CN103562153B - 轻量的降低密度的耐火石膏面板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包括高膨胀蛭石的降低重量且降低密度的石膏面板，其具有的耐火能力至少可相比于(如果不优于)具有大得多的石膏含量、重量和密度的商用耐火石膏面板的耐火能力。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2011年2月25日提交的题为“Lightweight,ReducedDensityFireRatedGypsumPanels(轻量的密度降低的耐火石膏面板)”的美国临时专利申请No.61/446,941的优先权，所述申请以全文引用方式并入本文。
技术领域
本公开通常涉及具有改进的隔热性质、耐热收缩性和耐火性的降低重量和密度的石膏面板。
背景技术
在建筑和其他建造应用中通常所用的石膏面板(如石膏墙板或天花板面板)通常包括具有纸、玻璃纤维或其他合适材料的覆盖片材的石膏芯。石膏面板通常通过如下方式制得：混合煅烧石膏或“灰泥”与水和其他成分以制备用于形成面板芯的浆料。如本领域通常理解，灰泥主要包括一种或多种形式的煅烧石膏，即经受脱水(通常通过加热)以形成无水石膏或半水石膏(CaSO4·1/2H2O)的石膏。煅烧石膏可包括来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、α半水合硫酸钙、水溶性硫酸钙无水石膏，或这些的任意者或全部的混合物。当被引入浆料中时，煅烧石膏开始水合过程，所述水合过程在形成石膏面板的过程中完成。当所述水合过程适当地完成时，其产生多种结晶形式的凝固石膏二水合物(即CaSO4·2H2O的形式)的通常连续的结晶基质。
在面板的形成过程中，覆盖片材通常作为连续幅材提供。石膏浆料作为流或带在第一覆盖片材上沉积。所述浆料以预定的大约厚度在第一覆盖片材的整个宽度上铺展，以形成面板芯。将第二覆盖片材置于浆料的顶部上，从而将石膏芯夹在覆盖片材之间，并形成连续面板。
连续面板通常沿着输送机传输，以允许所述芯继续水合过程。当所述芯充分水合并硬化时，将其切割成一种或多种所需尺寸以形成单独的石膏面板。然后将面板传递至并经过窑炉，所述窑炉在足以将面板干燥至所需游离水分水平(通常为相对较低的游离水分含量)的温度下。
取决于所用的过程和面板的预期用途和其他这种考虑，可将包含石膏和其他添加剂的另外的浆料层、条或带施用至第一或第二覆盖片材，以为精制面板提供特定的性质，如硬化的边缘或硬化的面板面。类似地，可在过程中的一个或多个位置处将泡沫添加至石膏芯浆料和/或其他浆料条或带，以在石膏芯或精制面板的芯的部分内提供气穴分布。
取决于所需面板尺寸、覆盖层组成、芯组成等，可进一步切割和加工所得面板以用于多种应用中。取决于石膏面板的预期用途和应用，石膏面板的厚度通常为约1/4英寸至约1英寸。面板可应用于多种用于形成墙、天花板和使用一种或多种紧固元件(如螺钉、钉子和/或粘合剂)的其他类似系统的结构元件中。
如果精制石膏面板暴露于相对较高的温度，如通过高温火焰或气体制得的那些石膏面板，则石膏芯的部分可吸收足够的热量以开始使水从芯的石膏二水合物晶体中释放。热量吸收以及水从石膏二水合物中释放可足以将通过面板或面板内的热传递延迟一段时间。石膏面板可充当阻挡层，以防止高温火焰直接经过墙系统。取决于热源温度和暴露时间，由石膏芯吸收的热量可能足以基本上将芯的部分再煅烧。在某些温度水平下，施加至面板的热量也可导致石膏芯的无水石膏中的相变和结晶结构的重排。在一些情况中，盐和杂质的存在可降低石膏芯晶体结构的熔点。
由于这些高温加热作用中的一些或全部，石膏面板可在一个或多个方向上经历面板尺寸的收缩，且这种收缩可导致面板的结构完整性的破坏。当面板附接至墙、天花板或其他框架组件时，面板收缩可导致面板与安装于相同组件中的其他面板以及与它们的支撑件分离，并在一些情况下导致面板或支撑件(或两者)的坍塌。作为结果，高温火焰或气体可直接进入或经过墙或天花板结构。
已制得抵抗相对较高的温度的作用一段时间的石膏面板，这可固有地延迟高热水平经过面板或在面板之间经过，并进入(或经过)使用所述面板的系统。通常配制称为防火或“耐火”的石膏面板以提高面板延迟热量经过墙或天花板结构的能力，且所述石膏面板在控制建筑物内的火灾蔓延中起到重要作用。作为结果，建筑规范当局和其他有关公共和私人实体通常设定了用于耐火石膏面板的耐火性能的严格标准。
可通过进行通常接受的测试来评价石膏面板耐火和相关的极高热量的能力。在建造工业中常规使用这种测试的例子，例如由保险商实验室(“UL”)出版的那些测试(如ULU305、U419和U423测试工序和方案)，以及描述于由美国材料试验协会(ASTM)出版的规范E119中的工序。这种测试可包括使用石膏面板构建测试组件，通常在由木或钢壁骨形成的墙框架的每一面上单层施用面板。取决于测试，组件可经受或不经受载荷力。组件(例如根据ULU305、U419和U423构建的组件)的一侧的表面例如根据加热曲线(如ASTME119工序中所述的那些)暴露于增加的温度一段时间。
在测试过程中监测靠近受热侧的温度以及组件的未受热侧的表面的温度，以评价暴露的石膏面板所经受的温度以及传递通过组件到达未暴露面板的热量。当面板具有一个或多个结构破坏时和/或当组件的未暴露侧上的温度超过预定阈值时，终止测试。通常，这些阈值温度基于这种传感器中的任一者的最大温度和/或温度传感器在组件的未受热侧上的平均值。
如在ULU305、U419和U423以及ASTME119中所述的那些的测试工序涉及组件对热传递通过整个组件的抗性。在一方面，所述测试也提供了当组件经受高温加热时，组件中所用的石膏面板对在x-y方向(宽度和长度)上的收缩的抗性的量度。这种测试也提供了面板对结构完整性的损失的抗性的量度，所述结构完整性的损失产生墙组件中的面板之间的开放间隙或空间，从而导致高温进入组件的内部腔体。在另一方面，所述测试提供了石膏面板抵抗热传递通过面板和组件的能力的量度。据信这种测试反映了特定系统提供建筑物居住者和消防员/火灾控制系统解决或逃离火灾条件的机遇之窗的能力。
在过去，使用多种策略来改进耐火石膏面板的耐火性。例如，已提供了更厚更致密的面板芯，其相对于致密度较低的石膏面板使用更多石膏，并因此包括增加量的化学结合于石膏(硫酸钙二水合物)内的水以充当受热器来降低面板收缩，并增加结构稳定性和面板的强度。或者，已将包括玻璃纤维和其他纤维的各种成分掺入石膏芯中，以通过增加芯的拉伸强度和通过在整个芯基质中分布收缩应力而提高石膏面板的耐火性。类似地，已在过去使用某些粘土(如尺寸小于约1微米的那些)和胶体二氧化硅或氧化铝添加剂(如尺寸小于1微米的那些)的量，以在石膏面板芯中提供增加的耐火性(和耐高温收缩性)。然而公认的是，通过降低芯中的石膏量而降低石膏面板的芯的重量和/或密度将不利地影响面板的结构完整性和它们对火和高热条件的抗性。
另一方法是将非膨胀蛭石(也称为蛭石矿石)和矿物纤维或玻璃纤维添加至石膏面板芯中。在这种方法中，预期蛭石在受热条件下膨胀，以弥补芯的石膏组分的收缩。据信矿物纤维/玻璃纤维将石膏基质的部分保持在一起。
这种方法描述于美国专利No.2,526,066和No.2,744,022，所述专利讨论了以足以在高温条件下抑制石膏面板的收缩的比例使用粉碎的非剥离型蛭石和矿物纤维及玻璃纤维。然而，这两篇参考文献均依赖于高密度芯以提供足够的石膏充当受热器。它们公开了制备1/2英寸厚的石膏面板，所述石膏面板的重量为2至2.3磅/平方英尺(2,000至2,300磅/千平方英尺(“lb/msf”))，板密度为约50磅/立方英尺(“pcf”)或更大。
’066专利报道了从这种面板(具有2％矿物纤维和7.5％的28筛下料蛭石)上切割的片段，当所述片段在1400°F(760℃)下加热30分钟时，其表现出至多19.1％的厚度膨胀，但所述专利并未提供关于那些样品的x-y方向收缩的任何信息。’066专利还警示，取决于面板配方和蛭石含量，蛭石膨胀可由于鼓凸面板和/或面板中的裂缝和开口而导致面板破坏。
’022专利涉及通过降低’066专利中公开的面板的矿物纤维/玻璃纤维含量而增加那些面板的石膏含量(以及因此密度和重量)，以提供更大的石膏-受热器能力。诸如’022专利的参考文献还认识到，蛭石的膨胀性质除非受到限制，否则将在高温条件下在相对较短的时间内导致芯的散裂(即碎裂、剥离或片落)和墙组件的破坏。
在另一实例中，美国专利No.3,454,456描述了将非膨胀蛭石引入耐火石膏墙板面板芯中，以抵抗面板的收缩。’456专利也依赖于相对较高的石膏含量和密度提供所需的受热器能力。’456专利公开了具有约1925lb/msf的最小重量和约46pcf的板密度的精制1/2英寸石膏面板的板重量。这是与对于耐火应用目前商业上提供的更厚和重得多的5/8英寸厚的石膏面板(约2400lb/msf)可相比的密度。
’456专利也公开了在石膏面板芯中使用蛭石来增加面板的耐火等级具有明显局限性。例如，’456专利指出，蛭石在芯内的膨胀可导致芯由于散裂和其他破坏作用而分裂。’456专利也公开了非膨胀蛭石粒子可使芯结构变弱，使得芯变得弱、柔软和易碎。’456专利旨在通过使用具有相对较小的粒径分布(超过90％的非膨胀粒子小于No.50筛目尺寸(大约0.0117英寸(0.297mm)开口)，小于10％的非膨胀粒子略大于no.50筛目尺寸)的“独特的”非膨胀蛭石，从而在石膏面板中使用蛭石来解决这些显著的固有局限性。该方法据称抑制了面板上蛭石膨胀的不利作用，如’456专利的第2栏第52-72行所述。
另外，’456解释具有上述粒径分布的非膨胀蛭石对应于商业上称为“No.5级”非膨胀蛭石的产品。自从至少20世纪70年代早期，No.5级非膨胀蛭石已用于具有常规板密度(例如约45pcf至超过约55pcf)的石膏芯的商用防火/耐火面板中。由于上述原因，认为由于上述散裂和由在高温条件下石膏芯内的蛭石膨胀所导致的其他作用，使用包括尺寸大于No.5级非膨胀蛭石所特有的那些尺寸的粒子的显著分布的非膨胀蛭石可能破坏耐火面板。
在另一方法中，美国专利No.3,616,173涉及具有石膏芯的耐火石膏面板，‘173专利的耐火石膏面板的特征在于更轻的重量或更低的密度。’173专利的面板与现有技术1/2英寸面板的区别在于重量约2,000lb/msf或更大，并具有超过约48pcf的芯密度。因此，’173专利公开了密度为约35pcf或35pcf以上，优选约40pcf至约50pcf的1/2英寸厚的面板。’173专利通过将显著量的小粒径无机材料(粘土、胶体二氧化硅或胶体氧化铝)掺入其石膏芯中，以及掺入在高温条件下防止其石膏面板的收缩所需的量的玻璃纤维，从而实现了其公开的芯密度。
’173专利公开了另外任选将非膨胀蛭石添加至其石膏芯组合物中，以及其公开的小粒径无机材料的所需量。然而，即使使用这些添加剂，’173专利的面板中的每一个面板所公开的测试显示它们经历显著的收缩。尽管所测试和公开的面板中的每一个具有约43pcf或更大的芯密度，仍然发生收缩。
对于1/2英寸厚的石膏面板，’173专利的公开的面板具有约60％至约85％的“耐收缩性”。’173专利中所用的“耐收缩性”为如’173专利中所述在将芯加热至限定温度限定时间段之后剩余的芯的片段的x-y(宽度-长度)区域的比例或百分比的量度。参见例如第12栏第41-49行。
也做出其他努力以通过各种方式来增加石膏面板的强度和结构完整性，并降低面板重量。这种轻质石膏板的例子包括美国专利No.7,731,794和No.7,736,720以及美国专利申请公布No.2007/0048490A1、No.2008/0090068A1和No.2010/0139528A1。
最后，应注意在不存在耐水添加剂的情况下，当凝固石膏浸入水中时，其可吸收其重量的至多50％的水。而且，当石膏面板(包括耐火石膏面板)吸收水时，它们可溶胀，变得变形并失去强度，这可能使它们的耐火性质劣化。相比于常规更重的耐火面板，低重量的耐火面板具有多得多的空气和/或水空穴。预期这些空穴会增加吸水速率和程度，并预期这种低重量耐火面板比常规更重的耐火面板更具吸水性。
在过去已有许多尝试来通常改进石膏面板的耐水性。已将各种烃类(包括蜡、树脂和沥青)添加至用于制备石膏面板的浆料中，以将耐水性赋予面板。硅氧烷也已用于石膏浆料中，从而通过原位形成硅树脂而将耐水性赋予石膏面板。然而，预期硅氧烷不充分保护低重量面板。因此，本领域需要一种通过提高通常由硅氧烷所赋予的耐水性而以合理的成本制备具有改进的耐水性的低重量和密度的耐火石膏面板的方法。
发明内容
在一些实施例中，本公开描述了一种降低重量且降低密度的石膏面板以及制备这种面板的方法，所述石膏面板具有与通常用于需要耐火的建造应用中的更重更致密的石膏面板可相比的耐火性质。在一些实施例中，根据本公开的原理形成的面板包括设置于两个覆盖片材之间的芯密度小于约40磅/立方英尺(“pcf”)的凝固石膏芯。在5/8英寸厚的这种面板的实施例中，重量大约小于约2100lb/msf。
在一些实施例中，例如可将高膨胀颗粒(例如高膨胀蛭石)以有效提供与商用X型石膏面板和其他重得多且致密得多的石膏面板可相比的就耐收缩性而言的耐火性的量掺入石膏芯中。高膨胀粒子在加热时可具有第一非膨胀相以及第二膨胀相。这种面板还可提供就x-y方向(宽度-长度)高温收缩和隔热性质以及z方向(厚度)高温厚度膨胀性质而言的耐火性，即可相比于或显著大于商用X型石膏面板和其他重得多且致密得多的商用面板(包括含有No.5级蛭石的那些商用石膏面板)。在其他实施例中，根据本公开的原理形成的面板可在组件(如经受工业标准耐火测试的那些组件)中提供与至少商用X型石膏面板和其他更重且更致密的商用面板可相比的耐火性能。这种工业标准耐火测试包括但不限于在ULU305、U419和U423全尺寸耐火测试以及等同于那些的耐火测试的工序和规范中描述的那些。
在其他实施例中，根据本公开的原理形成的降低重量和密度的石膏面板及其制备方法可提供在x-y方向上小于约10％的高温收缩率(在约1560°F(850℃)的温度下)和大于约20％的在z方向上的膨胀。在一些实施例中，z方向高温厚度膨胀与高温收缩率的比例大于约0.2，在一些实施例中大于约2，在其他实施例中大于约3，在其他实施例中大于约7，在其他实施例中超过约17，且在其他实施例中为约2至约17。在其他实施例中，根据本公开的原理形成的降低重量和密度的石膏面板及其制备方法可提供在超过约1800°F(980℃)的温度下在x-y方向上大于约85％的耐收缩性。
在其他实施例中，根据本公开的原理形成的耐火石膏面板及其制备方法可包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯。石膏芯可包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在约1560°F(约850℃)下加热约1小时之后可膨胀至其初始体积的约300％或更多。石膏芯可具有约40磅/立方英尺或更少的密度(D)和至少约11磅(5kg)的芯硬度。石膏芯可有效提供约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在其他实施例中，当根据ULU305、U419和U423耐火测试工序测试时，使用根据本公开的原理形成的降低重量和密度的5/8英寸厚的石膏面板制得的组件可提供可相比于(或优于)使用重得多且致密得多的石膏面板的组件的耐火性。根据本公开的原理形成的面板的耐火性可通过根据ULU305、U419和U423耐火测试工序(和等同的耐火测试工序)制得的这种组件的未暴露表面上的最大单个传感器温度或平均传感器温度反映。在一些实施例中，使用根据本公开的原理形成的面板制得并根据ULU419测试的组件在约60分钟的经过时间时提供小于约500°F(260℃)的最大单个传感器温度和/或小于约380°F(195℃)的平均传感器温度。在一些实施例中，使用根据本公开的原理形成的面板制得并根据ULU419测试的组件在约50分钟的经过时间时提供小于约260°F的最大单个传感器温度和/或小于约250°F的平均传感器温度。在其他实施例中，在这种ULU419测试中使用根据本公开的原理形成的面板制得的组件在约55分钟的经过时间时可提供小于约410°F的最大单个传感器温度和/或小于约320°F的平均传感器温度。在其他实施例中，在这种测试中使用根据本公开的原理形成的面板制得的组件在约55分钟的经过时间时可提供小于约300°F的最大单个传感器温度和/或小于约280°F的平均传感器温度。
在其他实施例中，使用根据本公开的原理形成的石膏面板的组件可在根据ULU419工序的测试中显示出可由如下反映的耐火性：在约60分钟的经过时间时小于约500°F的最大单个传感器温度和/或小于约380°F的平均传感器温度。在其他实施例中，使用根据本公开的原理形成的面板制得的组件可在这种测试中在约60分钟的经过时间时可具有小于约415°F的最大单个传感器温度和/或小于约320°F的平均传感器温度。在这种实施例中的某些中，根据本公开的原理形成的石膏面板可具有密度小于约40pcf的芯，所述芯满足对于根据ULU305、U419和U423的耐火测试工序以及等同于那些中的任一者的其他耐火测试工序中的一种或多种的60分钟耐火石膏面板的要求。
在其他实施例中，用于根据本公开的原理的降低重量和密度的面板及其制备方法的配方可提供具有上述耐火性质、小于约40pcf的密度和可满足ASTMC1396/C1396/M-09标准的拔钉阻力的石膏面板。更特别地，当这种面板具有标称5/8英寸厚度时，其可具有至少87lb的拔钉阻力。此外，在其他实施例中，这种面板提供了基本上与重得多且致密得多的面板相同的声音传播特性。在一些实施例中，当根据本公开的原理形成的5/8英寸厚的面板根据ASTME90-99的测试和工序安装于钢壁骨的组件上时，其可具有至少约35的声音传播等级。
在其他实施例中，使用包含至少水、灰泥和高膨胀蛭石的含石膏的浆料提供标称5/8英寸耐火面板的凝固石膏芯组合物。在一个这种实施例中，凝固石膏芯具有约30pcf至约40pcf的密度，且所述芯包含约1162lbs/msf至约1565lbs/msf的量的灰泥、灰泥的约5重量％至约10重量％的高膨胀蛭石，和灰泥的约0.3重量％至约0.9重量％的矿物纤维或玻璃纤维。(除非另外指出，否则石膏芯的组分的百分比基于用于制备芯浆料的灰泥的重量以重量表示)。在另一实施例中，凝固石膏芯具有约30pcf至约40pcf的密度，且所述芯包含约1162lbs/msf至约1565lbs/msf的量的灰泥、灰泥的约5重量％至约10重量％的高膨胀蛭石、灰泥的约0.3重量％至约3重量％的淀粉、灰泥的约0.3重量％至约0.9重量％的矿物纤维或玻璃纤维，和灰泥的约0.03重量％至约0.4重量％的磷酸盐。
在其他实施例中，根据本公开的原理形成的5/8英寸厚的面板的石膏芯可具有约32至约38磅/立方英尺的密度，以及约1500至约1700lb/msf的石膏芯重量。在一些实施例中，石膏芯可包含约5.5％至约8％的高膨胀蛭石、约0.4％至约0.7％的矿物纤维或玻璃纤维，和约0.07％至约0.25％的磷酸盐。在其他实施例中，石膏芯可包含约5.5％至约8％的高膨胀蛭石、约0.5％至约2.5％的淀粉、约0.4％至约0.7％的矿物纤维或玻璃纤维，和约0.07％至约0.25％的磷酸盐。在其他实施例中，可鉴于覆盖片材的组成和重量、面板芯的其他添加剂和石膏灰泥的品质而进一步调节石膏芯的组分中的每一种(如淀粉、纤维和磷酸盐含量)，以提供所需的面板性质。
本文描述的石膏芯成分中的每一个也可对于不同厚度的面板而适当变化，如本领域技术人员所了解。例如，1/2英寸面板可具有所述值的约80％的石膏lb/msf值，且3/4英寸面板可具有所述值的约120％的lb/msf值。在一些实施例中，这些比例可取决于用于不同厚度的面板的物理性质规范而变化。符合本公开的原理的面板和芯配方的其他方面和变体在本文如下讨论。
其他常规添加剂也可以以常规的量在本文公开的芯浆料和石膏芯组合物中使用，以将所需的性质赋予芯，并有利于制造过程。这种添加剂的例子为：促凝剂、缓凝剂、脱水抑制剂、粘结剂、粘合剂、分散助剂、均化剂或非均化剂、增稠剂、杀菌剂、杀真菌剂、pH调节剂、着色剂、防水剂、填料、水性泡沫和它们的混合物。
在根据本公开的原理形成的面板及其制备方法中，可使用如下进一步讨论的方法将水性泡沫以有效提供所需的石膏芯密度的量添加至芯浆料中。在一些实施例中，将泡沫组分添加至芯浆料可在芯的蛭石组分的存在下产生有助于一种或多种面板和/或芯强度性质的空穴和空穴尺寸的分布。类似地，可将包含石膏和其他添加剂的另外的浆料层、条或带(其可具有相对于芯的其他部分增加的密度)施用至第一或第二覆盖片材，以将特定的性质提供至精制面板，如硬化的边缘。
在其他实施例中，根据本公开的原理形成的耐火石膏面板及其制备方法可包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯。凝固石膏芯可具有约40磅/立方英尺(约640kg/m3)或更小的密度(D)，并包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子。所述高膨胀粒子在约1560°F(约850℃)下加热约1小时之后，其可膨胀至其初始体积的约300％或更大。
在其他实施例中，本公开描述了一种制备耐火石膏面板的方法。制备具有分散于其中的高膨胀粒子的石膏浆料。将所述石膏浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成组件。将所述组件切割成预定尺寸的面板。干燥面板。凝固石膏芯具有约40磅/立方英尺(约640kg/m3)或更小的密度(D)，并包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子。所述高膨胀粒子在约1560°F(约850℃)下加热约1小时之后，其可膨胀至其初始体积的约300％或更大。
在其他实施例中，本公开描述了一种制备耐火石膏面板的方法，其中凝固石膏芯组分由含煅烧石膏的水性浆料形成。在一些实施例中，所述浆料可包含具有如上量的高膨胀蛭石、淀粉、分散剂、磷酸盐、矿物纤维/玻璃纤维、泡沫、其他添加剂、水/灰泥重量比为约0.6至约1.2，优选约0.8至约1.0，更优选约0.9的灰泥和水。芯浆料可作为连续带沉积于第一覆盖片材的连续幅材上，并在所述连续幅材上分布。可将第二覆盖片材的连续幅材置于沉积于第一覆盖片材的幅材上的浆料上，以形成具有所需大约厚度的通常连续的石膏面板。在含煅烧石膏的浆料充分硬化(通过煅烧石膏的脱水以形成凝固石膏的连续基质)以用于切割之后，可将所述通常连续的石膏面板切割成具有所需长度的单独的面板，并可干燥所得石膏面板。
如可了解的，与本文公开的石膏面板相关的原理能够在其他和不同的实施例中实施，并能够在各个方面修改。根据如下详细描述和所附附图可了解所公开的原理的另外的和可选择的方面和特征。因此，可理解前述一般概述和如下详细描述仅为示例性和解释性的，且不限制所附权利要求书的范围。
附图说明
除非另外明确指出，否则如下所列并进一步讨论的附图为本文公开的发明的示例，而非限制本文公开的发明。
图1为来自根据本公开的原理形成的标称5/8英寸厚的约1880lb/msf的示例性面板的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的二维图像。
图2为图1中所示的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的三维图像。
图3为图1中所示的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的三维体绘制图像。
图4为来自根据本公开的原理形成的标称5/8英寸厚的约1860lb/msf的示例性面板的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的二维图像。
图5为图4中所示的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的三维图像。
图6为图4中所示的试样的芯部分的如下进一步讨论的微CT-X射线扫描所产生的三维体绘制图像。
图7为根据ULU305、ULU419、ULU423和/或等同耐火测试构建，并包括根据本公开的原理形成的石膏面板的代表性组件的一个实施例的透视图，所述石膏面板以碎片形式显示，并为了说明的目的而去除接缝带和化合物。
图8为来自未暴露表面的图7的组件的立视图，根据ULU305、ULU419、ULU423和/或等同的耐火测试，所述未暴露表面包括多个温度传感器。
图9为从0分钟至测试结束，使用来自本文描述的样品试验1至17和21的面板制得，并经受ULU419条件(如下所述)的耐火测试的组件中的每一个组件的未暴露表面处的最大单个传感器温度的图，以及用于测试中的炉温的ASTME119温度曲线的图。
图10显示了从0分钟至测试结束，来自作为图9的主题的ULU419耐火测试的组件中的每一个组件的未暴露表面处的平均传感器温度的图，以及用于这种测试中的炉温的ASTME119温度曲线。
图11为从40分钟至65分钟的经过时间，使用样品试验1至17和21的面板的组件的来自作为图9的主题的U419耐火测试的最大单个传感器温度的放大图。
图12为从40分钟至65分钟的经过时间，使用样品试验1至17和21的面板的组件的来自作为图10的主题的ULU419耐火测试的传感器温度的平均值的放大图。
图13为使用样品试验5、14和21的面板的组件的来自图11的数据的图。
图14为使用样品试验5、14和21的面板的组件的来自图12的数据的图。
图15为从40分钟至65分钟的经过时间，经受ULU423(如下所述)的条件下的耐火测试的使用样品试验18和22的面板的组件中的每一个组件的未暴露表面处的最大单个传感器温度的放大图。
图16为从40分钟至65分钟的经过时间，来自作为图15的主题的ULU423耐火测试的使用样品试验18和22的面板的组件中的每一个组件的未暴露表面处的平均传感器温度的放大图。
图17为从测试40分钟至65分钟的经过时间，经受ULU305(如下所述)的条件下的耐火测试的使用样品试验19和20的面板的组件的未暴露表面处的最大单个传感器温度的放大图。
图18为从40分钟至60分钟的经过时间，来自作为图17的主题的ULU305测试的使用样品试验19和20的面板的组件中的每一个组件的未暴露表面处的平均传感器温度的放大图。
图19为根据本公开的原理形成的石膏面板的示例性配方的表(表I)。
图20为蛭石No.5级的随温度变化的重量损失和密度变化的表(表II)。
图21为高膨胀蛭石的随温度变化的重量损失和密度变化的表(表III)。
图22为试样1-4的气穴分布的统计学信息的表(表IV)。
图23为试样1-4的壁厚分布的统计学信息的表(表V)。
图24为耐收缩性测试结果的表(表VI)。
图25a-b为实例4中提及的样品面板的配方的主要组分(除非另外指出，每个试验的平均值)的表(表VII)。
图26a-b为来自表VII和实例4B中提及的样品试验的试样的高温收缩率和高温厚度膨胀的表(表VIII)。
图27为在使用根据本发明的原理形成的面板的组件中对于在50、55和60分钟时所需耐火性的预期最小隔热指数值的表(表IX)。
图28a-b为来自表VII和实例4D中提及的样品试验的试样的高温隔热测试的表(表X)。
图29a-c为来自表VII和实例4E中提及的样品试验的试样的耐火测试的数据的表(表XI)。
图30为来自表VII和实例5中提及的样品试验的试样的拔钉阻力测试的数据的表(表XII)。
图31为来自样品试验17、18和19的试样的挠曲强度测试的数据的表(表XIII)。
图32a-c为来自样品试验17、18和19的试样的芯、端部和边缘硬度测试的数据的表(表XIV)。
图33为来自根据本公开的原理形成的石膏面板的实例和X型商用耐火石膏面板的声音传播损失测试的数据的表(表XV)。
图34a-b为经硅氧烷/淀粉处理的面板的实验室评价的表(表XVI)。
图35为来自实例10中提及的实验室样品的试样的高温收缩率和高温厚度膨胀测试的表(表XVII)。
图36为来自实例10中提及的实验室样品的试样的高温隔热指数测试的表(表XVII)。
图37为具有不同量的蛭石的用于实验室样品的配方的表(表XIX)。
图38a-c为具有不同量的氢氧化铝(ATH)的示例11A、样品1-9的高温隔热指数、高温收缩率和高温热膨胀测试的表(表XXa-c)。
图39为作为以灰泥重量计的重量百分比的ATH的量相对于获自示例11A、样品3-9的图38a的表XXb中的测试数据的高温隔热指数的图。
图40a-c为具有不同量的ATH的实例11B、样品10-17的高温隔热指数、高温收缩率和高温热膨胀测试的表(表XXIa-c)。
图41a-b为具有ATH的示例11C、样品18-20的高温隔热指数、高温收缩率和高温热膨胀测试的表(表XXIIa和XXIIb)。
具体实施方式
如下所述的实施例不旨在为穷举的或将所附权利要求书限制为本文公开的具体组合物、组件、方法和操作。相反，所描述的方面和实施例被选择用于解释本公开的原理及其应用、操作和用途，以使本领域技术人员最好地遵循本公开的教导。
本公开提供了使用灰泥、非膨胀条件下的高膨胀颗粒(如高膨胀蛭石)和其他指出成分(其例子在图19中的表I中提及)的组合的实施例。这些配方提供了耐火的降低重量和密度的石膏面板，所述石膏面板提供了所需的耐火性质，之前认为所述耐火性质对于这种降低重量和密度的石膏面板是不可能的。根据本公开的原理形成的面板也可具有适于多种建造目的的拔钉阻力和声音传播特性，且在一些实施例中，这些性质可相比于显著更重更致密的商用耐火面板。制备根据本公开的原理形成的面板的独特配方和方法有可能制得这种高性能降低重量和密度的耐火石膏面板，当加热至约1560°F(850℃)时，所述耐火石膏面板具有在x-y方向(宽度-长度)上小于约10％的高温收缩率和大于约20％的在z方向(厚度)上的高温厚度膨胀。在其他实施例中，当用于墙或其他组件中时，这种组件具有可相比于由更重更致密的商用耐火面板制得的组件的耐火测试性能。
在其他实施例中，根据本公开的原理形成的耐火石膏面板及其制备方法可包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯。石膏芯可包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在约1560°F(约850℃)下加热约1小时之后可膨胀至其初始体积的约300％或更多。石膏芯可具有约40磅/立方英尺或更少的密度(D)和至少约11磅(5kg)的芯硬度。石膏芯可有效提供约20分钟或更大的隔热指数(TI)。石膏芯可有效提供约0.6分钟/磅/立方英尺(.038分钟/(kg/m3))或更大的TI/D比。
在一些实施例中，根据本公开的原理形成的耐火石膏面板及其制备方法可提供在约1800°F(980℃)下加热1小时时显示出约85％或更大的平均耐收缩性的面板。在其他实施例中，当在约1800°F(980℃)下加热1小时时，面板显示出约75％或更大的平均耐收缩性。
在一些实施例中，本公开提供了石膏芯密度小于约40pcf的5/8英寸厚的石膏面板。在其他优选实施例中，面板石膏芯密度为约30pcf至约40pcf，约32pcf至约38pcf，或约35至约37pcf。根据本公开的原理形成的这种面板提供了可相比于重得多且致密得多的石膏面板的耐火性质，所述重得多且致密得多的石膏面板例如当前的商用5/8”X型(耐火)耐火石膏面板，其通常具有至少约42pcf(和至少约2200lb/msf的5/8英寸厚的面板重量)的芯密度，如牌X型面板。
在其他实施例中，提供了一种通过制备煅烧石膏而制备耐火石膏面板的方法，所述煅烧石膏含有具有如下本文所述的组分的水性浆料，其中以在一些实施例中约0.6至约1.2，在一些实施例中约0.8至约1.0，在其他实施例中约0.9的优选水/灰泥重量比使用煅烧石膏(也称为灰泥)和水以产生水性浆料。所述浆料作为连续带在纸、非织造玻璃纤维或其他纤维材料或纤维材料的组合的连续覆盖片材幅材上沉积。然后将第二这种连续覆盖片材幅材置于沉积的浆料带上，以形成具有所需厚度和宽度的连续石膏面板。在含煅烧石膏的浆料充分硬化(通过煅烧石膏的脱水以形成凝固石膏的连续基质)以用于切割之后，将所述连续石膏面板切割至所需长度，并干燥所得石膏面板。另外，经干燥的面板可经受进一步的切割、成形和修整步骤。
在其他实施例中，更高密度的石膏层可在第一覆盖片材处或围绕第一覆盖片材和/或沿着覆盖片材的外周缘形成。更高密度的层通常为板表面提供有利的性质，如增加的硬度、改进的拔钉强度等。沿着覆盖片材的外周缘的更高密度通常提供改进的边缘硬度和其他有利性质。在其他实施例中，将更高密度的层施用至覆盖片材中的一者或两者，或者施用至芯/覆盖片材构造的等同部分。
通常，通过常规技术，例如在将芯层沉积至第一覆盖片材上或在将第二覆盖片材施用至芯浆料层的上游或在接近将芯层沉积至第一覆盖片材上或将第二覆盖片材施用至芯浆料层时涂布覆盖层中的一者或两者，从而施用更高密度的层。类似地，通常在将芯浆料沉积至第一片材上的上游或接近将芯浆料沉积至第一片材上时将外周更高密度的层作为石膏浆料(其具有与芯浆料不同的密度)的条或窄带施用至第一覆盖片材的外周缘。在这种实施例中的一些中，更高密度的层占板重量的约3％至约4％。
因此，在一些实施例中，提供了适于用作墙壁、天花板或其他建造应用(如外壳、屋顶材料等)的降低重量和密度的耐火石膏面板。在这种实施例中的某些中，石膏面板具有适用于建造应用中的标称厚度，如约5/8英寸，约1/2英寸和/或约1/4英寸，这些是用于许多内部和外部建筑应用的典型厚度。所述覆盖片材也可涂布有耐水或耐滥用(abuse-resistant)涂层，或在一些应用中涂布有石膏、胶接材料、丙烯酸类材料或适用于特定建造需要的其他涂层。面板也可成型为适于标准、非标准或定制应用的多种尺寸。这种面板的例子为标称4英尺宽的面板，其具有用于建筑物建造目的的那些面板典型的8英尺、10和12英尺的标称长度。
相对于具有类似尺寸的常规面板，降低重量的耐火面板的芯密度对面板总重量起重要作用。因此，在具有上述芯密度的实施例中，具有典型的纸覆盖片材的面板密度可包括约30pcf至约39.5pcf，约32.7pcf至约38.5pcf，约35.6pcf至约37.5pcf。对于具有这种面板密度的5/8英寸厚的4英尺×8英尺的面板，面板重量可分别为约1600lb/msf至约2055lb/msf，约1700lb/msf至约2000lb/msf，1850lb/msf至约1950lb/msf。对于其他面板厚度和尺寸，面板的重量可成比例地变化。例如，在具有类似密度但具有标称1/2英寸厚度的面板的情况中，面板重量为上述5/8英寸厚的面板重量的约80％。类似地，对于具有可相比的密度和尺寸但具有标称3/4英寸厚度的面板，面板重量可为上述5/8英寸厚的面板的约120％。
在其中凝固石膏芯具有约30pcf至约40pcf的密度的实施例中，5/8英寸厚的面板的芯可由浆料配方形成，所述浆料配方包含约1162lbs/msf至约1565lbs/msf的量的灰泥、灰泥的约5重量％至约10重量％的高膨胀蛭石、灰泥的约0.3重量％至约3重量％的淀粉、灰泥的约0.3重量％至约0.5重量％的矿物纤维或玻璃纤维，和灰泥的约0.03重量％至约0.4重量％的磷酸盐。如下所述，在实施本公开的原理中可以以常规的量使用其他常规添加剂以赋予合意的性质，从而有利于制造并获得所需的芯密度。在其他实施例中，根据本公开的原理形成的5/8英寸厚的面板的石膏芯可具有约32至约38磅/立方英尺的密度，以及约1500至约1700lb/msf的石膏芯重量。在这种实施例中的一些中，石膏芯也包含约5.5％至约8％的高膨胀蛭石、约0.5％至约2.5％的淀粉、约0.4％至约0.7％的矿物纤维或玻璃纤维，和约0.07％至约0.25％的磷酸盐。如上所述，可鉴于覆盖片材的组成和重量、面板芯的其他添加剂的性质和量以及石膏灰泥的品质而进一步调节石膏芯的每一个组分(如淀粉、纤维和磷酸盐)，以提供所需的面板性质。
在图19中的表I中提及的示例性实施例中，灰泥、高膨胀蛭石形式的高膨胀颗粒和其他指出的成分的组合提供了具有所需耐火性的降低重量的石膏面板，也提供了满足所需拔钉阻力和声音传播性质的面板。该成分组合(和本发明范围内的其他)有可能制得这种高性能的降低重量的耐火石膏面板，所述石膏面板具有可相比于(如果不优于)重得多且致密得多的石膏面板的x-y区域耐收缩性和z方向膨胀性质。在诸如图19中的表I中所述的那些实施例中，如下文实例4B中所述在约1560°F(850℃)下，在x-y方向上(宽度-长度)的面板的高温收缩率通常小于约10％，且z方向上(厚度)的面板厚度的高温厚度膨胀通常大于约20％。在一些实施例中，如实例4B中所述在约1570°F(855℃)下，z方向高温厚度膨胀与x-y高温收缩率的比例为至少约2至超过约17。
耐热性的另一量度在下文实例3中讨论。在该测试中评估在超过约1800°F(980℃)的温度下的耐热性。使用根据本公开的原理形成的面板，如图19中的表I中所述的那些，降低重量和密度的石膏面板显示了大于约85％的在x-y方向上的耐收缩性。在表I中以lb/msf表示的值用于标称5/8英寸厚的面板。
在实施本公开的原理中可以以常规的量使用其他常规添加剂，以赋予合意的性质并有利于制造。这种添加剂的例子为水性泡沫、促凝剂、缓凝剂、脱水抑制剂、粘结剂、粘合剂、分散助剂、均化剂或非均化剂、增稠剂、杀菌剂、杀真菌剂、pH调节剂、着色剂、防水剂、填料和它们的混合物。在一些实施例中，根据本公开的原理形成的石膏面板可在其石膏芯中掺入无机材料，如粘土、胶体二氧化硅，或胶体氧化铝。在这种实施例中的大多数中，这种无机材料的量不会在高温条件下显著影响石膏面板的耐收缩性。
在使用在图19中的表I中公开的那些范围内的一种或多种配方的一些实施例中，提供了面板及其制备方法，所述面板构造为满足或超过根据ULU305、U419、U423和/或等同耐火测试工序和标准的消防和结构完整性要求的“1小时”耐火等级的降低重量和密度的5/8英寸厚的石膏面板。在使用表I的配方的其他实施例中，本公开提供了能够满足根据消防和结构完整性工序和标准U419的至少3/4小时耐火等级的降低重量和密度的1/2英寸厚的石膏面板及其制备方法。可使用与本文公开的原理一致的其他配方获得类似的结果。
据信降低的重量、耐火性以及上述强度和结构特性的组合是源于来自如上组分的各种组合的出乎意料的结果。如下更详细讨论可用于遵循本公开的原理的煅烧石膏浆料中的组分。
灰泥-用于形成石膏面板芯的结晶基质的灰泥(或煅烧石膏)组分通常包括来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性硫酸钙无水石膏、α半水合硫酸钙，或这些的任意者或全部的混合物。在一些实施例中，灰泥可包括非石膏矿物质，如少量的粘土或者与石膏源相关或在煅烧、加工和/或将灰泥递送至混合器的过程中添加的其他组分。
例如，图19中的表I中提及的灰泥的量假设石膏源具有至少约95％的纯度。因此，用于形成芯浆料的组分和它们的相对量(如在上表I中提及的那些)可取决于灰泥来源、纯度和含量而变化或修改。例如，取决于石膏纯度、石膏的天然或合成来源、灰泥水含量、灰泥粘土含量等，对于不同的灰泥组成可修改石膏芯浆料的组成和高膨胀蛭石的量。
高膨胀颗粒-根据本公开的原理形成的降低重量和密度的石膏面板可获得就对火灾和相关的极热条件的抗性而言独特且出乎意料的结果，而不依赖于常规耐火石膏面板所特有的增加量的石膏半水合物或者不主要依赖于常规的相对低膨胀蛭石，如称为“No.5级”非膨胀蛭石(具有小于约0.0157英寸(0.40mm)的典型粒径)的那个。如上所述，根据本公开的原理形成的面板可使用相对于No.5级蛭石(美国等级系统)和已用于商用耐火石膏面板中的其他低膨胀蛭石具有高膨胀体积的蛭石形式的高膨胀颗粒。
本文称为“高膨胀蛭石”的蛭石在约1560°F(约850℃)下加热1小时之后具有其初始体积的约300％或更大的体积膨胀。相比之下，No.5级非膨胀蛭石在约1560°F(约850℃)下通常具有约225％的体积膨胀。具有可相比于高膨胀蛭石的性质的其他颗粒同样也可用于根据本公开的原理形成的面板的实施例中。在一些实施例中，可使用在置于具有约1560°F(约850℃)的温度的室中1小时之后具有其初始体积的约300％至约380％的体积膨胀的高膨胀蛭石。
一种这种高膨胀蛭石通常称为No.4级非膨胀蛭石(美国等级系统)(这种高膨胀蛭石在上述美国专利No.3,454,456中被排斥作为在耐火石膏墙板中的可用的成分)。在一些实施例中，用于根据本公开的原理形成的面板中的高膨胀蛭石中的粒子的至少约50％将大于约50目(即大于约0.0117英寸(0.297mm)开口)。在其他实施例中，粒子的至少约70％将大于约70目(即大于约0.0083英寸(0.210mm)开口)。
在其他实施例中，可使用在不同和/或外国等级系统下分类的高膨胀蛭石。这种高膨胀蛭石应具有本文所述的那些所特有的基本上类似的耐膨胀性和/或耐热性特性。例如，在一些实施例中，可使用分类为欧洲、南美或南非0级(微米)或1级(超细)的蛭石。
在一些实施例中，可使用包括如下粒子分布的高膨胀蛭石：蛭石粒子的至多约50％小于约500微米，蛭石粒子的至多约60％为约500微米至约1000微米之间，蛭石粒子的至多约40％为约1000微米至约1500微米之间，且蛭石粒子的至多约20％为约1500微米至约3000微米之间。在一些实施例中，高膨胀蛭石可包括根据如下分布的蛭石粒子：粒子的约25％至约45％之间小于约500微米，粒子的约40％至约60％之间为约500微米至约1000微米之间，粒子的至多约20％为约1000微米至约1500微米之间，粒子的至多约10％为约1500微米至约3000微米之间。在其他实施例中，高膨胀蛭石可包括根据如下分布的蛭石粒子：粒子的约5％至约20％之间小于约500微米，粒子的约35％至约60％之间为约500微米至约1000微米之间，粒子的约20％至约40％之间为约1000微米至约1500微米之间，粒子的至多约20％为约1500微米至约3000微米之间。
在其他实施例中，也可使用已经化学处理或改性，从而在加热下显示出类似于本文所述的高膨胀蛭石的体积膨胀行为的蛭石。可用于根据本公开的原理形成的面板中的高膨胀蛭石也可包括其他蛭石、蛭石混合物和/或含蛭石的组合物(和其他粒径和尺寸分布)，以及提供本文公开的面板所特有的面板收缩和膨胀特性的可相比的膨胀性质的其他颗粒材料。其他合适的高膨胀蛭石和其他颗粒也可在对提供本文公开的降低重量和密度的耐火石膏面板并非重要的方面与本文公开的那些有所不同。
在一些实施例中，用于根据本公开的原理形成的降低重量和密度的耐火石膏面板中的高膨胀蛭石可包括通过多种来源市售的商用美国4级蛭石。商业生产商中的每一个可提供用于高膨胀蛭石的物理性质的规范，例如Mohs硬度、总水分、游离水分、体密度、比率、纵横比、阳离子交换能力、溶解度、pH(在蒸馏水中)、膨胀比、膨胀温度和熔点。预期在使用不同来源的高膨胀蛭石的不同实施例中，这些物理性质将不同。
在一些实施例中，高膨胀蛭石粒子通常在石膏面板的整个芯部分布。在其他实施例中，高膨胀蛭石粒子通常在石膏面板的整个芯部均匀分布。
高膨胀蛭石可通常在面板芯的整个降低密度的部分无规分布。在一些实施例中，可能合意的是在面板的更致密部分中(例如在与面板面相邻的上述增加密度的石膏层中，或沿着面板边缘的具有更大密度的芯的部分中)具有不同的蛭石分布。在其他实施例中，高膨胀蛭石可从面板的那些更致密的部分(如面板的硬化的边缘和表面)中被大量排除。在面板的较致密部分中蛭石粒子含量和分布的这种不同可能是由于如下原因：通过使用边缘混合器(edgemixer)或本领域技术人员已知的其他装置，通过其他适当的装置将蛭石引入用于面板的降低密度的芯部的浆料中，从芯浆料混合器中抽取芯浆料以用于面板的那些部分。
可进一步存在分布于整个芯中的高膨胀粒子的量的变化，以及在根据本公开的原理形成的面板的一些实施例中的粒子相对于如此形成的其他面板中的粒子分布的特定分布的变化。高膨胀粒子的量和分布的这种变化将取决于掺入浆料中的蛭石或其他粒子的量和类型、高膨胀粒子尺寸和尺寸分布、芯浆料组成和芯浆料混合和分布工序(除了其他因素之外)。类似地，特定粒子的分布、粒子性质和芯内的粒径可变化，并可取决于混合过程中的类似因素和面板成型过程中芯浆料的分布。
在一些实施例中，高膨胀粒子分布避免了在面板芯的部分中高浓度的高膨胀粒子的情况，所述情况在面板的正常使用过程中或在高温和/或火灾条件过程中显著降低芯的结构强度和完整性。这不包括在典型商业生产中遇到的小的变化。也可根据在芯的一个或多个部分中的粒子浓度而改变高膨胀粒子分布，以用于面板的特定所需应用。
在一些实施例中，高膨胀粒子在面板的降低密度的芯中的上述分布在混合芯浆料、浆料传递至第一覆盖片材和/或浆料在覆盖片材上分布的过程中发生。在一些实施例中，可在芯浆料的混合和制备过程中将高膨胀粒子添加至具有其他干燥或半干材料的芯浆料混合器中。或者，在其他实施例中，可在通常将高膨胀粒子分布于面板石膏芯的所需部分内的其他工序、步骤或阶段中添加高膨胀粒子。
如在如下进一步讨论的图1-6中所反映，蛭石粒子通常接近或邻接空穴分布，所述空穴在石膏芯的降低密度的部分中以及在本领域技术人员预期有助于芯的结构强度的芯的结晶部分中形成。在降低密度的结晶芯结构(其本身被认为相对易碎)中的这种分布将使得本领域技术人员认为，蛭石粒子的显著膨胀将破坏芯，并导致本领域技术人员已知并在如上所述的参考文献中讨论的散裂、芯断裂和芯破坏。这对于根据本公开的原理形成的石膏面板(其中面板芯具有相对较低的密度，并因此具有相对较高的空穴体积和显著降低的结晶石膏含量)的实施例尤其如此。预期芯结晶石膏含量的降低将降低石膏面板的结构强度和受热器能力。如下文进一步所讨论，出乎意料地，根据本公开的原理形成的面板并非如此。
淀粉-如本领域技术人员所理解，用于制备根据本公开的原理形成的面板的芯浆料配方的实施例可包含淀粉。在根据本公开的原理形成的面板以及制备这种面板的方法的一些实施例中，如图19中的表I提及的芯浆料配方包含预胶化淀粉或功能等同的淀粉。可通过在至少185°F的温度下在水中蒸煮淀粉，或者通过在用于面板芯中的淀粉中引起凝胶形成的其他公知方法，将生淀粉预胶化。淀粉可以以干燥形式、预分散的液体形式或两者的组合掺入芯浆料。在干燥形式下，淀粉可与其他干燥成分一起或者在分开的添加工序、步骤或阶段中添加至芯浆料混合器。在预分散形式下，淀粉可与其他液体成分(例如定量水)一起添加，或者在分开的添加工序、步骤或阶段中添加。
可用于实施本公开的易得的预胶化淀粉的一些例子为来自嘉吉公司(Cargill,Inc.)或来自阿彻丹尼尔米德兰公司(ArcherDanielsMidlandCo.)的市售预胶化黄玉米面淀粉。在一些实施例中，淀粉组分包括至少预胶化的玉米淀粉，如可得自密苏里州圣路易斯的邦基磨粉公司(BungeMilling,St.Louis,Missouri)的预胶化的玉米粉。这种预胶化淀粉具有如下典型特性：水分约7.5％、蛋白质约8.0％、油约0.5％、粗纤维约0.5％、灰分约0.3％；并具有约0.48psi的湿强度，具有约35lb/ft3的堆积密度。在其他实施例中，芯浆料配方可包含适用于本公开的目的的一种或多种市售羟乙基化的淀粉。
在其他实施例中，可使用其他可用的淀粉，包括酸改性的淀粉，如可作为HI-BOND得自密苏里州圣路易斯的邦基磨粉公司(BungeMilling,St.Louis,Missouri)的酸改性的玉米粉。该淀粉具有如下典型特性：水分约10.0％、油约1.4％、冷水可溶物约17.0％、碱性流动性约98.0％、堆积密度约30lb/ft3和约20％浆料，pH为约4.3。另一可用的淀粉为非预胶化的小麦淀粉，如可得自加拿大魁北克蒙特利尔的ADM/奥格尔维公司(ADM/Ogilvie,Montreal,Quebec,Canada)的ECOSOL-45。
纤维-在掺入诸如图19中的表I中提及的纤维的一些实施例中以及用于制备这种面板的方法中，所述纤维可包括矿物纤维、碳纤维和/或玻璃纤维，和这种纤维的混合物，以及为面板提供可相比的有益效果的其他可相比的纤维。在一些实施例中，将玻璃纤维掺入石膏芯浆料和所得结晶芯结构中。在这种实施例中的一些中，玻璃纤维可具有约0.5至约0.75英寸的平均长度和约11至约17微米的直径。在其他实施例中，这种玻璃纤维可具有约0.5至约0.675英寸的平均长度和约13至约16微米的直径。在其他实施例中，使用软化点为约800℃以上的E-玻璃纤维，一种这种纤维类型为软化点为至少约900℃以上的玻璃纤维(可得自欧文斯科宁公司(OwensCorning))。诸如本领域技术人员已知的那些的矿物棉或碳纤维可代替玻璃纤维或与玻璃纤维组合使用，所述玻璃纤维例如上述那些。
磷酸盐-在根据本公开的原理形成的面板以及制备这种面板的方法的一些实施例中，将如图19中的表I中提及的磷酸盐或磷酸盐离子的其他来源添加至用于制备面板石膏芯的石膏浆料中。相比于由不含磷酸盐的混合物形成的凝固石膏，使用这种磷酸盐可有助于为石膏芯提供增加的强度、对永久变形的抗性(例如抗流挂性)和尺寸稳定性。在这种实施例中的一些中，磷酸盐源以为面板和面板芯提供尺寸稳定性或湿强度的量添加，同时芯中的石膏半水合物水合并形成石膏二水合物结晶芯结构(例如在形成板与形成过程的窑炉部分之间的时间过程中)。另外，应注意，就添加的磷酸盐充当阻滞剂而言，可以以所需的水平添加适当的促进剂，以克服磷酸盐的任何不利的阻滞作用。磷酸盐通常以干燥形式和/或液体形式与通常添加至芯浆料混合器中的干燥成分和添加至混合器的液体成分一起添加，或者在其他阶段或工序中添加。
可用于本公开的含磷酸盐的组分包括水溶性组分，并且可为离子、盐或酸的形式，即缩合磷酸，所述缩合磷酸中的每一种包含2个或更多个磷酸单元；缩合磷酸盐的盐或离子，所述缩合磷酸盐的盐或离子中的每一种包含2个或更多个磷酸盐单元；以及正磷酸盐的一代盐或一价离子，如例如在美国专利6,342,284、6,632,550和6,815,049中所描述，全部所述专利的公开内容以引用方式并入本文。这类磷酸盐的合适的例子对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，任何合适的含一代正磷酸盐的化合物可用于实施本公开的原理，包括但不限于磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾和它们的组合。优选的一代磷酸盐为磷酸二氢钾。
类似地，根据本公开可使用任何合适的水溶性多磷酸盐。多磷酸盐可为环状或无环的。示例性的环状多磷酸盐包括例如三偏磷酸盐和四偏磷酸盐。三偏磷酸盐可选自例如三偏磷酸钠(本文也称为STMP)、三偏磷酸钾、三偏磷酸锂、三偏磷酸铵等，或它们的组合。
而且，根据本公开可使用任何合适的水溶性无环多磷酸盐。无环多磷酸盐具有至少两个磷酸盐单元。举例而言，根据本公开的合适的无环多磷酸盐包括但不限于焦磷酸盐、三聚磷酸盐、具有约6至约27个重复磷酸盐单元的六偏磷酸钠、具有约6至约27个重复磷酸盐单元的六偏磷酸钾、具有约6至约27个重复磷酸盐单元的六偏磷酸铵，以及它们的组合。根据本公开的一个优选的无环多磷酸盐可作为CALGON.RTM购自密苏里州圣路易斯的ICL性能产品公司(ICLperformanceProductsLP,St.Louis,Missouri)，其为具有约6至约27个重复磷酸盐单元的六偏磷酸钠。
优选地，含磷酸盐的化合物选自如下：具有分子式(NaPO3)3的三偏磷酸钠、具有约6至约27个重复磷酸盐单元，并具有分子式Nan+2PnO3n+1的六偏磷酸钠，其中n＝6-27、具有分子式K4P2O7的焦磷酸四钾、具有分子式Na3K2P3O10的三聚磷酸二钾二钠、具有分子式Na5P3O10的三聚磷酸钠、具有分子式Na4P2O7的焦磷酸四钠、具有分子式Al(PO3)3的三偏磷酸铝、具有分子式Na2H2P2O7的酸式焦磷酸钠、具有1000-3000个重复磷酸盐单元，并具有分子式(NH4)n+2PnO3n+1的多磷酸铵，其中n＝1000-3000，或具有2个或更多个重复磷酸单元，并具有分子式Hn+2PnO3n+1的多磷酸，其中n为2或更大。三偏磷酸钠是最优选的，并可购自密苏里州圣路易斯的ICL性能产品公司(ICLperformanceProductsLP,St.Louis,Missouri)。
分散剂-在根据本公开的原理形成的降低重量和密度的耐火面板以及制备这种面板的方法的其他实施例中，如图19中的表I中提及的那些分散剂可包含于石膏芯浆料中。分散剂可以以干燥形式与其他干燥成分一起添加和/或以液体形式与在芯浆料混合器中的其他液体成分一起添加，或者在其他步骤或工序中添加。
在一些实施例中，这种分散剂可包括萘磺酸盐，如聚萘磺酸及其盐(聚萘磺酸盐)和衍生物(其为萘磺酸与甲醛的缩合产物)。这种合意的聚萘磺酸盐包括萘磺酸钠和萘磺酸钙。萘磺酸盐的平均分子量可为约3,000至27,000，尽管优选的是分子量为约8,000至10,000。在给定固体百分比的水溶液下，相比于更低分子量的分散剂，更高分子量的分散剂具有更高的粘度，并产生配方中更高的水需求。
可用的萘磺酸盐包括可得自俄亥俄州克利夫兰的GEO专业化学公司(GEOSpecialtyChemicals,Cleveland,Ohio)的DILOFLO、可得自马萨诸塞州列克星敦的汉普夏化学公司(HampshireChemicalCorp.,Lexington,Massachusetts)的DAXAD，和可得自印第安纳州拉斐特的GEO专业化学公司(GEOSpecialtyChemicals,Lafayette,Indiana)的LOMARD。例如，萘磺酸盐优选用作约35重量％至约55重量％固含量范围内的水溶液。最优选的是使用例如约40重量％至约45重量％固含量范围内的水溶液形式的萘磺酸盐。或者，当适当时，萘磺酸盐可以以干燥固体或粉末的形式使用，例如LOMARD。
或者，在其他实施例中，可使用可用于改进石膏浆料中的流动性的本领域技术人员已知的分散剂，如聚羧酸酯分散剂。多种聚磷酸酯分散剂，特别是聚羧酸醚为优选的分散剂类型。用于浆料中的一类优选的分散剂包含两个重复单元，并进一步描述于题为“GypsumProductsUtilizingaTwo-RepeatingUnitSystemandProcessforMakingThem(使用双重复单元体系的石膏产品及其制备方法)”的以引用方式并入本文的美国专利7,767,019中。这些分散剂的例子为BASF建造聚合物公司(德国Trostberg)(BASFConstructionPolymers,GmbH(Trostberg,Germany))的产品，并由BASF建造聚合物公司(佐治亚州，肯尼索)(BASFConstructionPolymers,Inc.(Kennesaw,Georgia))(下文为“BASF”)供应，并在下文称为“PCE211型分散剂”。PCE211型分散剂的一种特别有用的分散剂指定为PCE211(下文为“211”)。可用于本公开中的该系列中的其他聚合物包括PCE111。PCE211型分散剂更完全地描述于2007年7月13日提交的题为“Polyether-ContainingCopolymer(含聚醚的共聚物)”的美国11/827,722号(公布号US2007/0255032A1)中，所述申请以引用方式并入本文。
这种PCE211型分散剂的一类的分子量可为约20,000至约60,000道尔顿。已发现，相比于具有大于60,000道尔顿的分子量的分散体，更低分子量的分散剂产生更少的凝固时间延迟。通常，产生总分子量的增加的更长的侧链长度提供更好的可分配性。然而，使用石膏的测试表明分散剂的效力在50,000道尔顿以上的分子量下降低。
可用作本公开的分散剂的另一类聚羧酸酯化合物公开于美国专利No.6,777,517，其以引用方式并入本文，并在下文称为“2641型分散剂”。PCE211型和2641型分散剂的例子由BASF建造聚合物公司(德国Trostberg)(BASFConstructionPolymers,GmbH(Trostberg,Germany))制造，并由BASF建造聚合物公司(佐治亚州，肯尼索)(BASFConstructionPolymers,Inc.(Kennesaw,Georgia))在美国销售。优选的2641型分散剂作为MELFLUX2641F、MELFLUX2651F和MELFLUX2500L分散剂由BASF销售。
又一优选的分散剂家族由BASF销售，并称为“1641型分散剂”。1641型分散剂更完全地描述于美国专利No.5,798,425中，所述专利以引用方式并入本文。这种1641型分散剂中的一种由BASF作为MELFLUX1641F分散剂销售。可使用的其他分散剂包括其他聚羧酸酯醚(如可得自南卡来罗纳州切斯特的高帝斯公司(Coatex,Inc.ofChester,SouthCarolina)的COATEXEthacrylM)和木质素磺酸盐或磺化木质素。木质素磺酸盐为水溶性阴离子聚合电解质聚合物，其为来自使用亚硫酸盐制浆法制备木浆的副产物。可用于实施本公开的原理的木质素的一个例子为可得自康涅狄格州格林威治的芦苇木质素公司(ReedLigninInc.,Greenwich,Connecticut)的MarasperseC-21。
高效受热器添加剂(“HEHS添加剂”)-在根据本公开的原理形成的面板以及制备这种面板的方法的一些实施例中，面板芯可包含在本文称为高效受热器添加剂(“HEHS添加剂”)的一种或多种添加剂。这种添加剂在导致面板芯的石膏二水合物组分脱水以及水蒸汽从其释放的温度范围内具有超过可相比的量的石膏二水合物的受热器能力的受热器能力。这种添加剂通常选自在与石膏二水合物相同或类似的温度范围内分解、释放水蒸汽的组成，如氢氧化铝或其他金属氢氧化物。尽管可使用相对于可相比的量的石膏二水合物具有增加的受热器效率的其他HEHS添加剂(或HEHS添加剂的组合)，但优选的HEHS添加剂提供相对于石膏二水合物足够增加的受热器效率，以在HEHS添加剂用于旨在用于耐火或其他高温应用中的石膏面板中时弥补HEHS添加剂的重量的任何增加或其他不利性质。
例如，在优选实施例中，当一种或多种HEHS添加剂暴露于显著的温度增加时，其发生吸热反应以吸收热量。在一些这种实施例中，每单位质量的HEHS添加剂的分解(其可为脱水反应)热消耗至少约685焦耳/克，在其他实施例中至少约1000焦耳/克，在其他实施例中消耗约1100至约1400焦耳/克。在这种实施例中，HEHS添加剂可在相关温度范围内具有显著高于石膏面板中的石膏二水合物的每单位质量的分解热。因此，在加热过程中HEHS添加剂消耗比石膏二水合物的脱水所消耗的能量更多的能量(焦耳/克)。
在一些实施例中，HEHS添加剂的最低分解温度为约40℃或更高。在其他实施例中，HEHS添加剂的分解温度为约40℃至约1000℃，在其他实施例中约150℃至约450℃，在其他实施例中约150℃至约300℃。在另一实施例中，HEHS添加剂在约150℃开始吸热热分解，并在约980℃的温度(其为在上述耐火测试中所用的上述ASTM-E119温度曲线中的典型的1小时端点温度)下基本上或完全分解。
如上所述，一个优选的HEHS添加剂包括含有结晶水或者键合水或络合水的氢氧化铝(ATH)。ATH通常在室温下极稳定。在约180℃至205℃之间的温度以上，ATH通常发生释放水蒸汽的吸热分解。这种ATH添加剂的分解热大于约1000焦耳/克，在一个优选实施例中为约1170焦耳/克。不希望受限于理论，但据信当加热至205℃以上时，ATH添加剂如下分解而以水蒸汽释放结晶水的大约35％：AL(OH)3→Al2O3-3H2O。在使用ATH作为HEHS添加剂的实施例中，可使用任何合适的ATH。在实施例中，可使用来自商业供应商(如俄亥俄州亚克朗的亚克朗化学公司(AkrochemCorp.ofAkron,OH))的ATH。可使用任何合适等级的ATH。一个例子为No.SB-36级ATH。No.SB-36级ATH可具有约25微米的中值粒径和约1m2/g的表面积。在其他实施例中，可使用具有任何合适的中值粒径和表面积的其他合适等级的ATH。
在其他实施例中，HEHS添加剂可包括氢氧化镁。在这些实施例中，氢氧化镁HEHS添加剂在180℃至205℃下或在180℃至205℃以上优选具有大于约1000焦耳/克，如约1350焦耳/克的分解热。在这种实施例中，可使用任何合适的氢氧化镁，如可购自商业供应商(包括俄亥俄州亚克朗的亚克朗化学公司(AkrochemCorp.ofAkron,OH))的氢氧化镁。
优选的HEHS添加剂的增加的受热器能力可用于相对于在无HEHS添加剂的情况下形成的面板增加本文公开的石膏面板的隔热性质。掺入本文公开的石膏面板中的HEHS添加剂的量和组成可取决于如下而变化：面板的所需重量和密度、用于形成面板的灰泥的纯度、面板芯配方、其他添加剂的存在和其他类似的考虑。掺入优选的HEHS添加剂的石膏面板的优选芯配方的例子总结于图19中的表I中。HEHS添加剂可以以干燥形式和/或液体形式与通常添加至芯浆料混合器中的干燥成分和添加至混合器的液体成分一起添加，或者在其他阶段或工序中添加。
在一个这种优选实施例中，在一些实施例中面板芯掺入灰泥的约2重量％至约5重量％的量，在其他实施例中掺入灰泥的约2重量％至约7重量％的量，在其他优选实施例中掺入灰泥的至多约10重量％的量的HEHS添加剂(如氢氧化铝)。在这种优选实施例中的一些中，将HEHS添加剂掺入芯配方中允许降低配方的灰泥含量，以降低面板芯的重量和密度。在使用HEHS添加剂的一个实例中，HEHS添加剂与去除的灰泥的比例以重量计为约1至约2。在一个这种实例中，换言之，可将约40-50lbs/msf的HEHS添加剂掺入芯配方中，并可从配方中去除约80-100lbs/msf的灰泥。因此，在该实例中可获得约40-50lbs/msf的重量减轻，而无面板的隔热性质的显著改变。
HEHS添加剂与从芯配方中去除的灰泥的比例可取决于如下而变化：所用的HEHS添加剂、HEHS添加剂的受热器性质、特定灰泥的受热器性质、石膏芯的配方、面板的所需隔热性质、面板的所需重量降低和物理性质以及相关考虑。在使用氢氧化铝的一些优选实施例中，HEHS添加剂与去除的灰泥的比例可为约2:1，在其他实施例中为约3:1，在其他实施例中为约4:1。对于不同的HEHS添加剂组成和应用，HEHS添加剂与去除的灰泥的比例可不同。
阻滞剂/促进剂-可将缓凝剂(在5/8英寸厚的面板中至多约2lb/MSF(大约9.8g/m2))或干燥促进剂(在5/8英寸厚的面板中至多约35lb/MSF(大约170g/m2))添加至芯浆料的一些实施例中，以改变灰泥水合反应进行的速率。“CSA”为包含与约5％糖类共研磨的约95％硫酸钙二水合物，并加热至250°F(1-21℃)以使糖类变焦的促凝剂。CSA可得自俄克拉荷马州索瑟德的USG公司(USGCorporation,Southard,Oklahoma)工厂，并可根据美国专利No.3,573,947制得，所述专利以引用方式并入本文。硫酸钾为优选的促进剂的另一例子。作为另一示例性的优选促进剂的“HRA”为以约5至约25磅糖类/100磅硫酸钙二水合物的比例与糖类新鲜研磨的硫酸钙二水合物。HRA进一步描述于美国专利No.2,078,199中，所述专利以引用方式并入本文。
称为湿石膏促进剂或“WGA”的另一促进剂也为优选的促进剂。湿石膏促进剂的用途和制备湿石膏促进剂的方法的描述公开于美国专利No.6,409,825中，所述专利以引用方式并入本文。该促进剂包括选自如下的至少一种添加剂：有机膦化合物、含磷酸盐的化合物或它们的混合物。该特定促进剂显示出显著的寿命，并随时间保持器效力，从而可在使用之前制备、储存和甚至在长距离内运输湿石膏促进剂。湿石膏促进剂可以以约5至约80磅/1000平方英尺(大约24.3至390g/m2)的5/8英寸厚的墙板产品的量使用。
泡沫-泡沫可以以提供上述降低的芯密度和面板重量的量引入芯浆料中。将泡沫以适当的量、配方和方法引入芯浆料中可在最终经干燥的面板的芯内产生所需的网络以及气穴的分布和气穴之间的壁的分布。在一些实施例中，由泡沫组合物和泡沫引入系统所提供的气穴尺寸、分布和/或气穴之间的壁厚根据如下讨论的那些以及为面板提供可相比的密度、强度和相关性质的那些。该气穴结构允许石膏和其他芯成分以及芯密度和重量的降低，并同时基本上保持(或在一些情况中改进)面板强度性质，如芯压缩强度，和面板刚性、挠曲强度、拔钉阻力等。
在一些实施例中，在约5/8英寸的标称面板厚度下，根据本公开的原理形成的石膏面板及其制备方法提供了根据ASTM标准C473-09测定的拔钉阻力为至少约70lb的面板。在其他实施例中，面板可具有至少约85lb的根据ASTM标准C473-09测定的拔钉阻力。
在一些这种实施例中，气穴的平均等球粒直径可为至少约75μm，在其他实施例中为至少约100μm。在其他实施例中，气穴的平均等球粒直径可为约75μm至约400μm。在其他实施例中，气穴的平均等球粒直径可为约100μm至约350μm，标准偏差为约100至约225。在其他实施例中，气穴的平均等球粒直径可为约125μm至约325μm，标准偏差为约100至约200。
在一些实施例中，气穴的约15％至约70％具有约150μm或更小的等球粒直径。在其他实施例中，气穴的约45％至约95％具有约300μm或更小的等球粒直径，且气穴的约5％至约55％具有约300μm或更大的等球粒直径。在其他实施例中，气穴的约45％至约95％具有约300μm或更小的等球粒直径，且气穴的约5％至约55％具有约300μm至约600μm的等球粒直径。在本文的平均气穴尺寸的讨论中，当计算气穴数目或平均气穴尺寸时，未考虑石膏芯中的约5μm或更小的气穴。
在那些和其他实施例中，在这种实施例中单独的和/或与所需气穴尺寸分布和排列组合的气穴之间的壁的厚度、分布和排列也允许降低面板芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改进)面板强度性质。在一些这种实施例中，分隔气穴的壁的平均厚度可为至少约25μm。在一些实施例中，限定和分隔石膏芯内的气穴的壁可具有约25μm至约200μm，在其他实施例中约25μm至约75μm，在其他实施例中约25μm至约50μm的平均厚度。在其他实施例中，限定和分隔石膏芯内的气穴的壁可具有约25μm至约75μm的平均厚度，标准偏差为约5至约40。在其他实施例中，限定和分隔石膏芯内的气穴的壁可具有约25μm至约50μm的平均厚度，标准偏差为约10至约25。
不希望受限于理论，但据信具有上述气穴尺寸分布和排列以及壁厚和分布的实施例在与本文公开的高膨胀蛭石一起使用时有助于改进面板的高温性质。据信当高膨胀蛭石在高温条件下膨胀时，泡沫空穴和壁厚有助于降低或显著抵抗石膏芯结构中大量缺陷的产生。
使用发泡剂以产生所需的空穴和壁结构的例子包括在美国专利No.5,643,510中所述的那些，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。在一些实施例中，第一更稳定的发泡剂和第二稳定性较低的发泡剂的组合可在芯浆料混合物中使用。在其他实施例中，使用仅一类发泡剂，只要满足所需的密度和面板强度要求。将泡沫添加至芯浆料的方法是本领域已知的，这种方法的例子在美国专利No.5,643,510和No.5,683,635中讨论，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。
覆盖片材-在根据本公开的原理形成的面板的一些实施例中，第一覆盖片材包括低孔隙率的马尼拉纸，石膏浆料在所述马尼拉纸上分配(当用于建造应用中时，其通常为面板的暴露面)。报纸(Newslinepaper)可在成型过程中用作置于石膏芯浆料上的第二覆盖片材(当用于建造应用时，其通常为面板的隐藏背面)。在其他应用中，非织造玻璃纤维垫、其他纤维或非纤维材料的片材，或纸和其他纤维材料的组合可用作覆盖片材中的一者或两者。如本领域技术人员将了解，在其他实施例中，可使用适用于面板的预期目的的其他覆盖片材。
在使用纸或类似覆盖片材的实施例中，相比于第二覆盖片材，第一覆盖片材可具有更高的密度和基重。例如，在一些实施例中，第一覆盖片材可具有约55至约65lb/msf的基重，且第二覆盖片材可具有约35至约45lb/msf的基重。在其他实施例中，可使用具有不同重量并包括例如不同材料的不同类型的纸覆盖片材。类似地，在一些实施例中，覆盖片材可掺入，或在它们的暴露表面添加材料涂层，从而提供适于特定建造应用(如外壳、屋顶、瓷砖背衬等)的表面。
硅氧烷-在一些实施例中，根据本公开的原理形成的石膏面板的耐水性可通过将可聚合硅氧烷添加至用于制备面板的浆料而得以改进。优选地，硅氧烷以乳状液的形式添加。然后在促进硅氧烷的聚合以形成高度交联的硅树脂的条件下将浆料成形和干燥。可将促进硅氧烷的聚合以形成高度交联的硅树脂的催化剂添加至石膏浆料。
优选地，硅氧烷通常为流体线性氢改性的硅氧烷，但也可为环状氢改性的硅氧烷。这种硅氧烷能够形成高度交联的硅树脂。这种流体是本领域技术人员公知的，并且可购得且描述于专利文献中。通常，可用于实施本公开的原理的线性氢改性的硅氧烷包括具有如下通式的重复单元的那些：
其中R表示饱和或不饱和单价烃基。在优选实施例中，R表示烷基，最优选地，R为甲基。在聚合过程中，端基可通过缩合去除，且硅氧烷基团键连在一起而形成硅树脂。也可发生链的交联。所得硅树脂在形成时赋予石膏基质耐水性。
优选地，使用以名称SILRESBS94由瓦克化学公司(德国慕尼黑)(Wacker-ChemieGmbH(Munich,Germany))销售的无溶剂甲基氢硅氧烷流体作为硅氧烷。制造商表明该产品为不含水或溶剂的硅氧烷流体。预期可使用约0.3至约1.0重量％的BS94硅氧烷，以干燥成分的重量计。优选使用约0.4％至约0.8％的硅氧烷，以干灰泥重量计。
可将硅氧烷形成为具有水的乳状液或稳定悬浮体中。预期多种硅氧烷乳状液用于该浆料。硅氧烷在水中的乳状液也可购得，但它们可包含乳化剂，所述乳化剂趋于改变石膏制品的性质，如石膏面板产品中结合的纸。因此优选不使用乳化剂而制得的乳状液或稳定悬浮体。优选地，悬浮体可通过混合硅氧烷流体和水而原位形成。硅氧烷悬浮体保持在稳定状态下直至使用，并在浆料条件下保持良好分散。硅氧烷悬浮体或乳状液在可能存在于浆料中的任选的添加剂(如促凝剂)的存在下保持良好分散状态。硅氧烷悬浮体或乳状液保持，使得其在其中也形成石膏面板的步骤中保持稳定。优选地，悬浮体保持稳定超过40分钟。更优选地，其保持稳定至少1小时。在如下讨论和权利要求中，术语“乳状液”旨在包括真正的乳状液，以及稳定至少直至灰泥约50％凝固的悬浮体。
硅氧烷聚合反应自发缓慢进行，从而需要在运送之前储存面板足够的时间以产生耐水性。已知催化剂加速聚合反应，减少或消除产生耐水性所需的储存石膏面板的时间。将死烧氧化镁用于硅氧烷聚合描述于题为“MethodofMakingWater-ResistantGypsum-BasedArticle(制备耐水石膏基制品的方法)”的美国专利No.7,892,472中，所述专利以引用方式并入本文。死烧氧化镁为水不溶性的，并且与浆料的其他组分相互作用较少。其加速硅氧烷的固化，并且在一些情况下使硅氧烷更完全地固化。其可以以一致的组成购得。一种特别优选的死烧氧化镁源为BAYMAG96。其具有至少0.3m2/g的BET表面积。烧失量小约0.1重量％。氧化镁优选以约0.1％至约0.5％的量使用，以干灰泥的重量计。
取决于煅烧温度，市场上存在至少三个级别的氧化镁。“死烧”氧化镁在1500℃至2000℃之间煅烧，从而消除大多数(如果不是全部)的反应性。MagChemP98-PV(马里兰州贝塞斯达的马丁马里塔氧化镁特制品公司(MartinMariettaMagnesiaSpecialties,Bethesda,Maryland))为“死烧”氧化镁的一个例子。BayMag96(加拿大亚伯达卡尔加里的Baymag公司(Baymag,Inc.ofCalgary,Alberta,Canada))和MagChem10(马里兰州贝塞斯达的马丁马里塔氧化镁特制品公司(MartinMariettaMagnesiaSpecialties,Bethesda,Maryland))为“强烧”氧化镁的例子。“强烧”氧化镁在1,000℃至约1,500℃的温度下煅烧。其具有窄范围的反应性、高密度，并通常用于其中需要缓慢降解或化学反应性的应用，如动物饲料和肥料中。第三级别为在约700℃至约1,000℃的温度下煅烧而制得的“轻烧”或“苛性”氧化镁。此类氧化镁在广泛应用中使用，包括塑料、橡胶、纸和纸浆加工、钢锅炉添加剂、粘合剂和酸中和。轻烧氧化镁的例子包括BayMag30、BayMag40和BayMag30(-325目)(加拿大亚伯达卡尔加里的Baymag公司(Baymag,Inc.ofCalgary,Alberta,Canada))。
如以引用方式并入本文的美国专利No.7,803,226中所述，优选的催化剂由氧化镁和C类飞灰的混合物制得。当以此方式组合时，任意级别的氧化镁均为可用的。然而，死烧和强烧氧化镁由于它们降低的反应性而是优选的。氧化镁的相对较高的反应性可导致可产生氢的裂化反应。当氢产生时，产品膨胀，从而在灰泥凝固之处产生裂缝。膨胀也导致其中倾注灰泥的模具的破坏，从而导致在一个或多个尺寸上的细部损失和产品变形。优选地，BayMag96、MagChemP98-PV和MagChem10为优选的氧化镁源。优选地，在将氧化镁和飞灰添加至定量水之前，将它们添加至灰泥。随着灰泥沿着输送机移动至混合器，通常将诸如这些的干燥组分添加至灰泥。
优选的飞灰为C类飞灰。C类液压飞灰或其等同物为最优选的飞灰组分。C类飞灰的典型组成示于美国专利7,803,226的表I中。高石灰含量的飞灰(大于约20％重量％的石灰)获自某些煤的加工。ASTM名称C-618(以引用方式并入本文)描述了C类飞灰的特性。优选的C类飞灰由路易斯安那州BigCajun,II的拜吾飞灰公司(BayouAshInc.,BigCajun,II,Louisiana)供应。优选地，飞灰以约0.1至约5％的量使用，以干灰泥的重量计。更优选地，飞灰以约0.2％至约1.5％的量使用，以干灰泥的重量计。
硅氧烷的催化产生更快且更完全的硅氧烷的聚合和交联，以形成硅树脂。灰泥的水合形成硫酸钙二水合物晶体的连锁基质。当石膏基质形成的同时，硅氧烷分子也形成硅树脂基质。由于这些至少部分同时形成，两种基质变得缠绕至彼此中。过量的水和在整个浆料中分散的浆料的添加剂(包括飞灰、氧化镁和下述添加剂)变得在整个基质中分散于间隙空间，以在整个面板芯获得耐水性。在一些实施例中，合适量的预胶化淀粉或功能等同的淀粉可连同硅氧烷一起起作用，以延迟水沿着面板的更脆弱的边缘进入。
在一些实施例中，用于制备根据本公开的原理形成的面板的芯浆料配方的实施例可包含以灰泥重量计大于约2重量％的量的预胶化淀粉(或功能等同的淀粉)和以灰泥重量计至少约0.4重量％，优选至少约0.7重量％的量的硅氧烷的组合，所述组合可制得具有小于约5％水吸收的石膏面板。该耐水性质可为特别有益的，因为相比于常规面板，降低密度的面板具有多得多的包括空气和/或水空穴的总体积。预期增加的空穴体积使得轻质面板更吸水。尽管不希望受限于理论，但据信当硅氧烷在成型面板内固化时耐水性产生，至少约2.0重量％的预胶化淀粉连同硅氧烷一起起作用，以首先通过堵塞入水口，然后通过在淀粉吸水时形成高度粘性的淀粉/水组合，从而减慢水通过面板边缘上的微孔进入。在其他实施例中，羟乙基化的淀粉或功能等同于预胶化淀粉的淀粉可与硅氧烷组合使用。
参见图7和8，显示了组件100的示例性实施例，其包括根据本公开的原理形成的石膏面板102。石膏面板102被施用至组件100的两个相对表面104、105。组件100为根据保险商实验室ULU305、U419和U423规范以及等同于那些耐火测试工序中的任一者的任何其他耐火测试工序构造的组件的代表。应理解，本文提及的保险商实验室的特定耐火测试工序(例如ULU305、U419和U423)也包括等同于所讨论的特定UL标准的耐火测试工序，如由任何其他实体公布的耐火测试工序。
组件100包括木壁骨110，所述木壁骨110通常为2英寸厚x4英寸宽，并彼此中心间隔16英寸。所述组件也包括一对由标称2英寸x4英寸木材制得的一对底板112和顶板114。在一些实施例中，木壁骨110和板112、114可为No.2级窑炉干燥的木壁骨。组件100使用设置于壁骨110之间的适当的垫块116而有效地挡火。应理解，尽管示例性组件100包括木壁骨110，但所述组件可包括金属壁骨和载荷参数以符合其构建所根据的特定规范。
组件100中的石膏面板102为5/8英寸厚，并包括具有锥形边缘和方形端部的纸覆盖片材。石膏面板102水平施用至壁骨110，相邻石膏面板102之间的水平接缝122在组件100的相对表面104、105上对齐。
在其他实施例中，石膏面板102可竖直施用至壁骨110。竖直施用的面板的水平接缝无需由壁骨110支撑。
相邻石膏面板102之间的水平接缝122覆盖有纸带130和接合化合物132。当使用方形边缘板时，可省略接合化合物和纸带。在其他实施例中，可将标称3/32英寸厚的石膏饰面板灰泥施用至石膏面板的整个表面，所述石膏面板分类为具有由纸带增强的接缝的饰面基板。
可使用适当的钉子或螺钉系统(screwschedule)将石膏板102固定至壁骨110。例如，可使用在中心处钉住7英寸的6d经接合剂涂布的钉子(1-7/8英寸长，0.0915英寸柄直径，15/64英寸直径头部)，将石膏面板附接至木质壁骨。钉子头部覆盖有接合化合物134(参见图8)。在其他实施例中，钉子头部可为暴露的。在其他实施例中，钉子系统可为不同的，并可使用具有适当的螺钉系统的螺钉。
在所示实施例中，相邻壁骨110之间的空间为空的。在其他实施例中，可设置玻璃纤维或矿物棉绝缘垫以完全或部分填充壁骨腔体。在其他实施例中，可使用喷雾施用的纤维素绝缘材料代替绝缘垫。喷雾绝缘材料可与水一起施用，以根据所用产品特有的施用工序填充封闭的壁骨腔体。
根据本公开形成的石膏面板102有效抑制热传递通过根据ULU305工序制得的组件100面板，其中第一表面104暴露于热源，且相对的表面105未受热。在经受加热的同时，组件100根据ULU305经受载荷力。热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线。参见图8，未受热表面105包括施用至其上的温度传感器138。传感器138根据ULU305工序以图案排列。石膏面板102有效抑制热量从受热表面104传递至未受热表面105，从而当根据ULU305测量时，在约50分钟的经过时间时，在未受热表面105上的传感器138的最大单个温度小于约415°F，且未受热表面105上的传感器138的平均温度小于约340°F。石膏面板102有效抑制热量从受热表面104传递至未受热表面105，以使组件100符合1小时耐火等级。
根据本公开形成的石膏面板102有效经受也作为ULU305工序的部分进行的水龙射水测试。根据ULU305，以与图7类似的方式构建的组件经受根据U305的耐火测试30分钟，在30分钟时将其从加热环境中拉出，并移动至另一位置以用于根据U305的水龙射水测试。组件经受来自消防水龙带的水流60秒的持续时间，所述消防水龙带配备为以约30psi水压将水送出。
引申开来，根据本公开的原理形成的石膏面板可用于如下组件中，所述组件有效抑制热量通过其传递，以满足分类为ASTM1396/C1396M-06的X型板的1小时耐火等级。在其他实施例中，可使用根据本公开的原理形成的石膏面板构建符合其他UL组件的规范(例如ULU419和U423)的组件。在其他实施例中，根据本公开的原理形成的石膏面板可用于基本上等同于U305、U419和U423中的至少一者的其他组件中。这种组件可通过U305、U419、U423和其他等同的耐火工序的1小时耐火等级和可应用水龙射水(hosestream)测试。
下述实施方案进一步举例说明本发明的方面，但是，当然不应解释为任何限制其范围的方式。
在一个实施方案中，一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在约1560°F下加热约1小时之后膨胀至其初始体积的约300％或更大，所述石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度(D)和至少约11磅的芯硬度，且所述石膏芯有效提供约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯有效提供TI/D比为约0.6分钟/磅/立方英尺或更大的面板。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含结晶基质，其中凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有约100μm或更大的平均等球粒直径。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含结晶基质，其中凝固石膏的结晶基质包括限定和分隔所述石膏芯内的气穴的壁，所述壁具有约25μm或更大的平均厚度。
在另一个实施方案中，当所述耐火石膏面板在约1800°F(约980℃)下加热1小时时，所述耐火石膏面板显示出约75％或更大的平均耐收缩性。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、高膨胀粒子和受热器添加剂的浆料形成，所述受热器添加剂的量有效提供比由不含受热器添加剂的浆料形成的石膏芯更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含高膨胀粒子，其中所述高膨胀粒子包括非膨胀蛭石粒子，所述蛭石粒子在所述石膏芯中的量和分布有效提供TI为约20分钟或更大的面板。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、以灰泥重量计至多约10重量％的量的蛭石粒子、以及矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合的浆料形成。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板至少满足ULU305的1小时耐火级面板标准。
在另一实施方案中，所述耐火石膏面板在约5/8英寸的标称面板厚度下，具有至少约70lb的拔钉阻力，所述拔钉阻力根据ASTM标准C473-09测定。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板至少满足ULU419的1小时耐火级面板标准。
在另一个实施方案中，一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和分布在石膏芯内的高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在约1560°F下加热约1小时之后膨胀至其初始体积的约300％或更大；所述面板具有约40磅/立方英尺或更小的面板密度和至少约11磅的芯硬度，且所述石膏芯和所述高膨胀粒子有效提供高温收缩率(S)为约10％或更小、且高温厚度膨胀与高温收缩率之比(TE)/S为约0.2或更大的面板。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含凝固石膏的结晶基质，其中凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有约100μm至约350μm的平均等球粒直径，且标准偏差为约100至约225。
在另一个实施方案中，所述壁具有约25μm至约75μm的平均厚度，且标准偏差为约5至约40。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含高膨胀粒子，其中所述高膨胀粒子包括高膨胀蛭石粒子。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板由浆料制成，其中所述浆料还包含以灰泥重量计约0.3重量％至约3.0重量％的量的淀粉和以灰泥重量计约0.1重量％至约1.0重量％的量的分散剂。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板由浆料制成，其中所述浆料还包含以灰泥重量计约0.03重量％至约0.4重量％的量的含磷酸盐的组分。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板至少满足ULU419的1小时耐火级面板标准。
在另一个实施方案中，一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述凝固石膏芯包括凝固石膏的结晶基质和分布于所述结晶石膏基质中的高膨胀粒子，所述凝固石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度和至少约11磅的芯硬度，所述面板具有约5/8英寸的标称面板厚度，所述高膨胀粒子在加热时具有第一非膨胀相和第二膨胀相，所述面板有效抑制热传递通过根据ULU419的工序制得并加热的所述面板的组件，其中根据ULU419，在所述组件的一侧上的面板表面暴露于热源，且在所述组件的相对的未受热侧上的面板表面设置有多个温度传感器，使得当根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热组件时，在约60分钟之后在所述组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约500°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约60分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于约380°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约410°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于约320°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约50分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约260°F，且根据ULU419测得的在组件的未受热表面上的温度传感器的平均值小于约250°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得该面板满足根据ULU419的1小时耐火级面板标准。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含高膨胀粒子，其中高膨胀粒子包括高膨胀蛭石粒子，当在约1560°F下加热1小时时，所述高膨胀蛭石粒子平均膨胀至其初始体积的约300％或更大。
在另一个实施方案中，为一种用于制备耐火石膏面板的方法，所述方法包括：
(A)制备具有分散于其中的高膨胀粒子的石膏浆料，其中在约1560°F下加热约1小时之后所述高膨胀粒子的体积平均膨胀至其初始体积的约300％或更大；
(B)将所述石膏浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成组件，该组件包含具有通常分布在整个石膏芯中的高膨胀粒子的凝固石膏芯；
(C)将所述组件切割成预定尺寸的面板；以及
(D)干燥所述面板；
使得凝固石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度(D)，且芯硬度为至少约11磅，所述石膏芯和所述芯中的蛭石粒子的量和分布有效提供约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述石膏芯有效提供TI/D比为约0.6分钟/磅/立方英尺或更大的面板。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，凝固石膏为结晶基质，且包括限定气穴的壁，所述气穴具有约100μm或更大的平均等球粒直径。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，凝固石膏为结晶基质，且包括限定和分隔所述石膏芯内的气穴的壁，所述壁具有约25μm或更大的平均厚度。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，当所述耐火石膏面板在约1800°F下加热1小时时，所述耐火石膏面板显示出约75％或更大的平均耐收缩性。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、高膨胀粒子和受热器添加剂的浆料形成，所述受热器添加剂的量有效提供比由不含受热器添加剂的浆料形成的石膏芯更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，其中所述高膨胀粒子包含非膨胀蛭石粒子，所述蛭石粒子在所述石膏芯中的量和分布有效提供TI为约20分钟或更大的面板。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述石膏芯由包含水、灰泥、以灰泥重量计至多约10重量％的量的蛭石粒子、以及矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合的浆料形成。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板在约5/8英寸的标称面板厚度下，具有至少约70lb的拔钉阻力，所述拔钉阻力根据ASTM标准C473-09测定。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板至少满足ULU305、ULU419、和ULU423的1小时耐火级面板标准之一。
在另一个实施方案中，为一种用于制备耐火石膏面板的方法，所述方法包括：
(A)制备具有分散于其中的高膨胀粒子的石膏浆料，其中在约1560°F下加热约1小时之后所述高膨胀粒子的体积平均膨胀至其初始体积的约300％或更大；
(B)将所述石膏浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成组件，该组件包含具有均匀分布在整个石膏芯中的高膨胀粒子的凝固石膏的结晶基质；
(C)将所述组件切割成预定尺寸的面板；以及
(D)干燥所述面板；
使得该面板具有约40磅/立方英尺或更小的密度，和至少约11磅的芯硬度，凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子有效提供高温收缩率(S)为约10％或更小、且高温厚度膨胀与高温收缩率之比(TE)/S为约0.2或更大的面板。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有约100μm至约350μm的平均等球粒直径，且标准偏差为约100至约225。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述壁具有约25μm至约75μm的平均厚度，且标准偏差为约5至约40。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述高膨胀粒子包含高膨胀蛭石粒子。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述浆料还包含以灰泥重量计约0.3重量％至约3.0重量％的量的淀粉和以灰泥重量计约0.1重量％至约1.0重量％的量的分散剂。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述浆料还包含以灰泥重量计约0.03重量％至约0.4重量％的量的含磷酸盐的组分。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板在约5/8英寸的标称面板厚度下，具有至少约70lb的拔钉阻力，所述拔钉阻力根据ASTM标准C473-09测定。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板至少满足ULU305的1小时耐火级面板标准。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板至少满足ULU419的1小时耐火级面板标准。
在另一个实施方案中，为一种用于制备耐火石膏面板的方法，所述方法包括：
(A)制备具有分散于其中的高膨胀粒子的石膏浆料；
(B)将所述石膏浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成组件，该组件包含具有通常分布在整个石膏芯中的高膨胀粒子的凝固石膏芯；
(C)将所述组件切割成预定尺寸的面板；以及
(D)干燥所述面板；
所述石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度和至少约11磅的芯硬度，所述面板具有约5/8英寸的标称面板厚度，所述高膨胀粒子在加热时具有第一非膨胀相和第二膨胀相，所述面板有效抑制热传递通过根据ULU419的工序制得并加热的所述面板的组件，其中根据ULU419，在所述组件的一侧上的面板表面暴露于热源，且在所述组件的相对的未受热侧上的面板表面设置有多个温度传感器，使得当根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热组件时，在约60分钟之后在所述组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约500°F。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约60分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于约380°F。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约410°F。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于约320°F。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热约50分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约260°F，且根据ULU419测得的在组件的未受热表面上的温度传感器的平均值小于约250°F。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得所述耐火石膏面板至少满足ULU305、ULU419、和ULU423的1小时耐火级面板标准之一。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，其中高膨胀粒子包括高膨胀蛭石粒子，当在约1560°F下加热1小时时，所述高膨胀蛭石粒子平均膨胀至其初始体积的约300％或更大。
在另一个实施方案中，一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包括凝固石膏的结晶基质，所述石膏芯具有至少约11磅的芯硬度和约40磅/立方英尺或更小的密度，以及约10％或更小的高温收缩率(S)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板具有约10％或更小的平均高温收缩率(S)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板具有约2或更大的高温厚度膨胀(TE)与高温收缩率(S)之比(TE/S)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板具有约2至约17的高温厚度膨胀(TE)与高温收缩率(S)之比(TE/S)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板具有超过约17的高温厚度膨胀(TE)与高温收缩率(S)之比(TE/S)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯包含非膨胀蛭石粒子，石膏芯中该蛭石粒子的量和分布有效提供约0.2或更大的高温厚度膨胀(TE)与高温收缩率(S)之比(TE/S)的耐火石膏面板。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯包含以在凝固石膏的结晶基质中的量和分布、在约1560°F(850℃)下加热约1小时后，可膨胀至至其初始体积的约300％或更大的高膨胀粒子，使得耐火石膏面板具有约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含高膨胀粒子，其中高膨胀粒子为高膨胀蛭石粒子。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板在约1800°F(约980℃)下加热1小时时，所述耐火石膏面板显示出约85％或更大的平均耐收缩性。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含结晶基质，其中所述凝固石膏的结晶基质包含a)限定气穴的壁，所述气穴具有约100μm或更大的平均等球粒直径；或b)限定和分隔所述石膏芯内的气穴的壁，所述壁具有约25μm或更大的平均厚度。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含壁，其中b)所述壁具有约25μm至约75μm的平均厚度，且标准偏差为约5至约40。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板具有5/8英寸的标称面板厚度，所述凝固石膏芯包含高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在加热时具有第一非膨胀相和第二膨胀相，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过根据ULU419的工序制得并加热的所述面板的组件，其中根据ULU419，在所述组件的一侧上的面板表面暴露于热源，且在所述组件的相对的未受热侧上的面板表面设置有多个温度传感器，使得当根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热组件时，在约60分钟之后在所述组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约500°F。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含石膏芯，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、以灰泥重量计至多约10重量％的量的高膨胀蛭石，以及矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合的浆料形成。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含以灰泥重量计约0.3％至约0.9％的量的矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含第一和第二纸覆盖片材或类似的覆盖片材，其中第一覆盖片材具有约55至约65lb/msf的基重，且第二覆盖片材具有约35至约45lb/msf的基重。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板至少满足ULU305、ULU419、和ULU423的1小时耐火级面板标准之一。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得(a)在加热约60分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于(i)约380°F(约195℃)，或在加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于(ii)约320°F(约160℃)；(b)在加热约60分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于(i)约500°F(约260℃)，或在加热约55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于约410°F(约210℃)；或(c)在加热约50分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于约260°F(约125℃)，且根据ULU419测得的在组件的未受热表面上的温度传感器的平均值小于约250°F(约120℃)；每一加热都根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线进行。
在另一个实施方案中，墙壁系统包含上述任一段落中所讨论的至少一个耐火石膏面板以及至少一个紧固元件。
在另一个实施方案中，墙壁系统包含紧固元件，其中至少一个紧固元件是螺钉、钉子或粘合剂。
在另一个实施方案中，为在上述任一段落中讨论的制备耐火石膏面板的方法，其包括：(A)制备石膏浆料；(B)将所述石膏浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成包含凝固石膏芯的组件；(C)将所述组件切割成预定尺寸的面板；以及(D)干燥所述面板。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述石膏芯包含以在凝固石膏的结晶基质中的量和分布、在约1560°F(850℃)下加热约1小时后，可膨胀至至其初始体积的约300％或更大的高膨胀粒子，使得面板具有约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，该用于制备耐火石膏面板的方法中，所述耐火石膏面板至少满足ULU305、ULU419、和ULU423的1小时耐火级面板标准之一。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述耐火石膏面板具有约40磅/立方英尺或更小的密度(D)和至少约11磅的芯硬度，所述石膏芯有效提供约20分钟或更大的隔热指数(TI)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述耐火石膏面板具有约40磅/立方英尺或更小的板密度和约10％或更小的高温收缩率(S)，所述耐火石膏面板有效抑制热传递通过所述组件，使得所述耐火石膏面板至少满足ULU305、ULU419、和ULU423的1小时耐火级面板标准之一。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，且所述石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度(D)。
在另一个实施方案中，所述耐火石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，所述石膏芯具有约40磅/立方英尺或更小的密度(D)。
应注意，以上所述只是实施方案的例子。其他的示例性实施方案可从此处的描述明了。本领域普通技术人员也将理解这些实施方案的每一个可被用于与此处提供的其他实施方案的各种组合中。
实例
如下实例进一步说明了本发明的方面，但是当然不应解释为以任何方式限制本发明的范围。
实例1
通常用于常规耐火石膏面板中的相对较低膨胀的蛭石(如No.5级蛭石)相对于用于根据本公开的原理的面板和方法中的高膨胀蛭石的膨胀特性在基本上相同的加热条件下进行评价。在该研究中，将示例性的非膨胀5级(相对较低的膨胀)蛭石的50克样品和示例性的高膨胀蛭石(本文为4级蛭石)置于三个坩埚中，并在约212°F(100℃)、约390°F(200℃)、约750°F(400℃)、约1,110°F(600℃)和约1470°F(800℃)的恒定凝固温度下在烘箱中加热1小时。在1小时加热之后，称重样品，并测量它们各自的密度。每个测试样品的所得平均重量损失和密度的比较分别列于图20和21中的表II和III中。
在该研究中的非膨胀No.5级和非膨胀的高膨胀蛭石的堆积密度几乎相同(66.1相比于66.9lb/ft3)。蛭石体积在约390°F(200℃)以下未显示出可观的变化，但在约390°F(200℃)以上开始膨胀，且堆积密度随着增加的温度而减小。在相同温度下，高膨胀蛭石比No.5级相对较低膨胀的蛭石膨胀明显更多，从而产生堆积密度的相应差异。应注意，将No.5蛭石从室温加热至约1470°F(800℃)(其接近在火灾和耐火测试条件中所经历的温度)产生相对于初始未受热体积约290％的体积膨胀。将高膨胀蛭石从室温加热至1470°F(800℃)产生相对于初始未受热体积约390％的显著更大的体积膨胀。
在其他观察中，该研究证实了对于给定的蛭石重量和密度，由高膨胀蛭石所产生的另外的膨胀体积的量远远超过用于常规耐火板中的蛭石。这些结果也证实了，在具有根据本公开的原理形成的面板的降低的重量和密度的石膏面板中以任何显著的量使用这种高膨胀蛭石对于本领域技术人员而言不是显而易见的。预期当这种石膏面板暴露于高温条件(如在火灾条件下和耐火测试条件下所经历的那些)时，这种高膨胀蛭石的膨胀性质将严重损害和降低这种石膏面板的结构完整性和稳定性。
实例2
如前所述，具有纸覆盖片材的降低重量和密度的耐火石膏面板根据本公开的原理制得，并经受X射线微计算机断层扫描(CT)的扫描分析。面板为来自样品试验2，以及来自如下实例4中讨论的样品试验3、4或5中的一个的试样。来自样品试验2、3、4和5的试样中的每一个使用如下制得：约1280lb/msf灰泥、约75-100lb/msf#4级蛭石、约20lb/msf预胶化淀粉、约32lb/msfHRA促进剂、约7.5lb/msf玻璃纤维、约2lb/msf分散剂、约1.5lb/msf磷酸盐，和足以提供所需的面板重量和密度的量和组成的泡沫。第一面板覆盖片材为大约61lb/msf的重马尼拉纸，第二覆盖片材为约41lb/msf的报纸。精制板具有大约5/8英寸的厚度。具有约1860lb/msf(样品试验3、4和5)和约1880lb/msf(样品试验2)的标称重量的完成面板的样品在不同的日期制得。芯密度分别为约37pcf和36.5pcf。
使用具有微米分辨率的锥面光束x射线微CT扫描技术分析来自两组样品中的每一组的芯试样，如通常描述于Lin、Videla、Yu和Miller，“CharacterizationandAnalysisofPorous,BrittleSolidStructuresbyX-RayMicroCT(通过X射线微CT表征和分析多孔易碎固体结构)”JOM，第62卷，第12期，第91-94页(Mineral,MetalsandMaterialsSociety(矿物质、金属和材料协会)，12/2010)(“theLinX-RayMicroCTarticle(Lin的X射线微CT文章)”)中，所述文献以引用方式并入本文。分析来自扫描的数据，并用于产生图1-6中所示的图像。图1和4分别为来自1880lb/msf和1860lb/msf样品的芯试样的二维切片。图2和5分别为相同试样的由1020x1024x1626像素组成的三维图像，其中每个像素的尺寸为5.07x5.07x5.07μm。图3和6分别表示显示出空穴和高膨胀蛭石(和其他颗粒)的分布的1880lb/msf和1860lb/msf样品的三维体绘制图像。
示于图1-6中的根据本公开的原理形成的样品5/8英寸厚的耐火石膏面板包括凝固石膏芯，所述凝固石膏芯包括具有限定石膏芯内的气穴的壁的石膏晶体基质。使用在Lin的X射线微CT文章(也参见A.Videla，C.L.Lin和J.D.Miller，Part.Part.Syst.Charact.，23(2006)，第237-245页)中所述的基于3-D分水岭算法的高分辨率X射线微断层扫描(HRXMT)测定三维气穴尺寸分布。具有5.07μm像素分辨率的三维HRXMT图像分析与三维分水岭算法一起使用，以计算计数的气穴的等球粒直径。图22中的表IV分别表示使用相同分析工序，样品试验2和3、试样1和2以及根据本公开的原理形成的石膏面板的两个另外的试样的以数量计和以体积计的测得的三维气穴尺寸分布的结果。
参见图22，在不同的实施例中，根据本公开的原理形成的石膏面板可在凝固石膏芯的石膏晶体基质内包括多种不同的气穴尺寸、尺寸分布和排列。例如，每给定样品尺寸的总气穴可为小于约1000至约7000，且气穴的平均等球粒直径可为约100μm至约350μm之间，标准偏差为约100至约225。如上所述，这种气穴结构和排列允许降低芯密度和重量，同时保持所需的板结构和强度性质。
使用在Lin的X射线微CT文章(也参见W.B.Lindquist等人，J.Geophys.Res.,101B(1996)，第8297-8310页)中讨论的基于腐蚀、膨胀和骨架化操作的HRXMT，测定图1-6中所示的试样的石膏芯的壁厚分布。三维HRXMT图像分析使用三维骨架化程序来计算气穴之间的石膏芯壁厚。相邻气穴之间的壁厚通过中轴操作获得，并等于接触壁的两侧的等效球的直径。图23中的表V分别表示使用相同分析工序，样品试验2和3、试样1和2以及根据本公开的原理形成的石膏面板的两个另外的试样的测得的壁厚的结果。
参见图23，在不同的实施例中，根据本公开的原理形成的石膏面板可在凝固石膏芯的石膏晶体基质内包括多种不同的壁构造。例如，每给定样品尺寸的壁的总数在一些实施例中可为约2000万至约3500万之间，且石膏芯内的平均壁厚可为至少约25μm。在试样中，限定和分隔石膏芯内的气穴的壁可具有约25μm至约50μm的平均厚度，标准偏差为约10至约25。如上所述，这种壁结构和它们的排列允许降低芯密度和重量，同时保持所需的板结构和强度性质。在一些实施例中，面板的石膏芯可利用上述气穴尺寸分布和排列以及壁厚分布和排列的组合有益效果以获得显著的密度和重量降低，同时提供可接受的强度和相关性质。
如图1和2以及4和5所示，非膨胀形式的高膨胀蛭石粒子显示为通常分布于整个芯材料中的白色或灰色粒子。许多蛭石粒子在芯试样中接近或邻近空穴结构定位，以及在面板芯的整个结构元件中散置。在图3和6中，蛭石粒子显示为通常接近或邻近芯空穴，仍然分散于整个芯结晶基质中，悬浮于芯结构中的各种取向的大的有色粒子。图1-6也反映了可能在根据本公开的原理形成的石膏面板的芯结构中出现的蛭石粒径和分布的变化。
如以上本文所述，图1-6表示根据本公开的原理形成的面板的石膏芯所特有的相对较高的空穴含量、空穴的复杂分布和降低的密度。该结构由于空穴壁中的结晶结构和空穴之间的相邻中间芯结构的变化而进一步复杂化。该结晶结构可包括针状微晶、板状微晶和/或它们的组合，或其他结晶和非结晶要素。根据本公开的原理形成的面板的这种实施例依赖于这种相对易碎的芯结构的完整性，以提供耐火性和/或其他面板结构和强度性质，如拔钉强度、抗流挂性和抗弯性。
因此，如图1-6所示，预期当面板暴露于高温时，由于产生的蛭石粒子体积的极显著的膨胀(例如，产生初始未受热蛭石体积的约290％至大于约390％的体积)，在这种结构中掺入高膨胀蛭石粒子将导致空穴壁和中间芯区域的散裂、断裂和破坏。预期这将使芯结构严重变弱，从而导致面板的破坏、过早裂化或坍塌。此外，由于高程度的蛭石膨胀在其中石膏芯由于水损失和其他结晶形态损失和/或变化而损失体积和可能的完整性的温度下发生，因此预期空穴壁和中间芯结构中高程度的蛭石膨胀将加速面板完整性的损失。因此，预期需要相当大量的添加的石膏或其他耐收缩添加剂来提供耐火性和板强度性质所需的结构强度。如上所述且在本文的实例中进一步说明，相反，根据本公开的原理形成的降低重量和密度的面板提供了与高得多密度和大得多的石膏含量的面板可相比的耐火能力。
实例3
研究如在上述参考文献美国专利No.3,616,173(“’173专利”)中所述的x-y(分别为宽度和长度)面板耐收缩性测试，以作为表征根据本公开的原理形成的石膏面板的耐火性质的一种方式。如’173专利中所解释，当从石膏面板选择的部分经受加热时，所述部分的x-y尺寸的收缩程度为面板对收缩、裂化以及从使用所述面板的结构组件的壁骨和支撑件上脱离的抗性的一个指征。
通常遵循’173专利中所述的工序，测试在该研究中所用的一组5/8英寸厚的大约3英寸x9英寸的石膏板样品。样品从来自下述样品试验13的成型石膏墙板的完整片材上切割。(在‘173专利中，样品从使用水而非泡沫来控制密度的实验室混合物模制成约1/2英寸的厚度)。通过如下方式将样品设置于马弗炉中：样品以长(在此情况中5/8英寸厚)边竖立设置于一片绝缘材料上，样品之间设置绝缘块以防止芯样品倒塌。测量每个样品的一侧或两侧的初始x-y表面积。
当将样品置于马弗炉中时，烘箱和样品在室温下。将马弗炉加热至1800°F，然后保持1小时，之后中断热量，使炉子在门略微打开的情况下冷却。在炉子和样品冷却至环境温度之后，取出样品，测量样品的x-y表面积。将在加热之后剩余的样品表面积除以最初预热样品表面积，并乘以100以提供加热之后剩余的％表面积。该数值，即剩余的％表面积，在本文称为“耐收缩性”值(因为该术语在本文中使用)。
在第一试验中测试来自三个不同的石膏面板样品的试样。在该第一试验中，来自样品的三个试样从来自如下实例4中所述的样品试验13的根据本公开制得的5/8英寸厚的石膏面板上切割。同时测试这些试样，来自两个商用板样品中的每一个的三个试样从可以以名称“SheetrockBrand5/8”X型芯板”购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)的商用5/8英寸X型板上切割。所述X型样品具有约43.5pcf的芯密度和约2250lb/msf的板重量。
来自实例4中所述的样品试验13的第一样品面板根据本公开制得，并为约5/8英寸厚，重约1850lb/msf，且芯密度为35.5pcf。所述面板由如下制得：约1311lb/msf灰泥、约27lb/msfHRA、约30lb/msf预胶化淀粉、约100lb/msf高膨胀蛭石、约7.5lb/msf玻璃纤维、约1.5lb/msf三偏磷酸钠，和约2.5lb/msf萘磺酸盐分散剂，以及产生所需芯密度所需的量和配方的泡沫。使用ASTM测试工序，面板的物理测试确定其显示约103lb的拔钉强度。
在第二试验中，三个试样来自可以以名称“SheetrockBrandFirecode5/8”X型板”购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)的第二商用5/8英寸X型板的每一个。所述X型样品具有平均约41.73pcf的芯密度和约2250lb/msf的板重量。三个试样也分别从以名称“SheetrockBrandCcore.1/2”and5/8””销售的商用1/2英寸和商用5/8英寸C芯板中的每一个上切割。这些板也可购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)。C板掺入了低膨胀蛭石。分别地，1/2和5/8英寸样品的芯密度为平均约48.12pcf和约46.86，板重量为约2025lb/msf和约2550lb/msf。
来自耐收缩性测试结果的平均值在图24中的表VI中。如上数据显示，使用该测试，在低得多的密度和重量下，根据本公开的原理形成的耐火板具有明显优越的耐收缩性。相比于重得多且致密得多的商用X型板样品的约77％和约61％的耐收缩性，平均耐收缩性为约88％。相对于明显更致密且更重的商用C面板(使用该测试，其显示出约74％的耐收缩性)，也观察到类似的结果。1/2英寸和5/8英寸C样品之间不存在使用该测试的耐收缩性的可观差异。
为了比较，’173专利报道在其实例中(除非另外指出)的所测试的1/2英寸样品中的每一个具有约43pcf的芯密度。’173专利进一步报道，在该密度下，63个测试样品表现出54％(不具有添加的小粒径无机材料或蛭石的石膏面板)至约85％(具有所有干燥芯成分的0.45重量％的粘土和玻璃纤维的石膏面板)的报道耐收缩性。
具有仅添加的玻璃纤维(所有干燥芯成分的0.45重量％)的’173专利样品具有小于约60％(例如53.7％至61.5％)的耐收缩性。在具有添加的蛭石和玻璃纤维以及不具有添加的小粒径无机材料的情况下，样品具有约60.8％(所有干燥芯成分的1.0重量％的蛭石)和约64.1％(分别为所有干燥芯成分的1.0重量％和0.45重量％的蛭石和玻璃纤维)的报道耐收缩性值。具有约80％或更大的报道耐收缩性值的样品(包括具有添加的玻璃纤维和蛭石的那些样品)具有以所有干燥芯成分的重量计5.0的显著粘土含量。经证实在大多数(如果不是全部)的实例中，当添加的粘土的量保持恒定时，极少(如果有的话)有益效果来自其中所用的添加的蛭石。因此，出乎意料的是，在根据本公开的原理形成的石膏面板(其不在石膏芯中掺入显著量的粘土、胶体二氧化硅或胶体氧化铝的小粒径无机材料以抵抗高温条件下的收缩)的实施例中，那些实施例仍然显示出至少可相比于(如果不优于)常规X型石膏面板和使用低膨胀蛭石的商用面板(如C面板)的耐收缩性。
因此，根据本公开的原理的用于制备耐火石膏面板的配方和方法可提供在该测试下具有如下耐收缩性质的石膏面板，所述耐收缩性质超过重得多且致密得多的石膏面板，并满足或超过具有提供所需耐收缩性所需的显著的添加成分(如粘土)的那种面板。
实例4
进行在不同日期的数个测试试验，以制得使用本文所述的配方方法制得的根据本公开的原理形成的降低重量和密度的石膏面板的标称5/8英寸厚实例，实例示于图19中的表I中。测试试验样品进一步部分描述于图25a-b中的表VII中，其也提供了组分量、板重量和板密度(大约的量)。根据本公开的原理形成的示例性面板经受如下实例4A至4E中所述的测试。为了比较，也获得市售X型耐火石膏面板和玻璃垫石膏面板的样品。称为X型面板的商用样品为可购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)的5/8英寸厚牌X型石膏面板(1小时耐火)(样品试验21)。称为玻璃垫面板的商用样品为可购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)的5/8英寸厚的商用牌玻璃垫外壳石膏面板(1小时耐火)。
除非另外指出，否则获自这些实例中所述的石膏面板的用于密度、耐收缩性、z方向高温厚度膨胀和隔热测试的试样(两者均来自本公开的原理的实例和商用石膏面板的那些)在面板的“场(field)”中的一个或多个位置中从距离面板边缘至少6英寸处获取。
实例4A
来自根据本公开的原理形成的降低重量和密度的耐火石膏面板的样品试验1至20的试样经受根据EN520GypsumPlasterboards–Definitions,RequirementsandTestMethod(石膏灰泥板-定义、要求和测试方法)(其在欧洲通常用作用于某些耐火石膏面板的标准)的高温芯内聚力测试。该测试的工序也在可在网址www.astm.org/DATABASE.CART/WORKITEMS/WK25392.htm获得或以其他形式或格式得自ASTM国际的报告ASTMWK25392-石膏面板产品的物理测试的C473–09标准测试方法的修订(下文称为“ASTMPub.WK25392”)中讨论。
该测试评价了石膏面板承受在使用面板的组件暴露于高温时所遇到(如在火灾中遇到)的挠曲和机械应变的能力。在高温条件下，例如，组件的结构元件(如壁骨)可由于它们暴露于高温而变形或损坏。作为结果，可导致组件朝向或远离热源偏转，从而在面板上施加压缩力和/或膨胀力。
在这些测试中，约1.75英寸x约12英寸(24mmx100mm)测试试样以约10英寸(254mm)的悬臂长度水平安装。由从试样的自由端悬挂的砝码施加剪切应力和弯曲力矩。砝码悬挂于平台以上约0.39英寸(10mm)。砝码的质量基于测试试样的厚度，对于约1/2英寸(12.7mm)至约3/4英寸(19.1mm)为约10.6盎司(300g)至约25.9盎司(450g)。通过位于距离试样的固定端约3.9英寸(100mm)处的两个水平相对的Meker燃烧器，将测试试样暴露于火焰。
每个燃烧器的嘴部距离测试试样的相邻面约1.0英寸(25.4mm)设置，并调节以使得距离试样约0.2英寸(5mm)插入的热电偶读数为约1830°F(1000℃)。如果在砝码接触平台时试样变弱和/或偏转，但保持完整而不破碎成分离的片，则认为其通过测试。七个重复试验的至少六个必须通过以使石膏面板样品通过。测试结果以“通过”或“失败”的方式表示。
来自所有样品试验的试样的测试使用25.9盎司(450g)砝码。尽管石膏面板的降低的重量和密度，来自样品试验的每一个的试样仍通过了高温芯内聚力测试。
实例4B
如上所述，除了芯内聚力问题之外，由于暴露于高温而引起的石膏芯的收缩也导致组装面板结构(如墙柜和/或防火墙)的物理完整性的损失。用于测量“高温收缩率”的测试在ASTMPub.WK25392中发展和报道，以提供在高温条件下石膏面板的收缩特性的定量测量。该测试工序反映了如下事实：在火灾条件下石膏面板可能经历的高温收缩受到除了在高温条件下可在面板石膏芯中发生的煅烧反应之外的因素的影响。因此，测试方案使用无排气的炉子，使得不存在可能冷却测试试样的来自炉子外部的气流。炉温也为约1560°F(850℃)，以说明当暴露于高温火灾条件时可能在石膏芯结构的无水石膏相中发生的收缩，以及煅烧和其他高温作用。本文所用的“高温收缩率”指在与本文描述的那些一致的高温测试和样品条件下石膏面板的收缩特性的量度。
测试来自根据本公开的原理形成的样品试验1至20的面板的试样在ASTMPub.WK25392指定的高温条件下所经历的x-y高温收缩量。也评价试样在这些测试中的厚度损失或增加。测试试样为使用具有孔锯片的钻床从石膏板样品上切割的约4英寸(100mm)直径的盘。每个测试需要六个试样，并将所述六个试样并排置于炉中而不彼此接触。也将测试试样置于小的基座上以允许它们在两个面上均匀加热和排气，使得测试试样保持为相对平坦的圆柱形盘。
为了防止测试试样的温度急增(其可由于散裂和破裂而产生无效的测试结果)，测试方案修改为在将测试试样加热至约1560°F(850℃)之前将测试试样置于炉中。在关掉炉子之前，试样在该温度下保持最少约20分钟。炉门保持关闭，同时冷却炉子。不取出试样用于测量，直至在温度下降至接近室温之后。
由于石膏板为各向异性的，因此收缩量在长度和宽度方向上略微不同。因此，进行两个正交测量并平均以计算盘的平均直径。在这些测试中，进行彼此成90度的两个测量，因为已发现该方法提供了试样之间一致的平均直径测量。已发现，为了该测试，就“纵向”和“横向”而言的试样的取向并非重要考虑。通常，如果盘的两个测量相差超过0.01英寸(0.25mm)，则丢弃所述盘，并且从报道结果中排除所述测量。对于六个测试样品的组，高温收缩率计算为在热暴露之后平均直径的百分比变化，并表示为“S”(通常四舍五入至0.1％)。
来自该测试的数据在图26a-b中的表VIII中报道，并说明了考虑到降低的芯密度和石膏含量(通常认为其对于降低石膏面板收缩是必要的)的缺乏，根据本公开的原理形成的示例性面板的芯结构比预期明显更耐高温收缩率(S为大约2％至大约4％)。
此外，在加热之后在加热至样品的最终厚度之前，样品从它们的初始厚度表现出约11％至超过约30％的在z方向上的厚度膨胀或“高温厚度膨胀TE”。本文所用的“高温厚度膨胀”指在与本文描述的那些一致的高温测试和样品条件下石膏面板在z方向上的厚度膨胀特性的量度。高温厚度膨胀(z方向)与高温收缩率的比例(即TE/S)提供了本公开的如下原理的总体有益效果的一个量度，并且在样品试验1至20中为约3至超过17。
为了比较，商用耐火5/8英寸厚的石膏面板的高温收缩率、高温厚度膨胀和膨胀与收缩的比例也包括于图26b中的表VIII中。所述数据和典型重量和密度数据来自商用牌X型石膏面板、牌C型石膏面板和牌玻璃垫外壳石膏面板的测试，所述石膏面板均可购自美国石膏公司(UnitedStatesGypsumCompany)。可以看出，在根据本公开的原理形成的示例性面板中的相对较低的高温收缩率可相比于(如果不优于)商用耐火面板。此外，在根据本公开的原理形成的示例性面板中的高温厚度膨胀的量出乎意料地明显大于更重且更致密的常规耐火石膏板而无其他不利作用。
根据本公开的原理形成的面板的出乎意料的有益效果也反应在相对于商用耐火面板明显更大的高温厚度膨胀(z方向)与高温收缩率之比(TE/S)。根据本公开的原理形成的示例性面板的相对较小的高温收缩率和相当大的高温厚度膨胀表明，对于它们的重量和密度，它们在反映了结构火灾条件下遇到的那些的温度下提供了出乎意料的耐火性。使用在本发明的范围内的由组成材料的其他组合制得的面板也获得类似的结果。
实例4C
组件(例如，如在ASTME119耐火测试中要求的使用承载木壁骨框架的那些)中的石膏面板的耐火性能的一个可用的指征在文章Shipp,P.H.和Yu,Q.，“ThermophysicalCharacterizationofTypeXSpecialFireResistantGypsumBoard(X型专用耐火石膏板的热物理表征)”ProceedingsoftheFireandMaterials2011Conference，旧金山，2011年1月31–2月2日，InterscienceCommunicationsLtd.,London,UK，第417-426页中讨论。该文章讨论了一系列的承重木框架墙组件的E119耐火测试，以及商用X型石膏面板的高温收缩与隔热特性之间的关系以及它们在E119耐火测试工序下的预期性能。
对来自测试的数据进行线性多元回归分析，以耐火性FR(以分钟计)作为因变量。自变量为％收缩SH(如通过实例4B中的上述高温收缩测试测得)、隔热指数TI(如通过实例4D中如下讨论的测试测得)、木材水分含量MC(作为重量％)和测试的实验室设施LAB＝{0,1}。所得线性回归分析建立了如下关系式(回归的误差标准为2.55分钟)：
FR＝18.3–1.26SH+1.60TI+0.42MC+6.26LAB(1)
假设测试以单个实验室(LAB＝1)和13.5％的典型木材水分含量进行，如上关系式可如下表示：
FR＝30.23–1.26*SH+1.60*TI(2)
使用高温收缩测试数据可重新排列等式2，以表示在E119测试工序下提供耐火测试性能所需的在承载木壁骨组件中的典型商用X型面板的预期最小隔热指数。所得关系式可表示为：
TI≥(FR–30.23)/1.60+1.26/1.60*SH(3)
对于在50、55和60分钟时的耐火性，所需TI将大于或等于如下：
TI≥12.36+0.78*SH(4a)
TI≥15.48+0.78*SH(4b)
TI≥18.60+0.78*SH(4c)
如图27中的表IX中所示，以等式4a至4c表示的如上关系式表明，需要所列的大概最小TI值以在约50、55和60分钟时在E119条件下提供可接受的耐火性。样品试验面板和商用面板的高温收缩值SH在图28a-b中的表X中提供，如在以上实例4B中所述。
对于来自根据本公开的原理形成的样品试验1至20的示例性面板，衍生自关系式(等式4(a)至4(c))的最小TI值将在50分钟时等于或大于约13.8至约15.8，在55分钟时等于或大于约16.6至约19，并在60分钟时等于或大于约20至约22。可相比于(如果不优于)商用X型、C型(具有5级蛭石)和玻璃面石膏面板的计算TI值的这些计算TI值也在图27中的表IX中报道。在重得多的重量和密度下的商用面板的计算TI值将在50分钟时等于或大于约13.9至约16.6，在55分钟时等于或大于约17至约19.7，并在60分钟时等于或大于约20.2至约23。
如在实例4D中如下讨论，尽管来自根据本公开的原理形成的示例性面板、样品试验1至20的试样相对于X型石膏面板显著降低的重量和密度，所述试样的测得的TI值等于或超过这些预期TI值的最小值，并可相比于X型石膏面板样品的测得的TI值。此外，在使用在如下实例4E中所述的U305工序的可相比的测试下，根据本公开的原理形成的面板在经受耐火测试时实际上提供大于预期的耐火性。不受限于理论，但据信根据本公开的原理形成的面板在实际耐火测试中显示的出乎意料的增加的耐火性部分归因于由本公开的面板和方法获得的高温厚度膨胀的程度。也不受限于理论，但据信这种显著的高温厚度膨胀的有益效果可能不在如上关系式中反映，因为它们基于使用通常在加热过程中显示出收缩的X型石膏面板的测试(参见图26b中的表VIII，X型测试)。
实例4D
也评价根据ASTMPub.WK25392所述的工序的高温隔热指数。该工序提供了石膏面板的高温隔热特性的简单的代表性测试。在该测试中所反映的热传递条件可由用于通过板厚度的一维不稳定导热的能量方程式进行描述：
Δ/Δx(k(ΔT/Δx))+q＝ρcp(ΔT/Δt)(5)
其中T为在给定时间t和板中的深度x处的温度。热导率(k)、密度(ρ)和比热(cp)在高温下为非线性温度关联函数。生热率q表示在不同温度下并因此在不同时间发生的多种吸热和放热反应，例如石膏相变和表面纸燃烧。
为了评价通过石膏板的总热传导以及石膏板的隔热性能，通常无需单独测量并描述上述每个变量。评价它们对热传递的净累积作用是足够的。为此目的，开发了ASTMPub.WK25392中所述的简单的高温隔热指数测试。本文所用的“高温隔热指数”指在与本文描述的那些一致的高温测试和样品条件下石膏面板的隔热特性的量度。每个测试试样由通过G型喇叭头螺杆夹在一起的两个4英寸(100mm)直径的盘组成。将热电偶置于试样的中心处。然后将试样安装于设计为确保在试样表面上均匀加热的支架中的边缘上，并置于预热至约930°F(500℃)的炉子中。记录在测试试样中心处的温度上升，并测量隔热指数TI，所述隔热指数TI计算为测试试样从约105°F(40℃)加热至约390°F(200℃)所需的以分钟计的时间。测试试样的隔热指数计算为：
TI＝t200℃–t40℃(6)
由通过该工序采集的数据所产生的温度曲线通常显示在约100.00℃(100℃)下石膏转变为半水合物，并在接近约140.56℃(140℃)半水合物转化为第一无水石膏相。这种数据也通常显示，一旦这些相转变完成，则温度以线性方式快速上升，因为在约498.89℃(500℃)的炉温以下通常没有重要的另外的化学或相变反应发生。等待直至试样的芯温度达到约105°F(40℃)以开始计时，可获得可接受的可重复性和再现性。
来自样品试验1-20的试样的隔热指数测试在图28a-b中的表X中报道。来自样品试验的实例的隔热指数(TI)数据显示，考虑到根据本公开的原理形成的降低重量和密度的石膏面板的密度和石膏含量，所述石膏面板的芯结构提供了出乎意料的有效隔热性质。如表X中所示，对于来自样品试验1-20的试样，隔热指数值为约22分钟至约25分钟。这表明，考虑到用于抵抗在火灾和耐火测试条件下所经历的高温的芯密度，根据本公开的原理形成的芯组合物是比预期更有效的热绝缘体。这些实例也显示，来自样品试验1-20的试样的隔热指数与密度的比例为约0.60至约0.68分钟/pcf。相比之下，来自更重且更致密的商用牌X型石膏面板、牌C型石膏面板和牌玻璃垫外壳石膏面板样品试验1-20的试样的隔热指数与密度的比例为约0.55至约0.59。
如由该数据所示，根据本公开的原理形成的示例性面板具有比重得多且致密得多的商用面板略低的隔热指数值。可认为这表明根据本公开的原理形成的示例性面板将具有降低的耐火性能。然而，当考虑根据本公开的原理形成的示例性面板的密度时，它们的隔热能力(如由TI与密度比所反映)类似于或优于更重且更致密的商用面板。此外，如实例4E中所示，当根据本公开的原理形成的示例性面板在经受全面耐火测试的组件中使用时，这些示例性面板显示出相对于更重且更致密的商用面板的出乎意料的耐火性。
实例4E
来自根据本公开的原理形成的降低重量和密度的耐火面板的样品试验1至20的试样经受根据UL工序U419、U423和U305中所述的工序的全面耐火测试。这些测试工序需要包括钢或木壁骨(通常为安装于基板与同样材料的盖板之间的约10英尺竖直壁骨)的墙组件框架的测试结构的组件。使用来自样品试验1至17的根据本公开的原理形成的面板的试样的组件经受U419工序的耐火测试；使用来自样品试验18的根据本公开的原理形成的面板的试样的组件经受U423耐火测试工序；且使用来自样品试验19和20的根据本公开的原理形成的面板的试样的组件经受U305耐火测试工序。
另外，为了比较，商用1小时耐火5/8英寸厚的牌X型石膏面板(样品试验21)和商用5/8英寸厚的商用1小时耐火牌玻璃垫外壳石膏面板(样品试验22)的样品分布经受U419和U423的工序。样品试验21的X型面板的重量大约为2250lb/msf，芯密度为约43.5pcf。样品试验22的面板的重量大约为2630lb/msf，芯密度为约51pcf。
在U419和U423测试中，壁骨为市售轻量型钢壁骨，其由厚度为约0.015英寸至约0.032英寸的钢形成，且尺寸为约3-5/8”或3-1/2”英寸宽×约11/4”英寸厚。钢壁骨Viper25钢壁骨(Marino/Ware,DivofWareIndustriesInc)在组件中间隔约24英寸。U305测试使用间隔约16英寸的#2DouglasFir木2x4壁骨(大约3.5英寸宽×约1.5英寸厚)。
U419测试工序被认为是UL测试类型中最严苛的，原因是由于热传递通过面板并进入暴露的面板与未暴露的面板之间的组件腔体中，轻量型钢壁骨通常经历热变形(通常迫使经暴露的面板朝向气体喷焰)。所述变形通常导致在组件的受热暴露侧上面板接头的分离或其他破坏，从而允许气体喷焰和/或高热渗透至组件腔体中，并渗透至组件的未暴露未受热侧中。预期钢壁骨的量型越轻，则壁骨和组件的热变形的可能性越大。
石膏面板在组件的每一侧上水平(即垂直于竖直壁骨)附接。通常，在框架的每一侧上使用两大约个10英尺×4英尺面板，和一个大约10英尺×2英尺面板。将10英尺×2英尺面板置于组件的顶部，这显示了相比于将更窄的面板置于更宽的面板之间的中间或置于组件的底部更困难的测试。壁骨的相对侧上的水平边缘接缝和对接接缝不是交错的。在组件的每一侧上，偏离中心8英寸使用1英寸S型高/低螺钉将面板附接至框架。设置面板，使得在框架每一侧上的面板之间的接缝彼此对齐。然后，使用接缝纸带和接合化合物密封接缝。
测试类型、壁骨类型和直至测试终止的以时间计(分钟和秒)的结果在图29a-c中的表XI中表示。在遵循U419的工序的测试中，用于形成轻量型壁骨的钢为0.015英寸或0.018英寸厚。遵循U423的工序的测试使用由约0.032英寸厚的钢制得的市售钢壁骨。根据U419工序，组件不经受外部载荷。在U419测试中，试样超过规定温度极限，从而失效。根据U423和U305工序，将大约9,520lb(U423)和17,849lb(U305)的总外部载荷施加至组件的顶部。在U423和U305测试中，试样在载荷下破坏而非超过规定温度极限，从而失效。
在测试的每一个中，设置完全的面板和框架组件，使得组件的一侧(即暴露侧)经受气体喷射炉火焰的阵列，所述气体喷射炉火焰的阵列根据U305、U419和U423工序将组件的暴露侧加热至ASTM标准ASTM119指定的温度，并以ASTM标准ASTM119指定的速率加热组件的暴露侧。ASTME119加热曲线的例子示于图9和10中。根据那些ASTM和UL工序，一组约14个传感器以间距关系在组件的受热暴露侧与气体喷嘴中的每一个之间排列，以监测用于加热组件的暴露侧的温度。也另外根据那些ASTM和UL工序，一组传感器以间距关系在组件的相对的未受热的未暴露侧上排列。通常，12个传感器根据UL和/或ASTM规范以图案施用至组件的未暴露表面。根据那些工序，每个传感器也由隔热垫覆盖。
在耐火测试工序的过程中，所用的炉温遵循ASTM-E119加热曲线，所述加热曲线起始于环境温度，并在大约1小时内在组件的暴露侧上增加至超过1600°F，最快速的温度改变在测试早期和接近测试结尾出现。当存在组件的灾难性结构破坏，来自组件的未暴露侧上的传感器的温度的平均值超过预选温度时，或者当组件的未暴露侧上的单个传感器超过第二预选温度时，终止测试。
来自耐火测试的数据在图9-16中绘制。图9显示了从每个测试开始到测试终止，具有来自样品试验1至17和商用样品21的面板的组件中的每一个的未暴露表面上的最大单个传感器温度的图。如上所述，图9也显示了用于在组件的暴露侧上的炉温的ASTME119温度曲线的图。图10显示了从每个测试开始到测试终止，具有来自样品试验1至17的面板的组件中的每一个的未暴露表面上的平均温度的图，以及用于组件的暴露侧上的炉温的ASTME119温度曲线。如数据图所示，尽管来自样品试验1-20的面板与重得多且致密得多的商用X型和玻璃面石膏面板样品试验21和22之间密度和石膏含量的极显著的差异，所有组件的未暴露侧最大单个传感器温度和平均传感器温度在整个测试中接近排列。
如图9和10所示，另外，在约50至55分钟的经过时间之间在图中存在转折，并且在转折点之后每个测试的最大单个传感器温度和平均传感器温度显示出斜率的急剧增加。不希望受限于这种理论，但据信转折点表示组件的暴露受热面板接近或通过它们的受热器和隔热能力的极限的点，因此通过终止测试，热传递通过组件快速增加。这种传递可通过面板本身，或通过面板之间的接缝中的一个或多个开口。无论数据显示的转折点的特定理由如何，出乎意料的是，对于根据本公开的原理形成的降低重量且降低密度的面板和具有大得多的芯密度的重得多的面板，传递通过面板和组件腔体的温度以及温度传递的速率是可相比的。
图11和12分别为在使用来自样品试验1至17和商用X型样品21的面板的U419测试中组件中的每一个的未暴露表面上的最大单个传感器温度和平均传感器温度的图。图11和12显示了从40分钟的经过时间至65分钟的经过时间(所有测试在65分钟之前终止)的数据的放大图。这些数据图更详细地显示了直至约50至55分钟之间，根据本公开的原理形成的面板和使用所述面板制得的组件的耐火性密切对应于重得多且致密得多的X型面板和使用X型面板的组件。
从约55分钟至超过60分钟，对于来自根据本公开的原理形成的面板的样品试验的面板的组件所测得的温度继续密切对应于商用面板的那些温度。图13和14分别显示了对于使用来自样品试验5、14的根据本公开的原理形成的示例性面板和样品21(商用X型面板实例)的组件，来自图9和10的数据的图。该数据显示，根据本公开的原理形成的面板和使用它们制得的组件能够提供具有可相比于(如果不优于)重得多且致密得多的商用面板的在ULU419耐火测试条件下至少约60分钟的耐火性的面板。使用在本发明的范围内的由组成材料的其他组合制得的面板也获得类似的结果。
也注意到，在约50分钟之后，相比于使用来自其他样品试验的面板的组件，使用来自样品试验6、7和9的面板的组件的温度略微更迅速地增加。如在图25b中的表VII中所示，来自样品试验6的面板具有最低重量和密度，且来自样品试验7和9的面板可经受过度干燥。类似地，使用来自样品试验8和15的面板的组件的温度也比其他组件略微更迅速地增加。也如表VII中所述，来自样品试验8和15的面板也可能受到过度干燥或石膏源中的杂质的影响。不希望受限于理论，但据信那些制造和材料条件显著引起来自使用面板的组件的温度曲线与来自使用其他样品试验的面板的组件的那些温度曲线之间的差异。
考虑到那些考虑以及U419测试标准的难度，来自那些测试的数据显示，考虑到根据本公开的原理形成的面板的重量和密度，它们仍然提供了出乎意料地有效的耐火性。总之，来自使用根据本公开的原理形成的面板的组件的数据进一步显示，本公开的方法和面板可提供坚固的耐火组件，所述耐火组件提供本领域技术人员相当大的灵活性来调节面板的蛭石和灰泥含量，以弥补制造条件和原料品质的显著变化。
图15和16为在使用来自样品试验18和22的面板的组件的U423耐火测试中组件中的每一个的未暴露表面上的最大单个传感器温度和平均传感器温度的图。图15和16显示了从40分钟的经过时间至65分钟的经过时间(所有测试在65分钟之前终止)的数据的放大图。该数据图更详细地显示了使用根据本公开的原理形成的面板和重得多且致密得多的商用玻璃垫面石膏面板(样品试验22)的组件的可相比的耐热性，即使预期面板的玻璃覆盖片材在该测试中提供另外的耐火性。该数据，特别是在50分钟的经过时间之后的数据证实，根据本公开的原理形成的面板和使用它们的组件在U426耐火测试条件下能够提供可相比于(在一些情况中可能优于)重得多且致密得多的商用面板的耐火性。
图29a-c中的表XI中所列的数据提供了在50、55和60分钟的经过时间时在组件的未暴露表面上的任一传感器所达到的最大温度以及所有传感器的平均值。表XI也报道了在测试终止时在组件的未暴露表面上的任一传感器所达到的最大温度以及所有传感器的平均值。在样品试验6、7和8的测试中，测试在58分钟(样品6和7)或59分钟(样品试验8)时终止，因此在终止时最大单个传感器温度和平均传感器温度相同。
对于U419测试，在约50分钟的经过时间时组件的未暴露表面上的小于约260°F的最大单个传感器温度和/或在这种未暴露表面处的小于约250°F的平均传感器温度被认为是成功测试的一个指征，并表明测试石膏面板芯配方和制造方法，以及使用根据本公开的原理形成的面板的组件能够满足或超过根据适当的UL测试工序的“1小时”耐火等级。类似地，在U419中在约55分钟时在组件的未暴露表面上小于约410°F的最大单个传感器温度和/或在约55分钟时在这种未暴露表面处小于约320°F的平均传感器温度进一步表明，本公开的面板和方法可用于提供适用于耐火应用中的耐火组件。这由在U419测试条件下许多组件的如下结果得以证实，所述结果显示在约55分钟时组件的未暴露表面上小于300°F的温度，和/或在约55分钟时在这种未暴露表面处小于约280°F的平均传感器温度。
考虑到面板的降低的重量和密度，使用根据本公开的原理形成的面板的组件在约60分钟的经过时间时在组件的未暴露表面上显示小于约500°F的最大单个传感器温度和/或在这种未暴露表面处小于约380°F的平均传感器温度的事实也说明了根据本公开的原理形成的面板和使用它们的组件在U419标准下的出乎意料的耐火性。许多组件经历在约60分钟的经过时间时在组件的未暴露表面上小于约415°F的最大单个传感器温度和/或在这种未暴露表面处小于约320°F的平均传感器温度说明，根据本公开的原理形成的面板和使用它们的组件在U419测试标准下可符合那些标准下的60分钟耐火等级。
无论在50、55和60分钟时特定的最大传感器温度和平均传感器温度如何，当相比于样品试验21和22的商用X型和玻璃面石膏面板时，使用来自样品试验1至17的面板的组件的结果进一步是出乎意料的。考虑到样品试验1至17与重得多且致密得多的商用样品之间的重量和密度的极显著的差异，预期看到在50、55和60分钟的经过时间段的每一个时最大传感器温度和传感器温度的平均值的大得多的差异。来自样品试验1至17中的大多数的面板的未暴露表面的平均传感器温度也未反映出那些面板相对于样品试验21和22的商用面板的低得多的重量和密度。
如图29a-c中的表XI中所反映，使用来自样品试验18、19和20的面板的组件的未暴露侧上的最大单个传感器温度和平均传感器温度极类似于，且在一些情况中优于根据U423和U305的工序测试的组件中的商用耐火板，U423和U305的工序均使用木壁骨，并在组件上施加重量载荷。例如，来自样品试验18的面板证明了一种组件，在U426工序下，所述组件的未暴露侧温度在50、55和60分钟时极类似于在使用0.032英寸钢壁骨的组件中的商用耐火面板样品22。对于在那些测试中的使用来自样品试验18的根据本公开的原理形成的面板的组件，在约50、55和60分钟的经过时间时，最大单个传感器温度分别小于约255°F、270°F和380°F。在约50、55和60分钟的经过时间时，平均传感器温度分别小于约220°F、235°F和250°F。实际上，来自样品试验18的根据本公开的原理形成的示例性面板出乎意料地表现出可相比于商用样品试验22(即具有玻璃纤维覆盖片材的重得多且致密得多的石膏面板)的在60分钟时的单个传感器温度。该结果是特别值得注意的，因为据信相对于具有纸覆盖片材的相同面板，样品试验22的面板上的玻璃纤维覆盖片材改进了耐火性。
类似地，在U305的工序下在使用木壁骨的组件中测试的来自样品试验19和20的面板分别显示了在约50、55和60分钟的经过时间时小于约250°F、260°F和265°F的最大单个传感器温度。在约50、55和60分钟的经过时间时，在那些组件中的平均传感器温度分别小于约230°F、240°F和245°F。
此外，在通常公认的UL标准下，图29a-c中的表XI中的数据表明，根据本公开的原理形成的降低重量且降低密度的石膏面板能够满足或超过批准作为根据U419工序的商用“1小时”耐火石膏面板所需的标准。例如，在使用本公开的面板的组件的其他中，使用来自样品试验17的根据本公开的原理形成的面板的组件的耐火测试将符合U419规范的商用“1小时”耐火面板标准。使用来自样品试验17的面板的根据U419制得的组件表现出小于测试开始时的环境温度加上325°F的未暴露侧上的单个传感器最大温度和小于环境温度加上250°F的平均传感器温度。在该耐火测试中，单个传感器最大值在所需温度以下直至经过60分钟18秒，且平均传感器温度在其极限以下直至经过60分钟8秒。因此，该测试证实，用于制备样品试验17的面板的配方和工序符合U419标准下的1小时耐火面板。
对于在U423和U305测试工序下测试的来自样品试验18、19和20的示例性面板，观察到类似的结果。用于那些组件的未暴露表面上的传感器的温度极限以相同的方式计算(环境温度加上325°F的单个传感器最大值以及小于环境温度加上250°F的平均传感器温度)。对于样品试验18，单个传感器温度极限和平均传感器极限分别在约62分钟27秒和62分钟35秒时达到。对于样品试验19和20，在任一极限在超过63分钟40秒(样品试验19)和超过64分钟35秒(样品试验20)时达到之前，终止测试。这确定根据本公开的原理形成的面板将符合那些测试下的1小时耐火等级。
因此，实例4A至4E的如上数据说明，根据本公开的原理形成的降低重量和密度的面板和使用它们的组件提供了与重得多且致密得多的商用面板可相比的结构完整性、受热器和隔热性质(或它们的组合)，而无需那些商用面板的显著更大的石膏含量。此外，本领域技术人员无法预期如下事实：根据本公开的原理形成的降低重量且降低密度的石膏面板显示出使用轻量型钢壁骨的组件中的这种结构完整性、受热器和隔热性质(考虑到最可能变形并被高温不利影响的那些)。使用在本发明的范围内的由组成材料的其他组合制得的面板也获得类似的结果。
另外，在测试过程中的一个考虑是，来自样品试验1、6至10和15的面板在制造过程中经受可能影响对经受耐火测试的组件中的高温的抗性的问题。这种问题是可能的芯灰泥水合问题(样品试验1)、可能的过度干燥(样品试验7至10)和在石膏源中更大的杂质水平(样品试验8和15)。耐火测试的结果表明，这种制造问题可影响根据本公开的原理形成的示例性面板中的一些(例如样品试验6、7、9和15)。结果也说明，这种问题可通过遵循本公开的原理的芯配方和制备面板的方法而得以克服和/或弥补。此外，测试结果证实，可通过调节高膨胀蛭石和石膏的相对量而对本公开的降低重量和密度的面板的耐火性能进行任何必要的调节，以获得所需的耐火性质。
实例5
在该实例中，来自样品试验1至20的面板试样经受拔钉阻力测试，以测定在该常用标准下面板的强度性质。拔钉阻力测试为石膏面板的芯、其覆盖片材，以及覆盖片材与石膏之间的结合的强度的组合的量度。测试测量将具有头的钉子拔出通过面板直至发生板的主要开裂所需的最大的力。在该实例的测试中，根据ASTMC473-95的方法B进行拔钉阻力测试。
简言之，在测试之前，测试试样在约70°F和约50％相对湿度下调节24小时。使用7/64英寸钻头钻出通过试样厚度的导孔。然后将试样置于在中心具有3英寸直径的孔的试样支撑板上，所述试样支撑板垂直于测试钉的动程。导孔与钉柄尖端对齐。以1英寸/分钟的应变率施加载荷，直至获得最大载荷。在经过峰值载荷之后峰值载荷的约90％时，停止测试，且峰值载荷记录为拔钉阻力。
样品试验1至20的拔钉阻力结果总结于图30的表XII中。如表XII中所示，四个另外的样品(即样品试验23至26)也经受拔钉阻力测试。样品试验23至26为遵循本公开的原理，并根据图19中的表I的配方和图25a-b中的表VII的样品试验1至20(具有如图30中的表XII中所述的重量和密度的变化)制得的降低重量且降低密度的石膏面板的实例。样品试验26为重量为约2250lb/msf且密度为约43pcf的市售5/8英寸厚的商用“1小时”级牌X型石膏面板。
根据本公开的原理形成的示例性的降低重量且降低密度的面板的平均拔钉阻力值为约73lb-f至超过约107lb-f。这表明，尽管根据本公开的原理形成的面板的降低的密度和高膨胀蛭石的使用，本公开的面板可获得可相比于重得多且致密得多的耐火石膏面板的最小拔钉阻力值。也表明根据本公开的原理形成的面板可获得用于商业目的令人满意的拔钉阻力值，其对于具有纸覆盖片材的5/8英寸石膏面板为大约96lb-f。使用在本发明的范围内的由组成材料的其他组合制得的面板也获得类似的结果。
实例6
根据本公开的原理形成，且根据图19中的表I和图25a-b中的表VII的样品试验17-19制得的示例性面板经受挠曲强度测试，以测定在该常用标准下面板的强度性质。挠曲强度测试通常可包括评价石膏面板产品承受材料的处理或使用过程中的挠曲应力的能力。该测试方法通过接近端部支撑试样并在支撑件之间的中部施加横向载荷来评价石膏面板产品的挠曲性质。特别地，挠曲强度测试根据ASTMC473-95的方法B在来自样品试验17、18和19的试样面板上进行。
简言之，在测试之前，测试试样在约70°F和约50％相对湿度下调节24小时。从每个石膏面板试样上切割四个样品片，每个样品片为12英寸(305mm)×16英寸(406mm)，两个具有平行于边缘的16英寸尺寸，两个具有垂直于边缘的16英寸尺寸。使用一个装置来支撑在固定平行支撑件中心上的每个试样，所述装置具有在中心间隔14英寸(357mm)，并附接至刚性附接至测试装置的板的平行试样支撑件。载荷施加至在支撑件之间的中部的类似的轴承上。对于具有平行于边缘的长尺寸的试样，来自每个石膏面板产品的一个试样面向上测试，另一个试样面向下测试。对于具有垂直于边缘的长尺寸的试样，来自每个石膏面板产品的一个试样面向上测试，另一个试样面向下测试。对于每个测试条件，计算并报道以磅-力(lb-f)或牛顿(N)计的平均断裂载荷。测试条件为：(1)平行，面向上；(2)平行，面向下；(3)垂直，面向上；以及(4)垂直，面向下。
来自样品试验17、18和19的试样的挠曲强度测试结果总结于图31中的表XIII中。如表XIII中所示，根据本公开的原理形成的石膏面板满足或超过对于5/8”厚石膏面板在ASTMC1396/C1396M-06规范中所述的挠曲强度标准(即，支承边缘垂直于面板长度的147lb-f(654N)，和支承边缘平行于面板长度的46lb-f(205N))。
实例7
根据本公开的原理形成，且根据图19中的表I和图25a-b中的表VII的样品试验17、18和19制得的示例性面板经受芯、端部和边缘硬度测试，以测定在这些常用标准下面板的强度性质。硬度测试通常可包括用于评价石膏面板产品芯、端部和边缘在材料的处理或使用过程中抵抗破碎的能力的工序。该测试方法通过测定将钢冲孔机推入测试区域所需的力而评价石膏面板产品的硬度。特别地，芯、端部和边缘硬度测试根据ASTMC473-95的方法B在来自样品试验17、18和19的试样面板上进行。
简言之，在测试之前，测试试样在约70°F和约50％相对湿度下调节24小时。不小于12英寸×3英寸(305mm×76mm)的用于芯硬度测试的样品片从每个石膏面板试样的中心切割。不小于12英寸×3英寸(305mm×76mm)的用于端部硬度测试的样品片从每个石膏面板试样的一个铣削端部切割。芯硬度和端部硬度样品的12英寸(305-mm)尺寸垂直于石膏面板试样的边缘。不小于12英寸×3英寸(305mm×76mm)的用于边缘硬度测试的样品片从每个石膏面板试样的两个边缘切割。边缘硬度样品的12英寸(305-mm)尺寸平行于石膏面板试样的边缘。
提供将样品固定至测试装置的底部的装置，使得样品的面垂直于测试装置的底部，并平行于钢冲孔机的运动。设置钢冲孔机，使得其中心轴线与行进线平行。样品在其12英寸(305-mm)尺寸的边缘上以固定竖直位置固定。间隔大约4英寸(102mm)的三个测试在每个样品上进行，第一测试区域距离样品的一个边缘2±1/2英寸(51±13mm)。将钢冲孔机设置于测试区域上，并施加载荷。芯、端部或边缘硬度测量报道为将钢冲孔机推入样品芯中1/2英寸(13mm)的距离所需的以磅-力(lb-f)或牛顿(N)计的载荷。试样的芯、端部和边缘硬度报道为三个样品测量的平均值。
来自样品试验17、18和19的试样的芯、端部和边缘硬度测试结果总结于图32a-c中的表XIV中。如表XIV中所示，根据本公开的原理形成的石膏面板满足或超过对于石膏面板在ASTMC1396/C1396M-06规范中所述的芯、端部和边缘硬度标准(即11lb-f(49N))。
实例8
测试根据本公开的原理形成，且根据图19中的表I和图25a-b中的表VII的样品试验17-19制得的示例性面板，以获得声音传播和声音传播等级值(“STC”)。在根据UL测试工序U305和U419制得的两个基墙组件上测试来自样品试验17、18和19的面板。U305型组件由偏离中心间隔约16英寸的大约2x4英寸的木壁骨制得。U419型组件由偏离中心24英寸设置的大约35/8英寸25量型钢(约0.015英寸厚)钢壁骨制得。两个类型的壁骨设置于8’x8’框架中。
所有的组件由在组件的每一面上的墙板的单个层组成。另外，在墙腔体中具有和不具有约3-1/2”的玻璃纤维绝缘的情况下测试组件。根据本公开的原理形成的示例性的降低重量且降低密度的石膏面板具有约1900lb/msf的平均重量和约36pcf的芯密度。
面板组件和声音传播测试的结果(包括根据ASTME90/规格ASTME413测定的STC值)总结于图33中的表XV中。由钢壁骨制得，并使用根据本公开的原理形成的面板的组件显示出比使用商用更大密度的X型面板构建的相应的钢壁骨组件通常具有的STC值低约1-2点的STM值。然而，在木框架上，使用根据本公开的原理形成的面板的组件获得了与使用商用X型面板的可相比的组件的典型的值极类似的STC值。通常理解小于3点的任何STC差异不可通过未经训练的人耳辨别，因此，根据本公开的原理形成的面板的实例和商用X型面板的STC值之间的1至2点总体差异应该不可被大多数听者注意到。如通过这些测试所示，面板的降低重量且降低密度的石膏的实例除了本文讨论的其他有益效果之外，还出乎意料地具有极类似于重得多且致密得多的石膏面板的声音传播特性。使用在本发明的范围内的由组成材料的其他组合制得的面板也获得类似的结果。
实例9
测试立方体由图34a-b中的表XVI的石膏面板配方制得，以检查将硅氧烷添加至用于制备根据本公开的原理的石膏面板的浆料中的作用。
使用在约7500RPM下运行的高剪切混合器2.5分钟以制备硅氧烷乳状液。使用10秒浸泡加上在Waring搅拌机的高速下10秒混合，将硅氧烷乳状液与灰泥和添加剂混合以制备浆料。将浆料浇铸至2”x2”x2”立方体中，并在115°F下干燥过夜。通过改变水/灰泥比调节密度。将干燥立方体置于70°F水中2小时，并测定增重百分比进行水吸收测试方法ASTMC1396。
测试结果在表XVI的最后一行列出。该数据显示，在低至约30lb/ft3的立方体密度下使用约8至约12lb/MSF的硅氧烷使用和约2.15％预胶化淀粉，获得约5％以下的水吸收。因此，该实例确定，大于约2％的预胶化淀粉的存在连同硅氧烷一起起作用，以获得出乎意料的提高的耐水性。
实例10
蛭石量的变化对根据本公开的原理的面板和方法中所用的高膨胀蛭石的热性质(包括高温收缩、高温厚度膨胀和隔热特性)的作用在基本上相同的加热条件下评价。在该研究中，使用1000克灰泥、11克耐热促进剂、15克预胶化淀粉、6克玻璃纤维和2000ml70°F下的水制备实验室样品。根据图35中的表XVII中所述的配方，使用不同量和类型的高膨胀蛭石制备这些实验室样品。
实验室样品仅区别在于在制备样品中所用的高膨胀蛭石的类型和量。Palabora微米和超细(分别为0级和1级)可购自南非。如图19所示，这些南非级蛭石可相比于使用美国等级系统的4级蛭石。Palabora0级具有基本上对应于美国等级系统中的市售4级蛭石的粒径分布。Palabora1级具有包括更大部分的较大粒子，但与使用美国等级系统的4级蛭石样品重叠的粒径分布。
使用描述于ASTMPub.WK25392中，并在实例4B中所述的高温收缩测试方案评价实验室样品。ASTMPub.WK25392及其之前的讨论并入本文。来自该测试的数据在图35中的表XVII中报道。对于每个样品试验，使用描述于ASTMPub.WK25392中的高温收缩和高温厚度膨胀(z方向)测试评价六个测试试样。六个测试试样的结果的平均值可见于表XVII中。测试表明，高温厚度膨胀(z方向)与高温收缩的比例(TE/S)通常随着高膨胀蛭石的增加的量而增加。一旦蛭石使用达到灰泥的约10重量％，则该性能变化减小或降低。在所用的两个不同类型的高膨胀蛭石之间，这些结果是一致的。
也使用描述于ASTMPub.WK25392中，并在实例4D中所述的高温隔热指数测试方案评价实验室样品。ASTMPub.WK25392及其之前的讨论并入本文。来自该测试的数据在图36中的表XVIII中报道。对于每个样品试验，使用描述于ASTMPub.WK25392中的高温隔热指数测试评价两个测试试样。两个测试试样的结果的平均值可见于表XVIII中。测试说明，实验室样品的高温隔热指数随着高膨胀蛭石的增加量而略微增加。一旦蛭石使用达到灰泥的约10重量％，则该性能变化减小或降低。在所用的两个不同类型的高膨胀蛭石之间，这些结果是一致的。
实例11
进行关于根据本公开的原理的石膏芯配方中所用的一种优选的HEHS添加剂(即氢氧化铝(ATH))的效力的实验室研究。就高温隔热指数(“TI”)和高温收缩(“SH％”)和高温厚度膨胀(“TE％”)而言，评价使用那些配方制得的相同面板的性质。在如下所述的实例11A、11B和11C中，根据在芯配方样品1至20的每个实例中所述的配方使用不同量的灰泥、高膨胀蛭石、ATH、耐热促进剂(“HRA”)、预胶化淀粉、三偏磷酸盐、玻璃纤维、萘磺酸盐分散剂和水制得芯配方。
每个组分的量以重量“份”提供，其可以磅、克或其他测量单位计。当用于芯配方中的组分的值以百分比表示时，其指组分相对于灰泥组分的重量百分比的量。当组分的量以磅/千平方英尺(lb/msf)表示时，所报道的值为以在千平方英尺的约5/8英寸厚(大约0.625英寸，15.9mm)的面板中的组分的重量计的量(基于配方中的组分的重量的量)的大概计算等同形式。
对于每个样品配方，干燥成分在Waring混合器中与水组合，以提供稠的良好混合的石膏浆料。然后，使用每个样品配方形成两个约5/8英寸厚(大约0.625英寸，15.9mm)的大约12英寸×12英寸(30.5cm×30.5cm)面板。为了形成面板，在约48磅/msf的上部纸与约42磅/msf的下部纸之间手动浇铸来自每个样品配方的浆料。
使浇铸面板中的每一个凝固直至灰泥的水合基本上完全，然后在约350°F(约177℃)下干燥约20分钟，并在约110°F(约40℃)下干燥约48小时。使用配方的水含量来提供凝固的经干燥的手动浇铸的样品的指定的重量和密度。不将泡沫添加至样品配方。对于由配方样品1至20形成的面板，如下的大概的值报道于图38、40和41、表XXa至XXIIb中：面板密度(磅/立方英尺)、高膨胀蛭石％、以lb/msf计的大概的灰泥重量、大概的ATH％，和以lb/msf计的大概的ATH重量。
从每个面板上切割10个4英寸盘。使用两组(10个盘中的4个盘)用于高温隔热指数测试。剩余6个盘用于高温收缩和高温厚度膨胀测试。高温隔热指数结果为两次读数的平均值(即来自两组中的每一组的读数的平均值)。报道的高温收缩和高温厚度膨胀百分比为六次读数的平均值(即来自六个盘的读数的平均值)。使用描述于ASTMPub.WK25392并在实例4D中所述的方案进行高温隔热指数测试(如上所述，以分钟报道)。使用表述于ASTMPub.WK25392并在实例4B中所述的方案完成高温收缩和高温厚度膨胀测试(如上所述，以尺寸的％变化报道)。就来自每组测试盘的结果的平均值(即对于TI所测试的两组盘的平均值，以及对于收缩和膨胀所测试的六个盘的平均值)而言，来自该测试的数据在图38、40和41中的表中报道。
实例11A至11C中所述的高温隔热指数(“TI”)测试说明，相比于以重量计等同量的灰泥，以重量计的给定量的ATH更有效增加高温隔热指数。在存在或不存在高膨胀蛭石的情况下，这些测试结果显示通常约40至50lbs/msf的ATH可提供与约100lbs/msf或更多的灰泥(该灰泥量可随灰泥来源和纯度而不同)类似的隔热保护。该测试也说明，ATH可与高膨胀蛭石一起使用，而无对面板的高温收缩和高温厚度膨胀性质的任何显著不利影响。实例11A至11C的面板通常持续显示出约10％或更小的高温收缩值以及约0.2或更大的高温厚度膨胀(z方向)与高温收缩的比例(TE/S)。在一些配方中，数据也表明ATH添加剂改进了面板的高温收缩和高温厚度膨胀性质。尽管这些测试在实验室生成的样品上进行，但预期使用成批生产配方和包括在芯配方中添加泡沫以在经干燥的面板的凝固石膏芯中产生气穴的方法将获得可相比的结果。
实例11A
在该实例中，使用由合成石膏源制得的灰泥(灰泥A)制备样品1至9的芯配方。相对于由高纯度天然石膏形成的面板，使用该合成石膏灰泥制得的石膏面板通常显示出更大的高温收缩。使用如下以重量计的大概量制备基本芯配方：600份(样品1至8)或579份(样品9)灰泥A；6份HRA；4.2份预胶化淀粉；0.84份三偏磷酸盐；0份(样品1)或42份(样品2至9)高膨胀蛭石分别为灰泥的0重量％或7重量％)；3份玻璃纤维；0.8份萘磺酸盐分散剂；0份(样品1)、12份(样品4)、21.1份(样品2、5和9)、30份(样品6)、42.2份(样品7)和60份(样品8)ATH(分别为灰泥的2重量％、4重量％、5重量％、7重量％和10重量％)；和1290份水。
将芯配方样品1至9中的每一个浇铸成面板，并如上所述测试高温隔热指数、高温收缩和高温厚度膨胀。来自样品配方中的每一个的浇铸干燥面板具有分别报道于表XXa和XXb(图38A和38B)中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH和TI的大概值。表XXa也报道了不具有ATH(样品1)的芯配方与具有4％ATH和降低的灰泥含量(样品2)的芯配方之间的差异，所述两个配方均无高膨胀蛭石。表XXb类似地报道了不具有ATH(样品3)的芯配方与具有增加量的ATH和减少量的灰泥(样品4至9)的芯配方的TI值之间的差异，所述所有配方均含有7％的高膨胀蛭石。表XXc(图38C)报道了由芯配方样品1至9中的每一个制得的面板的大概密度、高膨胀蛭石％、ATH％、高温收缩结果和高温厚度膨胀结果。
表XXa显示，虽然灰泥降低约20磅/msf，但可以以将面板的TI有效增加约1分钟的量(这里为灰泥的4重量％)添加ATH。获得该有益效果而不使用高膨胀蛭石。表XXb显示了具有相对于灰泥含量增加量的ATH(0％至高达10％)连同使用灰泥的7重量％的高膨胀蛭石的芯配方样品3至9的作用。
样品配方3至9提供了约23至约26分钟的TI增加。在这些配方中添加ATH的作用进一步总结于图39中，图39绘制了ATH％相对于使用样品配方3至9制得的面板的以分钟计的TI。如图39和表XXb所示，虽然在样品5和6中芯配方中的灰泥含量降低约25lb/msf，但通过使用至多约5％的ATH，样品配方3至6的TI增加了多达约2分钟。类似地，使用10％ATH和约15lbs/msf的灰泥降低，在样品配方8中TI增加多达3.3分钟。来自使用相同的大概灰泥含量的样品组(样品5和6以及7和8)中的每一个的测试结果也显示，增加ATH的量提供了TI值的增加。
具有ATH的配方样品3至9也显示了高温收缩和高温厚度膨胀结果的改进。不具有ATH且不具有高膨胀蛭石的配方样品1具有约19％的高温收缩和约-24％的高温厚度膨胀。当在样品2中添加4％ATH时，高温收缩改进至约9％，且高温厚度膨胀改进至约-11.5％。将约7％的高膨胀蛭石添加至样品3至9显示，虽然存在显著的灰泥降低(例如样品8)，但高温收缩进一步改进至约5％，且高温厚度膨胀进一步改进至约18％。
此外，样品9的配方显示，有可能通过使用约4％的ATH和约7％的高膨胀蛭石而获得23分钟或23分钟以上的所需TI，同时将配方的灰泥含量降低至少约75lb/msf。配方样品9也显示，具有这种降低灰泥含量的芯配方可通过降低收缩百分比至少约12％而改进高温收缩性质，并通过增加膨胀百分比约30％或更大而改进高温厚度膨胀性质。使用配方样品3和9以及样品4和5制得的面板进行的比较显示，可以以约1份ATH/至少约1.7至约2份灰泥的比例而用ATH替代灰泥，同时保持类似的TI性质。替代比例可取决于灰泥来源和芯配方而显著变化。另外，对于给定灰泥配方，如果需要降低TI，则可增加替代比例，或者如果需要更大的TI性质，则可减小替代比例。
实例11B
在该实例中，使用由相对较高纯度的天然石膏源(至少约90％的石膏)制得的灰泥(灰泥B)制备样品10至17的芯配方。使用如下以重量计的大概量制备基本芯配方：1000份灰泥B；10份HRA；7份预胶化淀粉；1.4份三偏磷酸钠；70份高膨胀蛭石(灰泥的约7重量％)；5份玻璃纤维；1.4份萘磺酸盐分散剂；0份(样品10)、17.6份(样品11)、35.2份(样品12和17)和70.4份(样品13至16)ATH(分别为灰泥的2重量％、4重量％和7重量％)；和1800份(样品10至14)、1900份(样品15)和2150份(样品16和17)水。
将芯配方样品10至17中的每一个浇铸成面板，并如上所述测试高温隔热指数、高温收缩和高温厚度膨胀。来自样品配方中的每一个的浇铸干燥面板具有分别报道于图40A和40B、表XXIa和XXIb中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH％和TI的大概值。表XXIa报道了使用灰泥B且不具有ATH(样品10)制得的芯配方与使用增加量的ATH且灰泥含量不改变(样品11至14)的芯配方的TI值之间的差异。那些配方中的每一个含有约7％的高膨胀蛭石。表XXIb报道了具有约7％(样品15和16)和约4％(样品17)的ATH的芯配方之间的TI结果差异。从配方样品16和17中去除等同于约100lb/msf灰泥，且所有那些样品含有7％的高膨胀蛭石。表XXIc(图40C)报道了由芯配方样品10至17中的每一个制得的面板的密度、高膨胀蛭石含量、ATH％、高温收缩结果和高温厚度膨胀结果。
表XXIa显示了添加在恒定灰泥含量下有效产生TI增加(这里约0.1至约1.5分钟)的ATH量(这里2％、4％和7％)的有益效果。表XXIb显示了其中ATH％保持恒定并去除100磅灰泥的芯配方样品15和16的作用。这产生1.3分钟的TI降低，但是当具有超过约24分钟的TI时，对于耐火应用而言样品15和16均是可接收的。样品17类似地显示了ATH量可降低至约4％，且芯配方中的灰泥量可降低等同于约100lb/msf，并同时保持约23分钟的TI。对于耐火应用，也认为这是可接受的。表XXIb中的结果显示，可使用有效量的ATH以将TI保持在预定水平(例如约23分钟)，同时降低配方中所用的灰泥量。
表XXIc(图40C)显示了来自使用芯配方样品10至17制得的面板的高温收缩和高温厚度膨胀结果。这些结果显示，通过使用灰泥B和配方样品10至17，在添加ATH时高温收缩和高温厚度膨胀结果实质上未改变。即使具有等同于约100lb/msf的灰泥降低的配方(参见样品16和17)也是如此。
实例11C
在该实例中，使用由相对较低纯度的天然石膏源(大约80％的石膏，剩余部分为粘土和其他杂质)制得的灰泥(灰泥C)制备样品18至20的芯配方。使用如下以重量计的大概量制备基本芯配方：1000份(样品18和20)或975份(样品19)灰泥C；10份HRA；10份预胶化淀粉；2份三偏磷酸盐；100份高膨胀蛭石(灰泥的约10重量％)；5份玻璃纤维；5份萘磺酸盐分散剂；0份(样品18)、25份(样品19和20)ATH(分别为灰泥的0重量％和3重量％)；和1750份(样品18)、1725份(样品19)和1700份(样品20)水。
将芯配方样品18至20中的每一个浇铸成面板，并如上所述测试高温隔热指数、高温收缩和高温厚度膨胀。来自样品配方中的每一个的浇铸干燥面板具有分别报道于表XXIIa和XXIIb(图41A和41B)中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH和TI的大概值。表XXIIa报道了使用灰泥C且不具有ATH(样品18)制得的芯配方与具有灰泥的约3重量％的ATH，且灰泥C的量从等同于约1450lb/msf(样品19)增加约30磅至约1480lb/msf(样品20)的芯配方的TI值之间的差异。配方中的每一个含有灰泥的约10重量％的高膨胀蛭石。表XXIIb报道了由芯配方样品18至20中的每一个制得的面板的密度、高膨胀蛭石含量、ATH％、高温收缩结果和高温厚度膨胀结果。
表XXIIa显示了添加将使用那些配方制得的面板的TI有效增加约1分钟(比较样品18和样品19和20)的ATH量(这里为灰泥的约3重量％)的有益效果。表XXIIa也显示了通过将约30lb/msf的灰泥C添加至配方(样品20)，将显著量的填料材料(杂质)添加至芯不会改进面板的TI。表XXIIb显示，在一些配方中，添加灰泥的约3重量％的ATH保持了高温收缩率(S)的可接受的值(如约10％或更小)和高温厚度膨胀的可接受的值(如正膨胀)。在一些情况中，添加以灰泥重量计约25份ATH可改进高温收缩(比较样品18和样品19)。
本文引用的所有的引文，包括公布、专利申请和专利，均以引用方式并入本文，如同单独且特别地指出每个引文以引用方式并入，并以其全文在本文陈述那样的程度。
在描述本发明的上下文(特别是在以下权利要求书的上下文)中术语“一种”和“所述”及类似表述的使用应解释为涵盖单数和复数，除非本文另外指出或上下文明确矛盾。本文数值范围的列举仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个分立的值的速记方法，除非本文另外指出，且每个分立的值引入说明书中，就像其在本文单独列举一样。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另外指出或上下文明确矛盾。本文提供的任何和所有实例，或示例性语言(例如“如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不对本发明的范围进行限制，除非另外声明。本说明书中的语言不应解释为表明任何非声称的要素对于本发明的实施为必要的。
在本文中描述了本发明的优选方面和实施例，包括本发明人已知的用于进行本发明的最佳方式。应了解所示实施例仅为示例性的，不应被看作限制本发明的范围。
Claims (29)
1.一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在1560°F下加热1小时之后膨胀至其初始体积的300％或更大，所述石膏芯具有40磅/立方英尺或更小的密度(D)和至少11磅的芯硬度，且所述石膏芯有效提供20分钟或更大的隔热指数(TI)。
2.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中所述石膏芯有效提供TI/D比为0.6分钟/(磅/立方英尺)或更大的面板。
3.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有100μm或更大的平均等球粒直径。
4.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中凝固石膏的结晶基质包括限定和分隔所述石膏芯内的气穴的壁，所述壁具有25μm或更大的平均厚度。
5.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中当所述面板在1800°F下加热1小时时，其显示出75％或更大的平均耐收缩性。
6.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、高膨胀粒子和受热器添加剂的浆料形成，所述受热器添加剂的量有效提供比由不含受热器添加剂的浆料形成的石膏芯更大的隔热指数(TI)。
7.根据权利要求1所述的耐火石膏面板，其中所述高膨胀粒子包括非膨胀蛭石粒子，所述蛭石粒子在所述石膏芯中的量和分布有效提供TI为20分钟或更大的面板。
8.根据权利要求7所述的耐火石膏面板，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、以灰泥重量计至多10重量％的量的蛭石粒子、以及矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合的浆料形成。
9.根据权利要求8所述的耐火石膏面板，其中所述面板至少满足ULU305的1小时耐火级面板标准。
10.根据权利要求8所述的耐火石膏面板，其中所述面板至少满足ULU419的1小时耐火级面板标准。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的耐火石膏面板，其中在5/8英寸的标称面板厚度下，所述面板具有至少70lb的拔钉阻力，所述拔钉阻力根据ASTM标准C473-09测定。
12.一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏的结晶基质和分布在石膏芯内的高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在1560°F下加热1小时之后膨胀至其初始体积的300％或更大，所述面板具有40磅/立方英尺或更小的面板密度和至少11磅的芯硬度，且所述石膏芯和所述高膨胀粒子有效提供高温收缩率(S)为10％或更小、且高温厚度膨胀与高温收缩率之比(TE)/S为0.2或更大的面板。
13.根据权利要求12所述的耐火石膏面板，其中凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有100μm或更大的平均等球粒直径。
14.根据权利要求13所述的耐火石膏面板，其中凝固石膏的结晶基质包括限定气穴的壁，所述气穴具有100μm至350μm的平均等球粒直径。
15.根据权利要求12所述的耐火石膏面板，其中凝固石膏的结晶基质包括限定和分隔所述石膏芯内的气穴的壁，所述壁具有25μm或更大的平均厚度。
16.根据权利要求15所述的耐火石膏面板，其中所述壁具有25μm至75μm的平均厚度。
17.根据权利要求12所述的耐火石膏面板，其中所述高膨胀粒子包括高膨胀蛭石粒子，在1560°F下加热1小时之后具有其初始体积的300％或更大的体积膨胀。
18.根据权利要求17所述的耐火石膏面板，其中所述石膏芯由包含水、灰泥、以灰泥重量计至多10重量％的量的高膨胀蛭石粒子、以及矿物纤维、玻璃纤维或碳纤维或它们的组合的浆料形成。
19.根据权利要求18所述的耐火石膏面板，其中所述浆料还包含以灰泥重量计0.3重量％至3.0重量％的量的淀粉和以灰泥重量计0.1重量％至1.0重量％的量的分散剂。
20.根据权利要求18所述的耐火石膏面板，其中所述浆料还包含以灰泥重量计0.03重量％至0.4重量％的量的含磷酸盐的组分。
21.根据权利要求12所述的耐火石膏面板，其中所述面板至少满足ULU305的1小时耐火级面板标准。
22.根据权利要求12所述的耐火石膏面板，其中所述面板至少满足ULU419的1小时耐火级面板标准。
23.根据权利要求12-22中任一项所述的耐火石膏面板，其中在5/8英寸的标称面板厚度下，所述面板具有至少70lb的拔钉阻力，所述拔钉阻力根据ASTM标准C473-09测定。
24.一种耐火石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯包括凝固石膏的结晶基质和分布于所述结晶石膏基质中的高膨胀粒子，所述高膨胀粒子在1560°F下加热1小时之后膨胀至其初始体积的300％或更大，所述凝固石膏芯具有40磅/立方英尺或更小的密度和至少11磅的芯硬度，所述面板具有5/8英寸的标称面板厚度，所述高膨胀粒子在加热时具有第一非膨胀相和第二膨胀相，所述面板有效抑制热传递通过根据ULU419的工序制得并加热的所述面板的组件，其中根据ULU419，在所述组件的一侧上的面板表面暴露于热源，且在所述组件的相对的未受热侧上的面板表面设置有多个温度传感器，使得当根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热组件时，在60分钟之后在所述组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于500°F。
25.根据权利要求24所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热60分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于380°F。
26.根据权利要求24所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于410°F。
27.根据权利要求24所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热55分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的平均值小于320°F。
28.根据权利要求24所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制热传递通过所述组件，使得在根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线加热50分钟之后，根据ULU419测得的在组件的未受热侧上的温度传感器的最大单个值小于260°F，且根据ULU419测得的在组件的未受热表面上的温度传感器的平均值小于250°F。
29.根据权利要求25-28任一项所述的耐火石膏面板，其中所述面板有效抑制热传递通过组件，使得面板满足根据ULU419的1小时耐火级面板标准。
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