ЛЕГКОВЕСНАЯ ГИПСОВАЯ СТЕНОВАЯ ПЛИТА

Эта заявка является частично продолжающей заявки на патент США №11/592481, поданной 2 ноября 2006 г., которая является частично продолжающей заявки на патент США №11/449177, поданной 7 июня 2006 г., и которая также является частично продолжающей заявки на патент США №11/445906, поданной 2 июня 2006 г., каждая из которых заявляет преимущество предварительной заявки на патент США №60/688839, поданной 9 июня 2005 г. Полные описания каждой из вышеизложенных патентных заявок включены здесь путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Данная полезная модель относится к легковесной гипсовой стеновой плите, имеющей микроструктуру, включающую большие воздушные пустоты, имеющие необычно толстые стенки с укрепленными уплотненными поверхностями. Оно также имеет отношение к способам изготовления легкой стеновой плиты с такой микроструктурой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
2
Определенные свойства гипса (кальция сульфатдигидрат) делают его очень популярным для использования при изготовлении промышленных и строительных продуктов, таких как гипсовая стеновая плита. Гипс является имеющимся в избытке и в основном недорогим сырьевым материалом, который с помощью процесса дегидратации и регидратации может быть отлит, отформован или другим образом сформирован в пригодные формы. Основным материалом, из которого изготавливают гипсовую стеновую плиту и другие гипсовые продукты, является гемигидратная форма сульфата кальция (CaSO41/2HO), обычно называемая "строительный гипс", которую производят путем теплового преобразования дигидратной формы сульфата кальция (CaSO42HO), из которой удалили 11/2 молекул воды.
Стандартные содержащие гипс продукты, такие как гипсовая стеновая плита, имеют много преимуществ, таких как низкая стоимость и легкая обрабатываемость, хотя могут образовываться значительные количества гипсовой пыли, когда продукты режут или сверлят. Были достигнуты различные усовершенствования в изготовлении содержащих гипс продуктов при использовании крахмалов как ингредиентов в суспензиях, используемых для изготовления таких продуктов. Желатинизированный крахмал, подобно клею, может увеличивать прочность на изгиб и прочность на сжатие содержащих гипс продуктов, включая гипсовую стеновую плиту. Известная гипсовая стеновая плита содержит крахмал при уровнях менее чем приблизительно 10 фунтов/MSF.
Также необходимо использовать значительные количества воды в гипсовых суспензиях, включающих желатинизированный крахмал, с целью обеспечения соответствующей текучести суспензии. К сожалению, большая часть этой воды, в конечном итоге, должна быть удалена с помощью сушки, которая является дорогой из-за высокой стоимости топлива, используемого в процессе сушки. Также этот этап сушки является трудоемким. Обнаружено, что использование нафталинсульфонатных диспергаторов может увеличивать текучесть суспензий, тем самым, преодолевая проблему потребности в воде. Дополнительно также обнаружено, что нафталинсульфонатные диспергаторы, если уровень использования достаточно высокий, могут поперечно связываться с желатинизированным крахмалом для связывания кристаллов гипса вместе после сушки, тем самым, увеличивая прочность гипсового композита в сухом состоянии. Таким образом, комбинация желатинизированного крахмала и нафталинсульфонатного диспергатора обеспечивает подобный клею эффект при связывании данных кристаллов гипса вместе. Ранее не обнаруживалось, что соли триметафосфата влияют на потребности гипсовой суспензии в воде. Однако данные изобретатели обнаружили, что увеличение уровня соли триметафосфата до уровней, неизвестных до настоящего времени, в присутствии специфического диспергатора делает возможным достижение соответствующей текучести суспензии с непредвиденно уменьшенным количеством воды, даже в присутствии высоких уровней крахмала. Это, несомненно, весьма желательно, так как в свою очередь снижает использование топлива для сушки, так же как и время обработки, связанное с последующими технологическими этапами удаления воды. Таким образом, данные изобретатели также обнаружили, что прочность гипсовой плиты в сухом состоянии может увеличиваться при использовании нафталинсульфонатного диспергатора в комбинации с желатинизированным крахмалом в суспензии, использованной для изготовления стеновой плиты.
Гипсовые стеновые плиты данной полезной модели следует отличать от звукоизоляционных плит или плиток, которые не имеют облицовочных листов. Также, стеновые плиты данной полезной модели следует отличать от звукоизоляционных плит или плиток, которые включают полистирол как легковесный наполнитель. Важно, что вышеупомянутые звукоизоляционные плиты и плитки не отвечают многим стандартам ASTM (Американского общества специалистов по испытаниям материалов), которые применяются для гипсовых стеновых плит. Например, известные звукоизоляционные плиты не имеют прочности на изгиб, требуемой для гипсовых стеновых плит, включая плиты данной полезной модели. Наоборот, чтобы звукоизоляционные плиты или плитки отвечали стандартам ASTM, требуется, чтобы открытая поверхность звукоизоляционных плит или плиток имела полые пустоты или углубления, которые были бы нежелательны в гипсовой стеновой плите, и отрицательно сказывались на сопротивлении к выдергиванию гвоздей и характеристиках твердости поверхности.
Пылеобразование является потенциальной проблемой в течение установки всей стеновой плиты. Когда гипсовая стеновая плита обрабатывается, например, резанием, пилением, фрезерованием, отломкой, забиванием гвоздей или завинчиванием, или сверлением, могут образоваться значительные количества гипсовой пыли. Для целей данного раскрытия "образование пыли" и "пылеобразование" означает высвобождение переносимой по воздуху пыли в окружающее рабочее пространство в течение обработки содержащего гипс продукта, с помощью, например, резания, пиления, фрезерования, надпила/отломки, забивания гвоздей или завинчивания или сверления стеновой плиты. Обработка может также в основном включать обычную ручную обработку плиты, включающую пыль, произведенную случайным выскабливанием и образование зарезов плит в течение транспортировки, переноски и установки. Если может быть найден способ изготовления стеновой плиты низкой плотности, в которой такое пылеобразование значительно снижено, это будет представлять чрезвычайно полезный вклад в технику.
Кроме того, если может быть найден способ увеличения прочности гипсовой стеновой плиты при снижении массы плиты, это также будет полезным вкладом в технику. Воздушные пустоты в известных продуктах стеновых плит имеют сравнительно тонкие стенки, притом, что толщина стенки между пустотами составляет от приблизительно 20 до 30 микрон в среднем. Если новый вид гипсовых стеновых плит может быть обеспечен микроструктурой, включающей воздушные пустоты со стенками с повышенной толщиной и укрепленной уплотненной поверхностью, и, тем самым, увеличить прочность стенки, может быть сделан важный и полезный вклад в технику. Дополнительно, если может быть найден способ увеличения размера пустот при увеличении толщины и поверхностной плотности стенки между пустотами для изготовления стеновой плиты низкой плотности, имеющей повышенную прочность и свойства ручной обработки, это будет представлять еще один важный вклад в технику.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
3
Данная полезная модель в основном включает легковесную гипсовую стеновую плиту, включающую отвердевшую гипсовую сердцевину, сформированную между двумя в основном параллельными покровными листами, причем отвердевшая гипсовая сердцевина имеет пустоты, в основном распределенные по всей отвердевшей гипсовой сердцевине со стенками, имеющими среднюю толщину, по меньшей мере, от приблизительно 30 микрон до приблизительно 200 микрон и укрепленными уплотненными поверхностями. Отвердевшая гипсовая сердцевина выполнена из содержащей гипс суспензии, включающей воду, строительный гипс, желатинизированный крахмал, присутствующий в количестве от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе на основе массы строительного гипса, нафталинсульфонатный диспергатор, присутствующий в количестве от приблизительно 0,2% по массе до приблизительно 2% по массе на основе массы строительного гипса, триметафосфат натрия, присутствующий в количестве от приблизительно 0,1% по массе до приблизительно 0,4% по массе на основе массы строительного гипса, и опционально стекловолокно, присутствующее в количестве до приблизительно 0,2% по массе на основе массы строительного гипса. Окончательно, мыльная пена будет присутствовать в количестве, эффективном для обеспечения плотности отвердевшей гипсовой сердцевины от приблизительно 27 pcf до приблизительно 30 pcf. Выражение "pcf” определено как фунты на кубический фут (lb/ft).
Гипсовая стеновая плита, выполненная в соответствии с данной полезной моделью, имеет высокую прочность, но значительно меньшую массу, чем стандартные стеновые плиты. Кроме того, обнаружено, что легковесная гипсовая стеновая плита, выполненная в соответствии с вариантами осуществления данной полезной модели, имеет большие воздушные пустоты с необычно толстыми стенками, имеющими укрепленные поверхности, которые вместе укрепляют микроструктуру сердцевины стеновой плиты, что дает стеновые плиты, имеющие исключительную прочность и свойства ручной обработки. Кроме того, будут описаны способы изготовления таких легковесных гипсовых плит, имеющих исключительную прочность и свойства ручной обработки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:08) при 15Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 2 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:30) при 15Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 3 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:50) при 15Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 4 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:08) при 50Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 5 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:30) при 50Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 6 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:50) при 50Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 7 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:50) при 500Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 8 представляет собой микроснимок литого кубического гипсового образца (11:50) при 2500Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий один вариант осуществления данной полезной модели.
Фигуры 9-10 представляют собой микроснимки литого кубического гипсового образца (11:50) при 10000Х увеличении, полученные сканирующей электронной микроскопией, показывающие один вариант осуществления данной полезной модели.
Фиг. 11 представляет собой микроснимок образца контрольной плиты при 15Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий распределение воздушных пустот, размеры пустот, среднюю толщину стенок между пустотами и укрепленными поверхностями стенок в данной гипсовой сердцевине.
Фиг. 12 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты в соответствии с данной полезной моделью при 15Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий распределение воздушных пустот, размеры пустот, среднюю толщину стенок между пустотами и поверхностями с повышенной прочностью стенок в данной гипсовой сердцевине в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 13 представляет собой микроснимок образца контрольной плиты фиг. 11 при 50Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий распределение воздушных пустот, размеры пустот, среднюю толщину стенок между пустотами и поверхностями с повышенной прочностью стенок в данной гипсовой сердцевине.
Фиг. 14 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 12 при 50Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий распределение воздушных пустот, размеры пустот, среднюю толщину стенок между пустотами и поверхностями с повышенной прочностью стенок в данной гипсовой сердцевине в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 15 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 12 при 500Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий среднюю толщину стенок между пустотами и характеристики микроструктуры данной гипсовой сердцевины в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 16 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 12 при 250Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий среднюю толщину стенок между пустотами и характеристики микроструктуры данной гипсовой сердцевины в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 17 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 16 при 500Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий среднюю толщину стенок между пустотами и характеристики микроструктуры данной гипсовой сердцевины в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 18 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 16 при 1000Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий среднюю толщину стенок между пустотами и характеристики микроструктуры данной гипсовой сердцевины в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
Фиг. 19 представляет собой микроснимок образца стеновой плиты фиг. 16 при 2500Х увеличении, полученный сканирующей электронной микроскопией, показывающий среднюю толщину стенок между пустотами и характеристики микроструктуры данной гипсовой сердцевины в соответствии с вариантом осуществления данной полезной модели.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Было установлено, что гипсовая стеновая плита, выполненная с использованием содержащей гипс суспензии, включающей строительный гипс, желатинизированный крахмал, нафталинсульфонатный диспергатор, триметафосфат натрия, факультативно стекловолокно и подходящее количество мыльной пены, обеспечивает увеличенный объем воздушных пустот, при котором стенки, окружающие (и, следовательно, также между) воздушные пустоты, значительно толще и имеют поверхности с повышенной прочностью, и, таким образом, крепче, чем воздушные пустоты, находящиеся в обычных стеновых плитах. Увеличенный объем воздушной пустоты уменьшает плотность плиты и массу, а более толстые стенки с повышенной прочностью делают стеновую плиту прочнее с помощью укрепления микроструктуры данной гипсовой сердцевины. Как результат, конечные легковесные стеновые плиты, выполненные в соответствии с данной полезной моделью, имеют замечательное сопротивление к протягиванию гвоздя, прочность на изгиб, твердость в середине образца/края и другие крайне желательные свойства. Дополнительно, в одном предпочтительном варианте осуществления сухая масса 1/2 дюймовой конечной легковесной гипсовой стеновой плиты, выполненной в соответствии с данной полезной моделью, может находиться в диапазоне от приблизительно 1150 фунтов/MSF до приблизительно 1260 фунтов/MSF, имея низкие плотности сердцевины плиты от приблизительно 27 pcf до приблизительно 30 pcf.
Введение мыльной пены создает маленькие воздушные (пузырьковые) пустоты, которые в среднем могут быть менее чем приблизительно 100 микрон в диаметре, но в основном более чем приблизительно 10 микрон в диаметре и предпочтительно более чем приблизительно 20 микрон в диаметре и более предпочтительно более чем приблизительно 50 микрон в диаметре. Данная полезная модель требует, чтобы эти маленькие воздушные пузырьки вместе с пустотами испарения воды (в основном приблизительно 5 микрон в диаметре или менее, обычно менее чем приблизительно 2 микрона в диаметре), были в основном равномерно распределены по всей отвердевшей гипсовой сердцевине в конечных продуктах стеновых плит. Например, отвердевшая гипсовая сердцевина может иметь общий объем пустот от приблизительно 75% до приблизительно 95% и предпочтительно от приблизительно 80% до приблизительно 92%, где, по меньшей мере, 60% общего объема пустот включает воздушные пустоты, имеющие средний диаметр более чем приблизительно 10 микрон и, по меньшей мере, 10% общего объема пустоты включает водные пустоты, имеющие средний диаметр менее чем приблизительно 5 микрон. Считается, что сердцевина плиты низкой плотности, изготовленной данным способом, с общим объемом пустоты данной гипсовой сердцевины от приблизительно 80% до приблизительно 92% как воздушных и водных пустот (общий объем пустоты сердцевины), захватывает значительное количество мелкой пыли и других отходов в полостях, и подвергающихся резанию, пилению, трассированию, отломке, забиванию гвоздей или завинчиванию или сверлению плит, так, что образование пыли значительно уменьшается, и она не попадает в воздух. Более предпочтительно, отвердевшая гипсовая сердцевина данных стеновых плит может иметь воздушные пустоты с диаметром в диапазоне от приблизительно 50 микрон до приблизительно 300 микрон в среднем.
В одном варианте осуществления стенки воздушных пустот имеют среднюю толщину более чем от приблизительно 30 микрон до приблизительно 200 микрон в среднем. Предпочтительно, толщина стенки пустот составляет, по меньшей мере, от приблизительно 50 микрон в среднем. Более предпочтительно, толщина стенки пустот составляет от приблизительно 70 микрон до приблизительно 120 микрон в среднем. Дополнительно, как показано на фиг. 15-19, кристаллы меньшего размера (особенно как очень мелкие и очень тонкие иглы) и более плотная упаковка кристаллов принимают участие в создании более толстых стенок воздушной пустоты.
Полагают, что укрепление поверхности и, следовательно, плотности поверхности стенок является результатом перемещения желатинизированного крахмала/диспергатора/триметафосфата натрия на поверхность воздушной пустоты во время начальной сушки плиты для заполнения междоузлий иголки на поверхности стенки и, следовательно, уплотняет поверхность. Это укрепляет микроструктуру данной гипсовой сердцевины, производя стеновую плиту с повышенной прочностью и улучшенными характеристиками ручной обработки. Получаемую укрепленную уплотненную поверхность можно увидеть, например, на "А" фиг. 15, где указанная уплотненная площадь простирается вдоль поверхности стенки. Поскольку считается, что такая укрепленная поверхность включает перемещенный желатинизированный крахмал, диспергатор и триметафосфат натрия, данные изобретатели не имели намерения быть ограниченными данным объяснением и установили, что укрепленная поверхность может включать менее чем все три данных материала и действительно может происходить от другого источника или механизма.
В предпочтительном варианте осуществления легковесная гипсовая стеновая плита включает отвердевшую гипсовую сердцевину, сформированную между двумя в основном параллельными покровными листами, причем отвердевшая гипсовая сердцевина имеет пустоты, в основном распределенные по всей отвердевшей гипсовой сердцевине, пустоты ограничиваются утолщенными стенками с уплотненными поверхностями с повышенной прочностью. Предпочтительная отвердевшая гипсовая сердцевина выполнена из содержащей гипс суспензии, включающей воду, строительный гипс, желатинизированный крахмал, присутствующий в количестве от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе на основе массы строительного гипса, нафталинсульфонатный диспергатор, присутствующий в количестве от приблизительно 0,2% по массе до приблизительно 2% по массе на основе массы строительного гипса, триметафосфат натрия, присутствующий в количестве от приблизительно 0,1% по массе до приблизительно 0,4% по массе на основе массы строительного гипса, и опционально стекловолокно, присутствующее в количестве до приблизительно 0,2% по массе на основе массы строительного гипса.
Регидратация гемигидрата сульфата кальция (строительный гипс) с последующим упрочнением требует определенного, теоретически рассчитываемого количества воды (1-1/2 молей воды/моль строительного гипса) для формирования кристаллов дигидрата сульфата кальция. Однако, коммерческий процесс в основном приводит к избытку воды. Такой избыток технической воды производит пустоты испарения воды в гипсовой кристаллической матрице, имеющие обычно в основном неровные формы, а также взаимосвязанные с другими водными пустотами, формирующими неупорядоченные каналы в основном непрерывной сети между отвердевшими кристаллами гипса. В отличие от этого, воздушные (пузырьковые) пустоты введены в гипсовую суспензию с использованием мыльной пены. Воздушные пустоты имеют в основном сферическую/круглую форму, а также в основном отделены от других воздушных пустот и, поэтому, в основном несплошные. Водные пустоты могут быть распределены в стенках воздушных пустот (см., например, фиг. 8-10).
Эффективность захвата пыли зависит от композиции данной гипсовой сердцевины. Обнаружено, что нафталинсульфонатные диспергаторы, если уровень использования достаточно высокий, могут поперечно связываться с желатинизированным крахмалом для связывания кристаллов гипса вместе после сушки, тем самым, увеличивая прочность гипсового композита в сухом состоянии.
Кроме того, неожиданно обнаружилось, что комбинация желатинизированного крахмала и нафталинсульфонатного диспергатора (органическая фаза) обеспечивает подобный клею эффект при связывании отвердевших кристаллов гипса вместе и, когда этот состав соединяют с определенным объемом пустот и распределением пустоты, фрагменты большего размера образованы надпилом/отломкой конечной стеновой плиты. Этот результат еще более усиливается увеличением толщины стенки и укрепленной уплотненной микроструктурой поверхности стенки в соответствии с данной полезной моделью. Большие гипсовые фрагменты в основном производят меньше пыли, переносимой по воздуху. В отличие от этого, если используется стандартный состав стеновой плиты, образуются меньшие фрагменты и, таким образом, больше пыли. Например, стандартные стеновые плиты могут образовывать фрагменты пыли на режущей пиле, имеющие средний диаметр от приблизительно 20 до 30 микрон, и минимальный диаметр приблизительно 1 микрон. В отличие от этого, гипсовые стеновые плиты данной полезной модели образовывают пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр от приблизительно 30 до 50 микрон и минимальный диаметр приблизительно 2 микрона надпил/отломка может производить даже большие фрагменты.
В более мягких стеновых плитах пыль может захватываться и в водные пустоты, и в воздушные пустоты (например, захват мелких иголок гипса как пыли из отдельных кристаллов). Более твердые стеновые плиты способствуют захвату пыли в воздушные пустоты, так как большие куски или фрагменты отвердевшей гипсовой сердцевины образованы при обработке этих плит. В данном случае фрагменты пыли слишком большие для водных пустот, но улавливаются в воздушные пустоты. В соответствии с одним вариантом осуществления данной полезной модели, возможно достижение увеличенного захвата пыли введением предпочтительного распределения размера пустоты/поры внутри отвердевшей гипсовой сердцевины. Предпочтительно иметь распределение пустот маленького и большого размера, как распределение воздушных и водных пустот. В одном варианте осуществления предпочтительное распределение воздушной пустоты может быть приготовлено с использованием мыльной пены. См. примеры 6 и 7 ниже.
Отношение воздушных пустот (более чем приблизительно 10 микрон) к водным пустотам (менее чем приблизительно 5 микрон) в пределах отвердевшей гипсовой сердцевины может составлять от приблизительно 1,8:1 до приблизительно 9:1. Предпочтительное отношение воздушных пустот (более чем приблизительно 10 микрон) к водным пустотам (менее чем приблизительно 5 микрон) в пределах данной гипсово сердцевины может быть от приблизительно 2:1 до приблизительно 3:1. В одном варианте осуществления распределение размера пустоты/поры в отвердевшей гипсовой сердцевине должно составлять от приблизительно 10 до 30% пустот менее приблизительно 5 микрон и от приблизительно 70 до 90% пустот более чем приблизительно 10 микрон, как процентное соотношение всех измеренных пустот. В другом случае, отношение воздушных пустот (более чем 10 микрон) к водным пустотам (менее чем 5 микрон) в отвердевшей гипсовой сердцевине варьируется от приблизительно 2,3:1 до приблизительно 9:1. В предпочтительном варианте осуществления распределение размера пустоты/поры в отвердевшей гипсовой сердцевине должно варьировать от приблизительно 30 до 35% пустот, менее чем приблизительно 5 микрон, и от приблизительно 65 до 70% пустот, более чем приблизительно 10 микрон, как процентное соотношение всех измеренных пустот. Другим путем определено, отношение воздушных пустот (более чем 10 микрон) к водным пустотам (менее чем 5 микрон) в отвердевшей гипсовой сердцевине варьирует от приблизительно 1,8:1 до приблизительно 2,3:1.
Предпочтительно, чтобы средний размер воздушной (пузырьковой) пустоты составлял менее чем приблизительно 100 микрон в диаметре. В предпочтительном варианте осуществления распределение размера пустоты/поры в отвердевшей гипсовой сердцевине: более чем приблизительно 100 микрон (20%), от приблизительно 50 микрон до приблизительно 100 микрон (30%), и менее чем приблизительно 50 микрон (50%). То есть, предпочтительный средний размер пустоты/поры составляет приблизительно 50 микрон.
Воздушные пустоты могут уменьшить прочность связывания между обладающей низкой плотностью пенистой отвердевшей гипсовой сердцевиной и покровными листами. Поскольку более, чем половина композитных гипсовых плит по объему может состоять из воздушных пустот благодаря пене, пена может препятствовать связыванию между вспененной отвердевшей гипсовой сердцевиной с низкой плотностью и бумажными покровными листами. Эта проблема решается опциональным обеспечением невспененного (или пониженно вспененного) связывающего высокоплотного слоя на поверхностях, контактирующих с гипсовой сердцевиной, верхнего покровного листа или нижнего покровного листа, или и верхнего покровного листа, и нижнего покровного листа, перед нанесением покровных листов на сердцевину. Состав такого невспененного или, альтернативно, пониженно вспененного связывающего высокоплотного слоя обычно будет тот же, что и состав гипсовой суспензии сердцевины, за исключением, когда или не будет добавлено мыло, или будет добавлено значительно уменьшенное количество мыла (пены). Опционально, с целью формирования такого связывающего слоя пена может быть механически удалена из состава сердцевины, или может наноситься другой состав без пены на поверхность раздела вспененной, с низкой плотностью отвердевшей гипсовой сердцевины/облицовочной бумаги.
Мыльная пена предпочтительна для введения и контроля размеров воздушных (пузырьковых) пустот и распределения в отвердевшей гипсовой сердцевины, и для контроля плотности отвердевшей гипсовой сердцевины. Предпочтительный диапазон мыла составляет от приблизительно 0,2 фунт/MSF до приблизительно 0,7 фунт/MSF; более предпочтительный уровень мыла составляет от приблизительно 0,45 фунт/MSF до приблизительно 0,5 фунт/MSF.
Мыльная пена должна быть добавлена в количестве, эффективном для получения желаемых плотностей, и регулируемым способом. С целью контроля процесса оператор должен наблюдать за верхней частью линии формирования плиты и держать оболочку наполненной. Если оболочку не держать наполненной, получатся стеновые плиты с полыми краями, поскольку суспензия не сможет заполнить необходимый объем. Объем оболочки держат наполненным увеличением использования мыла для предотвращения разрушения воздушных пузырьков во время изготовления плиты (для лучшего сохранения воздушных пузырьков), или увеличением нормы воздушной пены. Таким образом, в основном объем оболочки контролируется и регулируется либо путем увеличения или уменьшения использования мыла, либо путем увеличения или уменьшения нормы воздушной пены. Техника контролирования верхней части включает регулировки до "динамической суспензии" в таблице добавлением мыльной пены для увеличения объема суспензии, или уменьшением использования мыльной пены для уменьшения объема суспензии.
В соответствии с одним вариантом осуществления данной полезной модели представлены конечные содержащие гипс продукты, выполненные из содержащих гипс суспензий, включающих строительный гипс, желатинизированный крахмал и нафталинсульфонатный диспергатор. Нафталинсульфонатный диспергатор присутствует в количестве от приблизительно 0,1% до 3,0% по массе на основе массы сухого строительного гипса. Желатинизированный крахмал присутствует в количестве, по меньшей мере, от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе на основе массы сухого строительного гипса в составе. Другие ингредиенты, которые могут быть использованы в суспензии, включают вяжущие вещества, водоотталкивающие средства, бумажное волокно, стекловолокно, глину, биоцид и катализаторы. В соответствии с данной полезной моделью, требуется добавление мыльной пены к вновь составленным содержащим гипс суспензиям для уменьшения плотности конечного содержащего гипс продукта, например, гипсовой стеновой плиты, и для контроля пылеобразования путем введения общего объема пустот от приблизительно 75% до приблизительно 95%, и предпочтительно от приблизительно 80% до приблизительно 92%, в форме мелких воздушных (пузырьковых) пустот и водных пустот в отвердевшей гипсовой сердцевине. Предпочтительно, распределение среднего размера поры будет составлять от приблизительно 1 микрона (водные пустоты) до приблизительно 40-50 микрон (воздушные пустоты).
Опционально, комбинация от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе желатинизированного крахмала, от приблизительно 0,1% по массе до приблизительно 3,0% по массе нафталинсульфонатного диспергатора и минимально, по меньшей мере, от приблизительно 0,12% по массе до приблизительно 0,4% по массе соли триметафосфата (все на основе массы сухого строительного гипса, использованного в гипсовой суспензии) непредвиденно и значительно увеличивает текучесть гипсовой суспензии. Это значительно уменьшает количество воды, требуемой для изготовления гипсовой суспензии с достаточной текучестью, чтобы быть использованной в изготовлении содержащих гипс продуктов, таких как гипсовая стеновая плита. Предполагают, что уровень соли триметафосфата, который равен, по меньшей мере, приблизительно двум стандартным составам (как триметафосфат натрия), повысит диспергирующую активность нафталинсульфонатного диспергатора.
Нафталинсульфонатный диспергатор может использоваться в содержащих гипс суспензиях, изготовленных в соответствии с данной полезной моделью. Нафталинсульфонатные диспергаторы, используемые в данной полезной модели, включают полинафталинсульфоновую кислоту и ее соли (полинафталинсульфонаты) и производные, которые являются продуктами конденсации нафталинсульфоновых кислот и формальдегида. Особенно желательно, чтобы полинафталинсульфонаты включали нафталинсульфонат натрия и кальция. Средняя молекулярная масса нафталинсульфонатов может варьировать от приблизительно 3000 до 27000, хотя предпочтительно, чтобы молекулярная масса была от приблизительно 8000 до 22000, и более предпочтительно, чтобы молекулярная масса была от приблизительно 12000 до 17000. Как коммерческий продукт диспергатор с повышенной молекулярной массой имеет повышенную вязкость и пониженное содержание твердых веществ, чем диспергатор с пониженной молекулярной массой. Приемлемые нафталинсульфонаты включают DILOFLO, доступный от GEO Specialty Chemicals, Cleveland, Ohio; DAXAD, доступный от Hampshire Chemical Corp., Лексингтон, Массачусеттс; и LOMAR D, доступный от GEO Specialty Chemicals, Лафайетт, Индиана. Нафталинсульфонаты предпочтительно используются как водные растворы в диапазоне от 35% до 55%, по массе содержания твердых веществ, например, наиболее предпочтительно использовать нафталинсульфонаты в форме водного раствора, например, в диапазоне приблизительно от 40% до 45% по массе содержания твердых веществ. Альтернативно, по необходимости нафталинсульфонаты могут использоваться в сухой твердой или порошковой форме, такой как LOMAR D, например.
Полинафталинсульфонаты, приемлемые для осуществления данной полезной модели, имеют общую структуру (I):
где n>2, и где М представляет собой натрий, калий, кальций и подобное.
Нафталинсульфонатный диспергатор, предпочтительно как приблизительно 45% по массе раствора в воде, может быть использован в диапазоне от приблизительно 0,5% до приблизительно 3,0% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Более предпочтительный диапазон нафталинсульфонатного диспергатора составляет от приблизительно 0,5% до приблизительно 2,0% по массе на основе массы сухого строительного гипса, и наиболее предпочтительный диапазон составляет от приблизительно 0,7% до приблизительно 2,0% по массе на основе массы сухого строительного гипса. В отличие от этого, известная гипсовая стеновая плита содержит такой диспергатор при уровнях приблизительно 0,4% по массе или менее на основе массы сухого строительного гипса.
Другим путем определено, что нафталинсульфонатный диспергатор на основе сухой массы может использоваться в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 1,5% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Более предпочтительный диапазон нафталинсульфонатного диспергатора на основе сухих твердых веществ составляет от приблизительно 0,25% до приблизительно 0,7% по массе на основе массы сухого строительного гипса, и наиболее предпочтительный диапазон (на основе сухих твердых веществ) составляет от приблизительно 0,3% до приблизительно 0,7% по массе на основе массы сухого строительного гипса.
Содержащая гипс суспензия может факультативно включать соль триметафосфата, например, триметафосфат натрия. Любой приемлемый водорастворимый метафосфат или полифосфат может использоваться в соответствии с данной полезной моделью. Предпочтительно, чтобы использовалась соль триметафосфата, включая двойные соли, а именно соли триметафосфата, имеющие два катиона. Особо приемлемые соли триметафосфата включают триметафосфат натрия, триметафосфат калия, триметафосфат кальция, триметафосфат натрия кальция, триметафосфат лития, триметафосфат аммония и подобные, или их комбинации. Предпочтительной солью триметафосфата является триметафосфат натрия. Предпочтительно использовать соль триметафосфата как водный раствор, например, в диапазоне приблизительно от 10% до 15% по массе содержания твердых веществ. Другие циклические или ациклические полифосфаты могут также использоваться, как описано в патенте США №6409825 Yu и др., включенном здесь путем ссылки.
Триметафосфат натрия является известной добавкой в содержащих гипс композициях, хотя, в основном используется в диапазоне от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,08% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в гипсовой суспензии. В вариантах осуществления данной полезной модели триметафосфат натрия (или другой водорастворимый метафосфат или полифосфат) может находиться в диапазоне от приблизительно 0,10% до приблизительно 0,4% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в составе гипсового композита. Предпочтительный диапазон триметафосфата натрия (или другого водорастворимого метафосфата или полифосфата) составляет от приблизительно 0,12% до приблизительно 0,3% по массе на основе массы сухого строительного гипса, используемого в составе гипсового композита.
Существуют две формы строительного гипса, альфа и бета. Эти два типа строительного гипса изготавливаются различными способами обжига. В данной полезной модели может использоваться или бета, или альфа форма строительного гипса.
3
Крахмалы, включая желатинизированный крахмал, в частности, могут использоваться в содержащих гипс суспензиях, изготовленных в соответствии для осуществления данной полезной модели. Предпочтительный желатинизированный крахмал представляет собой желатинизированный кукурузный крахмал, например желатинизированную кукурузную муку, доступную от Bunge Milling, Сент-Луис, Миссури, имеющую следующий типичный состав: влажность 7,5%, белок 8,0%, масло 0,5%, сырое волокно 0,5%, зола 0,3%; имеющую дообжиговую прочность 0,48 psi (фунтов на квадратный дюйм) и имеющую свободную объемную массу 35,0 фунт/фут. Желатинизированный кукурузный крахмал должен использоваться в количестве, по меньшей мере, от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в содержащей гипс суспензии. В более предпочтительном варианте осуществления желатинизированный крахмал присутствует в количестве от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 4% по массе на основе массы сухого строительного гипса, использованного в содержащей гипс суспензии.
Данные изобретатели дополнительно обнаружили, что неожиданное увеличение прочности в сухом состоянии (в особенности в стеновой плите) можно получить при применении, по меньшей мере, от приблизительно 0,5% по массе до приблизительно 10% по массе желатинизированного крахмала (предпочтительно желатинизированного кукурузного крахмала) в присутствии от приблизительно 0,1% по массе до 3,0% по массе нафталинсульфонатного диспергатора (уровни крахмала и нафталинсульфоната основаны на массе сухого строительного гипса, присутствующего в составе). Такой неожиданный результат можно получить независимо от того, присутствует ли водорастворимый триметафосфат или полифосфат.
Кроме того, было обнаружено, что желатинизированный крахмал может использоваться при уровнях, по меньшей мере, от приблизительно 10 фунт/MSF или более в высушенной гипсовой стеновой плите, выполненной в соответствии с данной полезной моделью, все еще может быть достигнута высокая прочность и низкая масса. Показали, что будут эффективными уровни желатинизированного крахмала в гипсовой стеновой плите до 35-45 фунт/MSF. Например, состав В, как показано в таблицах 1 и 2 ниже, включает 45 фунт/MSF, все еще дает плиту массой 1042 фунт/MSF, имеющую хорошую прочность. В этом примере (состав В) нафталинсульфонатный диспергатор как 45% по массе раствора в воде был использован при уровне 1,28% по массе.
Дальнейший неожиданный результат может быть достигнут в данной полезной модели, когда комбинацию нафталинсульфонатного диспергатора соли триметафосфата соединяют с желатинизированным кукурузным крахмалом и факультативно бумажным волокном или стекловолокном. Гипсовая стеновая плита, выполненная из составов, включающих эти три ингредиента имеет увеличенную прочность и уменьшенную массу, и является более желательной экономически из-за пониженных потребностей в воде при их изготовлении. Приемлемые уровни бумажного волокна могут варьировать до приблизительно 2% по массе на основе массы сухого строительного гипса. Приемлемые уровни стекловолокна могут варьировать до приблизительно 2% по массе на основе массы сухого строительного гипса.
В содержащих гипс композициях данной полезной модели можно использовать, как описано в патенте США №6409825 Yu и др., включенном в данное описание ссылкой, катализаторы. Один желаемый термостойкий катализатор (HRA) может быть сделан из сухого помола природного гипса (дигидрат кальция сульфата). Небольшие количества добавок (обычно приблизительно 5% по массе), таких как сахар, декстроза, борная кислота и крахмал, могут использоваться для изготовления этого HRA. На данный момент предпочтителен сахар или декстроза. Другим приемлемым катализатором является "климат стабилизированный катализатор" или "климат стабильный катализатор" (CSA), как описано в патенте США №3573947, включенном в данное описание ссылкой.
Отношение вода/строительный гипс (w/s) является важным параметром, так как избыток воды может быть в конечном итоге удален нагреванием. В вариантах осуществления данной полезной модели предпочтительное отношение w/s составляет от приблизительно 0,7 до приблизительно 1,3.
Другие добавки в гипсовую суспензию могут включать катализаторы, связывающие вещества, водоотталкивающие средства, бумажные волокна или стекловолокна, глину, биоцид и другие известные составляющие.
Покровные листы могут быть сделаны из бумаги, как в стандартных гипсовых стеновых плитах, хотя могут использоваться другие приемлемые материалы покровного листа, известные в технике (например, стекловолонистые маты). Бумажные покровные листы обеспечивают прочностные характеристики в гипсовой стеновой плите. Приемлемая бумага покровного листа включает Manila 7-слойную и News-Line 5-слойную, доступную от United States Gypsum Corporation, Чикаго, Иллинойс; grey-Back 3-слойную и Manila Ivory 3-слойную, доступную от Caraustar, Ньюпорт, Индиана; плотную бумагу Manila и бумагу НТ (высокопрочную) МН Manila, доступную от United States Gypsum Corporation, Чикаго, Иллинойс. Бумажные покровные листы включают верхние покровные листы, или облицовочную бумагу, и нижние покрлвные листы, или бумажную подложку. Предпочтительной бумажной подложкой покровного листа является 5-слойная News-Line. Предпочтительная облицовочная бумага покровного листа включает МН Manila НТ (высокопрочную) бумагу и Manila 7-слойную.
2
Волокнистые маты могут также использоваться как один или оба покровных листа. Один приемлемый волокнистый мат представляет собой стекловолокнистый мат, в котором нити стекловолокна соединены вместе с помощью адгезива. Предпочтительно, чтобы волокнистые маты были неткаными стекловолокнистыми матами, в которых нити стекловолокна соединены вместе с помощью адгезива. Наиболее предпочтительно, чтобы нетканые стекловолокнистые маты имели толстое смоляное покрытие. Например, можно использовать нетканые стекловолокнистые маты Duraglass, доступные от Johns-Manviile, имеющие массу от приблизительно 1,2 до 2,0 фунт/100 футов, с приблизительно 40%-50% массы мата от смоляного покрытия. Другие приемлемые волокнистые маты включают, но не ограничены этим, тканые стеклянные маты и нецеллюлозные ткани.
Следующие примеры далее иллюстрируют данную полезную модель. Они не должны толковаться как каким-либо образом ограничивающие область данной полезной модели.
ПРИМЕР 1
Образец составов гипсовой суспензии
Составы гипсовой суспензии показаны в таблице 1 ниже. Все величины в таблице 1 выражены как массовые проценты на основе массы сухого строительного гипса. Величины в скобках представляют собой массу в сухом состоянии в фунтах (фунт/MSF).
ПРИМЕР 2
Получение стеновых плит
Образец гипсовых стеновых плит изготовили в соответствии с патентом США №6342284 Yu и др. и патентом США №6632550 Yu и др., включенным в данное описание ссылкой. Он включает отдельное образование пены и введение пены в суспензию всех других ингредиентов, как описано в примере 5 этих патентов.
Результаты испытаний гипсовых стеновых плит, выполненных с использованием составов А и В примера 1, и нормальной контрольной плитой показаны в таблице 2 ниже. Как в этом примере и других примерах ниже испытания на сопротивление к выдергиванию гвоздей, твердость сердцевины и прочность на изгиб были проведены в соответствии с ASTM С-473 (стандартными методами испытаний для физического испытания гипсовых панельных продуктов). Дополнительно указано, что типовая гипсовая стеновая плита имеет толщину приблизительно Vi дюйма и массу от приблизительно 1600 до 1800 фунтов на 1000 квадратных футов материала, или фунт/MSF. ("MSF" - стандартная аббревиатура в технике для тысячи квадратных футов; используется для площади коробок, рифленого материала и стеновой плиты.)
MD: продольное направление.
XMD: поперечное направление.
Как показано в таблице 2, гипсовые стеновые плиты, изготовленные с использованием составов А и В суспензий, имеют значительные уменьшения в массе в сравнении с контрольной плитой. Со ссылкой на таблицу 1 сравнения плиты состава А с плитой состава В наиболее разительны. Отношения вода/строительный гипс (w/s) подобны в составе А и составе В. Значительно больший уровень нафталинсульфонатного диспергатора также используется в составе В. Также в составе В использовалось значительно больше желатинизированного крахмала, приблизительно 6% по массе, более чем 100% увеличение относительно состава А, сопровождаемое заметными увеличениями прочности. Даже в этом случае, потребность в воде для получения требуемой текучести остается низкой в суспензии состава В, разница составляет приблизительно 10% в сравнении с составом А. Низкая потребность в воде в обоих составах объясняется синергетическим эффектом комбинации нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия в гипсовой суспензии, что увеличивает текучесть гипсовой суспензии, даже в присутствии существенно повышенного уровня желатинизированного крахмала.
Как показано в таблице 2, стеновая плита, изготовленная с использованием суспензии состава В, имеет существенно увеличенную прочность в сравнении со стеновой плитой, изготовленной с использованием суспензии состава А. С помощью введения увеличенных количеств желатинизированного крахмала в комбинации с увеличенным количеством нафталинсульфонатного диспергатора и триметафосфата натрия, сопротивление протягиванию гвоздя в составе В плиты повысилось на 45% в сравнении с составом А плиты. Существенные увеличения прочности на изгиб также наблюдались в составе В плиты в сравнении с составом А плиты.
ПРИМЕР 3
Испытания снижения массы 1/2 дюймовой гипсовой стеновой плиты
Дальнейшие примеры гипсовой стеновой плиты (плиты С, D и Е), включая суспензии составов и результаты испытаний, показаны в таблице 3 ниже. Составы суспензии таблицы 3 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены как массовые проценты на основе массы сухого строительного гипса.
Как показано в таблице 3, плиты С, D и Е выполнены из суспензии, имеющей существенно увеличенные количества крахмала, DILOFLO диспергатора и триметафосфата натрия в сравнении с контрольной плитой (приблизительно двойное увеличение процентного соотношения основы для крахмала и диспергатора и от двойного до тройного увеличения для триметафосфата), при этом отношение w/s поддерживается постоянным. Несмотря на это, масса плиты значительно уменьшилась, а прочность, как было измерено с помощью сопротивления протягиванию гвоздя, не была сильно затронута. Поэтому, в данном примере варианта осуществления данной полезной модели новый состав (такой как, например, плита D) может обеспечить увеличение формулированного крахмала в приемлемой текучей суспензии при сохранении того же отношения w/s и соответствующей прочности.
ПРИМЕР 4
Испытание прочности влажного гипсового куба
Испытание прочности влажного гипсового куба проводили при применении плиточного строительного гипса Southard CKS, доступного от United States Gypsum Corp., Чикаго, Иллинойс, и водопроводной воды в лаборатории для определения их влажной прочности сжатия. Использовали следующую процедуру лабораторного испытания.
3
Строительный гипс (1000 г), CSA (2 г) и водопроводная вода (1200 см) при приблизительно 70°F использовались для каждого влажного гипсового кубического слепка. Желатинизированный кукурузный крахмал (20 г, 2,0% на основе массы строительного гипса) и CSA (2 г, 0,2% на основе массы строительного гипса) тщательно всухую перемешали сначала в пластиковом мешке со строительным гипсом перед смешиванием с раствором водопроводной воды, включающем нафталинсульфонатный диспергатор и триметафосфат натрия. Использовали диспергатор DILOFLO (1,0-2,0%, как показано в таблице 4). Использовали такие варьирующиеся количества триметафосфата натрия, как показано в таблице 4.
Сухие ингредиенты и водный раствор были первоначально соединены в лабораторном смесителе Warning, изготовленной смеси позволили замачиваться в течение 10 секунд, и затем смесь была перемешана при низкой скорости в течение 10 секунд для получения суспензии. Суспензии, сформированные таким образом, были отлиты в три кубические формы размером 2"Х2"Х2". Отлитые кубы затем удалили из форм, взвесили и герметизировали внутри пластиковых мешков для предотвращения потери влаги до проведения испытания прочности сжатия. Прочность сжатия влажных кубов измеряли с использованием аппарата ATS и записали как среднее в фунтах на квадратный дюйм (psi). Полученные результаты были следующими:
Как показано в таблице 4, образцы 4-5, 10-11 и 17, выполненные в соответствии с данной полезной моделью, и имеющие уровни триметафосфата натрия в диапазоне от приблизительно 0,12% до 0,4%, в основном обеспечивают превосходную прочность сжатия влажного куба в сравнении с образцами с триметафосфата натрия вне этого диапазона.
ПРИМЕР 5
Испытания 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты промышленного производства
Следующие испытания были проведены (испытание плит 1 и 2), включая составы суспензий, и результаты испытаний показаны в таблице 5 ниже. Суспензии составов таблицы 5 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены как массовые проценты на основе массы сухого строительного гипса.
Как показано в таблице 5, испытуемые плиты 1 и 2 были выполнены из суспензии, имеющей значительно увеличенные количества крахмала, DILOFLO диспергатора и триметафосфата натрия, при незначительном уменьшении w/s отношения, в сравнении с контрольными плитами. Несмотря на это, прочность, измеренная с помощью сопротивления протягивания гвоздя и испытания на изгиб, поддерживалась или улучшилась, и масса плиты была значительно уменьшена. Поэтому, в данном примере варианта осуществления данной полезной модели новый состав (такой как, например, испытуемые плиты 1 и 2) может обеспечивать увеличение триметафосфата и крахмала, сформулированных в приемлемой текучей суспензии при поддержании главным образом того же w/s отношения и соответствующей прочности.
ПРИМЕР 6
Испытания 1/2 дюймовой сверхлегковесной гипсовой стеновой плиты промышленного производства
Были проведены следующие испытания (испытуемые плиты 3 и 4) с использованием состава В (пример 1) как в примере 2, за исключением того, что желатинизированный кукурузный крахмал изготовили с водой при 10% концентрации (приготовление влажного крахмала) и применяли смесь мыл HYONIC 25 AS и PFM 33 (доступных от GEO Specialty Chemicals, Лафайет, Индиана). Например, испытуемую плиту 3 изготовили со смесью HYONIC 25 AS и PFM 33, варьирующим от 65% до 70% по массе 25 AS и равновесным PFM 33. Например, испытуемую плиту 4 изготовили с 70/30 масса/масса смесью HYONIC 25AS/HYONIC PFM 33. Результаты испытаний приведены в Таблице 6 ниже.
Отмечено, что составы, описанные в данном примере, которые представлены в родственной патентной заявке США №11/592481, поданной 2 ноября 2006 г., обеспечивают гипсовую стеновую плиту, как описано в следующих примерах 7-9, имеющую большие воздушные пустоты с необычно толстыми стенками, имеющими уплотненные поверхности с повышенной прочностью. Как показано в таблице 6, прочностные характеристики, измеренные с помощью сопротивления протягиванию гвоздя и твердостью в середине образца, были выше ASTM стандарта. Измеренная прочность на изгиб также была выше ASTM стандарта. К тому же, в данном примере варианта осуществления данной полезной модели, новый состав (такой как, например, испытуемые плиты 3 и 4) может обеспечивать увеличение триметафосфата и крахмала, сформулированных в приемлемой текучей суспензии при поддержании соответствующей прочности.
ПРИМЕР 7
Расчет процентного отношения объема пустот в сердцевине гипсовой стеновой плиты с толщиной 1/2 дюймов как функции массы плиты и результатов резания пилой
3
Были проведены следующие испытания с целью определения объемов пустоты и плотностей (испытуемые плиты №5-13) с использованием состава В (пример 1) как в примере 2, за исключением того, что желатинизированный кукурузный крахмал изготовили с водой при 10% концентрации (приготовление влажного крахмала), использовалось 0,5% стекловолокно, и использовался нафталинсульфонат (DILOFLO) при уровне 1,2% по массе как 45% водный раствор. Мыльную пену сделали с использованием производителя мыльной пены и ввели в гипсовую суспензию в количестве, эффективном для обеспечения желаемых плотностей. В данном примере мыло использовалось при уровне от 0,25 фунт/MSF до 0,45 фунт/MSF. То есть, использование мыльной пены было соответственно увеличено или уменьшено. В каждом образце толщина стеновой плиты составляла 1/2 дюйма, и объем сердцевины был предположительно равномерным при 39,1 фут/М8Р. Объемы пустот измерили через образцы стеновой плиты 4 фута шириной, из которых удалили лицевую и подложковую бумагу. Лицевая и подложковая бумага может иметь толщину в диапазоне 11-18 мил (каждая сторона). Объемы пустот/размеры пор и распределение размеров поры определены с помощью сканирующей электронной микроскопии (см. пример 8 ниже) и технологии рентгеновского компьютерного томографического сканирования (ХМТ).
Как показано в таблице 7, были сделаны образцы испытуемой плиты, имеющие общие объемы пустот сердцевины, варьирующие от 79,0% до 92,1%, которые соответствуют плотностям сердцевины плиты, варьирующим от 28 pcf до 10 pcf, соответственно. Как пример, резание пилой испытуемой плиты 10, имеющей общий объем пустот сердцевины 81,8% и плотность сердцевины плиты 23 pcf, образовывало приблизительно на 30% меньше пыли, чем контрольная плита. В качестве дополнительного примера, если стеновые плиты со стандартным составом, имеющим меньше связывающего вещества (как крахмал с диспергатором или без диспергатора), выполнены, чтобы иметь значительно менее чем приблизительно 75%-80% общего объема пустот сердцевины, ожидается значительно большее образование пыли при резании, пилении, фрезеровании, отломке, забивании гвоздей, завинчивании или сверлении. Например, стандартные стеновые плиты могут образовывать пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр от приблизительно 20 до 30 микрон и минимальный диаметр приблизительно 1 микрон. В отличие от этого, гипсовые стеновые плиты в соответствии с данной полезной моделью будут образовывать пылевые фрагменты на режущей пиле, имеющие средний диаметр от приблизительно 30 до 50 микрон и минимальный диаметр приблизительно 2 микрона; надпил/отломка будет производить даже более крупные фрагменты.
Было показано, что комбинация из нескольких ключевых компонентов, используемых для изготовления содержащей гипс суспензии, а именно: строительного гипса, нафталинсульфонатного диспергатора, желатинизированного кукурузного крахмала, триметафосфата натрия, стекловолокна и/или бумажного волокна в комбинации с достаточным и эффективным количеством мыльной пены, может иметь синергетический эффект при производстве приемлемой гипсовой стеновой плиты низкой плотности, что также резко уменьшает образование гипсовой пыли во время резания ножом, резания пилой, надпила/отлома, сверления и нормальной ручной транспортировки плиты.
ПРИМЕР 8
Определение размеров воздушных пузырьковых пустот и размеров водных пустот в испытуемой плите №10 и морфологии гипсовых кристаллов
С помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) анализировали литые гипсовые кубы (2 дюйма X 2 дюйма X 2 дюйма) из производственных испытаний для приготовления испытуемой плиты №10. Наблюдали и измеряли воздушные пузырьковые пустоты и пустоты испарения воды, а также размер и форму гипсовых кристаллов.
Три образцовых куба сделали и пометили 11:08, 11:30 и 11:50, соответственно. Фиг. 1 -3 иллюстрируют размер воздушных пузырьковых пустот и распределение для каждого образца при 15Х увеличении. Фиг. 4-6 иллюстрируют размеры воздушных пузырьковых пустот и распределение для каждого образца при 50Х увеличении.
При более высоких увеличениях наблюдались водные пустоты, например, в основном в существенно более крупных стенках воздушных пузырьковых пустот, как показано на фигурах 7-10 для образцового куба 11:50 вплоть до 10000Х увеличения. Почти все кристаллы гипса были иглами; наблюдалось несколько пластинок. Плотность и упаковка игл варьировались на поверхностях воздушных пузырьковых пустот. Также наблюдались гипсовые иглы в водных пустотах в стенках воздушных пузырьковых пустот.
Результаты SEM показали, что в содержащих гипс продуктах, выполненных в соответствии с данной полезной моделью, воздушные и водные пустоты в основном равномерно распределены по всей отвердевшей гипсовой сердцевине. Наблюдаемые размеры пустот и распределения пустот также показали, что достаточно свободное пространство сформировано как воздушные и водные пустоты (общий объем пустот сердцевины) так, что значительное количество произведенной гипсовой пыли будет захвачено в окружающие пустоты при нормальной ручной обработке плиты и во время резания, пиления, фрезерования, отломки, забивания гвоздей или завинчивания или сверления, и не станет подниматься в воздух.
ПРИМЕР 9
Захват пыли в гипсовой стеновой плите с низким пылеобразованием
Если стеновые плиты изготовлены в соответствии с идеей данной полезной модели, как в примере 7, ожидается, что произведенная гипсовая пыль при обработке стеновой плиты будет включать, по меньшей мере, 50% по массе гипсовых фрагментов более чем приблизительно 10 микрон в диаметре. Будет захвачено, по меньшей мере, приблизительно 30% или более общей пыли, образовывавшейся при обработке стеновой плиты с помощью резания, пиления, фрезерования, надпила/отломки, забивания гвоздей или завинчивания и сверления.
ПРИМЕР 10
Дополнительный испытуемый состав 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты заводского производства
Примеры 7-9 представляют легковесную стеновую плиту, имеющую увеличенный объем пустоты. Оставшиеся примеры аналогичны примерам 7-9, но также подчеркивают увеличенную толщину стенки и уплотненные, с повышенной прочностью поверхности пустоты стенки микроструктуры стеновой плиты. В этой связи указано, что микроснимки фигур 5 и 6 примера 8 показывают микроструктуру, включающую обе большие воздушные пустоты и стенки с повышенной толщиной в соответствии с данной полезной моделью.
Таким образом, были изготовлены следующие составы суспензии (испытание 14), как показано в таблице 8 ниже. Составы суспензии таблицы 8 включают основные компоненты суспензий. Величины в скобках выражены в массовых процентах на основе массы сухого строительного гипса.
ПРИМЕР 11
Дополнительные испытания 1/2 дюймовой легковесной гипсовой стеновой плиты заводского производства
Результаты испытаний для гипсовых стеновых плит, изготовленных с использованием производственного испытуемого состава 14 и контрольного состава А примера 10, и двух стандартных конкурирующих плит, показаны в таблице 9 ниже. После выдерживания при 70°F/50% относительной влажности в течение 24 часов образцы стеновой плиты тестировали на сопротивление протягиванию гвоздя, твердость края/середины образца, прочность на изгиб и 16-часовую увлажненную связь. Испытания на сопротивление протягиванию гвоздя, твердость края/сердцевины, выгиб при увлажнении и прочность на изгиб были проведены в соответствии со стандартом ASTM С-473. Испытание на невоспламеняемость провели в соответствии с ASTM Е-136. Испытание характеристик горения поверхности провели в соответствии с ASTM Е-84 для определения индекса распространения пламени (FSI). Образцы плиты были анализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (см. пример 12 ниже) и энергодисперсионной спектроскопии (EDS). Образцы плиты также можно анализировать с помощью технологии рентгеновского компьютерного томографического сканирования (ХМТ).
Образование пыли измерили с помощью испытаний резания пилой и сверления. Для определения пылеобразования с помощью сверления в законченном образце стеновой плиты было просверлено 50 отверстий с использованием сверлильного станка, и полученная гипсовая пыль была собрана. Для определения пылеобразования с помощью ручного пиления было отрезано пять секций длиной один фут законченной стеновой плиты, и полученная гипсовая пыль была собрана. Для определения образования пыли с помощью пиления отверстия были отрезаны 5 кругов диаметром 4 дюйма в образце законченной стеновой плиты, и полученная гипсовая пыль была собрана.
Как показано в таблице 9, характеристики прочности испытуемой плиты 14, измеренные с помощью сопротивления протягиванию гвоздя, прочности на изгиб и твердости края/в середине образца, превосходят стандартные конкурентные плиты и превышают стандарт ASTM. Прогиб при увлажнении (провес) превосходит стандартные конкурентные плиты и превышает стандарт ASTM. Увлажненная связь: в дополнение к хорошему связыванию бумага-сердцевина (отсутствие повреждения) испытуемая плита №14 имела лучшие результаты по прочности связи, как показано в таблице 9. Окончательно, в дополнение к прохождению испытания на невоспламеняемость по стандарту ASTM, определено, что испытуемая плита №14 является материалом класса А по стандарту ASTM.
В дополнение, образцы испытуемой плиты №14 были оценены по ручной обработке, установке и установочной последовательности с помощью оценки внешнего вида, листового сдвига, испытания на изгиб, переноса на плече, углового вращения, скребка края, утончения края, надпила и отломки, отпиливания рашпилем, прорезания отверстия, ввинчивания, вбивания гвоздя и радиуса 10 футов. Заключения оценки были таковыми, что свойства ручной обработки испытуемой плиты №14 были равны или превышали контрольную плиту А и другие стандартные конкурентные гипсовые плиты таблицы 9.
ПРИМЕР 12
Определение поверхностных характеристик воздушного пузырька в испытуемой плите №14 и морфологии гипсового кристалла
Как в примере 8, с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) были анализированы литые гипсовые кубы (2 дюйма ×2 дюйма ×2 дюйма) из производственных проб для приготовления испытуемой плиты №14. Наблюдали и измеряли пустоты воздушного пузырька и пустоты испарения воды, а также размер и форму гипсового кристалла.
Результаты SEM вновь показали, что в содержащих гипс продуктах, выполненных в соответствии с данной полезной моделью, воздушные и водные пустоты в основном равномерно распределены по всей отвердевшей гипсовой сердцевине. Наблюдаемые размеры пустоты и распределение пустот также показали, что воздушными и водными пустотами сформировано достаточное свободное пространство ((общий объем пустот сердцевины) чтобы значительное количество произведенной гипсовой пыли будет захвачено в окружающие пустоты при воздействии обычной ручной обработки и во время резания, пиления, фрезерования, отломки, забивания гвоздей или завинчивания или сверления, а не переносилось по воздуху.
Результаты SEM, представленные на фиг. 11-19, иллюстрируют толщину стенки при большем увеличении микроснимков по сравнению с предыдущими SEM микрофотографиями примера 8. Эти результаты SEM, как показано на фиг. 13 и 14, при сравнении испытуемой плиты №14 и контрольной плиты А, соответственно, показали следующие два улучшения: 1) пустоты воздушных пузырьков в испытуемой плите были существенно больше, чем они же в контрольной плите, и 2) средние толщины стенок между пустотами в испытуемой плите намного больше средней толщины стенки между пустотами в контрольной плите. В основном, средняя толщина стенок между пустотами в испытуемой плите №14 составляет, по меньшей мере, от приблизительно 50 микрон до приблизительно 200 микрон. В отличие от этого, средние толщины стенок между пустотами в плите контроля А составляла в основном от приблизительно 20 до 30 микрон. Дополнительно, 500Х микроснимок фигуры 15 показывает укрепленную уплотненную поверхность "А", простирающуюся вдоль стенки пустоты вправо на микроснимке.
Как говорилось выше, большие средние толщины стенок между воздушными пустотами обеспечивают большую прочность законченной стеновой плиты, то есть лучшее сопротивление протягиванию гвоздя, лучшую твердость в середине образца/края и лучшие характеристики ручной обработки, например, уменьшение пылеобразования при сверлении, резании и пилении.
ПРИМЕР 13
Определение среднего размера пустот, толщины стенки и наличия уплотненной укрепленной стеновой поверхности
Образец сердцевины может быть изготовлен с помощью надпила образца стеновой плиты, предназначенной для тестирования и отломки поперек сердцевины, для отделения образца соответствующего размера. Свободные отходы затем удаляются, например, направлением нагнетаемого воздушного потока поперек царапанной площади. Образец сердцевины затем устанавливают и покрывают с использованием стандартных техник сканирующей электронной микросъемки.
Средний размер пустот
Приготовили десять микроснимков при 5 ОХ увеличении, принятом в произвольном месте в образце сердцевины. Измерили наибольшее перекрестное расстояние поперек каждой из пустот на десяти микроснимках. Сложили измеренные расстояния и вычислили среднее максимальное расстояние поперечного сечения. Это будет средний размер пустот образца.
Средняя толщина стенки
Приготовили десять микроснимков при 50Х увеличении, принятом в произвольных местах в образце сердцевины. Измерили расстояние между каждой из пустот, пересекаемых горизонтальными и вертикальными срезами микроснимка вдоль среза. Сложили все измеренные расстояния и вычислили среднее расстояние. Это средняя толщина стенки образца.
Уплотненная укрепленная поверхность стенки
Приготовили десять микроснимков при 500Х увеличении, принятом в произвольных местах в образце сердцевины. Проверили увеличенные пустоты, показанные в этих микроснимках на наличие толстых белых линий вдоль срезов пустот, как те, что определены как характеристика А на фиг. 15. Наличие этих толстых белых линий указывает на наличие уплотненных укрепленных поверхностей стенок пустот в образце.
Использование выражений в единственном числе и множественном числе и подобных объектов ссылки в контексте описания данной полезной модели (особенно в контексте следующих пунктов) должно толковаться как раскрытие единственного и множественного, если здесь не указано другое или явно не противоречит контексту. Перечисление диапазонов величин здесь всего лишь призвано служить сокращенным способом ссылки непосредственно на каждое отдельное значение, попадающее в диапазон, если здесь не указано иное, каждая отдельная величина представлена в описании, как если бы она была перечислена здесь отдельно. Все способы, описанные здесь, могут быть выполнены любым другим подходящим образом, если здесь не указано иное или явно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или примерного языка (например, "такой как"), представленных здесь, предназначено только для лучшего освещения данной полезной модели и не создает ограничений в объеме защиты данной полезной модели, если не указано иное. Ни одна формулировка в описании не должна быть истолкована как указание на какой-либо незаявленный элемент, как существенный в осуществлении данной полезной модели.
Предпочтительные варианты осуществления данной полезной модели описаны здесь, включая лучший способ, известный данным изобретателям, для выполнения данной полезной модели. Следует понимать, что иллюстрированные варианты осуществления являются лишь примерами и не должны приниматься как ограничивающие объем защиты данной полезной модели.