CN104114512A - 具有高效散热添加剂的石膏产品 - Google Patents

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Abstract

本文公开了具有至少一种高效散热添加剂的石膏产品。所述石膏产品，例如石膏面板，由于存在所述至少一种添加剂而较不易受到温度升高时的极热的损坏作用。

Description

具有高效散热添加剂的石膏产品
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2012年2月17日提交的美国临时专利申请No.61/600,574的权益，其以全文引用方式并入本文。
背景技术
如果精制石膏产品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，则石膏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石膏产品或在石膏产品内的热量传递延迟一段时间。石膏产品可用作防止高温直接从其通过的阻挡层。取决于热源温度和暴露时间，由石膏产品吸收的热量可能足以基本上再煅烧石膏的部分。在某些温度水平下，施加至石膏产品的热量也可导致相变至石膏的无水石膏和结晶结构的重排。在一些情况中，盐和杂质的存在可影响相变温度，从而产生晶体形态的不同。
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。通常配制称为耐火或“耐火级”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级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。这种测试的例子常用于建造工业中，如由保险商实验室(Underwriters Laboratories，“UL”)出版的那些测试(如UL U305、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(例如E119-09a)中的工序。这种测试中的一些包括使用石膏面板构建测试组件，通常在由木或钢壁骨(steel studs)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UL U305、U419和U423构建的组件)的一侧的表面根据加热曲线(如ASTM E119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处的温度，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处的最大温度和/或在组件的未受热侧上的传感器的温度的平均值。
如在UL U305、U419和U423以及ASTM E119中所述的那些的测试工序涉及组件对热量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量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级石膏面板的耐火性。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)内的水以充当散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。持续需要开发更不易受极端热量的损坏作用的影响的例如更低重量的石膏产品。
应了解，本背景技术描述已提供用于协助读者，并不被当作对现有技术的引用，也不被当作表示所指出的问题的任意者本身在本领域中得以认知。
附图说明
图1a-b为根据本发明的用于石膏面板的示例性配方的表(表Ia-b)。
图2为显示了如实例1中所述的根据本发明的一些实施例的随背面纸(back paper)中的氢氧化铝(ATH)含量而变化的板样品的以分钟计的平均高温隔热指数(TI)时间的图。显示了每个板样品数据点的以lb/msf计的板重量。
图3a-c为具有不同量的ATH的实例2A中的样品1-9的高温隔热指数(TI)、高温收缩(S)和高温热膨胀(TE)测试的表(表IIa-c)。
图4为根据本发明的一些实施例，作为以灰泥重量计的重量百分比的ATH的量相对于获自实例2A、样品3-9的图3a的表IIb中的测试数据的高温隔热指数(TI)的图。
图5a-c为根据本发明的一些实施例，具有不同量的ATH的实例2B中的样品10-17的高温隔热指数(TI)、高温收缩(S)和高温热膨胀(TE)测试的表(表IIIa-c)。
图6a-b为根据本发明的一些实施例，具有ATH的实例2C中的样品18-20的高温隔热指数(TI)、高温收缩(S)和高温热膨胀(TE)测试的表(表IVa-b)。
具体实施方式
根据如下详细描述和所附附图可了解本发明的可选择的方面和特征。如可了解，与本文公开的具有高效散热添加剂(HEHS添加剂)的石膏产品相关的原理能够在其他和不同的实施例中实施，并能够在各个方面进行修改。因此，应了解如下详细描述仅为示例性和解释性的，且不限制所公开的原理的范围。
本发明的一些实施例提供了一种石膏产品，所述石膏产品包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：至少部分由至少一个覆盖片材覆盖的凝固石膏芯，例如所述覆盖片材中的至少一个包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：例如纸和至少一种高效散热添加剂，例如氢氧化铝。
本发明的一些实施例涉及一种石膏面板，所述石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和至少一种高效散热添加剂(例如ATH)形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数。高温隔热指数可根据可在网址www.astm.org/DATABAS E.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“ASTM公布WK25392”)测定。
本发明的一些实施例也提供了一种石膏面板，所述石膏面板包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和至少一种高效散热添加剂(例如ATH)形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据UL U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且传感器以根据ULU419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
在制造石膏产品时有利的是降低产品的重量而不损失有益的性质，如物理强度。例如，对于墙板，诸如拔钉阻力和芯硬度的芯强度特性具有由墙板工业设定的最小标准。而且，由于板的石膏含量的降低(如重量降低所需)，满足墙板耐火性能(如X类型分类所需的耐火性能)是具有挑战性的。一部分石膏的去除有效减小了石膏所显示的一些散热能力，如在高温下石膏的结合水的损失。本发明的一些实施例利用至少一种高效散热添加剂的存在而弥补了石膏的损失。
在本发明的实施例中，石膏产品或可用于制备石膏产品的方法中的组成组分包括一种或多种在本文称为高效散热添加剂(“HEHS添加剂”)的添加剂。HEHS添加剂在导致石膏产品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的散热能力超过可相比的量的石膏二水合物的散热能力。这种添加剂可选自在与石膏二水合物相同或类似的温度范围内分解、从而释放水蒸汽的组成，如氢氧化铝或其他金属氢氧化物(如氢氧化镁)。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散热效率的其他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散热效率，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产品中时弥补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。分解热可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“约1000焦耳/克至约1100焦耳/克”的范围。
因此，分解热可具有任意前述端点之间且包括任意前述端点的范围。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产品(例如石膏面板)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℃下开始吸热热分解，并在约980℃的温度(其为在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。分解温度可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“约100℃至约200℃”的范围。
因此，分解温度可具有任意前述端点之间且包括任意前述端点的范围。
一种优选的HEHS添加剂包含氢氧化铝(ATH)，基本上由氢氧化铝组成，或由氢氧化铝组成，氢氧化铝也已知为含有结晶或键合或络合水的三水合氧化铝和水合氧化铝。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(Akrochem Corp.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。ATH等级No.SB-36可包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：约25微米的中值粒度和约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度和表面积的其他合适等级的ATH。
在其他实施例中，HEHS添加剂包含氢氧化镁，基本上由氢氧化镁组成，或由氢氧化镁组成。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(Akrochem Corp.ofAkron，OH))的氢氧化镁。
优选的HEHS添加剂的增加的散热能力可用于相对于在无HEHS添加剂的情况下形成的产品增加本文公开的石膏产品的隔热性质。掺入本文公开的石膏产品中的HEHS添加剂的量和组成取决于如下而变化：产品的所需重量和密度、用于形成产品的灰泥的纯度、产品配方、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一些优选的芯配方的例子总结于图1中(表Ia)。HEHS添加剂可以以干燥形式和/或浆料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中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，石膏产品由经煅烧的石膏浆料制得，所述经煅烧的石膏浆料包含以相对于无HEHS添加剂的石膏产品的高温隔热指数有效增加石膏产品(例如石膏面板)的高温隔热指数的量存在的HEHS添加剂。这种量可为灰泥的约2重量％至约5重量％，灰泥的约2重量％至约7重量％，和灰泥的至多约15重量％的量。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，以降低石膏产品的重量和密度。HEHS添加剂的量可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“以灰泥的重量计约2重量％至约3重量％”的范围。
因此，所述量可具有任意前述端点之间且包括任意前述端点的范围。
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率以重量计为约1∶1至约1∶2。在其中比率为约1∶2的一个这种实例中，换言之，约40-50lbs/msf(约0.2kg/SQM)的HEHS添加剂掺入芯配方中，约80-100lbs/msf(约0.4-0.5kg/SQM)的灰泥从配方中去除。因此，在该实例中获得约40-50lbs/msf(约0.2kg/SQM)的重量减轻，而无产品的隔热性质的显著改变。(术语“msf”或“MSF”为对于千平方英尺的标准缩写，并且为例如箱、波纹媒介和墙板的面积量度。术语“SQM”为平方米。)
HEHS添加剂与从芯配方中去除的灰泥的比率可取决于如下而变化：所用的HEHS添加剂、HEHS添加剂的散热性质、具体灰泥的散热性质、石膏芯的配方、产品的所需隔热性质、产品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率为约1∶2，在其他实施例中为约1∶3，在其他实施例中为约1∶4。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率可不同。
在一些实施例中，将HEHS添加剂(例如ATH)添加至石膏产品的面层中的一个或多个或全部(例如纸面层)，以提供对抗热量的第一阻挡层。纸的提高的吸热能力减慢了热量传递通过产品的速率。在其中石膏产品包括墙板的实施例中，减慢热量传递可保护石膏产品后面的建筑元件。另外，HEHS添加剂可提供纸面层的改进的表面燃烧特性。在一些实施例中，通过将HEHS添加剂配制为纸芯的组分和/或将HEHS添加剂局部施用至纸的表面而将HEHS添加剂掺入纸面层中。在一些实施例中，石膏产品包括前覆盖片材、后覆盖片材或两个覆盖片材，所述前覆盖片材和后覆盖片材包括HEHS添加剂。
在一些实施例中，在造纸过程中将HEHS添加剂粒子添加至磨木浆(ground pulp)中。在此情况中，HEHS添加剂可以以与添加其他填料(例如碳酸钙)相同的方式作为填料添加，并可在用于造纸的其他组分(胶粘剂)之外。造纸操作的剩余部分(包括压制和干燥)可以以常规方式进行。
HEHS添加剂粒子可以以如下添加水平在造纸过程中添加至磨木浆：HEHS添加剂以相对于无HEHS添加剂的纸和/或石膏产品的高温隔热指数有效增加纸和/或其中使用纸的石膏产品的高温隔热指数的量存在。这可为干燥木浆的约5重量％至约40重量％。纸中的HEHS添加剂的量可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“以纸浆的干燥重量计约5重量％至约6重量％”的范围。
因此，所述量可具有任意前述端点之间且包括任意前述端点的范围。
HEHS添加剂可局部施用至纸的表面，其中HEHS添加剂以相对于无HEHS添加剂的纸和/或石膏产品的高温隔热指数有效增加纸和/或其中使用纸的石膏产品的高温隔热指数的量存在。在一些实施例中，局部施用为由水基载体和至多50％的固体含量的HEHS添加剂组成的至少部分涂层的形式，所述涂层可在板生产设备处施用。当干燥时，纸表面(HEHS添加剂可在纸表面上分布)上的HEHS添加剂可产生在火灾情况下改进寿命的防热阻挡层。
在实施例中，可使用任何合适的覆盖片材。例如，在一些实施例中，纸片材(如马尼拉纸或牛皮纸)可用作覆盖片材。在一些实施例(如其中板可暴露于显著量的水分的那些实施例)中，合适的覆盖片材包含垫，基本上由垫组成，或由垫组成，所述垫例如纤维垫。
可用的覆盖片材纸包括可得自伊利诺斯州芝加哥的美国石膏公司(United States Gypsum Corporation，Chicago，I11.)的Manila 7-层和News-Line 5-层、可得自印第安纳州纽波特的Caraustar公司(Caraustar，Newport，Ind.)的Grey-Back 3-层和Manila Ivory 3-层，和可得自伊利诺斯州芝加哥的美国石膏公司(United States Gypsum Corporation，Chicago，Illinois)的Manila重磅纸和MH Manila HT(高强度)纸。一个示例性的背部覆盖片材纸为5-层News-Line。示例性的表面覆盖片材纸包括MHManila HT(高强度)纸和Manila 7-层。
如本文所用，术语“垫”包括网状材料。纤维垫可包括任何合适的纤维垫材料。例如，在一些实施例中，覆盖片材可为由玻璃纤维、聚合物纤维、矿物纤维、有机纤维等或它们的组合制得的垫。聚合物纤维包括但不限于聚酰胺纤维、聚芳酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚乙烯醇(PVOH)、和聚乙酸乙烯酯(PVAc)。有机纤维的例子包括棉、人造丝等。另外，一些实施例基本上不含如上所述的纤维中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以覆盖片材的重量计含有0wt.％的纤维，或不含纤维，或含有不起作用或非实质性的量的纤维。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用纤维的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以覆盖片材的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的纤维。
与本发明的一些实施例中的板一起使用的纤维垫可以以许多形式购得，如织造或非织造垫。非织造垫可包含由粘结剂结合在一起的纤维，基本上由所述纤维组成，或由所述纤维组成。粘结剂可为通常用于垫工业中的任何粘结剂，如脲醛、三聚氰胺甲醛、硬脂酸化三聚氰胺甲醛、聚酯、丙烯酸类、聚乙酸乙烯酯、由聚乙酸乙烯酯或丙烯酸类改性或与聚乙酸乙烯酯或丙烯酸类共混的脲醛或三聚氰胺甲醛、苯乙烯丙烯酸类聚合物等，或它们的组合。另外，一些实施例基本上不含如上所述的粘结剂中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以覆盖片材的重量计含有0 wt.％的粘结剂，或不含粘结剂，或含有不起作用或非实质性的量的粘结剂。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用粘结剂的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以覆盖片材的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的粘结剂。
垫的纤维可为疏水性或亲水性的。它们也可为经涂布的或未经涂布的。部分取决于板待使用的应用的类型而选择合适类型的纤维垫。例如，当板用于需要耐水性的应用时，可在纤维垫中使用疏水性纤维。
重量为约1.2lb/100 ft2(约59g/SQM)至约2.00b/100 ft2(约98g/SQM)，并具有约40％至约50％的来自树脂涂层的垫重量的可得自约翰斯-曼维拉公司(Johns-Manville)的Duraglass非织造玻璃纤维垫为可用的。其他可用的纤维垫包括但不限于织造玻璃垫和非纤维素织物。另外，一些石膏产品实施例不含如上所述的非织造覆盖片材。
在存在两个覆盖片材的实施例中，第二覆盖片材可与第一覆盖片材的材料和相对于芯的取向相同，或者可与第一覆盖片材具有足够类似的膨胀和收缩性质和/或结合性质，使得降低或消除板的翘曲。在具有包括HEHS添加剂的覆盖片材的实施例中，覆盖片材可具有任何合适的重量和尺寸(caliper)。
本发明的一些实施例为包括至少部分由至少一个覆盖片材覆盖的凝固石膏芯的石膏产品，所述覆盖片材中的至少一个包括纸和至少一种高效散热添加剂(例如氢氧化铝(ATH))。
在一些实施例中，纸重量在约35lb/msf(约0.17kg/SQM)至约60lb/msf(约0.3kg/SQM)的范围内。在一些方面，第一覆盖片材具有约40lb/msf(约0.2kg/SQM)至约60lb/msf(约0.3kg/SQM)的基重，且第二覆盖片材具有约35lb/msf(约0.17kg/SQM)至约55lb/msf(约0.27kg/SQM)、例如约45lb/msf(约0.22kg/SQM)至约55lb/msf(约0.27kg/SQM)或约48lb/msf(约0.23kg/SQM)至约53lb/msf(约0.26kg/SQM)的基重。使用这种重马尼拉纸作为第一覆盖片材可改进面板在所有应用(包括天花板应用)中的拔钉和挠曲性质。在一些实施例中，纸尺寸在约0.013英寸(约0.33mm)至约0.018英寸(约0.46mm)的范围内。
在一些实施例中，一种石膏面板包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，基本上由所述凝固石膏芯组成，或由所述凝固石膏芯组成，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和至少一种HEHS添加剂(例如氢氧化铝)形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数。
在一些实施例中，一种石膏产品(例如面板)具有与其他实施例的面板不同的密度。在一些实施例中，密度为约10lb/ft3(或磅/立方英尺“(pcf))至约40lb/ft3或约25lb/ft3至约40lb/ft3。密度可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“约10lbs/ft3至约15lbs/ft3”的范围。
在其他实施例中，密度可为例如下表所列。在表中，“X”表示“约[顶行中的对应的值]至约[最左列中的对应的值]”的范围。例如，第一个“X”为“约27lbs/ft3至约28lbs/ft3”的范围。
因此，密度可具有任意前述端点之间且包括任意前述端点的范围。
可通过进行适当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的这种测试的例子包括由保险商实验室(“UL”)出版的那些测试(如UL U305、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。这种测试中的一些包括使用石膏面板构建测试组件，例如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。根据加热曲线(如在UL U305、U419和U423测试工序和ASTM E119工序中要求的那些)，将组件一侧的表面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处的温度，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处的最大温度和/或传感器在未暴露的石膏面板的表面上感应的温度的平均值。
如在UL U305、U419和U423以及ASTM E119中所述的那些的测试工序涉及组件对热量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量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分别提供建筑物居住者和消防员/火灾控制系统逃离或解决火灾条件的机遇之窗的能力。
一种或多种石膏产品(例如面板)抵抗热量影响的能力可通过在产品外部使用隔热材料(insulation)而协助。隔热材料的使用例如也协助石膏面板防止热量通过。例如，如上所述，墙组件可通过在由木或钢壁骨形成的墙框架的每一面上单层施用石膏面板而构建，其中这种组件在壁骨与石膏面板之间的组件的内部含有空间。这些空间的腔体或室可为空的(即仅含有空气)或可被完全或部分填充(例如使用隔热材料)。隔热材料的存在可降低热量从组件的一个表面石膏面板传递通过室至另一表面石膏面板。因此，总的来说，隔热材料可用于降低热量传递通过墙组件。
隔热材料在组件的一个或多个室内的存在可降低热量传递，使得组件中的一个或多个石膏面板可具有更低的重量/密度。由于耐火添加剂(例如HEHS添加剂)在石膏面板芯中的存在，隔热材料在石膏产品外部(例如在室中)的存在允许降低配方的灰泥含量，以降低石膏产品的重量和密度。耐火添加剂(例如HEHS添加剂)结合室中的隔热材料的使用可允许重量/密度的进一步降低。
如上所述，石膏产品外部的隔热材料的存在不限于墙组件，且通常不限于墙。石膏面板的重量/密度的降低可在存在可填充的室的任何构造中实现。例如，除了墙之外，该原理适用于天花板(例如具有天花板瓷砖)、地板(例如具有地板瓷砖)等。而且，室可由石膏产品(例如石膏面板)在超过一个侧面上围绕，或者可由石膏产品在仅一个侧面上围绕。
在一些实施例中，石膏产品的重量降低，同时产品在不存在外部隔热材料的情况下仍然经过例如如上所述的某些测试工序，且相同的石膏产品在存在外部隔热材料的情况下经过另外的测试工序。通过在石膏产品中使用耐火添加剂(例如HEHS添加剂)和/或通过在产品外部使用隔热材料，石膏产品可设计为使得耐火性达到最大，且重量/密度达到最小。这种优化可用于设计满足各种建筑环境(例如商业相对于住宅，其中例如墙组件可不同(使用钢相对于木壁骨、壁骨间距等))中的要求的产品。
可在石膏产品外部使用任何合适的量的任何合适的隔热材料，只要降低了热量传递。合适的隔热材料的例子包括矿物棉和纤维玻璃。
在一些实施例中，一种石膏面板包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，基本上由所述凝固石膏芯组成，或由所述凝固石膏芯组成，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和至少一种HEHS添加剂(例如氢氧化铝)形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且传感器以根据UL U419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
在其他实施例中，一种石膏面板包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，基本上由所述凝固石膏芯组成，或由所述凝固石膏芯组成，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和至少一种HEHS添加剂(例如氢氧化铝)形成，所述面板具有约25lb/ft3(约400kg/m3)至约40lb/ft3(约640kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据UL U305、U419和U423工序制得的所述面板的组件，使得所述面板满足至少30分钟耐火面板标准，在其他实施例中分别满足UL U305、U419和U423的1小时耐火面板标准。
在其他实施例中，一种石膏产品包括天花板瓷砖，所述天花板瓷砖包括至少一种HEHS添加剂，例如ATH。在一些实施例中，所述天花板瓷砖为隔音面板。一些实施例的隔音面板由矿物棉、珍珠岩、粘结剂和所需的其他成分的水制毡稀释水性分散体以类似于常规造纸过程的方式制得。在这种过程中，分散体流动至移动多孔支撑线(如用于脱水的Fourdrinier或Oliver垫成型机的移动多孔支撑线)上，如本领域普通技术人员所了解。分散体首先通过重力排水、然后通过真空吸引而脱水。湿垫在热对流烘箱中干燥，将经干燥的材料切割成所需尺寸，任选地用油漆表面涂布以获得精整面板。以此方式制得的并非本发明的面板的一个例子为可购自USG内饰公司(USG Interiors)的天花板瓷砖。
一些其他实施例的隔音面板通过湿木浆模制或浇铸过程制得。根据该过程，制备包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成的模制组合物以用于模制或浇铸面板：例如粒状矿物棉纤维、填料、着色剂、诸如经烹制(cooked)的淀粉的粘结剂和水。将所述组合物置于已由纸或纸支撑的金属箔覆盖的合适的托盘上，然后使用成型板将所述组合物整平至所需的厚度。然后将填充矿物棉组合物的托盘置于烘箱中干燥。以此方式制得的并非本发明的面板的一个例子为可购自USG内饰公司(USG Interiors)的天花板瓷砖。有关这种过程的另外的细节提供于以引用方式并入本文的美国专利No.1,769,519中。
一些其他实施例的隔音面板通过使用其他制造技术制得，例如通过形成矿物纤维和/或聚集体和阴离子稳定的胶乳粘结剂的稀释水性分散体，通过添加少量的絮凝剂(如阳离子聚丙烯酰胺)而将粘结剂固体偶联至矿物纤维材料上，并将浆料在支撑线的第一浸注部段上经过，以形成在缠绕块体的间隙空间中具有水的开放缠绕结构块体。通过将热干燥空气经过所述开放缠绕结构而从块体中汽提水，块体干燥而开放结构不坍塌。这种过程用于制造例如得自USG内饰公司(USG Interiors)的MARSTM面板。有关这种过程的另外的细节提供于以引用方式并入本文的美国专利No.5,250,153中。
一些其他实施例的隔音面板通过使用其他制造技术制得。一种过程包括形成包含例如水、矿物棉、热塑性粘结剂和/或淀粉的稀释浆料混合物，并将所述稀释浆料分布于多孔载体上，以通过重力排水而借助重力去除水，而使浆料脱水成基垫。调节真空装置以逐渐施加真空至经重力脱水的基垫，以进一步将基垫脱水而不使基垫经受将压缩基垫的静压。基垫干燥而形成具有低密度和优良的吸声性质的隔音天花板产品。有关这种过程的另外的细节提供于以引用方式并入本文的美国专利No.7,862,687中。
在隔音天花板瓷砖中使用ATH可改进其表面燃烧特性和耐火性。在天花板瓷砖中施用HEHS添加剂的方法在一些实施例中为通过表面涂布，在其他实施例中为通过粘合纤维。在表面涂布的情况中，例如以涂层总固体重量计约0.1重量％至约25重量％的ATH可与涂层中的其他填料和胶乳共混。所得涂层可喷雾或轧制至天花板瓷砖基垫的表面上。含有湿涂层的垫可随后在设定于约120℃至约250℃之间的温度下的烘箱中干燥。在粘合纤维的情况中，例如以粘合纤维的重量计约0.1重量％至约20重量％的ATH可首先与母料中的聚合物树脂共混。然后，可将聚合物树脂拉制成双组分纤维。HEHS添加剂(例如ATH)可用于双组分纤维的芯中或皮中。然后双组分纤维可与天花板瓷砖的其他要素共混。混合物可通过湿毡过程(例如USG内饰公司(USG Interiors)的)、气流过程(例如各自以引用方式并入本文的美国专利公布No.2009/0253323和No.2009/0252941中所述)、或浇铸过程(例如USG内饰公司(USG Interiors)的)而成型为天花板瓷砖的基垫。含有例如ATH的粘合纤维可通过在烘箱中加热(例如约120℃至约250℃之间的温度)而活化。
在一些实施例中，隔音面板在隔音层中包括凝固石膏(即硫酸钙二水合物)。这种隔音面板可包括极大的机械成型的孔穴，所述孔穴可例如经钻孔、冲孔或以其他方式成型以经过面板的整个深度，从而提高天花板瓷砖的隔音性质。此类隔音面板的孔穴通常具有至少1厘米的直径，如可见于可购自丹麦渥尔比的达诺岚公司(Danoline of Valby，Denmark)和英国石膏公司(British Gypsum)的隔音面板。在一些实施例中，这种天花板瓷砖可包括隔音功能背衬片材。所述隔音功能背衬片材可包括吸收或消散由大的机械成型的孔穴传递的声音的玻璃毛网(fleece)或聚合物材料。天花板面板/隔音瓷砖进一步描述于美国专利申请公布No.2007/0277948和No.2011/0319543以及美国专利No.7,364,015和No.7,851,057中，所述专利中的每一个以引用方式并入本文。
在其他实施例中，一种石膏产品包括接合配混物，所述接合配混物包含至少一种HEHS添加剂，例如ATH。接合配混物可为在耐火应用中与石膏面板一起使用的任何接合配混物。在一些实施例中，如形成可加工的粘性浆料所需，接合配混物包含灰浆材料，所述灰浆材料包含水、煅烧石膏和其他组分(例如填料、增稠剂、凝固控制添加剂、粘结剂等)。接合配混物可施用至安装于框架上、通常在带状或网状支撑件上的两个相邻墙板之间的接合件上。当施用接合配混物时，通常使其在两个墙板之间的接合件上平滑，并在两片墙板中的每一个的至少一部分上将其削薄以隐藏接合件并呈现给眼睛以均匀的整体外观。最通常地，使用接合配混物的数次施用以获得所需的效果。
在每次涂布之后，可使接合配混物凝固并干燥。在凝固和干燥过程中，煅烧石膏与水反应而形成水合石膏或硫酸钙二水合物晶体的基质(matrix)。正是煅烧石膏的所需水合使得凝固石膏晶体的连锁基质能够形成，由此将强度赋予施用的接合配混物中的石膏结构。在接合配混物凝固和干燥之后，通常修饰复合材料表面结构以产生均匀连续壁表面的外观。
在耐火测试中，石膏板系统可在石膏板之间的接合件处破坏，其中接合件填充预拌(干燥类型)接合配混物。轻质接合配混物可包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：无机填料、碳酸钙(方解石-CaCO3)和膨胀珍珠岩，其为可构成干燥产品的大部分体积的低密度填料。聚乙酸乙烯酯(PVA)可为主要粘结剂。干燥的接合配混物可在PVA在约200至约300°F之间开始降解时破坏，且当温度超过600°F时，该聚合物以及接合配混物中的其他聚合物添加剂可点燃。例如以固体总重量计约5％至约20％的水平的ATH代替配方中的碳酸钙可显著延迟在引入热源时的所述分解过程，而不会不利地影响接合配混物的物理性质。
在各个实施例中，接合配混物可为干燥的或预拌的。干燥的接合配混物以干燥粉末形式提供给使用者。当使用者准备使用接合配混物时，使用者可将水添加至干燥的接合配混物中。在添加水之后，此类接合配混物在其固化之前具有数分钟至数小时的相对较短的工作时间，且无法在湿润条件下储存。
相反，在制造过程中将水添加至预拌接合配混物的组分中，从而提供可以以湿润状态储存相对较长时间(例如数月)直至使用的接合配混物。预拌配混物在使用之前可需要极少水或不需要水添加至配混物中。
在各个实施例中，预拌配混物可为干燥类型或凝固类型。干燥类型的配混物在由于蒸发而损失水时固化，而凝固类型的配混物由于煅烧石膏(硫酸钙半水合物)与水之间发生的化学反应而固化。
适合与HEHS添加剂一起使用的接合配混物的其他例子进一步描述于美国专利No.6,406,537和No.6,805,741以及美国专利公布No.2008/0305252中，所述专利中的每一个以引用方式并入本文。
一些其他实施例的石膏产品包括石膏纤维面板，所述石膏纤维面板包括至少一种HEHS添加剂。石膏纤维面板可使用例如湿毡过程或半干燥过程制得。在一些实施例中，将ATH有利地添加至用于衬垫或瓷砖背衬板应用中的经纤维增强的石膏配方中，其中热性能的改进可类似于在石膏墙板中观察到的那些。例如石膏的约5％至约20％的量的ATH的添加通过提供另外的散热能力而改进该产品的热行为和耐火性。
一种应用领域为屋顶盖板中。当根据UL 790工序测试时，常规的石膏纤维屋顶盖板可能由于其有限的耐火性能而具有受限的应用，在UL 790工序中，评价盖板在温度大大超过1000°F的间歇火焰和静止屋面燃烧(stationary burning brands)下保护可燃木板面的能力。相对于无HEHS添加剂的石膏纤维板，将至少一种HEHS添加剂(例如ATH)掺入石膏纤维板中可改进其根据UL 790工序的热性能。
在一些实施例中，根据本发明的包括至少一种HEHS添加剂的石膏纤维板可如美国专利No.5,817,262和/或No.5,320,677所教导制得，所述专利中的每一个以引用方式并入本文。通常，用于制备复合材料石膏/纤维材料的过程起始于混合约0.5重量％至约30重量％之间、优选3重量％至20重量％之间的木纤维与分别补足的研磨未煅烧石膏。干燥混合物与足够的液体(优选水)组合，以形成具有约70重量％至约95重量％的水的稀释浆料。浆料可在大约285至305°F的温度下在压力容器(如高压釜)中加工，所述温度足以将石膏转化为针状硫酸钙半水合物晶体。有利的是在轻柔搅拌或混合下连续搅动浆料，以打碎任何纤维束并在悬浮体中保持所有粒子。在半水合物形成并作为半水合物晶体沉淀出溶液之后，当浆料从高压釜中排出时，可释放产品浆料上的压力。正是在此时可将任何其他所需的添加剂添加至浆料中。可在仍然热的时候将浆料添加至压头箱中，所述压头箱将浆料分布至多孔制毡输送机上。当浆料在输送机上时，可通过真空泵的作用将浆料脱水，所述真空泵将水抽吸通过制毡输送机，从而使滤饼在输送机表面上形成。多达90％的未结合的水可通过真空泵从滤饼上去除。可将热浆料的温度保持在约160°F以上的温度下，直至其已显著脱水并湿压成板。由于水去除，可将滤饼冷却至可开始再水合的点的温度。然而，可能仍然需要提供外部冷却以使温度足够低，从而在可接受的时间内实现再水合。
在大量的再水合发生之前，可将滤饼湿压成具有所需厚度和/或密度的板。如果待提供给板特别的表面纹理或层合的表面精整，其可在过程的所述步骤过程中或所述步骤之后进行。在湿压(其可使用逐渐增加的压力进行，以保持产品完整性)过程中发生两件事：(1)可去除另外的水，例如剩余的水的约50％-60％；和(2)由于另外的水去除，滤饼可进一步冷却至发生快速再水合的温度。硫酸钙半水合物水合成石膏，使得针状钙半水合物晶体在木纤维中和木纤维周围原位转化为石膏晶体。在再水合完成之后，如果需要，可将板切割和切边，然后传送通过用于干燥的窑炉。干燥温度可保持足够低，以避免再煅烧表面上的任何石膏。
在一些其他实施例中，一种水泥基产品包括结构胶结面板，所述结构胶结面板包括至少一种HEHS添加剂，例如ATH。在一些实施例中，胶结面板包括散布有分立的纤维增强件或在层之间散布网状增强件的胶结粘结剂的至少一个或多个层。在一些实施例中，增强件为可以以片材的方式从辊上施用于可凝固浆料的层上或可凝固浆料的层之间的纤维玻璃网或等同形式。石膏-水泥组合物通常描述于美国专利No.5,685,903、No.5,858,083、No.5,958,131中，所述专利的每一个的内容以引用方式并入本文。结构水泥面板可以以美国专利No.7,445,738中描述的方式通过多层过程形成，所述专利以引用方式并入本文。
目前以约3/4”的厚度制得的结构胶结面板可在它们的粘结剂配方中包含大约三分之二的石膏，其余部分为Portland水泥、硅灰和石灰。石膏部分赋予面板其优良的耐火性能、表面燃烧和不可燃特性。所述石膏的一部分由HEHS添加剂(例如以灰泥重量计约5至约20重量％的ATH)取代(或添加)进一步提高了该产品的热性能，这允许制造更薄的部段。包括约1/4″至约5/8″的尺寸的更薄的部段可用于其中需要具有合理强度的更轻且更薄的产品的墙、外壳和屋顶应用中。HEHS添加剂(例如ATH)在共混至浆料中之前可作为配方的部分与所有干燥粉末一起添加，且其作为填料对浆料新制性质或硬化强度不具有影响。
如本文所述的石膏产品可包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：单独的或任何组合的至少一种HEHS添加剂和如下组分。
灰泥-用于形成石膏芯的结晶基质的灰泥(或煅烧石膏)组分通常包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：来自天然或合成来源的β硫酸钙半水合物、水溶性硫酸钙无水石膏、α硫酸钙半水合物、或这些中的任意者或全部的混合物。在一些实施例中，灰泥包括非石膏矿物质，如少量的粘土或者与石膏源相关的或在煅烧、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1中的表Ia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-根据本发明形成的降低重量和密度的石膏产品(例如面板)可获得就对火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级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(约0.40mm)的典型粒度)的相对低膨胀蛭石。例如，本发明的面板的一些实施例可使用相对于No.5级蛭石(美国等级系统)和已用于商用耐火级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本发明的一些实施例中。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)(这种高膨胀蛭石在美国专利No.3,454,456中被排斥作为在耐火级石膏墙板中的可用的成分)。在一些实施例中，用于本发明的产品中的高膨胀蛭石中的粒子的至少约50％大于约50目(即大于约0.0117英寸(约0.297mm)开口)。在其他实施例中，粒子的至少约70％大于约70目(即大于约0.0083英寸(约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、基本上由如下粒子分布组成、或由如下粒子分布组成的高膨胀蛭石：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，基本上由根据如下分布的蛭石粒子组成，或由根据如下分布的蛭石粒子组成：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，且粒子的至多约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，基本上由根据如下分布的蛭石粒子组成，或由根据如下分布的蛭石粒子组成：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，且粒子的至多约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、使得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。可用于本发明的一些实施例的产品(例如面板)中的高膨胀蛭石也可包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：其他蛭石、蛭石混合物和/或含蛭石的组合物(和其他粒度和尺寸分布)、以及具有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与本文公开的那些也可区别在于是并非提供本文公开的降低重量和密度的耐火石膏产品的材料。
在一些实施例中，用于本发明的降低重量和密度的耐火石膏产品中的高膨胀蛭石可包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：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(specific ratio)、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产品的整个芯部分布。在其他实施例中，高膨胀蛭石粒子通常在石膏产品的整个芯部均匀分布。
高膨胀蛭石可通常在产品芯的整个降低密度的部分无规分布。在一些实施例中，希望在产品(例如面板)的更致密部分中(如在与面板表面相邻的所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)中基本上排除。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(edge mixer)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，以及在本发明的产品的一些实施例中的粒子相对于其他产品中的粒子的分布的具体分布的变化。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，具体粒子的分布、粒子性质和芯内的粒度可变化，并可取决于在混合过程中的类似因素和在产品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产品芯的部分中高浓度的高膨胀粒子的情况，所述情况在产品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，以用于产品的具体所需应用。
在一些实施例中，高膨胀粒子在产品的降低密度的芯中的分布在混合芯浆料、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，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，在一些其他实施例中，在通常将高膨胀粒子分布于产品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。
另外，预期一些实施例基本上不含如上所述的任意一种或多种高膨胀颗粒，例如蛭石。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的高膨胀颗粒，或不含高膨胀颗粒，或含有不起作用或非实质性的量的高膨胀颗粒。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用高膨胀颗粒的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的高膨胀颗粒。
淀粉-如本领域技术人员将了解，用于制备本发明的一些实施例的石膏产品(例如面板)的芯浆料配方的实施例包含淀粉，基本上由淀粉组成，或由淀粉组成。在本发明的面板以及用于制备这种面板的方法的一些实施例中，如图1中的表Ia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的温度下在水中烹制淀粉，或者通过在用于产品芯中的淀粉中引起凝胶形成的其他熟知方法，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。
可用于实施本发明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(Archer Daniels Midland Co.)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，基本上由至少预胶化的玉米淀粉组成，或由至少预胶化的玉米淀粉组成，所述至少预胶化的玉米淀粉例如可得自密苏里州圣路易斯的邦基磨粉公司(Bunge Milling，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(约560kg/m3)的堆积密度。在其他实施例中，芯浆料配方可包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：适用于本发明的目的的一种或多种市售羟乙基化的淀粉。
在一些实施例中，芯浆料配方包含羟乙基化的淀粉。如本文所用，“羟乙基化的淀粉”为已与合适的试剂反应以用羟乙基将淀粉上的自由羟基中的一部分官能化的天然淀粉、经改性的淀粉或经处理的淀粉。羟乙基化的淀粉有时称为乙基化的淀粉。淀粉可通过例如糊精化、酸改性、酶改性、机械剪切、醚化、酯化、交联、阳离子化等或它们的任意组合，在羟乙基化之前或之后进行改性或处理。
在一些实施例中，可使用可购自爱荷华州马斯卡廷的谷物集团公司(Grain Processing Corporation of Muscatine，Iowa)的作为K98F乙基化玉米淀粉销售的羟乙基化的淀粉。在其他实施例中，可使用可购自印第安纳州哈蒙德的帕克摩尔产品公司(PacMooreProducts，Hammond，Indiana)的作为S-Size 30 G销售的羟乙基化的淀粉。在其他实施例中，淀粉可为来自泰莱公司(Tate&Lyle)的2015Gum或2040Gum。在其他实施例中，可使用包含经改性的玉米淀粉的另一合适的羟乙基化的淀粉，所述经改性的玉米淀粉具有如下典型分析：水分10至13％、pH5.0至7.5、粒度为95％通过100目、比重约1.50、分子量大于约10,000g/mol、和堆积密度约35pcf(约560kg/m3)。如上淀粉中的任意者可单独使用或组合使用。在其他实施例中，其他羟乙基化的淀粉可单独使用或组合使用。也参见以引用方式并入本文的美国专利申请公布No.2008/0070026。
在其他实施例中，石膏产品包含其他可用的淀粉，基本上由其他可用的淀粉组成，或由其他可用的淀粉组成，所述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(Bunge Milling，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(约480kg/m3)和约20％浆料，从而产生约4.3的pH。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。
在一些实施例中，石膏产品包含本文所述的淀粉类型中的超过一种，基本上由本文所述的淀粉类型中的超过一种组成，或由本文所述的淀粉类型中的超过一种组成。在其他实施例中，石膏产品包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：可以以超过一种方式改性的一种或多种淀粉。例如，如上所述，淀粉可为羟乙基化的并且为例如酸改性的。而且，作为另一例子，生淀粉可进行烹制以实现预胶化，然后酸改性。作为另一例子，淀粉可为羟乙基化的、预胶化的且酸改性的。如上所述，石膏产品的淀粉中的任意者可以如本文所述以一种或多种方式改性。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的淀粉中的任意一种或多种，例如预胶化淀粉。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的淀粉，或不含淀粉，或含有不起作用或非实质性的量的淀粉。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用淀粉的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的淀粉。
纤维-在掺入诸如图1中的表Ia中提及的纤维的一些实施例以及用于制备这种面板的方法中，所述纤维包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：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益处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英寸(约13mm)至约0.75英寸(约19mm)的平均长度和约11微米至约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(约13mm)至约0.675英寸(约17mm)的平均长度和约13微米至约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(Owens Coming))。诸如本领域普通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，所述玻璃纤维例如本文提及的那些。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的纤维中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的纤维，或不含纤维，或含有不起作用或非实质性的量的纤维。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用纤维的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的纤维。
磷酸盐-在一些实施例中，将诸如图1中的表Ia中提及的磷酸盐或磷酸根离子的其他来源添加至用于制备石膏产品(例如面板石膏芯)的石膏浆料中。石膏产品包含磷酸盐，基本上由磷酸盐组成，或由磷酸盐组成。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，磷酸盐源以为产品和产品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(例如在形成板与成型过程的窑炉部段之间的时间过程中)。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。
可用于本发明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；以及正磷酸盐的一碱盐或一价离子，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，任何合适的含一碱正磷酸盐的化合物可用于实施本发明的原理，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。优选的一碱磷酸盐为磷酸二氢钾。
类似地，根据本发明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，根据本发明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，根据本发明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。根据本发明的一个优选的无环多磷酸盐可作为购自密苏里州圣路易斯的ICL性能产品公司(ICL Performance Products LP，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(其中n＝6-27)的六偏磷酸钠、具有分子式K4P2O7的焦磷酸四钾、具有分子式Na3K2P3O10的三聚磷酸二钾三钠、具有分子式NasP3O10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(其中n＝1000-3000)的多磷酸铵、或具有2个或更多个重复磷酸单元并具有分子式Hn+2PnO3n+1(其中n为2或更大)的多磷酸。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(ICL Performance Products LP，St.Louis，Missouri)。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的磷酸盐中的任意一种或多种，例如三偏磷酸钠。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0wt.％的磷酸盐，或不含磷酸盐，或含有不起作用或非实质性的量的磷酸盐。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用磷酸盐的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.001％或更少、0.0005％或更少、或0.0001％或更少的磷酸盐。
分散剂-在其他实施例中，诸如图1中的表Ia中提及的那些的分散剂可包含于石膏芯浆料中。如本文所述的石膏产品可包含分散剂，基本上由分散剂组成，或由分散剂组成。分散剂可以以干燥形式与其他干燥成分一起添加和/或以液体形式与其他液体成分一起添加在芯浆料混合器中，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(GEO Specialty Chemicals，Cleveland，Ohio)的DILOFLO、可得自马萨诸塞州列克星敦的汉普夏化学公司(Hampshire Chemical Corp.，Lexington，Massachusetts)的DAXAD、和可得自印第安纳州拉斐特的GEO专业化学公司(GEO Specialty Chemicals，Lafayette，Indiana)的LOMAR D。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LOMAR D。
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“Gypsum Products Utilizing aTwo-Repeating Unit System and Process for Making Them(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)(BASF Construction Polymers，GmbH(Trostberg，Germany))的产品，并由BASF建造聚合物公司(佐治亚州，肯尼索)(BASF Construction Polymers，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”)。可用于本发明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-Containing Copolymer(含聚醚的共聚物)”的美国系列案No.11/827,722(公布No.US 2007/0255032A1)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。
可用作本发明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)(BASF Construction Polymers，GmbH(Trostberg，Germany))制造，并由BASF建造聚合物公司(佐治亚州，肯尼索)(BASF Construction Polymers，Inc.(Kennesaw，Georgia))在美国销售。优选的2641型分散剂作为MELFLUX 2641F、MELFLUX 2651F和MELFLUX 2500L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MELFLUX 1641F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.of Chester，South Carolina)的COATEX Ethacryl M)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。可用于本发明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(Reed Lignin Inc.，Greenwich，Connecticut)的MarasperseC-21。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的分散剂中的任意一种或多种，例如萘磺酸盐。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的分散剂，或不含分散剂，或含有不起作用或非实质性的量的分散剂。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用分散剂的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的分散剂。
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。如本文所述的石膏产品可包含阻滞剂/促进剂，基本上由阻滞剂/促进剂组成，或由阻滞剂/促进剂组成。“CSA”为优选促凝剂的例子，其包含与约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。CSA可得自USG公司(USG Corporation)，并可根据以引用方式并入本文的美国专利No.3,573,947制得。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率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用于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，并随时间保持其效力，使得可在使用之前制备、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5/8英寸厚的墙板产品的约5至约80磅/1000平方英尺(大约24.3至390g/m2)的量使用。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的阻滞剂/促进剂中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0wt.％的阻滞剂/促进剂，或不含阻滞剂/促进剂，或含有不起作用或非实质性的量的阻滞剂/促进剂。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用阻滞剂/促进剂的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的阻滞剂/促进剂。
泡沫-泡沫可以以提供降低的芯密度和产品重量的量引入芯浆料中。本文描述的石膏产品可包含泡沫，基本上由泡沫组成，或由泡沫组成。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产品的芯内产生所需的网络以及气穴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本文讨论的那些以及为产品提供可相比的密度、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)产品强度性质，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，本发明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(约32kg)的面板。在其他实施例中，面板可具有根据ASTM标准C473-09测定的至少约85lb(约39 kg)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％包括约150μm或更小的等球粒直径，基本上由约150μm或更小的等球粒直径组成，或由约150μm或更小的等球粒直径组成。在其他实施例中，气穴的约45％至约95％包括约300μm或更小的等球粒直径，基本上由约300μm或更小的等球粒直径组成，或由约300μm或更小的等球粒直径组成，气穴的约5％至约55％包括约300μm或更大的等球粒直径，基本上由约300μm或更大的等球粒直径组成，或由约300μm或更大的等球粒直径组成。在其他实施例中，气穴的约45％至约95％包括约300μm或更小的等球粒直径，基本上由约300μm或更小的等球粒直径组成，或由约300μm或更小的等球粒直径组成，气穴的约5％至约55％包括约300μm至约600μm的等球粒直径，基本上由约300μm至约600μm的等球粒直径组成，或由约300μm至约600μm的等球粒直径组成。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。
在那些和一些其他实施例中，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产品芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改进)产品强度性质。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包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：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包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：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包括如下，基本上由如下组成，或由如下组成：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，但据信具有所述气穴尺寸分布和排列以及壁厚和分布的实施例例如在与本文公开的高膨胀蛭石一起使用时有助于改进石膏产品的高温性质。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产品强度要求。用于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，所述专利的每个公开内容以引用方式并入本文。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的泡沫中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0wt.％的泡沫，或不含泡沫，或含有不起作用或非实质性的量的泡沫。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用泡沫的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的泡沫。
硅氧烷-在一些实施例中，本发明的石膏产品(例如面板)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中而得以改进。石膏产品可包含硅氧烷，基本上由硅氧烷组成，或由硅氧烷组成。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熟知的，并且可购得且描述于专利文献中。通常，可用于本发明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，基本上由具有如下通式的重复单元的那些组成，或由具有如下通式的重复单元的那些组成：
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SILRES BS 94由瓦克化学公司(德国慕尼黑)(Wacker-Chemie GmbH(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。可使用约0.3至约1.0％的BS 94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。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，如石膏产品中纸结合。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产品的步骤中保持稳定。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。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产品足够的时间以产生耐水性。已知催化剂加速聚合反应，从而减少或消除随着产生耐水性所需的储存石膏产品的时间。将重烧氧化镁用于硅氧烷聚合描述于题为“Method of Making Water-Resistant Gypsum-Based Article(制备耐水石膏基制品的方法)”的美国专利No.7,892,472中，所述申请以引用方式并入本文。重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。一种特别优选的重烧氧化镁源为BAYMAG 96。其具有至少0.3m2/g的BET表面积。烧失量小于约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。“重烧”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。MagChem P98-PV(马里兰州贝塞斯达的马丁马里塔氧化镁特制品公司(Martin Marietta Magnesia Specialties，Bethesda，Maryland))为“重烧”氧化镁的一个例子。BayMag 96(加拿大亚伯达卡尔加里的Baymag公司(Baymag，Inc.ofCalgary，Alberta，Canada))和MagChem 10(马里兰州贝塞斯达的马丁马里塔氧化镁特制品公司(Martin Marietta MagnesiaSpecialties，Bethesda，Maryland))为“硬烧”氧化镁的例子。“硬烧”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BayMag 30、BayMag 40和BayMag 30(-325目)(加拿大亚伯达卡尔加里的Baymag公司(Baymag，Inc.of Calgary，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，重烧和硬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，BayMag 96、MagChem P98-PV和MagChem 10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No.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Big Cajun，II的拜吾飞灰公司(Bayou Ash Inc.，Big Cajun，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，以在整个产品芯获得耐水性。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，以延迟水沿着产品的更脆弱的边缘进入。
另外，一些实施例基本上不含如上所述的硅氧烷中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的硅氧烷，或不含硅氧烷，或含有不起作用或非实质性的量的硅氧烷。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用硅氧烷的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的硅氧烷。
在一些实施例中，用于制备本发明的产品的芯浆料配方的实施例可包含如下，基本上由如下组成，或由如下组成：以灰泥的重量计大于约2重量％的量的预胶化淀粉(或功能等同的淀粉)和以灰泥的重量计至少约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％水吸收的石膏产品。该耐水性质可为特别有益的，因为相比于常规产品，降低密度的产品具有多得多的包括空气和/或水孔穴的总体积。预期增加的孔穴体积使得轻质产品远更吸水。尽管不希望受限于理论，但据信当硅氧烷在成型产品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、然后在淀粉吸水时通过形成高度粘性的淀粉/水组合，从而减慢水通过产品边缘上的微孔进入。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。
在一些实施例中，石膏产品包括其他合适的添加剂，如常用于制备石膏产品的那些添加剂。本文描述的石膏产品可包含这些添加剂，基本上由这些添加剂组成，或由这些添加剂组成。这种添加剂包括但不限于结构添加剂，如矿物棉、珍珠岩、粘土(例如高岭土)、碳酸盐(例如碳酸钙)、聚酯或其他聚合物、有机硅，以及化学添加剂，如起泡剂、填料、糖、硼酸盐(硼钠钙石、硬硼钙石等)、硼酸等、粘结剂(例如淀粉和胶乳)、非HEHS添加剂颜料或着色剂、杀菌剂、杀生物剂、酰胺化合物(例如硫酸盐-脲络合物、碳酸盐-脲络合物、硼酸盐-脲络合物或镁-脲络合物)等。这些和其他添加剂中的一些的使用的例子描述于例如美国专利No.6,342,284、No.6,632,550、No.6,800,131、No.5,643,510、No.5,714,001和No.6,774,146以及美国专利申请公布No.2004/0231916 A1、No.2002/0045074 A1和No.2005/0019618 A1中，所述专利中的每一个以引用方式并入本文。另外，一些实施例基本上不含如上所述的添加剂中的任意一种或多种。如本文所用，“基本上不含”意指组合物以灰泥的重量计含有0 wt.％的添加剂，或不含添加剂，或含有不起作用或非实质性的量的添加剂。如本领域普通技术人员将了解，不起作用的量的例子为在实现使用添加剂的预期目的的阈值量以下的量。如本领域普通技术人员将了解，取决于成分，非实质性的量可例如为以灰泥的重量计0.1％或更少、0.05％或更少、0.01％或更少、0.005％或更少、或0.001％或更少的添加剂。石膏产品也可基本上不含碳化物。
本发明的一些实施例的石膏板可具有所需的强度特性而仍然为超清的，例如根据美国专利申请公布No.2007/0048490、No.2008/0090068和/或No.2011/0195241制得，所述专利中的每一个以引用方式并入本文。而且，也预期参数的比率是任意实施例必须的，例如TI与干重的比率或TI与密度的比率。预期本文描述的任何参数可进一步作为本文描述的任何其它参数的比率，作为两种不同参数的每一个的以一个值计的单独的值，或作为两种不同参数的每一个的以数个值计的总体值确定(例如当针对另一个值对一个值作图以确定数学关系如线性斜率时)。这种比率可用于确定例如弥补或允许另一参数的降低所需的一个参数的增加，或者用于确定仍然提供另一参数的可接受的值的一个参数的降低限值。
在本发明的一些实施例中的包括墙板的石膏产品可使用本文熟知的技术制得。例如，美国专利No.7,364,676公开了一种方法，所述方法包括用于从混合器接收浆料的连续沉积的表面材料(例如覆盖片材)的连续移动层、用于制备浆料的混合器、和成型台。垫表面的板的制造描述于例如共同待审的共同受让的美国专利申请公布No.US 2008/0190062、No.US2009/0029141和No.US 2010/0143682中，所述专利各自以引用方式并入本文。简言之，方法通常涉及将表面(facer)材料排放至输送机上或排放至位于输送机上的成型台上，随后将其设置于混合器的排放管道下(例如本领域已知的闸门-罐-罩(gate-canister-boot)装置，或如美国专利No.6,494,609和No.6,874,930描述的装置)。如本领域普通技术人员将了解，板产品通常成型为“面向下”，使得在安装板之后，第一表面材料用作板的“表面”。将胶结组合物浆料的组分进料至包括排放管道的混合器，在所述混合器处搅动所述组分以形成浆料。可将泡沫添加至排放管道中(例如在美国专利No.5,683,635和No.6,494,609中描述的闸门中)。将浆料排放至表面材料上。如所需在表面材料上铺展浆料。参见例如美国专利No.7,364,676。对于多层芯板，可将第一芯层直接施用至表面材料上，或者可在施用之前将面层施用至表面材料。面层为协助将表面材料结合至芯层的胶结组合物的极薄极致密的层，如本文所述，其浆料也可形成板的边缘，如描述于美国专利申请公布No.2010/0247937中，所述专利以引用方式并入本文。简言之，在一些实施例中，将面层的浆料施用至表面材料，然后通过辊在表面材料上铺展。辊通常比表面材料的宽度更窄，使得过量的面层浆料在辊的端部与表面材料的端部之间的表面材料上聚集。该面层浆料形成板的边缘。或者，可使用单独的边缘软管用于设置边缘。有关面层的另外的细节提供于以引用方式并入本文的美国专利No.7,736,720中。
在一些实施例中，将浆料设置于第一覆盖片材与第二覆盖片材之间，以形成作为面板前体的湿组件。在此方面，如本文所用，“设置于......之间”应理解为意指面层可任选地施用或包括于芯与一个或两个覆盖片材之间，使得应了解覆盖片材可包括面层。
引申开来，本发明的一些实施例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ASTM 1396/C 1396M-06的X型板的1小时耐火等级。在一些其他实施例中，可使用本发明的石膏面板构建符合其他UL组件的规范(例如UL U419和U423)的组件。在其他实施例中，本发明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和其他等同的耐火测试工序的在一些实施例中30分钟、在其他实施例中1小时耐火等级和可应用水龙射水测试。
因此，在一个实施例中，石膏产品包括至少部分由至少一个覆盖片材覆盖的凝固石膏芯，所述覆盖片材中的至少一个包括纸和氢氧化铝。
在另一实施例中，石膏产品为石膏面板，且凝固石膏芯设置于两个覆盖片材之间。
在另一实施例中，氢氧化铝以相对于无氢氧化铝的石膏产品的高温隔热指数有效增加石膏产品的高温隔热指数的量存在。
在另一实施例中，纸由至少纸浆和氢氧化铝形成。
在另一实施例中，氢氧化铝以干燥时的纸浆的约5重量％至约40重量％的量存在。
在另一实施例中，纸至少包括氢氧化铝的部分涂层。
在另一实施例中，纸还包括氢氧化镁。
在另一实施例中，凝固石膏芯包括石膏晶体基质，且面板具有约35 pcf(约560kg/m3)或更小的密度。
在另一实施例中，面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数，所述高温隔热指数根据ASTM公布WK25392测定。
在另一实施例中，面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且面板有效抑制热量传递通过根据UL U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且传感器以根据UL U419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
在另一实施例中，组件在所述面板之间包括隔热。
在另一实施例中，石膏面板包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和氢氧化铝形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数，所述高温隔热指数根据ASTM公布WK25392测定。
在另一实施例中，氢氧化铝以灰泥的约2重量％至约10重量％的量存在。
在另一实施例中，至少一个覆盖片材为由至少纸浆和氢氧化铝形成的纸。
在另一实施例中，覆盖片材至少包含氢氧化铝的部分涂层。
在另一实施例中，石膏面板包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和氢氧化铝形成，所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据UL U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且传感器以根据UL U419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
在另一实施例中，氢氧化铝以灰泥的约2重量％至约10重量％的量存在。
在另一实施例中，至少一个覆盖片材为由至少纸浆和氢氧化铝形成的纸。
在另一实施例中，覆盖片材至少包含氢氧化铝的部分涂层。
在另一实施例中，组件在所述面板之间包括隔热材料。
应注意前述仅为实施例的例子。根据整个本说明书，其他示例性实施例是显而易见的。本领域普通技术人员也将了解，这些实施例中的每一个可以以与本文提供的其他实施例的各种组合使用。
实例
如下实例进一步说明了本发明，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
该实例显示了一种优选的HEHS添加剂ATH在用作石膏板的覆盖片材的纸的配方中的使用。
制备手抄纸的样品，其中以干燥木浆的0(对照)、5、10、15、20和50重量％替代添加ATH。将包含回收的波纹废纸的木浆制备成浆料，将胶粘剂和所述量的ATH添加至所述浆料中。所述浆料随后在细筛上脱水，并轧制以形成12”x12”尺寸的薄片材，所述薄片材随后在大约200°F的温度下干燥。这些片材随后在制备板样品中用作背面纸。
板芯配方在所有样品中相同，并由如下组成：2.15的水-灰泥比率，1％的耐热促进剂(HRA)，0.7％的预胶凝淀粉，7％的蛭石，0.14％的三偏磷酸钠，0.13％的萘磺酸盐分散剂和0.5％的玻璃纤维(所有百分比以灰泥的重量计)。在所有板样品中，表面纸基重为52lbs/msf。在浇铸之后，12”x12”板样品(5/8英寸厚度)随后在110°F下干燥直至恒定重量，这对于给定配方参数，产生大约1600-1635lbs/MSF的板重量。
根据ASTM公布WK25392进行如下测试。对于热性能，远离边缘从板样品上提取四个4”盘以用于隔热测试。该测试测量石膏板样品的防热能力，并涉及在所讨论的板的两个盘之间夹入热电偶。随后将该组件置于500℃下的炉中达75分钟，热电偶温度由40℃上升至200℃所需的时间记录为以分钟计的“隔热(TI)”时间。对于获自每个板样品的4个盘，测试两个组件。
如上条件中的每一个的平均TI示于图2中。图2显示了每个条件的以lb/msf计的板重量，其中在板中观察到重量一致性。总的来说，在该测试系列中测得随增加的ATH含量大概单调增加的TI：在20％以下的ATH含量下，对于ATH的每10％的增加，TI以大约0.8分钟(48秒)的速率增加。超过20％ATH，TI的改进减小，从而表明20％对于该特定系列可能为最佳。
实例2
该实施例显示了优选的HEHS添加剂ATH在用于石膏面板的浆料的配方中的使用。
进行关于在可用于本发明的一些优选实施例中的石膏芯配方中所用的一种优选的HEHS添加剂(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2A、2B和2C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、三偏磷酸钠、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，15.9 mm)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48lb/msf的上层纸与约42lb/msf的下层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3、5和6的表IIa至IVb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ASTM公布WK25392并在如下所述的方案进行高温隔热指数测试(以分钟报道)。使用描述于ASTM公布WK25392并在如下所述的方案完成高温收缩和高温厚度膨胀测试(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3、5和6中的表中报道。
实例2A至2C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2A至2C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)与高温收缩的比率(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2A
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份三偏磷酸钠；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3A和3B的表IIa和IIb中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH和TI的大概值。表IIa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IIb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。图3C的表IIc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IIa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。获得该益处而不使用高膨胀蛭石。表IIb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4中，图4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4和表IIb所示，虽然在样品5和6中芯配方中的灰泥量降低约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份灰泥的比率而用ATH替代灰泥，同时保持类似的TI性质。替代比率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，则可增加替代比率，或者如果需要更大的TI性质，则可减小替代比率。
实例2B
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5A和5B的表IIIa和IIIb中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH％和TI的大概值。表IIIa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IIIb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。图5C的表IIIc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IIIa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％)的益处。表IIIb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，对于耐火级应用而言样品15和16均是可接受的。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。对于耐火级应用，也认为这是可接受的。表IIIb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。
图5C的表IIIc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，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2C
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份三偏磷酸钠；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6A和6B的表IVa和IVb中的密度、高膨胀蛭石含量、灰泥、ATH和TI的大概值。表IVa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IVb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IVa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与样品19和20)的ATH量(这里为灰泥的约3重量％)的益处。表IVa也显示了通过将约30lb/msf的灰泥C添加至配方(样品20)，从而将显著量的填料材料(杂质)添加至芯不会改进面板的TI。表IVb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(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与样品19)。
根据ASTM公布WK25392所述的工序的高温隔热指数测试：
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量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)
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(p)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因此的石膏板的隔热性能，通常无需单独测量并描述每个变量。评价它们对热量传递的净累积作用是足够的。为此目的，开发了ASTM公布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，并测量高温隔热指数TI，所述高温隔热指数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。测试试样的高温隔热指数计算为：
TI＝t200℃-t40℃
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212°F(100℃)下石膏转变为半水合物，并在接近约285°F(140℃)半水合物转化为第一无水相。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930°F(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。通过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。
用于测量“高温收缩”和“高温厚度膨胀”的测试在ASTM公布WK25392中开发和报道：
除了芯内聚力问题之外，由于暴露于高温而导致的石膏芯的收缩也贡献了组装面板结构(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”的测试在ASTM公布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可在高温条件下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”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。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。
在描述本发明的上下文(特别是在如下实施例的上下文)中术语“一种”和“所述”及类似指示物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。除非另外指出，术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应解释为开放式术语(即意指“包括但不限于”)。而且，在记载“包含”(或其等同形式)的每一处，“包含”被认为包括“基本上由......组成”和“由......组成”。因此，“包含”一个或多个要素的实施例支持“基本上由所述一个或多个要素组成”和“由所述一个或多个要素组成”的实施例。记载“基本上由......组成”的每一处被认为包括“由......组成”。因此，“基本上由一个或多个要素组成”的实施例支持“由所述一个或多个要素组成”的实施例。本文数值范围的叙述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。除非另外指出，否则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。除非另外指出，否则说明书中的语言不应理解为表示对于本发明的实施为必要的任何元素。
本发明的优选实施例在本文描述，包括本发明人已知的对于进行本发明最好的方式。在阅读前述说明书时，那些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员可以是显而易见的。本发明人预期技术人员在适当时采用这种变化，且本发明人希望本申请以不同于本文所特别描述那样实施本发明。因此，本发明包括由应用法律所允许的所附的实施例中所述的主题的所有改变和等同。此外，本发明涵盖在其所有可能的变化中的上述元素的任何组合，除非本文另外指出或上下文明确矛盾。

Claims (10)

1.一种石膏产品，其包括：
至少部分由至少一个覆盖片材覆盖的凝固石膏芯；
所述覆盖片材中的至少一个包括纸和氢氧化铝。
2.根据权利要求1所述的石膏产品，其中所述氢氧化铝以相对于无氢氧化铝的石膏产品的高温隔热指数有效增加所述石膏产品的高温隔热指数的量存在。
3.根据权利要求1或2所述的石膏产品，其中所述纸由至少纸浆和氢氧化铝形成，且其中所述氢氧化铝以干燥时的所述纸浆的约5重量％至约40重量％的量存在。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的石膏产品，其中所述石膏产品为面板，且所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数，所述高温隔热指数根据ASTM公布WK25392测定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的石膏产品，其中所述石膏产品为面板，且所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据UL U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且所述传感器以根据UL U419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时所述未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
6.根据权利要求5所述的石膏产品，其中所述组件在所述面板之间包括隔离材料。
7.一种石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，
所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和氢氧化铝形成，
所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度和大于约17分钟的高温隔热指数，所述高温隔热指数根据ASTM公布WK25392测定。
8.根据权利要求7所述的石膏面板，其中所述氢氧化铝以所述灰泥的约2重量％至约10重量％的量存在。
9.一种石膏面板，其包括设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏芯，
所述凝固石膏芯由至少水、灰泥和氢氧化铝形成，
所述面板具有约27lb/ft3(约430kg/m3)至约37lb/ft3(约590kg/m3)的密度，且所述面板有效抑制热量传递通过根据UL U419工序制得的所述面板的组件，其中一个表面暴露于热源，且相对的未受热表面包括应用于其上的多个传感器，使得当根据UL U419测量，热源遵循根据ASTM标准E119-09a的时间-温度曲线，且所述传感器以根据UL U419工序的图案排列时，在约30分钟的运行时间时所述未受热表面上的最大单个传感器温度小于约415°F。
10.根据权利要求9所述的石膏面板，其中所述组件在所述面板之间包括隔离材料。
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