TWI706074B - 石膏內芯及用於製作彼之漿料 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種石膏內芯,其可用於提供一種包括高膨脹蛭石之重量減小、密度減小的石膏面板,其具有的耐火能力至少相當於(若非更好於)具有遠遠更大的石膏含量、重量以及密度的商業防火級石膏面板。
Description
本專利申請要求於2011年2月25日提交的、標題為「輕質的、密度減小的防火級石膏面板」的美國臨時專利申請號61/446,941的優先權利益,將其藉由引用以其全部內容結合在此。
本揭露總體上涉及重量和密度減小的、具有改進的隔熱特性、熱收縮耐受性以及耐火性的石膏面板。
典型地用於建築和其他建造應用中的石膏面板(如石膏壁板或天花板)典型地包括一具有紙、玻璃纖維或其他適當材料的蓋板的石膏內芯。
石膏面板典型地是藉由將熟石膏或「灰泥」與水和其他成分進行混合來製備一用於形成面板內芯的漿料而製造的。如本領域中普遍理解的,灰泥主要包括一或多種形式的熟石膏,即經受了脫水(典型地是藉由加熱)而形成無水石膏或半水合物石膏(CaSO4.½ H2O)的石膏。該熟石膏可以包括來自天然或合成來源的β硫酸鈣半水合物、α硫酸鈣半水合物、水溶性硫酸鈣無水石膏、或該等中的任何一種或全部的混合物。當引入該漿料中時,該熟石膏開始一水合過 程,該水合過程在石膏板的形成過程中完成。當水合過程恰當地完成時,其產出多種結晶形式的凝固石膏二水合物(即CaSO4.2H2O的多種形式)的基本上連續的晶體基質。
在面板的形成過程中,蓋板典型地以連續的薄片來提供。該石膏漿料作為流體或帶狀物被沉積在該等蓋板中的第一個之上。該漿料以一預定的大致厚度在第一蓋板的寬度上鋪展開而形成該面板內芯。將第二個蓋板放在該漿料頂部,從而將該石膏內芯夾在該等蓋板之間並形成一連續的面板。
這個連續面板典型地被沿著一傳送機傳送,以便允許這個內芯來繼續水合過程。當該內芯被充分水合和硬化後,將其切割成一或多個所希望的尺寸從而形成多個單獨的石膏面板。然後將該等面板轉移到並使之穿過一窯,該窯的溫度足以將該等面板乾燥至所希望的自由水分水平(典型地是較低的自由水分含量)。
取決於所採用的工藝和面板的預期用途以及其他這樣的考慮因素,可以將包含石膏和其他添加劑的另外的漿料層、條帶或帶狀物施加到第一或第二蓋板上以便對最終的面板提供特定的特性,如硬化的邊緣或硬化的面板面部。同樣地,可以在這個過程中在一或多個位置上將泡沫加入石膏內芯漿料和/或其他漿料條帶或帶狀物中,以便在石膏內芯中或最終面板的內芯的多個部分中提供空氣空隙的分佈。
所得面板可以進一步切割或加工以便用於多種應用中,這取決於所希望的面板尺寸、蓋板層組合物、內芯組合物等等。石膏面板典型地是厚度從約¼英寸至約一英寸而變化,這取決於它們的預期用途和應用。該等面板可用於 各種藉由使用一或多種緊固元件如螺釘、釘子和/或黏合劑而形成牆壁、天花板或其他類似系統的結構元件上。
如果將最終的石膏面板暴露於較高溫度下,如由高溫火焰或氣體所產生的溫度下,石膏內芯的多個部分可能會吸收足夠的熱量而開始從內芯的石膏二水合物晶體中釋放水。熱量的吸收以及水從石膏二水合物中的釋放可能足以將在面板之中或穿過面板的熱量傳輸延緩一段時間。該石膏面板可以充當屏障來防止高溫火焰直接穿過牆壁系統。石膏內芯所吸收的熱量可能足以對內芯的多個部分進行實質性再煆燒,這取決於熱源溫度和暴露時間。在某些溫度水平下,施加給面板的熱量還可能造成石膏內芯的無水石膏中的相變以及該等晶體結構的重排。在某些情況下,鹽和雜質的存在可能降低石膏內芯晶體結構的熔點。
石膏面板可能由於該等高溫加熱效應中的一些或全部而經歷一或多個方向上的面板尺寸的收縮,並且這樣的收縮可能造成面板的結構整體性的失效。當將面板附接到牆壁、天花板或其他框架元件上時,這種面板收縮可能導致該等面板與安裝在相同元件中的其他面板分離,以及與其支撐件分離,且在某些情況下可能造成面板或支撐件(或二者)的坍塌。其結果係,高溫火焰或氣體可能直接進入或穿過牆壁或天花板結構。
可在一段時間內抵抗較高溫度的效應的石膏面板已經被生產出來,該等面板可以固有地延緩高熱量水平穿過面板或在其間通過、以及進入(或穿過)使用它們的系統。稱為耐火性或「防火級的」的石膏面板典型地被配製用於增強面板延緩熱量穿過牆壁或天花板結構的能力,並且對控制火在建築物內 蔓延方面扮演重要角色。其結果係,建築法規制定者以及其他相關的公共及私人實體典型地對於防火級石膏面板的耐火性能設定了嚴格的標準。
石膏面板耐受火以及相關的極大熱量的能力可以藉由進行普遍接受的試驗來評估。此類測試的實例在建造行業中例行地使用,如由安全檢測實驗室公司(「UL」)出版的那些,如UL U305、U419和U423試驗程式和方法,以及由美國材料與試驗協會(ASTM)出版的規範E119中描述的程式。這樣的試驗可以包括使用石膏面板來建造試驗元件,通常是在由木質或鋼質牆筋形成的牆壁框架的每個面上單層地施加該等面板。取決於該試驗,可以使或可以不使該元件經受荷載力。將該元件(例如像根據UL U305、U419和U423構造的組件)一側的面在一段時間內暴露於例如遵循一條加熱曲線的漸增溫度中,該曲線係如ASTM E119程式中討論的那些。
在試驗過程中對該元件的所加熱的側面附近的溫度以及未加熱側面的表面處的溫度進行監控,以便評估該等暴露的石膏面板所經受的溫度以及穿過該元件傳輸至未暴露的面板的熱量。在該等面板出現一項或多項結構失效和/或當該元件的未暴露側面上的溫度超過一預定閾值時終止試驗。典型地,該等閾值溫度係基於該元件的未加熱表面上的此類感測器中的任一者的最大溫度和/或該等溫度感測器的平均值。
試驗程式,如在UL U305、U419和U423以及ASTM E119中列出的那些針對的是一元件對穿過該元件(作為一整體)的熱量傳輸的阻力。該等試驗在一方面還提供了對於當該元件經受高溫加熱時該元件中使用的石膏面板在x-y方向(寬度和長度)上的收縮耐受性的一種衡量。此類試驗還提供了對面板的結構整體性損失的耐受性的一種衡量,這種損失在牆壁元件中的面板之間造成了 開放的空隙或空間,導致高溫進入該元件的內部空腔中。在另一方面,該等試驗提供了對石膏面板抵抗熱量傳輸穿過面板和元件的能力的一種衡量。據信此類試驗反映了指定的系統對建築物居民以及消防員/火情控制系統提供機會來解決或逃離火災情況的能力。
過去,採用了不同的策略來改進防火級石膏面板的耐火性。例如,提供了更厚、更緻密的面板內芯,它們相對於較不緻密的石膏面板使用了更多石膏、並且因此有更大量的水被化學地結合在石膏(二水合硫酸鈣)中來充當散熱件、減小面板收縮、並且增大面板的結構穩定性和強度。替代地,已將包括玻璃纖維和其他纖維在內的不同成分摻入石膏內芯中以便藉由增大內芯的拉伸強度並且藉由將收縮應力遍及該內芯介質進行分佈來增強石膏面板的耐火性。類似地,過去已使用多種量值的某些黏土(如尺寸小於約一微米的那些)以及膠體二氧化矽或氧化鋁添加劑(如尺寸小於約一微米的那些)來提供石膏面板內芯中的增大的耐火性(以及高溫收縮耐受性)。然而已經認識到,藉由減小內芯中的石膏量來減小石膏面板內芯的重量和/或密度將不利地影響面板的結構整體性以及它們對火和高熱條件的耐受性。
另一途徑係向石膏面板內芯中加入未膨脹的蛭石(也稱為蛭石礦)和礦物或玻璃纖維。在這樣的途徑中,預期該蛭石在加熱條件下膨脹以便補償該內芯的石膏組分的收縮。人們相信該礦物/玻璃纖維將石膏基質的多個部分保持在一起。
在美國專利號2,526,066和2,744,022中描述了這樣一途徑,其中討論了使用粉碎的未剝層蛭石以及礦物和玻璃纖維,其比例足以抑制高溫條件下石膏面板的收縮。然而,這兩個參考文件均依賴於高密度內芯來提供足夠的石膏 以充當散熱件。它們揭露了製備½英寸厚的石膏面板,其重量為2至2.3磅/平方英尺(2,000至2,300磅/千平方英尺(「lb/msf」))並且板密度為約50磅/立方英尺(「pcf」)或更大。
該’066專利報導稱,從這樣的面板切下的區段(具有2%的礦物纖維以及7.5%的28篩下料蛭石)在1400℉(760℃)下加熱30分鐘時被證明有最高達19.1%的厚度膨脹,但是並未提供關於該等樣品的x-y方向收縮率的任何資訊。該’066專利進一步告知,取決於面板配方和蛭石含量,蛭石的膨脹可能由於鼓起的面板和/或面板中的裂縫和開口而造成面板失效。
該’022專利係針對於藉由減小’066專利中揭露的面板的礦物/玻璃纖維含量來增大那些面板的石膏含量(並且因此還有密度和重量)以便提供更大的石膏散熱能力。諸如’022專利的參考文獻進一步認為,蛭石的膨脹特性除非受到限制,否則會在高溫條件下在較短時間內造成內芯的脹裂(即,碎裂、剝離或剝落)以及牆壁組件的毀壞。
在另一實例中,美國專利號3,454,456描述了將未膨脹的蛭石引入防火級石膏壁板面板的內芯中以便抵抗該等面板的收縮。該’456專利還依賴於較高的石膏含量和密度來提供所希望的散熱能力。該’456專利揭露了最終製成的½英寸石膏面板的板重量,其最小重量為約1925lb/msf,並且板密度為約46pcf。這係一與目前在商業上為防火級應用所提供的更厚並且遠遠更重的5/8英寸厚的石膏面板(約2400lb/msf)相當的密度。
該’456專利還揭露,在石膏面板內芯中使用蛭石來提高面板的防火級受到顯著的限制。例如,該’456專利注意到,內芯內的蛭石的膨脹可能致使該內芯由於脹裂和其他毀壞性作用而瓦解。該’456專利還揭露,未膨脹的蛭石顆 粒可能削弱內芯結構,使得該內芯變弱、鬆軟並且易碎。該’456專利旨在藉由採用具有較小粒徑分佈(大於90%的未膨脹蛭石顆粒小於50號篩目尺寸(近似0.0117英寸(0.297mm)的開口),其中小於10%的未膨脹蛭石顆粒係略大於50號篩目尺寸)的「獨特的」未膨脹蛭石來著手解決與在石膏面板中使用蛭石相關的顯著的固有局限。據稱這種途徑抑制了蛭石的膨脹對面板的負面作用,如在該’456專利的第2欄第52-72行所解釋的。
此外,該’456專利解釋了,具有上述粒徑分佈的未膨脹蛭石對應於在商業上稱為「第5等級」的未膨脹蛭石的一產品。至少從19世紀70年代早期,在具有常規板密度(例如從約45pcf至超過約55pcf)的石膏內芯的商業耐火/防火級面板中就已經使用了第5等級的未膨脹蛭石。出於以上討論的原因,使用包括尺寸大於那些典型的第5等級未膨脹蛭石顆粒的顯著顆粒分佈的未膨脹蛭石一直被認為由於以上提及的脹裂以及在高溫條件下石膏內芯內蛭石的膨脹所造成的其他作用而對耐火面板潛在地是毀壞性的。
在另一途徑中,美國專利號3,616,173係針對具有被該’173專利表徵為更輕重量或更低密度的一石膏內芯的耐火石膏面板。該’173專利的面板與習知技術的½英寸面板的區別在於重約2,000lb/msf或更大並且具有超過約48pcf的內芯密度。因此,該’173專利揭露了具有處於或高於約35pcf、並且較佳約40pcf至約50pcf的密度的½英寸厚面板。該’173專利藉由將顯著量值的小粒徑無機材料(黏土、膠體二氧化矽、或膠體氧化鋁)摻入其石膏內芯中、並且以防止其石膏面板在高溫條件下收縮所要求的量值摻入玻璃纖維而實現了它所揭露的內芯密度。
該’173專利揭露了另外任選地將未膨脹蛭石,與所要求量值的、它所揭露的小粒徑無機材料一起加入其石膏內芯組合物中。然而,即使具有該等添加劑,所揭露的該’173專利的面板中每一個的測試顯示它們經受了顯著的收縮。雖然所測試以及揭露的面板中每一個都具有約43pcf或更大的內芯密度,這種收縮還是發生了。
對於½英寸厚的石膏面板,該’173專利揭露的面板具有從約60%至約85%的「收縮耐受性」。如在’173專利中使用的,「收縮耐受性」係對當內芯在預定時間段內被加熱至預定溫度之後剩餘的一內芯區段的x-y(寬度-長度)面積的比例或百分比的一種衡量,如’173專利中所說明的。參見例如第12欄第41-49行。
還已經進行了其他努力藉由不同手段來增大石膏面板的強度和結構整體性並減小面板重量。此類輕質石膏板的實例包括美國專利號7,731,794和7,736,720以及美國專利申請公開號2007/0048490 A1和2008/0090068 A1、以及2010/0139528 A1。
最後,注意到在不存在耐水添加劑時,當凝固石膏浸沒於水中時,凝固石膏可以吸收最高達其重量50%的水。並且,當石膏面板(包括耐火石膏面板在內)吸收水時,它們會溶脹、變形並且損失強度,這可能使它們的耐火特性退化。輕質耐火面板具有遠多於常規的更重耐火面板的空氣和/或水空隙。該等空隙預期會增大水吸收的速率和程度,預期這樣的低重量耐火面板將比常規的更重耐火面板更吸水。
過去已經進行了許多嘗試來總體上改進石膏面板的耐水性。已將各種烴類(包括蠟、樹脂和瀝青在內)加入到用來製造石膏面板的漿料中以便為 面板賦予耐水性。還在石膏漿料中使用矽氧烷,藉由在原位形成矽氧烷樹脂來賦予石膏面板耐水性。然而,預期矽氧烷不會充分地保護低重量的面板。因此,在本領域需要一藉由增強通常由矽氧烷賦予的耐水性而以合理成本來生產低重量和密度的、具有改進的耐水性的耐火石膏面板的方法。
在某些實施方式中,本揭露描述了一重量減小、密度減小的石膏面板,以及用於製造此類面板的方法,該等面板具有與典型地在要求防火級的建造應用中使用的、更重更密的石膏面板相當的耐火特性。在某些實施方式中,根據本揭露的原理形成的面板包括被置於兩個蓋板之間的一凝固石膏內芯,該內芯具有小於約40磅/立方英尺(「pcf」)的內芯密度。在5/8英寸厚的這樣的面板的實施方式中,重量係近似小於約2100lb/msf。
在某些實施方式中,可以將高膨脹微粒,例如像高膨脹蛭石,摻入石膏內芯中,其量值有效地提供了在耐收縮的意義上與商業的X型石膏面板以及其他更重且更密的石膏面板相當的耐火性。該等高膨脹顆粒在被加熱時可以具有一第一未膨脹相和一第二膨脹相。此類面板可以進一步提供在x-y方向(寬度-長度)高溫收縮率和隔熱特性、以及z方向(厚度)高溫厚度膨脹特性的意義上與商業的X型石膏面板以及其他更重且更密的商業面板(包括含第5等級蛭石的那些商業石膏面板在內)相當的或者顯著更高的耐火性。在另外其他的實施方式中,根據本揭露的原理形成的面板可以在多種元件(例如經受行業標準防火測試的那些)中提供與至少商業的X型石膏面板以及其他更重且更密的商業面板相當的防火性能。這樣的行業標準防火測試包括但不限於在UL U305、 U419以及U423全規模防火試驗以及與之等效的防火試驗的程式和規範中所列出的。
在其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的石膏面板及其製造方法可以提供在x-y方向上的小於約10%的高溫收縮率(在約1560℉(850℃)的溫度下)以及在z方向上的大於約20%的膨脹。在一些實施方式中,z方向高溫厚度膨脹率與高溫收縮率之比在一些實施方式中是大於約0.2、在其他實施方式中是大於約2、在一些實施方式中是大於約3、在其他實施方式中是大於約7、在另外其他的實施方式中是高於約17、並且在又其他的實施方式中是從約2至約17。在其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的石膏面板及其製造方法可以在超過約1800℉(980℃)的溫度下提供在x-y方向上大於約85%的收縮耐受性。
在另外的其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的一耐火石膏面板及其製造方法可以包括被置於兩個蓋板之間的一石膏內芯。該石膏內芯可以包括凝固石膏的晶體基質以及高膨脹顆粒,該等顆粒在約1560℉(約850℃)被加熱約一小時之後可膨脹至其原始體積的約300%或更大。該石膏內芯可以具有約40磅/立方英尺或更小的密度(D)以及至少約11磅(5kg)的內芯硬度。該石膏內芯可有效提供約20分鐘或更大的隔熱指數(TI)。
在其他實施方式中,在根據UL U305、U419以及U423防火試驗程式進行測試時,使用根據本揭露的原理形成的、重量和密度減小的5/8英寸厚石膏面板製成的元件可以提供與使用更厚更密的石膏面板的元件相當的(或更好的)耐火性。根據本揭露的原理形成的面板的耐火性可以由根據UL U305、U419以及U423防火試驗程式(以及等效的防火試驗程式)製造的此類元件的 未暴露表面上的最大單一感測器溫度或平均感測器溫度來反映。在某些實施方式中,使用根據本揭露的原理形成的面板製造的、並且根據UL U419進行測試的元件在經過約60分鐘的時間處提供了小於約500℉(260℃)的最大單一感測器溫度和/或小於約380℉(195℃)的平均感測器溫度。在某些實施方式中,使用根據本揭露的原理形成的面板製造的、並且根據UL U419進行測試的元件在經過約50分鐘的時間處提供了小於約260℉的最大單一感測器溫度和/或小於約250℉的平均感測器溫度。在某些實施方式中,使用根據本揭露的原理形成的面板製造的元件在這樣的UL U419試驗中可以在約55分鐘時提供小於約410℉的最大單一感測器溫度和/或小於約320℉的平均感測器溫度。在另外的其他實施方式中,使用根據本揭露的原理形成的面板製造的元件在這樣的試驗中可以在經過約55分鐘的時間處提供小於約300℉的最大單一感測器溫度和/或小於約280℉的平均感測器溫度。
在其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的石膏面板的一元件可以在按照UL U419程式進行的測試中展現由在經過約60分鐘的時間處小於約500℉的最大單一感測器溫度和/或小於約380℉的平均感測器溫度所反映的耐火性。在另外的其他實施方式中,使用根據本揭露的原理形成的面板製造的元件可以在這樣的試驗中在經過約60分鐘的時間處經歷小於約415℉的最大單一感測器溫度和/或小於約320℉的平均感測器溫度。在此類實施方式的某些之中,根據本揭露的原理形成的石膏面板可以具有一密度小於約40pcf的內芯,這滿足了根據UL U305、U419以及U423的防火試驗程式以及與其中任一項等效的其他防火試驗程式中的一項或多項對於一60分鐘防火級石膏面板的要求。
在又其他的實施方式中,遵循本揭露的原理的、重量和密度減小 的面板的配方及其製造方法可以對石膏面板提供上述耐火特性、小於約40pcf的密度以及可以滿足ASTM C 1396/C 1396/M-09標準的拔釘阻力。更具體地,此類面板在具有標稱的5/8英寸厚度時可以具有至少87lb的拔釘阻力。此外,在其他實施方式中,此類面板提供了與遠遠更重和更密的面板實質上相同的聲音傳輸特性。在某些實施方式中,根據本揭露的原理形成的5/8英寸厚面板在安裝於鋼質牆筋的元件上時,根據ASTM E90-99的測試和程式可以具有至少約35的聲音傳輸等級級別(rankings)。
在另外的其他實施方式中,使用至少包括水、灰泥、以及高膨脹蛭石的含石膏漿料來提供用於標稱5/8英寸防火級面板的一凝固石膏內芯組合物。在一這樣的實施方式中,該凝固石膏內芯具有從約30pcf至約40pcf的密度,並且該內芯包括量值從約1162lbs/msf至約1565lbs/msf的灰泥、按該灰泥的重量計從約5%至約10%的高膨脹蛭石、以及按該灰泥的重量計從約0.3%至約0.9%的礦物或玻璃纖維。(除非另外指出,否則該石膏內芯的組分的百分比都是基於用來製備該內芯漿料的灰泥的重量以重量給出)。在另一實施方式中,該凝固石膏內芯具有從約30pcf至約40pcf的密度,並且該內芯包括量值從約1162lbs/msf至約1565lbs/msf的灰泥、按該灰泥的重量計從約5%至約10%的高膨脹蛭石、按該灰泥的重量計從約0.3%至約3%的澱粉、按該灰泥的重量計從約0.3%至約0.9%的礦物或玻璃纖維、以及按該灰泥的重量計從約0.03%至約0.4%的磷酸鹽。
在其他實施方式,根據本揭露的原理形成的5/8英寸厚面板的石膏內芯可以具有從約32至約38磅/立方英尺的密度、以及從約1500至約1700lb/msf的石膏內芯重量。在某些實施方式中,該石膏內芯可以包括約5.5%至約 8%的高膨脹蛭石、約0.4%至約0.7%的礦物或玻璃纖維、以及約0.07%至約0.25%的磷酸鹽。在其他實施方式中,該石膏內芯可以包括約5.5%至約8%的高膨脹蛭石、約0.5%至約2.5%的澱粉、約0.4%至約0.7%的礦物或玻璃纖維、以及約0.07%至約0.25%的磷酸鹽。在另外的其他實施方式中,該石膏內芯的每種組分(如澱粉、纖維和磷酸鹽)的含量可以進一步進行調節以便提供所希望的面板特性,並且針對該等蓋板的組成和重量來調解加入面板內芯的其他添加劑、以及石膏灰泥的品質。
在此描述的每種石膏內芯成分還可以針對不同厚度的面板進行適當改變,如熟習該項技術者將會瞭解的。例如,1/2英寸面板可以具有為所述值的約80%的石膏lb/msf值,並且一3/4英寸面板可以具有為所述值的約120%的lb/msf值。在某些實施方式中,該等比例可以取決於不同厚度面板的物理特性規格而變化。遵循本揭露的原理的面板以及內芯配製品的其他方面和變體在下面進行討論。
在此揭露的內芯漿料和石膏內芯組合物中也可以按常規量值採用其他常規的添加劑,以便為內芯賦予所希望的特性並有助於製造過程。此類添加劑的實例係:促凝劑、緩凝劑、脫水抑制劑、結合劑、黏合劑、分散助劑、均化劑或非均化劑、增稠劑、殺菌劑、殺真菌劑、pH調節劑、著色劑、防水劑、填充劑、水性泡沫及其混合物。
在根據本揭露的原理形成的面板及其製造方法中,可以使用以下進一步討論的方法將水性泡沫以有效提供所希望的石膏內芯密度的量加入該內芯漿料中。在某些實施方式中,向內芯漿料中加入該泡沫組分可以在該內芯的蛭石組分的存在下產生有助於一或多種面板和/或內芯強度特性的空隙分佈和空隙 尺寸分佈。類似地,可以將包含石膏和其他添加劑的另外的漿料層、條帶或帶狀物(其可以相對於內芯的其他部分具有增大的密度)施加到該第一或第二蓋板上以便對最終的面板提供特定的特性,如更硬的邊緣。
在另外的其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的一耐火石膏面板及其製造方法可以包括被置於兩個蓋板之間的一凝固的石膏內芯。該凝固石膏內芯可以具有約40磅/立方英尺(約640kg/m3)或更小的密度(D)並且包括凝固石膏的一種晶體基質以及高膨脹顆粒。這些高膨脹顆粒可以在約1560℉(約850 C)下加熱約一小時之後膨脹至其原始體積的約300%或更大。這些高膨脹顆粒可以按某個量值來提供並且分佈在該凝固石膏的晶體基質內,使得該面板具有約20分鐘或更大的隔熱指數(TI)。
在其他實施方式中,本揭露描述了一用於製造耐火石膏面板的方法。製備了一具有分散在其中的高膨脹顆粒的石膏漿料。將該石膏漿料佈置在一第一蓋板與一第二蓋板之間以形成一種元件。將該元件切割成具有預定尺寸的面板。將該面板乾燥。該凝固石膏內芯具有約40磅/立方英尺(約640kg/m3)或更小的密度(D)並且包括凝固石膏的一晶體基質以及高膨脹顆粒。這些高膨脹顆粒可以在約1560℉(約850℃)下加熱約一小時之後膨脹至其原始體積的約300%或更大。這些高膨脹顆粒是按某個量值來提供並且分佈在該凝固石膏的晶體基質內,使得該面板具有約20分鐘或更大的隔熱指數(TI)。
在其他實施方式中,本揭露描述了一製造防火級石膏面板的方法,其中該凝固石膏內芯組分係由含熟石膏的水性漿料形成的。在某些實施方式中,該漿料可以包括以上描述的量值的高膨脹蛭石、澱粉、分散劑、磷酸鹽、礦物/玻璃纖維、泡沫、其他添加劑,灰泥以及水,水/灰泥的重量比為約0.6至1.2、 較佳約0.8至約1.0、並且更佳約0.9。可以將該內芯漿料作為一連續帶狀物沉積並分佈在第一蓋板的一連續薄片上。可以將第二蓋板的一連續薄片放在沉積於第一蓋板的薄片上的漿料之上,以便形成具有所希望的近似厚度的一基本上連續的石膏面板。在該含熟石膏的漿料已經硬化到(藉由熟石膏的水合作用形成凝固石膏的連續基質)足以進行切割時,可以將這個基本上連續的石膏面板切割成具有所希望長度的多個單獨的面板,並且可以將所得的石膏面板進行乾燥。
如將會瞭解的一樣,關於在此揭露的石膏面板的原理能夠在其他以及不同的實施方式中實施、並且能夠在不同的方面進行修改。所揭露的原理的另外的以及替代的方面和特徵將從下面的詳細說明和附圖中得以瞭解。因此,應理解的是,以上總體概述和以下詳細說明均僅僅是示例性和解釋性的並且不限制所附申請專利範圍的範圍。
100‧‧‧元件
102‧‧‧石膏面板
105‧‧‧表面
110‧‧‧木質牆筋
112‧‧‧底系定板
114‧‧‧頂板
116‧‧‧砌塊
122‧‧‧接合部
130‧‧‧紙帶
132、134‧‧‧接合化合物
138‧‧‧感測器
除非另外明確指出,否則下面列舉並進一步討論的該等圖僅例示了在此揭露的發明而非進行限制。
圖1係來自根據本揭露的原理形成的標稱5/8英寸厚、約1880lb/msf的示例性面板的樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的二維圖像。
圖2係由圖1中所示樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的三維圖片。
圖3係由圖1中所示樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的三維的體積渲染過的圖片。
圖4係來自根據本揭露的原理形成的標稱5/8英寸厚、約1860lb/msf的示例性面板的樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的二維圖片。
圖5係由圖4中所示樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的三維圖片。
圖6係由圖4中所示樣品的內芯區段的如下面進一步討論的微CT-X射線掃描所得到的三維的體積渲染過的圖片。
圖7係根據UL U305、UL U419、UL U423和/或等效防火試驗所構造的、並且包括根據本揭露的原理形成的石膏面板的一代表性元件的一實施方式的透視圖,其中該等石膏面板以片段形式示出,並且為了展示的目的去除了接合帶和化合物。
圖8係從圖7元件的未暴露表面的立面圖,該圖包括根據UL U305、UL U419、UL U423和/或等效防火試驗的多個溫度感測器。
圖9係在用來自此處描述的樣品批次1至17和22並經受UL U419(如以下討論的)條件下的防火測試的面板所製造的每個元件的未暴露表面上、從0分鐘至試驗結束的最大單一感測器溫度的曲線圖,以及試驗中的加熱爐溫度所使用的ASTM E119溫度曲線的曲線圖。
圖10示出了來自作為圖9的主題的UL U419防火試驗的元件的未暴露表面處、從0分鐘至試驗結束的平均感測器溫度的曲線圖,以及試驗中的加熱爐溫度所使用的ASTM E119溫度曲線的曲線圖。
圖11係對於使用了樣品批次1至17和21的面板的組件而言來自作為圖9的主題的UL U419防火試驗的、經過從40分鐘至65分鐘時間的最 大單一感測器溫度的放大的曲線圖。
圖12係對於使用了樣品批次1至17和21的面板的組件而言來自作為圖10的主題的UL U419防火試驗的、經過從40分鐘至65分鐘時間的感測器溫度平均值的放大的曲線圖。
圖13係對於使用了樣品批次5、14和21的面板的組件而言來自圖11的數據的一曲線圖。
圖14係對於使用了樣品批次5、14和21的面板的組件而言來自圖12的數據的一曲線圖。
圖15係使用了樣品批次18和22的面板的每個元件(經受了如以下討論的UL U423條件下的防火試驗)的未暴露表面處、經過從40分鐘至65分鐘時間的最大單一感測器溫度的放大的曲線圖。
圖16係對於使用了樣品批次18和22的面板的每個元件的未暴露表面處、來自作為圖15的主題的UL U423防火試驗的、經過從40分鐘至65分鐘時間的平均感測器溫度的放大的曲線圖。
圖17係使用了樣品批次19和20的面板的組件(經受了如以下討論的UL U305試驗條件下的防火試驗)的未暴露表面處、經過從40分鐘至65分鐘時間的最大單一感測器溫度的放大的曲線圖。
圖18係對於使用了樣品批次19和20的面板的每個元件的未暴露表面處、來自作為圖17的主題的UL U305試驗的、經過從40分鐘至60分鐘時間的平均感測器溫度的放大的曲線圖。
圖19係根據本揭露的原理形成的石膏面板的示例性配方的表格(表I)。
圖20係隨著第5等級蛭石的溫度升高,重量損失和密度變化的表格(表II)。
圖21係隨著高膨脹蛭石的溫度升高,重量損失和密度變化的表格(表III)。
圖22係樣品1-4的空氣空隙分佈的統計資訊的表格(表IV)。
圖23係樣品1-4的壁厚度的統計資訊的表格(表V)。
圖24係耐收縮性試驗結果的表格(表VI)。
圖25A-B係實例4中引用的樣品面板配方的主要組分(每批次的平均值,除非另外指出)的表格(表VII)。
圖26A-B係表VII和實例4B中引用的樣品批次的試件的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率試驗的表格(表VIII)。
圖27係在使用根據本揭露的原理形成的面板的元件中對在50、55和60分鐘處的希望耐火性而言預測的最小隔熱指數值的表格(表IX)。
圖28A-B係表VI和實例4D中引用的樣品批次的試件的高溫隔熱試驗的表格(表X)。
圖29A-C係來自表VII和實例4E中引用的樣品批次的試件的防火試驗的數據表格(表XI)。
圖30係來自表VII和實例5中引用的樣品批次的試件的拔釘阻力試驗的數據表格(表XII)。
圖31係來自樣品批次17、18和19的試件的撓曲強度試驗的數據表格(表XIII)。
圖32A-C係來自樣品批次17、18和19的試件的內芯、末端、以 及邊緣硬度試驗的數據表格(表XIV)。
圖33係來自根據本揭露的原理形成的石膏面板以及X類型商業防火級石膏面板的實例的聲音傳輸損失的數據表格(表XV)。
圖34A-B係矽氧烷/澱粉處理過的面板的實驗室評估的表格(表XVI)。
圖35係來自實例10中引用的實驗室樣品的試件的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率試驗的表格(表VVII)。
圖36係來自實例10中引用的實驗室樣品的試件的高溫隔熱指數試驗的表格(表XVII)。
圖37係具有不同量值的蛭石的實驗室樣品的配方表格(表XIX)。
圖38A-C是具有變化量值的氫氧化鋁(ATH)的實例11A樣品1-9的高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫熱膨脹率試驗的表格(表XXa-c)。
圖39是對於實例11A樣品3-9而言以灰泥重量的重量百分比計的ATH量對比從圖38A的表XXb的試驗數據中獲得的高溫隔熱指數的一曲線圖。
圖40A-C是具有變化量值的ATH的實例11B樣品10-17的高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫熱膨脹率試驗的表格(表XXIa-c)。
圖41A-B是具有ATH的實例11C樣品18-20的高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫熱膨脹率試驗的表格(表XXIa和XXIIb)。
下面描述的實施方式並非旨在是窮盡的或者將所附申請專利範圍限制於在此揭露的特定的組合物、元件、方法以及操作。而是,選擇所描述的 方面和實施方式來解釋本揭露的原理及其應用、操作和用途,以便使得熟習該項技術者能最好地遵循其傳授內容。
本揭露提供了使用灰泥、處於未膨脹狀況下的高膨脹微粒(如高膨脹蛭石)、以及所指出的其他成分(其例子在圖19的表I中提到)的組合的多個實施方式。該等配方提供了耐火的、重量和密度減小的石膏面板,該等面板提供了對於此類重量和密度減小的石膏面板而言先前認為不可行的希望的耐火特性。根據本揭露的原理形成的面板還可以具有適合於多種建造目的的拔釘阻力以及聲音傳輸特徵,並且在某些實施方式中此類特性與顯著更重、更密的商業防火級面板是相當的。用於製造根據本揭露的原理形成的面板的獨特配方和方法使之有可能生產出此類高性能的、重量和密度減小的、耐火的石膏面板,該等面板在被加熱到約1560℉(850℃)的溫度時具有在x-y方向(寬度-長度)上的小於約10%的高溫收縮率以及在z方向(厚度)上的大於約20%的高溫厚度膨脹率。在另外的其他實施方式,當用於牆壁或其他元件中時,此類元件具有與用更重、更密的商業防火級面板製造的元件相當的防火試驗性能。
在另外的其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的一耐火石膏面板及其製造方法可以包括被置於兩個蓋板之間的一石膏內芯。該石膏內芯可以包括凝固石膏的晶體基質以及高膨脹顆粒,該高膨脹顆粒在約1560℉(約850℃)被加熱約一小時之後可膨脹至其原始體積的約300%或更大。該石膏內芯可具有約40磅/立方英尺或更小的密度(D)以及至少約11磅(5kg)的內芯硬度。該石膏內芯可有效提供約20分鐘或更大的隔熱指數(TI)。該石膏內芯可有效提供面板約0.6分鐘/磅每立方英尺(0.038分鐘/(kg/m3))或更大的TI/D比。
在某些實施方式中,根據本揭露的原理形成的耐火石膏面板及其製造方法可以提供如下面板,該面板在約1800℉(980℃)下被加熱一小時時展現了約85%或更大的平均耐收縮性。在其他實施方式中,該面板在約1800℉(980℃)下被加熱一小時時展現了約75%或更大的平均耐收縮性。
在某些實施方式中,本揭露提供了具有小於約40pcf的石膏內芯密度的5/8英寸厚石膏面板。在其他較佳實施方式中,該石膏內芯密度係從約30pcf至約40pcf、約32pcf至約38pcf、或約35至約37pcf。這樣的根據本揭露的原理形成的面板提供了與遠遠更重和更密的石膏面板相當的耐火特性,如目前的商業上5/8英寸X類型(防火級的)防火級石膏面板,典型地具有至少約42pcf的內芯密度(以及至少約2200lb/msf的5/8英寸厚面板),如SHEETROCK® Brand FIRE CODE®的X類型面板。
在其他實施方式中,提供了用於製造耐火石膏面板的方法,其方式為製備一具有以下討論的組分的含熟石膏水性漿料,其中該熟石膏(也稱為灰泥)以及水被用來產生一處於較佳的水/灰泥重量比的水性漿料,該比率在某些實施方式中是約0.6至約1.2、在其他實施方式中是約0.8至約1.0、並且在另外的其他實施方式中是約0.9。將該漿料作為連續帶狀物沉積在紙、非織造玻璃纖維、或其他纖維材料、或纖維材料組合的一連續的蓋板薄片上。然後將第二個這樣的連續蓋板薄片放在所沉積的漿料帶狀物之上,以形成具有所希望厚度和寬度的連續石膏面板。在該含熟石膏的漿料已經硬化到(藉由熟石膏的水合作用形成凝固石膏的連續基質)足以進行切割時,將這個連續的石膏面板切割成所希望的長度,並且將所得的石膏面板進行乾燥。此外可以使乾燥過的面板經受進一步的切割、成型和剪裁步驟。
在其他實施方式,在該第一蓋板處或周圍和/或沿著該蓋板的外周邊緣可以形成一更高密度的石膏層。該更高密度的層典型地為板表面提供了有益特性,如增大的硬度、改進的拔釘強度等等。沿著蓋板的外周邊緣的更高密度典型地提供了改進的邊緣硬度以及其他有益特性。在另外的其他實施方式中,將一更高密度層施加在一或這兩個蓋板上、或者施加在該內芯/蓋板構造的等效部分上。
典型地,該等更高密度的層可以藉由常規技術來施加,例如在將內芯層沉積在第一蓋板上或者將第二蓋板施加在內芯漿料層上的上游處或緊密附近處,塗覆該等蓋板層之一或二者。類似地,該外周的更高密度的層通常作為石膏漿料的條帶或窄的帶狀物(具有與內芯漿料不同的密度),在內芯漿料沉積在第一蓋板上的上游處或附近被施加到第一蓋板的外周邊緣上。在一些這樣的實施方式中,該等更高密度的層占板重的約3%至約4%。
因此,在某些實施方式中,提供了重量和密度減小的耐火石膏面板,它適合用作壁板、天花板或其他建造應用(如外部覆蓋物、屋頂材料等)。在某些這樣的實施方式中,該等石膏面板具有適合用於建造應用中的標稱厚度,如約5/8英寸、約1/2英寸、和/或約1/4英寸,這係用於許多內部和外部建築應用中的典型厚度。該等蓋板也可以塗覆有耐水的或抗濫用(abuse-resistant)的塗層,或者在某些應用中塗覆有石膏、水泥膠結材料、丙烯酸類材料或其他適合於特定建造需要的塗層。該等面板還可以按照適合於標準的、不標準的或定制的應用的多種尺寸來形成。此類面板的實例係標稱的四英尺寬面板,它具有用於建造建築物目的的那些面板典型的八英尺、十和十二英尺的標稱長度。
相對於具有相似尺寸的常規面板,該等重量減小的耐火面板的內 芯密度對面板總重量起了重要作用。因此,在具有上述內芯密度的實施方式中,具有典型的紙質蓋板的面板的密度可以包括從約30pcf至約39.5pcf、約32.7pcf至約38.5pcf、以及約35.6至約37.5pcf。對於具有此類面板密度的5/8英寸厚的四英尺乘八英尺面板,面板重量分別可以是從約1600lb/msf至約2055lb/msf、約1700lb/msf至約2000lb/msf、以及1850lb/msf至約1950lb/msf。對於其他的面板厚度和尺寸,面板的重量可以成比例地變化。例如,在具有類似密度但具有標稱1/2英寸厚度的面板的情況下,面板重量將是上述5/8英寸厚面板的重量的約80%。類似地,對於具有相當的密度和尺寸但具有標稱3/4英寸厚度的面板,面板重量可能是上述5/8英寸厚面板的重量的約120%。
在該凝固石膏內芯具有從約30pcf至約40pcf的密度的實施方式中,5/8英寸厚面板的內芯可以由多種漿料配方形成,該等配方包括量值從約1162lbs/msf至約1565lbs/msf的灰泥、按該灰泥的重量計從約5%至約10%的高膨脹蛭石、按該灰泥的重量計從約0.3%至約3%的澱粉、按該灰泥的重量計從約0.3%至約0.5%的礦物或玻璃纖維、以及按該灰泥的重量計從約0.03%至約0.4%的磷酸鹽。如下面提到的,在本揭露原理的實踐中可以按常規量值採用其他常規的添加劑,以便賦予所希望的特性、有助於製造並且獲得所希望的內芯密度。在其他實施方式中,根據本揭露的原理形成的5/8英寸厚面板的石膏內芯可以具有從約32至約38磅/立方英尺的密度、以及從約1500至約1700lb/msf的石膏內芯重量。在一些這樣的實施方式中,該石膏內芯還包括約5.5%至約8%的高膨脹蛭石、約0.5%至約2.5%的澱粉、約0.4%至約0.7%的礦物或玻璃纖維、以及約0.07%至約0.25%的磷酸鹽。如前面提到的,該石膏內芯的每種組分,如澱粉、纖維和磷酸鹽,可以進一步進行調節以便提供所希望的面板特性,並且針對該等 蓋板的組成和重量來調節加入面板內芯的其他添加劑的性質和量、以及石膏灰泥的品質。
在圖19的表I中提到的示例性實施方式中,灰泥、處於高膨脹蛭石形式的高膨脹微粒、以及指出的其他成分的這種組合提供了具有所希望的耐火性的重量減小的石膏面板、並且還提供了滿足所希望的拔釘阻力以及聲音傳輸特性的面板。這些成分(以及在本發明範圍之內的其他成分)的組合使之有可能生產出這樣的高性能、重量減小的耐火石膏面板,該等面板具有與遠遠更重、更密的石膏面板相當的(如果不是更好的)x-y面積耐收縮性和z方向膨脹特性。在諸如圖19的表I中列出的那些實施方式中,如在下面的實例4B中討論的,該等面板的高溫收縮率典型地是在x-y方向(寬度-長度)上小於約10%並且該面板厚度在z方向(厚度)上的高溫厚度膨脹率在約1560℉(850℃)典型地是大於約20%。在一些實施方式中,如同樣在實例4B中討論的,z方向高溫厚度膨脹率與x-y高溫收縮率之比在1570℉(855℃)為至少約2至高於約17。
在下面的實例3中討論了對耐熱性的另一種衡量。在該試驗中,對超過約1800℉(980℃)的溫度下的耐收縮性進行了評估。使用根據本揭露的原理形成的面板,如圖19的表I中列舉的那些重量和密度減小的石膏面板,展示了在x-y方向上大於約85%的耐收縮性。在表1中表示為lb/msf的值係針對標稱的5/8英寸厚面板。
在本揭露原理的實踐中可以按常規量值採用其他常規的添加劑,以便賦予所希望的特性並有助於製造。此類添加劑的實例係水性泡沫、促凝劑、緩凝劑、脫水抑制劑、結合劑、黏合劑、分散助劑、均化劑或非均化劑、增稠劑、殺菌劑、殺真菌劑、pH調節劑、著色劑、防水劑、填充劑、及其混合物。在某 些實施方式中,根據本揭露的原理形成的石膏面板可以在其石膏內芯中結合無機材料,如黏土、膠體二氧化矽、或膠體氧化鋁。在大多數這樣的實施方式中,這樣的無機材料不是處於會實質性地影響石膏面板在高溫條件下的耐收縮性的量值。
在利用了圖19的表I中揭露的那些之內的一或多個配方的某些實施方式中,提供了面板及其製造方法,該等面板被配置為重量和密度減小的5/8英寸厚石膏面板,它們將滿足或超過按照UL U305、U41、U423和/或等效的防火試驗程式和標準的火勢遏制(fire containment)以及結構整體性要求的「一小時」防火級。在使用了表I配方的另外的其他實施方式中,本揭露提供了重量和密度減小的1/2英寸厚石膏面板及其製造方法,該等面板能夠至少滿足按照火勢遏制以及結構整體性程式和標準U419的3/4小時防火級。利用與在此揭露的原理一致的其他配方可以實現類似的結果。
減小的重量、耐火性以及以上引用的強度和結構特徵的組合據信是由於上述組分的不同組合所得到的出乎意料的結果。下面更詳細地討論在遵循本揭露原理的熟石膏漿料配方中有用的組分。
灰泥-用來形成石膏面板內芯的晶體基質的灰泥(或熟石膏)組分典型地包括來自天然或合成來源的β硫酸鈣半水合物、水溶性硫酸鈣無水石膏、α硫酸鈣半水合物、或該等中的任何一種或全部的混合物。在某些實施方式中,該灰泥可以包括非石膏材料,如少量的黏土,或者與石膏來源相關聯的或在煆燒、加工和/或將灰泥傳遞到混合器的過程中所加入的其他組分。
舉例而言,圖19的表I中引用的灰泥量值假定了該石膏來源具有至少約95%的純度。因此,用來形成內芯漿料的該等組分及其相對量值(如以上 表I中提及的)可以取決於灰泥來源、純度和含量而進行改變或修改。例如,取決於石膏純度、石膏的天然或合成來源、灰泥的含水量、灰泥的黏土含量等,可以針對於不同的灰泥組成來修改該石膏內芯漿料的組成和所使用的高膨脹蛭石的量值。
高膨脹微粒-根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的石膏面板可以實現在對火和相關的極大熱量條件的耐受性的意義上獨特的並且出乎意料的結果,而不依賴於石膏半水合物的更大量值(這對於常規的防火級石膏面板而言是典型的)也不主要地依賴於常規的較低膨脹的蛭石,如稱為「第5等級」未膨脹蛭石(具有小於約0.0157英寸(0.40mm)的典型粒徑)。如以上提到的,根據本揭露的原理形成的面板可以利用處於蛭石形式的高膨脹微粒,它們相對於第5等級蛭石(美國評級體系)以及其他已用於商業防火級石膏面板的低膨脹蛭石而言具有高的膨脹體積。
在此稱為「高膨脹蛭石」的蛭石在1560℉(約850℃)加熱一小時之後具有其原始體積的約300%或更大的體積膨脹率。相比之下,第5等級未膨脹蛭石典型地具有在約1560℉(約850℃)下為約225%的體積膨脹率。其他具有與高膨脹蛭石相當的特性的微粒也可以用於根據本揭露的原理形成的面板的實施方式中。在某些實施方式中,可以使用如下的高膨脹蛭石,它們在具有約1560℉(約850℃)溫度的室中放置一小時之後具有其原始體積的約300%至約380%的體積膨脹率。
一種這樣的高膨脹蛭石通常被稱為第4等級未膨脹蛭石(美國評級體系)(在以上討論的美國專利號3,454,456中,這樣的高膨脹蛭石被拒絕用作防火級石膏壁板中的有用組分)。在某些實施方式中,在根據本揭露的原理形 成的面板中使用的高膨脹蛭石中至少約50%的顆粒將是大於約50篩目(即,大於約0.0117英寸(0.297mm)的開口)。在其他實施方式中,至少約70%的該等顆粒將是大於約70篩目(即,大於約0.0083英寸(0.210mm)的開口)。
在其他實施方式中,可以使用根據不同的和/或外國的評級體系進行分類的高膨脹蛭石。這樣的高膨脹蛭石應該具有與在此討論的那些典型特徵基本上相似的膨脹和/或耐熱性特徵。例如,在某些實施方式中,可以使用分類為歐洲、南美、或南非第0等級(微米)或第1等級(超細)的蛭石。
在某些實施方式中,可以使用包括如下的顆粒分佈的高膨脹蛭石:其中最高達約50%的該等蛭石顆粒係小於約500微米,最高達約60%的蛭石顆粒係在約500微米與約100微米之間、最高達約40%的蛭石顆粒係在約100微米與約1500微米之間、並且最高達約20%的蛭石顆粒係在約1500微米與約3000微米之間。在某些實施方式中,高膨脹蛭石可以包括符合以下分佈的蛭石顆粒:約25%與約45%之間的顆粒係小於約500微米、約40%與60%之間的顆粒係在約500微米與約1000微米之間、最高達約20%的顆粒係在約1000微米與約1500微米之間、並且最高達約10%的顆粒係在約1500微米與約3000微米之間。在另外的其他實施方式中,高膨脹蛭石可以包括符合以下分佈的蛭石顆粒:約5%與約20%之間的顆粒係小於約500微米、約35%與60%之間的顆粒係在約500微米與約1000微米之間、約20%與約40%之間的顆粒係在約1000微米與約1500微米之間、並且最高達約20%的顆粒係在約1500微米與約3000微米之間。
在另外的其他實施方式中,也可以使用已經進行化學處理或以其他方式改性而使得它們在加熱條件下展現出類似於在此討論的高膨脹蛭石的體積膨脹行為的蛭石。在根據本揭露的原理形成的面板中有用的高膨脹蛭石還可 以包括其他蛭石、蛭石混合物和/或含蛭石的組合物(以及其他的粒徑和粒徑分佈)、以及具有相當的膨脹特性的其他微粒材料,該等材料提供了對在此揭露的面板而言典型的面板收縮和膨脹特徵。其他適當的高膨脹蛭石和其他微粒也可以在對於提供在此揭露的重量和密度減小的耐火石膏面板的材料而言並非重要的方面與在此揭露的那些不相同。
在某些實施方式中,在根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的耐火石膏面板中使用的高膨脹蛭石可以包括藉由多種來源係可商購的商用美國第4等級蛭石。該等商業生產商中的每一個都可以提供高膨脹蛭石的物理特性規範,例如像莫氏硬度、總水分、自由水分、本體密度、比率、高寬比、陽離子交換能力、溶解度、pH(在蒸餾水中)、膨脹比、膨脹溫度、以及熔點。在此考慮到,在使用不同來源的高膨脹蛭石的不同實施方式中,該等物理特性會變化。
在某些實施方式中,該等高膨脹蛭石顆粒總體上遍及石膏面板的內芯部分而分佈。在其他實施方式中,該等高膨脹蛭石顆粒總體上遍及石膏面板的內芯部分均勻地分佈。
該高膨脹蛭石可以總體上遍及該面板內芯的密度減小的部分不規則地分佈。在一些實施方式中,可能希望的是在一面板的多個更緻密的部分中(例如在鄰近面板面的上述密度增大的石膏層中或者在沿著面板邊緣具有更大密度的內芯部分中)具有不同的蛭石分佈。在其他實施方式,該高膨脹蛭石基本上可以從面板的該等更緻密部分(如面板的硬化的邊緣和面)中排除。在面板的更緻密部分中蛭石顆粒含量與分佈的這種變化可能是從內芯漿料混合器中拉延內芯漿料而用於面板的該等部分中的結果,這係藉由將蛭石用其他適當的手段引入這種用於面板的密度減小的內芯部分的漿料之中,藉由使用邊緣混合器、或 熟習該項技術者已知的其他手段。
可能進一步在遍及內芯中分佈的高膨脹顆粒的量值方面存在相當大的變化,並且在根據本揭露的原理形成的面板的某些實施方式中相對於其他這樣形成的面板中的顆粒分佈在特定的顆粒分佈方面存在變化。在高膨脹顆粒的量值與分佈方面的這種變化將取決於(除其他因素之外)在漿料中摻入的蛭石或其他顆粒的量值和類型、高膨脹顆粒的尺寸和尺寸分佈、內芯漿料的組成、以及內芯漿料的混合和分佈程式。類似地,在內芯之內特定顆粒的分佈、顆粒特性以及顆粒尺寸可以變化並且可以取決於面板形成過程中在混合和分佈內芯漿料期間的類似因素。
在某些實施方式中,這種高膨脹顆粒的分佈避免了在面板內芯的多個部分內具有大濃度的高膨脹顆粒的情況,該等情況顯著降低了在面板的正常使用過程中或者在高溫和/或起火條件下內芯的結構強度和整體性。這不包括在典型的商業生產中遇到的少量變化。這種高膨脹顆粒分佈還可以在內芯的一或多個部分中的顆粒濃度方面針對特定的所希望的面板應用進行改變。
在某些實施方式中,以上提及的高膨脹顆粒在面板的密度減小的內芯中的分佈係在混合該內芯漿料、將漿料傳送向第一蓋板和/或橫跨該蓋板來分佈漿料的過程中發生。在某些實施方式中,可以在內芯漿料的混合和製備過程中將該等高膨脹顆粒與其他乾燥的、半乾燥的材料一起加入該內芯漿料混合器中。或者,在其他實施方式中,可以在總體上將高膨脹顆粒分佈在石膏面板內芯的所希望部分之中的其他程式、步驟或階段內加入高膨脹顆粒。
如圖1-6中所反映的,下面進一步討論的是,該等蛭石顆粒通常分佈在石膏內芯的密度減小的部分中形成的空隙旁邊或附近、並且在熟習該項 技術者預期會有助於內芯的結構強度的內芯晶體部分之中。在密度減小的晶體內芯結構(本身被認為是較易碎的)中的這樣一分佈將引導熟習該項技術者相信,蛭石顆粒的顯著膨脹將破壞該內芯並且造成脹裂、內芯斷裂以及內芯失效,該等係普通技術人員已知的並且在以上討論的參考文件中進行了討論。在根據本揭露的原理形成的石膏面板(其中面板內芯具有較低的密度、並且因此具有較高的空隙體積以及顯著減小的晶體石膏含量)的實施方式中尤其是如此。預期內芯晶體石膏含量的減小會降低石膏面板的結構強度和散熱能力。如下面進一步討論的,對於根據本揭露的原理形成的面板而言,出乎意料地並不是如此。
澱粉-如熟習該項技術者將會瞭解的,在根據本揭露的原理形成的面板的製備中使用的內芯漿料配方的實施方式可以包括澱粉。在根據本揭露的原理形成的面板以及用於製備此類面板的方法的某些實施方式中,該內芯漿料配方(如圖19的表I中提到的)包括一預膠凝澱粉或功能上等效的澱粉。可以將生澱粉進行預膠凝,其方式為在至少185℉的溫度下在水中煮沸澱粉或者藉由用於在面板內芯中使用的澱粉中造成凝膠形成的其他普遍已知的方法。可以將該澱粉以乾燥形式、預分散的液體形式或二者的組合形式摻入內芯漿料中。在乾燥形式下,可以將澱粉與其他乾燥成分一起或在一單獨的添加程式、步驟或階段中加入內芯漿料混合器中。在預分散的形式下,可以將其與其他液體成分如計量水一起或者在一單獨的添加程式、步驟或階段中加入。
可在本揭露的實踐中使用的、容易獲得的預膠凝澱粉的一些實例係可商購的來自嘉吉公司(Cargill,Inc)或來自阿徹丹尼爾斯米德蘭公司(Archer Daniels Midland Co.)的預膠凝的黃玉米粉澱粉。在某些實施方式中,該澱粉組分至少包括預膠凝玉米澱粉,如從密蘇里州聖路易斯市的邦吉研磨公司(Bunge Milling)可獲得的預膠凝玉米粉。這樣的預膠凝澱粉具有以下典型特徵:水分約7.5%,蛋白質約8.0%,油約0.5%,粗纖維約0.5%,灰約0.3%;具有約0.48psi的生坯強度;並且具有35.0lb/ft3的本體密度。在另外的其他實施方式,該內芯漿料配方可以包括一或多種適合用於本揭露目的的可商購的羥乙基化澱粉。
在其他實施方式中,可以使用其他有用的澱粉,包括酸改性的澱粉,如從密蘇里州聖路易市的邦吉研磨公司(Bunge Milling)作為HI-BOND可獲得的酸改性的玉蜀黍粉。這種澱粉具有以下典型特徵:水分約10.0%,油約17.0%,冷水可溶物約17.0%,鹼流動性約98.0%,本體密度約30lb/ft3,並且約20%的漿料產生約4.3的pH。另一有用的澱粉係非預膠凝小麥澱粉,如從加拿大魁北克省蒙特利爾市的ADM/Ogilvie公司可獲得的ECOSOL-45。
纖維-在摻入了諸如圖19的表I中提及的纖維的某些實施方式以及用於製備此類面板的方法中,該等纖維可以包括礦物纖維、碳和/或玻璃纖維以及此類纖維的混合物、連同其他為面板提供了相當的益處的相當的纖維。在某些實施方式中,將玻璃纖維摻入石膏內芯漿料以及所得的晶體內芯結構中。在一些這樣的實施方式中該等玻璃纖維可以具有約0.5至約0.75英寸的平均長度以及約11至約17微米的直徑。在其他實施方式中,此類玻璃纖維可以具有約0.5至約0.675英寸的平均長度以及約13至約16微米的直徑。在另外的其他實施方式中,利用了具有高於約800℃的軟化點的E玻璃纖維,並且一這樣的纖維類型係具有高於至少約900℃的軟化點的Advantex®玻璃纖維(從歐文斯科寧公司(Owens Corning)可獲得)。可以使用如普通技術人員已知的那些礦棉或碳纖維代替玻璃纖維(如以上提及的那些)或與玻璃纖維相結合地使用。
磷酸鹽-在根據本揭露的原理形成的面板以及用於製備此類面 板的方法的某些實施方式中,將一磷酸鹽或磷酸根離子的其他來源(如圖19的表I中提到的)加入該用於生產面板石膏內芯的石膏漿料中。與由一不含磷酸鹽的混合物形成的凝固石膏相比,此類磷酸鹽的使用可以有助於提供具有增大的強度、對永久變形的耐受性(例如,抗下垂性)、以及尺寸穩定性的石膏內芯。在一些這樣的實施方式中,該磷酸鹽來源的加入量為,在石膏半水合物在內芯中水合並且形成石膏二水合物晶體內芯結構時(例如在形成過程的形成板與窯內區段之間的時間段內)對面板和面板內芯提供尺寸穩定性或濕態強度。另外,已注意到,在加入的磷酸鹽作為延遲劑起作用的情況下,可以按所要求的水平來加入一適當的加速劑以便克服該磷酸鹽的任何不利的延遲作用。磷酸鹽通常是以乾燥形式和/或液體形式,與典型地加入內芯漿料混合器中的乾燥成分以及加入該混合器中的液體成分一起、或者在其他步驟或程式中加入。
在本揭露中有用的含磷酸鹽的組分包括水溶性組分並且可以處於離子、鹽、酸(即,縮合磷酸,各自包含兩個或更多個磷酸單元)、縮合磷酸根的鹽或離子(各自包含兩個或更多個磷酸根單元)以及正磷酸根的單鹼鹽或單價離子的形式,例如在美國專利號6,342,284、6,632,550以及6,815,049中所描述的,所有該等的揭露內容藉由引用結合在此。該等類別的磷酸鹽的適當實例係熟習該項技術者所清楚的。例如,在本揭露原理的實踐中可以使用任何適當的含單鹼正磷酸鹽的化合物,包括但不限於磷酸一銨、磷酸一鈉、磷酸一鉀及其組合。一較佳的單鹼磷酸鹽係磷酸一鉀。
類似地,根據本揭露可以使用任何適當的水溶性的多磷酸鹽。該多磷酸鹽可以是環狀或非環狀的。示例性的環狀磷酸鹽包括例如三偏磷酸鹽以及四偏磷酸鹽。該等三偏磷酸鹽可以選自例如三偏磷酸鈉(在此也稱為STMP)、 三偏磷酸鉀、三偏磷酸鋰、三偏磷酸銨等等、或其組合。
而且,根據本揭露可以使用任何適當的水溶性的非環狀多磷酸鹽。該等非環狀多磷酸鹽具有至少兩個磷酸鹽單元。舉例而言,根據本揭露的適當的非環狀多磷酸鹽包括但不限於:焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽、具有從約六個至約27個重複磷酸鹽單元的六偏磷酸鈉、具有從約六個至約27個重複磷酸鹽單元的六偏磷酸鉀、具有從約六個至約27個重複磷酸鹽單元的六偏磷酸銨、及其組合。根據本揭露的一較佳的非環狀多磷酸鹽係從密蘇里州聖路易斯市的ICL性能產品有限合夥公司(ICL Performance Products LP)作為CALGON.RTM可商購的,這係具有從約六個至約27個重複磷酸鹽單元的六偏磷酸鈉。
較佳地,該含磷酸鹽的化合物係選自以下群組:具有分子式(NaPO3)3的三偏磷酸鈉、具有從約六個至約27個重複磷酸鹽單元並且具有分子式Nan+2PnO3n+1(其中n=6-27)的六偏磷酸鈉、具有分子式K4P2O7的焦磷酸四鉀、具有分子式Na3K2P3O10的三聚磷酸三鈉二鉀、具有分子式Na5P3O10的三聚磷酸鈉、具有分子式Na4P2O7的焦磷酸四鈉、具有分子式Al(PO3)3的三偏磷酸鋁、具有分子式Na2H2P2O7的焦磷酸氫鈉、具有1000-3000個重複磷酸鹽單元並且具有分子式(NH4)n+2PnO3n+1(其中n=1000-3000)的多磷酸銨、或具有兩個或更多個重複磷酸單元並且具有分子式Hn+2PnO3n+1(其中n係二或更大)的多磷酸。三偏磷酸鈉係最佳的並且是從密蘇里州聖路易斯市的ICL性能產品有限合夥公司可商購的。
分散劑-在根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的耐火面板以及用於製備此類面板的方法的其他實施方式中,在該石膏內芯漿料中可以包括分散劑,如圖19的表I中提到的那些。該等分散劑可以按乾燥形式與其他 乾燥成分一起和/或以液體形式與該內芯漿料混合器中的其他液體成分一起或在其他步驟或程式中加入。
在某些實施方式中,此類分散劑可以包括萘磺酸鹽,如聚萘磺酸及其鹽(聚萘磺酸鹽)以及衍生物,該等衍生物係萘磺酸與甲醛的縮合產物。所希望的這樣的聚萘磺酸鹽包括萘磺酸鈉和萘磺酸鈣。該等萘磺酸鹽的平均分子量範圍可以是從約3,000至27,000,但較佳的是該分子量係約8,000到10,000。在給定固體百分比的水溶液中,更高分子量的分散劑與更低分子量的分散劑相比具有更高的黏度、並且在配製品中產生更高的需水量。
有用的萘磺酸鹽包括從GEO Specialty Chemicals(俄亥俄州,克裡夫蘭)可獲得的DILOFLO、從Hampshire Chemical Corp.(麻塞諸塞州,列克星敦)可獲得的DAXAD、以及從GEO Specialty Chemicals(印第安那州,拉法葉)可獲得的LOMAR D。例如,該等萘磺酸鹽較佳作為固體含量在按重量計約35%至約55%的範圍內的水溶液使用。最較佳的是使用處於例如固體含量在按重量計約40%至約55%的範圍內的水溶液形式的萘磺酸鹽。替代地,在適當時,該等萘磺酸鹽能以乾燥的固體或粉末形式例如像LOMAR D來使用。
替代地,在其他實施方式中,可以使用對於改進石膏漿料中的流動性而言有用的、熟習該項技術者已知的分散劑,如聚羧酸酯分散劑。多種聚羧酸酯分散劑、特別是聚羧酸醚,是較佳的分散劑類型。用於該漿料中的一較佳的分散劑類別包括兩個重複單元並且在標題為「利用二重複單元體系的石膏產品及其製造方法」的美國專利7,767,019中進一步進行了描述,該專利藉由引用結合在此。該等分散劑的實例係巴斯夫建築聚合物股份有限公司(BASF Construction Polymers,GmbH)(德國,Trostberg)的產品並且由巴斯夫建築聚合 物公司(BASF Construction Polymers,Inc.)(喬治亞州,肯尼索)(下文稱「BASF」)所供應,並在下文中稱為「PCE211型分散劑」。PCE211型分散劑中的一特別有用的分散劑為PCE211(下文稱「211」)。在本揭露中有用的這個系列中的其他聚合物包括PCE111。PCE211型分散劑在2007年7月13日提交的標題為「含聚醚的共聚物」的美國序號11/827,722(公開號US 2007/0255032A1)(藉由引用結合在此)中進行了更全面地說明。
這樣的PCE211型分散劑的一種類型的分子量可以是從約20,000至約60,000道爾頓。已經發現,與具有大於60,000道爾頓的分子量的分散劑相比,較低分子量的分散劑造成了較小的凝固時間延緩。一般而言,更長的側鏈長度(導致總體分子量的增大)提供更好的可分散性。然而,用石膏進行的試驗表明,在高於50,000道爾頓的分子量下,分散劑的效力減小。
在本揭露中作為分散劑有用的另一類別的聚羧酸酯化合物揭露於美國專利號6,777,517中(藉由引用結合在此)並且在下文中稱為「2641型分散劑」。PCE211型和2641型分散劑的實例係巴斯夫建築聚合物股份有限公司(德國,Trostberg)製造的並且由巴斯夫建築聚合物公司(喬治亞州,肯尼索)在美國銷售的。較佳的2641型分散劑由巴斯夫公司作為MELFLUX 2641F、MELFLUX 2651F和MELFLUX 2500L分散劑出售。
又一較佳的分散劑家族係巴斯夫公司出售的並且稱為「1641型分散劑」。該1641型分散劑在美國專利號5,798,425中進行了更全面的描述,該專利藉由引用結合在此。一種這樣的1641型分散劑由巴斯夫公司作為MELFLUX 1641F分散劑銷售。可以使用的其他分散劑包括其他聚羧酸酯醚,如從南卡羅萊納州賈斯特的高泰公司(Coatex,Inc.)可獲得的COATEX Ethacryl M、以及木質 素磺酸鹽或磺化木質素。木質素磺酸鹽係水溶性的陰離子聚合電解質聚合物,來自使用亞硫酸鹽紙漿生產木漿過程中的副產物。在本揭露原理的實踐中有用的木質素的一實例係從康涅狄格州格林威治的Reed Lignin Inc.可獲得的Marasperse C-21。
高效散熱添加劑(「HEHS添加劑」)-在根據本揭露的原理形成的面板的某些實施方式以及製備此類面板的方法中,該面板內芯可以包括一或多種在此被稱為高效散熱添加劑(「HEHS添加劑」)的添加劑。在致使該石膏內芯的石膏二水合物組分脫水和釋放水蒸氣的溫度範圍內,此類添加劑具有的散熱能力超過了量值相當的石膏二水合物的散熱能力。此類添加劑典型地選自在與石膏二水合物相同或類似的溫度範圍內分解、釋放水蒸氣的組合物,如氫氧化鋁或其他金屬氫氧化物。雖然可以使用相對於量值相當的石膏二水合物而言具有增大的散熱效率的其他HEHS添加劑(或HEHS添加劑的組合),但較佳的HEHS添加劑提供了相對於石膏二水合物而言充分增大的散熱效率,以便抵消在旨在用於防火級或其他高溫應用的石膏面板中使用的HEHS添加劑的重量增加或其他不希望的特性。
例如,在較佳的實施方式中,一或多種HEHS添加劑在暴露於顯著的溫度增大中時經歷一吸熱反應而吸收熱量。在一些這樣的實施方式中,每單位質量的HEHS添加劑的分解熱(可能是脫水反應)消耗了至少約685焦耳/克,在其他實施方式中是至少約1000焦耳/克,並且在另外其他的實施方式中是從約1100到約1400焦耳/克。在這樣的實施方式中,HEHS添加劑在相關溫度範圍內可以具有比石膏面板中的石膏脫水物顯著更高的每單位質量的分解熱。因此,該HEHS添加劑在加熱過程中消耗了比石膏二水合物的脫水作用所消耗的更多的 能量(焦耳/克)。
在一些實施方式中,HEHS添加劑的最低分解溫度為約40℃或更大。在其他實施方式中,HEHS添加劑的分解溫度的範圍係從約40℃至約1000℃;在其他實施方式中是從約150℃至約450℃;並且在其他實施方式中是從約150℃至約300℃。在另外其他的實施方式中,HEHS添加劑在約150℃開始吸熱性的熱分解並且在約980℃的溫度下實質性地或完全地分解,這係在用於上述防火試驗中的上述ASTM-E119溫度曲線中典型的1小時端點溫度。
如以上提及的,一較佳的HEHS添加劑包括含有結晶的或以其他方式結合或錯合的水的氫氧化鋁(ATH)。ATH典型地在室溫下非常穩定。超過約180℃與205℃之間的溫度,ATH典型地經歷吸熱性的熱分解而釋放水蒸氣。此類ATH添加劑的分解熱大於約1000焦耳/克、並且在一較佳實施方式中是約1170焦耳/克。在不受理論束縛下,據信該ATH添加劑在加熱至高於205℃時如下地分解而將近似35%的結晶水作為水蒸氣釋放:Al(OH)3→Al2O3-3H2O。在使用ATH作為HEHS添加劑的實施方式中,可以使用任何適當的ATH。在多個實施方式中,可以使用來自商業供應商如俄亥俄州阿克倫城的阿克倫化學公司(Akrochem Corp.)的ATH。可以使用任何適合等級的ATH。一實例係SB-36等級的ATH。SB-36等級的ATH具有約25微米的中位粒徑以及約1m2/g的表面積。在其他實施方式中,可以使用具有任何適當的中位粒徑和表面積的其他適當等級的ATH。
在其他實施方式中,HEHS添加劑可以包括氫氧化鎂。在該等實施方式中,該氫氧化鎂HEHS添加劑處於或高於180℃至205℃時較佳具有大於約1000焦/克的分解熱,如約1350焦/克。在此類實施方式中,可以使用任何適 當的氫氧化鎂,如從包括俄亥俄州阿克倫城的阿克倫化學公司在內的商業供應商可商購的。
較佳HEHS添加劑的增大的散熱能力可以用來提高在此揭露的石膏面板相對於無HEHS添加劑情況下形成的石膏面板的隔熱特性。摻入在此揭露的石膏面板中的HEHS添加劑的量值和組成可以根據該等面板的所希望的重量和密度、用來形成面板的灰泥純度、面板內芯的配方、其他添加劑的存在以及其他類似的考慮因素而變化。結合了較佳HEHS添加劑的石膏面板的較佳的內芯配方的實例概述在圖19的表I中。該HEHS添加劑可以按乾燥形式和/或液體形式加入,與典型地加入內芯漿料混合器中的乾燥成分以及加入該混合器的液體成分一起或者在單獨的階段或程式中加入。
在一這樣的較佳實施方式中,該面板內芯結合的HEHS添加劑如氫氧化鋁的量值在某些實施方式中是按灰泥的重量計從約2%至約5%、在其他實施方式中是按灰泥的重量計從約2%至約7%、並且在仍然其他的較佳實施方式中是按灰泥的重量計最高達約10%。在一些這樣的較佳實施方式中,在內芯配方中摻入HEHS添加劑允許減小該配方的灰泥含量從而減小面板內芯的重量和密度。在使用HEHS添加劑的一實例中,HEHS添加劑與所去除的灰泥基於重量的比率係約1至約2。換言之,在一這樣的實例中,可以在內芯配方中摻入約40-50lbs/msf的HEHS添加劑並且可以從配方中去除約80-100lbs/msf的灰泥。因此,在這個實例中可以實現約40-50lbs/msf的重量節省而在面板的隔熱特性方面無實質性的改變。
HEHS添加劑與從內芯配方中去除的灰泥之比可以根據使用的HEHS添加劑、其散熱特性、該具體灰泥的散熱特性、石膏內芯的配方、所希望 的面板隔熱特性、所希望的面板的重量減小和物理特性以及相關考慮因素而變化。在一些使用氫氧化鋁的較佳的實施方式中,HEHS添加劑與所去除的灰泥之比在一些實施方式中可以是約2:1、在其他實施方式中是約3:1、並且在另外的其他實施方式中是約4:1。一或多種HEHS添加劑與所去除的灰泥之比對於不同的HEHS添加劑組成及應用而言可以不相同。
延遲劑/加速劑-可以將緩凝劑(在5/8英尺厚的面板中最高達約2lb/MSF(近似9.8g/m2))或乾燥的加速劑(在5/8英尺厚的面板中最高達約35lb/MSF(近似170g/m2))加入內芯漿料的一些實施方式中以便改變灰泥水合反應發生的速率。「CSA」係一較佳促凝劑的一實例,它包括與約5%的糖共同研磨並且加熱至250℉(121℃)而使該糖焦化的約95%的二水合硫酸鈣。CSA從奧克拉荷馬州索瑟德的USG公司的工廠中可獲得、並且可以根據美國專利號3,573,947進行製造,該專利藉由引用結合在此。硫酸鉀係較佳的加速劑的另一實例。另一示例性的較佳加速劑「HRA」係以約5至約25磅糖/100磅二水合硫酸鈣的比率與糖一起新研磨的二水合硫酸鈣。HRA在美國專利號2,078,199中進行了更全面的描述,該專利藉由引結合在此。
另一被稱為濕石膏加速劑或「WGA」的加速劑也是一較佳的加速劑。對濕石膏加速劑的用途及製造方法的說明在美國專利號6,409,825中進行了揭露,該專利藉由引用結合在此。該加速劑包括至少一種選自以下群組的添加劑:一有機磷化合物、以及含磷酸鹽的化合物或其混合物。這種特定的加速劑展現了實質性的壽命並且維持了其長時間有效性,使得可以製造、儲存該濕石膏加速劑、並且甚至在使用前進行長距離運輸。該濕石膏加速劑的使用量值的範圍可以是在5/8英寸厚的壁板產品中從約5至約80磅/千平方英尺(近似24.3至390g/m2)。
泡沫-可以將泡沫以提供上述減小的內芯密度和面板重量的量引入內芯漿料中。以恰當的量值、配方和方法將泡沫引入內芯漿料中可以在最終乾燥過的面板的內芯之中產生空氣空隙以及在該等空氣空隙之間的壁的一希望的網路和分佈。在某些實施方式中,該泡沫組合物和泡沫引入系統所提供的空氣空隙尺寸、分佈和/或空氣空隙之間的壁厚度符合下面所討論的那些以及對面板提供了相當的密度、強度和相關特性的那些。這種空氣空隙結構允許減少石膏和其他內芯成分以及內芯密度和重量,同時基本上維持(或在一些情況下改進)面板強度特性,如內芯的壓縮強度,以及面板剛度、撓曲強度、拔釘阻力等。
在某些實施方式中,在約5/8英寸的標稱面板厚度下,根據本揭露的原理形成的石膏面板及其製造方法提供了如下面板,該面板具有根據ASTM標準C473-09測量為至少約70lb的拔釘阻力。在其他實施方式中,該面板可以具有根據ASTM標準C473-09測量為至少約85lb的拔釘阻力。
在一些這樣的實施方式中,該等空氣空隙的中位等效球體直徑可以是至少約75μm並且在其他實施方式中是至少約100μm。在其他實施方式中,該等空氣空隙的中位等效球體直徑可以是從約75μm至約400μm。在另外的其他實施方式中,該等空氣空隙的中位等效球體直徑可以是從約100μm至約350μm。在其他實施方式中,該等空氣空隙的中位等效球體直徑可以是從約125μm至約325μm。
在某些實施方式中,從約15%至約70%的空氣空隙具有約150μm或更小的等效球體直徑。在其他實施方式中,從約45%至約95%的空氣空隙具有約300μm或更小的等效球體直徑,並且從約5%至約55%的空氣空隙具有約300μm或更大的等效球體直徑。在其他實施方式中,從約45%至約95%的空氣 空隙具有約300μm或更小的等效球體直徑,並且從約5%至約55%的空氣空隙具有從約300μm至約600μm的等效球體直徑。在此的平均空氣空隙尺寸的討論中,在計算空氣空隙的數目或平均空氣空隙尺寸時不考慮石膏內芯中約5μm或更小的空隙。
在那些以及其他的實施方式中,這樣的實施方式中的空隙之間的壁的厚度、分佈以及排列,單獨地或與一希望的空氣空隙尺寸分佈和排列相結合地,也允許減小面板的內芯密度和重量,同時基本上維持(或在一些情況下改進)面板的強度特性。在一些這樣的實施方式中,分隔空氣空隙的壁的平均厚度可以是至少約25μm。在某些實施方式中,在石膏內芯之內限定並分隔了空氣空隙的壁可以具有的平均厚度係從約25μm至約200μm、在其他實施方式中是從約25μm至約75μm、並且在另外的其他實施方式中是從約25μm至約50μm。在另外的其他實施方式中,在石膏內芯之內限定並分隔了空氣空隙的壁可以具有的平均厚度係從約25μm至約75μm。在另外的其他實施方式中,在石膏內芯之內限定並分隔了空氣空隙的壁可以具有的平均厚度係從約25μm至約50μm。
在不受理論束縛下,據信具有以上討論的空氣空隙尺寸分佈和排列、以及壁厚度和分佈的實施方式在與此處揭露的高膨脹蛭石一起使用時有助於改進面板的高溫特性。據信該泡沫空隙和壁厚度有助於當高膨脹蛭石在高溫條件下發生膨脹時減小或實質性地抵抗在石膏內芯結構中實質性故障的產生。
使用發泡劑來產生所希望的空隙和壁結構的實例包括在美國專利號5,643,510中討論的那些,其揭露內容藉由引用結合在此。在某些實施方式中,可以在該內芯漿料混合物中使用第一種更穩定的發泡劑與第二種較不穩定的發泡劑的組合。在其他實施方式中,使用僅一種類型的發泡劑,只要滿足了所 希望的密度和面板強度要求。將泡沫加入內芯漿料中的途徑係本領域已知的,並且這樣一途徑的實例在美國專利號5,643,510和5,683,635中進行了討論,將該等專利的揭露內容藉由引用結合在此。
蓋板-在根據本揭露的原理形成的面板的某些實施方式中,第一蓋板包括低孔隙率的馬尼拉紙,該石膏漿料被分散在其上(當用於建造應用中時典型地是板的暴露面)。可以使用新聞紙作為第二蓋板,在成型過程中將第二蓋板放在石膏內芯漿料上(當用於建造應用中時典型地是面板的隱藏的背表面)。在其他應用中,可以使用非織造的纖維玻璃氈、其他纖維或非纖維材料的片材、或紙與其他纖維材料的組合作為該等蓋板之一或二者。如熟習該項技術者將會瞭解的,在其他實施方式中,可以使用適合於面板的預期目的的其他蓋板。
在使用紙或類似蓋板的實施方式中,該第一蓋板可以具有與第二蓋板相比更高的密度和基重。例如,在某些實施方式中,該第一蓋板可以具有約55至約65lb/msf的基重,並且該第二蓋板可以具有約35至約45lb/msf的基重。在另外的其他實施方式,可以使用不同種類的紙質蓋板,例如具有不同重量、並且包括不同材料。類似地,在某些實施方式中,該等蓋板可以結合有並且可能在其暴露的表面上已經添加有材料塗層,該等塗層提供了適合於特定建造應用(如外部遮蓋、屋頂、貼磚背襯等)的表面。
矽氧烷-在某些實施方式中,根據本揭露的原理形成的石膏面板的耐水性可以藉由向用來製造面板的漿料中添加一可聚合的矽氧烷而改進。較佳地,該矽氧烷以乳液的形式來添加。然後將該漿料成型並在以下條件下進行乾燥,該等條件有助於矽氧烷聚合而形成高度交聯的矽氧烷樹脂。可以向該石膏漿 料中添加一有助於矽氧烷聚合而形成高度交聯的矽氧烷樹脂的催化劑。
較佳地,該矽氧烷一般是一流動的、直線的、氫改性過的矽氧烷,但也可以是環狀的氫改性過的矽氧烷。這樣的矽氧烷能夠形成高度交聯的矽氧烷樹脂。這樣的流體係熟習該項技術者所熟知的並且是可商購的,並且在專利文獻中進行了描述。典型地,在本揭露原理的實踐中有用的、直線的、氫改性過的矽氧烷包括所具有的重複單元為以下通式的那些:
其中R代表一飽和或不飽和的一價烴基。在較佳實施方式中,R代表一烷基並且最佳地,R係一甲基。在聚合過程中,該等端基可以藉由縮合作用被去除並且矽氧烷基團連接在一起而形成該矽氧烷樹脂。也可以發生鏈的交聯。所得的矽氧烷樹脂在石膏基質形成時賦予其耐水性。
較佳地,將使用由瓦克化學股份有限公司(Wacker-Chemie GmbH)(德國慕尼克)以名稱SILRES BS 94出售的一無溶劑的甲基氫矽氧烷流體作為該矽烷。該製造商指出,這種產品係一不含水或溶劑的矽氧烷流體。在此考慮到可以使用基於乾燥成分重量為約0.3%至約1.0%的該BS 94矽氧烷。較佳的是使用基於乾燥灰泥重量為從約0.4%至約0.8%的該矽氧烷。
可以將該矽氧烷與水形成一乳液或穩定的懸浮物。已考慮到在這個漿料中使用多種矽氧烷乳液。矽氧烷在水中的乳液也藉由購買可獲得,但它們可能包括易於改變石膏製品的特性(如石膏面板產品中紙的結合性)的乳化劑。因此在不使用乳化劑的情況下製備的乳液或穩定懸浮物係較佳的。較佳地,藉由 將矽氧烷流體與水混合而在原位形成該懸浮物。將該矽氧烷懸浮物維持在一穩定條件下直至使用並且它在該漿料的條件下保持良好的分散。在任選添加劑(如可能存在於漿料中的促凝劑)的存在下,該矽氧烷懸浮物或乳液被維持在良好分散的狀況下。維持該矽氧烷懸浮物或乳液使得它在形成石膏面板的該等步驟中也保持穩定。較佳地,該懸浮物在大於40分鐘的時間內保持穩定。更佳地,它在至少一小時內保持穩定。在本討論內容和後面的申請專利範圍中,術語「乳液」旨在包括至少直至灰泥凝固約50%時都是穩定的真乳液和懸浮物。
矽氧烷的聚合反應本身進行緩慢,從而要求將該等面板儲存一段足夠的時間以便在運輸之前形成耐水性。已知的是催化劑使這個聚合反應加速,從而減小或消除在形成耐水性時儲存石膏面板所需的時間。在標題為「基於石膏的耐水物品的製造方法」的美國專利號7,892,472(藉由引用結合在此)中描述了對於矽氧烷的聚合使用僵燒的氧化鎂。僵燒的氧化鎂係不溶於水的並且與該漿料的其他組分相互作用較少。它加速了矽氧烷的固化並且在一些情況下使矽氧烷更完全地固化。它係可商購的,具有恆定的組成。一特別較佳的僵燒氧化鎂來源係BAYMAG 96。它具有至少0.3m2/g的BET表面積。灼燒損失小於按重量計約0.1%。較佳使用基於乾燥灰泥重量為從約0.1%至約0.5%的量值的氧化鎂。
市場上有至少三個等級的氧化鎂,這取決於煆燒溫度。「僵燒的」氧化鎂係在1500℃與2000℃之間煆燒的,消除了大部分(如果不是全部)反應活性。MagChem P98-PV(馬里蘭州貝塞斯達的馬丁環保設備公司(Martin Marietta Magnesia Specialties))係「僵燒的」氧化鎂的一實例。BayMag 96(加拿大,亞伯達,卡爾加里的貝滿公司(Baymag,Inc.))以及MagChem 10(馬里蘭州貝塞 斯達的馬丁環保設備公司)係「硬燒」氧化鎂的實例。「硬燒」氧化鎂係在從1000℃至約1500℃的溫度下煆燒的。它具有窄的反應活性範圍、高的密度、一般用於要求慢的降解和化學反應活性的應用中,如動物飼料和肥料中。第三等級係「輕燒的」或「苛性的」氧化鎂,係藉由在約700℃至約1000℃的溫度下進行煆燒而生產的。這種類型的氧化鎂被用於大範圍的應用中,包括塑膠、橡膠、紙以及紙漿加工、鋼鍋爐添加劑、黏合劑以及酸中和。輕燒氧化鎂的實例包括BayMag 30、BayMag 40和BayMag 30(-325篩目)(加拿大,亞伯達,卡爾加里的貝滿公司)。
如在美國專利號7,803,226(藉由引用結合在此)中提到的,較佳的催化劑係由氧化鎂與C級飛灰的混合物製造的。當以這種方式進行組合時,任何等級的氧化鎂都是有用的。然而,僵燒和硬燒氧化鎂由於其減小的反應活性而是較佳的。氧化鎂的較高反應性可以導致裂化反應,這可以產生氫氣。由於產生了氫氣,產品發生膨脹,從而在灰泥已經凝固的地方造成裂縫。膨脹還造成灰泥被倒入其中的模具的斷裂,從而造成該產品在一或多個尺寸上的細部損失和變形。較佳地,BayMag 96、MagChem P98-PV和MagChem 10係氧化鎂的較佳來源。較佳地,在將氧化鎂和飛灰加入計量水中之前將它們加入灰泥中。通常將諸如該等的乾燥組分在灰泥沿一輸送機移動至該混合器時加入灰泥中。
一較佳的飛灰係C類飛灰。C類液壓飛灰或其等效物係最佳的飛灰組分。在美國專利號7,803,22的表I中示出了C類飛灰的一典型組成。高石灰含量的飛灰(大於按重量計約20%的石灰)係從某些煤的加工過程中獲得的。ASTM的標準編號C-618(藉由引用結合在此)描述了C級飛灰的特徵。一較佳的C類飛灰係由路易斯安那州Big Cajun,II的貝友灰料公司(Bayou Ash Inc.)所 供應的。較佳地,飛灰的用量係基於乾燥灰泥重量的約0.1%至約5%。更佳地,飛灰的用量係基於乾燥灰泥重量的約0.2%至約1.5%。
對矽氧烷的催化作用導致了更快且更完全的聚合以及矽氧烷的交聯,以形成矽氧烷樹脂。該灰泥的水合作用形成了二水合硫酸鈣晶體的一互鎖的基質。在形成石膏基質的同時,該等矽氧烷分子也形成了一矽氧烷樹脂基質。因為該等係同時形成的,所以至少部分地,這兩種基質被纏繞在彼此之中。加入漿料中的過量的水和添加劑(包括遍及該漿料而分散的飛灰、氧化鎂以及下面所描述的添加劑)遍及該等基質而分散在間隙空間內,從而實現了遍及面板內芯的耐水性。在某些實施方式中,適量的預膠凝澱粉、或功能上等效的澱粉,可以與該矽氧烷共同作用而延緩水沿著面板的更脆弱的邊緣進入。
在某些實施方式中,在製備根據本揭露的原理形成的面板的過程中使用的內芯漿料配方的實施方式可以包括基於灰泥的重量大於按重量計約2%的量值的預膠凝澱粉(或功能上等效的澱粉)以及基於灰泥的重量係至少約0.4%並且較佳為至少約0.7%的量值的矽氧烷的一組合,這可以生產出具有小於約5%的吸水性的石膏面板。這種耐水特性可能是特別有幫助的,因為與常規面板相比,密度減小的面板的體積中大得多的部分包括了空氣和/或水空隙。這種增大的空隙體積預期會使輕質面板有大得多的吸水性。在不受理論束縛下,據信當矽氧烷在所形成的面板中固化時形成了耐水性,並且按重量計至少約2.0%的預膠凝澱粉與該矽氧烷共同作用而減慢了水藉由面板邊緣上的微孔進入,其方式為首先阻擋水進入、並且接著在水被澱粉吸收之後形成高黏度的澱粉/水的組合。在其他實施方式中,可以與矽氧烷相結合地使用一羥乙基化澱粉或與預膠凝澱粉在功能上等效的澱粉。
參見圖7和8,示出了一組件100的一示例性實施方式,該元件包括根據本揭露的原理形成的多個石膏面板102。該等石膏面板102被施加到元件100的相反的表面104、105二者上。元件100代表了根據安全檢測實驗室公司的UL U305、U419和U423規範以及任何與該等防火試驗程式中的任一項等效的其他防火試驗程式所構造的一元件。應理解的是,在此所引用的安全檢測實驗室公司的特定防火試驗程式(例如像UL U305、U419和U423)還包括了與所討論的特定UL標準等效的防火試驗程式,如由其他實體所公佈的防火試驗程式。
組件100包括木質牆筋110,它們標稱地是2英寸厚乘4英寸寬並且彼此在中心間隔開16英寸。該組件還包括一對底系定板112以及由標稱的2英寸乘4英寸木材製成的一頂板114。在某些實施方式中,該等木質牆筋110和板112、114可以是第二等級的窯乾燥的木質牆筋。藉由置於該等牆筋110之間的適當砌塊116來對元件100有效地進行火勢阻斷。應理解的是,雖然示例性組件100包括多個木質牆筋110,但該元件可以包括金屬牆筋和荷載參數以便符合構造它所遵循的特定規格。
元件100中的石膏面板102係5/8英寸厚並且包括具有楔形邊緣和正方形末端的紙蓋板。石膏面板102被水平地施加在牆筋110上,其中相鄰石膏面板102之間的水平接合部122在元件100的相反表面104、105上是對齊的。
在其他實施方式中,可以將石膏面板102豎直地施加到牆筋110上。豎直施加的面板的水平結合部不需要由牆筋100支撐。
相鄰石膏面板102之間的水平接合部122覆蓋有紙帶130以及接合化合物132。當使用正方形邊緣的板時,接合化合物和紙帶可以省略。在其他 實施方式中,可以在被分類為飾面基板的石膏面板的整個表面上施加標稱3/32厚的石膏飾面灰,其中用紙帶來強化該等接合部。
可以使用適當的釘子或螺釘方案來將石膏面板102固定到牆筋110上。例如,可以用6d水泥塗覆的釘子(1-7/8英寸長、0.0915英寸的柄直徑、以及15/64英寸直徑的頭)在中心釘入7英寸而將石膏面板附接在木質牆筋上。該等釘子頭用接合化合物134(見圖8)覆蓋。在其他實施方式中,可以暴露出釘子頭。在其他實施方式中,釘子方案可以不相同並且可以用適當的螺釘方案來使用螺釘。
在所展示的實施方式中,相鄰牆筋110之間的空間被留空。在其他實施方式中,可以放置玻璃纖維或礦棉絕緣棉絮以便完全或部分地填充牆筋空腔。在另外的其他實施方式,作為絕緣棉絮的替代物,可以使用噴霧塗覆的纖維素絕緣材料。這種噴霧的絕緣材料可以用水施加,以便根據針對所用產品的施加程式來填充封閉的牆筋空腔。
根據本揭露形成的石膏面板102有效地抑制了按照UL U305程式製備的元件100面板的熱傳輸,其中第一表面104暴露於一熱源中並且相反的表面105未被加熱。使元件100在經受加熱的同時按照UL U305經受荷載力。該熱源遵循一根據ASTM標準E119-09a的時間-溫度曲線。參見圖8,未加熱的表面105包括施加在其上的多個溫度感測器。該等感測器138排列成根據UL U305程式的一圖案。石膏面板102有效抑制了從加熱的表面104至未加熱的表面105的熱量傳輸,使得根據UL U305測量時,在經過約50分鐘時,在未加熱的表面105上的該等感測器138的最大單一溫度係小於約415℉並且在未加熱的表面105上的該等感測器138的平均溫度係小於約340℉。石膏面板102有效抑 制了從加熱的表面104至未加熱的表面105的熱量傳輸,從而使得元件100對於一小時防火級係合格的。
根據本揭露形成的石膏面板102有效地經受住了同樣按照UL U305程式的一部分進行的消防射流試驗。根據UL U305,使按照類似於圖7的方式構造的一元件經受30分鐘的根據U305進行的耐火時間試驗,在此時將它從加熱環境中拉出並移至另一位置以用於根據U305的消防射流試驗。使該組件經受來自消防水帶的水流,該消防水帶被裝配為在六十秒的持續時間內將水以30psi的水壓送出。
進而,根據本揭露的原理形成的石膏面板可以用於如下元件中,該元件有效抑制了穿過其中的熱量傳輸從而滿足了該一小時耐火性等級,按照ASTM 1396/C 1396M-06被分類為X型板。在其他實施方式中,可以使用根據本揭露的原理形成的石膏面板來構造元件,該等元件符合其他UL元件例如像UL U419和U423的規範。在另外的其他實施方式中,可以在與U305、U419、和U423中的至少一種實質性等效的其他元件中使用根據本揭露的原理形成的石膏面板。此類元件可以藉由U305、U419、U423的一小時防火級和適用的消防射流試驗,以及其他等效的防火試驗程式。
實例
以下實例進一步展示了本發明的多個方面,但當然不應解釋為以任何方式限制其範圍。
實例1
在基本上相同的加熱條件下,相對於在遵循本揭露的原理的面板和方法中使用的高膨脹蛭石,對通常用於常規防火級石膏面板中的較低膨脹蛭 石(如第5等級蛭石)的膨脹特徵進行評估。在這個研究中,將示例性非膨脹的第5等級(較低膨脹)蛭石與示例性的高膨脹蛭石(此處是第4等級蛭石)的50克樣品放入三個坩堝中並在一烘箱中在約212℉(100℃)、約390℉(200℃)、約750℉(400℃)、約1,110℉(600℃)以及約1470℉(800℃)的恆定的設定溫度下加熱一小時。在加熱一小時後,對該等樣品稱重並測量它們的對應的密度。對於每個試驗樣品的所得平均重量損失和密度的比較在表II和III(分別為圖20和21)中列出。
本研究中未膨脹的第5等級蛭石以及未膨脹的高膨脹蛭石的本體密度幾乎相同(66.1對66.9lb/ft3)。低於約390℉(200℃)時蛭石體積並未顯示出可觀的變化,但在高於約390℉(200℃)時開始膨脹並且本體密度隨著溫度升高而減小。在相同溫度下該高膨脹蛭石比第5等級的較低膨脹蛭石更顯著地膨脹,從而產生了本體密度方面的對應差異。應該注意的是,在將第5等級蛭石從室溫加熱至約1470℉(800℃)時(這近似於在火災和防火試驗條件下經歷的溫度)產生了相對於原始的未加熱體積而言約290%的體積膨脹率。將高膨脹蛭石從室溫加熱至1470℉(800℃)產生了相對於原始的未加熱體積而言約390%的顯著更大的體積膨脹率。
除其他觀察結果之外,本研究證實,對於給定的蛭石重量和密度而言,高膨脹蛭石產生的額外膨脹體積的量遠遠超過常規防火級板中使用的蛭石所產生的。該等結果也證明,普通技術人員不會覺得對於根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的面板而言在石膏面板中使用任何顯著量值的此類高膨脹蛭石係顯而易見的。預期此類高膨脹蛭石的膨脹特性會嚴重損害並降低此類石膏面板在暴露於高溫條件下(如在火災條件和在防火試驗條件下所經歷的)時的 結構整體性和穩定性。
實例2
如以上提到的,根據本揭露的原理製造了具有紙蓋板的、重量和密度減小的耐火石膏面板並使之經受X射線微型電腦斷層攝影(CT)掃描分析。該等面板係來自下面的實例4中討論的樣品批次2、以及來自樣品批次3、4或5之一的試件。來自樣品批次2、3、4和5的每個試件係用約1280lb/msf的灰泥、約75-100lb/msf的第4等級蛭石、約20lb/msf的預膠凝澱粉、約32lb/msf的HRA加速劑、約7.5lb/msf的玻璃纖維、約2lb/msf的分散劑、約1.5lb/msf的磷酸鹽、以及量值和組成足以提供所希望的面板重量和密度的泡沫製造的。第一面板蓋板為近似61lb/msf重的馬尼拉紙並且第二蓋板為約41lb/msf的新聞紙。最終的板有近似5/8英寸的厚度。在不同日期製成的成品面板的樣品具有約1860lb/msf(樣品批次3、4和5)以及約1880lb/msf(樣品批次2)的重量。內芯密度分別係約37pcf和36.5pcf。
使用錐面光束X射線微CT掃描技術以微米解析度對來自這兩組樣品的每個中的內芯試件進行分析,如在Lin、Videla、Yu和Miller在《金屬雜誌》(JOM)第62卷第12期第91-94頁的「X射線微CT對多孔易碎固體結構的表徵與分析」(礦物、金屬與材料協會,12/2010)(「Lin的X射線微CT文章」)中概括地討論的,將該文獻藉由引用結合在此。對掃描的數據進行分析並用來產生圖1-6中所示的圖像。圖1和4係分別來自1880lb/msf和1860lb/msf樣品的內芯試件的二維切片。圖2和5分別是相同試件的三維圖像,由1020×1024×1626個體素組成,其中每個體素的尺寸係5.07×5.07×5.07μm。圖3和6呈現了該1880lb/msf和1860lb/msf樣品的三維的體積渲染過的圖像,分 別顯示了空隙以及高膨脹蛭石(以及其他微粒)的分佈。
在圖1-6中所示的根據本揭露的原理形成的5/8英寸厚的耐火石膏面板樣品包括一凝固石膏內芯,該內芯包括一石膏晶體基質,該基質具有在該石膏內芯中限定了空氣空隙的多個壁。使用基於3D分水嶺演算法的高解析度X射線微斷層攝影術(HRXMT)來測定該三維的空氣空隙尺寸分佈,在Lin的X射線微CT文章中進行了討論(同樣參見A.Videla,C.L.Lin和J.D.Miller,《顆粒與顆粒系的特性(Part.Part.Syst.Charact.)》,23(2006),第237-245頁)。使用這種具有5.07μm體素解析度的三維HRXMT圖像分析以三維分水嶺演算法來計算所計數的空氣空隙的等效球體直徑。圖22中的表IV分別呈現了使用相同的分析程式,樣品批次2和3(分別為試件1和2)以及根據本揭露的原理形成的石膏面板的兩個額外試件的、按數目計和按體積計的、所測量的三維空氣空隙尺寸分佈結果。
參見圖22,在不同實施方式中,根據本揭露的原理形成的石膏面板可以包括多種不同的空氣空隙尺寸、尺寸分佈、以及在凝固石膏內芯的石膏晶體基質內的排列。例如,每個給定的樣品尺寸中的總空氣空隙可以從小於約一千至約7000而變化,並且該等空氣空隙的平均等效球體直徑可以在約100μm至約350μm之間變化。如以上提到的,這樣的空氣空隙結構和排列允許減小內芯密度和重量,而同時維持所希望的板的結構的和強度的特性。
使用在Lin的X射線微CT文章中進行了討論(同樣參見W.B.Lindquist等人,地球物理研究雜誌(J.Geophys.Res.),101B(1996),第8297-8310頁)的基於侵蝕、膨脹和骨骼化操作的HRXMT來確定圖1-6中所示試件的石膏內芯的壁厚度分佈。該三維的HRXMT圖像分析使用了三維的骨骼化程 式來計算空氣空隙之間的石膏內芯壁厚。相鄰空氣空隙之間的壁厚係藉由中間軸操作而獲得並且是等於接觸到該壁兩側的一等效球體的直徑。使用相同的分析程式,圖23中的表V呈現了樣品批次2和3(分別為試件1和2)以及根據本揭露的原理形成的石膏面板的兩個額外試件的測量的壁厚結果。
參見圖23,在不同實施方式中,根據本揭露的原理形成的石膏面板可以在該凝固石膏內芯的石膏晶體基質內包括多種不同的壁構型。例如,每個給定樣品尺寸中的壁總數在某些實施方式中可以在約2000萬與3500萬之間變化,並且該石膏內芯中的平均壁厚可以是至少約25μm。在該等試件中,在石膏內芯之內限定並分隔了空氣空隙的該等壁可以具有的平均厚度係從約25μm至約50μm。如以上提及的,這樣的壁結構以及它們的安排允許減小內芯的密度和重量,同時維持所希望的板的結構上和強度上的特性。在某些實施方式中,面板的石膏內芯可以採用上述的空氣空隙尺寸分佈與排列、以及壁厚分佈與排列的組合益處,以便獲得實質性的密度和重量減小,同時提供可接受的強度和相關特性。
如圖1和2以及4和5中指出的,將高膨脹蛭石顆粒在其未膨脹的形式中示出為總體上遍及該內芯材料而分佈的白色或灰色顆粒。許多蛭石顆粒位於內芯試件中的空隙結構旁邊或附近,並且遍及面板內芯的該等結構元件而散佈。圖3和6中,將蛭石顆粒示出為以不同取向懸浮於該內芯結構中的、再次遍及該內芯晶體基質而分散、通常位於內芯空隙的旁邊或附近的、大的彩色顆粒。圖1-6還反映出了在根據本揭露的原理形成的石膏面板的內芯結構中可能出現的蛭石粒徑與分佈的變化。
如以上提及的,圖1-6表示較高的空隙含量、空隙的複雜分佈、 以及對根據本揭露的原理形成的面板的石膏內芯而言典型的減小的密度。這種結構通過空隙壁中的以及空隙之間的相鄰中間內芯結構中的晶體結構的變化而被進一步複雜化。這種晶體結構可以包括針狀細晶粒、片狀細晶粒、和/或它們的組合、以及其他晶體的和非晶的要素。根據本揭露的原理形成的面板的此類實施方式依賴於此類較脆性的內芯結構的整體性來提供耐火性、和/或面板的其他結構和強度特性,如拔釘強度、抗下垂性以及抗彎曲性。
因此,如圖1-6中所展示的,預期在這樣的結構中摻入高膨脹蛭石顆粒將會在面板被暴露於高溫下時導致空隙壁和中間內芯區域的脹裂、破裂以及中斷,其原因係所獲得的蛭石顆粒體積的非常顯著的膨脹(例如造成了為原始未加熱蛭石體積的從約290%至大於約390%的體積)。預計這會嚴重削弱內芯結構,從而造成面板的失效、過早開裂、或坍塌。此外,因為高水平的蛭石膨脹發生在石膏內芯由於水分損失和其他結晶形態學損失和/或改變而損失體積並且潛在地損失整體性的溫度下,所以預計在空隙壁和中間內芯結構中的這種高度的蛭石膨脹將會加速面板整體性的損失。因此,預計將要求添加實質性量值的石膏或其他耐收縮性添加劑來提供獲得耐火性和板強度特性所必須的結構強度。相反地,如以上討論的並且進一步在此處的實例中進行展示的,根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的面板於此提供了與遠遠更高密度並且更大石膏含量的面板相當的耐火能力。
實例3
對於如上述參考文獻美國專利號3,616,173(「’173專利」)中討論的x-y(分別是寬度和長度)面板耐收縮性試驗進行研究,以作為表徵根據本揭露的原理形成的石膏面板的耐火特性的方式。如在’173專利中解釋的,選自一 石膏面板中的一區段在經受加熱時其x-y尺寸發生收縮的程度是對於面板對收縮、開裂以及從使用此面板的結構元件的牆筋和支撐件拉離的抵抗性的一種表示。
在本研究中使用一組5/8英寸厚、近似3英寸乘9英寸的石膏板樣品,總體上遵循’173專利中描述的程式進行測試。該等樣品係從下面提及的樣品批次13的一整片成型石膏壁板上切下的。(在’173專利中,該等樣品係由一實驗室混合物模制為約½英寸的厚度,該混合物使用水代替泡沫來控制密度。將該等樣品置於一馬弗爐中,方式為將其以長的(在此情況下是5/8英寸的厚度)邊緣直立地放在一件絕緣材料上,其中該等絕緣塊被置於樣品之間以便防止內芯樣品傾翻。對每個樣品的一側或雙側的初始x-y表面積進行測量。
在將樣品放入馬弗爐中時,烘箱和樣品處於室溫。將馬弗爐加熱至1800℉並接著保持一小時,此後切斷熱量並將馬弗爐的門略微打開而使之冷卻。在馬弗爐和樣品冷卻至環境溫度之後,取出樣品並測量樣品的x-y表面積。用加熱後剩下的樣品表面積除以初始的加熱前的樣品表面積、並乘以100,得到加熱後剩下的表面積百分比。這個數(剩餘表面積百分比)在此稱為「耐收縮性」值,如在此所使用的術語。
在第一批次中對來自這三個不同石膏面板樣品的試件進行測試。在該第一批次中,從來自以下實例4中討論的樣品批次13的一根據本揭露製備的5/8英寸厚石膏面板上切下一樣品的三個試件。將這三個試件與來自兩個商業板樣品中的各三個試件一起進行測試,這兩個商業板樣品係從在名稱「Sheetrock Brand Firecode® 5/8英寸X型內芯板」(從美國石膏公司(United States Gypsum Company)可商購)下出售的商業5/8英寸X型板上切下的。該等X型樣品具有 約43.5pcf的內芯密度以及約2250lb/msf的板重量。
來自實例4中討論的樣品批次13的第一樣品面板係根據本揭露製備的並且是約5/8英寸厚並且重約1850lb/msf,具有35.5pcf的內芯密度。該面板係由約1311lb/msf的灰泥、約27lb/msf的HRA、約30lb/msf的預膠凝澱粉、約100lb/msf的高膨脹蛭石、約7.5lb/msf的玻璃纖維、約1.5lb/msf的三偏磷酸鈉、以及約2.5lb/msf的萘磺酸鹽分散劑、以及處於為產生所希望的內芯密度所必須的量值和配方的泡沫製成。面板的物理測試證明,它展現了約103lb的拔釘阻力(使用ASTM程式)。
在第二批次中,各有三個試件來自在名稱「Sheetrock Brand Firecode® 5/8英寸X型板」(從美國石膏公司可商購)下出售的第二種商業的5/8英寸X型板中的每一個。該等X型樣品具有約平均約41.73pcf的內芯密度以及約2250lb/msf的板重量。還有各三個試件係分別從在名稱「Sheetrock Brand Firecode® C內芯½英寸和5/8英寸」下出售的一商業的½英寸和一商業的5/8英寸Firecode® C內芯板上切下的。該等板也是從美國石膏公司可商購的。該等Firecode® C板摻入了低膨脹蛭石。該等½和5/8英寸樣品的內芯密度分別是平均約48.12pcf和約46.86,並且板重量分別是約2025lb/msf和約2550lb/msf。
來自耐收縮性試驗結果的平均值見圖24中的表VI。使用本試驗,以上數據證明,根據本揭露的原理形成的防火級板在低得多的密度和重量下具有顯著優越的耐收縮性。與遠遠更重和更密的商業X型板樣品的約77%和約61%的耐收縮性相比,其平均耐收縮性係約88%。相對於顯著更密和更重的商業Firecode® C面板觀察到了相似的結果,使用本試驗它們展示了約74%的耐收縮性。使用本試驗,在該等½英寸與5/8英寸Firecode® C樣品之間沒有可觀的耐收 縮性差別。
出於對比目的,該’173專利報導稱,其實例中所測試的每個½英寸樣品(除非另外指出)具有約43pcf的內芯密度。該’173專利進一步報導稱,在該密度下,63個測試的樣品證明了所報導的從54%(沒有添加小粒徑無機材料或蛭石的石膏面板)至約85%(具有占所有乾燥的內芯成分的0.45wt%的黏土和玻璃纖維的石膏面板)的耐收縮性。
僅添加了玻璃纖維(占所有乾燥的內芯成分的0.45wt%)的該’173專利的樣品據報告有小於約60%(例如,53.7%至61.5%)的耐收縮性。在添加了蛭石和玻璃纖維以及不添加小粒徑無機材料的情況下,該等樣品據報告有約60.8%(蛭石為所有乾燥的內芯成分的1.0wt%)以及約64.1%(蛭石和玻璃纖維分別為所有乾燥的內芯成分的1.0wt%和0.45wt%)的耐收縮性值。具有所報告的約80%或更大耐收縮性值的樣品(包括添加了玻璃纖維和蛭石的那些樣品)具有按所有乾燥的內芯成分的重量計為5.0的實質的黏土含量。在大多數(若非全部)的實例中,當保持添加的黏土的量值恆定時,所添加的在其中使用的蛭石被證實只有極小的(如有的話)益處。因此,出乎意料的是,在根據本揭露的原理形成的石膏面板(在其石膏內芯中沒有摻入顯著量值的小粒徑無機材料,如黏土、膠體二氧化矽或膠體氧化鋁來抵抗高溫條件下的收縮)的實施方式中,該等實施方式卻展現了至少與常規的X型石膏面板以及使用了低膨脹蛭石的商業面板(如Firecode® C面板)相當的(若非更好的)耐收縮性。
因此,用於遵循本揭露的原理來製造耐火石膏面板的配方和方法可以對石膏面板提供在本試驗中的如下耐收縮性,該耐收縮性超過了遠遠更重且更密的石膏板,並且達到或超過了具有顯著的添加成分(如黏土)(該等成分 係提供所希望的耐收縮性所必須的)的此類面板。
實例4
在不同日期進行了幾個試驗批次,以生產根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的石膏面板的標稱5/8英寸厚樣品,該等樣品係使用在此討論的配製途徑所製造,並且其實例在圖19的表I中示出。在圖25A-B的表VII中部分地對該等試驗批次樣品進行進一步說明,該表格還提供了組分量值、板重量以及板密度(近似量值)。使根據本揭露的原理形成的示例性面板經受在下面的實例4A至4E中討論的試驗。出於對比目的,也獲得了可商購的X型防火級石膏面板和玻璃氈石膏面板的樣品。被稱為X型面板的商業樣品係來自從美國石膏公司可商購的5/8英寸厚的商標為SHEETROCK®的FIRECODE® X型石膏面板(一小時防火級的)(樣品批次21)。被稱為玻璃氈面板的商業樣品係取自從美國石膏公司可商購的商業5/8英寸厚的商標為SECUROCK®的玻璃氈覆蓋石膏面板(一小時防火級的)。
除非另外指出,否則,用於密度、耐收縮性、z方向高溫厚度膨脹率以及絕緣試驗的、從在該等實例中(來自本揭露原理的實例以及商業石膏面板的實例)中所討論的石膏面板中獲取的該等試件,係在該等面板的「區域」內的一或多個位置中從距離面板邊緣至少六英寸處獲取的。
實例4A
對於來自根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的耐火石膏面板的樣品批次1至20的試件,按照在歐洲常用作某些防火級石膏面板的標準的EN 520「石膏板-定義、要求及試驗方法」進行高溫內芯內聚力試驗。這個試驗的程式也在報告書ASTM WK25392(C473修訂版)-09石膏面板產品的物 理測試的標準試驗方法(下面稱「ASTM Pub.WK25392」)中進行了討論,在網址www.astm.org/DATABASE.CART/WORKITEMS/WK25392.htm上或從ASTM國際標準組織可以其他形式或格式獲得。
該試驗評估了石膏面板在使用了面板的元件被暴露於高溫(如火災中遭遇的高溫)下時承受所遭遇的偏折和機械應力的能力。例如,在高溫條件下,該等元件的結構元件如牆筋可能由於它們暴露在高溫下而變形或損壞。結果可能致使該等元件朝向或遠離這個在面板上施加了壓縮和/或膨脹力的熱源而發生偏折。
在該等試驗中,水平地安裝一約1.75英寸乘約12英寸(24mm乘100mm)的試件,懸臂長度為約10英寸(254mm)。藉由懸掛於該試件的自由端的一重物來施加剪切應力和彎曲力矩。該重物被懸吊於一平臺上方約0.39英寸(10mm)處。該重物的質量基於試件的厚度,對於從約½英寸(12.7mm)至約¾英寸(19.1mm)的石膏板厚度而言,其範圍從約10.6盎司(300g)至約25.9盎司(450g)。藉由位置距離該試件的固定端約3.9英寸(100mm)的兩個水平相對的梅克爾燈(Meker burners)使該試件暴露於火焰中。
每個燃燒器的嘴被定位為距離試件的相鄰面約1.0英寸(25.4mm)並且進行調節,使得在距離試件約0.2英寸(5mm)處插入的一熱電偶讀數為約1830℉(1000℃)。如果在重物接觸到該平臺時該試件弱化和/或偏折但保持完好而不碎成分離的片段,則認為它已經通過該試驗。七個重複試驗中的至少六個必須通過,該石膏面板樣品才算通過。試驗結果表示為「通過」或「失敗」。
來自所有樣品批次的試件的試驗都使用了一個25.9盎司(450g)的重物。來自每個樣品批次的試件都通過了該高溫內芯內聚力試驗,雖然該等石 膏面板的重量和密度減小了。
實例4B
如以上提到的,除了內芯內聚力問題之外,由於暴露於高溫下造成的石膏內芯的收縮也導致組裝面板結構(如牆壁單元和/或火災隔板)的物理整體性的損失。在ASTM Pub.WK25392中開發並報導了一用於測量「高溫收縮率」的試驗,以提供對石膏面板在高溫條件下的收縮率特徵的定量衡量。該試驗程式反應了以下事實:石膏面板在火災條件下可能經歷的高溫收縮率受到除煆燒反應之外可能在處於高溫條件下的面板石膏內芯中出現的多個因素的影響。因此,該試驗計畫使用了一不通氣的加熱爐,使得不存在可能冷卻該等試件的來自該加熱爐外部的空氣流。該加熱爐溫度也是約1560℉(850℃)以考慮到當暴露於高溫火災條件下時可能在石膏內芯結構的無水石膏相中出現的收縮、以及煆燒和其他高溫效應。「高溫收縮率」在此係指在與此處描述的那些一致的高溫試驗和樣品條件下石膏面板的收縮率特徵的一種衡量。
對來自根據本揭露的原理形成的樣品批次1至20的面板的試件測試了在ASTM Pub.WK25392中規定的高溫條件下它們所經歷的x-y高溫收縮率的量。在該等試驗中還評估了該等樣品的厚度損失或增益。該等試件係使用具有孔鋸條的鑽床從石膏板樣品上切下的約4英寸(100mm)直徑的圓盤。每個試驗要求六個試件,將其側面相鄰地、彼此不接觸地放入該加熱爐內。還將該等試件放在小支座上以允許它們在兩面上均勻地加熱並排氣,這樣使得它們保持為相對平的圓柱形圓盤。
為了防止對試件的熱衝擊(這可能由於脹裂和破裂而產生無效的試驗結果),該試驗計畫修改為在將加熱爐加熱至約1560℉(850℃)之前將試 樣放入其中。在關閉加熱爐之前將該等試件在這個溫度下保持最小約20分鐘。在加熱爐冷卻過程中加熱爐的門仍是關閉的。直到溫度降低至接近室溫之後才將試件取出測量。
由於石膏板係各向異性的,所以收縮率的量值在長度與寬度方向上略有不同。因此,進行兩個正交的測量並進行平均以計算該圓盤的平均直徑。在該等試驗中,採用互相成90度的兩個測量,因為已經發現這種途徑提供了試件之間一致的平均直徑測量結果。已經發現,該等試件的在「機器方向」和「機器橫向」意義上的取向不是本試驗目主要關注的。典型地,如果一圓盤的這兩項測量結果相差大於0.01英寸(0.25mm),則捨棄該圓盤並將該等測量結果從所報告的結果中除去。對於六個試件的組,高溫收縮率係計算為熱暴露之後平均直徑的百分比變化,並且表示為「S」,且典型地計算至最接近的0.1%。
這個試驗的數據在圖26A-B的表VIII中報告出並且證明,雖然與通常認為對減小石膏面板收縮率而言必需的內芯密度和石膏含量相比有所減少,但與所預計的相比,根據本揭露的原理形成的示例性面板的內芯結構對高溫收縮率有顯著更高的耐受性(S,從近似2%至近似4%)。
此外,該等樣品證實了,從加熱之前其初始厚度到加熱之後其最終厚度,z方向上的厚度膨脹率、或「高溫厚度膨脹率TE」係約11%至超過約30%。如在此使用的「高溫厚度膨脹率」係指,在與此處描述的那些一致的高溫試驗和樣品條件下石膏面板在z方向上的厚度膨脹特徵的一種衡量。高溫厚度膨脹率(z方向)與高溫收縮率之比(即TE/S)提供了對遵循本揭露原理的總益處的一種衡量、並且在樣品批次1至20中是從約3至高於17。
為了對比的目的,商業的防火級5/8英寸厚石膏面板的典型的高 溫收縮率、高溫厚度膨脹率、以及膨脹率與收縮率之比也包括在了圖26B的表VIII中。該數據以及典型的重量和密度數據係來自對於商用的商標為SHEETROCK®的FIRECODE® X型石膏面板、商標為SHEETROCK®的FIRECODE® C型石膏面板、以及商標為SECUROCK®的玻璃氈覆蓋石膏面板的測試,所有都是從美國石膏公司可商購的。正如可以看出的,根據本揭露的原理形成的示例性面板中的高溫收縮率可相當於(如果不是更優於)商業的防火級面板。此外,根據本揭露的原理形成的示例性面板中的高溫厚度膨脹率的量出人意料地顯著高於更厚、更密的常規的防火級石膏板,而不具有其他不利效果。
根據本揭露的原理形成的面板的出人意料的益處還反映在它們相對於商業的防火級面板而言顯著更大的高溫厚度膨脹率(z方向)與高溫收縮率之比(TE/S)上。根據本揭露的原理形成的面板的較小的高溫收縮率以及實質性地較大的高溫厚度膨脹率表明,它們在反映在結構起火條件下所遭遇溫度的那些溫度下對於它們的重量和密度而言提供了出人意料的耐火性。對於由本發明範圍之內的組分材料的其他組合所生產的面板也獲得了類似的結果。
實例4C
在Shipp,P.H.和Yu,Q的文章「X型專用耐火石膏板的熱物理學表徵」(防火與材料2011會議的會議集,三藩市,2011年1月31-2011年2月2日,英國倫敦Interscience通訊有限公司(Interscience Communications Ltd.),第417-426頁)中對元件(例如利用了承重的木質牆筋框架,如ASTM E119防火試驗中要求的)中的石膏面板的防火性能的一有用指標進行了討論。該文章討論了有承重木框的牆元件的多個系列的E119防火試驗、以及商業X型石膏面板的高溫收縮率與隔熱特徵之間的相關性以及它們在E119防火試驗程式下的預期 性能。
對於來自該等試驗的數據進行多元線性回歸分析,以耐火性FR(以分鐘計)作為因變數。引數係收縮率百分比SH(通過實例4B中的上述高溫收縮率試驗測量的)、隔熱指數TI(通過下面在實例4D中討論的試驗測量的)、木材水分含量MC(按重量百分比計)、以及該試驗的實驗室設備LAB={0,1}。 得到的線性回歸分析確立了以下關係(回歸的標準誤差為2.55分鐘):FR=18.3-1.26 SH+1.60 TI+0.42 MC+6.26 LAB (1)
假定試驗係在單個實驗室(LAB=1)中進行並且典型的木材水分含量為13.5%,則上述關係可以表示為:FR=30.23-1.26*SH+1.60*TI (2)
可以使用高溫收縮率試驗數據對等式2進行重排以便指示出為了提供E119試驗程式下的防火試驗性能所必須的、在一承重的木質牆筋組件中的典型商業X型面板的預計最小隔熱指數。所得的關係可以表示為:TI(FR-30.23)/1.60+1.26/1.60*SH (3)
如圖27中的表IX所示,以等式4a至4c表示的以上關係表明,為提供E119條件下在50、55和60分鐘的可接受的耐火性,將要求該等所列出的近似最小的TI值。該等樣品批次的面板以及商業面板的高溫收縮率值SH提供在圖28A-B的表X中,如以上實例4B中討論的。
對於來自根據本揭露的原理形成的樣品批次1至20的示例性面板,由該等關係式(等式4(a)至4(c))得出的最小TI值在50分鐘將是等於或大 於從約13.8至約15.8、在55分鐘係從約16.6至約19、並且在60分鐘係從約20至約22。所計算出的該等TI值與商業X型、C型(具有第5等級蛭石)以及玻璃覆面的石膏面板的計算TI值相當(若非更好),這也在圖27的表IX中報告出。對於重量和密度大得多的商業面板計算出的TI值在50分鐘將是等於或大於約13.9至約16.6、在55分鐘係約17至約19.7、並且在60分鐘係約20.2至約23。
如下面在實例4D中討論的,相對於X型石膏面板而言來自根據本揭露的原理形成的示例性面板的試件(樣品批次1至20)的重量和密度顯著減小,但所述試件的測量TI值等於或超過了該等預測的TI最小值,且與X型石膏面板樣品的測量TI值係相當的。此外,在使用下面的實例4E中討論的U305程式進行的比較試驗中,根據本揭露的原理形成的面板在經受防火試驗時實際上提供了大於預期的耐火性。在不受理論限制下,據信在實際防火試驗中得到證明的、根據本揭露的原理形成的面板的這種出乎意料的增大的耐火性一部分係歸因於提供本揭露的面板和方法所實現的高溫厚度膨脹程度。同樣不受理論限制,據信這樣顯著的高溫厚度膨脹率的益處可能並未反映在以上關係式中,因為它們係基於典型地在加熱過程中展現收縮作用的X型石膏面板(見圖26B的表VIII,X型試驗)。
實例4D
對於遵循ASTM Pub.WK 25392中討論的程式的高溫隔熱指數試驗也進行了評估。這個程式對石膏面板的高溫隔熱特性提供一簡單的代表性的試驗。本試驗中反映出的熱傳遞條件可以由該板厚度上的一維不穩定熱量傳導的能量等式來描述: △/△x(k(△T/△x))+q=ρcp(△T/△t) (5)其中T係給定時刻t和板中深度x處的溫度。在升高的溫度下,熱傳導率(k)、密度(ρ)、以及比熱(cp)係非線性溫度關聯函數。熱產生速率q代表在不同的溫度下並且相應地在不同的時刻發生的多個吸熱和放熱反應,例如石膏相變以及面層紙燃燒。
為了評估穿過石膏板的總的熱傳導並且因此評估其隔熱性能的目的,典型地不需要單獨地測量和描述以上提及的每個變數。評估它們對熱傳遞的淨累積效應就足夠。為此目的,進行ASTM Pub.WK 25392中討論的簡單的高溫隔熱指數試驗。在此使用的「高溫隔熱指數」係指,在與此處描述的那些一致的高溫試驗和樣品條件下石膏面板的隔熱特徵的一種衡量。每個試件由兩個4英寸(100mm)直徑的、藉由G型喇叭頭螺釘子夾在一起的圓盤組成。在試件中心放置了一熱電偶。然後將該試件安裝在一架子中的邊緣上,該架子被設計用於在其表面上確保均勻的加熱並且被放在一預加熱至約930℉(500℃)的加熱爐中。記錄試件中心處的溫度升高並計算隔熱指數TI,該隔熱指數TI計算為使該試件從約105°(40℃)加熱至約390℉(200℃)所需要的時間(分鐘)。該試件的隔熱指數計算如下:TI=t200℃-t40℃ (6)
由這個程式所收集的數據得到的溫度特徵曲線通常顯示了在約212℉(100℃)從石膏到半水合物的過渡以及在約285℉(140℃)附近半水合物至第一無水石膏相的轉化。此類數據通常還顯示,一旦完成該等相轉變,則溫度以線性方式迅速升高,因為在低於約930℉(500℃)的烘箱溫度下典型地不發生其他重要的化學或相變反應。藉由等待試件的內芯溫度達到約105℉(40℃)開始計時,可以實現可接受的可重複性和可再現性。
在圖28A-B的表X中報告了來自樣品批次1-20的試件的隔熱指數試驗。來自該等樣品批次的實例的隔熱指數(TI)數據顯示,根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的石膏面板的內芯結構在它們的密度和石膏含量下提供了出乎意料地有效的隔熱特性。如表X中指出的,來自樣品批次1-20的試樣的隔熱指數值從約22分鐘至約25分鐘而變化。這表明,根據本揭露的原理形成的內芯組合物在內芯密度的意義上、對於抵抗在火災和防火試驗條件下經歷的高溫的目的而言是比預期更有效的隔熱體。該等實例還顯示,樣品批次1-20的試件的隔熱指數與密度之比的範圍係從約0.60至約0.68分鐘/pcf。相比之下,來自更重更密的、商用的、商標為SHEETROCK®的FIRECODE®X型石膏面板、商標為SHEETROCK®的FIRECODE® C型石膏面板、以及商標為SECUROCK®的玻璃氈覆蓋石膏面板樣品批次1-20的隔熱指數與密度之比係從約0.55至約0.59分鐘/pcf。
如該數據所指示的,根據本揭露的原理形成的示例性面板具有與遠遠更重且更密的商業面板相比一定程度上更低的隔熱指數值。這可能會被視為一指示:即根據本揭露的原理形成的示例性面板將會具有降低的耐火性能。然而,當將根據本揭露的原理形成的示例性面板的密度納入考慮時,它們的隔熱能力(如藉由TI與密度之比所反映的)與遠遠更重且更密的商業面板係相似的或更好的。此外,如實例4E中所示,根據本揭露的原理形成的示例性面板證明了,在它們被用於經受全規模防火試驗的元件中時,顯示出相對於更重且更密的商業面板而言出乎意料的耐火性。
實例4E
對於來自根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的耐火面板 的樣品批次1至20的試件,按照在UL程式U419、U423和U305中列出的程式進行全規模防火試驗。該等試驗程式要求一試驗結構的元件包括由鋼質或木質牆筋製成的一壁組件框架(典型地約10英尺的豎直牆筋,被安裝在基板與相同材料的一罩板(cap plate)之間)。對於使用了根據本揭露的原理形成的面板的、來自樣品批次1到17的試件的多個元件,按照U419程式進行防火試驗;對於使用了根據本揭露的原理形成的面板的、來自樣品批次18的試件的一元件進行U423防火試驗程式;並且對於使用了根據本揭露的原理形成的面板的、來自樣品批次19和20的試件的多個元件進行U305防火試驗程式。
此外,用於對比的目的,對於商業的一小時防火級的、5/8英寸厚的、商標為SHEETROCK®的FIRECODE®X型石膏面板(樣品批次21)以及商業的5/8英寸厚的、商業的一小時防火級的、商標為SECUROCK®的玻璃氈覆蓋石膏面板(樣品批次22)分別進行U419和U423的程式。樣品批次21的X型面板重約2250lb/msf,具有約43.5pcf的內芯密度。樣品批次22的Securock®面板重約2630lb/msf,具有約51pcf的內芯密度。
在U419和U423試驗中,該等牆筋係可商購的輕型鋼牆筋,係由具有從約0.015英寸至約0.032英寸的厚度、並且具有約3-5/8英寸或3-1/2英寸寬乘約1-¼英寸厚的尺寸的鋼形成。該等鋼質牆筋,即Viper 25鋼牆筋(Marino/Ware,Ware Industries Inc的分公司),在該組件中間隔開約24英寸。U305試驗使用間隔開約16英寸的#2花旗松木材2×4牆筋(近似3.5英寸寬乘1.5英寸厚)。
U419試驗程式被認為是最嚴格的UL試驗類型之一,因為輕型鋼牆筋通常由於熱量穿過面板傳遞並進入暴露的與未暴露的面板之間的元件空腔 內而經受熱變形(典型地驅使暴露的面板朝向噴氣火焰)。這種變形通常在元件的加熱的、暴露的一側上造成面板接合部的分離或其他失效,從而允許噴氣火焰和/或高熱進入組件空腔內並且進人該組件的未暴露、未加熱的一側中。預計該等鋼質牆筋的規格越輕,牆筋和組件熱變形的可能性就越大。
將該等石膏面板水平地、即垂直於豎直牆筋地附接到該組件的每側上。典型地,在框架的每側上使用兩個近似10英尺乘4英尺的面板以及一近似10英尺乘2英尺的面板。將這個10英尺乘2英尺的面板放在組件的頂部,與將較窄面板放在較寬面板之間的中部或元件的底部的情況下相比,這對於該元件提出了更困難的試驗。該等牆筋的相反側面上的水平邊緣接合部和對接部不是錯開的。在元件的每一側上用多個一英寸的S型高/低螺釘(離開中心八英寸)將該等面板附接在框架上。將該等面板定位,使得在框架每側上該等面板之間的接縫係互相對齊的。然後,將該等接縫用紙質接合帶和接合化合物進行密封。
試驗類型、牆筋類型以及以試驗終止前的時間(分鐘和秒)表示的結果在圖29A-C的表XI中指出。在按照U419的程式進行的試驗中,用來形成輕型鋼牆筋的鋼係0.015英寸或0.018英寸厚的。按照U423的程式進行的試驗使用了由約0.032英寸厚的鋼製成的可商購的鋼質牆筋。按照U419程式,該元件不經受外部荷載。在U419試驗中,該等試件由於超過規定的溫度極限而失敗。按照U423和U305程式,在元件頂部施加近似9,520lb(U423)和17,849lb(U305)的總外部荷載。在U423和U305試驗中,該等試件由於在荷載下破裂而不是超過規定的溫度極限而失敗。
在每個試驗中,將完成的面板和框架元件定位,使得元件的一側(暴露的側面)經受一噴氣爐火焰陣列,該等火焰將元件的暴露的側面以ASTM 標準ASTM E119規定的溫度和速率、按照U305、U419和U423程式進行加熱。ASTM E119加熱曲線的實例在圖9和10中示出。按照該等ASTM和UL程式,將一組大約14個感測器以間隔開的關係排列在該元件的被加熱的暴露側與每個氣體噴射流之間,以便監測用來加熱該元件暴露側的溫度。同樣按照該等ASTM和UL程式,將一組感測器以間隔開的關係排列在該組件的相反的、未加熱的、未暴露的側面上。典型地,在該元件的未暴露的表面上以根據UL和/或ASTM規範的一圖案來施加12個感測器。根據該等程式,每個感測器還被一絕緣墊片覆蓋。
在該等防火試驗程式中,使用的加熱爐溫度遵循以下ASTM-E119加熱曲線:從環境溫度開始並在該元件的暴露側面上在近似一小時內增大至高於1600℉,最快的溫度變化發生在試驗初期以及接近該試驗的末尾。當存在該元件的災難性結構失效、當來自該元件的未暴露側面上的感測器的溫度平均值超過預選溫度、或者當該元件的未暴露側面上的單個感測器超過第二預選溫度時,終止試驗。
該等防火試驗的數據在圖9-16中繪製成曲線。圖9示出了從每個試驗開始到試驗結束,在具有來自樣品批次1至17以及商業樣品21的面板的每個元件的未暴露表面上的最大單一感測器溫度的曲線圖。如以上提到的,圖9還示出了用於該組件的暴露側面上的加熱爐溫度的ASTM E 119溫度曲線的曲線圖。圖10示出了具有來自樣品批次1至17的面板的每個元件的未暴露表面上從每個試驗開始到試驗結束的平均溫度的、以及用於該元件的暴露側面上的加熱爐溫度的ASTM E 119溫度曲線的曲線圖。如該等數據曲線圖所指示的,雖然在來自樣品批次1-20的面板與遠遠更重且更密的商業X型和玻璃覆面的石膏 面板(樣品批次21和22)之間的密度和石膏含量具有非常顯著的差異,所有該等組件的未暴露側面的最大單一感測器和平均感測器溫度在整個試驗中是緊密對齊的。
此外,如圖9和10中所指示的,該等曲線圖中在經過約50至55分鐘的時間之間存在一彎曲,並且在該彎曲點之後,每個試驗的未暴露的最大單一感測器和平均感測器溫度顯示出了斜率的陡然增大。在不受理論束縛下,據信該彎曲點指示了該組件的暴露的被加熱面板接近於或超過其散熱和隔熱能力的極限時的點,並且因此整個元件上的熱傳遞在實驗的終止部分快速升高。這樣的傳遞可以穿過面板本身或穿過面板之間的接合處中的一或多個開口。無論數據所證實的彎曲點的具體原因如何,出乎意料的是傳遞穿過面板和元件空腔的溫度、以及溫度傳遞的速率,對於根據本揭露的原理形成的重量減小、密度減小的面板以及具有遠遠更大內芯密度的重得多的面板而言是相當的。
圖11和12分別是在U419防火試驗中使用了來自樣品批次1至17和商業X類型樣品21的面板的該等元件中每一個的未暴露表面上的最大單一感測器和平均感測器溫度的曲線圖。圖11和12示出了來自經過40分鐘時間至經過65分鐘時間(所有試驗在65分鐘之前終止)的數據的一放大的曲線圖。該等數據曲線圖更詳細示出了根據本揭露的原理形成的面板、以及使用它們而製造的元件的耐火性與遠遠更重和更密的X型面板以及使用X型面板的元件在最高達約50至55分鐘之間的緊密對應關係。
在從約55分鐘至超過60分鐘,對於使用了來自根據本揭露的原理形成的面板樣品批次的面板的元件測量的溫度繼續與該等商業面板的溫度緊密對應。圖13和14分佈示出了來自圖9和10的數據的曲線圖,來自使用了根 據本揭露的原理形成的來自樣品批次5、14的示例性面板以及樣品21(商業X型面板實例)。該數據顯示,根據本揭露的原理形成的面板以及使用它們而製造的元件能夠提供如下面板,其在UL U419防火試驗條件下對於至少約60分鐘而言具有的耐火性與遠遠更重和更密的商業面板是相當的(若非更好的話)。對於由本發明範圍之內的組分材料的其他組合所生產的面板也獲得了類似的結果。
還注意到,在約50分鐘之後,使用來自樣品批次6、7和9的面板的該等元件的溫度與使用來自其他樣品批次的面板的該等元件相比在一定程度上更加快速地升高。如在圖25B的表VII中注意到的,來自樣品批次6的面板具有最低的重量和密度,並且來自樣品批次7和9的面板可能已經經受過度乾燥(over drying)。類似地,使用來自樣品批次8和15的面板的該等元件的溫度與其餘元件相比也在一定程度上更快速地升高。如還在表VII中指示的,來自樣品批次8和15的面板也可能受到過度乾燥或石膏來源中的雜質的影響。在不受理論束縛下,據信該等製造和材料條件實質性地促成了來自使用該等面板的元件與使用其他樣品批次的面板的元件的溫度輪廓線之間的差異。
雖然有該等考慮、以及U419試驗標準的困難,來自該等試驗的數據顯示,根據本揭露的原理形成的面板仍然在它們的重量和密度下提供了出乎意料地有效的耐火性。總而言之,使用了根據本揭露的原理形成的面板的該等元件的數據進一步顯示,本揭露的方法和面板可以提供堅實的耐火元件,該等元件給予了普通技術人員可觀的靈活性來調節該等面板的蛭石和灰泥含量,以便對製造條件和原材料品質的顯著變化進行補償。
圖15和16係在U423防火試驗中使用了來自樣品批次18和22的面板的該等元件中每一個的未暴露表面上的最大單一感測器和平均感測器溫 度的曲線圖。圖15和16示出了來自經過40分鐘時間至經過65分鐘時間(所有試驗在65分鐘之前終止)的數據的一放大的曲線圖。該數據曲線圖更詳細顯示了使用根據本揭露的原理形成的面板的該等組件與遠遠更重和更密的、商業的、玻璃氈覆面的石膏面板(樣品批次22)之間相當的耐火性,雖然預期該等面板的玻璃蓋板會在這個試驗中提供額外的耐火性。該數據、特別是經過50分鐘時間之後的數據證明,根據本揭露的原理形成的面板以及使用了它們的元件能夠提供在UL U419防火試驗條件下與遠遠更重和更密的商業面板相當的(若非更好的話)耐火性。
圖29A-C的表XI中列出的數據提供了在50、55和50分鐘的經過時間時該元件的未暴露表面上的任何一感測器達到的最大溫度或所有感測器的平均值。表XI還報告了在試驗結尾時該元件的未暴露表面上的任何一感測器達到的最大溫度或所有感測器的平均值。在樣品批次6、7和9的試驗中,在58分鐘(樣品6和7)或59分鐘(樣品批次9)時終止試驗,並且因此在終止時最大單一感測器和平均感測器溫度係相同的。
對於U419試驗,將經過約50分鐘時間時在該元件的未暴露表面上小於約260℉的最大單一感測器溫度和/或在這樣的未暴露表面處的小於約250℉的平均感測器溫度,視為成功試驗的指示,並表明所試驗的石膏面板內芯配方和製造方法、以及使用了根據本揭露的原理形成的面板的元件,能夠滿足或超過適當的UL試驗程式中「一小時」防火級的要求。類似地,在U419中在約55分鐘時在該元件的未暴露表面上小於約410℉的最大單一感測器溫度和/或在約55分鐘時在這樣的未暴露表面處小於約320℉的平均感測器溫度係另一指示,即:本揭露的面板和方法可以用來提供適合用於防火級應用中的一耐火元件。這 藉由在U419試驗條件下大多數元件的以下結果得到證實,該結果顯示在約55分鐘時在該元件的未暴露表面上小於約300℉的溫度和/或在約55分鐘時在這樣的未暴露表面處小於約280℉的平均感測器溫度。
使用根據本揭露的原理形成的面板的該等組件證實了在經過約60分鐘時間時在該元件的未暴露表面上小於約500℉的最大單一感測器溫度和/或在這樣的未暴露表面處小於約380℉的平均感測器溫度,這個事實也證明了根據本揭露的原理形成的面板以及使用它們的元件在該等面板減小的重量和密度的情況下按照U419標準的出乎意料的耐火性。許多元件經歷了在經過約60分鐘時間時在該元件的未暴露表面上小於約415℉的最大單一感測器溫度和/或在這樣的未暴露表面處小於約320℉的平均感測器溫度,這證明了根據本揭露的原理形成的面板以及使用它們的元件按照U419試驗標準可以滿足該等標準下的60分鐘防火級。
無論在50、55和60分鐘時具體的最大和平均感測器溫度如何,使用了來自樣品批次1至17的面板的組件的結果在與樣品批次21和22的商業X型和玻璃覆面的石膏面板相比時是出乎意料的。鑒於樣品批次1至17與遠遠更重和更密的商業樣品之間有顯著的重量與密度差異,原本預期在經過50、55和60分鐘的時間段上會看見遠遠更大的最大感測器溫度和感測器溫度平均值的差異。來自大多數樣品批次1至17的面板的未暴露表面的平均感測器溫度同樣也未反映該等面板相對於樣品批次21和22的商業面板而言可觀地更低的重量和密度。
如圖29A-C的表XI中同樣反映出來的,在使用了樣品批次18、19和20的面板的該等元件的未暴露側面上最大單一感測器溫度和平均感測器 溫度係非常相似的、並且在一些情況下好於按照U423和U305的程式所測量的元件中的商業防火級板,這兩種程式均使用木質牆筋並且對元件施加重物荷載。例如,來自樣品批次18的面板證明了一元件具有的未暴露側面溫度在50、55和60分鐘時與在使用0.032英寸鋼質牆筋、按照U423程式所測試的元件中的商業防火級面板樣品22的結果係非常相似的。對於在該等試驗中使用了來自樣品批次18的根據本揭露原理形成的面板的元件而言,最大單一感測器溫度在經過約50、55和60分鐘時間時係分別小於約255℉、270℉和380℉。平均感測器溫度在經過約50、55和60分鐘時間時分別是小於約220℉、235℉和250℉。事實上,來自樣品批次18、根據本揭露的原理形成的該等示例性面板出乎意料地證明了在60分鐘時與商業樣品批次22(一具有玻璃纖維蓋板的遠遠更重和更密的石膏面板)相當的單一感測器溫度。這項結果係特別值得注意的,因為在樣品批次22的面板上的玻璃纖維蓋板被認為相對於具有紙質蓋板的同樣面板而言改善了面板的耐火性。
類似地,按照U305程式在使用木質牆筋的元件中測試的來自樣品批次19和20的面板證明了在經過約50、55和60分鐘時間時最大單一感測器溫度分別小於約250℉、260℉和265℉。該等元件中的平均感測器溫度在經過約50、55和60分鐘時間時係分別小於約230℉、240℉和245℉。
此外,按照通常可接受的UL標準,圖29A-C的表XI中的數據表明,根據本揭露的原理形成的重量減小且密度減小的石膏面板能夠滿足或超過對於勝任U419程式下的商業「一小時」防火級石膏面板所要求的標準。例如,使用了來自樣品批次17、根據本揭露的原理形成的面板的元件的防火試驗報告在表XI中,除其他使用本揭露的面板的元件之外,根據U419規範的商業「一 小時」防火級面板標準將是合格的。使用來自樣品批次17的面板根據U419製造的這個元件證明了在未暴露側面上小於在試驗開始時環境溫度加上325℉的一個單一感測器最大溫度、以及小於環境溫度加上250℉的一平均感測器溫度。在這個防火試驗中,單一感測器最大值係低於所要求的溫度,直到經過60分鐘18秒,並且平均感測器溫度係低於其極限值,直到經過60分鐘8秒。因此,這個試驗證明,用來製造樣品批次17的面板的配方和程式作為U419標準下的一小時防火級面板係可以勝任的。
對於來自樣品批次18、19和20的實例面板(按照U423和U305試驗程式進行測試)觀察到了類似的結果。對於該等元件的未暴露表面上的感測器所使用的溫度極限係以相同方式計算的(單一感測器最大值為環境溫度加上325℉,並且平均感測器溫度係小於環境溫度加上250℉)。對於樣品批次18,分別在約62分鐘27秒和62分鐘35秒時達到該單一感測器溫度極限和平均感測器極限。對於樣品批次19和20,在達到其中一極限之前終止試驗,對於樣品批次19係在超過63分40秒時,並且對於樣品批次20係在超過64分35秒時。這證明根據本揭露的原理形成的面板作為該等試驗下的一小時防火級係合格的。
因此實例4A至4E的以上數據證明,根據本揭露的原理形成的重量和密度減小的面板、以及使用它們的元件提供了與與遠遠更重且更密的商業面板相當的結構整體性、散熱和隔熱特性(或其組合),而毋須那些商用面板的顯著更大的石膏含量。此外,根據本揭露的原理形成的重量減小且密度減小的石膏面板在使用輕型鋼牆筋(被認為是最有可能受高溫而變形並被不利地影響的那些之一)的組件中顯示了這樣的結構整體性、散熱和隔熱特性的事實,係熟習該項技術者無法預見到的。對於由本發明範圍之內的組分材料的其他組合所生 產的面板也獲得了類似的結果。
此外,測試過程中的一關心的問題係來自樣品批次1、6至10和15的面板在製造過程中遭遇了可能影響它們在經受防火試驗的元件中的高溫耐受性的問題。此類問題係潛在的內芯灰泥水合問題(樣品批次11)、潛在的過度乾燥(樣品批次7至10)以及石膏來源中更高的雜質水平(樣品批次8和15)。該等防火試驗的結果表明,此類製造問題可能影響了根據本揭露的原理形成的示例性面板中的某些(例如,樣品批次6、7、9和15)。該等結果還證明,此類問題可以藉由遵循本揭露原理的、用於製造面板的內芯配方和方法來克服和/或進行補償。此外,該等試驗結果證明,對本揭露的重量和密度減小的面板的防火性能的任何必要調節都可以藉由調節高膨脹蛭石和石膏的相對量值來進行,從而實現希望的防火性能。
實例5
在本實例中,使來自樣品批次1至20的面板試件經受一拔釘阻力試驗以便根據這個常用指標來確定面板的強度特性。該拔釘阻力試驗是對一石膏面板的內芯、其蓋板、以及蓋板與石膏之間的結合性的組合強度的一種衡量。這個試驗測量了將釘子以一頭從面板中拔出直至出現面板的重大開裂所需要的最大力。在本實例的試驗中,該等拔釘阻力試驗係根據ASTM C473-95的方法B進行的。
簡言之,在試驗之前在約70℉和約50%的相對濕度下將所測的試件調節24小時。使用一個7/64英寸鑽頭尖來穿過試件的厚度鑽出導孔。然後將該等試件放在一在中心具有3英寸直徑孔的試件支撐板上,該孔與試驗用釘子的行進方向垂直。將該導孔與釘腳尖部(nail shank tip)對齊。以1英寸/分鐘的 應變率施加荷載,直到達到最大荷載。在超過峰值荷載之後在約90%的峰值荷載下,終止試驗並將峰值荷載記錄為拔釘阻力。
樣品批次1至20的拔釘阻力結果概述在圖30的表XII中。如表XII中指出的,四個另外的樣品(樣品批次23至26)也經受了拔釘阻力測試。樣品批次23至25係遵循本揭露的原理並且根據圖19的表I的配方製造的重量減小、密度減小的石膏面板的實例,並且圖25A-B的表VII的樣品批次1至20與圖30的表XII中指出的重量和密度相比有所變化。樣品批次26係一可商購的5/8英寸厚的商業「一小時」等級的、商標為SHEETROCK®的FIRECODE®X型石膏面板,具有約2250lb/msf的重量和約43pcf的密度。
根據本揭露的原理形成的示例性的、重量減小、密度減小的面板的平均拔釘阻力值範圍係從約73lb-f至高於約107lb-f。這表明,雖然根據本揭露的原理形成的面板密度減小並且使用了高膨脹蛭石,但本揭露的面板可以實現與遠遠更重且更密的防火級石膏面板相當的最小拔釘阻力。還表明根據本揭露的原理形成的面板可以實現滿足商業目的的拔釘阻力值,該值對於5/8英寸的具有紙質蓋板的石膏面板而言是近似96lb-f。對於由本發明範圍之內的組分材料的其他組合所生產的面板也獲得了類似的結果。
實例6
使根據本揭露的原理形成的、並且根據圖19的表I製造的示例性面板以及圖25A-B的表VII的樣品批次17-19經受撓曲強度試驗,以按照這個常用指標來確定面板的強度特性。這個撓曲強度試驗總體上可以包括對石膏面板產品在材料的處理或使用過程中承受彎曲應力的能力進行評估的程式。這種試驗方法係藉由在末端附近支撐試件並在支撐件中間施加橫向荷載而評估石膏面 板產品的撓曲特性。具體而言,撓曲強度試驗係在來自樣品批次17、18和19的試件面板上根據ASTM C473-95的方法B來進行。
簡言之,在試驗之前在約70℉和約50%的相對濕度下將所測的試件調節24小時。從每個石膏面板試件上切下四個樣件,每個12英寸(305mm)乘約16英寸(406mm),其中兩個具有平行於邊緣的16英寸尺寸並且兩個具有垂直於邊緣的16英寸尺寸。使用一具有在中心上間隔開14英寸(357mm)的多個平行的試件支撐件的設備來將每個試件中心式地支撐在固定的平行支撐件上,該設備係在與試件接觸的表面的多個點處測量的,並且附接到一剛性地附接至該試驗設備上的板上。在該等支撐件之間的一相似承重中點上施加一荷載。對於具有平行於邊緣的長尺寸的試件,面朝上地測試來自每個石膏面板產品的一試件,並且面朝下地測試另一個。對於具有垂直於邊緣的長尺寸的試件,面朝上地測試來自每個石膏面板產品的一試件,並且面朝下地測試另一個。計算並報告每個試驗條件下的平均斷裂荷載,以磅-力(lb-f)或牛頓(N)為單位。試驗條件為:(1)平行,面朝上;(2)平行,面朝下;(3)垂直,面朝上;以及(4)垂直,面朝下。
來自樣品批次17、18和19的試件的撓曲強度試驗結果概述在圖31的表XIII中。如表XIII中指出的,根據本揭露的原理形成的石膏面板滿足或超過了ASTM C 1396/C 1396M-06規範中對於5/8英寸厚石膏面板所提出的撓曲強度標準(即,其中承重邊緣垂直於面板長度時為147lb-f(654N);並且其中承重邊平行於面板長度時為46lb-f(205N))。
實例7
使根據本揭露的原理形成的、並且根據圖19的表I製造的示例性 面板以及圖25A-B的表VII的樣品批次17、18和19經受內芯、末端以及邊緣的硬度測試,以按照該等常用指標來確定面板的強度特性。該等硬度試驗總體上可以包括對石膏面板產品的內芯、末端以及邊緣在材料的處理或使用過程中抵抗擠壓的能力進行評估的程式。這個試驗方法藉由測定將一鋼質沖頭推入測試區域所要求的力而評估石膏面板產品的硬度。具體而言,內芯、末端以及邊緣硬度試驗係在來自樣品批次17、18和19的試件面板上根據ASTM C473-95的方法B來進行。
簡言之,在試驗之前在約70℉和約50%的相對濕度下將所測的試件調節24小時。從每個石膏面板試件的中心切下一用於內芯硬度測試的、不小於12英寸乘3英寸(305mm乘76mm)的樣件。從每個石膏面板試件的一被研磨切割的末端切下一用於末端硬度測試的、不小於12英寸乘3英寸(305mm乘76mm)的樣件。用於內芯硬度和末端硬度的樣品的12英寸(305mm)尺寸係垂直於石膏面板試件的邊緣。從每個石膏面板試件的兩個邊緣切下一用於邊緣硬度測試的、不小於12英寸乘3英寸(305mm乘76mm)的樣件。邊緣硬度樣品的12英寸(305mm)尺寸係平行於石膏面板試件的邊緣。
提供一將樣品固定在試驗設備基座上的手段,使得樣品的面係垂直於試驗設備的基座並且平行於鋼質沖頭的移動。將該鋼質沖頭定位,使得它的中央軸線與行進線係平行的。將樣品在其12英寸(305mm)尺寸邊緣上緊固在一固定的豎直位置中。在每個樣品上進行三個試驗,彼此間隔開約4英寸(102mm),其中第一測試區域距離樣品的一邊緣2±1/2英寸(51±13mm)。將鋼質沖頭定位在測試區域上方並施加荷載。將內芯、末端或邊緣硬度的測量結果報告為將該鋼質沖頭推入樣品內芯之中1/2英寸(13mm)距離所要求的荷載,以磅 -力(lb-f)或牛頓(N)為單位。試件的內芯、末端和邊緣硬度係作為三個樣品測量結果的平均值來報告的。
來自樣品批次17、18和19的試件的內芯、末端和邊緣硬度的試驗結果概述在圖32A-C的表XIV中。如表XIV中指出的,遵循本揭露的原理而形成的石膏面板滿足或超過了在ASTM C 1396/C 1396M-06規範中對於石膏面板所提出的內芯、末端和邊緣硬度標準(即11lb-f(49N))。
實例8
對根據本揭露的原理形成的、並且根據圖19的表I製造的示例性面板以及圖25A-C的表VII的樣品批次17-19測試聲音傳輸和聲音傳輸等級值(「STC」)。在根據UL試驗程式U305和U419製備的兩個基礎牆組件上測試來自樣品批次17、18和19的面板。該U305型元件係由多個中心間隔開約16英寸的、近似2×4英寸的木質牆筋製成。該U419型元件係由多個中心相隔24英寸排列的、近似35/8英寸的規格25(約0.015英寸厚)的鋼牆筋製成。兩種類型的牆筋均安排在一8英尺×8英尺框架中。
所有元件由在該元件的每個面上的一單層壁板組成。此外,在壁空腔內具有或不具有約3-½英寸的玻璃纖維隔離物的情況下測試該等元件。根據本揭露的原理形成的、示例性的、重量減小、密度減小的石膏面板具有約1900lb/msf的平均重量以及約36pcf的內芯密度。
該等面板元件以及聲音傳輸試驗的結果(包括根據ASTM E90/規範ASTM E413測定的STC值)概述在圖33的表XV中。由鋼質牆筋製成並且使用了根據本揭露的原理形成的面板的該等組件證明其STC值比在用商業的、更大密度的X型面板構造的對應鋼質牆筋組件中典型地存在的值低1-2個點。 然而在木質框架上,使用根據本揭露的原理形成的面板的該等元件得到的STC值與使用商業X型面板的相當的元件的典型值係非常相似的。普遍理解的是,未受訓過的人耳不能辨別任何小於3個點的STC差別,並且因此在根據本揭露的原理形成的面板的實例與商業X型面板的STC值之間1至2個點的總體差別對於大多數聽眾而言是不能引起注意的。如該等試驗所證明的,除了在此討論的其他益處之外,該等面板的重量減小、密度減小的石膏的實例出乎意料地具有與遠遠更重且更密的石膏面板非常相似的聲音傳輸特徵。對於由本發明範圍之內的組分材料的其他組合所生產的面板也獲得了類似的結果。
實例9
由圖34A-B的表XVI的石膏面板配方製造多個測試立方體,以便考察向用來製造遵循本揭露原理的石膏面板的漿料中添加矽氧烷的效果。
使用以約7500RPM運行2.5分鐘的高剪切混合器來製造矽氧烷乳液。將該矽氧烷乳液與灰泥和添加劑混合以製造一漿料,浸泡10秒加上韋林氏搗切器(Waring blender)在高速下混合10秒。將漿料流延成2英寸×2英寸×2英寸的立方體並在115℉乾燥過夜。藉由改變水/灰泥之比來調節密度。進行吸水性試驗方法ASTM C1396,將乾燥立方體在70℉水中放置2小時並測定增重百分比。
測試結果在表XVI的最後一行中列出。這個數據顯示,藉由在低至約30lb/ft3的立方體密度下使用約8至12lb/MSF的矽氧烷以及約2.15%的預膠凝澱粉實現了低於約5%的吸水率。因此本實例證明,大於約2%的預膠凝澱粉的存在與矽氧烷共同作用而實現了料想不到的、增強的耐水性。
實例10
在基本上相同的加熱條件下對於蛭石量值的變化對熱特性的影響進行了評估,該等熱特性包括高溫收縮率、高溫厚度膨脹率、以及在根據本揭露的原理的面板和方法中使用的高膨脹蛭石的隔熱特性。在本研究中,使用1000克的灰泥、11克的耐熱加速劑、15克的預膠凝澱粉、6克的玻璃纖維、以及2000ml的70℉水來製備實驗室樣品。該等實驗室樣品係根據圖35的表XVII中列出的配方使用各種量值和類型的高膨脹蛭石製備。
該等實驗室樣品僅在製備樣品時使用的高膨脹蛭石的類型和量值方面不相同。微米和超細Palabora(分別為第0級和第1級)係從南非可商購的。如圖19中所示,南非蛭石等級與使用美國評級體系的第4級蛭石係相當的。第0級Palabora具有與可商購的美國評級體系中第4級蛭石基本上對應的粒徑分佈。第1級Palabora具有的粒徑分佈包括更大比例的較大顆粒但與使用美國評級體系的第4級蛭石樣品重疊。
使用ASTM Pub.WK25392中描述的並且在實例4B中討論的高溫收縮率測試計畫對該等實驗室樣品進行評估。ASTM Pub.WK25392和其現有討論內容被結合在此。來自這個試驗的數據報告在圖35的表XVII中。對於每個樣品批次,使用ASTM Pub.WK25392中描述的高溫收縮率以及高溫厚度膨脹率(z方向)試驗對六個試件進行評估。這六個試件的結果的平均值見表XVII。該試驗證明,高溫厚度膨脹率(z方向)與高溫收縮率之比(TE/S)總體上隨著高膨脹蛭石量值的增大而增大。一旦蛭石使用量達到灰泥重量的約10%,這種性能變化就減小或降低。該等結果在所使用的這兩種不同類型的高膨脹蛭石之間是一致的。
還使用ASTM Pub.WK25392中描述的並且在實例4D中討論的 高溫隔熱指數測試計畫對該等實驗室樣品進行評估。ASTM Pub.WK2S392和其現有討論內容被結合在此。來自這個試驗的數據報告在圖36的表XVIII中。對於每個樣品批次,使用ASTM Pub.WK25392中描述的高溫隔熱試驗對兩個試件進行評估。這兩個試件的結果的平均值見表XVIII。該試驗證明,該等實驗室樣品的高溫隔熱指數在某種程度上隨著高膨脹蛭石量值的增大而增大。一旦蛭石使用量達到灰泥重量的約10%,這種性能變化就減小或降低。該等結果在所使用的這兩種不同類型的高膨脹蛭石之間是一致的。
實例11
關於在遵循本揭露原理的石膏內芯配方中使用的一較佳HEHS添加劑氫氧化鋁(ATH),進行了實驗室研究。在高溫隔熱指數(「TI」)、以及高溫收縮率(「SH%」)和高溫厚度膨脹率(「TE%」)的意義上來評估使用該等配方製成的樣品面板的特性。在下面討論的實例11A、11B和11C中,內芯配方係使用變化量值的灰泥、高膨脹蛭石、ATH、耐熱加速劑(「HRA」)、預膠凝澱粉、三偏磷酸鹽、玻璃纖維、萘磺酸鹽分散劑以及水,根據在用於內芯配方樣品1至20的每個實例中所討論的配方製成的。
每種組分的量值以按重量計的「份數」提供,其可以按磅、克或其它度量單位計。當一內芯配方中的一組分的值表示為百分比時,這係指該組分相對於灰泥組分而言按重量百分比的量。當組分的量以磅/千平方英尺(lb/msf)來表示時,所報導的值係一近似值,是基於該配方中該組分的按重量計的量、等同於該組分在一千平方英尺的約5/8英寸厚(近似0.625英寸、15.9mm)厚的面板中按重量計的量而計算的。
對於每個樣品配方,將乾燥成分與水在韋林式混合器中合併以提 供一致的、良好混合的石膏漿料。然後,用每個樣品配方形成兩個近似12英寸乘12英寸(30.5cm乘30.5cm)、約5/8英寸厚(近似0.625英寸、15.9mm)的面板。為了形成該等面板,將來自每個樣品配方的漿料手動流延在約48磅/msf的一上層紙與約42磅/msf的一下層紙之間。
允許每個流延的面板凝固,直到灰泥的水合作用基本上完成,並接著在約350℉(約177℃)乾燥約20分鐘並在約110℉(約40℃)乾燥約48小時。配方的含水量係用來提供該凝固的、乾燥的手動流延面板的所指定的重量和密度。沒有向該等樣品配方中加入泡沫。對於由配方樣品1至20形成的面板,在圖38、40和41、表XXa至XXIIb中報告了以下各項的近似值:面板密度(磅/立方英尺)、高膨脹蛭石%、以lb/msf計的近似灰泥重量、近似ATH%、以及以lb/msf計的ATH的近似重量。
對於每個面板,切割十個四英寸的圓盤。兩組(十個圓盤中的四個圓盤)用於高溫隔熱指數試驗。剩餘的六個圓盤被用於高溫收縮率和高溫厚度膨脹率試驗。該等高溫隔熱指數結果係兩個讀數的平均值(即,兩組中每一個的讀數的平均值)。所報告的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率百分比係六個讀數的平均值(即,來自六個圓盤的讀數的平均值)。該高溫隔熱指數試驗(以分鐘報告,如以上提及的)係使用ASTM Pub.WK25392中描述的以及在實例4D中討論的計畫來進行的。使用ASTM Pub.WK25392中描述的以及在實例4B中討論的計畫進行了高溫收縮率和高溫厚度膨脹率試驗(以尺寸的%變化來報告,如以上提及的)。本試驗的數據在圖38、40和41的表格中以每組試驗圓盤的結果平均值(即,對於TI而言是兩組測試圓盤的平均值,並且對於收縮率和膨脹率而言是這六個測試圓盤的平均值)。
在實例11A至11C中討論的高溫隔熱指數(「TI」)試驗證明,按重量計給定量值的ATH在增大高溫隔熱指數方面比按重量計相等量值的灰泥更有效。在存在或不存在高膨脹蛭石時,該等試驗結果顯示一般約40至50lbs/msf的ATH可以提供與約100lbs/msf或更多灰泥相似的隔熱特性(這個灰泥量可以按灰泥來源和純度而變化)。本試驗還證明,ATH可以與高膨脹蛭石一起使用,而對面板的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率特性沒有顯著的負面影響。實例11A至11C的面板總體上繼續展現出約10%或更小的高溫收縮率值以及約0.2或更大的高溫厚度膨脹率(z方向)與高溫收縮率之比(TE/S)。在一些配方中,該數據還表明,ATH添加劑改善了面板的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率特性。雖然該等試驗係在實驗室創造的面板上進行的,但預計使用完全的生產配方和工藝可以實現相當的結果,該等配方和工藝包括在內芯配方中加入泡沫以在乾燥面板的凝固石膏內芯中產生空氣空隙。
實例11A
在本實例中,使用一由合成的石膏來源製備的灰泥(灰泥A)來製備樣品1至9的內芯配方。用這種合成的石膏灰泥生產的石膏面板典型地證明了相對於由高純度天然石膏所形成面板而言更大的高溫收縮率。該基礎內芯配方係使用以下按重量計的近似量值製備的:600份(樣品1至8)或579份(樣品9)的灰泥A;6份的HRA;4.2份的預膠凝澱粉;0.84份三偏磷酸鹽;0份(樣品1)或42份(樣品2至9)的高膨脹蛭石(分別占灰泥重量的0%或7%);3份玻璃纖維;0.8份的萘磺酸鹽分散劑;0份(樣品1)、12份(樣品4)、21.1份(樣品2、5和9)、30份(樣品6)、42.2份(樣品7)、以及60份(樣品8)的ATH(分別占灰泥重量的2%、4%、5%、7%和10%);以及1290份水。
將內芯配方樣品1至9中的每一個都流延成面板並按以上提及地測試其高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫厚度膨脹率。來自每個樣品配方的流延且乾燥過的面板對於密度、高膨脹蛭石含量、灰泥、ATH、以及TI分別具有在圖38A和38B的表XXa和XXb中報告的近似值。表XXa還報告了不具有ATH(樣品1)、以及具有4%的ATH並具有減小的灰泥含量(樣品2)的內芯配方之間的差別,二者均不具有高膨脹蛭石。表XXb同樣報告了具有ATH(樣品3)的內芯配方與具有增大量值的ATH及減小的量值的灰泥(樣品4至9)之間的差異以及TI值,所有配方均含有7%的高膨脹蛭石。圖38C的表XXc報告了由配方樣品1至9的每一個所形成的面板的近似密度、高膨脹蛭石%、ATH%、高溫收縮率結果、以及高溫厚度膨脹率結果。
表XXa顯示,雖然灰泥減小了約20磅/msf,但可以以將面板的TI有效增大約一分鐘的量值來添加ATH(在此是按灰泥重量計為4%)。這個益處係在不使用高膨脹蛭石的情況下實現的。表XXb顯示了,具有相對於灰泥含量增加量的ATH(樣品3至9,從0%至高達10%)結合使用按灰泥重量計為7%的高膨脹蛭石的內芯配方的效果。
樣品配方3至9提供了TI的增大,從約23至約26分鐘。在配方中添加ATH的作用在圖39中進一步概述,該圖將ATH%對比用樣品配方3至9製成的面板的TI(以分鐘計)繪製成曲線。如圖39和表XXb所示,具有最高達約5%的ATH時,樣品配方3至6的TI增大了多達約兩分鐘,雖然在樣品5和6中內芯配方中的灰泥量值減小了約25lb/msf。類似地,在具有10%的ATH和減少約15lbs/msf灰泥的樣品配方8中,TI增大了多達約3.3分鐘。具有相同的近似灰泥含量的每組樣品(樣品5和6、以及7和8)的試驗結果也顯示,增 大ATH的量提供了TI值的增大。
具有ATH的配方樣品3至9還顯示了在高溫收縮率和高溫厚度膨脹率結果上的改進。不具有ATH並且不具有高膨脹蛭石的配方樣品1具有約19%的高溫收縮率以及約-24%的高溫厚度膨脹率。在樣品2中添加4%的ATH時,高溫收縮率提高至約9%,並且高溫厚度膨脹率提高至約-11.5%。向樣品3至9添加約7%的高膨脹蛭石顯示在高溫收縮率方面改進至約5%,並且在高溫厚度膨脹率方面改進至約18%,雖然灰泥顯著減少(例如樣品8)。
此外,樣品9的配方顯示,藉由使用約4%的ATH和約7%的高膨脹蛭石,有可能實現處於或高於23分鐘的所希望的TI,同時將配方的灰泥含量至少減少了約75lb/msf。配方樣品9還顯示,具有這樣的減小的灰泥含量的一內芯配方可以藉由將收縮率百分比減小至少約12%來改進高溫收縮率特性,並藉由將膨脹率百分比增大約30%或更多來改進高溫厚度膨脹率特性。用配方樣品3和9、以及樣品4和5製成的面板的對比結果顯示,可以按約1份ATH比至少約1.7至約2份灰泥的比率來用ATH取代灰泥,同時維持相似的TI特性。取代比率可以根據灰泥來源和內芯配方而可觀地變化。此外,對於給定的灰泥配方,如果希望減小TI則可以增大該取代比率,如果希望更高的TI特性則可以減小該取代比率。
實例11B
在本實例中,使用一由較高純度的天然石膏來源製備的灰泥(灰泥B)來製備樣品10至17的內芯配方。該基礎內芯配方係使用以下按重量計的近似量值製備的:1000份的灰泥B;10份的HRA;7份的預膠凝澱粉;1.4份的三偏磷酸鹽;70份的高膨脹蛭石(占灰泥重量的約7%);5份的玻璃纖維;1.4 份的萘磺酸鹽分散劑;0份(樣品10)、17.6份(樣品11)、35.2份(樣品12和17)、以及70.4份(樣品13至16)的ATH(分別占灰泥重量的2%、4%和7%);以及1800份(樣品10至14)、1900份(樣品15)以及2150份(樣品16和17)的水。
將內芯配方樣品10至17中的每一個都流延成面板並按以上提及地測試其高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫厚度膨脹率。來自每個樣品配方的流延且乾燥過的面板對於密度、高膨脹蛭石含量、灰泥、ATH%、以及TI分別具有在圖40A和40B的表XXIa和XXIb中報告的近似值。表XXIa報告了使用灰泥B、不具有ATH(樣品10)的樣品配方與具有增大量值的ATH並且在灰泥含量上無變化(樣品11至14)的內芯配方之間的差異和TI值。該等配方中的每個包含約7%的高膨脹蛭石。表XXIb報告了具有約7%(樣品15和16)的ATH與具有約4%(樣品17)的ATH的內芯配方之間的TI結果差異。從配方樣品16和17中去除了約等於100lb/msf的灰泥,並且所有該等樣品包含7%的高膨脹蛭石。圖40C的表XXIc報告了由內芯配方樣品10至17中的每一個所形成的面板的密度、高膨脹蛭石含量、ATH%、以及高溫收縮率和以及高溫厚度膨脹率結果。
表XXIa顯示了添加一定量的ATH(在此為2%、4%和7%)的益處係在灰泥含量恆定的情況下有效地導致了TI增大,在此是從約0.1至約1.5分鐘。表XXIb顯示了內芯配方樣品15和16的效果,在此維持ATH%恆定並去除100磅灰泥。這導致TI減小了1.3分鐘,但是TI超過了約24分鐘,樣品15和16對於防火級的應用均是可接受的。樣品17同樣顯示,可以將ATH的量減小至約4%,並且可以將內芯配方中的灰泥量減小等於約100lb/msf的量,同時維 持約23分鐘的TI。這對於防火級的應用也被認為是可接受的。表XXIb中的結果顯示,可以使用有效量的ATH將TI維持在預定水平(例如,約23分鐘)同時降低在配方中使用的灰泥量。
圖40C的表XXIc顯示了用內芯配方樣品10至17製造的面板的高溫收縮率和高溫厚度膨脹率結果。該等結果顯示,使用灰泥B和配方樣品10至17,高溫收縮率和高溫厚度膨脹率結果實質上並不隨著ATH的增加而改變。即使在配方具有等於約100lb/msf的灰泥減少時也是如此(見樣品16和17)。
實例11C
在本實例中,使用一由較低純度的天然石膏來源(近似80%的石膏、剩餘為黏土和其他雜質)所製備的灰泥(灰泥C)來製備樣品18至20的內芯配方。該基礎內芯配方係使用以下按重量計的近似量值製備的:1000份(樣品18和20)或975份(樣品19)的灰泥C;10份HRA;10份預膠凝澱粉;2份三偏磷酸鹽;100份高膨脹蛭石(占灰泥重量的約10%);5份玻璃纖維;5份萘磺酸鹽分散劑;0份(樣品18)、和25份(樣品19和20)的ATH(分別占灰泥重量的0%和3%);以及1750份(樣品18)、1725份(樣品19)、和1700份(樣品20)的水。
將內芯配方樣品18至20中的每一個都流延成面板並按以上提及地測試其高溫隔熱指數、高溫收縮率、以及高溫厚度膨脹率。來自每個樣品配方的流延且乾燥過的面板對於密度、高膨脹蛭石含量、灰泥、ATH、以及TI分別具有在圖41A和41B的表XXIIa和XXIIb中報告的近似值。表XXIIa包括了使用灰泥C、無ATH(樣品18)製造的內芯配方與具有按灰泥重量計約3%的ATH的內芯配方的差異和TI值,其中灰泥C的量從等於約1450lb/msf(樣品19)增 大了約30磅,達到1480lb/msf(樣品20)。每個配方都包含按灰泥重量計約10%的高膨脹蛭石。表XXIIb報告了由內芯配方樣品18至20中的每一個所形成的面板的密度、高膨脹蛭石含量、ATH%、以及高溫收縮率和以及高溫厚度膨脹率結果。
表XXIIa顯示了添加一定量的ATH(在此按灰泥重量計係約3%)的益處,這將用該等配方製成的面板的TI有效地增大了約一分鐘(將樣品18與樣品19和20進行比較)。表XXIIa還顯示,在將約30lb/msf的灰泥C加入該配方(樣品20)中從而將顯著量值的填充劑材料(雜質)加入了內芯中時,沒有改善面板的TI。表XXIIb顯示,在一些配方中,添加按灰泥重量計約3%的ATH保持了可接受的高溫收縮率(S)值如約10%或更小,以及高溫厚度膨脹率值如正膨脹。在一些情況下,添加按灰泥重量計約25份的ATH可以改善高溫收縮率(將樣品18與樣品19進行比較)。
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Claims (27)
- 一種置於蓋板之間的石膏內芯,包含:一凝固石膏的晶體基質以及高膨脹顆粒,該高膨脹顆粒在約1560℉(850℃)下被加熱約一小時後可膨脹至其原始體積的約300%或更大;該高膨脹顆粒在該石膏內芯中的含量及分佈係可在X-Y方向上有效提供約10%或更小的高溫收縮率(S);以及該石膏內芯當被置於面板中的蓋板之間時,可有效提供該面板約40磅/立方英尺(640kg/m 3)或更小的密度(D)、以及至少約11磅(50N)的內芯硬度。
- 如請求項1所述之石膏內芯,其中該高膨脹顆粒在該石膏內芯中的含量及分佈係可在Z方向上有效提供至少約-3%的平均高溫厚度膨脹率(TE)。
- 如請求項1所述之石膏內芯,其中在Z方向上的平均高溫厚度膨脹率(TE)係約2%或更大。
- 一種置於蓋板之間的石膏內芯,包含:一凝固石膏的晶體基質以及高膨脹顆粒,該高膨脹顆粒在約1560℉(850℃)下被加熱約一小時後可膨脹至其原始體積的300%或更大;該高膨脹顆粒在該石膏內芯中的含量及分佈係可在Z方向上有效提供約10%或更大的高溫厚度膨脹率(TE);以及該石膏內芯當被置於面板中的蓋板之間時,可有效提供該面板約40磅/立方英尺(640kg/m 3)或更小的密度(D)以及至少約11磅(50N)的內芯硬度。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其可有效提供約20分鐘或更大的隔熱指數(TI)。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中該高膨脹顆粒在 該石膏內芯中的含量及分佈係可有效提供至少約-0.85的高溫厚度膨脹率與高溫收縮率之比(TE/S)。
- 如請求項6所述之石膏內芯,其中TE/S比係約0.2或更大。
- 如請求項6所述之石膏內芯,其中TE/S比係約0.6或更大。
- 如請求項6所述之石膏內芯,其中TE/S比係約2至約17。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其可有效提供約0.6分鐘/磅每立方英尺或更大的TI/D比。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中該石膏內芯在約1800℉(980℃)下被加熱一小時之時展現了約75%或更大的平均耐收縮性。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中該石膏內芯在約1800℉(980℃)下被加熱一小時之時展現了約85%或更大的平均耐收縮性。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中該高膨脹顆粒係高膨脹蛭石顆粒。
- 如請求項13所述之石膏內芯,其中至少約50%的高膨脹蛭石顆粒具有大於約300微米的平均直徑。
- 如請求項13所述之石膏內芯,其中至少約50%的高膨脹蛭石顆粒具有大於約500微米的平均直徑。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中該高膨脹顆粒的含量按用於形成該石膏內芯之灰泥的重量計為約4%至約10%。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,其中至少一蓋板具有約55lb/msf至約65lb/msf的基重。
- 如請求項1至4中任一項所述之石膏內芯,當該石膏內芯被置於 面板中的蓋板之間時,係使得當該面板被安排於一根據UL U305、U419、或U423所構造之元件中且該元件之第一側上具有一面板單一層以及該元件之第二側上具有一面板單一層時,當該元件之第一側上的面板的表面在根據ASTM標準E119-09a的時間-溫度曲線的溫度被加熱時,以及當該元件之第二側上的面板的表面上施加有提供遵循ASTM標準E119-09a的溫度值的溫度感測器時,在經過約50分鐘的時間後最大單一感測器溫度係小於約500℉(260℃);或者在經過約50分鐘的時間後平均感測器溫度係小於約380℉(195℃)。
- 如請求項18所述之石膏內芯,當該石膏內芯被置於面板中的蓋板之間時,係使得面板可有效地抑制了通過按照UL U305構造的元件的熱傳輸,以達到ASTM標準E119-09a下的一小時防火級。
- 一種漿料,包含:水;約1162lbs/msf至約1565lbs/msf(約5.7kg/m 2至約7.6kg/m 2)的灰泥;按灰泥的重量計最高約10%的高膨脹顆粒,其在約1560℉(850℃)下被加熱約一小時後可膨脹至其原始體積的300%或更大,其中,當該漿料用於製作具有約40磅/立方英尺(640kg/m 3)或更小的密度的置於面板中之兩個蓋板之間的石膏內芯時,該高溫膨脹顆粒在石膏內芯中的含量及分佈係可在X-Y方向上有效提供約10%或更小的高溫收縮率(S)。
- 如請求項20所述之漿料,其中至少約50%的高膨脹顆粒具有大於約300微米的平均直徑。
- 如請求項20所述之漿料,其中至少約50%的高膨脹顆粒具有大 於約500微米的平均直徑。
- 如請求項20至22中任一項所述之漿料,更包含澱粉。
- 如請求項23所述之漿料,其中該澱粉的量值按灰泥的重量計為約0.3%至約3.0%。
- 如請求項23所述之漿料,其中該澱粉係預膠凝澱粉。
- 如請求項20至22中任一項所述之漿料,更包含礦物、碳和/或玻璃纖維。
- 如請求項26所述之漿料,其中該礦物、碳和/或玻璃纖維的量值按灰泥的重量計為約0.3%至約0.9%。
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