ПАНЕЛЬ НА ОСНОВЕ ГИПСА
GYPSUM-BASED PANEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области материалов на основе гипса, более конкретно, к области панелей на основе гипса.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Легкие панели, такие как гипсокартонная плита (например, гипсокартон), полистирольная плита и древесноволокнистая плита, широко используются для создания перегородок внутри зданий. Их преимущества для этой области применения включают тот факт, что они являются легкими и быстрыми в установке.
Однако в некоторых случаях такие легкие панели могут иметь недостаток, состоящий в том, что они не обладают достаточной прочностью, чтобы удерживать подвесное оборудование (например, раковины, телевизоры, батареи отопления, огнетушители, полки и любой другой предмет, требующий прикрепления к панели). В таких случаях вес подвесного оборудования может повлечь выдергивание крепежных средств (например, винтов) из панели, в результате чего подвесное оборудование падает с перегородки.
Как правило, эту проблему решают путем обеспечения фанерных листов для повышения прочности крепления к панели. В этом случае фанерный лист располагают на стороне панели, противоположной той стороне, на которой требуется расположить подвесное оборудование. Фанерный лист может обеспечить повышенную прочность для удержания одного или более крепежных средств (например, винтов), используемых для закрепления подвесного оборудования на панели. Как правило, фанерный лист располагают в пределах каркаса перегородки, и затем прикрепляют гипсокартонную плиту к фанере так, чтобы она находилась за пределами каркаса перегородки.
В качестве альтернативы могут быть предусмотрены металлические опорные средства. Они могут включать крепежные накладки, профили, ленты или металлические закрепы. Как и в случае с фанерными листами, металлические опорные средства обычно располагают на стороне панели, противоположной той стороне, на которой требуется закрепить подвесное оборудование, и предназначены для приема и закрепления крепежных средств, например, крепежных винтов, используемых для прикрепления подвесного оборудования к панели.
Оба этих решения имеют недостаток, состоящий в том, что они требуют соединения панелей и дополнительных опорных компонентов друг с другом на месте. Кроме того, при использовании металлических опорных средств может потребоваться несколько таких опорных средств для удержания полного набора крепежных средств, требуемых для закрепления подвесного оборудования на панели. Таким образом, процесс установки может быть длительным и дорогостоящим.
Кроме того, добавление металлических опорных средств или фанерных листов увеличивает массу и толщину перегородки и/или приводит к сокращению воздушной полости внутри стены. В большинстве случаев саму фанеру требуется нарезать по размеру на месте, что увеличивает время, необходимое для установки, и может привести к выбросу пыли и потенциально вредных компонентов.
Следовательно, существует потребность в создании улучшенных панелей, способных удерживать крепежные средства и подвесное оборудование и не требующих длительных процессов установки.
Известна (например, из WO 2014/188168) возможность включения волокон и/или полимерных добавок в гипсовую массу для увеличения прочности крепления получаемого гипсового продукта.
Предыдущие разработки привели к увеличению прочности крепления гипсокартонных плит, но все еще существует потребность в дальнейшем улучшении эксплуатационных свойств или сохранении эксплуатационных свойств при уменьшенной массе и/или толщине плиты. Например, может быть желательно уменьшить массу и/или толщину плиты на 30-50% при сохранении прочности крепления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Неожиданно было обнаружено, что значительное увеличение прочности гипса достигается, когда волокна и полимерные добавки включены в продукт на основе гипса в неравных количествах. В частности, было обнаружено, что преимущества могут быть достигнуты путем ограничения количества волокна, включенного в продукт на основе гипса, так что полимерная добавка включается в продукт на основе гипса в значительно больших количествах, чем добавка волокна.
Таким образом, в первом аспекте настоящего изобретения может быть предложена панель, имеющая гипсовую матрицу со следующими внедренными в нее добавками:
стеклянное волокно в количестве более 1 масс. % относительно гипса;
синтетическое полимерное связующее в количестве более 4 масс. % относительно гипса;
где массовое соотношение между стеклянным волокном и синтетическим полимерным связующим составляет по меньшей мере 2 части связующего на одну часть волокна;
где количество песка в гипсовой матрице составляет от 0 до 0,5 масс. % относительно гипса;
и также где количество целлюлозного волокна в гипсовой матрице составляет от 0 до 10 масс. % относительно гипса.
Предпочтительно полимерное связующее представляет собой поливинилацетат.
Предпочтительно количество акриловой смолы в гипсовой матрице составляет от 0 до 1 масс. % относительно гипса. Как правило, гипсовая матрица по существу не содержит акриловой смолы.
Предпочтительно количество карбоната кальция в гипсовой матрице составляет от 0 до 5 масс. % относительно гипса, более предпочтительно от 0 до 1 масс. % относительно гипса. Как правило, гипсовая матрица по существу не содержит карбоната кальция.
Как правило, гипсовая матрица по существу не содержит песка.
Предпочтительно количество целлюлозного волокна в гипсовой матрице составляет от 0 до 1,5 масс. % относительно гипса, более предпочтительно от 0 до 1 масс. %. Как правило, гипсовая матрица по существу не содержит целлюлозного волокна. Подразумевается, что термин «целлюлозное волокно» относится как к волокнам в составе древесных частиц (таких как древесная щепа и мелкие частицы опилок), так и к волокнам, которые больше не связаны природными связующими, присутствующими в древесине. Поэтому во избежание неясности количество древесных частиц в гипсовой матрице составляет от 0 до 2 масс. % относительно гипса, предпочтительно от 0 до 1,5 масс. %, более предпочтительно от 0 до 1 масс. %.
Предпочтительно общая масса добавок, внедренны средний диаметр х в гипсовую матрицу, меньше, чем масса гипса в гипсовой матрице. То есть, гипс предпочтительно является основным компонентом панели по массе.
Предпочтительно количество полимерного связующего составляет более 3,5 масс. %, предпочтительно более 4 масс. %, наиболее предпочтительно более 5 масс. % относительно гипса. Было обнаружено, что добавление полимерного связующего приводит к постоянному улучшению механических свойств, по меньшей мере, до уровней, составляющих приблизительно 25 масс. % связующего относительно гипса. Таким образом, ввиду относительно высокой стоимости синтетических полимерных связующих, обычно предпочтительно, чтобы уровни синтетического полимерного связующего составляли 25 масс. % или менее относительно гипса.
Стеклянные волокна, внедренные в гипсовую матрицу, были изначально добавлены к гипсовой массе, используемой для образования панели. Таким образом, они распределены по всей гипсовой матрице, предпочтительно с по существу равномерным распределением.
Предпочтительно количество стеклянного волокна составляет более 1,5 масс. % относительно гипса. Однако считается, что высокие уровни волокна вызывают трудности при изготовлении панели, например, из-за образования пустот. Кроме того, считается, что присутствие волокон увеличивает силу, необходимую для подрезки и отломки панелей для их разделения. Поэтому количество стеклянного волокна предпочтительно составляет менее 6 масс. % относительно гипса.
Предпочтительно средняя длина стеклянных волокон составляет от 3 до 10 мм.
Предпочтительно средний диаметр стеклянных волокон составляет от 5 до 50 мкм.
Предпочтительно массовое соотношение между стеклянным волокном и полимерным связующим составляет по меньшей мере 2,5 части связующего на одну часть волокна, предпочтительно по меньшей мере 3 части связующего на одну часть волокна, предпочтительно по меньшей мере 4 части связующего на одну часть волокна.
В некоторых вариантах осуществления панель может по существу не содержать крахмала. В других вариантах осуществления панель может содержать как синтетический полимер, так и крахмал, причем крахмал присутствует в меньшем количестве, чем синтетический полимер, предпочтительно в количестве менее 5 масс. % относительно количества синтетического полимера, более предпочтительно менее 3 масс. % относительно количества синтетического полимера.
Как правило, гипсовая матрица не включает никаких других волокон кроме стеклянных волокон. Однако в случае, когда гипсовая матрица включает нестеклянные волокна, средняя длина нестеклянных волокон предпочтительно составляет по меньшей мере 50% от средней длины стеклянных волокон, более предпочтительно по меньшей мере 80%.
Как правило, панель снабжена облицовочными листами с одной или обеих сторон. Облицовочные листы могут представлять собой, например, бумажные облицовочные листы, которые могут содержать целлюлозу и необязательно стеклянные волокна. В качестве альтернативы, облицовочные листы могут быть снабжены матом, частично или полностью внедренным в поверхность панели, например, стекловолоконным матом.
Включение синтетического полимера, а не крахмала, для усиления панели, может обеспечивать одно или более из следующих преимуществ:
- панель быстрее сохнет во время производства, что приводит к ускорению производства;
- готовая панель демонстрирует меньшее изменение размеров при изменении влажности.
Предпочтительно панель имеет толщину от 6 до 20 мм, более предпочтительно от 10 до 16 мм.
3
3
Предпочтительно панель имеет плотность от 600 до 1400 кг/м, более предпочтительно от 700 до 1200 кг/м.
Во втором аспекте настоящего изобретения может быть предложен способ изготовления панели согласно первому аспекту изобретения, включающий стадии обеспечения штукатурной массы, содержащей стеклянные волокна и синтетическое полимерное связующее, и обеспечения схватывания массы,
где количество извести в массе составляет от 0 до 0,5 масс. %;
и также где стадия обеспечения штукатурной массы включает добавление воды к штукатурному гипсу в количестве, менее чем вдвое превышающем массу штукатурного гипса.
Как правило, масса по существу не содержит извести.
Предпочтительно воду добавляют к штукатурному гипсу в количестве, менее чем в 1,5 раза превышающем массу штукатурного гипса.
Панель, изготовленная способом согласно второму аспекту изобретения, может характеризоваться одним или более необязательными признаками панели согласно первому аспекту изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение будет далее описано исключительно посредством примеров.
Гипсокартон получали из гипсовых суспензий следующим способом:
1. Поливинилацетат (Vinamul 8481 от компании Celanese Emulsions) добавляют к воде с образованием водной суспензии;
2. Стеклянные волокна смешивают с водной суспензией;
3. К водной суспензии добавляют штукатурный гипс с образованием массы;
4. Массу перемешивают в смесителе Kenwood (RTM) с минимальной скоростью в течение 10 секунд;
5. Скорость увеличивают и перемешивают массу в течение еще 20 секунд;
6. Массу осаждают на формующую поверхность с образованием плиты;
7. Плиту сушат при температуре 160°С в течение одного часа и далее при температуре 40°С до достижения постоянной массы;
8. Плиту выдерживают при 23°С и относительной влажности 50% до достижения постоянной массы.
Состав масс и плотности плит подробно приведены в таблице 1.
Поливинилацетат добавляют к массе в виде водной суспензии. Количество поливинилацетата, указанное в таблице 1, относится к количеству поливинилацетата, содержащегося в водной суспензии, а не к общей массе суспензии, добавленной к массе.
Испытания на выдергивание винта
Испытания на выдергивание винта проводили на образцах размером 100 мм на 100 мм, выдержанных при температуре 23°С и относительной влажности 50%. В образец с помощью динамометрической отвертки вставляли деревянный 50 мм винт с одноходовой резьбой, при этом винт проходил через металлический элемент перераспределения нагрузки, расположенный на поверхности образца. Элемент перераспределения нагрузки имеет первую часть, выполненную с возможностью расположения между головкой винта и поверхностью образца, и вторую часть, выполненную с возможностью сообщения с установкой для испытаний для обеспечения возможности приложения нагрузки к винту вдоль его оси.
Затем образец устанавливали в универсальную установку для испытаний от Zwick и прикладывали к винту исходную нагрузку в 10 Н вдоль его оси. Затем нагрузку увеличивали, устанавливая постоянную скорость поперечного движения 10 мм/мин до тех пор, пока не было достигнуто выдергивание.
Испытания на выдергивание при повторной установке
Испытания на выдергивание при повторной установке проводили по тому же протоколу, что и испытания на выдергивание винта, при этом сразу после стадии вставки винта в образец с помощью динамометрической отвертки проводили дополнительную стадию удаления винта и повторной вставки его в то же место с помощью динамометрической отвертки.
Испытания на усталость
Испытания на усталость проводили по тому же протоколу, что и испытания на выдергивание винта, при этом между стадиями приложения исходной нагрузки в 10 Н и установки скорости поперечного движения 10 мм/мин проводили дополнительную стадию приложения 100 циклов нагрузки от 10 Н до 300 Н при скорости поперечного движения 10 мм/мин.
Испытания на вращение вручную
Испытания на вращение вручную проводили на образцах размером 100 мм на 100 мм, выдержанных при температуре 23°С и относительной влажности 50%. В образец с помощью шуруповерта вставляли деревянный 50 мм винт с одноходовой резьбой, при этом винт проходил через стальную шайбу, расположенную на поверхности образца.
Шуруповерт был выполнен с возможностью остановки при вставке винта в образец до такой глубины, при которой головка выступала из образца на 10 мм. Затем винт поворачивали с помощью динамометрической ручной отвертки до тех пор, пока не наблюдалось резкое увеличение показаний крутящего момента при взаимодействии головки винта с образцом. Используя ручную отвертку, винт затем поворачивали дальше с шагом 1/8 оборота, при этом показания крутящего момента регистрировали после каждого шага вращения и затем снова устанавливали на ноль. Этот процесс продолжали до совершения по меньшей мере 1,5 оборотов после достижения максимального крутящего момента. Затем записывали максимальный крутящий момент.
Результаты механических испытаний приведены в таблице 2. Число в скобках означает количество испытанных образцов.