ЛЕГКАЯ ПАНЕЛЬ
LIGHT PANEL

Изобретение относится к композиционной плите, используемой при строительстве статических структур и, в частности, стен, подвесных потолков и т.п.
Уровень техники
Обычная стеновая плита, иногда называемая сухой штукатуркой, получила широкое распространение во всем мире, в частности, при строительстве внутренних стен. Состав такого продукта обычно включает в себя большое соотношение гипса, что, в свою очередь, отражается на весовых характеристиках плиты. Как правило, обычные плиты имеют плотность приблизительно 40 фунтов на кубический фут. Воздух может быть вовлечен или захвачен в составе плиты для обеспечения возможности сжатия и снижения веса. Однако содержание гипса обычно поддерживают на относительно высоком уровне для обеспечения адекватной прочности "удержания гвоздя". Вес обычной стеновой плиты представляет собой существенный недостаток, поскольку он увеличивает расходы на перевозку и работу с плитами, и повышает стоимость погрузочно-разгрузочных работ при их доставке, а также трудозатраты, включающие в себя эффект усталости и/или деформации при доставке и установке на месте.
Плитку для подвесных потолков производят с различными составами, толщиной, структурами лицевой поверхности и покрытиями. Давно назревшая и часто возникающая проблема при использовании обычной плитки для потолков связана с ее тенденцией провисать после установки, в частности, во влажных средах и/или в средах с высокой температурой, в результате чего возникает неприглядное и, поэтому, неудовлетворительное состояние. Было отмечено, что добавка перлита в составы плитки для потолков позволяет повысить восприимчивость плитки к провисанию.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на композиционную плиту относительно малого веса, используемую, помимо прочего, при строительстве стен и в качестве плитки для подвесного потолка. В изобретении комбинируется использование вспученного перлита, в качестве среды с малым весом в сердцевине плиты и бумаги в качестве материала с высокой прочностью на растяжение, в качестве облицовки для сердцевины для получения плиты, которая неожиданно оказалось одновременно легкой и прочной. Состав соответствующей сердцевины для плиты содержит, в качестве примера, в весовом соотношении, приблизительно 15%-40% перлита, приблизительно 10%-30% целлюлозных волокон, связующий агент, такой как крахмал, составляющий приблизительно 5%-15%, приблизительно от 0% до 50% минерального волокна и приблизительно от 0% до 25% наполнителя, такого как гипс. Бумажную массу наносят в виде слоя, по меньшей мере, с одной стороны такой сердцевины плиты, которая выполняет функцию конструктивного элемента, работающего на растяжение.
Было определено, что вспученный перлит в описываемой композиционной плите работает как конструктивная пена, которая, несмотря на ее малую плотность, обладает относительно высокой прочностью на сжатие. Высокая прочность на сжатие, более конкретно, очевидно, способствует конструктивной целостности сердцевины, когда вспученный перлит, целлюлозное волокно и связующее вещество работают вместе как конструктивная пена. Такая прочность на сжатие отражается в неожиданно высокой способности удержанию гвоздя, которая позволяет успешно использовать такой продукт в качестве стеновой плиты. Характеристика плиты, с сердцевиной, составленной, как описано выше, и облицовкой в виде ламинированной бумаги, противоречит обычному опыту, в соответствии с которым плотность стеновой плиты до настоящего времени обязательно поддерживали на относительно высоком уровне для достижения адекватного значения силы удержания гвоздя.
Конструкция легкой плиты в соответствии с изобретением позволяет успешно использовать такую плиту в качестве плитки для потолков. Слой бумаги, ламинированный на лицевой поверхности или стороне, обращенной в помещение, плитки, кроме того, что он обеспечивает однородное основание для чистовой окраски или тому подобное, существенно повышает устойчивость к провисанию плитки, является экономичным и не загрязняет окружающую среду.
Подробное описание изобретения
Композиционная плита, в соответствии с вариантом воплощения изобретения, включает в себя плоскую сердцевину и, по меньшей мере, один лицевой бумажный лист, ламинированный с одной стороны сердцевины. Плита, когда предполагается ее использовать в качестве стеновой плиты, обычно может быть изготовлена с номинальными размерами 4'×8', 10' и 12'. Плита, конечно, может быть изготовлена с другими размерами или может быть разрезана до других размеров на заводе или на месте применения. Поскольку плита имеет меньший вес, чем обычная стеновая плита, ее можно изготавливать с большей, чем стандартная ширина, например 5 футов, и при этом все еще обеспечивается возможность работы с ней вручную. Сердцевину изготавливают с использованием обычного процесса отлива с водой, который обычно используют, например, при производстве потолочной плитки. Состав сердцевины может существенно меняться, но основа или основные составляющие представляют собой перлит, целлюлозное волокно и связующее. Такие составляющие и другие необязательные составляющие равномерно смешивают в виде водной суспензии, содержащей приблизительно 5% сухого вещества, воду удаляют на сите для формирования мата, и мат затем высушивают, формируя сердцевину. На практике составляющие остаются равномерно распределенными в сердцевине, после окончания ее формирования. Предпочтительно, чтобы толщину мата можно было с достаточной точностью контролировать с использованием соответствующих методик прессования, известных в данной области техники для получения сердцевины с заданной толщиной, предпочтительно без дополнительных операций шлифовки или зачистки.
Ниже приведено описание основных компонентов и некоторых необязательных составляющих.
Перлит
Вспученный перлит внешне напоминает приготовленный попкорн. После вспенивания до определенной плотности частицы перлита содержат полости или отверстия. После смешивания с составляющими материалами в водной суспензии частицы перлита содержат воду, которая должна быть впоследствии удалена во время сушки мата сердцевины. Хотя высокое содержание перлита обеспечивает хорошее вспучивание сердцевины, повышение содержания перлита может понизить скорость формирования плит из-за увеличенного содержания воды и может снизить степень поглощения звука и устойчивость к провисанию при применении в качестве потолочной плитки.
Целлюлозное волокно
Целлюлозное волокно обеспечивает прочность во влажном состоянии во время формирования сердцевины. Целлюлозное волокно охватывает перлит и другие материалы с мелкими частицами, такие как крахмал и заполнители, во время формации мата. Без целлюлозного волокна в составе сердцевины перлит плавал бы на поверхности суспензии, и формирование сердцевины было бы затруднено. Избыточные количества целлюлозного волокна при применении в качестве потолочной плитки неблагоприятно влияет на возможность резки плитки ручным ножом для резки гипсокартонных листов, которые обычно используются установщиками для нарезки плитки. Экономически целесообразный источник соответствующего целлюлозного волокна представляет собой макулатуру, но другие источники такого волокна, такие как древесина, могут использоваться на практике.
Связующее вещество
Крахмал и латекс представляют собой связующие вещества, которые обеспечивают когезионную связь между основными компонентами сердцевины после высушивания сердцевины. Обычно используют сырой крахмал в обычном составе сердцевины. Сырой крахмал не обеспечивает прочность до тех пор, пока он не будет сварен, в результате прочность заготовки/во влажном состоянии обеспечивается целлюлозным волокном до высушивания сердцевины. Как только крахмал будет сварен, сердцевина становится хрупкой, и ее можно легко резать ручным ножом для резки гипсокартонных листов. Повышенное содержание крахмала обеспечивают лучшую хрупкость. Повышенное содержание органических веществ, включая крахмал и целлюлозное волокно, оказывает отрицательное влияние на сопротивление провисанию потолочной плитки в условиях повышенной влажности.
Минеральная вата
Минеральная вата в составе сердцевины плиты, используемой для потолочной плитки, повышает степень поглощения звука (NRC, КШП, коэффициент шумоподавления) плиты. Обычно, чем больше количество минеральной ваты, тем лучше поглощение звука. Минеральная вата также, предпочтительно, придает объем суспензии во время формирования сердцевины.
Наполнители
Глина является важной составляющей огнестойкой потолочной плитки. Во время пожара происходит обжиг глины и обеспечивается исключительная устойчивость потолочной плитки к воздействию огня. Однако высокое содержание глины в составе сердцевины снижает скорость работы производственной линии из-за сродства глины с водой.
Карбонат кальция представляет собой типичный наполнитель, который не имеет существенного значения для обеспечения свойств плиты, за исключением того, что он придает некоторую твердость продукту, но он позволяет снизить стоимость продукта. Другие обычно используемые наполнители малой стоимости представляют собой сульфат кальция и зольную пыль.
Гипс из-за его ограниченной растворимости в воде действует как вещество, способствующее хлопьеобразованию. Функция хлопьеобразователя в составе суспензии сердцевины состоит в удержании и равномерном распределении мелких частиц (неорганической глины, органического крахмала и т.д.) в мате во время обработки (удаление воды, обработка вакуумом и прессование во влажном состоянии). Отсутствие хлопьеобразующего агента в составе неблагоприятно влияет на процесс сушки из-за миграции мелких частиц с высокой плотностью в нижнюю часть мата во время обработки. Гипс позволяет получать большую толщину мата, чем при использовании других неорганических наполнителей, глины и карбоната кальция. Большая толщина мата (подъем) перед влажной обработкой является полезной для удаления избыточной воды. Гипс позволяет исключить необходимость использования другого хлопьеобразователя, коагулянта и/или поверхностно-активного вещества. Гипс позволяет улучшить прочность плиты. Гипс может действовать как диспергирующий агент, который не позволяет образовываться агломератам минеральных волокон и/или целлюлозных волокон и, таким образом, обеспечивает более высокую консистенцию суспензии (% сухого вещества) для повышения производительности. Гипс обладает незначительной "отдачей" или набуханием после прессования и сушки мата сердцевины, в результате чего уменьшается необходимость шлифования сердцевины для контроля толщины сердцевины.
Из приведенного выше описания основных и потенциальных составляющих материалов можно видеть, что выбор материалов и их пропорции могут зависеть от предполагаемого использования композиционной плиты и ее требуемых физических свойств.
Из основных компонентов - перлит, целлюлозное волокно и связующее вещество, перлит занимает большую часть объема сердцевины. Плотность перлита составляет приблизительно от 3 до приблизительно 15 фунтов на кубический фут и, более предпочтительно, от приблизительно 6 до приблизительно 10 фунтов на кубический фут и, наиболее предпочтительно, приблизительно 8 фунтов на кубический фут. Независимо от фактической плотности вспученного перлита, который используют при формировании сердцевины, для обеспечения объема важно, чтобы перлит занимал большую часть объема сердцевины и, предпочтительно, занимал, по существу, весь объем сердцевины. Один из способов обеспечения адекватных свойств сердцевины по содержанию перлита представляет собой использование некоторого избыточного количества перлита в смеси суспензии таким образом, чтобы при прессовании мата для формирования сердцевины до определенного размера ограниченное количество вспученных частиц перлита, например приблизительно 5%, было раздавлено.
Бумажную облицовку наносят, по меньшей мере, с одной стороны сердцевины. Бумажная облицовка может представлять собой любую из множества форм, такую как бумага типа крафт, в зависимости от конечного использования композиционной плиты. В случае, когда предполагается использование композиционной плиты в качестве стеновых панелей, обычная бумага для стеновых плит (то есть, бумага на лицевой поверхности или задней стороне сухой штукатурки) может быть ламинирована на сердцевину. Пример такой бумаги имеет толщину от приблизительно 11 мм до приблизительно 13 мм. Такая бумага обычно имеет предел прочности на разрыв приблизительно 140 фунтов в машинном направлении и 45 фунтов в поперечном направлении, когда образец шириной 2 дюйма зажимают и вытягивают в стандартной испытательной арматуре (стандарт испытаний TAPPI (ТАБДП, Техническая ассоциация бумагоделательной промышленности США)). Кроме того, в случае, когда композиционная плита предназначена для использования в качестве стеновых плит, ее общий размер или толщина номинально составляют, например, 3/8 дюйма, 1/2 дюйма или 5/8 дюйма. Толщину сердцевины формируют таким образом, чтобы получить требуемую номинальную толщину после комбинирования с облицовочной бумагой только с одной стороны или при использовании отдельной облицовочной бумаги на каждой противоположной стороне сердцевины. Обычно облицовочную бумагу или облицовку ламинируют на сердцевину в производственной линии, одновременно с изготовлением сердцевины, после нарезки на требуемый размер или до нее. Бумажную облицовку или облицовки приклеивают к сердцевине с использованием соответствующих коммерчески доступных клеевых составов на основе воды, предпочтительно, с использованием латекса. Клей можно распылять, наносить валиком или другим способом распределять по всей поверхности одной из сердцевин и бумажной облицовки, или их обоих, с использованием обычных известных методик. После высушивания мата и окончания заводского производства сердцевины она обычно имеет очень низкое содержание влаги, приблизительно 2% или меньше. Такое низкое содержание влаги обеспечивает быстрое отвердевание клея на основе воды во время ламинирования бумажной облицовки или облицовок на сердцевину при фабричном производстве композиционной плиты.
В идеале полученная в результате композиционная плита должна иметь плотность приблизительно 30 фунтов на кубический фут. Такая плотность или вес обеспечивают существенные преимущества по сравнению со стеновьми плитами стандартного веса. Экономия при поставке, работе и стоимость установки потенциально может быть очень большой. Настоящее изобретение, благодаря использованию сердцевины с уменьшенным весом, позволяет отойти от обычной практики поддержания, по меньшей мере, минимальной плотности приблизительно 40 фунтов на кубический фут для стеновых плит на основе гипса. В существующей практике, когда плотность обычной стеновой плиты уменьшается ниже этого значения, страдает прочность стеновой плиты, и обычно характеристика "удержания гвоздя" становится неприемлемой. Характеристика "удержания гвоздя" подробно описана в стандарте ASTM Standart C473 и используется в промышленности для измерения характеристик стеновых плит или конструкционных панелей в соответствии с промышленными стандартами.
В настоящем изобретении предполагается использование вспученных ячеек или частиц перлита в виде однородной смеси целлюлозных (бумажных) волокон и связующего вещества. Практически используемая форма связующего вещества представлена крахмалом, полученным, например, из такого сырья, как кукуруза, картофель и/или пшеница. Крахмал может быть предварительно сварен прежде, чем он будет введен в состав суспензии, из которой формируют мат сердцевины. Целлюлозное волокно и связующее вещество формируют матрицу в пустотах между частицами перлита. Связующее вещество неподвижно фиксирует волокна целлюлозы относительно друг друга и волокна относительно частиц перлита. Целлюлозные волокна обеспечивают основную часть предела прочности на разрыв сердцевины. Предпочтительно, комбинированный вес перлита и целлюлозного волокна составляет, по меньшей мере, 25% от общей массы сердцевины.
Композиционные плиты, изготовленные в соответствии с раскрытым процессом, и раскрытые составы, проявляют неожиданно высокие характеристики удержания гвоздя, в частности, по сравнению со стандартными стеновыми плитами на основе гипса и облегченными стеновьми плитами на основе гипса. Теоретически можно рассмотреть, что, частично, в зависимости от фактического состава, компонент перлита в смеси сердцевины в комбинации со стабилизирующей функцией бумажных волокон и связующего вещества, обеспечивает возможность для зерен перлита действовать совместно как конструктивная пена, обеспечивая высокую прочность на сжатие при относительно малой массе. Прочность сердцевины, не только на сжатие, но также и на растяжение, обеспечивает уникальную возможность нанесения на композиционную плиту только одной бумажной облицовки, и при этом все еще обеспечиваются высокие уровни характеристики удержания гвоздя. Другими словами, вторую бумажную облицовку не обязательно следует использовать для получения адекватной прочности при удержании гвоздя, когда лицевая поверхность панели, к которой прижимается головка гвоздя или винта, представляет собой единственную сторону, облицованную бумагой.
Кроме основных составляющих сердцевины, упомянутых выше, можно использовать другие материалы в составе сердцевины. Эти дополнительные материалы могут включать в себя минеральные волокна, гипс и наполнитель, такой как глина, зольная пыль и доломит. Ниже приведена таблица, представляющая возможные компоненты смеси сердцевины и потенциальные относительные процентные содержания в весовом соотношении. Сердцевина композиционной плиты имеет состав в пределах следующих параметров:
Минимум
Максимум
Примерный состав 1
Перлит
15
50
30
Целлюлозное волокно
10
30
19
Связующее
5
15
12
Минеральная вата
0
50
35
Наполнитель
0
20
4
ВСЕГО
100
Композиционные плиты, одна или обе лицевые поверхности которых ламинированы стандартной бумагой для стеновых плит, и имеющие примерный состав сердцевины, представленный в приведенной выше таблице, проявляют следующие характеристики:
Во время испытания: FU=внешней стороной вверх, FD=внешней стороной вниз
MD=(МН) бумага испытуемого образца в машинном направлении
CD=(ПН) бумага испытуемого образца в направлении, поперечном машинному
[0024] MOR (ППИ, предел прочности при изгибе) представляет собой меру прочности на изгиб, определяемую следующим уравнением (ASTM D1037):
[0025] На основе приведенного выше, специалист в данной области техники может составить порцию водной суспензии, содержащую 6000 фунтов сухого вещества, для получения следующих оценочных результатов:
Составы с разным количеством перлита и разным весом - плита толщиной <sup>1</sup>/<sub>2</sub> дюйма
2
3
4
5
мас.%, фунты
мас.%, фунты
мас.%, фунты
мас.%, фунты
Минеральная вата, %
0
0
20
1200
5
300
23
1380
Перлит, %
35
2100
15
900
50
3000
40
2400
Волокно, %
30
1800
30
1800
20
1200
25
1500
Крахмал, %
15
900
10
600
11
600
12
720
Наполнитель, %
20
1200
25
1500
14
840
0
0
ВСЕГО
100
6000
100
6000
100
6000
100
6000
Прочность удержания гвоздя в фунтах
оценка - 110
оценка - 100
оценка - 95
оценка - 110
Как правило, чем выше содержание целлюлозного волокна, тем может быть ниже плотность плиты. Как указано выше, плиты с низкой плотностью в соответствии с настоящим изобретением легко позволяют превысить требования промышленных стандартов по прочности «удержания гвоздя» для эквивалентных толщин плиты.
Промышленные стандарты устанавливают приемлемые значения прочности удержания гвоздя 56 фунтов для стеновой плиты толщиной 3/8 дюйма и 77 фунтов для стеновой плиты толщиной 1/2 дюйма. В приведенной выше таблице показано, что облегченная сердцевина в соответствии с примерным составом, в комбинации со стандартной бумагой для сухой штукатурки, ламинированной с одной или с обеих сторон, позволяет превысить требования промышленных стандартов. Из этих данных следует, что плотность сердцевины и/или прочность бумажной облицовки или облицовок могут быть уменьшены для зарегистрированной облегченной конструкции, и при этом все еще будет обеспечиваться удовлетворительная характеристика «удержания гвоздя», по меньшей мере, в соответствии с промышленными стандартами.
Из настоящего раскрытия можно видеть, в качестве примера, что различные изменения могут быть выполнены путем добавления, модификации или удаления отдельных деталей, без выхода за пределы истинного объема описания идеи, содержащейся в данном раскрытии. Поэтому изобретение не ограничивается определенными деталями данного раскрытия, за исключением ограничений, вводимых следующей формулой изобретения.