СТРОИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ, ОБЛАДАЮЩАЯ УЛУЧШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ КРЕПЛЕНИЯ
CONSTRUCTION PANEL WITH IMPROVED STRENGTH OF FASTENING

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к панелям для применения в строительстве зданий. В частности, настоящее изобретение относится к панелям для обеспечения перегородок, к которым могут быть прикреплены такие предметы, как раковины, телевизоры или радиаторы.
Предшествующий уровень техники
Легкие панели, такие как гипсокартонная плита (например, гипсокартон), полистирольная плита и древесноволокнистая плита, обычно применяют для обеспечения перегородок внутри зданий. Их преимущества для такого применения состоят в том, что они легкие и быстрые в установке.
Однако, в некоторых случаях, такие легкие панели могут иметь недостаток, заключающийся в том, что они недостаточно прочные для удержания подвесного имущества (например, раковин, телевизоров, радиаторов, огнетушителей, полок и любых других предметов, требующих крепления к панели). В таких случаях, вес подвесного имущества может стать причиной выдергивания крепежных средств (например, болтов) из панели, вследствие чего подвесное имущество отпадет от перегородки.
Обычно, такую проблему решают путем обеспечения фанерных листов для увеличения прочности крепления панели. В этом случае, фанерный лист располагают на стороне панели, противоположной той, на которой должно быть расположено подвесное имущество. Фанерный лист может обеспечивать увеличенную прочность для удержания одного или более крепежных средств (например, болтов), применяемых для крепления подвесного имущества к панели. Обычно, фанерный лист располагают внутри каркаса перегородки, а гипсокартонную плиту затем крепят к фанере, таким образом, что она находится снаружи каркаса перегородки.
В качестве альтернативы могут быть применены металлические опорные средства. Они могут включать крепежные пластины, каналы, ремни или металлические закрепы. Как и в случае с фанерными листами, металлические опорные средства обычно располагают на стороне панели, противоположной той, к которой должно быть прикреплено подвесное имущество, и они удерживают и закрепляют крепежные средства, например, крепежные болты, применяемые для крепления подвесного имущества к панели.
Недостатком обеих таких конструкций является необходимость прикрепления панелей и дополнительных опорных компонентов друг к другу на месте. Кроме того, при применении металлических опорных средств, может понадобиться множество таких опорных средств для поддержки полного набора крепежных средств, требуемых для крепления подвесного имущества к панели. Таким образом, способ установки может быть трудоемким и дорогостоящим.
Более того, добавление металлических опорных средств или фанерных листов увеличивает вес и толщину перегородки и/или приводит к уменьшению пространства пустотелой стены. Как правило, фанера должна быть вырезана по размеру на месте, что увеличивает время, необходимое для установки и, возможно, приводит к выбросу пыли и потенциально вредных компонентов.
Таким образом, существует необходимость в обеспечении улучшенных панелей, способных удерживать крепежные средства и подвесное имущество, и не требующих трудоемких способов установки.
Краткое описание изобретения
Проведены исследования по применению полимерных добавок для повышения прочности гипсовых продуктов. Неожиданно было обнаружено, что при применении комбинации крахмала и синтетического полимера могут быть достигнуты определенные преимущества в получении и эксплуатации гипсовых продуктов.
Таким образом, в первом аспекте, настоящее изобретение может относиться к гипсовому продукту, содержащему первую полимерную добавку и вторую полимерную добавку, распределенные в нем, где первая полимерная добавка представляет собой синтетический полимер, а вторая полимерная добавка представляет собой крахмал.
Было обнаружено, что комбинация крахмала и синтетического полимера может приводить к одному или более из следующих преимуществ при получении и эксплуатации гипсовых продуктов:
- повышенная прочность;
- большая простота получения вследствие повышенной текучести штукатурных суспензий, содержащих обе добавки; и
- повышенная устойчивость к гигроскопическому расширению.
Обычно, количество первой полимерной добавки равно или превышает количество второй полимерной добавки. Однако, в некоторых случаях, количество первой полимерной добавки может составлять менее 40% от общего количества первой и второй добавок, возможно менее 30%.
Как правило, общее количество первой и второй полимерных добавок составляет более 3 масс. % по отношению к гипсу, предпочтительно более 4 масс. %. Обычно, общее количество первой и второй полимерных добавок составляет менее 15 масс. % по отношению к гипсу, предпочтительно менее 13 масс. %.
Предпочтительно, количество крахмала составляет 1,0% или более по отношению к массе гипсового продукта, предпочтительно 1,25 масс. % или более, более предпочтительно 2,0 масс. % или более.
Предпочтительно, первая полимерная добавка представляет собой поливинилацетат.
Крахмал может быть получен, например, из пшеницы, картофеля, тапиоки или кукурузы. Предпочтительно, крахмал получают из кукурузы. В некоторых вариантах осуществления, крахмал представляет собой нативный крахмал (т.е. немодифицированный крахмал). В других вариантах осуществления, крахмал может быть модифицированным крахмалом, например, разбавленным кислотой крахмалом.
В некоторых вариантах осуществления, крахмал представляет собой замещенный крахмал, такой как раскрыто в патенте US 7048794, который включен в настоящее описание в виде ссылки. Замещенные крахмалы представляют собой производные крахмала, которые были подвергнуты химической реакции для замены одной или более гидроксильных функциональных групп. Обычно, способ включает этерификацию или эстерификацию крахмала или модифицированного крахмала, вследствие чего эфирные или сложноэфирные связи присоединяются вдоль полимерного каркаса крахмала. Этот способ отличается от других модификаций, обычно производимых для крахмалов, таких как окисление, разбавление кислотой, сшивание и пре-желатинизация, хотя такие способы могут также быть применены к крахмалу, до или после замены одним или более видами функциональных групп.
Считается, что замещенные крахмалы действуют как эффективные связующие вещества для неорганической фазы гипсокартонных плит, т.е. гипса, таким образом, увеличивая прочность гипсокартонной плиты. Предпочтительно, крахмал нерастворим в холодной воде, но растворим при более высокой температуре обработки во время формования, схватывания или сушки гипсокартонной плиты. Считается, что это ограничивает чрезмерную подвижность крахмала, так что он остается в сердечнике гипсокартонной плиты, для обеспечения связи кристаллов гипса.
Замещенный крахмал может содержать гидроксиэтилированный, гидроксипропилированный и/или ацетилированный крахмал. Предпочтительно, крахмал представляет собой гидроксиэтилированный крахмал.
Крахмал может представлять собой подвижный крахмал или неподвижный крахмал. Неподвижные крахмалы представляют собой крахмалы, которые удерживаются в сердечнике гипсокартонной плиты и не перемещаются к поверхности плиты. Напротив, подвижные крахмалы, как правило, перемещаются к поверхности гипсокартонной плиты и служат для улучшения сцепления сердечника гипсокартонной плиты с облицовочными листами картона (если применяются).
Примером неподвижного крахмала, который может быть применен в настоящем изобретении, является декстрин.
Предпочтительно, в случае, когда уровень крахмала составляет по меньшей мере 3 масс. % по отношению к гипсу, крахмал представляет собой подвижный крахмал. Неожиданно было обнаружено, что при таких относительно высоких содержаниях крахмала даже подвижный крахмал будет удерживаться в сердечнике гипсокартонной плиты в достаточных количествах, для повышения прочности крепления гипсокартонной плиты. В то же время, подвижный крахмал может способствовать улучшению сцепления сердечника гипсокартонной плиты с облицовочными листами картона (если применяются), так что нет необходимости включать в состав гипсокартонной плиты множество разновидностей крахмала.
В случае, когда уровень крахмала составляет по меньшей мере 3 масс. % по отношению к гипсу, обычно предпочтительно, чтобы крахмал представлял собой нативный крахмал, а не пре-желатинизированный крахмал. При таких относительно высоких уровнях крахмала, пре-желатинизированный крахмал считают придающим гипсовой суспензии чрезмерную вязкость.
В других случаях, крахмал может представлять собой пре-желатинизированный крахмал.
В некоторых вариантах осуществления, может быть выбран крахмал с низкой вязкостью (например, вязкостью по Брукфилду менее 60 сПз) при температуре менее 60°С, и с гораздо более высокой вязкостью (например, вязкостью по Брукфилду более 10000 сПз) при температуре 70°С.Такие крахмалы раскрыты, например, в патенте US 8252110, включенном в настоящее описание в виде ссылки. Реология таких крахмалов сильно зависит от температуры: считают, что при низких температурах крахмал может быть распределен в сердечнике для проникновения в межкристаллические пространства. Как только температура превышает 60°С, вязкость крахмала быстро возрастает до очень высокого уровня, гарантируя, что крахмал действительно останется в сердечнике и не переместится к границе раздела сердечник/облицовка.
В некоторых случаях крахмал может быть включен в гипсовый продукт путем добавления муки (например, пшеничной муки) к суспензии штукатурного гипса.
Предпочтительно, гипсовый продукт содержит погруженные в него волокна. Как правило, количество волокон составляет более 2 масс. % по отношению к гипсу, предпочтительно более 3 масс. %. Как правило, количество волокон составляет менее 10 масс. % по отношению к гипсу, предпочтительно менее 7 масс. %. Как правило, волокна представляют собой стеклянные волокна.
Предпочтительно, гипсовый продукт по существу не содержит бора. Считают, что добавки бора представляют риск для здоровья и безопасности при получении гипсового продукта.
В некоторых вариантах осуществления, гипсовый продукт представляет собой гипсокартонную плиту. Как правило, гипсокартонная плита содержит облицовочные листы картона. Такие облицовочные листы картона могут содержать как целлюлозные волокна, так и стеклянные волокна, поскольку считается, что это улучшает огнестойкость гипсокартонной плиты. В других случаях, гипсокартонная плита может содержать армирующий мат, частично или полностью погруженный в ее поверхность, например, стекломат.
В некоторых вариантах осуществления, гипсовый продукт содержит гидрофобную добавку, такую как силиконовое масло или воск.
В некоторых вариантах осуществления, гипсовый продукт может содержать биоцид.
В некоторых вариантах осуществления, гипсовый продукт может содержать противоусадочное вещество, такое как нерасширенный вермикулит, микрокремнезем и/или глина, для улучшения огнестойкости продукта.
Некоторые варианты осуществления могут включать пеноматериал или легкий заполнитель, такой как перлит. Такие добавки известны в данной области техники для получения плит с низкой плотностью, имеющих приемлемую толщину.
Подробное описание изобретения
Изобретение будет далее описано только в качестве примера.
Гипсокартон получали с применением следующего общего способа:
Штукатурный гипс и другие сухие добавки взвешивали в мешке и встряхивали для их смешивания. Воду и влажные добавки взвешивали в чаше. Волокна взвешивали, добавляли к влажным добавкам в чаше и перемешивали электрическим миксером в течение 60 секунд.
Сухие порошкообразные добавки добавляли к влажным добавкам в чаше и перемешивали электрическим миксером в течение 30 секунд.
Полученную суспензию помещали между двумя листами бумажной прокладки и оставляли гидратироваться в течение 25 минут, отмеренных со времени смешивания. Затем плиту сушили в печи в течение 1 часа при 160°С.
Толщина полученных гипсокартонных плит составляла 15 мм.
Пример 1
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Mowilith S1),
- крахмал в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием С Flex 03408),
- стеклянные волокна в количестве 3 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 2
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием С Flex 03408),
- стеклянные волокна в количестве 3 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 3
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 2,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 2,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 4
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 3,75 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 1,25 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 5
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 6,25 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Mowilith SI),
- крахмал в количестве 6,25 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал предоставлен Grain Processing Corporation под торговым наименованием Coatmaster K57F),
- стеклянные волокна в количестве 3% по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 6
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 0,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 2 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 7
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 0,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 6 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 2 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 8
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 4,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481), /
- крахмал в количестве 1,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 2 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Пример 9
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс,
- поливинилацетат в количестве 1,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (поливинилацетат доступен под торговым наименованием Vinamul 8481),
- крахмал в количестве 4,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102),
- стеклянные волокна в количестве 2 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Сравнительный пример 1а
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс;
- крахмал в количестве 12 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием С Flex 03408);
- стеклянные волокна в количестве 3 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Сравнительный пример 3а
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс;
- крахмал в количестве 5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал доступен под торговым наименованием Merifilm 102);
- стеклянные волокна в количестве 5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Сравнительный пример 5а
Гипсокартон получали из следующих ингредиентов:
- штукатурный гипс;
- крахмал в количестве 12,5 масс. % по отношению к штукатурному гипсу (крахмал предоставлен Grain Processing Corporation под торговым наименованием Coatmaster K57F);
- стеклянные волокна в количестве 3 масс. % по отношению к штукатурному гипсу.
Текучесть
Диаметр осадки измеряли в качестве показателя текучести суспензии штукатурного гипса, которую применяли при получении гипсокартонных плит.Способ проводили в соответствии с британским стандартом EN13963. Диаметр измеряли до того, как суспензию подвергали механической вибрации. Результаты приведены в таблице 1.
Расширение при увлажнении
Расширение при увлажнении измеряли в соответствии с ASTM D1037 от начальных условий 23°С и относительной влажности 50% до конечных условий 20°С и относительной влажности 90%. Длина образцов составляла 200 мм, а толщина 50 мм. Результаты приведены в таблице 2.
Прочность на выдергивание болта
Испытания прочности на выдергивание болта проводили на образцах размером 100 мм на 100 мм, которые кондиционировали при температуре 23°С и относительной влажности 50%. В образец вставляли болт для древесины с однозаходной резьбой 50 мм, проходящий через металлический элемент перераспределения нагрузки, расположенный на поверхности образца. Элемент перераспределения нагрузки включает первую часть, которая лежит между головкой болта и поверхностью образца, и вторую часть, которая взаимодействует с испытательной установкой для обеспечения возможности приложения нагрузки к болту вдоль оси болта. Болт затягивали с крутящим моментом 1 Нм.
Затем образец устанавливали в испытательную установку Zwick Universal и подвергали предварительной нагрузке в 10 Н к болту вдоль оси болта. Затем нагрузку увеличивали, устанавливая постоянную скорость поперечины 10 мм/мин, до выдергивания.
Результаты приведены в таблице 3. Они являются средними значениями для 8 образцов.