DE60129522T2

DE60129522T2 - Gipszusammensetzungen und dazugehörende verfahren

Info

Publication number: DE60129522T2
Application number: DE60129522T
Authority: DE
Inventors: Qiang Grayslake YU; Srinivas Grayslake VEERAMASUNENI; Frederick Thomas Grayslake JONES
Original assignee: United States Gypsum Co
Current assignee: United States Gypsum Co
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: EP1202941A4; RU2263644C2; EP1202941B1; KR20020019926A; AU5373101A; CN1366514A; CZ20014652A3; ATE368018T1; PL204485B1; JP2003531096A; TWI247731B; US6481171B2; US20020112651A1; WO2001081264A1; CA2376187C; DE60129522D1; MXPA01012924A; NO20016173D0; IL146904A0; BR0106100A

Description

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Gipszusammensetzungen und Herstellungsverfahren für Gipszusammensetzungen. Im Besonderen betrifft die Erfindung erstarrte Gipszusammensetzungen mit verminderter Dichte und Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erstarrter Gips (Calciumsulfatdihydrat) ist ein wohlbekanntes Material, das gewöhnlich in vielen Arten von Produkten enthalten ist. Beispielsweise ist erstarrter Gips ein Hauptbestandteil von Endprodukten, die durch Verwendung traditioneller Putzmörtel (beispielsweise an Gebäudeinnenwänden mit Gipsmörteloberfläche) und auch in Gipsplatten mit Papiersichtfläche entstehen, die in typischen Gipskartonkonstruktionen von Innenwänden und Decken von Gebäuden verwendet werden. Des Weiteren ist erstarrter Gips der Hauptbestandteil von Gips-/Cellulosefaser-Verbundstoffplatten und -Produkten und ist auch in Produkten enthalten, welche die Fugen zwischen Kanten von Gipsplatten füllen und glätten. Ebenso entstehen durch viele Spezialmaterialien, beispielsweise durch zum Modellbau und zur Formerei geeignete Materialien, die genau bearbeitet werden, größere Mengen erstarrten Gipses enthaltende Erzeugnisse.
Typischerweise werden solche Gips enthaltende Produkte durch Bildung eines Gemischs aus kalziniertem Gips (Calciumsulfathalbhydrat und/oder Calciumsulfatanhydrit) und Wasser (und bei Eignung auch aus anderen Materialien) hergestellt. Das Gemisch wird zu einer gewünschten Form oder auf eine Fläche gegossen und kann dann härten, um durch Reaktion des kalzinierten Gipses mit Wasser erstarrten (d.h. rehydrierten) Gips zu bilden, um eine Matrix aus kristallinem hydriertem Gips (Calciumsulfatdihydrat) zu bilden. Durch diese gewünschte Hydration des kalzinierten Gipses kann eine sperrende Matrix aus erstarrten Gipskristallen entstehen, wobei der Gipskonstruktion in dem Gips enthaltenden Produkt Festigkeit verliehen wird. Zum Austreiben des verbliebenen freien (d.h. nicht der Reaktion unterworfenen) Wassers wird leicht erhitzt, damit ein trockenes Produkt entsteht.
Man bemüht sich ständig, das Gewicht vieler dieser Gips enthaltenden Produkte leichter zu machen, indem an Stelle eines Teils der erstarrten Gipsmatrix beispielsweise Materialien geringerer Dichte (beispielsweise Schaumperlit oder Lufthohlräume) eingesetzt werden, um die akustischen und/oder Isolierungseigenschaften sowie die Handha bungs- und Transporteffektivitäten zu verbessern. Jedoch waren bisherige Bemühungen, Gips enthaltende Produkte wesentlich leichter zu machen, nicht ganz befriedigend, da beispielsweise zwar sehr große Mengen an Schaumstoff zur Herstellung des Hohlraumgehalts verwendet werden können, der ausreicht, um Gips enthaltende Produkte geringerer Dichte zu erzielen, solche Produkte aber beispielsweise trotzdem nicht den gewünschten Grad der akustischen und/oder Isolierungseigenschaften erreichen können. Infolgedessen unterliegt die Herstellung von Gips enthaltenden Produkten geringerer Dichte möglichen nachteiligen Wirkungen, welche durch die verhältnismäßig große Menge an vorgesehenen Aufschäummitteln hervorgerufen werden, und die in vielen Fällen dennoch nicht die gewünschten Ergebnisse erzielen. In jüngster Zeit wurde in dem USA-Patent Nr. 5,041,333 eine Gipsplatte offenbart, die aus faserigem kalziniertem Gips ausgebildet ist. Die Herstellung von faserigem kalziniertem Gips ist zeitaufwändig und kostspielig, wodurch auch die Verwendung von faserigem kalziniertem Gips zur Herstellung einer Gipsplatte teuer wird.
Ein weiteres Problem bei der Ausbildung eines Gips enthaltenden Produkts wesentlich niedrigerer Dichte ist, dass die Maßhaltigkeit während seiner Herstellung, Bearbeitung und kommerzieller Anwendung beeinträchtigt werden kann. Beispielsweise verbleibt bei der Herstellung von Gipsprodukten nach dem Erstarren des Gipses gewöhnlich eine sehr große Menge freien (d.h. nicht der Reaktion unterworfenen) Wassers in der Matrix. Beim Trocknen des erstarrten Gipses zum Austreiben des überschüssigen Wassers neigen die sperrenden Kristalle des erstarrten Gipses in der Matrix dazu, sich beim Verdunsten des Wassers näher zueinander hin zu bewegen. Da das Wasser dabei die Kristallzwischenräume der Gipsmatrix hinterlässt, neigt die Matrix dazu, auf Grund natürlicher Kräfte des erstarrten Gipses zu schrumpfen, welche dem von dem Wasser auf die Gipskristalle ausgeübten Druck widerstanden haben. Wenn die Wassermenge in dem wässrigen kalzinierten Gipsgemisch zunimmt, wird der Mangel an Maßhaltigkeit zu einem weiteren Problem.
Die Maßhaltigkeit ist auch selbst dann ein Sorgenkind, wenn das getrocknete Endprodukt fertig ist, insbesondere unter Bedingungen einer sich ändernden Temperatur und Feuchte, unter denen der Gips beispielsweise anfällig für Dehnung und Schrumpfung ist. Beispielsweise kann sich durch Feuchtigkeit, die in den Kristallzwischenräumen einer Gipsmatrix einer unter hoher Feuchteeinwirkung stehenden Gipsplatte oder -tafel aufgenommen wird, ein Durchhängeproblem verschlimmern, indem sich die befeuchtete Platte dehnt.
Wenn diese Maßinstabilität vermieden oder minimiert werden könnte, ergäben sich verschiedene Vorteile. Beispielsweise ergäben sich mit bestehenden Herstellungsverfahren für Gipsplatten mehr Produkte, wenn die Platten beim Trocknen nicht schrumpften, und Gips enthaltende Produkte, die in zuverlässiger Weise eine genaue Form und Maßproportionen (beispielsweise zur Verwendung in Modellbau und Formerei) halten sollen, würden ihren Zwecken besser dienen.
Davon ausgehend ist aus dem Vorstehenden zu erkennen, dass in der Technik ein Bedarf an einer erstarrten Gipszusammensetzung mit niedriger Dichte besteht, ohne dass große Mengen an leichtem Füllstoff oder an durch Schaumstoff geschaffenen Lufthohlräumen eingebracht zu werden brauchen. Ebenso ist zu erkennen, dass in der Technik ein Bedarf an einer solchen erstarrten Gipszusammensetzung niedriger Dichte besteht, die eine verbesserte Maßhaltigkeit, verbesserte Isolierung und/oder verbesserte akustische Eigenschaften aufweist. Mit der Erfindung werden eine solche erstarrte Gipszusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung derselben geschaffen. Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie weitere erfindungsgemäße Merkmale werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung der Erfindung erkennbar.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine erstarrte Gipszusammensetzung nach dem vorliegenden Anspruch 1 geschaffen. Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gegenstand nach dem vorliegenden Anspruch 15 geschaffen. Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren nach dem vorliegenden Anspruch 21 geschaffen. Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Mit der vorliegenden Erfindung werden eine erstarrte Gipszusammensetzung und Herstellungsverfahren für dieselbe geschaffen. In vorteilhafter Weise weist die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung eine niedrige Dichte auf und besitzt verbesserte Maßhaltigkeit (beispielsweise Schrumpfbeständigkeit), verbesserte Isolierung und/oder verbesserte akustische Eigenschaften.
Die Erfindung wird an Hand der anliegenden Zeichnungen und in der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen am besten verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Verbundstoffs aus Gipsplattenschichten gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands in Form einer Deckenkachel gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines laminierten Verbundstoffs gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine erstarrte Gipszusammensetzung niedriger Dichte mit einer kontinuierlichen Phase einer den erstarrten Gips sperrenden Matrix mit einem verbesserten Hohlraumvolumen durch verdunstetes Wasser geschaffen. Die erstarrte Gipszusammensetzung niedriger Dichte wird vorzugsweise aus einem Gemisch (einer Aufschlämmung) mit einem erhöhten Verhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips hergestellt.
Der kalzinierte Gips kann faserig oder nicht faserig sein. Nicht faseriger kalzinierter Gips bezeichnet den gewöhnlichen kalzinierten Gips, der gemäß dem üblichen Verfahren nach dem Stand der Technik bei normalen atmosphärischen Drücken in einem Kalzinierbehälter (beispielsweise einem Kessel oder Drehofen) beispielsweise in der in dem USA-Patent Nr. 2,341,428 beschriebenen Weise hergestellt werden kann. Faseriger kalzinierter Gips ist beispielsweise in den USA-Patenten 4,029,512 und 5,041,333 beschrieben. Vorzugsweise werden wenigstens 30 Gew.-% der Gipszusammensetzung aus, d.h. unter Verwendung von, nicht faserigem kalziniertem Gips hergestellt. Am meisten vorzugsweise werden wenigstens 50 Gew.-% der Gipszusammensetzung aus, d.h. unter Verwendung von, nicht faserigem kalziniertem Gips hergestellt, und bei manchen Ausführungsformen besteht der zur Herstellung der Aufschlämmung (oder des Gemischs) verwendete kalzinierte Gips, aus welchem die erfindungsgemäße erstarrte Gipszusammensetzung gegossen wird, im Wesentlichen aus nicht faserigem kalziniertem Gips.
Der kalzinierte Gips kann die Form von α-Calciumsulfathalbhydrat, β-Calciumsulfathalbhydrat, wasserlöslichem Calciumsulfatanhydrit oder Gemischen derselben aufweisen. Vorzugsweise enthält der kalzinierte Gips wenigstens 30% β-Calciumsulfathalbhydrat und mehr vorzugsweise wenigstens 50% β-Calciumsulfathalbhydrat. Bei manchen Ausführungsformen besteht der kalzinierte Gips im Wesentlichen aus β-Calciumsulfathalbhydrat.
Insbesondere ist die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung auf Grund des vergrößerten Hohlraumvolumens des verdunsteten Wassers, das in der kontinuierlichen Phase der erstarrten Gipsmatrix vorhanden ist, durch eine verhältnismäßig locke re und offene Struktur gekennzeichnet. Das vergrößerte Hohlraumvolumen kann beispielsweise durch Verwendung eines höheren Verhältnisses von Wasser zu kalziniertem Gips in der zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Mischung entstehen. Die sperrende Matrx für den erstarrten Gips besteht aus Kristallen beliebiger, verschiedener Größen und Formen, die etwas von dem Verhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips abhängen, das zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendet wird. Beispielsweise sind die Kristalle in manchen Ausführungsformen verhältnismäßig lang (beispielsweise in einer Richtung etwa 10 μm bis etwa 40 μm oder länger) und/oder können verschiedene Konfigurationen aufweisen, beispielsweise Nadeln, Plättchen oder Kombinationen derselben.
Bezeichnenderweise besitzt die erfindungsgemäße erstarrte Gipszusammensetzung eine wünschenswert niedrige Dichte und demonstriert dennoch ausreichende Festigkeit und Beständigkeit gegen mechanische Verformung (beispielsweise eine Durchhängefestigkeit), so dass sie trotz des vergrößerten Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der erstarrten Gipsmatrix dienlich ist. Des Weiteren weist die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung eine derartige Maßbeständigkeit auf, dass sie während der Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung selbst angesichts der erhöhten Wassergrade, die während der Herstellung der erstarrtenm Gipszusammensetzung vorhanden sind, beständig gegen (beispielsweise auf Grund der Trocknungsspannungen auftretenden) Schrumpf ist. Weiterhin trägt das vergrößerte Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der erstarrten Gipszusammensetzung dazu bei, gewünschte akustische Eigenschaften zu verleihen, insofern als die mit dem vergrößerten Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers zusammenhängende lockere Struktur einen vergrößerten Raum in der erstarrten Gipszusammensetzung schafft, damit Schall derart geschluckt wird, dass sich die von der erfindungsgemäßen erstarrten Gipszusammensetzung reflektierte Schallmenge und die von dieser übertragene Schallmenge verkleinern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die erstarrte Gipszusammensetzung eine kontinuierliche Phase der den erstarrten Gips sperrenden Matrix. Die Matrix umfasst Gips und ein vergrößertes Hohlraumvolumen durch verdunstetes Wasser. Das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers spiegelt sich in der kontinuierlichen Phase wider, die andere Diskontinuitäten als Hohlräume des verdunsteten Wassers, beispielsweise Diskontinuitäten auf Grund der Anwesenheit von Papierfasern, leichten Füllstoffs oder von Hohlräumen aus Schaumstoffluft, in der Zusammensetzung ausschließt. Bei manchen Ausfüh rungsformen beträgt das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der Matrix gemäß dem EWVV-Test wenigstens etwa 69% (beispielsweise von etwa 69% bis etwa 97%). Vorzugsweise beträgt das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers gemäß dem EWVV-Test etwa 74% bis etwa 95%. Beispielsweise beträgt das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der Matrix gemäß dem EWVV-Test in manchen Fällen etwa 79% bis etwa 89%.
Bei manchen Ausführungsformen wird die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung mit einem Verfahren hergestellt, umfassend die Ausbildung eines Gemischs (beispielsweise einer Aufschlämmung), wobei kalzinierter Gips und Wasser in einem Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips von mindestens etwa 3:1 verwendet werden. Das Gemisch wird unter Bedingungen aufrecht-erhalten, die ausreichen, damit der kalzinierte Gips eine Matrix aus erstarrtem Gips ausbildet. Vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips, die zur Herstellung des Gemischs verwendet werden, etwa 3:1 bis etwa 12:1, wenn der kalzinierte Gips wenigstens 30 Gew.-% nicht faserigen kalzinierten Gips enthält. Mehr vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips, die zur Herstellung des Gemischs verwendet werden, etwa 4,5:1 bis etwa 9:1, und noch mehr vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips, die zur Herstellung des Gemischs verwendet werden, etwa 5:1 bis etwa 8:1. Bei diesen Ausführungsformen ist der nicht faserige kalzinierte Gips vorzugsweise β-Calciumsulfathalbhydrat.
Bei manchen Ausführungsformen wird der erstarrte Gips gemäß der Erfindung mit einem Verfahren hergestellt, umfassend die Ausbildung eines Gemischs (beispielsweise einer Aufschlämmung), das Wasser und faserigen oder nicht faserigen kalzinierten Gips oder sowohl faserigen als auch nicht faserigen kalzinierten Gips in verschiedenen Kombinationen oder Präparationen in einem Gewichtsverhältnis von Wasser und zu kalzinierten Gips von mindestens etwa 4,5:1 bis etwa 12:1 umfasst. In erwünschter Weise beträgt das Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips, die zur Herstellung des Gemischs verwendet werden, bei dieser Ausführungsform etwa 5:1 bis etwa 8:1 und mehr vorzugsweise von etwa 5:1 bis etwa 7:1.
In erwünschter Weise weist die erfindungsgemäße erstarrte Gipszusammensetzung eine verhältnismäßig niedrige Dichte auf. Ausschließlich beispielhaft besitzt die Gipszusammensetzung bei manchen Ausführungsformen eine Dichte von etwa 320 kg/m³ (20 lbs./ft³) oder weniger, beispielsweise von etwa 240 kg/m³ (15 lbs/ft³) oder weniger oder bei manchen Ausführungsformen von etwa 192 kg/m³ (12 lbs/ft³) oder weniger.
Vorzugsweise wird die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung durch Einbringen eines oder mehrerer Verbesserungsmaterialien in das wässrige kalzinierte Gipsgemisch hergestellt, um die Festigkeit und/oder Maßhaltigkeit (beispielsweise durch Minimieren des durch Trocknungsspannungen entstehenden Schrumpfs) während der Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung zu fördern. In erwünschter Weise werden die Verbesserungsmaterialien derart gewählt, dass sie die Geschwindigkeit der Ausbildung der erfindungsgemäßen erstarrten Gipszusammensetzung nicht verzögern oder darauf in anderer Weise ungünstig einwirken. Beispielsweise kann das Verbesserungsmaterial aus einer Trimetaphosphatverbindung, einem Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten, einer Polycarbonverbindung oder einem Tensid ausgewählt sein. Bei der praktischen Umsetzung der Verbindung können eine oder mehrere von jeder Art des Verbesserungsmaterials verwendet werden. Ebenso können genauso verschiedene Kombinationen von Verbesserungsmaterialien verwendet werden. Beispielsweise können eine Trimetaphosphatverbindung und eines oder mehrere von einem Ammoniumpolyphosphat, einer Polycarbonverbindung und einem Tensid verwendet werden. Außerdem können beispielhaft Ammoniumpolyphosphat und eines oder mehrere von einem Trimetaphosphat, einer Polycarbonverbindung und einem Tensid verwendet werden.
Bei der Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung kann das Verbesserungsmaterial in jeder geeigneten Menge, beispielsweise in einer Menge von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des kalzinierten Gipses, in das wässrige kalzinierte Gipsgemisch eingegeben werden. Vorzugsweise wird das Verbesserungsmaterial in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des kalzinierten Gipses in das wässrige kalzinierte Gipsgemisch eingegeben oder diesem zugesetzt, und mehr vor- zugsweise wird das Verbesserungsmaterial in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des kalzinierten Gipses in das wässrige kalzinierte Gipsgemisch eingegeben oder diesem zugesetzt.
Besonders bevorzugt wird die Verwendung einer Trimetaphosphatverbindung (beispielsweise eines Salzes oder anionischen Teils derselben). Wird die Trimetaphosphatverbindung während der Hydration des kalzinierten Gipses eingegeben, um den erstarrten Gips zu bilden, führt das zu besserer Festigkeit sowie zur Beständigkeit gegen mechanische Verformung (beispielsweise gegen das Durchhängen) des erstarrten Gipses. Dabei ist die durch die Verwendung einer Trimetaphosphatverbindung festgestellte Zunahme der Festigkeit auf Grund der verminderten Dichte und des vergrößerten Hohlraumvolumens des verdunsteten Wassers in der sperrenden Matrix des erstarrten Gipses besonders erwünscht. Die Trimetaphosphatverbindung kann beispielsweise in Form eines Salzes wie Natriumtrimetaphosphat, Calcumtrimetaphosphat, Natrium-Calcium-Trimetaphosphat, Kaliumtrimetaphosphat, Ammoniumtrimetaphosphat, Lthiumtrimetaphosphat vorhanden sein. Kombinationen dieser Salze könne ebenfalls verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen ist die Trimetaphosphatverbindung Natriumtrimetaphosphat.
Ist die Trimetaphosphatverbindung enthalten, kann sie allein oder in Kombination mit wenigstens einem Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten, wenigstens einer Polycarbonverbindung und/oder einem Tensid vorgesehen sein. Ist die Trimetaphosphatverbindung zugesetzt, beträgt die Menge derselben, die dem zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips zugesetzt oder darin eingebracht ist, vorzugsweise etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des kalzinierten Gipses, und mehr vorzugsweise beträgt die Menge der Trimetaphosphatverbindung, die dem wässrigen kalzinierten Gipsgemisch zugesetzt oder in dieses eingebracht ist, etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% des kalzinierten Gipses.
Das Ammoniumpolyphosphat (beispielsweise das Salz oder der anionische Teil desselben) weist vorzugsweise etwa 1000-3000 sich wiederholende Einheiten auf. Ist das Ammoniumphosphat zugesetzt, beträgt die Menge derselben, die dem zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips zugesetzt oder darin eingebracht ist, vorzugsweise etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des kalzinierten Gipses, und mehr vorzugsweise beträgt die Menge des Ammoniumpolyphosphats, die dem wässrigen kalzinierten Gipsgemisch zugesetzt oder in dieses eingebracht ist, etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% des kalzinierten Gipses.
Die Polycarbonverbindung (beispielsweise eine Säure, ein Salz oder ein anionischer Teil derselben) umfasst wenigstens zwei Carboxylatsalze oder -ionengruppen, wenigstens zwei Carbonsäuregruppen oder wenigstens ein Carboxylatsalz oder eine Ionengruppe und wenigstens eine Carbonsäuregruppe. Vorzugsweise ist die Po-carbonverbindung in Wasser löslich. Die Polycarbonverbindungen sind vorteilhaft, da angenommen wird, dass sie zur Bindung der Kristalle beitragen, wenn die den erstarrten Gips sperrende Matrix entsteht. Infolgedessen verbessern die Polycarbonverbindungen in erwünschter Weise die Festigkeit und tragen dadurch dazu bei, eine Beschädigung der erstarrten Gipszusammensetzung bei Handhabung und Verarbeitung zu vermindern, und sie verbessern die Maßhaltigkeit der erstarrten Gipszusammensetzung. Vorzugsweise weisen die Polycarbonverbindungen gemäß der Erfindung ein Molekulargewicht von etwa 100 000 Dalton bis etwa 1 Million Dalton auf. Polycarbonverbindungen mit höherem Molekulargewicht sind weniger erwünscht, da die Viskosität zu hoch ist, während diejenigen mit niedrigerem Molekulargewicht (mit progressiver Abnahme bis unter 100 000 Dalton) weniger effektiv sind.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Polycarbonverbindung ein Molekulargewicht von etwa 200 000 Dalton bis etwa 700 000 Dalton, vorzugsweise ein Molekulargewicht von etwa 400 000 Dalton bis etwa 600 000 Dalton (beispielsweise 500 000 Dalton) auf. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die Polycarbonverbindung aus Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyethacrylaten und dergleichen oder aus Kombinationen derselben ausgewählt werden. Bei manchen Ausführungsformen ist die Polycarbonverbindung ein Polyacrylat, wobei das Polyacrylat in diesem Fall vorzugsweise ein Molekulargewicht von etwa 200 000 Dalton bis etwa 700 000 Dalton, mehr vorzugsweise von etwa 400 000 Dalton bis etwa 600 000 Dalton, aufweist. Beispielhaft ist ein geeignetes Polyacrylat ACRYSOL^® 644, im Handel erhältlich von Rohm & Haas, Philadelphia, Pennsylvania.
Wenn die Polycarbonverbindung enthalten ist, beträgt die Menge derselben, die dem zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips zugesetzt oder darin eingebracht ist, vorzugsweise etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des zur Herstellung des Gemischs verwendeten kalzinierten Gipses, und mehr vorzugsweise beträgt die Menge der Polycarbonverbindung, die dem wässrigen kalzinierten Gipsgemisch zugesetzt oder in dieses eingebracht ist, etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,4 Gew.-% des kalzinierten Gipses.
Es ist anzumerken, dass die Polycarbonverbindung allein oder in Kombination mit anderen Verbesserungsmaterialien eingebracht werden kann. Beispielsweise kann die Polycarbonverbindung mit einer Trimethaphosphatverbindung, einem Ammoniumphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten (beispielsweise 1000-300 sich wiederholenden Phosphateinheiten) und/oder einem Tensid eingebracht werden.
Durch Einbringen von einem oder von mehreren Tensiden in das Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips während der Herstellung der Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung wird der Vorteil geschaffen, dass die Oberflächenspannung des Gemischs sinkt, was wiederum dazu beiträgt, Trocknungsspannungen derart zu vermindern, dass sich der Schrumpf der erstarrten Gipszusammensetzung minimiert. Dazu besteht die Meinung, dass durch Senkung der Oberflächenspannung des wässrigen Gemischs aus kalziniertem Gips der Kapillardruck, welchen die Flüssigkeit auf die Gipskristalle ausübt, wie auch die entsprechende Widerstandskraft der Gipskristalle gegen die wässrige Flüssigkeit sinkt, wodurch sich die Neigung der Struktur der sperrenden interkristallinen Matrix zum Schrumpfen vermindert, wenn nicht der Reaktion unterworfene wässrige Flüssigkeit aus der Matrix verdampft. Demgemäß zeichnen sich insbesondere bei der praktischen Umsetzung der Erfindung geeignete Tenside dadurch aus, dass sie in der Lage sind, die Oberflächenspannung des Wassers auf etwa 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern. Mehr vorzugsweise zeichnet sich das Tensid dadurch aus, dass es in der Lage ist, die Oberflächenspannung des Wassers auf etwa 35 Dyn/cm oder weniger zu vermindern. Beispiele für geeignete Tenside sind, wenn auch nicht darauf beschränkt, auf Acetylenglycol basierte Tenside, fluorhaltige Tenside und siliconhaltige Tenside. In dem zur Ausbildung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch können ein Tensid oder mehrere enthalten sein und es können auch Kombinationen der verschiedenen Arten von Tensiden verwendet werden.
Ein beispielhaftes, auf Acetylenglycol basiertes Tensid ist DYNOL^® 604, im Handel erhältlich von Air Products of Lehigh Valley, Pennsylvania. Beispielhafte fluorhaltige Tenside können die Form anionischer Fluortenside von der Art von Alkylnatriumsulfonat (beispielsweise LODYNE^® S-103 A), kationischer Fluortenside von der Art von Alkylammoniumchlorid (beispielsweise LODYNE^® S-106 A) oder amphoterer Fluortenside von der Art von Alkylaminosäure (beispielsweise LODYNE^® 5-100) aufweisen. Ebenso beispielhaft für ein geeignetes Tensid gemäß der Erfindung ist eine Mischung von fluorhaltigen/siliconhaltigen Tensiden, die im Handel als LODYNE^® S-228M erhältlich sind. Tenside der Serie LODYNE^® sind im Handel erhältlich von Ciba in Basel, Schweiz.
Das Tensid kann in jeder in geeigneter Weise effektiver Menge vorgesehen werden. Vorzugsweise beträgt die Menge des Tensids, das dem Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips zugesetzt oder in dieses eingegeben wird, etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-%, und mehr vorzugsweise beträgt die Menge des Tensids, das dem Gemisch von Wasser/kalziniertem Gips zugesetzt oder in dieses eingegeben wird, etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,2 Gew.-% des kalzinierten Gipses. Wohlgemerkt kann das Tensid als einziges Verbesserungsmaterial in der Gipszusammensetzung vorgesehen werden, oder es kann in Kombination mit anderen Verbesserungsmaterialien wie beispielsweise einer Trimetaphosphatverbindung, einem Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholen den Phosphateinheiten (beispielsweise 1000-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten), einer Polycarbonverbindung oder Gemischen derselben vorgesehen werden.
Die Gipszusammensetzung kann wahlweise auch Zusatzstoffe, beispielsweise, wenn auch nicht darauf beschränkt, einen verstärkenden Zusatzstoff, ein Bindemittel (beispielsweise Polymere wie Latex), Schaumperlit, von einem wässrigen Schaum gebildete Lufthohlräume, eine Stärke wie eine vorgelatinierte Stärke oder eine Fasermatte (beispielsweise auf einer Gipsplatte mit der erfindungsgemäßen Gipszusammensetzung) enthalten. In der erstarrten Gipszusammensetzung können verschiedene Kombinationen dieser wahlweise eingebrachten Zusatzstoffe enthalten sein. Diese Zusatzstoffe können in Gipszusammensetzungen eingegeben werden, die bei Bedarf auch eines oder mehrere der Verbesserungsmaterialien enthalten.
Der wahlweise eingebrachte Zusatzstoff kann bei Bedarf in die erfindungsgemäße Gipszusammensetzung eingegeben werden, um in der im Folgenden ausführlicher erläuterten Weise die Festigkeit und den Filterwirkungsgrad bei der Verarbeitung zu verbessern. Beispielsweise kann der verstärkende Zusatzstoff Cellulosefasern (beispielsweise Papierfasern), Mineralfasern, andere synthetische Fasern oder Kombinationen derselben umfassen. Der verstärkende Zusatzstoff, beispielsweise aus Papierfasern, kann in jeder geeigneten Menge vorgesehen werden. Beispielsweise ist der verstärkende Zusatzstoff bei manchen Ausführungsformen in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% der erstarrten Gipszusammensetzung vertreten.
Um eine Abnahme der Dichte weiter zu erleichtern, kann die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der Erfindung wahlweise Lufthohlräume enthalten, die (im Gegensatz zu den Hohlräumen des verdunsteten Wassers) von einem wässrigen Schaum gebildet werden. Insbesondere kann dem kalzinierten Gipsgemisch ein wässriger Schaum bei der Herstellung, beispielsweise bei der laufenden Herstellung einer Platte, zugesetzt werden. Bei der praktischen Umsetzung der Erfindung können alle geeigneten Schäummittel verwendet werden, beispielsweise PFM 33, erhältlich von CEO Specialty Chemicals in Ambler, Pennsylvania.
Des Weiteren kann die Gipszusammensetzung wahlweise eine Stärke enthalten, beispielsweise eine vorgelatinisierte Stärke oder eine mit Säure modiizierte Stärke. Durch Einbringen der vorgelatinisierten Stärke nimmt die Festigkeit des erstarrten und getrockneten Gipsgussteiles zu, und die Gefahr des Delaminierens des Papiers unter den Bedingungen einer erhöhten Feuchtigkeit (beispielsweise in Bezug auf erhöhte Verhältnisse von Wasser zu kalziniertem Gips) wird minimiert oder vermieden. Der Fachmann wird Verfahren zum Vorgelatinisieren von Rohstärke, beispielsweise zum Kochen von Rohstärke in Wasser bei Temperaturen von wenigstens etwa 85°C (185°F) oder andere Verfahren erkennen. Geeignete Beispiele für vorgelatinisierte Stärke sind, wenn auch nicht ausschließlich, Stärke PCF1000, im Handel erhältlich von der Lauhoff Grain Company, sowie die Stärken AMERIKOR 818 und HQM PREGEL, beide im Handel erhältlich von der Archer Daniels Midland Company. Sind beispielsweise die vorgelatinisierten Stärken enthalten, können sie in jeder geeigneten Menge enthalten sein. Ist beispielsweise die vorgelatinisierte Stärke enthalten, kann sie dem zur Ausbildung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch derart zugesetzt werden, dass sie in einer Menge von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der erstarrten Gipszusammensetzung vertreten ist.
Die Gipszusammensetzung kann auch eine Fasermatte umfassen. Die Fasermatte kann gewebt oder ein Faservlies sein. In erwünschter Weise besteht die Fasermatte aus einem Material, welches sich an die Ausdehnung der Gipszusammensetzung bei der Hydratierung anpasst. Die Fasermatte kann beispielhaft die Form einer Papiermatte, einer Glasfasermatte oder einer anderen synthetischen Matte aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Fasermatte ein Faservlies und kann Glasfaser enthalten. In erwünschter Weise kann die Fasermatte während der Ausbildung auf die Oberfläche des Gipsgussteiles aufgebracht werden, um eine flache Oberfläche zu bilden und Integrität, Aussehen und Handhabungsfähigkeit des getrockneten Gipsgussteiles während der Herstellung, Handhabung und praktischen Anwendung zu verbessern. Des Weiteren kann die Fasermatte als freiliegende Oberfläche in einem Endprodukt (beispielsweise einer Deckenplatte) verwendet werden und sorgt deshalb für ein ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild, das in erwünschter Weise glatt sein kann. Ist die Fasermatte vorgesehen, kann sie jede gewünschte Dicke aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen weist die Fasermatte beispielsweise eine Dicke von etwa 0,0076 cm (0,003 Zoll) bis etwa 0,381 cm (0,15 Zoll) auf.
Bei manchen Ausführungsformen sind akustische Eigenschaften (beispielsweise eine Lärmminderung) erwünscht, beispielsweise dann, wenn die erfindungsgemäße Gipszusammensetzung in bestimmten Gegenständen wie einer Lärmdämmplatte vorhanden ist. Die Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens 0,4 gemäß ASTM E 1042-92 und mehr vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von 1,0 oder nahe daran auf. Beispielsweise weist die erfindungsgemäße Gipszusammensetzung bei manchen Ausführungsformen einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens etwa 0,5, noch mehr vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens etwa 0,6, noch mehr vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens 0,7, noch mehr vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens etwa 0,8 und noch mehr vorzugsweise einen Lärmminderungskoeffizienten von wenigstens etwa 0,9 auf. Im Allgemeinen nimmt gemäß der vorliegenden Erfindung der akustische Wert (beispielsweise bei Messung mit ihrem Lärmminderungskoeffizienten) zu, wenn das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der den erstarrten Gips sperrenden Matrix sowie das Verhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips in dem zur Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung verwendeten Gemisch zunehmen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gegenstand geschaffen, welcher die erfindungsgemäße Gipszusarnmensetzung umfasst. Der Gegenstand kann beispielsweise in Form einer Wandplatte, einer Türfüllung, eines Bauteils eines isolierten Plattensystems, einer Lärmdämmungsplatte oder einer Isolierungsplatte aufweisen.
Neben der erfindungsgemäßen erstarrten Gipszusammensetzung kann der Gegenstand eine zweite erstarrte Gipszusammensetzung umfassen, die dichter als die erfindungsgemäße Gipszusammensetzung ist. Beispielhaft können die erfindungsgemäße Gipszusammensetzung und die zweite, dichtere Gipszusammensetzung in getrennten Gipsplatten enthalten sein, die derartige Schichten aufweisen, dass ein Verbundstoff aus Gipsplatten in dem Gegenstand gebildet wird. Vorzugsweise weist die zweite Gipsplatte eine Dichte von wenigstens etwa 320 kg/m³ (20 lbs/ft³), mehr vorzugsweise eine Dichte von wenigstens etwa 479 kg/m³ (30 lbs/ft³) und noch mehr vorzugsweise eine Dichte von wenigstens etwa 639 kg/m³ (40 lbs./ft³) auf. Die Dichte der zweiten erstarrten Gipszusammensetzung kann noch höher sein (beispielsweise wenigstens etwa 799 kg/m³) (50 lbs./ft³), wenigstens etwa 959 kg/m³ (60 lbs./ft³) oder höher). Dagegen besitzt die erstarrte Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dichte von weniger als etwa 320 kg/m³ (20 lbs./ft³), beispielsweise eine Dichte von weniger als etwa 240 kg/m³ (15 lbs./ft³) oder weniger als etwa 192 kg/m³ (12 lbs./ft³).
Die Mitwirkung der dichten Gipsplatte ist erwünscht, da sie beispielsweise eine Hülle zur Ausbildung der erstarrten Gipszusammensetzung niedrigerer Dichte gemäß der Erfindung bereitstellt. Des Weiteren sorgt die dichte Gipsplatte für Nassfestigkeit, beispielsweise bei der Bearbeitung, und für Trockenfestigkeit in dem fertigen Verbundstoff. Durch das Einbringen einer dichten Gipsplatte werden in erwünschter Weise auch die Feu er- und die Durchhängfestigkeit verbessert, während auch der Schall reflektiert wird (während die Gipsplatte niedrigerer Dichte gemäß der Erfindung den Schall schluckt, so dass zur Minimierung des Schalldurchgangs durch einen Gegenstand mit dem Verbundstoff aus Gipsplatten darin beigetragen wird.
In 1 ist schematisch ein Verbundstoff 10 dargestellt. Der Verbundstoff 10 umfasst eine erste Gipsplatte 12, welche die erfindungsgemäße erstarrte Gipszusammensetzung enthält, sowie eine zweite Gipsplatte 14, welche die zweite erstarrte Gipszusammensetzung derart enthält, dass diese dichter als die erste Gipsplatte 12 ist. Wahlweise kann zwischen den Platten 12 und 14 eine verstärkende Matte (beispielsweise eine poröse Matte) eingefügt sein, um somit beispielsweise die Herstellung der Platte 12 niedriger Dichte zu erleichtern und die Gesamtstärke des Verbundstoffs 10 zu verbessern. In dem Verbundstoff 10 können die Platten 12 und 14 jede geeignete Dicke besitzen. Beispielsweise kann die erste Platte 12 eine Dicke von etwa 1,27 cm (0,5 Zoll) bis etwa 5,08 cm (2 Zoll) aufweisen, während die zweite Platte 14 eine Dicke von etwa 0,159 cm (0,0625 Zoll) bis etwa 0,635 cm (0,25 Zoll) aufweisen kann.
Die erste Gipsplatte 12 umfasst eine erste Oberfläche 16 und eine zweite Oberfläche 18, und die zweite Gipsplatte 14 umfasst eine erste Oberfläche 20 und eine zweite Oberfläche 22. Die Oberfläche 16 der Gipsplatte 12 steht mit der Oberfläche 20 der Gipsplatte 14 in Kontakt. Auf die Oberfläche 18 der Gipsplatte 12 ist eine Fasermatte 24 aufgebracht. Der Verbundstoff 10 umfasst auch ein Gipsfaserplattenpapier 26, das auf der Oberfläche 22 der Gipsplatte 14 getragen wird.
2 stellt den Verbundstoff 10 dar, der in einem beispielhaften Gegen-stand, und zwar einer Deckenplatte 28, gezeigt ist. Wie in 1 sind die dichte Platte, die erstarrte Gipsplatte niedriger Dichte gemäß der vorliegenden Erfindung und die Fasermatte jeweils mit den Nummern 14, 12 und 24 bezeichnet. Die Deckenplatte 28 umfasst eine Leiste 30 zum leichteren Montieren in hängendem Zustand bei Gebrauch.
3 stellt zwei Verbundstoffe 10A und 10B dar, die zur Ausbildung eines laminierten Verbundstoffs 32 verbunden sind (der beispielsweise mehr als einen Verbundstoff enthält). Der laminierte Verbundstoff 32 umfasst erste Gipsplatten 12A und 12B und zweite, dichtere Gipsplatten 14A und 14B. Auf den Außenflächen 22A und 22B der Gipsplatten 14A und 14B wird jeweils Gipsfaserplattenpapier 26A und 26B getragen. Die zwei Verbundstoffe 10A und 10B lassen sich in jeder geeigneten Weise verbinden. Beispielsweise können die Verbundstoffe 10A und 10B mit einem Klebstoff 34 verbunden sein. Zwar ist in 3 der Klebstoff 34 gezeigt, jedoch wird der Fachmann erkennen, dass die Verbundstoffe 10A und 10B auch mit jedem anderen geeigneten Material verbunden werden können, zu denen, wenn auch nicht darauf beschränkt, Gips, Haftmittel, Leime, Latex und Bindemittel gehören. Es ist zu erkennen, dass bei manchen Ausführungsformen (beispielsweise dort, wo mehrstufige Verarbeitung angewandt wird) bei Bedarf eine einzelne Gipsplatte 12 zwischen zwei dichte zweite Gipsplatten 14A und 14B eingesetzt werden kann.
Wenn wir uns nunmehr der Herstellung der erstarrten Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zuwenden, so wird ein Gemisch (beispielsweise eine Aufschlämmung oder Suspension) von kalziniertem Gips und Wasser gebildet. Das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der erstarrten Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung verändert sich proportional dem Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips, das zur Herstellung des wässrigen kalzinierten Gipsgemischs verwendet wird, aus welchem die erstarrte Gipszusammensetzung gegossen wird. Je höher das zur Herstellung des Gemischs verwendete Verhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips ist, desto größer ist mithin das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers in der den erstarrten Gips sperrenden Matrix, und desto niedriger ist die Dichte der erstarrten Gipszusammensetzung.
Vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips mit wenigstens 30 Gew.-% von zur Herstellung des Gemischs verwendetem nicht faserigem kalziniertem Gips wenigstens etwa 3:1, mehr vorzugsweise etwa 3:1 bis etwa 12:1. Bei manchen Ausführungsformen beträgt das Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips mit wenigstens 30 Gew.-% von zur Herstellung des Gemischs verwendetem nicht faserigem kalziniertem Gips etwa 4,5:1 bis etwa 9:1, oder das Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips mit wenigstens 30 Gew.-% von zur Herstellung des Gemischs verwendetem nicht faserigem kalziniertem Gips beträgt etwa 5:1 bis etwa 8:1. Es ist zu erkennen, dass bei der praktischen Anwendung der Erfindung verschiedene Anteile eines Gemischs von faserigem und von nicht faserigem kalziniertem Gips verwendet werden können. Wenn die erstarrte Gipszusammensetzung aus mehr als 70 Gew.-% faserigem kalziniertem Gips gebildet wird, beträgt das zur Herstellung des Gemischs verwendete Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips wenigstens etwa 4,5:1 bis etwa 12:1, und vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips bei dieser Ausführungsform etwa 4,5:1 bis etwa 9:1 und mehr vorzugsweise etwa 5:1 bis etwa 8:1.
Bevor das Gemisch gegossen wird, werden ein oder mehrere Verbesserungsmaterialien, wie beispielsweise eine Trimetaphosphatverbindung, ein Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten, eine Po-lycarbonverbindung, ein Tensid oder Kombinationen derselben in das wässrige Gemisch von kalziniertem Gips eingebracht. Die Menge des in das wässrige kalzinierte Gipsgemisch eingebrachten Verbesserungsmaterials beruht vorzugsweise auf der Gewichtsmenge des zur Bildung der Mischung zugesetzten kalzinierten Gipses.
Ebenfalls bevor das Gemisch gegossen wird, kann das wässrige kalzinierte Gipsgemisch wahlweise mit Zusatzstoffen versehen werden, zu denen, wenn auch nicht darauf beschränkt, ein verstärkender Zusatzstoff (beispielsweise Fasern), ein Bindemittel (beispielsweise Polymere wie Latex), Schaumperlit, ein wässriger Schaum zur Ausbildung von durch Schaum eingebrachten Hohlräumen in der erstarrten Matrixzusammensetzung, eine Stärke (beispielsweise eine vorgelatinisierte Stärke), Beschleunigungsmittel, Verzögerungsmittel, Biozide, Fungizide, Bakterizide, Wasserbeständigkeitsmittel, vom Fachmann erkennbare andere Zusatzstoffe und Kombinationen derselben gehören.
Das wässrige kalzinierte Gipsgemisch, das nunmehr das Verbesserungsmaterial und wahlweise andere Zusatzstoffe enthält, wird in erwünschter Weise umgerührt und dann (beispielsweise zur Form einer Platte) gegossen. Während der Gussteil entsteht, kann wahlweise eine Fasermatte, wie sie hier beschrieben ist, auf eine Oberfläche des Gemischs aufgebracht werden. Zur Senkung der Trocknungskosten kann der nasse Gipsgussteil bei Bedarf (beispielsweise bei etwa 20 bis etwa 50 mm Hg) gefiltert werden, um nach der vollständigen Hydratierung des kalzinierten Gipses überschüssiges Wasser abzuführen. Dann wird der gefilterte oder ungefilterte Gipsgussteil (beispielsweise in einem Ofen oder Drehrohrofen) getrocknet, um eine getrocknete, erstarrte Gipszusammensetzung zu bilden.
Bezeichnenderweise weist die Gipszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung Maßbeständigkeit auf und ist insbesondere während des Verfahrensschrumpffest. Dabei erfährt die erstarrte Gipszusammensetzung bei der Herstellung derselben einen Schrumpf von etwa 2% oder weniger und mehr vorzugsweise von etwa 1% oder weniger und noch mehr vorzugsweise einen Schrumpf von etwa 0,1% oder weniger. Besonders überraschend ist, dass eine solche erstarrte Gipszusammensetzung niedriger Dichte mit einem solchen niedrigen Schrumpfgrad hergestellt werden kann.
Wie der Fachmann erkennen wird, kann nach dem Trocknen eine weitere Behandlung angewandt werden. Beispielsweise kann die erstarrte Gipszusammensetzung mit einem Oberflächenüberzug, einem Harz und/oder einer Tränkmasse aus Silicat behandelt werden, um die Gipszusammensetzung zu verstärken und die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Ausschließlich beispielhaft ist im Folgenden ein examplarischer Vorgangsablauf zur Herstellung einer Platte aus erstarrtem Gips niedriger Dichte dargestellt:
Ablauf 1
Zur Herstellung eines Verbundstoffs (beispielsweise zur Verwendung in einem Gegenstand) wird Gipsfaserplattenpapier nahe jeder Kante mit einer Doppelfalte versehen. Die gefalteten Kanten werden in erwünschter Weise umgelegt, um eine Schale zu bilden. Auf das Papier wird eine dichte Schicht einer Gipsaufschlämmung aus einem Gipsplattenmischer aufgetragen, wobei der Fachmann erkennen wird, dass Dicke und Anbringung der Schicht überwacht werden. Das übrige wässrige kalzinierte Gipsgemisch wird durch einen zusätzlichen Mischvorgang hindurch geleitet, um weiteres Wasser und (bei Bedarf Verbesserungsmaterialien und/oder wahlweise hier beschriebene Zusatzstoffe) zuzusetzen, um das Gemisch auf die Ausbildung der erstarrten Gipszusammensetzung niedrigerer Dichte gemäß der Erfindung vorzubereiten. Wie der Fachmann erkennen wird, wird die Aufschlämmung für die Schicht niedriger Dichte dann mittels Rollen, Reinigungsvorrichtungen und dergleichen auf die dichte Schicht aufgelegt. Bei Bedarf kann eine gewebte Fasermatte oder eine Faservliesmatte aufgebracht werden.
Diese Ausbildung des Verbundstoffs kann auf einer herkömmlichen Gipsplattenfertigungsanlage erfolgen, um einen Härtevorgang zu erfahren. Wenn der Verbundstoff fast hydratisiert ist, kann ein oberer Abschnitt der Platte niedriger Dichte perforiert werden, um die Trocknungseigenschaften zu verbessern und ihre Lärmdämpfungseigenschaften zu verstärken. Dann wird der Verbundstoff, beispielsweise mit Hilfe von Plattenmessern oder Hochdruckschneiddüsen, auf die gewünschte Länge geschnitten. Dann kann die Platte getrocknet werden, beispielsweise mit der Papierseite nach unten und der papierlosen oder der Fasermattenseite nach oben.
Eine weitere Endbearbeitung ist je nach dem gewünschten Gegenstand verschieden. Beispielsweise gehören zur Endbearbeitung bei Deckenplatten das Sägen zu der gewünschten Größe, das Texturieren, das Beschichten und das Verpacken. Zu Endbearbeitungsvorgängen zu anderen Zwecken können beispielsweise die Vorderseitenlaminierung (Papierseite außen), die Rückseitenlaminierung (Papierseite innen), die abschließende Maßbearbeitung (mit Endsägen) und bei Bedarf Beschichtungvorgänge gehören.
Das Hohlraumvolumen des verdunsteten Wassers bei den erstarrten Gipszusammensetzungen gemäß der Erfindung wurde mit dem im Folgenden beschriebenen Hohlraumvolumentest für das verdunstete Wasser (EWVV) ermittelt. Bei dem Test werden Rasterelektronenmikroskopie und Abbildungsmikroskopieanalyse eingesetzt, um das Wasserhohlraumvolumen der den erstarrten Gips sperrenden Matrix zu bestimmen. Bei dem Test werden Hohlräume erkannt, die sich auf Grund von Schäummitteln oder dergleichen in der erstarrten Gipszusammensetzung befinden können.
In Vorbereitung auf den EWVV-Test wird zuerst eine erstarrte Gipszusammensetzung hergestellt. Dann wird eine Probe der erstarrten Gipszusammensetzung folgendermaßen auf die REM-Analyse vorbereitet: Zuerst werden ein Epoxidharz (wobei Bühler-Epoxidharz verwendet wurde) und ein Epoxidhärter unter hohem Vakuum zum Entgasen in getrennte Gefäße eingebracht. Nach dem Entgasen werden Epoxidharz und Härter im Verhältnis von 6:1 unter Umgebungsdruck 5 Minuten lang in einem sich drehenden Gefäß unter minimalem Zuführen von Luft gemischt. Dann werden das Gefäß mit dieser Mischung darin und die Probe, die in ein Befestigungsgefäß aus Gummi gebracht wurde, unter ein hohes Vakuum gesetzt. Dann wird die Epoxidharzmischung auf die Gipsprobe aufgegossen, wobei ein von fern aktivierter Elektromotor verwendet wird, welcher das Gefäß mit dem Epoxidharz in Position kippt. In die Kammer wird langsam Luft eingelassen, und durch den zusätzlichen Druck wird das Epoxidharz in alle leeren Räume gedrückt, welche den erstarrten Gips bilden. In das Epoxid wird vor dem Aushärten ein Probenschild eingebracht, um jede Verwechselung bei der Probenerkennung zu vermeiden.
Nach dem Aushärten erfolgt ein Schleifen durch Läppen mit metallisch gebundenen Diamantschleifscheiben von 120 Mikrometern, dann 75 Mikrometern, 45 Mikrometern und 15 Mikrometern. Die Probe wird ausreichend geschliffen, um einen Blick auf den Querschnitt der Gipsprobe bereitzustellen.
Nach dem Schleifen folgt das Polieren mit Hilfe eines METADI-Diamantbreis auf Ölbasis (erhältlich von Bühler, Lake Bluff, Illinois) von 9 Mikrometern (30 Minuten lang) und 1 Mikron (30 Minuten lang) auf TEXMET (ebenfalls von Buhler erhältlich, mit 120 U/min.
Dann wird die Probe mit einer dünnen Kohlenstoffschicht überzogen, wobei ein mit einer Kohlenstoffeinrichtung versehenes Zerstäubersystem Denton Vacuum Desk II verwendet wird. Es wird darauf geachtet, auf die polierten Querschnitte eine gleichmäßige Kohlenstoffschicht vorzusehen, um Helligkeits- und Kontrastschwankungen während der Bilderfassung zu vermeiden.
Dann wird jede Probe mit Silber angestrichen, um bei der Bilderzeugung im REM mit 300-facher Vergrößerung einen Grundierungskontakt zu schaffen. Alle Proben werden in einem REM Topcon SM300 abgebildet, das mit einem Festkörper-Rückstreuelektronendetektor ausgestattet ist. Die Abbildungen werden visuell derart ausgewählt, dass der zu analysierende Bereich nur die kontinuierliche Phase der erstarrten Gipsmatrix mit deren Hohlräumen durch verdunstetes Wasser ist und Fehlerstellen in Makrogröße ausschließt, beispielsweise durch Schaum bewirkte Lufthohlräume, Papierfasern und dergleichen, die kein Teil der kontinuierlichen Phase der sperrenden Matrix für die erstarrte Gipszusammensetzung ist. Die REM-Analyse wird in der Weise, die beschrieben ist von King et al. in "An Effective SEM-Based Image Analysis System for Quantitative Mineralogy", Kona Powder and Particle, Nr. 11 (1993), mit Hilfe von darin beschriebener Computersoftware ausgeführt. Die Bilderzeugungsanalyse liefert das Hohlraumvolumen infolge verdunsteten Wassers für die sperrende Matrix der erstarrten Gipszusammensetzung.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter.
BEISPIEL I
Verfahren zur Herstellung des labormäßigen Gipsgussteils und verschiedene Tests
Es wurden Proben von Gips enthaltenden Zusammensetzungen gemäß der Erfindung hergestellt und in Bezug auf ihre Trockendichte, ihren Lärmdämpfungswert (NRC) und ihren Trockenschrumpf verglichen.
Die Gipsgussteile wurden durch Trockenmischen von: 300g β-Calciumsulfathalbhydrat; 20g eines erstarrten Beschleunigers mit fein gemahlenen Teilchen von Calciumsulfatdihydrat hergestellt, die zur Aufrechterhaltung der Wirksamkeit mit Zucker überzogen waren und in der in dem USA-Patent Nr. 3,572,947 bschriebenen Weise bei verschiedenen Verhältnissen von Wasser zu Stuckgips (d.h. kalziniertem Gips) erhitzt wurden. Dann wurden die Proben mit verschiedenen Mengen an Leitungswasser mit einer Temperatur von 70°F (≈ 21 °C) in einem 5 Liter fassenden WARING-Mischer gemischt, konnten sich 5 Sekunden lang vollsaugen und wurden 10 bis 25 Sekunden lang mit niedriger Geschwindigkeit gemischt. Die Menge an Wasser und Stuckgips (d.h. kalziniertem Gips) wurde variiert, um Wasser-Stuckgips-Verhältnisse von etwa 1:1 bis etwa 9:1 bereitzustellen. Die mithin gebildeten Aufschlämmungen wurden in gewünschte Formen eingegossen, um Gipsgussteile mit einem Ring mit 16,5 cm Dicke (einem Ring mit sechs Zoll Durchmesser und einem halben Zoll Dicke) herzustellen.
Nachdem das Calciumsulfathalbhydrat erstarrt war, um ein Gipsgussteil (aus Calciumsulfathalbhydrat) zu bilden, wurde der Ring aus den Formen entnommen und bei 112°F (44,4°C) wenigstens 24 Stunden lang, oder bis sich sein Gewicht nicht mehr änderte, in einem belüfteten Ofen getrocknet. Dann wurden die Gipsgussteile für den EWVV-Test, zur Messung der Dichte, des NRC-Werts und des Trockenschrumpfs verwendet.
Die Dichte des Gipsgussteils wurde aus ihren Volumen- und Gewichtsmessungen entnommen. Der Schrumpf des Gipsgussteils wurde aus der Differenz in seiner Größe vor und nach dem Trocknen errechnet. Der NRC-Wert des Gipsgussteils wurde aus dem standardmäßigen Impedanzröhrentest (nach dem ASTM-Verfahren ASTM E 1042-92) ermittelt. Das Hohlraumvolumen für das verdunstete Wasser in dem Gipsgussteil wurde aus dem oben beschriebenen Hohlraumvolumentest für das verdunstete Wasser ermittelt.
Die EWVV-Ergebnisse sind im Folgenden in TABELLE I als Durchschnittsergebnisse dreier untersuchter Proben dargestellt. Die Ergebnisse spiegeln annähernd 87% reine Gipsproben (mit annähernd 13% Verunreinigungen) wider. Der EWVV-Wert verändert sich direkt mit der Reinheit des zur Herstellung der sperrenden Matrix für den erstarrten Gips verwendeten kalzinierten Gipses. Mithin ist zu erwarten, dass die EWVV-Werte bei kalziniertem Gips höherer Reinheit höher sind. Bei kalziniertem Gips mit einem größeren Prozentsatz an Verunreinigungen ist zu erwarten, dass die EWVV-Werte niedriger sind. Es wurden zehn Abbildungen jeder Probe bei 300-facher Vergrößerung analysiert, und diese zehn Abbildungen wurden der oben für den EWVV-Test beschriebenen Bilderzeugungsanalyse unterzogen. Die Messwerte wurden als Durchschnitt für die zehn analysierten Bilder verzeichnet und werden als einen Versuchsfehler von etwa ± 5% aufweisend eingeschätzt, bezogen auf den EWVV-Test selbst.
In den Tabellen bezeichnet

TMP: Natriumtrimetaphosphat;
APP: Ammoniumpolyphosphat;
PC: Poly(acrylsäure) mit einem Molekulargewicht von etwa 500 000; und
S: ein Tensid, welches die Oberflächenspannung der Mischung von Wasser und kalziniertem Gips, aus welcher der erstarrte Gips gegossen ist, auf etwa 40 Dyn/cm senken kann.

Beispiel Nr.	Kalzinierter Gips, g	Wasser, g	Verhältnis Wasser/Kalzinierter Gips	Zusatbezogzstoff, Trockengewicht, bezogen auf kalzinierten Gips TMP APP PC S				EWVV
1	300	300	1	-	-	-	-	0,509
2	300	600	2	-	-	-	-	0,611
3	300	900	3	0,2	-	-	-	0,741
4	300	1200	4	0,5	0,5	-	-	0,774
5	300	1500	5	1	1	-	-	0,841
6	300	1800	6	1	-	0,1	-	0,845
7	300	2100	7	1	-	0,2	0,01	0,848
8	300	2400	8	1	-	0,25	0,01	0,874
9	300	2700	9	1	-	0,3	0,01	0,882

Die Angaben in Tabelle 1 stellen die Veränderung des Wasserhohlraumvolumens in der den erstarrten Gips sperrenden Matrix dar, wenn sich das Verhältnis von Wasser zu kalziniertem Gips ändert. Insbesondere ist zu sehen, dass der EWVV-Wert für die erstarrte Gipszusammensetzung zunimmt, wenn das Verhältnis von Wasser zu Stuckgips in dem Gemisch zunimmt, aus welchem die erstarrte Gipszusammensetzung gegossen ist. Die Angaben zeigen auch, dass unerwartet hohe Verhältnisse von Wasser zu Stuckgips verwendet werden können, um eine den erstarrten Gips sperrende Matrix mit einem sehr hohen Grad an Hohlräumen durch verdunstetes Wasser herzustellen. Wie in den Angaben in Tabelle II zu sehen ist, sind solche Zusammensetzungen auf Grund ihrer niedrigen Dichte und/oder ihrer akustischen Eigenschaften vorteilhaft.
Tabelle II stellt die Zubereitung der mit verschiedenen Verhältnissen von Wasser zu Stuckgips und mit verschiedenen Verbesserungsmaterialien gemäß der Erfindung hergestellten erstarrten Gipszusammensetzungen dar. Zu Vergleichszwecken sind auch Gipszusammensetzungen enthalten, die nicht die Verbesserungsmaterialien enthalten.
Außerdem stellen die Angaben in Tabelle II dar, dass erstarrte Gipszusammensetzungen niedriger Dichte gemäß der Erfindung hergestellt werden können. Die Angaben zeigen auch, dass die Dichte der erstarrten Gipszusammensetzung abnimmt, wenn das Wasser-Stuckgips-Verhältnis zunimmt, welches in dem wässrigen kalzinierten Gipsgemisch verwendet wird, aus welchem die erstarrte Gipszusammensetzung gegossen ist. Die Abnahme der Dichte ist auf das größere Volumen der Hohlräume durch verdunstetes Wasser in den erstarrten Gipszusammensetzungen zurückzuführen, die mit Hilfe des höheren Wasser-Stuckgips-Verhältnisses hergestellt werden.
Die Angaben stellen auch die verbesserten akustischen Eigenschaften bei Messung mit dem NRC-Wert dar, welche mit erstarrten Gipszusammensetzungen erzielt werden können, die mit höheren Wasser-Stuckgips-Verhältnissen gemäß der Erfindung hergestellt werden. Es ist zu erkennen, dass die in Tabelle II aufgeführten NRC-Werte für die den erstarrten Gips sperrende Matrix dienen, da in diesen Zusammensetzungen keine anderen den Schall schluckenden Zusatzstoffe wie Papierfasern oder dergleichen vorhanden sind, welche zu den akustischen Eigenschaften beitragen. Durch die höheren NRC-Werte für die den erstarrten Gips sperrende Matrix kann eine akustische Platte niedriger Dichte auf Gipsbasis mit hohen NRC-Werten hergestellt werden, die mit der Wahl von in der Technik zur Verbesserung der akustischen Leistung bekannten Zusatzstoffen und anderen Verfahren hinsichtlich ihres akustischen Verhaltens noch weiter verbessert werden können. Als Alternative wird es möglich, durch Verwendung von NRC-Zusammensetzungen gemäß der Erfindung weniger Papier oder weniger andere bekannte akustische Verbesserer zu verwenden und dennoch akustische Platten zustande zu bringen, welche die Industriestandards erfüllen oder übertreffen.
Außerdem sind die erstarrten Gipszusammensetzungen niedriger Dichte, die unter Verwendung von Verbesserungsmaterialien gemäß der Erfindung hergestellt werden, weniger anfällig gegen Schrumpf als erstarrte Gipszusammensetzungen niedriger Dichte, die ohne die Verbesserungsmaterialien hergestellt werden. Demgemäß können erstarrte Gipszusammensetzungen jeder Größe oder Form, die beispielsweise Platten, akustische Platten, Tafeln, und Türfüllungen umfassen, ohne größeren Schrumpf und dessen begleitenden Verlust, beispielsweise Abfall, nach Standardgrößen und -toleranzen hergestellt werden.
Zwar wurde die Erfindung unter Hervorhebung bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, jedoch kann der Fachmann erkennen, dass Variationen der bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden können und vorgesehen ist, die Erfindung in anderer Weise als der speziell hier beschriebenen Weise zu verwenden. Demgemäß umfasst die Erfindung alle Modifizierungen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie diese durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Erstarrte Gipszusammensetzung, hergestellt mit einem Verfahren, welches umfasst: das Herstellen eines Gemischs, das zumindest aus kalziniertem Gips, Wasser und einem Verbesserungsmaterial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Trimetaphosphatverbindung, einem Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten, einer Polycarbonverbindung, einem Tensid und Kombinationen derselben besteht, wobei das Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips in dem Gemisch mindestens etwa 3:1 beträgt; und das Aufrechterhalten des Gemischs unter Bedingungen, die ausreichen, damit der kalzinierte Gips eine zusammengebackene Matrix aus erstarrtem Gips ausbildet.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmaterial Natriumtrimetaphosphat oder Natriumtrimetaphosphat und mindestens ein Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Einheiten ist.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Polycarbonverbindung ein Polyacrylat mit einem Molekulargewicht von 200000 Dalton bis 700000 Dalton ist.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Tensid aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acetylenglycol basierten Tensiden, fluorhaltigen Tensiden, siliconhaltigen Tensiden und Kombinationen derselben besteht.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Tensid dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Oberflächenspannung des Wassers auf 40 Dyn/cm oder weniger herabsetzen kann.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung einen Geräuschminderungskoeffizienten von mindestens 0,4 gemäß ASTM E 1042-92 aufweist.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung außerdem aus mindestens einem von Folgendem besteht: einer Fasermatte, einem Bindemittel, Schaumperlit, einer Stärke, einem verstärkenden Zusatzstoff und von einem wässrigen Schaum gebildeten Luftporen.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das zur Herstellung des Gemischs verwendete Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips 4,5:1 bis 9:1 beträgt.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei mindestens 50 Gew.-% des kalzinierten Gipses β-Calciumsulfathalbhydrat sind.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Menge des zur Herstellung des Gemischs verwendeten Verbesserungsmaterials 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% des kalzinierten Gipses beträgt.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Verbesserungsmaterial eine Trimetaphosphatverbindung und eine Polycarbonverbindung oder ein Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten und eine Polycarbonverbindung ist.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das zur Herstellung des Gemischs verwendete Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips 3:1 bis 12:1 beträgt.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das zur Herstellung des Gemischs verwendete Gewichtsverhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips 5:1 bis 8:1 beträgt.
Gipszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die erstarrte Gipszusammensetzung um höchstens 2% schrumpft.
Gegenstand, umfassend eine Gipsplatte, wobei die Gipsplatte die Gipszusammensetzung nach Anspruch 1 enthält.
Gegenstand nach Anspruch 15, außerdem mit einer zweiten Gipsplatte, wobei die Dichte der zweiten Gipsplatte größer als die Dichte der Gipszusammensetzung ist.
Gegenstand nach Anspruch 16, wobei die zweite Gipsplatte eine Dichte von mindestens etwa 320kg/m³ (20 lb/ft³) aufweist, und wobei die Gipszusammensetzung eine Dichte von weniger als etwa 320kg/m³ (20 lb/ft³) aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 16, außerdem mit Wandplattenpapier, wobei das Wandplattenpapier auf der zweiten Gipsplatte getragen wird.
Gegenstand nach Anspruch 16, außerdem mit einer dritten Gipsplatte, wobei die Dichte der dritten Gipsplatte größer als die Dichte der Gipszusammensetzung ist.
Gegenstand nach Anspruch 19, außerdem mit einer zweiten Gipszusammensetzung, wobei die Dichte der zweiten Gipszusammensetzung niedriger als die Dichte der zweiten Gipsplatte und der dritten Gipsplatte ist.
Verfahren zur Herstellung einer erstarrten Gipszusammensetzung, mit: dem Herstellen eines Gemischs, das mindestens aus kalziniertem Gips, Wasser und einem Verbesserungsmaterial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Trimetaphosphatverbindung, einem Ammoniumpolyphosphat mit 500-3000 sich wiederholenden Phosphateinheiten, einer Polycarbonverbindung, einem Tensid und Kombinationen derselben besteht, wobei das zur Herstellung des Gemischs verwendete Verhältnis des Wassers zum kalzinierten Gips mindestens etwa 3:1 beträgt; und dem Aufrechterhalten des Gemischs unter Bedingungen, die ausreichen, damit der kalzinierte Gips eine Matrix aus erstarrtem Gips ausbildet.