CN105683122A - 使用高的水-灰泥比率产生的石膏墙板 - Google Patents

使用高的水-灰泥比率产生的石膏墙板 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种石膏组合物、板和产生具有增大的耐火极限的石膏板的方法。可基于特定的水-灰泥比率使用含凝固石膏的组合物来制备具有耐火极限的石膏板。

Description

使用高的水-灰泥比率产生的石膏墙板
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2013年10月15日提交的美国非临时专利申请号14/054,689的权益，该专利申请以引用方式并入本文。
背景技术
石膏产品通常可使用由至少水和灰泥形成的浆料制造。灰泥，即半水合硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)，与水反应形成石膏，即二水合硫酸钙(CaSO4·2H2O)。石膏墙板可为包含芯、面层和背层的复合板。可通过以有效提供所需石膏芯密度的量向灰泥浆料加入水性泡沫来减小石膏墙板的密度。墙板的体积由石膏、石膏晶体的堆积空隙、因水的蒸发留下的空隙(即，水空隙)和由泡沫生成的空隙(即，泡沫空隙)所占据。由于所述板每单位体积含较少的石膏，故可用的延长墙板耐火极限的结晶水较少。石膏墙板通常用在内墙和天花板的干式墙构造中，并且应能够承受火和过高的温度。因此，石膏墙板使用最大化耐火极限(fireendurance)/耐火性(resistance)的规范制造。
石膏墙板的耐火极限/耐火性由板可承受标准耐火试验的时间段量度。墙板的耐火性根据墙板避免温度上升、火焰通过和结构坍塌的能力来分类。为使各方，包括建设者、居住者和监管机构，在一个共同的基础上评价耐火极限，耐火试验组件被归类为若干标准配置。一些常见的组件包括由UnderwritersLaboratories，Inc.定义的试验设计，UnderwritersLaboratories，Inc.是一家测试和认证机构，有着被称为U305、U419和U423的试验。
标准耐火试验根据ASTME119的要求按惯例进行。在此类试验中，可基于墙组件显示出温度过度上升或火焰通过或结构坍塌的时间来建立耐火性分级。当如通过未暴露表面上若干热电偶所测得平均温度升高环境温度以上不止250°F或任何单独的热电偶升高环境温度以上不止325°F时发生试验的失败。系统耐火极限的持续时间不仅依赖于系统中所用的石膏板，而且依赖于许多其它因素，包括墙组件厚度、壁骨类型和间距、板尺寸、绝缘类型等。
虽然现有的技术在延长墙板耐火极限和耐火性方面是有用的，但进一步的改进总是可取的。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种耐火石膏板，其包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水。所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率。所述耐火石膏板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述耐火石膏板具有如根据ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个方面，本发明提供了一种耐火石膏板，其包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水并具有约1.2至约2.0的水-灰泥比率。所述耐火石膏板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述耐火石膏板具有如根据ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约54分钟的耐火极限指数(FEI)。
在又一个方面中，本发明提供了一种用于制造耐火石膏板的方法，其包括形成至少灰泥和水的浆料。所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率。将石膏灰泥浆料沉积在片材上以产生板预制体。在浆料对于切割来说已充分硬化后将板预制体切割成预定的尺寸。将板干燥。所述耐火石膏板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述耐火石膏板具有如根据ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
阅读下面的描述，本发明的这些及其它优点以及另外的发明特征将是显而易见的。
附图说明
图1为示出根据本发明的实施例的低密度石膏板的横截面的图。
图2为示出根据本发明的实施例用来测定墙板样品的耐火极限指数(FEI)的小规模试验装置的结构的图。
图3为线图，示出了根据本发明的实施例在图2中所示小规模耐火试验过程中使用的炉的温度(Y-轴)对时间(X-轴)曲线。
图4为线图，示出了U419试验的耐火极限(Y-轴)与根据本发明的实施例的图2小规模试验的耐火极限(X-轴)之间的相关性。
图5为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例1的墙板的未暴露表面的温度(Y-轴)对时间(X-轴)的关系。
图6为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例2的墙板的未暴露表面的温度(Y-轴)对时间(X-轴)的关系。
图7为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例3的墙板的未暴露表面的温度(Y-轴)对时间(X-轴)的关系。
具体实施方式
本发明的实施例至少部分地以下述令人惊奇且意外的发现为前提：包含更大的数量的水空隙和减少的数量的泡沫空隙的墙板具有更高的耐火极限。发现位于石膏基质中的空隙的尺寸对墙板的耐火极限有着显著影响。具体而言，发现微观的、均匀分布的水空隙通常比大的、互连的泡沫空隙优选。为制备包含增大的数量的水空隙的板，可提高水-灰泥比率。一般来说，石膏墙板包含这样的芯，其包含由水-灰泥比率为约0.7至约2.0的浆料形成的凝固石膏的互锁基质。
一般来说，当石膏墙板在热应力下时，热能最初将被引导向硫酸钙结合水分子的蒸发。正是这两分子的水赋予石膏高度耐热性。在达到215°F后，水分子被赶走，这导致半水合硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)的形成。当温度达到250°F时，剩余的水随着石膏转化为无水硫酸钙而失去。两个反应均是吸热的，意味着随着其从二水合物“煅烧”成无水石膏，石膏将吸收热。
在墙板试验组件中，热将自炉向暴露板的表面传递。随着暴露墙板的表面温度升高，板上的温度梯度将增大。随着传热的继续，未暴露墙板的表面温度将因墙板中的结晶水被赶走而升高。
石膏制品的耐火极限据信与制品内所含石膏的量直接相关。据信随着石膏的量减小，石膏制品的耐火极限将减小，因为可用来蒸发的结晶水较少。一种针对耐火极限的先前方法聚焦于较厚和/或较致密石膏芯(即，相对包含更多石膏的芯)的形成。随着石膏增多，芯将在芯内包含增大的量的化学结合水，所述水可充当吸热设备、减少收缩以及提高结构稳定性和强度。
墙板工业中的当前趋势是开发轻质、低密度的墙板。可基于墙板的目标基重通过混合灰泥浆料与预定的量的泡沫来实现低的基重。随着板每单位体积含较少的石膏，可用于墙板的耐火极限的结晶水将较少。另外，在暴露于火的过程中，收缩百分数可能随着板密度的减小而增大。两个因素均使得越来越难以通过耐火试验。常向配方中加入高热膨胀添加剂来改善耐火极限。然而，低重量墙板中大量的高热膨胀颗粒的膨胀可能导致剥落和破碎。
石膏墙板可包含源自(a)石膏晶体的堆积、(b)水的蒸发和(c)任何泡沫添加剂的存在的空隙。为了使得板具有恒定的密度，当泡沫空隙增多时，可通过下调水-灰泥比率来减少水空隙的量；当水空隙增多时，可通过添加较少的泡沫来减少泡沫空隙的量(参见图1)。不希望受理论束缚，但当暴露于火时，来自CaSO4·2H2O的水蒸气在被释放到大气中之前必须行进通过板。泡沫空隙可能较大并在火灾中允许水蒸气快速自石膏芯逃离。由于水空隙是微观的，故与行进通过泡沫空隙时相比，蒸气必须克服更高的流动阻力。结果，水蒸气流动通过板要花更长的时间，从而提高墙板的耐火极限。因此，具有增大的数量的水蒸发空隙的墙板，例如用较高的水-灰泥比率制得的墙板，可具有较高的耐火极限。然而，如果水-灰泥比率太高(而泡沫量太低)，则蒸气压可能积聚，从而导致墙板的坍塌。为取得有效的耐火极限，石膏墙板可用最佳的水-灰泥比率和泡沫含量制备。为产生具有最佳耐火极限和轻质性质的墙板，可取得水含量与耐火极限性质之间的平衡。
如本领域普通技术人员应理解和认可，水-灰泥比率是石膏板制造中的一个重要参数。水-灰泥比率表示每单位灰泥量的水量。由于在赶走过量水的最终干燥步骤过程中加热工艺中所用燃料的高成本，故制造商通常限制灰泥浆料中的水量。高的水-灰泥比率还导致浆料流动性的增加，这可能使得灰泥石膏浆料更难以操作。与具有高的水-灰泥比率的浆料不同，具有低水含量的浆料在凝固过程中有着提高的石膏晶体生长速率，因为可用的成核位点集中到混合物的较小体积中。在此情况下，晶体生长较快且石膏晶体的互锁程度较高。由于此现象，据信具有较低水-灰泥比率的浆料产生具有较高强度的石膏产品。
令人惊奇且意外的是，已发现石膏板可具有比具有较少石膏的板更高的耐火极限，甚至在不存在添加剂的情况下。具体而言，包含具有较高水-灰泥比率的芯的较低重量的板可具有比具有较大石膏含量的板更高的耐火极限(例如，参见表1，样品1和2)。已发现，由包含约0.7至约2.0的水-灰泥比率的浆料制得的墙板具有高的耐火极限。水-灰泥比率基于水的重量与干燥的煅石膏的重量的比较来计算。本发明的墙板可具有比用低于约0.7的水-灰泥比率制得并具有相当或等价的板密度和厚度的板高的耐火极限。在一些实施例中，水-灰泥比率为约0.9至约1.4。发现耐火极限指数值在1.4的水-灰泥比率之后趋于平缓。水-灰泥比率从1.2增至1.4导致耐火极限指数增加2.7分钟，而水-灰泥比率从1.4增至1.6导致0.8分钟的增加。因此，优选的水-灰泥比率在约1.4以下，当水-灰泥比率为约1.2至约1.4时获得最高成本效益。
在本发明的实施例中，水-灰泥比率可例如为如下表1A和1B中所列。在这些表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示水-灰泥比率。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1A中的第一个“X”为范围“约0.7至约0.8”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1A
表1B
如上所述，水-灰泥比率的增大导致灰泥浆料的流动性的增加。本领域中通常使用分散剂来帮助流化水与半水合硫酸钙的混合物以便需要较少的水来制备可流动浆料。此外，向浆料中加入分散剂以通过减少在干燥步骤过程中必须移除的水的量来降低生产成本。
不希望受理论束缚，但一些实施例可能不需要分散剂，因为具有高的水-灰泥比率的浆料可能具有足够的流动性。在其它实施例中，可向浆料中加入减少的量的分散剂来赋予足够的流动性。灰泥浆料通常以基于灰泥的重量计低于约0.4重量％的量包含分散剂。加到灰泥浆料的分散剂的量可为基于灰泥的重量计低于约0.1重量％的量。在本发明的实施例中，基于灰泥的重量计，分散剂以重量计的量可例如为如表1C中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示分散剂的量(表1C)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1C中的第一个“X”为范围“约0％至约0.05％”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1C
在一些实施例中，此类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，萘磺酸盐为萘磺酸与甲醛的缩合产物。此类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在约3,000至27,000范围内，但分子量可为约8,000至10,000。在给定的固体百分数水性溶液下，较高分子量的分散剂比较低分子量的分散剂具有较高的粘度并在配方中产生较高的水需求。
萘磺酸盐包括可得自GEOSpecialtyChemicals，Cleveland，Ohio的DILOFLO；可得自HampshireChemicalCorp.，Lexington，Mass.的DAXAD；和可得自GEOSpecialtyChemicals，Lafayette，Ind.的LOMARD。萘磺酸盐可以例如约35重量％至约55重量％固含量范围内的水性溶液使用。萘磺酸盐可呈例如约40重量％至约45重量％固含量范围内的水性溶液的形式。萘磺酸盐可例如以干固体或粉末形式使用，如LOMARD。
在其它实施例中，可采用本领域技术人员已知可用于改善石膏浆料中的流动性的分散剂，如聚羧酸盐分散剂。许多聚羧酸盐分散剂，特别是聚羧酸醚，是已知的分散剂类型。一类分散剂包括两个重复单元并在美国专利号7,769,019中有进一步描述，此专利关于分散剂的内容以引用方式并入本文。这些分散剂的例子有BASFConstructionPolymers，GmbH(Trostberg，Germany)的由BASFConstructionPolymers，Inc.(Kennesaw，Ga.)(后文称“BASF”)供应并在后文称为“PCE211-型分散剂”的产品。PCE211-型分散剂的一种特别的分散剂名为PCE211(后文称“211”)。此系列中的其它聚合物包括PCE111。PCE211-型分散剂在美国公开号US2007/0255032A1中有更全面的描述，此公开关于分散剂的内容以引用方式并入本文。一种类型的此类PCE211型分散剂的分子量可为约20,000至约60,000道尔顿。已发现较低分子量的分散剂引起比分子量高于60,000道尔顿的分散剂少的凝固时间延迟。通常，导致总分子量的增加的较长的侧链长度提供较好的分散性。然而，对石膏的试验表明，在分子量在50,000道尔顿以上时，分散剂的功效可能下降。
另一类聚羧酸盐化合物包括美国专利号6,777,517中公开的那些(此专利关于分散剂的内容以引用方式并入本文)，并在后文称为“2641-型分散剂”。PCE211-型和2641-型分散剂的例子由BASF生产。优选的2641-型分散剂由BASF以MELFLUX2641F、MELFLUX2651F和MELFLUX2500L分散剂出售。
再一分散剂家族由BASF出售并称为“1641-型分散剂”。1641-型分散剂在美国专利号5,798,425中有更全面的描述，此专利关于分散剂的内容以引用方式并入本文。此类1641-型分散剂中之一由BASF以MELFLUX1641F分散剂销售。其它分散剂包括其它聚羧酸醚如可得自Coatex，Inc.，Chester，S.C.的COATEXEthacrylM以及木质素磺酸盐或磺化木质素。木质素磺酸盐为水溶性的阴离子型聚电解质聚合物，为来自使用亚硫酸盐制浆的木浆生产的副产物。可用于本发明的原理的实施中的木质素的一个例子为可得自ReedLigninInc.，Greenwich，Conn.的MarasperseC-21。
在其它实施例中，组合物、墙板或方法可以是“基本上不含”分散剂的，其意思是所述组合物、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的分散剂或无这样的分散剂，或(ii)无效的量的分散剂，或(iii)非实质性的量的分散剂。无效的量的一个例子为在取得使用分散剂的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。非实质性的量可为例如基于灰泥的重量计约5重量％以下，如约2重量％以下、约1重量％以下、约0.5重量％以下、约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。然而，如果在替代的实施例中需要，则组合物、墙板或方法中可包含此类成分。
可向石膏组合物中加入淀粉来改善板强度和纸对芯的粘附。不希望受理论束缚，但可向灰泥浆料中加入糊化淀粉来降低浆料的流动性。本发明的淀粉可在加到灰泥组合物之前糊化(即，预糊化)。在一些实施例中，糊化淀粉在加到浆料中时是部分糊化的，剩余的糊化在干燥步骤中(例如，在窑中)进行。
灰泥浆料可以任何量包含糊化淀粉。在一些实施例中，基于灰泥的重量计，淀粉的量高于约1重量％。在本发明的实施例中，基于灰泥的重量计，糊化淀粉以重量计的量可例如为如表1D中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示糊化淀粉的量(表1D)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1D中的第一个“X”为范围“约1％至约1.5％”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1D
本领域普通技术人员应懂得预糊化生淀粉的方法，如在至少约185°F(85℃)的温度下于水中蒸煮生淀粉或其它方法。预糊化淀粉的合适例子包括但不限于可自BungeMillingInc.商购获得的PCF1000淀粉及均可自ArcherDanielsMidlandCompany商购获得的AMERIKOR818和HQMPREGEL淀粉。另外，芯可任选地包含以具有“中档”粘度(即，具有约20厘泊至约700厘泊的粘度)为特征的预糊化淀粉。
在一些实施例中可使用增稠剂来获得在成型生产线上制造板的合适流变性。可向浆料中加入充分地降低灰泥浆料的流动性所需的任何增稠剂。例如，可向石膏组合物中加入硅灰、波特兰水泥、粉煤灰、粘土、纤维素纤维以及它们的混合物。这对于在生产线速度高于200ft/分钟的生产线上增稠浆料最为有利。也可向石膏浆料中加入高分子量聚合物如聚丙烯酰胺来降低浆料的流动性。在一些实施例中，可以基于灰泥的重量计低于约10重量％向浆料中加入增稠剂或增稠剂的混合物。
在一些实施例中，可向芯加入高膨胀颗粒。例如，可向浆料加入未膨胀的蛭石来进一步改善耐火极限。与用较大量蛭石和包含低的水-灰泥比率的浆料制成的芯相比，由具有提高的水-灰泥比率的灰泥浆料制成的石膏芯可具有较小的量的蛭石来提高耐火极限。
在一些实施例中，灰泥浆料包含低于约5重量％的蛭石。可采用较低膨胀的蛭石如被称为“第5级”未膨胀蛭石(具有低于约0.0157英寸(0.40mm)的典型粒度)的那种，或相对于第5级蛭石(美国分级体系)具有高的膨胀体积的蛭石形式的高膨胀微粒，和其它低膨胀蛭石。在其它实施例中，可使用按不同的分级体系分类的高膨胀蛭石。这样的高膨胀蛭石应具有本文中讨论的那些所典型的基本相似的膨胀和/或耐热特性。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，采用的高膨胀蛭石可包括可通过各种来源商购获得的市售美国4级蛭石。商品生产者可提供高膨胀蛭石的物理性质规格，例如莫氏硬度、总水分、游离水分、堆积密度、特定比率、纵横比、阳离子交换容量、溶解度、pH(在蒸馏水中)、膨胀比率、膨胀温度和熔点。预计在使用不同来源的高膨胀蛭石的不同实施例中，这些物理性质将有差异。
在一些实施例中，通常使高膨胀蛭石颗粒分布遍及石膏面板的芯部分。在其它实施例中，通常使高膨胀蛭石颗粒均匀分布遍及石膏面板的芯部分。通常可使高膨胀蛭石无规分布遍及芯的任何降低了密度的部分。在一些实施例中，可能希望在板的较致密部分中具有不同的蛭石分布，如在邻近面板面的任何增加了密度的石膏层中或在芯的沿面板边缘具有较高密度的部分中。在其它实施例中，面板的那些较致密部分如硬化的边缘和面板的面可基本上不包含高膨胀蛭石。面板的较致密部分中的蛭石颗粒含量和分布的此类变化可以是自芯浆料混合器抽吸芯浆料以用于面板的这些部分中、通过其它适宜的措施向用于面板的降低了密度的芯部分的浆料中引入蛭石、通过使用刃型混合器或本领域技术人员已知的其它措施的结果。
在其它实施例中，组合物、墙板或方法可“基本上不含”高膨胀材料如蛭石，其意思是所述组合物、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的此类高膨胀材料如蛭石或无此类高膨胀材料如蛭石，或(ii)无效的量的高膨胀材料如蛭石，或(iii)非实质性的量的高膨胀材料如蛭石。无效的量的一个例子为在取得使用高膨胀材料如蛭石的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。量可为例如基于灰泥的重量计约5重量％以下，如约2重量％以下、约1重量％以下、约0.5重量％以下、约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。然而，如果在替代的实施例中需要，则组合物、墙板或方法中可包含此类成分。
本发明可采用与现有技术中用来制备各种含凝固石膏的产品的那些相似的组合物和方法来实施。在芯中，用来形成结晶基质的灰泥(或煅石膏)组分通常包含来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物，基本上由来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物组成，或者由来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物组成。在一些实施例中，灰泥可包含非石膏材料，如较小量的粘土或者伴随石膏源或在煅烧、加工和/或递送的过程中加入的其它组分。
在本发明的实施中，石膏芯可以赋予所需性质和方便制造的常规量包含常规的添加剂如合适的水性泡沫、促凝剂、缓凝剂、再煅抑制剂、粘结剂、粘合剂、均化或非均化剂、杀细菌剂、杀真菌剂、pH调节剂、着色剂、增强材料、阻燃剂、防水剂、填料、尺寸强化剂以及它们的混合物。另外，石膏芯可包含添加剂如膦酸和/或膦酸盐化合物、磷酸和/或磷酸盐化合物、羧酸和/或羧酸盐化合物、硼酸和/或硼酸盐化合物以及它们的混合物。
本发明的含石膏组合物中可如美国专利号6,409,825中所述使用促进剂，该专利关于促进剂的内容以引用方式并入本文。一种可取的耐热促进剂(HRA)可由石膏粉(二水合硫酸钙)的干磨制成。为制备此HRA，可使用少量的添加剂(通常约5重量％)如糖、右旋糖、硼酸和淀粉。目前优选糖或右旋糖。另一可用的促进剂为如美国专利号3,573,947中所述的“气候稳定化促进剂”或“气候稳定的促进剂”(CSA)，该专利关于促进剂的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，向用来制备芯的石膏浆料中加入三偏磷酸盐化合物以增强板的强度和减少石膏产品的永久变形。包含三偏磷酸盐化合物的石膏组合物在美国专利号6,342,284中有公开，该专利关于三偏磷酸盐化合物的内容以引用方式并入本文。示例性的三偏磷酸盐包括三偏磷酸钠盐、三偏磷酸钾盐或三偏磷酸锂盐，如可得自Astaris，LLC.，St.Louis，Mo的那些。
在本发明的实施例中，可采用发泡剂来在凝固石膏产品中产生空隙，例如小的空气空隙。可通过泡沫泵向灰泥石膏浆料中引入泡沫。或者，可直接向灰泥石膏浆料中加入液体皂。许多此类发泡剂是熟知的并易于商购获得，例如自GEOSpecialtyChemicals，Ambler，Pa。关于可用的发泡剂的更多描述，参见例如：美国专利号4,676,835、5,158,612、5,240,639和5,643,510，这些专利关于发泡剂的内容以引用方式并入本文。
许多情况下优选在石膏产品中形成空气空隙以便帮助保持其强度。这可通过采用在与煅石膏浆料接触时生成较不稳定的泡沫的发泡剂来实现。优选地，这通过共混较大量已知生成较不稳定的泡沫的发泡剂与较小量已知生成较稳定的泡沫的发泡剂来实现。
这样的发泡剂混合物可“离线”预共混，即与制备发泡石膏产品的工艺分开预共混。然而，优选作为工艺的不可缺少的“在线”部分同时且连续地共混此类发泡剂。这可例如通过泵送不同的发泡剂的单独的流并使所述流在用来生成水性泡沫的流的泡沫发生器处或紧之前汇合于一起实现，所述水性泡沫的流然后被添加到煅石膏浆料并与煅石膏浆料混合。通过以这种方式共混，可以简单且高效地调节共混物中发泡剂的比率(例如，通过改变所述单独的流中的一者或两者的流量)来在发泡凝固石膏产品中获得所需的空隙特性。这样的调节应响应于为确定是否需要这样的调节而对最终产品的检测来进行。此类“在线”共混和调节的更多描述可见于美国专利号5,643,510和美国公开号5,683,635中，它们关于发泡剂的内容以引用方式并入本文。
一种可用来生成不稳定泡沫的发泡剂类型的例子具有下式：
ROSO3M(Q)
其中，R为含2至20个碳原子的烷基，M为阳离子。优选地，R为含8至12个碳原子的烷基。
一种可用来生成稳定泡沫的发泡剂类型的例子具有下式：
CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3M(J)
其中，X为2至20的数，Y为0至10的数并且在至少50重量％的发泡剂中大于0，M为阳离子。
在本发明的一些优选实施例中，将具有上面式(Q)和(J)的发泡剂共混于一起，使得式(Q)发泡剂和其中Y为0的式(J)发泡剂部分一起构成所得发泡剂共混物的86至99重量％。
在本发明的一些优选实施例中，已自具有下式的预共混发泡剂生成水性泡沫：
CH3(CH2)xCH2(OCH2CH2)yOSO3M(Z)
其中，X为2至20的数，Y为0至10的数并且在至少50重量％的发泡剂中为0，M为阳离子。优选地，在86至99重量％的式(Z)发泡剂中Y为0。
可以提供降低的芯密度和面板重量的量向芯浆料中引入泡沫。以合适的量、配方和工艺向芯浆料中引入泡沫可在最终经干燥面板的芯内产生空气空隙及空气空隙之间的壁的所需网络和分布。在一些实施例中，泡沫组合物和泡沫引入系统所提供的空气空隙大小、分布和/或空气空隙之间的壁厚与下面所讨论的那些以及提供与面板相当的密度、强度和相关性质的那些一致。此空气空隙结构允许减少石膏和其它芯成分以及芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改善)面板强度性质如芯压缩强度、面板刚度、挠曲强度、拔钉阻力等。
在一些这样的实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为至少约75μm，在其它实施例中至少约100μm。在其它实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约75μm至约400μm。在还其它的实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约100μm至约350μm，标准偏差为约100至约225。在其它实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约125μm至约325μm，标准偏差为约100至约200。
在一些实施例中，约15％至约70％的空气空隙具有约150μm或更小的等效球体直径。在其它实施例中，约45％至约95％的空气空隙具有约300μm或更小的等效球体直径，而约5％至约55％的空气空隙具有约300μm或更大的等效球体直径。在其它实施例中，约45％至约95％的空气空隙具有约300μm或更小的等效球体直径，而约5％至约55％的空气空隙具有约300μm至约600μm的等效球体直径。在本文中平均空气空隙大小的讨论中，在计算空气空隙数或平均空气空隙大小时不考虑石膏芯中为约5μm或更小的空隙。
在这些及其它实施例中，此类实施例中空隙之间壁的厚度、分布和排列，单独地和/或与所需的空气空隙大小分布和排列组合地，也允许减小面板芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改善)面板强度性质。在一些这样的实施例中，分开空气空隙的壁的平均厚度可为至少约25μm。在一些实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约200μm、在其它实施例中约25μm至约μm、在还其它的实施例中约25μm至约50μm的平均厚度。在还其它的实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约75μm的平均厚度，标准偏差为约5至约40。在还其它的实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约50μm的平均厚度，标准偏差为约10至约25。
使用发泡剂来产生所需空隙和壁结构的例子包括美国专利号5,643,510和美国专利申请号2007/0048490中讨论的那些，它们关于发泡剂、空隙和壁结构的内容以引用方式并入本文。在一些实施例中，可在芯浆料混合物中使用第一更稳定的发泡剂与第二较不稳定的发泡剂的组合。在其它实施例中，使用仅一种类型的发泡剂，只要满足所需密度和面板强度要求即可。向芯浆料加入泡沫的方法是本领域已知的并且这样的方法的例子在美国专利号5,643,510和5,683,635中有讨论，它们关于发泡剂的公开内容以引用方式并入本文。
可以任何足够的量向浆料中加入发泡剂。在一些实施例中，向浆料中加入有效地形成具有约0.1lb至约2lb每1000ft2板的量的活性发泡剂的板的发泡剂。在一些实施例中，向浆料中加入有效地形成具有约0.1lb至约2lb每1000ft2板的量的活性发泡剂的板的发泡剂。在本发明的实施例中，板中的活性发泡剂可例如为如表1E中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以lb/1000ft2计的发泡剂(表1E)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1E中的第一个“X”为范围“约0.1lbs/ft3至约0.2lbs/ft3”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1E
在其它实施例中，组合物、墙板或方法可“基本上不含”发泡剂，这意思是所述组合物、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的发泡剂或无这样的发泡剂，或(ii)无效的量的发泡剂，或(iii)非实质性的量的发泡剂。无效的量的一个例子为在取得使用发泡剂的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。量可为例如基于灰泥的重量计约5重量％以下，如约2重量％以下、约1重量％以下、约0.5重量％以下、约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。然而，如果在替代的实施例中需要，则组合物、墙板或方法中可包含此类成分。
为制备板，可以与在工业规模上制造预制体相似的方式在片材上沉积呈浆料形式的至少灰泥与水的混合物并形成为层以产生板。浆料可使用约0.7至约2.0的范围内的水-灰泥比率制备。可使浆料在第一片材的宽度上于预定的大致厚度下铺展以形成芯。在工业环境中，使连续的面板沿传送带输送以允许时间供石膏水合。当芯充分水合并硬化时，将其切割成一个或多个所需的大小以形成一个一个单独的石膏板。然后将板转移到温度足以干燥面板至所需水分水平的窑中并通过窑。在一些实施例中，通过顶部和底部高密度粘结层向凝固石膏芯粘结覆盖片材。
本发明的墙板可具有约24lbs/ft3至约48lbs/ft3的板密度。在一些实施例中，板密度为约24lbs/ft3至约40lbs/ft3。在一些实施例中，板密度为约24lbs/ft3至约33lbs/ft3。在本发明的实施例中，板密度可例如为如表1F中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以lbs/ft3计的板密度(表1F)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1F中的第一个“X”为范围“约24lbs/ft3至约25lbs/ft3”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1F
石膏板的典型厚度为1/2英寸和5/8英寸，但可在1/4英寸至1英寸范围内。可使用本文描述的方法和系统产生任何厚度的墙板。在本发明的实施例中，墙板厚度可例如为如表1G中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以英寸计的板的厚度(表1G)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1G中的第一个“X”为范围“约0.59英寸至约0.6英寸”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1G
可使用纸片材如Manila纸或牛皮纸作为覆盖片材。可用的覆盖片材纸包括可得自UnitedStatesGypsumCorporation，Chicago，IL.的Manila7层纸和News-Line5层纸；可得自Caraustar，Newport，Ind.的Grey-Back3层纸和ManilaIvory3层纸；和可得自UnitedStatesGypsumCorporation，Chicago，Illinois的Manila厚纸和MHManilaHT(高拉伸)纸。一种示例性的背覆盖片材纸为5层newsline。另外，纤维素纸可包含任何其它材料或材料的组合。例如，覆盖片材可包含玻璃纤维、陶瓷纤维、矿棉或上述材料的组合。
在其它实施例中，覆盖片材可包含垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材，基本上由垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材组成，或者由垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材组成，或者可使用纸与其它纤维材料的组合作为覆盖片材中之一或二者。如本文所用，术语“垫”包括网格材料。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成的垫。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)和聚醋酸乙烯酯(PVAc)。有机纤维的例子包括棉、人造丝等。垫的纤维可以是经涂覆或未经涂覆的。合适类型纤维垫的选择将部分地取决于其中使用板的应用类型。
在一些实施例中，本发明的板具有低于40lb/ft3的密度和可满足ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)的标准的拔钉阻力。更特别地，如根据ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)的标准所测得，此类板，在具有约5/8英寸的厚度时，可具有至少约70lbs的拔钉阻力。在本发明的实施例中，拔钉阻力可例如为如表1H中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以lbs计的板的拔钉阻力(表1H)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1H中的第一个“X”为范围“约70lbs至约72lbs”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1H
在一些实施例中，可使用根据本发明的原理形成的石膏板构造符合UnderwritersLaboratories，Inc.组件的规范如U419、U305和U423的组件。可根据加热曲线，如ASTME119(例如，ASTME119-09a)程序中讨论的那些，使组件一侧的面暴露于渐增的温度达一段时间。试验过程中监测紧邻加热侧的温度和组件未加热侧的表面处的温度来评估暴露的石膏面板所经历的温度和通过组件向未暴露面板传输的热。组件如采用如ASTME119耐火试验中要求的负载木壁骨框架的那些中石膏面板的耐火性能的一个有用指标在论文Shipp，P.H.，和Yu，Q.，″ThermophysicalCharacterizationofTypeXSpecialFireResistantGypsumBoard，″ProceedingsoftheFireandMaterials2011Conference，SanFrancisco，31stJanuary-2ndFebruary2011，InterscienceCommunicationsLtd.，London，UK，pp.417-426中有讨论。此论文讨论了承重木框架墙组件的广泛系列E119耐火试验及其按E119耐火试验程序的预期性能。美国专利号8,323,785关于ASTME119的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，在有或无空腔绝缘的情况下，根据本发明的原理及根据U419组件的规范形成的石膏板组件具有至少约60分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U305组件的规范形成的石膏板组件具有至少约55分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U305组件的规范形成的石膏板组件具有至少约60分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U423组件的规范形成的石膏板组件具有至少约60分钟的耐火等级。
除常见的试验方法外，可使用小规模耐火极限指数(FEI)试验来分析本发明提高耐火极限的实用性。FEI试验为小规模试验装置和方法，作为典型的大规模墙板试验的替代方案而开发。耐火极限等级通常通过在经认证的耐火试验实验室中根据ASTM标准进行全尺寸(在100ft2墙面积下)耐火试验而取得，这样的试验耗时、昂贵且不适合于工作台研究和质量控制。
图2中以横截面示出了试验系统200的示意图。试验系统200包括马弗炉202，其具有形成炉室206的封壳204。室206可用门208关闭并在其内包括热源210。热源210可为任何已知类型的热源如燃烧燃料的燃烧器或电阻加热器，其运行以在室206内产生通常均匀分布的温度曲线。
在图2的示意图中，板样品212示意为在试验过程中设置在炉室206内。在所示意的实施例中，样品212垂直安装在室206内与门孔偏移一定距离处使得在样品212的背面215与门208的面向烘箱侧之间形成间隙214。隔离物216设置在样品212与门208之间与彼此一定距离处以模拟成品墙组件中隔开墙板的壁骨。虽然间隙214示意为空的，但在替代的实施例中，间隙214可填充以墙体绝缘材料。此外，可使用金属或木制壁骨代替隔离物216。隔离物可连接到样品212，并且在某些实施例中，可与样品212一道经受压缩载荷以模拟承重墙。
在试验过程中，热电偶218或其它温度传感装置连接到样品的背面215。背面215可比样品的前面厚。热电偶218在与样品212的表面一小段距离处具有传感尖端。在替代的实施例中，传感尖端可接触样品212或在样品212内。热电偶218配置为在试验过程中感测样品212的背面的表面温度或表面附近的温度。热电偶218连接到数据采集单元220，其运行以向热电偶218提供电能、自其接收指示样品212的表面温度的信息、记录该温度信息并任选地或在计算机(未示出)的帮助下绘制温度信息随时间的关系或以其它方式对该信息进行数值分析。
在进行试验时，通过适宜地控制热源210的强度使马弗炉炉室206的温度随时间逐步升高。在一个实施例中，设置炉温传感器222来测量炉室206的温度、向加热器控制器224并任选地还向数据采集单元220提供指示炉室温度的信息。加热器控制器224可基于传感器222提供的信息以闭环方式运行以通过适宜地且自动地调节热源210的强度而为室206提供预定的加热曲线。室206的温升还可任选地由数据采集单元220记录以建立试验完整性。
图3的时间曲线图中示出了炉室的样品加热曲线。该曲线图沿垂直轴绘制了所需室温(°F)并沿水平轴绘制了时间(分钟)，如自该图可见，在试验的最初43分钟，室206按对数趋势从约400°F的温度逐步加热到约1,423°F的温度，并且试验的剩余时间保持在此温度下，这在所示图中继续约1小时。因此，试验是在第一加热时间段226进行，并然后在稳定时间段228继续，如图3的图上所标示。
已确定，试验过程中通过样品212的传热，如由样品的背面215上测得的表面温度所反映，与在全尺寸耐火试验中通过墙板的预期传热同时发生并指示通过墙板的预期传热。本质上，本文描述的试验测定通过样品的传热率。在一个实施例中，可使用在板的两侧上取得的温度读数来实时估计通过板的传热率。通过比较不同产品的传热曲线并将曲线与其实际耐火试验结果相关联，可有利地实现不同产品的耐火极限性能的判断和预测。在图2中示出的试验装置中，样品尺寸选择为具有6.125”x6.625”的尺寸和0.625”的厚度的矩形样品。空腔214的深度为7/8”，热电偶218位于门208的几何中心中，其中热电偶218的传感探头从门208的内表面沿样品212的方向伸出约11/16”。这样，热电偶的尖端与样品的表面离开3/16”。贴靠样品放置玻璃棉框架以充当隔离物216并保持样品于适当位置，同时还密封门框架以防热漏失。对于半英寸厚的样品，可在样品后面放置厚0.125”的金属框架来保持热电偶与样品之间的间隙并保护其余的试验装置。设置马弗炉的控制器224以从200℃运行至773℃。图3中示出了马弗炉前端的实际温度曲线。
该试验针对一种特定的板样品提供了温度-时间曲线。可自该曲线确定耐火极限指数(FEI)。耐火极限指数定义为在小规模耐火试验中试样的背侧处达到600°F所需的时间。图4中绘制了数据点A、B、C和D并示出了FEI与来自U419全尺寸耐火试验的耐火极限时间之间的相关性。耐火试验组件的其它设计如U305和U423也可自FEI外推。
在一些实施例中，石膏板具有比包含用低于约0.7的水-灰泥比率形成的凝固石膏的板高至少3分钟的耐火极限指数(FEI)。在一些实施例中，石膏板具有比包含用低于约0.7的水-灰泥比率形成的凝固石膏的板高至少4分钟的耐火极限指数(FEI)。
因此，在一个实施例中，耐火石膏板包含：设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水。所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率。所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个实施例中，凝固石膏组合物以基于灰泥的重量计高于约1重量％的量包含糊化淀粉。
在另一个实施例中，凝固石膏组合物包含增稠剂。
在另一个实施例中，增稠剂为硅灰、波特兰水泥、粉煤灰、粘土、细纤维素颗粒或高分子量聚合物或它们的任何混合物。
在另一个实施例中，基于灰泥的重量计，增稠剂少于约10重量％。
在另一个实施例中，高分子量聚合物为聚丙烯酰胺。
在另一个实施例中，组合物还包含高热膨胀颗粒。
在另一个实施例中，高热膨胀颗粒为蛭石。
在另一个实施例中，基于灰泥的重量计，蛭石少于约5重量％。
在另一个实施例中，石膏板具有约24lbs/ft3至约33lbs/ft3的板密度。
在另一个实施例中，石膏板具有约0.25英寸至约1.0英寸的厚度。
在另一个实施例中，石膏板具有约0.59英寸至约0.65英寸的厚度。
在另一个实施例中，石膏板具有比包含用低于约0.7的水-灰泥比率形成的凝固石膏的板高至少3分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个实施例中，石膏板具有比包含用低于约0.7的水-灰泥比率形成的凝固石膏的板高至少4分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个实施例中，在将板构建成根据ULU305的试验组件时，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时板具有至少约55分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，将板构建成根据ULU305的试验组件并在根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时具有至少约60分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，在将板构建成根据ULU419的试验组件时，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时板具有至少约60分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，耐火石膏板包含：设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水。所述浆料具有约1.2至约2.0的水-灰泥比率。所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约54分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个实施例中，用于制造耐火石膏板的方法包括：(a)形成至少灰泥和水的混合物；(b)设置浆料于第一片材上；(c)在所述浆料上设置第二片材以形成具有两个覆盖片材的板预制体；(d)在浆料对于切割来说已充分硬化后将所述板预制体切割成具有预定尺寸的板；和(e)干燥所述板。所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率。当干燥时，所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
在另一个实施例中，水-灰泥比率为约1.2至约2.0。
应指出，前面的仅是实施例的例子。其它示例性实施例从本文的描述的整个内容显而易见。本领域普通技术人员还应理解，这些实施例中的每一个可以与本文提供的其它实施例的各种组合使用。
以下实例进一步示意本发明，但当然不应理解为以任何方式限制其范围。
实例1-水-灰泥比率对耐火极限的影响
本实例证实水-灰泥比率(WSR)对墙板的耐火极限的影响。相应地，使用FEI小规模试验装置(图2)测试用1.0至1.9的水-灰泥比率制得的五个石膏板(样品1-5)。
表2
在实验室中，通过混合700g灰泥、3.5g促进剂(细磨石膏)、10g干预糊化淀粉、1.4g三偏磷酸钠和1g短切玻璃纤维来制备灰泥浆料(参见表2)。在单独的钢杯中称取对应于形成1.0、1.2、1.4、1.6和1.9的水-灰泥比率所需的量的预定的量的水。向每一钢杯中加入0.9g分散剂和至多2滴缓凝剂。在水溶液达到室温后，将钢杯安装到Hobart混合器下。向该水溶液中加入灰泥混合物并立即混合。随后，启动泡沫泵并根据预定的喷射率向杯中喷射泡沫。预先计算泡沫喷射时间使得板具有大约1700lbs/MSF的干密度，每一个板需要不同的喷射率。在泡沫喷射后将组合物再混合5秒。立即将浆料倒入预制的纸信封(用34lbs/MSFnewsline和49lbs/MSFmanila纸制成)中，并通过夹在两个间隔开的铝板之间来流延以制成5/8英寸的板。流延后，将板放置到预设置于350°F的烘箱中。30分钟后，将板转移到预设置于110°F的另一烘箱。让板留在烘箱中两夜，然后从烘箱取出并称重。将每一干板切割成6.625英寸x6.125英寸的样品。
表3：用各种水-灰泥比率制成的板的耐火极限
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品1-5以确定其相应的FEI。图5中示出了五个样品中的每一个的温度迹线，其中时间沿水平轴绘制而每一样品的背面的未暴露表面温度沿垂直轴绘制。在图5的图中，线301表示用1.0的WSR制成的板(样品1)的温度迹线，线302表示用1.2的WSR制成的板(样品2)的温度迹线，线303表示用1.4的WSR制成的板(样品3)的温度迹线，线304表示用1.6的WSR制成的板(样品4)的温度迹线，线305表示用1.9的WSR制成的板(样品5)的温度迹线，并且“FEI”线306自315.6℃(600°F)的温度水平延伸以表示两个样品的FEI。
如自图5的图可计算，用1.0的WSR制成的板(样品1)的耐火极限指数为52.0分钟，用1.2的WSR制成的板(样品2)的耐火极限指数为54.4分钟，用1.4的WSR制成的板(样品3)的耐火极限指数为57.1分钟，用1.6的WSR制成的板(样品4)的耐火极限指数为57.9分钟，而用1.9的WSR制成的板的耐火极限指数为60.0分钟。图5中的加热曲线表明在约250°F(板在其下完成煅烧的温度)后，通过样品的传热取决于水-灰泥比率和因此的微观水空隙数。具有高的水-灰泥比率的板含有较大数量的微观空隙，这使得水蒸气更难以逃离芯。
此实例证实，较高的水-灰泥比率增大石膏墙板的耐火极限。
实例2-板重量对具有高的水-灰泥比率的板的耐火极限的影响
本实例证实高的水-灰泥比率对轻质/低密度墙板的耐火极限的影响。相应地，使用FEI小规模试验装置(图2)测试基重为1235lbs/MSF的板(样品6)、基重为1357lbs/MSF的板(样品7)和基重为1422lbs/MSF的板(样品8)。样品6-8使用1.9的水-灰泥比率制成。
在实验室中，通过混合700g灰泥、3.5g促进剂(细磨石膏)、10g干预糊化淀粉、1.4g三偏磷酸钠和1g短切玻璃纤维来制备灰泥浆料(参见表2)。向Warring共混器中称取对应于形成1.9的水-灰泥比率所需的量的预定的量的水。向该Warring共混器中加入0.9g分散剂和0.2g至0.6g液体皂。在水溶液达到室温后，向共混器中加入灰泥混合物并立即混合。随着高速混合作用向浆料中吸入空气，泡沫生成。七秒钟后，将浆料倒入预制的纸信封(用41lbs/MSFnewsline和53lbs/MSFmanila纸制成)中，并通过夹在两个间隔开的铝板之间来流延以制成5/8英寸的板。流延后，将板放置到预设置于350°F的烘箱中。30分钟后，将板转移到预设置于110°F的另一烘箱。让板留在烘箱中两夜，然后从烘箱取出并称重。将干板切割成6.625英寸x6.125英寸的样品。
表4：低密度墙板的耐火极限指数
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品6-8以确定其相应的FEI。图6中示出了三个样品中的每一个的温度迹线，其中时间沿水平轴绘制而每一样品的背面的未暴露表面温度沿垂直轴绘制。在图6中，短虚线307表示基重为1235lbs/MSF的板(样品6)的温度迹线，实线308表示基重为1357lbs/MSF的板(样品7)的温度迹线，短虚线309表示基重为1422lbs/MSF的板(样品8)的温度迹线，并且“FEI”线310自315.6℃(600°F)的温度水平延伸以表示两个样品的FEI指数。
如自图6的图可计算，基重为1235lbs/MSF的板(样品6)的FEI为57.3分钟，基重为1357lbs/MSF的板(样品7)的FEI为59.5分钟，而基重为1422lbs/MSF的板(样品8)的FEI为61.3分钟。
此实例证实在约5/8英寸的厚度下不同重量的石膏墙板均表现出高水-灰泥比率的耐火极限。
实例3-高的水-灰泥比率和蛭石
本实例研究蛭石与高的水-灰泥比率相结合对墙板的耐火极限的影响。相应地，使用耐火极限指数(FEI)小规模试验装置(图2)测试用0至100lbs/MFS的蛭石量制得的五个石膏板(样品9-13)。样品9-13使用1.4的水-灰泥比率制成。
表5
在实验室中，通过混合700g灰泥、3.5g促进剂(细磨石膏)、10g干预糊化淀粉、1.4g三偏磷酸钠、1g短切玻璃纤维和蛭石来制备灰泥浆料(参见表5)。向单独的钢杯中加入对应于形成1.4的水-灰泥比率所需的量的预定的量的水。向每一钢杯中加入0.9g分散剂和至多2滴缓凝剂。在水溶液达到室温后，将钢杯安装到Hobart混合器下。向该水溶液中加入灰泥混合物并立即混合。随后，启动泡沫泵并根据预定的喷射率向杯中喷射泡沫。预先计算泡沫喷射时间以制造具有大约1600lbs/MSF的板(参见表6)。在泡沫喷射后将组合物再混合5秒。立即将浆料倒入预制的纸信封(用34lbs/MSFnewsline和49lbs/MSFmanila纸制成)中，并通过夹在两个间隔开的铝板之间来流延以制成5/8英寸的板。流延后，将板放置到预设置于350°F的烘箱中。30分钟后，将板转移到预设置于110°F的另一烘箱。让板留在烘箱中两夜，然后从烘箱取出并称重。将干板切割成6.625英寸x6.125英寸的样品。
表6：包含蛭石的板的耐火极限指数
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品9-13以确定其相应的FEI。图7中示出了四个样品的温度迹线，其中时间沿水平轴绘制而每一样品的背面的温度沿垂直轴绘制。在图7的图中，线311表示对照板(样品9)的温度迹线，线312表示具有25lbs/MSF蛭石的板(样品10)的温度迹线，线313表示具有50lbs/MSF蛭石的板(样品11)的温度迹线，线314表示具有75lbs/MSF的板(样品12)的温度迹线，并且“FEI”线315自315.6℃(600°F)的温度水平延伸以表示两个样品的FEI指数。
如自图7的图可计算，不包含蛭石的板(样品9)的耐火极限指数为55.1分钟，包含25lbs/MSF蛭石的板(样品10)的耐火极限指数为57.2分钟，包含50lbs/MSF蛭石的板(样品11)的耐火极限指数为57.8分钟，包含75lbs/MSF蛭石的板(样品12)的耐火极限指数为58.9分钟，而包含100lbs/MSF蛭石的板(样品13)的耐火极限指数为56.0分钟。发现当样品包含100lbs/MSF蛭石时(样品13)板完整性损坏。图7中的加热曲线揭示，随着蛭石的量从零增至75lbs/MSF，板的耐火极限指数从55.1分钟增至58.9分钟。进一步增加蛭石可能损坏板完整性，从而有损板的耐火极限。
此实例证实，包含由具有高水-灰泥比率与蛭石的组合的浆料制成的芯的板可具有甚至更高的耐火极限。
在描述本发明的上下文中(尤其是在附随的权利要求的上下文中)术语“一个”、“一种”、“该/所述”和“至少一种(个)”及类似指示语的使用应理解为涵盖单数和复数二者，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。一个或多个项目的列表后术语“至少之一”的使用(例如，A和B中至少之一)应理解为指选自所列项目中的一个项目(A或B)或所列项目中两者或更多者的任何组合(A和B)，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)，另有指出除外。另外，在述及“包含”(或其等价物)的每一个地方，“包含”均应视为包括“基本上由……组成”和“由……组成”。因此，实施例“包含”一个或多个要素支持实施例“基本上由所述及的要素组成”和“由所述及的要素组成”。在述及“基本上由……组成”的每一个地方，均应视为包括“由……组成”。因此，实施例“基本上由一个或多个要素组成”支持实施例“由所述及的要素组成”。本文中值的范围的述及仅意在充当一个一个单独地提及落在范围内的每一个单独的值的速记法，本文中另有指出除外，并且每一个单独的值引入本说明书中就好像本文中一个一个单独地述及一样。本文中描述的所有方法均可以任何合适的顺序来执行，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。本文提供的任何和所有例子或示例性语言(例如，“如”)的使用仅意在更好地示意本发明而不构成对本发明的范围的限制，另有要求除外。说明书中任何语言均不应理解为暗示任何未要求的要素对于本发明的实施是必不可少的。
本文描述了本发明的优选实施例，包括本发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。阅读前面的描述后，这些优选实施例的变体对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。本发明人预计技术人员会视情况采用此类变型，并且本发明人意在本发明还以除本文明确描述的那些之外的方式实施。相应地，本发明包括适用法律所允许的其附随的权利要求书中述及的主题的所有变型和等价物。此外，本发明在其所有可能的变体中涵盖上述要素的任何组合，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。

Claims (10)

1.一种耐火石膏板，所述耐火石膏板包含：
设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水；
所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率；和
所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
2.根据权利要求1所述的耐火石膏板，其中所述凝固石膏组合物以基于所述灰泥的重量计高于约1重量％的量包含糊化淀粉。
3.根据权利要求1或2所述的耐火石膏板，其中所述凝固石膏组合物包含增稠剂，所述增稠剂选自硅灰、波特兰水泥、粉煤灰、粘土、细纤维素颗粒或高分子量聚合物或它们的任何混合物。
4.根据权利要求3所述的耐火石膏板，其中基于所述灰泥的重量计，所述增稠剂少于约10重量％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的耐火石膏板，其中所述组合物还包含高热膨胀颗粒。
6.根据权利要求5所述的耐火石膏板，其中所述高热膨胀颗粒为蛭石。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的耐火石膏板，其中所述石膏板具有约24lbs/ft3至约33lbs/ft3的板密度。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的耐火石膏板，其中所述石膏板具有比包含用低于约0.7的水-灰泥比率形成的凝固石膏的板高至少3分钟的耐火极限指数(FEI)。
9.一种耐火石膏板，所述耐火石膏板包含：
设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥和水；
所述浆料具有约1.2至约2.0的水-灰泥比率；
所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约54分钟的耐火极限指数(FEI)。
10.一种用于制造耐火石膏板的方法，所述方法包括：
形成至少灰泥和水的混合物，
设置所述浆料于第一片材上，
在所述浆料上设置第二片材以形成具有两个覆盖片材的板预制体，
在所述浆料对于切割来说已充分硬化后将所述板预制体切割成具有预定尺寸的板，和
干燥所述板；
所述浆料具有约0.7至约2.0的水-灰泥比率；
当干燥时，所述板具有约24lbs/ft3至约40lbs/ft3的密度，并且当在约5/8英寸的厚度下时，所述板具有如根据ASTMC473-09所测得至少约70lbs力的拔钉阻力，和高于约52分钟的耐火极限指数(FEI)。
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