CN112771010B - 包括未膨胀珍珠岩矿石的耐火石膏面板及制备其的方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了石膏面板及其制备方法。石膏面板包括石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏和未膨胀珍珠岩矿石，其中所述未膨胀珍珠岩矿石以大于除所述石膏之外的任何其他组分的量存在于所述石膏芯中。

Description

包括未膨胀珍珠岩矿石的耐火石膏面板及制备其的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2019年9月28日的美国临时专利申请62/738,518的优先权权益，该临时申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
背景技术
本发明整体涉及用于建筑构造的面板领域，更具体地讲，涉及石膏面板以及制作石膏面板的方法。
典型的建筑物面板(诸如内部建筑物面板、建筑物覆板、或屋顶面板)包括芯材料(诸如石膏)和垫覆面(诸如纸覆面或玻璃纤维垫覆面)。在制造过程中，通常将石膏芯材料作为浆料施加到垫覆面的表面并使其凝固，使得垫覆面和石膏芯粘附在界面处。常规地，此类面板很重——重量高于2000lbs/mf——并且较轻的面板可能遭受性能问题和/或需要昂贵的成分来实现某些特性(例如，物理特性和耐火性)。
因此，期望提供具有改善的物理特性和耐火性的轻质面板。
发明内容
在一个方面，提供了一种石膏面板，该石膏面板包括石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏和未膨胀珍珠岩矿石，其中所述未膨胀珍珠岩矿石以大于除所述石膏之外的任何其他组分的量存在于所述石膏芯中。
在另一方面，提供了一种制备石膏面板的方法，包括通过将灰墁、水和未膨胀珍珠岩矿石组合来形成第一石膏浆料；以及使第一石膏浆料凝固以形成石膏面板的芯的至少一部分，其中未膨胀珍珠岩矿石以大于除石膏之外的任何其他组分的量存在于石膏芯中。
附图说明
现参见附图，这些附图意在是示例性的而非限制性的，并且其中类似的元件被类似地编号。结合示出本公开的示例的附图来阐述具体的描述，其中使用相同的附图标号指示类似或相同的条目。本公开的某些实施方案可以包括附图中所示的那些以外的元件、部件和/或构型，并且在某些实施方案中，附图中所示的元件、部件和/或构型中的一些可能不存在。
图1为石膏面板的剖视图。
图2为石膏面板的剖视图
图3为石膏面板的剖视图。
图4为示出根据实施例经受高温收缩率测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图5为示出根据实施例经受高温芯完整性测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图6为示出根据实施例经受高温收缩率测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图7为示出根据实施例经受高温收缩率测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图8为示出根据实施例经受高温芯完整性测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图9为示出根据实施例经受高温芯完整性测试的各种实验样品的横截面的一组照片。
图10为示出根据实施例经受高温收缩率测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图11为示出根据实施例经受高温收缩率测试的各种实验样品的收缩率％的图。
图12为示出根据实施例经受高温热透射测试的各种实验样品的升温时间的曲线图。
图13为示出根据实施例经受高温芯内聚力测试的各种实验样品的挠曲时间的图。
具体实施方式
本文提供了石膏面板和面板系统以及它们的制造方法。面板可为轻质面板并且显示出改善的物理特性以及耐火性。具体地讲，这些面板包含未膨胀珍珠岩矿石(或未膨胀火山灰矿石，如将在下文更详细地讨论)作为石膏之后面板芯的第二最普遍组分。已发现，此类面板可减少在具有期望物理特性的轻质面板中实现耐火等级所需的昂贵成分的量。具体地讲，本文所述的石膏面板可有利地提供在石膏面板中使用蛭石的替代方案。在其他实施方案中，未膨胀珍珠岩矿石可与蛭石和/或粘土组合使用以实现期望的特性。
一般来讲，本公开涉及在石膏面板中使用未膨胀珍珠岩矿石以实现期望的轻质且阻燃的面板。然而，已发现未膨胀火山灰矿石一般表现出与未膨胀珍珠岩矿石的化学组成类似或相同的平均化学组成。(参见实施例和图10。)因此，如本文所用，术语“未膨胀珍珠岩矿石”旨在涵盖未膨胀珍珠岩矿石和其他材料，诸如未膨胀火山灰矿石，其显示出在未膨胀珍珠岩矿石平均范围内或类似于未膨胀珍珠岩矿石平均范围的平均化学组成分析，如实施例中所示。具体地讲，具有包含在±5％范围内的代表性未膨胀珍珠岩矿石样品的每种特定化学组分(例如每种氧化物化合物)的化学组成的材料应被认为落入用于这些目的的术语“未膨胀珍珠岩矿石”的范围内。
一般来讲，本公开旨在涵盖各种形式的石膏面板产品，诸如纸面防火面板、覆板面板、屋顶面板以及其他玻璃垫和纸面石膏面板。虽然可参考术语“防火”、“覆板”或“屋顶”来描述某些实施方案，但应当理解，本文所述的面板并不意在限于这些特定用途，并且被描述为防火面板、覆板面板或屋顶面板的面板的特征可被其他类型的石膏面板涵盖。
石膏面板或板可包括置于两个垫之间的一组石膏芯，其中没有一个垫、一个垫或两个垫可被涂覆。垫涂层可为基本上连续的阻挡涂层。如本文所用，术语“基本上连续阻挡涂层”是指在垫的表面上基本上不间断的涂层材料。
在制造期间，可将石膏浆料沉积在覆面材料诸如纸片或玻璃纤维垫的未涂覆表面上(其可离线或在线预涂覆)，并且凝固以形成面板的石膏芯。石膏浆料可粘附纸饰面材料或渗透玻璃纤维垫的厚度的一些部分，并且为面板提供机械粘结。石膏浆液可以设置在一个或多个层中，该一个或多个层具有相同或不同的组合物，包括一个或多个石板涂料层。如本文所用，术语“石板涂料”是指具有比形成石膏芯的石膏浆液的剩余部分更高的湿密度的石膏浆液。
虽然本公开整体涉及石膏面板，但应当理解，其他水泥基面板芯材料也旨在落入本公开的范围内。例如，水泥基面板芯材料诸如包括氧化镁或硅铝酸盐的那些可替代本文所公开的实施方案的石膏以实现类似的结果。
此外，虽然本公开的实施方案总体上结合纸饰面材料或玻璃纤维垫进行描述，但应当理解，在本发明的面板中也可使用其他垫材料，包括其他纤维垫材料。在某些实施方案中，非织造纤维垫由纤维材料形成，该纤维材料能够通过纤维垫的间隙与芯材料的部分之间的仿机械互锁而与建筑物面板芯的材料形成强结合。用于非织造垫中的纤维材料的示例包括矿物型材料，诸如玻璃纤维、合成树脂纤维以及它们的混合物或共混物。可以使用短切股线和连续股线两者。
本公开的各种实施方案仅用于说明的目的。单独地描述实施方案的不同步骤、部件和特征的参数，但可与权利要求的该描述一致地组合，以使得其他实施方案也能够被本领域的技术人员理解。本文所用的各种术语同样在以下描述中定义。
方法
本发明提供了制备包含未膨胀珍珠岩矿石的石膏面板的方法。具体地讲，这些方法可包括通过将灰墁、水和未膨胀珍珠岩矿石组合来形成第一石膏浆料，以及使第一石膏浆料凝固以形成石膏面板的芯的至少一部分，其中未膨胀珍珠岩矿石以大于除石膏之外的任何其他组分的量存在于石膏芯中。即，未膨胀珍珠岩矿石可以大于石膏芯中除石膏之外的所有其他成分的量存在。
例如，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，未膨胀珍珠岩矿石可以约1lb/msf至约300lb/msf的量存在于石膏芯中。例如，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，未膨胀珍珠岩矿石可以约1lb/msf至约200lb/msf的量存在于石膏芯中。例如，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，未膨胀珍珠岩矿石可以约10lb/msf至约300lb/msf的量，诸如约10lb/msf至约200lb/msf、约50lb/msf至约150lb/msf、约70lb/msf至约140lb/msf、或约75lb/msf至约125lb/msf的量存在于石膏芯中。如本文所用，“msf”是指1,000平方英尺。
本文给出的面板厚度范围意在为示例性的，并且应当理解，根据本公开的面板可具有任何合适的厚度。在存在于面板内的材料的量以lb/msf为单位在面板的特定厚度范围内限定的情况下，应当理解，所描述的每体积面板所存在的相关材料的量可适用于各种其他面板厚度。在某些实施方案中，面板的厚度为约1/4英寸至约1英寸。例如，面板的厚度可以为约1/2英寸至约5/8英寸，诸如约1/2英寸至约3/4英寸，如一般所述的。
如本文所用，术语“约”用于指其描述的相关数字的±2％。这些方法可用于生产具有本文所述的特征中的任一个或特征的组合(诸如改善的物理特性，诸如强度特性和耐火性)的石膏面板。
在某些实施方案中，未膨胀珍珠岩矿石可具有有效实现石膏板的期望物理特性的粒度。例如，未膨胀珍珠岩矿石可具有约ASTM 400号筛(0.037mm)至约ASTM 5号筛(4mm)的平均粒度。例如，未膨胀珍珠岩矿石可具有约200号筛至约20号筛、约150号筛至约40号筛、约110号筛至约60号筛、或约140号筛至约70号筛的平均粒度。已发现，作为石膏板中蛭石的替代物或与蛭石组合，具有广泛粒度范围的未膨胀珍珠岩矿石可有效地实现耐火特性。
在某些实施方案中，本公开的石膏浆料还包含一种或多种成分或添加剂以实现期望的板特性。各种添加剂在本文中有所讨论，并且可以任何组合使用。具体地讲，合适的添加剂可包括但不限于淀粉、玻璃纤维、分散剂、球磨促进剂、缓凝剂、碳酸钾、多磷酸盐和聚合物粘合剂中的一种或多种。
例如，合适的多磷酸盐可包含在石膏浆料中。例如，多磷酸盐可以是三偏磷酸钠(STMP)、六偏磷酸钠(SHMP)、多磷酸铵(APP)。还可使用其他适宜的磷酸盐，并且包括其他偏磷酸盐、多磷酸盐和焦磷酸盐，诸如三偏磷酸铵、三偏磷酸钾、三偏磷酸锂、三偏磷酸钙、三偏磷酸钠钙、三偏磷酸铝；六偏磷酸铵、六偏磷酸锂或六偏磷酸钾；三聚磷酸钠、三聚磷酸钾、三聚磷酸钠和三聚磷酸钾；焦磷酸钙、焦磷酸四钾、和/或焦磷酸四钠。
例如，合适的淀粉可以有效地将石膏粘结到未膨胀珍珠岩的量包含在石膏浆料中。例如，淀粉可用作粘结剂以将石膏粘结到未膨胀珍珠岩，或将石膏粘结到未膨胀珍珠岩和蛭石混合物(如果使用的话)。淀粉可为工业中已知的任何合适的淀粉材料。在一些实施方案中，淀粉是预胶化的(预先蒸煮的)淀粉或生淀粉和预胶化的淀粉的组合。例如，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板而言，淀粉可以约1lb/msf至约70lb/msf、诸如约1lb/msf至约50lb/msf的量存在于石膏芯中。
例如，合适的聚合物粘结剂诸如有机聚合物粘结剂可包含在石膏浆料中。合适的聚合物粘结剂可包括聚合物乳液和树脂，例如丙烯酸类树脂、硅氧烷、有机硅、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯丁酰、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-乙烯基-丙烯酸共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物。在一些实施方案中，粘结剂可包括UV可固化单体和聚合物(例如，环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯)。例如，基于干重计，对于厚度为约1/4英寸至1英寸的石膏面板而言，聚合物粘结剂含量可介于1lb/msf至50lb/msf之间。
在某些实施方案中，石膏芯包括依次施用于饰面材料上并允许其依次或同时凝固的多个层。在此类实施方案中，第一石膏浆料可形成这些层中的任一个或多个。在其他实施方案中，石膏芯包括由第一石膏浆料形成的单层。在一些实施方案中，可将第二饰面材料沉积到最终石膏浆料层(或唯一石膏浆料层)的表面上，以形成双面垫面对的石膏面板，如图2和图3所示。在某些实施方案中，第一石膏浆料(或每个最外石膏浆料层)以石膏芯的约5重量％至约20重量％的量沉积。石膏浆液或其多个层可以通过任何合适的方法诸如辊涂沉积到覆面材料上。
在某些实施方案中，第一石膏浆料(或形成芯的其他石膏浆料层)包含一种或多种附加试剂以增强其性能，所述附加试剂诸如但不限于润湿剂、填料、促进剂、缓凝剂、发泡剂、多磷酸盐和分散剂。现在将描述此类其他添加剂的各种示例性用途。
在某些实施方案中，润湿剂选自表面活性剂、超增塑剂、分散剂、含表面活性剂的试剂、含超增塑剂的试剂、含分散剂的试剂以及它们的组合。例如，石膏浆料或层可包括蜡、蜡乳液和共乳液、有机硅、硅氧烷、硅醇盐或它们的组合。例如，合适的超增塑剂包括Melflux 2651 F和4930F，其可从BASF Corporation商购获得。在某些实施方案中，润湿剂为具有200℃或更低沸点的表面活性剂。在一些实施方案中，表面活性剂具有150℃或更低的沸点。在一些实施方案中，表面活性剂具有110℃或更低的沸点。例如，表面活性剂可以是基于炔属化学作用的多官能剂或乙氧基化的低泡剂。
在某些实施方案中，按重量计，表面活性剂以约0.01％至约1％的量存在于相关石膏浆料中。在某些实施方案中，按重量计，表面活性剂以约0.01％至约0.5％的量存在于相关石膏浆料中。在一些实施方案中，按重量计，表面活性剂以约0.05％至约0.2％的量存在于相关石膏浆料中。
合适的表面活性剂和其他润湿剂可选自非离子、阴离子、阳离子或两性离子化合物，诸如烷基硫酸盐、十二烷基硫酸铵、月桂基硫酸钠、烷基醚硫酸盐、十二烷基醚硫酸钠、肉豆蔻醇聚醚硫酸酯钠、多库酯、二辛基磺基琥珀酸钠、全氟辛磺酸盐、全氟丁磺酸盐、直链烷基苯磺酸盐、烷基芳基醚磷酸盐、烷基醚磷酸盐、烷基羧酸盐、硬脂酸钠、月桂酰肌氨酸钠、基于羧酸盐的含氟表面活性剂、全氟壬酸盐、全氟辛酸盐、胺、奥替尼啶二盐酸盐、烷基三甲基铵盐、鲸蜡基三甲基溴化铵、鲸蜡基三甲基氯化铵、鲸蜡基氯化吡啶鎓、苯扎氯铵、苄索氯铵、5-溴-5-硝基-1,3-二氧杂环己烷、二甲基双十八烷基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、磺基甜菜碱、椰油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱、甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱、磷脂磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、鞘磷脂、脂肪醇、鲸蜡醇、硬脂醇、十八十六醇、硬脂醇、油醇、聚氧乙烯乙二醇烷基醚、八乙二醇单十二烷基醚、五乙二醇单十二烷基醚、聚氧丙二醇烷基醚、葡糖苷烷基醚、聚氧乙烯乙二醇辛基苯酚醚、聚氧乙烯乙二醇烷基苯酚醚、甘油烷基酯、聚氧乙二醇脱水山梨糖醇烷基酯、脱水山梨糖醇烷基酯、椰油酰胺MEA、椰油酰胺DEA、十二烷基二甲基氧化胺、聚乙氧基化牛脂胺、以及聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物。例如，合适的表面活性剂包括可从Air Products andChemicals，Inc.(Allentown，PA)商购获得的Surfynol 61。
在某些实施方案中，石膏浆料(或其一个或多个层)基本上不含泡沫、蜂窝结构、过量的水和胶束形成物。如本文所用，术语“基本上不含”是指包含低于将实质上影响面板的性能的这些材料的量的浆料。即，这些材料在浆料中的存在量将不导致在加压时在凝固面板的玻璃垫中形成液态水的通道。
在某些实施方案中，面板芯浆料(或其层)可沉积在覆面材料(诸如预涂覆的纤维垫或纸饰面材料)的水平取向的移动纤维网上。可将覆面材料的第二涂覆或未涂覆的纤维网沉积到与覆面材料的第一纤维网相对的面板芯浆料的表面上，例如，覆面材料的第二纤维网的未涂覆的表面接触面板芯浆料。在一些实施方案中，可以将覆面材料的移动纤维网置于含水面板芯浆料的上自由表面上。因此，面板芯材料可置于两个覆面材料之间，其均不具有涂层、一个或两个具有涂层。在某些实施方案中，允许面板芯材料和/或涂层凝固包括固化、干燥(诸如在烘箱中或通过另一合适的干燥机构)，或允许材料在室温下凝固(即，自硬化)。
可在对覆面进行干燥之前或之后，将阻挡涂层施加到(具有两个覆面表面的实施方案中的)一个或两个覆面表面上。在一些实施方案中，玻璃垫在其与面板芯浆料相关联时预涂覆。在一些实施方案中，在使第一石膏浆料凝固以形成石膏芯的至少一部分之后进行将阻挡涂层沉积到第一涂覆玻璃垫的第二表面上。在一些实施方案中，将涂覆有阻隔涂层的石膏芯固化、干燥(诸如在烘箱中或通过另一种合适的干燥机构)，或者使材料在室温下凝固。在一些实施方案中，红外加热用于闪蒸出水并干燥阻隔涂层。
合适的涂层材料(即，干燥垫涂层的前体)可包含至少一种合适的聚合物粘结剂。合适的聚合物粘结剂可选自聚合物乳液和树脂，例如丙烯酸类树脂、硅氧烷、有机硅、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯丁酰、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-乙烯基-丙烯酸共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物。在一些实施方案中，聚合物粘结剂为丙烯酸类胶乳或聚苯乙烯胶乳。在一些实施方案中，聚合物粘结剂是疏水性的。在某些实施方案中，粘结剂包括UV可固化单体和/或聚合物(例如，环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯)。在某些实施方案中，基于干重，按重量计，垫涂层含有约5％至约75％的量的聚合物粘结剂。
可用于本文所述的连续阻隔涂层中的合适的聚合物粘结剂的示例包括SNAP 720，可从Arkema Coating Resins商购获得，其为按重量计包含100％丙烯酸类胶乳和49％固体的结构化纳米颗粒丙烯酸类聚合物，其具有0.08微米的粒度；SNAP 728，可从ArkemaCoating Resins商购获得，其为按重量计，包含100％丙烯酸类胶乳和49％固体的结构化纳米丙烯酸类聚合物，其具有0.1微米粒度；以及NEOCAR 820，可从Arkema Coating Reins商购获得，其为按重量计，包含45％固体的疏水改性的丙烯酸胶乳，其具有0.07微米的粒度。
在某些实施方案中，垫涂层还包含一种或多种无机填料。例如，无机填料可为碳酸钙或行业中已知的另一种合适的填料。在某些实施方案中，填料为无机矿物填料，诸如重质碳酸钙(碳酸钙)、粘土、云母、石膏(硫酸钙二水合物)、三水合铝(ATH)、氧化锑、硅酸铝钠钾、叶蜡石、微晶二氧化硅和滑石(硅酸镁)。在某些实施方案中，填料可固有地包含天然存在的无机粘合性粘结剂。例如，填料可为含有生石灰(CaO)的石灰石、含有硅酸钙的粘土、含有硅酸钙的沙土、含有氢氧化铝的三水合铝、水泥基飞灰、或含有镁的硫酸盐或氯化物或上述两者的镁氧化物。在某些实施方案中，填料可包含无机粘合性粘结剂作为组分，通过水合固化，并充当抑燃剂。例如，填料可为三水合铝(ATH)、硫酸钙(石膏)、以及镁的含氧氯化物和含氧硫酸盐。例如，填料可包括MINEX 7，可从Cary Company(Addison，IL)商购获得；IMSIL A-10，可从Cary Company商购获得；以及TALCRON MP 44-26，可从SpecialtyMinerals Inc.(Dillon，MT)商购获得。填料可以呈颗粒形式。例如，填料可具有使得至少95％的颗粒通过100目筛网的粒度。
在某些实施方案中，形成垫涂层的前体材料还包含水。例如，按重量计，涂层材料可包含约35％至约80％的量的聚合物粘结剂，以及按重量计，约20％至约30％的量的水。在含有填料的实施方案中，按重量计，连续阻挡涂层材料还可含有约35％至约80％的量的无机填料。在一些实施方案中，按重量计，聚合物粘结剂和无机填料以彼此在5％内的量存在。例如，聚合物粘结剂和填料可以大约1:1的比率存在。
在一些实施方案中，垫涂层还包含水和/或其他任选成分，诸如着色剂(例如染料或颜料)、转移剂、增稠剂或流变控制剂、表面活性剂、氨组合物、消泡剂、分散剂、杀生物剂、紫外线吸收剂和防腐剂。增稠剂可包括羟乙基纤维素；疏水改性的环氧乙烷氨基甲酸酯；经加工绿坡缕石，水合硅酸镁铝；以及本领域的普通技术人员已知的其他增稠剂。例如，增稠剂可包括CELLOSIZE QP-09-L和ACRYSOL RM-2020NPR，可从Dow Chemical Company(Philadelphia，PA)商购获得；以及ATTAGEL 50，可从BASF Corporation(Florham Park，NJ))商购获得。表面活性剂可包括聚丙烯酸钠分散剂、乙氧基化非离子化合物、以及本领域普通技术人员已知的其他表面活性剂。例如，表面活性剂可包括HYDROPALAT 44，可从BASFCorporation商购获得；以及DYNOL 607，其可从Air Products(Allentown，PA)商购获得。消泡剂可包括多疏水共混物消泡剂和本领域普通技术人员已知的其他消泡剂。例如，消泡剂可包括FOAMASTER SA-3，其可从BASF Corporation商购获得。氨组合物可包括氢氧化铵，例如AQUA AMMONIA 26BE，可从Tanner Industries，Inc.(Southampton，PA)商购获得。生物杀灭剂可包括抑制细菌和真菌生长的广谱杀微生物剂、抗微生物剂诸如基于活性对甲苯基二碘甲基砜的那些、以及本领域普通技术人员已知的其他化合物。例如，杀生物剂可包括KATHON LX 1.5％，其可从Dow Chemical Company商购获得，POLYPHASE 663，其可从TroyCorporation(Newark，NJ)商购获得，和AMICAL Flowable，其可从Dow Chemical Company商购获得。杀生物剂也可充当防腐剂。紫外线吸收剂可包括包封的羟基苯基三嗪组合物和本领域普通技术人员已知的其他化合物，例如TINUVIN 477DW，其可从BASF Corporation商购获得。转移剂诸如聚乙烯醇(PVA)和本领域普通技术人员已知的其他化合物也可包含在涂料组合物中。
在某些实施方案中，本文所述的石膏面板是“轻质”面板，其具有不超过约40pcf(lb/ft3)的芯密度。例如，在一些实施方案中，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板而言，面板具有约800lb/msf至约2500lb/msf、诸如约800lb/msf至约2000lb/msf、诸如约800lb/msf至约1600lb/msf、诸如约800lb/msf至约1300lb/msf的面板重量。
这些面板可为相对轻质的，同时还提供高耐火性水平，但不使用或使用较低相对量的蛭石。例如，诸如根据ASTM C1795-15：石膏板和面板的高温特性的标准测试方法(Standard Test Methods for High-Temperature Characterization of Gypsum Boardsand Panels)所测量的，本文所述的板可显示出与包含蛭石的对比板类似或更好的热收缩率和高温芯完整性结果。此外，发现除了阻燃特性以外，预胶化的淀粉和未膨胀珍珠岩矿石的组合还提供增强的物理板特性。例如，发现包含未膨胀珍珠岩矿石的面板在耐火性测试下显示出比用蛭石制成的比较板更少的松垂。
本文还提供了构造建筑物覆板系统的方法，包括安装两者间具有界面的至少两个石膏面板，以及在所述石膏面板中的至少两个之间的界面处施加接缝部件。用于这些方法中的石膏面板可具有本文所述的特征、特性中的任一个，或者特征和/或特性的组合。通过这些方法构造的覆板系统可具有本文所述的特征、特性中的任一个、或者特征和/或特性的组合。接缝部件可为如本文所述的任何合适的接缝部件。
面板和系统
具有改善的耐火性和/或物理特性的石膏面板可通过本文所述的方法中的任一者制备。例如，石膏面板可包括石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏和未膨胀珍珠岩矿石，其中所述未膨胀珍珠岩矿石以大于除石膏之外的任何其他组分的量存在于所述石膏芯中。如上所讨论的，面板的厚度可为约1/4英寸至约1英寸。例如，面板的厚度可以为约1/2英寸至约5/8英寸。
在某些实施方案中，如图3所示，石膏面板300包括与石膏芯301相关联的一个或两个纸覆面材料306、314。第二覆面314存在于与第一覆面306相对的石膏芯301的面上。在一些实施方案中，覆面材料306、314中的一者或两者可在与石膏浆料组合之前具有设置在其一个或两个表面上的涂层，或者对于外表面涂层而言，在与石膏浆料组合之后具有设置在其一个或两个表面上的涂层。在一些实施方案中，石膏芯301包括三个石膏层302、308、310。与覆面306、314接触的石膏层302、310中的一者或两者可以为石板涂料层，如本文讨论的。
在一些实施方案中，如图1所示，石膏芯101的石膏穿透第一纤维垫104的剩余部分，使得垫104中的空隙基本上被消除。例如，在一个实施方案中，第一垫104在与石膏芯101相对的表面上具有垫涂层106，垫涂层106穿透第一垫104的一部分，以限定第一垫104的剩余部分。也就是说，石膏芯101的石膏可穿透第一玻璃垫104的剩余纤维部分，使得第一垫104中的空隙基本上被消除。如本文所用，短语“使得垫中的空隙基本上被消除”和类似短语是指石膏芯的石膏浆料，并且因此凝固石膏填充未被涂层材料填充的纤维垫的全部或几乎全部间隙体积。在某些实施方案中，石膏芯的石膏填充垫的可用空隙体积的至少95％。在一些实施方案中，石膏芯填充垫的可用空隙体积的至少98％。在另一个实施方案中，石膏芯填充垫的可用空隙体积的至少99％。
通过使石膏浆料渗透到接收石膏的垫的侧面中最大化，当暴露于大的水压头压力时，可显著且充分地减少水在成品面板的玻璃垫内的垫涂层下方的移动，而不会显著改变成品面板的水蒸气传输速率(即，干燥能力)。因此，本文所公开的石膏面板还可显示出一种或多种改善的防水阻隔特性。
在某些实施方案中，垫104为非织造玻璃纤维垫。例如，玻璃纤维可具有约10微米至约17微米的平均直径和约1/4英寸至约1英寸的平均长度。例如，玻璃纤维可以具有13微米(即K纤维)的平均直径和3/4英寸的平均长度。在某些实施方案中，非织造玻璃纤维垫具有约1.5磅至约3.5磅/100平方英尺的垫的基重。垫的厚度可各自为约20密耳至约35密耳。纤维可以通过合适的粘合剂结合在一起以形成一体的垫结构。例如，粘合剂可以是脲甲醛树脂粘合剂，其任选地用热塑性延伸剂或交联剂(诸如丙烯酸交联剂)或丙烯酸酯粘合剂树脂改性。在其他实施方案中，垫覆面可为合适的纸覆面材料。
在某些实施方案中，如图1所示，石膏芯101包括两个或更多个石膏层102、108。例如，石膏芯可以包括具有不同组合物的各种石膏层。在一些实施方案中，与垫104接触的第一石膏层102(即，形成具有涂层材料106的界面并且至少部分地穿透第一垫的层)为石板涂料层。在一些实施方案中，按重量计，第一石膏层102以石膏芯101的约5％至约20％的量存在。在某些实施方案中，石板涂料层由本文所述的第一石膏浆料形成。在其他实施方案中，整个面板芯由第一石膏浆料形成。第一石膏浆料可形成这些层中的一个或多个。
在某些实施方案中，如图2所示，石膏面板200包括与石膏芯201相关联的两个纤维垫204、212(其可另选地为纸覆面)。第二垫212存在于与第一垫204相对的石膏芯201的面上。在一些实施方案中，仅第一垫204在其表面上具有垫涂层206。在其他实施方案中，两个垫204、212在其与石膏芯201相对的表面上具有涂层206、214。在一些实施方案中，石膏芯201包括三个石膏层202、208、210。与垫204、212接触的石膏层202、210中的一者或两者可以为石板涂料层。
在某些实施方案中，一层或多层石膏芯还包含增强纤维，诸如短切玻璃纤维或颗粒。在一个实施方案中，石膏芯的每1000平方英尺面板含有约1磅至约20磅的增强纤维。例如，石膏芯或其任何层可包含每1000平方英尺面板至多约6磅的增强纤维。例如，石膏芯或其层可包含每1000平方英尺面板约3磅的增强纤维。增强纤维可具有介于约10微米和约17微米之间的直径并且具有介于约5毫米和约18毫米之间的长度。
在某些实施方案中，如上所述，本文所述的建筑物面板可显示出一种或多种改善的性能特性，诸如耐火性。本文还提供了建筑物覆板系统，其包括至少两个本文所述的改善的防水石膏面板，包括本文所述的面板的任何特征或特征的组合。
在某些实施方案中，建筑物覆板系统包括至少两个石膏面板和被构造成在至少两个石膏面板之间的界面处提供接缝的接缝部件。在某些实施方案中，接缝部件包括胶带或粘结材料。例如，接缝部件可以是包括溶剂丙烯酸粘合剂的胶带、具有带有丁基橡胶粘合剂的聚乙烯顶层的胶带、具有带有丁基橡胶粘合剂的铝箔顶层的胶带、具有带有橡胶沥青粘合剂的聚乙烯顶层的胶带或具有带有橡胶沥青粘合剂或用苯乙烯丁二烯苯乙烯改性的橡胶沥青粘合剂的铝箔顶层的胶带。例如，接缝部件可为粘结材料，所述粘结材料包含甲硅烷基封端的聚醚、甲硅烷基改性的聚合物、有机硅、合成灰墁抹面和/或水泥抹面、合成丙烯酸类树脂、填砂丙烯酸类树脂、和/或接头密封化学物质，包括溶剂型丙烯酸类树脂、溶剂型丁基橡胶、胶乳(水基，包括EVA、丙烯酸类)、聚硫化物、聚氨酯和胶乳(水基，包括EVA、丙烯酸类)。
因此，上述增强面板可以被安装有胶带、液体聚合物或其他合适的材料，以有效地处理潜在的水和空气侵入区域，诸如接缝、门/窗开口、渗透、屋顶/墙壁界面以及墙壁/地基界面。
本公开的实施方案还包括以下段落中的任一项或多项：
1.一种石膏面板，包括：
石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏和未膨胀珍珠岩矿石，其中所述未膨胀珍珠岩矿石以大于除所述石膏之外的任何其他组分的量存在于所述石膏芯中。
2.根据段落1所述的石膏面板，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 400号筛(0.037mm)至约ASTM 5号筛(4mm)的平均粒度。
3.根据段落1所述的石膏面板，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 200号筛至约ASTM 20号筛的平均粒度。
4.根据段落1所述的石膏面板，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 150号筛至约ASTM 40号筛的平均粒度。
5.根据段落1所述的石膏面板，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 110号筛至约ASTM 60号筛的平均粒度。
6.根据段落1至5中任一项所述的石膏面板，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述未膨胀珍珠岩矿石以约1lb/msf至约300lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
7.根据段落1至6中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含淀粉，所述淀粉的量有效地将所述石膏粘结到所述未膨胀珍珠岩。
8.根据段落7所述的石膏面板，其中所述淀粉包括预胶化的淀粉或生淀粉和预胶化的淀粉的组合。
9.根据段落7或8所述的石膏面板，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述淀粉以约1lb/msf至约70lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
10.根据段落1至9中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含多磷酸盐。
11.根据段落10所述的石膏面板，其中所述多磷酸盐是三偏磷酸钠。
12.根据段落1至11中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯不含蛭石。
13.根据段落1至11中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含蛭石。
14.根据段落1至13中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含聚合物粘结剂。
15.根据段落14所述的石膏面板，其中所述聚合物粘结剂包含选自下列的一种或多种材料：丙烯酸类树脂、硅氧烷、有机硅、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯丁酰、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-乙烯基-丙烯酸共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物。
16.根据段落14所述的石膏面板，其中所述聚合物粘结剂包含选自下列的一种或多种材料：环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯和/或聚酯丙烯酸酯。
17.根据段落14至16中任一项所述的石膏面板，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述聚合物粘结剂以约1lb/msf至约50lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
18.根据段落1至17中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含玻璃纤维。
19.根据段落18所述的石膏面板，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述石膏芯包含约1lb/msf至约20lb/msf的量的玻璃纤维。
20.根据段落1至19中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含分散剂。
21.根据段落1至20中任一项所述的石膏面板，其中所述石膏面板是轻质石膏面板，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述轻质石膏面板具有约800lb/msf至约2500lb/msf的面板重量。
22.一种制备石膏面板的方法，包括：
通过将灰墁、水和未膨胀珍珠岩矿石组合来形成第一石膏浆料；以及
使所述第一石膏浆料凝固以形成所述石膏面板的芯的至少一部分，
其中所述未膨胀珍珠岩矿石以大于除所述石膏之外的任何其他组分的量存在于所述石膏芯中。
23.根据段落22所述的方法，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 400号筛(0.037mm)至约ASTM 5号筛(4mm)的平均粒度。
24.根据段落22所述的方法，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 200号筛至约ASTM 20号筛的平均粒度。
25.根据段落22所述的方法，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 150号筛至约ASTM 40号筛的平均粒度。
26.根据段落22所述的方法，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有约ASTM 110号筛至约ASTM 60号筛的平均粒度。
27.根据段落22至26中任一项所述的方法，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述未膨胀珍珠岩矿石以约1lb/msf至约300lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
28.根据段落22至27中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含淀粉，所述淀粉的量有效地将所述石膏粘结到所述未膨胀珍珠岩。
29.根据段落28所述的方法，其中所述淀粉包括预胶化的淀粉或生淀粉和预胶化的淀粉的组合。
30.根据段落28或29所述的方法，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述淀粉以约1lb/msf至约70lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
31.根据段落22至30中任一项所述的方法，其中所述石膏芯还包含多磷酸盐。
32.根据段落31所述的方法，其中所述多磷酸盐是三偏磷酸钠。
33.根据段落22至32中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料不含蛭石。
34.根据段落22至32中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含蛭石。
35.根据段落22至34中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含聚合物粘结剂。
36.根据段落35所述的方法，其中所述聚合物粘结剂包含选自下列的一种或多种材料：丙烯酸类树脂、硅氧烷、有机硅、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯、脲醛树脂、酚醛树脂、聚乙烯丁酰、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-乙烯基-丙烯酸共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物。
37.根据段落35所述的方法，其中所述聚合物粘结剂包含选自下列的一种或多种材料：环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯和/或聚酯丙烯酸酯。
38.根据段落35至37中任一项所述的方法，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述聚合物粘结剂以约1lb/msf至约50lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
39.根据段落22至38中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含玻璃纤维。
40.根据段落39所述的方法，其中对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述石膏芯包含约1lb/msf至约20lb/msf的量的玻璃纤维。
41.根据段落22至40中任一项所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含分散剂。
42.根据段落22至41中任一项所述的方法，其中所述石膏面板是轻质石膏面板，对于厚度为约1/4英寸至约1英寸的石膏面板，所述轻质石膏面板具有约800lb/msf至约2500lb/msf的面板重量。
43.根据段落22至42中任一项所述的方法，所述方法还包括将所述第一石膏浆料沉积到覆面材料的第一表面上。
44.根据段落43所述的方法，其中所述覆面材料包括玻璃纤维垫或者纸覆面。
45.一种石膏面板，所述石膏面板由根据段落22至44中任一段所述的方法制备。
实施例
如下所述，构造和测试本文所公开的石膏面板的实施方案。
首先，制备包含各种量和粒度的未膨胀珍珠岩矿石的5/8英寸纸面石膏板样品。根据如ASTM C1795-15:石膏板和面板的高温特性的标准测试方法(Standard Test Methodsfor High-Temperature Characterization of Gypsum Boards and Panels)，以及用于表征样品阻燃特性的高温芯完整性测试(High Temperature Core Integrity Tests)中概述的高温收缩率、高温热透射率和高温芯内聚力测试来测试样品。高温芯完整性测试涉及将经调理的样品板在烘箱中加热一小时至预定温度，使样本冷却，然后目视评定对面板芯的损伤，测量样品板上一致点处样品的宽度、高度和长度，并且对样品称重。然后测定宽度、高度和长度测量值的收缩率％。结果示于图4、图5和图11-13中。可以看出，在70#/msf剂量下，最粗的未膨胀珍珠岩样品(TH-70)显示出与G5(蛭石)相当的收缩率特性，并且在收缩率和高温芯完整性方面表现优于细的未膨胀珍珠岩样品(TH-140)。此外，未膨胀珍珠岩样品表现出与蛭石比较样品相当或更好的热透射率和芯内聚特性。
接下来，测试使用来自各种来源的未膨胀珍珠岩矿石样品以各种载量构造的石膏板的特性。结果在图6中示出。可以看出，未膨胀珍珠岩矿石的来源不显著影响热收缩率测试结果，并且与两者均不包含的对照样品相比，未膨胀珍珠岩样品的性能一般来讲与包含蛭石(G5)的样品相当。另外，观察到未膨胀珍珠岩矿石的附加载量(70磅/msf至140磅/msf)不显著影响热收缩率。
这些测试的结果汇总于图7和图8中，它们是显示具有各种未膨胀珍珠岩矿石源、量和粒度的样品的高温收缩率测试和高温芯完整性测试结果的图。概括地说，已经确定了在相同剂量下表现等于或优于G5蛭石的多个未膨胀珍珠岩矿石选项(热收缩率和高温芯完整性)。此外，在耐火性测试下，与由蛭石制成的板相比，由未膨胀珍珠岩制成的板松垂较少。图9示出了经受高温芯完整性测试的样品板面板的横截面照片。
最后，进行化学分析以确定未膨胀珍珠岩矿石和未膨胀火山灰矿石的平均组成构成。结果在下表1中给出。可以看出，未膨胀珍珠岩矿石和未膨胀火山灰矿石在组成上显著重叠。因此，如本文所述，这两种矿石可互换使用。实际上，对包含研磨的未膨胀火山灰矿石的各种石膏板样品进行热收缩率测试。结果在图10中示出。可以看出，包含未膨胀火山灰矿石的样品显示出与包含蛭石的比较样品相当或更好的热收缩率结果。
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表1：未膨胀珍珠岩矿石和未膨胀火山灰矿石的化学分析
因此，已发现可使用未膨胀珍珠岩矿石形成石膏面板、覆板、屋顶或其他建筑板或面板，以实现与包含蛭石的类似板相当的耐火性和/或物理特性。与可商购获得的面板相比，这些面板可为相对轻质的，同时还提供高耐火性水平，但不使用或使用较低相对量的蛭石。例如，诸如根据ASTM C1795-15：石膏板和面板的高温特性的标准测试方法(StandardTest Methods for High-Temperature Characterization of Gypsum Boards andPanels)所测量的，本文所述的板可显示出与包含蛭石而不是未膨胀珍珠岩矿石的对比板类似或更好的热收缩率和高温芯完整性结果。此外，发现除了阻燃特性以外，预胶化的淀粉和未膨胀珍珠岩矿石的组合还提供增强的物理板特性。例如，发现包含未膨胀珍珠岩矿石的面板在耐火性测试下显示出比由蛭石制成的比较板更少的松垂。
虽然已经结合多个实施方案描述了本公开，但本领域的技术人员应当理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，本发明可以被修改以结合本文未描述但与本发明的实质和范围相称的任何数量的变型、更改、替代或等效布置方式。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但应当理解，本发明的各方面可以仅包括所述实施方案中的一些。因此，不应将本发明视为受前述说明的限制，而只受所附权利要求书的范围的限制。

Claims (18)

1.一种石膏面板，包括：
石膏芯，所述石膏芯包含凝固石膏和未膨胀珍珠岩矿石，其中所述未膨胀珍珠岩矿石以比除所述石膏之外的任何其他组分更大的量存在于所述石膏芯中，
其中所述石膏芯不含蛭石。
2.根据权利要求1所述的石膏面板，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有ASTM 400号筛至ASTM 5号筛的平均粒度。
3.根据权利要求1所述的石膏面板，其中所述石膏芯还以有效地将所述石膏粘结到所述未膨胀珍珠岩的量包含淀粉。
4.根据权利要求3所述的石膏面板，其中所述淀粉包括生淀粉和预胶化的淀粉的组合或预胶化的淀粉。
5.根据权利要求3所述的石膏面板，其中对于厚度为1/4英寸至1英寸的石膏面板，所述淀粉以1lb/msf至70lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
6.根据权利要求1所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含聚合物粘结剂。
7.根据权利要求1所述的石膏面板，其中所述石膏芯还包含多磷酸盐。
8.根据权利要求7所述的石膏面板，其中所述多磷酸盐为三偏磷酸钠。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的石膏面板，其中对于厚度为1/4英寸至1英寸的石膏面板，所述未膨胀珍珠岩矿石以1lb/msf至300lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
10.一种制备石膏面板的方法，包括：
通过将灰墁、水和未膨胀珍珠岩矿石组合来形成第一石膏浆料；以及
使所述第一石膏浆料凝固以形成所述石膏面板的芯的至少一部分，
其中所述未膨胀珍珠岩矿石以比除所述石膏之外的任何其他组分更大的量存在于所述石膏芯中，
并且其中所述第一石膏浆料和所述石膏芯不含蛭石。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述未膨胀珍珠岩矿石具有ASTM 400号筛至ASTM 5号筛的平均粒度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一石膏浆料还以有效地将所述石膏粘结到所述未膨胀珍珠岩的量包含淀粉。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述淀粉包括生淀粉和预胶化的淀粉的组合或预胶化的淀粉。
14.根据权利要求12所述的方法，其中对于厚度为1/4英寸至1英寸的石膏面板，所述淀粉以1lb/msf至70lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含聚合物粘结剂。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一石膏浆料还包含多磷酸盐。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述多磷酸盐为三偏磷酸钠。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中对于厚度为1/4英寸至1英寸的石膏面板，所述未膨胀珍珠岩矿石以1lb/msf至300lb/msf的量存在于所述石膏芯中。
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