TWI748946B - 以石膏為底質之吸音板及其製造方法 - Google Patents

以石膏為底質之吸音板及其製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於以石膏為底質之板，尤其是包含置於兩片紙或非織物之間的以石膏為底質之夾心的種類，其包含具有至少等於5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。
本發明亦關於用於製造該板的方法、關於該顆粒性材料用於改善該板之聲學性能水平的用途以及關於上述以石膏為底質之組成物。

Description

以石膏為底質之吸音板及其製造方法
本發明係關於具吸音特性(acoustic property)的以石膏為底質之板(plaster-based board)，含有具有大於5%之孔隙度(porosity)以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料(particulate material)。
本發明亦關於具有大於5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料的用途，係用於改善石膏板之吸音特性。換言之，本發明亦關於用於改善石膏板之吸音特性的方法，包括併入具有大於5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。
本發明亦關於所述之板用於改善聽覺舒適度(acoustic comfort)以及房間或建築物之隔音(insulation)的用途。
"聽覺舒適度(acoustic comfort)"的概念是一種主觀概念。然而，一般認同滿意的聽覺舒適度能獲致良好的聲音(例如人的語音及音樂)清晰度(intelligibility)、夠 長而能避免聽不清聲音之感覺且夠短而能預防過於顯著之殘留回聲(residual echo)的殘響時間(reverberation time)、以及沒有聲功率(sound power)大的聲音。
聽覺舒適度(acoustic comfort)應與隔音(sound insulation)有所區隔。當聲音遇到障礙物例如建築物的牆，一部分的入射聲能(incident sound energy)被反射，另一部分被該障礙物吸收且另一部分被該障礙物傳送。隔音(sound insulation)之目的為減少聲音的傳送，而改善聽覺舒適度之目地則為增加障礙物的聲音吸收以減少被反射的部分。
隔音(sound insulation)係以相對於參考物的相對聲響增益(relative acoustic gain)來表示。
評估聽覺舒適度(acoustic comfort)之品質最常用的參數為殘響時間(reverberation time)及垂直入射(normal incidence)下之吸音係數(sound absorption coefficient)，表示為αn。後者定義為既定物質所吸收之聲能(sound energy)相對於入射聲能(incident sound energy)的比例。係數αn係藉由標準ISO 10534中所述之利用阻抗管(impedance tube)、或孔特管(Kundt’s tube)的方法來測定。
聲音吸收及隔音(sound insulation)係難以在同樣產品上獲致的特性，這是由於涉及到極為不同的現象。
為了改善隔音(sound insulation)，皆知材料的密度與厚度為關鍵參數(critical parameter)。於表面添加薄 多孔材料(porous material)一點也沒用。
在吸收方面，則於未覆蓋之多孔基材(porous substrate)中有所促進。於例如噴塗石膏或塗層，由於其之大的開放的及互連的多孔性(porosity)而促進了聲音吸收。
以石膏為底質之板(plaster-based board)通常用於製作牆、天花板(ceiling)及樓板表面材(floor covering)，還有隔間牆(partition wall)。其為複合板(composite board)，包含了置於兩層紙或非織物(由玻璃纖維(glass fibre)或高聚物纖維(polymer fibre)組成)之間的石膏夾心(plaster core)。這些板具有合乎現行標準的機械性質，尤其是對負載下彎曲(bending under load)之良好抗性。
以石膏為底質之板嚴格來說不具特別的聲學性能水平(acoustic performance level)。當其需改善此等性能水平時，已知操作為將該板與隔音材料如玻璃或岩絨(rock wool)或聚合物組合以形成複合產品，其可視標的用途而藉由輪廓(profile)、黏著劑、螺釘或榫(dowel)固定。
最常見的以石膏為底質之板具有平均厚度(mean thickness)為12.5mm且通常以"BA 13"的名稱販售。這些板具有表面密度(surface density)為約9kg/m2。誠然皆知為可藉由提高其表面密度例如高至12kg/m2、或甚至15kg/m2，但不修改其厚度，而改善板之聲學性能水平 (acoustic performance level)，不過此必將導致板中的石膏量增加。增加板的重量會有缺點：其安裝(installing)更為困難，尤其是當該板必需於高處裝上(尤其是天花板(ceiling))時，因為板更密故而更難以螺釘裝上，且板的成本也更高。
本發明之一目的為提供以石膏為底質之板，其具有之吸音特性(acoustic property)就隔音(sound insulation)及聽覺舒適度(acoustic comfort)兩者而言獲得了改善，同時保持了良好的機械性質。
尤其是，企圖獲得的以石膏為底質之板的吸音特性(acoustic property)至少相當於具相同厚度但具較高表面密度(surface density)約12kg/m2之習知板的吸音特性。本發明更明確的目標表面密度為約9kg/m2。
根據本發明係因以石膏為底質之板而達成此目的，尤其是包含置於兩片紙或非織物之間的以石膏為底質之夾心的種類，特徵在於其含有具有至少等於5%之孔隙度(porosity)以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。該顆粒性材料較佳均勻分布於石膏板之石膏夾心內。
更具體地，該板包括石膏以及具有上述孔隙度與孔徑特性之無機及/或有機顆粒性材料，其較佳為無機的，更好是選自活性碳(active carbon)及碳酸鹽(carbonate)， 尤其是碳酸鈣類。
作為有機顆粒性材料的實例，可提及由選自下列者之至少一種單體獲得的聚合物：(甲基)丙烯酸酯類，尤其是(甲基)丙烯酸丁酯(butyl(meth)acrylate)、丙烯酸己酯(hexyl acrylate)、甲基丙烯酸羥甲酯(hydroxymethyl methacrylate)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene dimethacrylate)、1,3-丁二醇二丙烯酸酯(1,3-butanediol diacrylate)、1,4-丁二醇二丙烯酸酯(1,4-butanediol diacrylate)、三羥甲丙烷三甲基丙烯酸酯(trimethylolpropane trimethacrylate)及縮水甘油甲基丙烯酸酯(glycidyl methacrylate)；苯乙烯(styrene)以及二乙烯苯(divinylbenzene)類。
較佳為含有至少一種丙烯酯單體的共聚物。
於一熟知的方式中，上述之聚合物的獲得係藉由在起始劑(initiator)例如2,2’-偶氮雙異丁腈(2,2’-azobisisobutyronitrile)的存在下熱聚合(thermal polymerization)、或於紫外線照射(ultraviolet radiation)下。
如先前所述，顆粒性材料的孔隙度(porosity)係至少等於5%(依據ISO方法15901-1：2005測量)，較佳為少於或等於60%，有利地為8%至40%。
根據本發明顆粒性材料的平均孔徑(mean pore diameter)較佳為0.1至100奈米，較佳為1至90奈米，有利地為5至80奈米。為本發明之目的，用語"孔的直徑 "意欲指依據ISO 15901-2：2005測量之孔的平均直徑。
較佳的顆粒性材料係呈由尺寸為1微米(micrometre)至1毫米(millimetre)(有利地為10至600微米)之顆粒所組成的粉末的形式。
顆粒性材料通常表示0.001%至50%(重量)的由石膏及顆粒性材料組成之混合物，較佳為0.1%至40%，有利地為1%至30%，更好是2%至20%。
根據本發明之板的夾心亦可含有改善最終產品之物化性質且使獲得良好應用條件成為可能的添加物。因此夾心可以下列重量比包含下列添加物，表示為每100重量份石膏之份數：- 0.1至50份之黏著劑(adhesion agent)，其角色係提升紙塗層(paper coating)與石膏之黏著，例如聚(乙酸乙烯酯)(poly(vinyl acetate))、聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol))、澱粉(尤其是天然澱粉(native starch)或者藉由以酸或鹼來化學處理而修飾的澱粉或者預糊化澱粉(pregelatinized starch))、糊精(dextrin)或植物粉(vegetable flour)(尤其是麥粉(wheat flour)或玉米粉(corn flour))，較佳為0.1至15份，- 0.001至10份之促凝劑(setting accelerator)，例如水合(hydrated)硫酸鈣或硫酸鉀，- 0.001至10份之緩凝劑(setting retarder)，- 0至50份之用於改善機械性質的用劑(agent)例如聚酯(polyester)、聚胺甲酸酯(polyurethane)或環氧 樹脂，呈均聚物(homopolymer)或共聚物形式的乙酸乙烯酯聚合物(vinyl acetate polymer)，聚乙烯吡咯啶酮(polyvinylpyrrolidone)，例如與聚苯乙烯磺酸鹽(polystyrene sulfonate)交聯，聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol))，苯乙烯-丁二烯共聚物(styrene-butadiene copolymer)，(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酯聚合物，以及改質纖維素(modified cellulose)尤其是甲基纖維素(methylcellulose)或羥乙基甲基纖維素(hydroxyethylmethylcellulose)，- 0至10份之除生物劑(biocide)，例如胺甲酸酯(carbamate)類如丁胺甲酸3-碘丙-2-炔-1-基酯(3-iodoprop-2-yn-1-yl butylcarbamate)、或吡硫鎓複合物(pyrothione complex)如奧麥丁鈉(sodium omadine)，- 0至10份之至少一種撥水劑(water repellent)，例如矽氧烷(siloxane)、聚矽氧烷(polysiloxane)或蠟(wax)，- 0至20份之至少一種阻燃劑(fire retardant)，例如蛭石(vermiculite)、矽石(silica)(尤其是微米尺寸者)、或黏土，- 0至20份之至少一種強化劑(reinforcer)，例如高聚物纖維(polymer fibre)、礦物纖維(mineral fibre)(尤其是玻璃纖維(glass fibre))、或植物纖維(vegetable fibre)，以及- 0至40份之用於改善吸音特性(acoustic property) 的用劑，例如乙酸乙烯酯(vinyl acetate)或聚乙烯丁醛(polyvinyl butyral)(PVB)。
根據本發明之石膏板具有吸音係數(sound absorption coefficient)αn為至少等於0.15(於等於1050Hz之頻率)，較佳為至少等於0.17。
本發明之另一目的係關於製造以石膏為底質之板(尤其是剛描述之包含置於兩層紙或非織物之間的夾心的種類)的方法。
該方法的特徵在於，為了製作該板的夾心(core)，將具有大於5%之孔隙度(porosity)以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料加入煅石膏(calcined gypsum)。
以石膏為底質之板的製造本身是已知的。石膏板之形成係根據連續製程其係在於混合粉末煅石膏(powdered calcined gypsum)(半水合硫酸鈣(calcium sulfate hemihydrate))與水以形成糊，將其連續沈積於兩片紙或非織物(含礦物纖維(mineral fibre)，尤其是玻璃纖維(glass fibre)、或高聚物纖維(polymer fibre))之間。
擠壓所形成之產物以獲得想要的厚度，之後使其於運送機(conveyor)上連續輸送一段距離這使得該糊能獲得足夠程度的硬化以能被切成既定長度的板。這些板隨後於乾燥烘箱(drying oven)中乾燥以移除過量水。
照慣例，半水合硫酸鈣(CaSO4.0.5 H2O；煅石膏)，無論其為天然的或合成的(即，尤其是由火力發電 廠氣體(thermal power plant gas)之脫硫化(desulphurization)而得到)，均在水的存在下歷經水合作用(hydration reaction)且轉成二水合硫酸鈣(calcium sulfate dihydrate)(CaSO4.2 H2O：石膏(gypsum))。
用以形成該糊的煅石膏(calcined gypsum)量通常係每100重量份水為50至150重量份，較佳為60至120份。
顆粒性材料通常以粉末形式使用，其可存在於石膏夾心(plaster core)中或者紙或非織物中。
當顆粒性材料係存在於石膏夾心(plaster core)中時，其係併入該糊成為與半水合硫酸鈣(calcium sulfate hemihydrate)之混合物以獲致遍及石膏板厚度之分布，或係在紙或非織物片沈積之前沈積於該板的至少一面(例如藉由輥子(roll))以使顆粒性材料僅存在於該板之表面。
以石膏為底質之板的厚度較佳至多等於12.5mm，有利地為約6mm，但不排除較大厚度其可尤其是達25毫米。
根據本發明的以石膏為底質之板可直接使用或與其他材料例如礦棉(mineral wool)或木毛(wood wool)、或者聚合物組合以形成吸音板(acoustic panel)及/或隔熱板(thermal panel)，要不然就是與提供兩個以石膏為底質之板之間的接合之層間聚合物膜(interlayer polymer film)組合以形成複合板(composite panel)。
此板可用於形成牆面覆蓋物(wall covering)、檐板(false ceiling)、地板(floor)及隔間牆(partition wall)。
本發明的另一目的係關於具有大於5%之孔隙度(porosity)以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料用於欲用來製造以石膏為底質之板的以煅石膏(calcined gypsum)為底質之組成物的用途，以改善聽覺舒適度(acoustic comfort)。如先前所指出，前述之顆粒性材料使得賦予石膏板至少等於0.15(在等於1050Hz之頻率)、較佳為至少等於0.17的吸音係數αn成為可能。
前述之適用於製造以石膏為底質之板的組成物亦構成本發明之標的。此以石膏為底質之組成物包含煅石膏(calcined gypsum)以及具有至少等於5%之孔隙度和直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。
組成物亦可用作為石膏組成物，尤其是用於製作關節(joint)或填充物(filler)。
以下實施例係使能說明本發明但不對其造成限制。
實施例1及2
將1000g之半水合硫酸鈣(calcium sulfate hemihydrate)、111g之顆粒性材料以及800g之水引入混合器。
根據本發明顆粒性材料為孔隙度(porosity)等於 10.1%的活性碳(active carbon)，其含有於吸附(adsorption)為2.3nm且於脫附(desorption)為2.3nm之平均直徑的孔。其比表面積(specific surface area)為1150.9m2/g且平均孔體積(mean pore volume)為0.4cm3/g(實施例1；參考Carbo Tech 4011，由Carbo Tech AC GmbH公司販售)；或者為孔隙度等於9%的碳酸鈣，其含有於吸附(adsorption)為10.8nm且於脫附(desorption)為10.9nm之平均直徑的孔。其比表面積為27m2/g且平均孔體積為1.8cm3/g(實施例2；參考Omyabrite 1300X OM，由Omnya公司販售)。
作為對比，使用作為顆粒性材料之：孔隙度等於4.5%的活性碳，其含有於吸附(adsorption)為2.9nm且於脫附(desorption)為2.7nm之平均直徑的孔。其比表面積為798.1m2/g且平均孔體積為0.1cm3/g(比較例1；參考207C顆粒，由Chemviron公司販售)；孔隙度等於44.6%的石墨，其含有於吸附(adsorption)為19.2nm且於脫附(desorption)為10.8nm之平均直徑的孔。其比表面積為25.4m2/g且平均孔體積為0.2cm3/g(比較例2；參考Ecophit M3000，由SGL Carbon Group公司販售)；孔隙度等於27.7%的矽膠(silica gel)，其含有於吸附(adsorption)為30.4nm且於脫附(desorption)為11.8nm之平均直徑的孔。其比表面積為21.1m2/g且平均孔體積為0.2cm3/g(比較例3；參考Upasil 40 0.2，由Upag AG公司販售)；或者孔隙度等於90%的膨脹珍珠岩 (expanded perlite)，其含有於吸附(adsorption)為100.2μm且於脫附(desorption)為101μm之平均直徑的孔。其比表面積為0.3m2/g(比較例4)。
顆粒性材料的孔隙度(porosity)係依據標準ISO 15901-1：2005測量。平均孔徑(mean pore diameter)、比表面積(specific surface area)以及平均孔體積(mean pore volume)係依據標準ISO 15901-2：2005測量。
混合物係以600轉(revolution)/分鐘攪拌15秒且以1850轉/分鐘攪拌45秒以獲得糊。
將糊置於有4個平行六面體槽(parallelepipedal cavity)(長度：300mm；寬度：30mm；深度：13mm)的黃銅模具(brass mould)中，其內壁已預塗層油。20分鐘後從該模具移出樣品，隨後置於空氣中40分鐘，最後在乾燥烘箱(drying oven)中於40℃乾燥直到其重量維持固定。
於標準ISO 16940：2008(E)的條件下對樣品測量機械阻抗(mechanical impedance)MIM(機械阻抗之量測)，且由為頻率(Hz)之函數的加速頻率(acceleration frequency)(dB)之曲線計算出動態楊氏模數(dynamic Young's modulus)(為GN/m2)。
楊氏模數(Young's modulus)的值以及相對於不含顆粒性材料之(參考)樣品(於先前所述之條件下製備)所計算之聲響增益(acoustic gain)的值，示於表1。
隨後依據標準ISO 10534中所述之孔特管(Kundt’s tube)方法對弄成粉末之樣品測量於各種頻率之在垂直入射(normal incidence)下的吸收係數(absorption coefficient)。結果示於表1。
Figure 105107951-A0202-12-0014-1

Claims (30)

  1. 一種以石膏為底質之板，其為包括置於兩片紙或非織物之間的以石膏為底質之夾心的種類，其特徵在於其含有具有至少5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之板，其中，該顆粒性材料為無機的。
  3. 如申請專利範圍第2項之板，其中，該顆粒性材料係選自活性碳(active carbon)及碳酸鹽(carbonate)。
  4. 如申請專利範圍第3項之板，其中，該顆粒性材料為碳酸鈣。
  5. 如申請專利範圍第1項之板，其中，該顆粒性材料為有機的。
  6. 如申請專利範圍第5項之板，其中，該顆粒性材料為由選自下列者之至少一種單體獲得的聚合物：(甲基)丙烯酸酯類；苯乙烯以及二乙烯苯類。
  7. 如申請專利範圍第6項之板，其中，該顆粒性材料為由選自下列者之至少一種單體獲得的聚合物：(甲基)丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯(hexyl acrylate)、甲基丙烯酸羥甲酯(hydroxymethyl methacrylate)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene dimethacrylate)、1,3-丁二醇二丙烯酸酯(1,3-butanediol diacrylate)、1,4-丁二醇二丙烯酸酯(1,4-butanediol diacrylate)、三羥甲丙烷三甲基丙烯酸酯(trimethylolpropane trimethacrylate)及縮水甘油 甲基丙烯酸酯(glycidyl methacrylate)。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該顆粒性材料的孔隙度係少於或等於60%。
  9. 如申請專利範圍第8項之板，其中，該顆粒性材料的孔隙度為8%至40%。
  10. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該顆粒性材料的孔徑(pore diameter)為1至90奈米。
  11. 如申請專利範圍第10項之板，其中，該顆粒性材料的孔徑為5至80奈米。
  12. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該顆粒性材料係呈由尺寸為1微米至1毫米之顆粒所組成的粉末的形式。
  13. 如申請專利範圍第12項之板，其中，該顆粒性材料係呈由尺寸為10至600微米之顆粒所組成的粉末的形式。
  14. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該顆粒性材料表示0.001%至50%(重量)的由石膏及顆粒性材料組成之混合物。
  15. 如申請專利範圍第14項之板，其中，該顆粒性材料表示0.1%至40%(重量)的由石膏及顆粒性材料組成之混合物。
  16. 如申請專利範圍第14項之板，其中，該顆粒性材料表示1%至30%(重量)的由石膏及顆粒性材料組成 之混合物。
  17. 如申請專利範圍第14項之板，其中，該顆粒性材料表示2%至20%(重量)的由石膏及顆粒性材料組成之混合物。
  18. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該顆粒性材料均勻分布於石膏板之夾心。
  19. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，該夾心以下列重量比包含下列添加物，表示為每100重量份石膏之份數：- 0.1至50份之黏著劑(adhesion agent)，其角色係提升紙塗層(paper coating)與石膏之黏著，- 0.001至10份之促凝劑(setting accelerator)，- 0.001至10份之緩凝劑(setting retarder)，- 0至50份之用於改善機械性質的用劑，- 0至10份之除生物劑(biocide)，- 0至10份之至少一種撥水劑(water repellent)，- 0至20份之至少一種阻燃劑(fire retardant)，- 0至20份之至少一種強化劑(reinforcer)，以及- 0至40份之用於改善吸音特性的用劑。
  20. 如申請專利範圍第19項之板，其中，該黏著劑係選自澱粉、糊精(dextrin)及植物粉(vegetable flour)。
  21. 如申請專利範圍第20項之板，其中，澱粉係以酸預處理。
  22. 如申請專利範圍第20項之板，其中，植物粉為麥粉(wheat flour)或玉米粉(corn flour)。
  23. 如申請專利範圍第19項之板，其中，該夾心係包含0.1至15份之黏著劑。
  24. 如申請專利範圍第19項之板，其中，促凝劑為水合(hydrated)硫酸鈣或硫酸鉀。
  25. 如申請專利範圍第19項之板，其中，用於改善機械性質的用劑係選自聚酯(polyester)、聚胺甲酸酯(polyurethane)或環氧樹脂，呈均聚物(homopolymer)或共聚物形式的乙酸乙烯酯聚合物(vinyl acetate polymer)，聚乙烯吡咯啶酮(polyvinylpyrrolidone)，聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol))，苯乙烯-丁二烯共聚物(styrene-butadiene copolymer)，(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酯聚合物，以及改質纖維素(modified cellulose)。
  26. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之板，其中，其具有在等於1050Hz之頻率的吸音係數(sound absorption coefficient)αn為至少0.15。
  27. 如申請專利範圍第26項之板，其中，其具有在等於1050Hz之頻率的吸音係數αn為至少0.17。
  28. 一種板的製造方法，其中該板為包含置於兩片紙或非織物之間的夾心的種類，其中該方法包含下列步驟：粉末煅石膏係與水混合以形成糊，該糊係連續沈積於所述兩片紙或非織物之間，擠壓所形成之產物且切該板，其特 徵在於，為了製作該板之夾心，係將具有大於5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料加入煅石膏。
  29. 一種具有大於5%之孔隙度以及直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料之用途，係用於欲用來製造以石膏為底質之板的以煅石膏(calcined gypsum)為底質之組成物，以改善聽覺舒適度(acoustic comfort)。
  30. 一種以石膏為底質之組成物，其特徵在於其包含煅石膏以及具有至少5%之孔隙度和直徑為0.001至100奈米之孔的顆粒性材料。
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