СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВ НА ОСНОВЕ ГИПСА И СУСПЕНЗИЯ ШТУКАТУРНОГО ГИПСА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В НИХ
METHOD OF MAKING GYPSUM-BASED SHEETS AND PLASTER GYPSUM SUSPENSION FOR USE IN GYPSUM-BASED SHEETS

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу изготовления листов на основе гипса и суспензии штукатурного гипса для применения в них. В частности, изобретение относится к способу изготовления листов на основе гипса с помощью суспензии штукатурного гипса с низким уровнем воды.
Уровень техники
Гипсокартонный лист или обшивочный лист обычно содержит слой гипсового сердечника (дигидрата сульфата кальция), расположенный между двумя наружными облицовочными слоями, такими как бумажный облицовочный слой.
Такие листы обычно изготавливают посредством непрерывного процесса, используя в качестве исходного материала кальцинированный гипс. Кальцинированный гипс (также известный как штукатурный гипс) представляет собой дигидрат сульфата кальция, претерпевший нагрев для удаления по меньшей мере части молекул связанной воды, и, следовательно, содержащий главным образом полугидрат сульфата кальция и, в некоторых случаях, также некоторое количество ангидрита сульфата кальция.
Штукатурный гипс подают в смеситель вместе с водой и добавками с получением суспензии штукатурного гипса, которую наносят на непрерывно продвигающийся бумажный облицовочный слой, движущийся по транспортерной ленте. Суспензии дают распределиться по продвигающемуся бумажному облицовочному слою до укладки на суспензию второго облицовочного слоя с получением непрерывной полосы заготовки обшивочного листа, имеющего трехслойную структуру. Заготовка может быть подвергнута процессу формования для достижения необходимой толщины. По мере продвижения полосы суспензии штукатурного гипса вперед посредством транспортерной ленты штукатурный гипс реагирует с водой в составе суспензии с образованием дигидрата сульфата кальция и начинает затвердевать. По достижении штукатурным гипсом момента в процессе производства, при котором затвердевание достигло нужной степени, полосу штукатурного гипса нарезают на части и отправляют на сушку.
Параметром, имеющим решающее значение в изготовлении гипсового обшивочного листа, является уровень воды в суспензии штукатурного гипса (то есть массовое соотношение между водой и штукатурным гипсом). Содержание воды в суспензии значительно превышает количество, требуемое для образования дигидрата сульфата кальция из штукатурного гипса. Дополнительная вода необходима для придания суспензии штукатурного гипса достаточной текучести, чтобы суспензия равномерно распределялась при нанесении на облицовочный слой обшивочного листа.
Гипсокартонные панели, изготовленные подобным образом, широко используются для обеспечения перегородок внутри зданий. Их преимущества для этой области применения состоят в том, что они являются легкими и быстрыми в установке. Однако в некоторых случаях гипсокартонные 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 крепят на опорную раму панели, и затем прикрепляют гипсокартонный лист к фанерному листу так, чтобы фанерный лист был расположен 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 гипсокартонный лист к фанере так, чтобы он находился 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 расположены 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 дополнительных действий по установке для закрепления панелей, проводимых на месте, и дополнительных опорных компонентов. Более 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. Следовательно, процесс установки может быть длительным и дорогостоящим.
Более 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.
Было обнаружено, что путем включения в гипсокартон относительно больших количеств полимерных добавок (таких как крахмал), а также волокон (например, стеклянных волокон) можно достичь значительного улучшения прочности крепления.
Однако считается, что наличие добавок полимеров (в частности, крахмала) и волокон в суспензии штукатурного гипса приводит к снижению текучести суспензии, если не повышать уровень воды в суспензии.
Краткое описание изобретения
Неожиданно было обнаружено, что суспензии штукатурного гипса, содержащие добавки крахмала и волокон, могут применяться для непрерывного изготовления листа на основе гипса даже при значительно более низких уровнях воды, чем считалось ранее.
Это обстоятельство обеспечивает множество преимуществ, в частности, относящихся к сушке листа на основе гипса. Более низкий уровень воды способствует сушке, поскольку позволяет сокращать время и/или температуру сушки. Это представляет особые преимущества для листов на основе гипса с высоким содержанием крахмала, так как крахмал имеет склонность к высокому сродству к воде, таким образом обычно увеличивая время и/или энергию, необходимые для сушки, что, в свою очередь, может привести к проблемам, таким как горение листа и/или ухудшенные механические характеристики листа.
Крахмалы, применяемые в изготовлении гипсокартона, могут быть мигрирующими или немигрирующими. Эти термины относятся к способности крахмала диспергировать сквозь лист в ходе его сушки. Мигрирующий крахмал обладает тем преимуществом, что он способен проникать через гипсовый сердечник к поверхности соприкосновения с облицовочным слоем листа, где он может выполнять роль клея для связывания облицовочного слоя с сердечником и/или защиты листа от горения. Однако тенденция мигрирующего крахмала к диспергированию из гипсового сердечника означает, что в сердечнике становится меньше крахмала для повышения прочности сердечника.
Неожиданно было обнаружено, что использование низкого уровня воды представляет особые преимущества в случае, когда крахмал представляет собой мигрирующий крахмал, так как считается, что это позволяет лучше контролировать движение крахмала сквозь гипсовый сердечник. То есть путем понижения уровня воды можно ограничивать тенденцию крахмала к диспергированию сквозь гипсовый сердечник, в результате чего может быть достигнут улучшенный баланс между необходимостью подачи крахмала к поверхности соприкосновения сердечника/облицовочного слоя и необходимостью удержания крахмала в гипсовом сердечнике для улучшения прочности. Контролируя количество крахмала, достигающего поверхности соприкосновения гипсового сердечника и облицовочного слоя, можно также сократить тенденцию крахмала к блокированию пористой структуры на поверхности листа и препятствованию процессу сушки.
Следовательно, в первом аспекте настоящего изобретения может быть предложен способ непрерывного изготовления панелей на основе гипса, включающий:
образование смеси, содержащей штукатурный гипс, мигрирующий крахмал, стеклянные волокна и воду;
отливку смеси в непрерывную полосу;
выдерживание полосы в условиях, достаточных для образования из штукатурного гипса сцепленной матрицы затвердевшего гипса;
нарезку полосы с образованием одной или более влажных заготовок панели; и
сушку влажной заготовки панели с образованием одной или более панелей на основе гипса;
где массовое соотношение между водой и штукатурным гипсом в смеси составляет менее 0,7;
количество штукатурного гипса в смеси составляет более 60 мас.% относительно общего содержания твердых веществ в смеси;
количество крахмала в смеси составляет более 3 мас.% относительно штукатурного гипса;
количество стеклянных волокон в смеси составляет более 1 мас.% относительно штукатурного гипса; и
3
плотность панели на основе гипса составляет более 700 кг/м.
Мигрирующий крахмал представляет собой крахмал, не подверженный тепловой обработке, который был модифицирован с помощью, например, добавления кислоты, термического разложения или окисления для расщепления молекулы крахмала посредством гидролиза, приводящего к снижению длины цепи молекулы крахмала. Термин «мигрирующие крахмалы» не включает, например, предварительно желатинизированные крахмалы, специально модифицированные для уменьшения свойств миграции.
Как правило, соотношение между водой и штукатурным гипсом в суспензии составляет менее 0,65, предпочтительно менее 0,60, более предпочтительно менее 0,55. В большинстве случаев соотношение между водой и штукатурным гипсом в суспензии составляет более 0,4.
В большинстве случаев количество штукатурного гипса в смеси составляет более 70 мас.% относительно общего содержания твердых веществ в смеси, в некоторых случаях – более 80 мас.%.
Как правило, количество крахмала в смеси составляет более 4 мас.% относительно штукатурного гипса, в некоторых случаях – более 5 мас.%.
3
В некоторых случаях плотность панели на основе гипса составляет более 800 кг/м.
Как правило, низкой величины соотношения между водой и штукатурным гипсом достигают добавлением к суспензии флюидизирующего вещества, такого как флюидизирующее вещество на основе поликарбоксилата, фосфатированный поликонденсат (предпочтительно фосфатированный поликонденсат, содержащий боковые цепи) и/или флюидизирующее вещество на основе нафталинсульфоната. Количество флюидизирующего вещества, как правило, составляет по меньшей мере 0,10 мас.% относительно штукатурного гипса, предпочтительно по меньшей мере 0,20 масс.%, более предпочтительно по меньшей мере 0,50 мас.%.
Еще одним способом получения низкого уровня воды может быть подготовительная обработка штукатурного гипса после кальцинирования и до образования суспензии штукатурного гипса. Подготовительная обработка включает стадию обжига кальцинированного гипса для уменьшения числа микротрещин. Подготовительная обработка может включать стадию воздействия на штукатурный гипс водяного пара при повышенных температурах и/или давлениях (например, штукатурный гипс может быть подвергнут воздействию относительной влажности, составляющей по меньшей мере 70 %, при температуре выше 100°C). В качестве альтернативы, подготовительная обработка может включать размалывание гипса в присутствии небольших количеств воды или водных растворов.
Следовательно, в некоторых случаях способ дополнительно включает включение в смесь флюидизирующего вещества, и/или применение штукатурного гипса, подвергнутого подготовительной обработке.
В некоторых случаях количество стеклянных волокон составляет по меньшей мере 1,5 мас.% относительно штукатурного гипса, предпочтительно по меньшей мере 2 мас.%.
Как правило, средняя длина стеклянных волокон составляет 3-12 мм.
В большинстве случаев средний диаметр стеклянных волокон составляет 5-50 мкм.
3
Во втором аспекте настоящего изобретения может быть предложена суспензия штукатурного гипса для применения в непрерывном способе изготовления панели на основе гипса, имеющей плотность по меньшей мере 700 кг/м, где суспензия содержит:
штукатурный гипс, предварительно нежелатинизированный крахмал, стеклянные волокна и воду;
где массовое соотношение между водой и штукатурным гипсом в смеси составляет менее 0,7;
количество штукатурного гипса в суспензии составляет более 60 мас.% относительно общего содержания твердых веществ в суспензии;
количество крахмала в суспензии составляет более 3 мас.% относительно штукатурного гипса;
количество стеклянных волокон в суспензии составляет более 1 мас.% относительно штукатурного гипса.
В некоторых случаях количество стеклянных волокон составляет по меньшей мере 1,5 мас.% относительно штукатурного гипса, предпочтительно по меньшей мере 2 мас.%.
Суспензия согласно второму аспекту изобретения может характеризоваться одним или более необязательными признаками суспензии, полученной способом согласно первому аспекту изобретения, взятыми по отдельности или в комбинации.
Уровень воды в суспензии, используемой для изготовления гипсовой панели, может быть определено путем изучения пор, присутствующих в панели. Как правило, поры можно охарактеризовать как воздушные пустоты (то есть они являются результатом проникновения воздуха в суспензию, например, посредством добавления пены в суспензию) или пустоты, заполненные водой (то есть они являются результатом испарения избытка воды, присутствующего в суспензии. Избыток воды относится к доле воды в суспензии, превышающей количество, требуемое для регидратации частиц суспензии).
Как правило, воздушные пустоты имеют округлую форму (например, они могут иметь эллиптическое поперечное сечение), а также обычно отделены от других воздушных пустот и, следовательно, обычно являются прерывистыми. В большинстве случаев диаметр воздушных пустот составляет более 10 мкм, и часто – более 15 мкм.
Как правило, пустоты, заполненные водой, имеют неправильную форму, а также связаны с другими пустотами, заполненными водой, образуя беспорядочные каналы в обычно непрерывной сети между кристаллами затвердевшего гипса. В большинстве случаев максимальный размер пустот, заполненных водой, составляет менее 7 мкм, чаще – менее 5 мкм.
Следовательно, в третьем аспекте настоящего изобретения может быть предложена панель, максимальный размер которой составляет более 1 м, имеющая сердечник на основе гипса, содержащий гипсовую матрицу, в которую внедрены крахмал в количестве более 3 мас.% относительно гипса и стеклянные волокна в количестве более 1 мас.% относительно гипса,
3
где плотность сердечника на основе гипса составляет более 700 кг/м, а количество гипса в сердечнике на основе гипса составляет более 60 мас.%,
а также где общий объем пустот, заполненных водой, меньше общего объема гипса в сердечнике панели.
Как правило, общий объем пустот, заполненных водой, составляет менее 90 % от общего объема гипса в сердечнике панели, предпочтительно менее 80 %, более предпочтительно менее 70 %.
Предпочтительно, крахмал представляет собой мигрирующий крахмал.
Общий объем пустот, заполненных водой, может быть определен из снимков частей панели, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Общий объем гипса в сердечнике панели (то есть истинный объем гипса, исключая поры) может быть определен с помощью рентгеноструктурного анализа методом энергетической дисперсии (EDAX) частей сердечника панели.
Панель согласно третьему аспекту изобретения может характеризоваться одним или более признаками суспензии, полученной способом согласно первому аспекту изобретения, взятыми по отдельности или в комбинации.
Подробное описание изобретения
Изобретение будет далее описано исключительно посредством примеров.
2
Из суспензий штукатурного гипса составов, приведенных в таблице 1, получали листы на основе гипса массой 12 кг/м. Количества ингредиентов даны в виде процентных долей относительно количества штукатурного гипса. Суспензию отливали в непрерывную полосу, наносимую на первый бумажный облицовочной слой. На нанесенную суспензию укладывали второй бумажный облицовочной слой.
Гипсу давали затвердеть и нарезали на части, которые затем сушили с получением листов на основе гипса.
На образцах размером 100 мм на 100 мм, подвергнутых воздействию температуры 23°C и относительной влажности 50%, проводили испытания на выдергивание винта. В образец вставляли винт по дереву длиной 50 мм с однозаходной резьбой, пропуская его через металлический элемент передачи нагрузки, расположенный на поверхности образца. Элемент передачи нагрузки имеет первую часть, расположенную так, чтобы располагаться между головкой винта и поверхностью образца, и вторую часть, выполненную с возможностью сообщения с установкой для испытаний, чтобы обеспечить возможность приложения нагрузки к винту вдоль его оси.
Затем образец устанавливали в универсальную установку для испытаний от Zwick и прикладывали к винту первоначальную нагрузку в 10 Н вдоль его оси. Затем нагрузку повышали, устанавливая постоянную скорость поперечного движения 10 мм/мин, до тех пор, пока не достигалось выдергивание винта.
Результаты представлены в таблице 1. Они представляют собой средние значения, каждое рассчитано на основании 16 образцов.
Можно видеть, что сила выдергивания винта увеличивается со снижением уровня воды. Полагают, что это связано с тем, что крахмал более равномерно распределен в листах, полученных при более низком уровне воды, то есть, крахмал имеет меньшую тенденцию к миграции к поверхности листа.
Таблица 1
Примеры
Сравнительные примеры
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
Уровень воды (%)
61
61
55
61
61
58
64
60
72
76
76
Стеклянные волокна длиной 6 мм (%)
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2,5
Кислотно-модифицированный крахмал (%)
5<sup>1</sup>
5,5<sup>2</sup>
5<sup>1</sup>
5<sup>2</sup>
6<sup>2</sup>
6<sup>2</sup>
6<sup>2</sup>
6<sup>2</sup>
5<sup>1</sup>
6<sup>2</sup>
6<sup>2</sup>
Замедлитель<sup>3</sup> (%)
0
0
0
0,01
0,01
0,01
0,02
0,02
0
0,02
0,02
Флюидизирующее вещество (%)
0,2<sup>4</sup>
0,2<sup>4</sup>
0,2<sup>4</sup>
0,2<sup>4</sup>
0,2<sup>4</sup>
0,3<sup>4</sup>
1<sup>5</sup>
1,3<sup>5</sup>
0,2<sup>4</sup>
0,8<sup>6</sup>
0,8<sup>6</sup>
Ускоритель затвердевания (%)
0,1
0,1
0,1
0,3
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
Штукатурный гипс
100<sup>7</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>8</sup>
100<sup>8</sup>
100<sup>7</sup>
100<sup>8</sup>
100<sup>8</sup>
Производительность технологической линии (м/мин)
27
27
27
22
22
22
22
22
27
22
22
Выдергивание винта (Н)
729
735
793
627
666
734
617
701
495
572
600
1
Кукурузный крахмал Merifilm 102 от Tate & Lyle
2
Кукурузный крахмал Fluitex MB065 от Roquette
3
PlastRetard от Sicit 2000
4
Сополимерное флюидизирующее вещество Ethacryl M
5
Флюидизирующее вещество, представляющее собой фосфатированный поликонденсат, содержащий боковые цепи, от BASF
6
Bozzeto CA40
7
Десульфогипс
8
Природный гипс.