋x6.125吋的尺寸。
樣品6-14個別在小規模的裝置(圖2)中被測試，以確定它們各自的耐火性指數FEI，且在ATS(應用測試系統)機中被測試，以確定它們各自的抗壓強度。樣品6-10的溫度踪跡顯示於圖7中，其中橫軸是時間，和垂直軸式各樣品的背面的未曝露的表面的溫度。在圖7的曲線圖中，線A表示對照組板(樣品6)的溫度踪跡，線B表示具有0.05%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣7)的溫度踪跡，線C表示具有0.10%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣8)的溫度踪跡，線D表示具有0.15%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣9)的溫度踪跡，及線E表示具有0.20%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣10)的溫度踪跡。圖8顯示矽酸鹽的量如何影響耐火性指數，其中橫軸是收到時的矽酸鹽的重量%，垂直軸是FEI(耐火性指數)。A線代表中和的矽酸鹽的踪跡，而B線代表未中和的矽酸鹽的踪跡。圖9顯示矽酸鹽的量如何影響抗壓強度，其中水平軸是收到時的矽酸鹽相對於板的重量%，和垂直軸是抗壓強度(磅/平方吋psi)。如圖9所示，菱形代表中和的矽酸鹽的數據而方塊代表未中和的矽酸鹽的數據。
如可從圖7的曲線圖來計算，對照組板(樣品6)的耐火性指數為53.4分鐘，具有0.05%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣7)為56.4分鐘，具有0.10%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣8)為56.7分鐘，具有0.15%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣9)為57.3分鐘，及具有0.20%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣10)為56.6 分鐘。如表12之所示，具有0.25%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板(試樣11)的FEI(耐火性指數)為54.7分鐘。樣品12的FEI(耐火性指數)沒有被決定。本例子證實了0.15%的活性矽酸鹽是最佳的，當與對照組相比較時，其提供了3.9分鐘的耐火性指數的增加。另外，使用0.05%的活性矽酸鹽可以來實現高達3分鐘的耐火性指數的增加。如可以由圖8看出，具有0.40%的收到時的活性矽酸鈉的漿料(即0.15%的活性矽酸鈉)所形成的板增加了3.9分鐘的耐火性指數(樣品9)。圖8表明，含0.40%的收到時的活性矽酸鈉(即0.15%活性矽酸鹽)的板的耐火性指數達到高峰。
樣品個別用ATS(應用測試系統)機來測試，以確定它們各自的抗壓強度。如圖9之所示，當矽酸鈉添加到灰泥漿料時，其壓縮強度也增加了。由具有0.15%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板具有242.2磅/平方吋(psi)的抗壓強度。由具有0.20%的活性矽酸鈉的漿料所形成的板具有241.7磅/平方吋(psi)的抗壓強度。如可以由圖9中計算的，矽酸鹽的添加平均地增加了18%的抗壓強度。
當板由具有pH值為11.3的矽酸鹽的灰泥所形成時，耐火性指數FEI的提高也被觀察到(見表13)。如表13之所示，樣品13的耐火性指數FEI大於對照組板(樣品6)的耐火性指數FEI。由具有0.10重量%的pH值為11.3的矽酸鹽的灰泥所形成的板(樣品13)被觀察到具有55.8分鐘的耐火性指數FEI，而由具有0.15重量%的pH值為11.3的矽酸鹽的灰泥所形成的板(樣品14)被觀察到具有52.6分鐘的耐火性指數FEI。如圖8之B線之所示，使用0.10重量%的活性矽酸時，耐火性指數FEI呈現高峰，而使用0.10重量%的活性矽酸時，耐火性指數FEI下降。
如表13之所示，這兩種樣品的抗壓強度相比於 對照組板時都呈現增加。然而，若矽酸鹽沒有被中和，灰泥漿料的流動性就會顯著增加。
本例子說明了0.15%的活性的中和的矽酸鹽是最佳的，且可以顯著地提高牆板的耐火性和抗壓強度。本例子還表明，為獲得耐火性或抗壓強度的增加，中和是非必要的。
例4-不含蛭石的矽酸鹽對耐火性的影響
本例子說明了，在沒有蛭石時，矽酸鹽對牆板的耐火性的影響。因此，石膏板用各種不同的量的矽酸鈉來製成。另外，1.0的恆定的水對灰泥的比和變量的泡沫被用來得到所需的板的重量。
在實驗室中，將30克的矽酸鈉(PQ Corp’s N®，37.5%的濃度，pH值11.3，二氧化矽/氧化鈉=3.22)和970 毫升的自來水相混合來製備3%的矽酸鈉溶液。將溶液調節至pH值為約7.0。溶液新鮮地被製備成每塊板。個別的鋼碗中被加入0克的矽酸鹽溶液，25克的矽酸鹽溶液，50克的矽酸鹽溶液，100克的矽酸鹽溶液，150克的矽酸鹽溶液，200克的矽酸鈉溶液，250克的矽酸鹽溶液。額外的自來水被加入碗中，使總重量達到900克。向水中加入2-3滴的凝固遲緩劑(Dow Chemical，Versenex90)和0.5克的分散劑(GEO Specialty Chemicals，Diloflo CA)。在七個個別的碗中混合900克的灰泥，5.2克的碎玻璃纖維(Owens Corning,Advantex 790C-16W)，15.1克的預膠化澱粉((Bunge Milling，USG-95)，2.3克的促進劑(USG，地面石膏)，和1.0克的三偏磷酸鈉(Innophos)。各種灰泥混合物被倒入含有矽酸鹽/凝固遲緩劑/分散劑的混合物的鋼碗中，其被安裝在Hobart混合器中，該混合物立即被混合並注入泡沫。20秒之後，停止泡沫之注入，且灰泥漿料再被混合10秒。然後灰泥漿料立即被倒入預先做好的紙封套(50磅/1000平方呎的馬尼拉紙和62磅/1000平方呎的新聞線紙，面積為1呎x1呎)。含灰泥漿料的封套被夾在兩塊鋁板之間，鋁板被隔開以製備5/8吋的板。石膏被允許凝固。板被放入預先設定在350℉(177℃)的爐中30分鐘，然後將板轉移至另一個設定在110℉(43℃)的爐中。該板在爐中乾燥兩個晚上。乾燥的板被切成6.625吋x6.125吋的尺寸。
樣品個別在小型規模的裝置(圖2)中被測試，以確定它們各自的耐火性指數。每個樣品的耐火性指數被繪 於圖10，其中橫軸是接收到時的矽酸鹽的重量%，和垂直軸是耐火性指數。如圖10之所示，可觀察到，在沒有蛭石時增加了耐火性，且由具有0.55重量%的矽酸鹽(即0.21重量%的活性的矽酸鹽)的灰泥所形成的板具有2.2分鐘的最大的耐火性指數的增加。
本例子表明，在不存蛭石時，矽酸鈉的添加可以增加石膏牆板的耐火性。
例5-矽酸鹽對抗壓強度的影響
本例子表明矽酸鹽對牆板的抗壓強度的影響。另外，若製造板時，不注入泡沫，則可以消除泡沫所產生的強度的變化。因此，石膏板用不同的量的矽酸鈉來製成。用水而不是用泡沫來控制板的密度。其結果是，1.85的恆定的水對灰泥的比被使用。
在實驗室中，將30克的矽酸鈉(PQ Corp’s N®，37.5%的濃度，pH值11.3，二氧化矽/氧化鈉=3.22)和970毫升的自來水相混合來製備3%的矽酸鈉溶液。將溶液調節至pH值為約7.0。溶液新鮮地被製備成每塊板。在個別的鋼碗中加入0克的矽酸鹽溶液，25克的矽酸鹽溶液，50克的矽酸鹽溶液，100克的矽酸鹽溶液，150克的矽酸鹽溶液，200克的矽酸鈉溶液，250克的矽酸鹽溶液。額外的自來水被加入碗中，使總重量達到1665克。向水中加入0.5克的分散劑(GEO Specialty Chemicals，Diloflo CA)。在七個個別的碗中混合900克的灰泥，5.2克的碎玻璃纖維(Owens Corning,Advantex 790C-16W)，15.1克的預膠化澱粉(Bunge Milling，USG-95)，2.3克的促進劑(USG，地面石膏)和1.0克的三偏磷酸鈉(Innophos)。各種灰泥混合物被倒入含有矽酸鹽/凝固遲緩劑/分散劑的混合物的鋼碗中，其被安裝在Hobart混合器中，該混合物立即被混合30秒。然後灰泥漿料立即被倒入預先做好的紙封套(50磅/1000平方呎的馬尼拉紙和62磅/1000平方呎的新聞線紙，面積為1呎x1呎)。含灰泥漿料的封套被夾在兩塊鋁板之間，鋁板被隔開以製備5/8吋的板。石膏被允許凝固。板被放入預先設定在350℉(177℃)的爐中30分鐘，然後將板轉移至另一個設定在110℉(43℃)的爐中。該板在爐中乾燥兩個晚上。乾燥的板被切成具有3吋直徑的圓。
利用ATS(應用測試系統)機測試個別的樣品，以確定它們各自的抗壓強度。各樣品的抗壓強度被繪製於圖11，其中水平軸是收到時的矽酸鹽的重量%，和垂直軸是板的抗壓強度(磅/平方吋psi)。如圖11之所示，抗壓強度的增加被觀測到。可以觀察到，當板由含0.25%的收到時的矽酸鹽(即0.09%的活性的矽酸鹽)的灰泥漿料所形成時，具有270磅/平方吋的最大的抗壓強度的增加。
此例子證明矽酸鹽可以增加石膏牆板的抗壓強度。
在描述本發明的上下文中(特別是在下面的申請專利範圍的上下文中)所使用的術語：“一”(”a”)和“一”(”an”)，“該”(”the”)”“至少一個”(“at least one”)，和類似指稱應被解釋為包括單數和複數，除非本文中另有說 明，或與上下文明顯相反。“至少一個”後面有一個或多個項目的列表(例如，”A和B的至少一個”(”at least one of A and B”))時，其應被解釋為從列出的項目(A或B)中選擇一個項目，或所列項目(A和B)中的兩個或更多個的任意組合，除非本文另有說明，或與上下文明顯相反。術語：“包括”(“comprising”)，“具有”(“having”)，“包含”(“including”)，“含有”(“containing”)，都應當被解釋為開放式的術語(即，是“包括，但不限於”)，除非另有說明。另外，“包括”(“comprising”)(或其等效詞)重復引用於各處中，“包括”(“comprising”)被認為是“基本上由…組成”(“consisting essentially of”)和“由…組成”(“consisting of.”)。因此，實施例“包括”元素(“comprising”(an)element(s))支持實施例“基本上由引用的元素組成”(“consisting essentially of”the recited element(s))和“由引用的元素組成”(“consisting of”the recited element(s))。處處引用的“基本上由…組成”(“consisting essentially of”)被認為併有“由…組成”(“consisting of.”)。於是，實施例“基本上由元素組成”(“consisting essentially of”(an)element(s))支持實施“由引用的元素組成”(“consisting of”the recited element(s))。本文之數值範圍的引用僅用來作為個別提及落在該範圍內的每一個單獨的值的簡縮的方法，除非本文另有說明，並且每個單獨的值被併入規格中，如同其在本文中個別的列舉一樣。本文中所描述的所有方法可以以任何合適的順序來實施，除非本文中另有說明，或除非與上下文 有明顯矛盾。本文所提供的任何的例子和所有的例子，或示例性的語言(例如，“諸如”(“such as”))，僅僅是為了更好地說明本發明，並不構成本發明的範圍的限定，除非另有聲明。在說明書中沒有語言應被解釋為指示任何未要求保護的元素作為基本的發明的實施。
本發明的較佳的實施例被描述在本文中，包括發明人已知的用於實施本發明的最佳模式。對於本領域的一般技術人員而言，閱讀了上面的描述之間，這些較佳實施例的變化可以變得顯而易見。本發明人期望本領域技術人員能適當地利用這些變化，並且發明人希望本發明可以以不同於這裡的具體描述來被實施。因此，本發明包括，在適用法律的允許下，所附的申請專利範圍的主題內容的所有修改和等同物。另外，本發明包括上述的所有可能的變化的元素的任何組合，除非本文另有所指，或除非與上下文明顯矛盾。
200‧‧‧測試系統
202‧‧‧膛式爐
204‧‧‧外殼
206‧‧‧爐腔
208‧‧‧爐門
210‧‧‧熱源
212‧‧‧樣品
214‧‧‧間隙
215‧‧‧背面
216‧‧‧間隔件
218‧‧‧熱電偶
220‧‧‧數據獲取單元
222‧‧‧感測器
224‧‧‧加熱器控制器

Claims (10)

  1. 一石膏板，其包括：一凝固石膏組合物，其設置在兩個覆蓋片之間，該凝固石膏組合物包括由含有灰泥、水和金屬矽酸鹽的漿料所形成的一凝固石膏的交互聯鎖的基材；該凝固石膏組合物包含矽膠；以及該石膏板具有由約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度和大於約53分鐘的耐火性指數。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的石膏板，其中該金屬矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸鋰，或者它們的組合。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述的石膏板，其中該金屬矽酸鹽在被加入該漿料之前，被包含在pH值為由約5至約10的溶液中。
  4. 根據申請專利範圍第1-3項中之任一項所述的石膏板，其中該金屬矽酸鹽具有的二氧化矽對金屬氧化物的比例為約0.5至約5.0。
  5. 根據申請專利範圍第1-4項中之任一項所述的石膏板，其中該凝固石膏組合物更包含小於約5重量%的蛭石，該含 量係基於該灰泥的重量而計。
  6. 根據申請專利範圍第1-5項中之任一項所述的石膏板，其中：(a)該石膏板具有的耐火性指數比不具有矽膠的石膏板的耐火性指數大於至少約3分鐘；(b)該石膏板被建造成符合UL U305的一測試組件，且在符合ASTM的標準E119-09的時間-溫度曲線被加熱時，具有至少約55分鐘的耐火等級；(c)該石膏板被建造成符合UL U305的一測試組件，且在符合ASTM的標準E119-09的時間-溫度曲線被加熱時，具有至少約60分鐘的耐火等級；以及/或(d)該石膏板被建造成符合UL U419的測試組件，且在符合ASTM的標準E119-09的時間-溫度曲線下被加熱時，具有至少約60分鐘的耐火等級。
  7. 根據申請專利範圍第1-6項中之任一項所述的石膏板，其中該漿料具有的水對灰泥的比為由約1.0至約2.0。
  8. 根據申請專利範圍第1-7項中之任一項所述的石膏板，其中該兩個覆蓋片中的至少一者具有的基礎重量大於約60磅/1000平方呎。
  9. 增加石膏板之耐火性的方法，其包括：形成含有灰泥、水和金屬矽酸鹽的一漿料；將該漿料設置兩個覆蓋片之間，以形成一板的預製件；在該漿料充分硬化可以進行切割之後，將該板的預製件切割成一預定尺寸的石膏板；以及將該石膏板乾燥；其中，將該金屬矽酸鹽中的至少一部分轉化為矽膠；與不具有矽膠的板相比較，該石膏板具有提高的耐火性，該石膏板具有約15磅/立方呎至約42磅/立方呎的密度，且該石膏板具有的耐火性指數大於約53分鐘。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的方法，其更包括：在形成漿料之前，該金屬矽酸鹽在pH值為約5至約10的溶液中。
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