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CN105658600A - 包含硅胶的石膏板 - Google Patents

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CN105658600A CN201480058024.0A CN201480058024A CN105658600A CN 105658600 A CN105658600 A CN 105658600A CN 201480058024 A CN201480058024 A CN 201480058024A CN 105658600 A CN105658600 A CN 105658600A
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Abstract

本发明描述了一种石膏组合物、板和产生具有提高的耐火极限的石膏板的方法。可基于硅胶的引入使用含凝固石膏的组合物来制备具有耐火极限的石膏板。

Description

包含硅胶的石膏板
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2013年11月5日提交的美国非临时专利申请号14/072,592的权益，该专利申请以引用方式并入本文。
背景技术
石膏产品通常可使用由至少水和灰泥形成的浆料制造。灰泥，即半水合硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)，与水反应形成石膏，即二水合硫酸钙(CaSO4·2H2O)。石膏墙板可为包含芯、面层和背层的复合板。可通过以有效提供所需石膏芯密度的量向灰泥浆料加入水性泡沫来减小石膏墙板的密度。由于所述板每单位体积含较少的石膏，故可用的延长墙板耐火极限的结晶水较少。石膏墙板通常用在内墙和天花板的干式墙构造中，并且应能够承受火和过高的温度。因此，石膏墙板使用最大化耐火极限(fireendurance)/耐火性(fireresistance)的规范制造。
石膏墙板的耐火极限/耐火性由板可承受标准耐火试验的时间量度。墙板的耐火性根据墙板避免温度上升、火焰通过和结构坍塌的能力来分类。为使各方，包括建设者、居住者和监管机构，在一个共同的基础上评价耐火极限，耐火试验组件被归类为若干标准配置。一些常见的组件包括由UnderwritersLaboratories，Inc.定义的试验设计，UnderwritersLaboratories，Inc.是一家测试和认证机构，有着被称为U305、U419和U423的试验。
标准耐火试验根据ASTME119的要求按惯例进行。在此类试验中，可基于墙组件显示出温度过度上升或火焰通过或结构坍塌的时间来建立耐火性分级。当如通过未暴露表面上若干热电偶所测得平均温度升高环境温度以上不止250°F(121℃)或任何单独的热电偶升高环境温度以上不止325°F(163℃)时发生试验的失败。系统耐火极限的持续时间不仅依赖于系统中所用的石膏板，而且依赖于许多其它因素，包括墙组件厚度、壁骨类型和间距、板尺寸、绝缘类型及其它参数。
虽然现有的技术在延长墙板耐火极限和耐火性方面是有用的，但进一步的改进总是可取的。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种石膏板，其包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物。所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐。所述凝固石膏组合物包含硅胶。所述石膏板具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数。
在另一个方面，本发明提供了一种提高石膏板的耐火极限的方法，其包括：形成包含灰泥、水和金属硅酸盐的浆料，沉积所述浆料于两个覆盖片材之间以形成板预制体，在所述浆料对于切割来说已充分硬化后将所述板预制体切割成具有预定尺寸的石膏板，和干燥所述石膏板。至少一部分金属硅酸盐转化为硅胶。所述石膏板具有与不具有硅胶的板相比提高的耐火极限、约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数。
由下面的描述，本发明的这些及其它优点以及另外的发明特征将是显而易见的。
附图说明
图1为散点图，示出了根据本发明的实施例的墙板在一系列蛭石重量％(X-轴)上的耐火极限指数(FEI)(Y-轴)。
图2为示出根据本发明的实施例用来测定墙板样品的FEI的小规模试验装置的结构的图。
图3为线图，示出了根据本发明的实施例在图2中所示小规模耐火试验过程中使用的炉的温度(Y-轴)对时间(X-轴)曲线。
图4为线图，示出了U419试验的耐火极限(Y-轴)与根据本发明的实施例的图2小规模试验的耐火极限(X-轴)之间的相关性。
图5为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例2的墙板在一系列硅酸盐重量％(X-轴)上的FEI(Y-轴)。
图6为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例2的墙板的未暴露表面温度(Y-轴)对时间(X-轴)的关系。
图7为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例3的墙板在一系列硅酸盐重量％(X-轴)上的FEI(Y-轴)。
图8为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例3的墙板的未暴露表面温度(Y-轴)对时间(X-轴)的关系。
图9为散点图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例3的墙板在一系列硅酸盐重量％(X-轴)上的板压缩强度(Y-轴)。
图10为线图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例4的墙板在一系列硅酸盐重量％(X-轴)上的FEI(Y-轴)。
图11为散点图，示出了根据本发明的实施例在小规模耐火试验过程中实例5的墙板在一系列硅酸盐重量％(X-轴)上的板压缩强度(Y-轴)。
具体实施方式
本发明的实施例至少部分地以包含硅胶的石膏产品(例如，石膏墙板)令人惊奇且意外地可具有改善的耐火极限和压缩强度这一发现为前提。根据本发明的实施例，已发现，当向灰泥浆料(包含水、灰泥和根据需要任选的添加剂)中加入金属硅酸盐时，可在制造工艺过程中原位形成硅胶。硅胶的聚合物型高度交联网络可既赋予石膏基质以耐火极限又赋予石膏基质以强度。虽然不希望受任何特定理论的束缚，但据信硅胶的亲水特性和硅胶与石膏之间的纳米级相互作用分别导致提高的耐火极限和强度。本发明的产品可比不具有硅胶或具有较少量硅胶的相等密度(在板的情况下，厚度)产品具有更高的耐火极限和压缩强度。石膏产品可呈墙板、顶棚面板(例如，顶棚砖或板)、吸声砖、填缝混合料等的形式。
应理解，硅胶为二氧化硅的多孔形式，其可自金属硅酸盐合成制备。硅胶是非晶固体，因其吸附水和其它小分子的能力而通常用作干燥剂和过滤剂。Si-O键中的部分偶极子允许硅胶与水分子氢键结合，而硅胶的多孔性和大表面积使材料能够易于吸附水。根据本发明的实施例，在石膏产品的制造过程中，金属硅酸盐可原位形成硅胶。
金属硅酸盐可在灰泥浆料中转化为硅胶，从而产生具有提高的耐火极限和强度的石膏板。在本领域中，通常认为在高热条件下轻质石膏板尤其易于收缩。由于硅胶可在高温下如当暴露于火时减小体积，故令人惊奇且意外地发现在耐火试验过程中硅胶可提高轻质板的耐火极限同时仅发生极小的收缩。因此，在一些实施例中，可向石膏浆料中加入金属硅酸盐以形成轻质石膏板(例如，板密度低于约42lb/ft3、低于约40lb/ft3、低于约38lb/ft3、低于约35lb/ft3、低于约33lb/ft3和更低)。
可向灰泥组合物中加入任何合适的金属硅酸盐以提高石膏产品的耐火极限和压缩强度。例如，在一些实施例中，金属为钠、钾或锂。在一些实施例中，可以浆料的形式向灰泥组合物中加入不同的金属硅酸盐的组合以提高石膏产品的耐火极限和压缩强度。可转化为硅胶的任何金属硅酸盐均适合于本发明。例如，碱金属硅酸盐如硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或它们的任何组合均适合于本发明。
可以任何合适的量向灰泥中加入金属硅酸盐或金属硅酸盐的混合物。金属硅酸盐可独自加入(以固体形式)或以湿的形式如浆料或溶液加入。除非另有指出，否则应理解本文描述的金属硅酸盐的量指金属硅酸盐的活性未稀释重量而非可能含金属硅酸盐的整个溶液或浆料的重量。
在一些实施例中，金属硅酸盐以基于灰泥的重量计高于约0.01重量％的量加入。例如，金属硅酸盐可以基于灰泥的重量计约0.01重量％至约5重量％的量加入。在其它实施例中，金属硅酸盐以基于灰泥的重量计约0.01重量％至约1重量％的量加到灰泥中。在本发明的实施例中，加到灰泥中的金属硅酸盐的量可例如为如表1A和1B中所列。在这些表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示基于灰泥的重量计加入的金属硅酸盐的重量的量。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表1A中的第一个“X”为范围“约0.01％至约0.05％”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表1A
表1B
在一些实施例中，金属硅酸盐组分可为硅酸钠，硅酸钠也称水玻璃或液体玻璃，其转化为硅胶。在这些实施例中，硅酸钠可用作唯一的金属硅酸盐组分，或者与另一金属硅酸盐组合地使用。应理解，硅酸钠为碱性无机化合物，通常用来制造工业产品和消费品。由于其易溶于水中，故硅酸钠常常以水性溶液出售。
根据本发明使用的金属硅酸盐可以任何合适的方式制备。例如，为示意起见，在一些实施例中，硅酸钠可通过在平炉中使高纯度硅砂(SiO2)与苏打灰(Na2CO3)在高温下融合来制备。首先，使苏打灰和硅砂在1100℃至1300℃下熔化以产生称为碎玻璃的非晶固体玻璃，其由SiO2和Na2O的混合物组成。其次，在压力下于容器中将碎玻璃溶解在水中。所得溶液有时被称为水玻璃并且在本发明的一些实施例中可直接用在灰泥浆料中。在一些实施例中，包含硅酸盐的产品的性质可通过改变SiO2/Na2O重量比来控制。如果需要，SiO2/Na2O比率可通过向水玻璃中加入不同的量的氢氧化钠(NaOH)来改变。其它金属硅酸盐通常以相同的方式制备。金属硅酸盐通常可以溶液或以固相商购获得，并可具有广泛的性质。
金属硅酸盐常常用作以各种比率组合的SiO2和MxO(其中M为金属并且x≥1)的水溶液的通称，并可通过基于溶液的SiO2/MxO比率的等级来识别。为示意起见，硅酸钠可为以各种比率组合的SiO2和Na2O的水溶液的通称，并可通过基于溶液的SiO2/Na2O比率的等级来识别。
本发明的SiO2对金属氧化物比率可为任何合适的比率。在一些实施例中，SiO2对金属氧化物比率为约0.5至约5。在其它实施例中，SiO2对金属氧化物比率为约2至约4。在本发明的实施例中，SiO2对金属氧化物比率可例如为如表2中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示SiO2对金属氧化物比率(表2)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表2中的第一个“X”为范围“约0.5∶1至约1∶1”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表2
加到灰泥的金属硅酸盐溶液可具有任何合适的pH。根据本发明的一些实施例，已发现通过组合灰泥与pH低于约10的金属硅酸盐溶液制成的石膏产品如墙板赋予石膏产品改善的耐火极限和压缩强度。因此，在一些实施例中，金属硅酸盐溶液具有约5至约10的pH，如约5至约9、约5至约8、约5至约7、约5至约6、约6至约10、约6至约9、约6至约8、约6至约7、约7至约10、约7至约9或约7至约8的pH。
例如，在一些实施例中，加到灰泥的金属硅酸盐溶液的pH为至少约5至小于约10。已发现在一些实施例中，如在硅酸钠的情况下，pH为约10或以上(例如，pH为约10至约13)的溶液可在自灰泥形成石膏的过程中导致延迟效应。因此，在一些实施例中，组合物、墙板或方法可“基本上不含”pH为至少约10的硅酸盐，其意思是所述组合物、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的pH为至少约10的硅酸盐或无这样的硅酸盐、或(ii)无效的量的pH为至少约10的硅酸盐或(iii)非实质性的量的pH为至少约10的硅酸盐。无效的量的一个例子为取得使用pH为至少约10的硅酸盐的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。量可为例如基于灰泥的重量计约0.5重量％以下，如约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。
然而，如果在替代的实施例中需要，可在组合物、墙板或方法中使用pH为至少约10的金属硅酸盐溶液，尤其是当任何延迟效应被接受或减轻时。在一些实施例中，已发现，pH高于约10的金属硅酸盐溶液可提高耐火极限和压缩强度。因此在一些实施例中，金属硅酸盐溶液的pH可为约10至约13，如约10至约12、约10至约11、约11至约13、约11至约12或约12至约13。在一些实施例中，组合物、墙板或方法可“基本上不含”pH低于约10的硅酸盐，其意思是所述组合物、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的pH低于约10的硅酸盐或无这样的硅酸盐、或(ii)无效的量的pH低于约10的硅酸盐或(iii)非实质性的量的pH低于约10的硅酸盐。无效的量的一个例子为取得使用pH低于约10的硅酸盐的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。量可为例如基于灰泥的重量计约0.5重量％以下，如约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。
在一些实施例中，金属硅酸盐可经由水玻璃技术在灰泥浆料中原位转化以形成硅胶。在水玻璃工艺过程中，向硅酸盐加入酸以降低pH，这导致硅酸盐的水解以形成硅酸。硅酸分子的硅烷醇基团(-Si-OH)可自发地缩合形成聚合物(即，硅胶)。硅的四价性质允许硅酸形成四个新的硅-氧键，其可生成高度交联的硅基聚合物。通过此工艺，分子变为大的三维网络。
在一些实施例中，在加到灰泥之前用酸中和金属硅酸盐。对于板制造的工艺，优选硅胶的形成在向金属硅酸盐加入酸后约2分钟至约120分钟发生。对于实际的板制造，在加到灰泥浆料之前硅酸盐溶液必须具有良好的流动性，因为硅酸盐溶液被泵送到灰泥组合物中。如果在泵送之前硅酸盐凝胶化，则硅酸盐将难以泵送。凝胶形成时间取决于因素包括金属硅酸盐溶液的初始浓度、加酸后溶液的pH、SiO2/Na2O比率和所用酸的类型/浓度。
在一些实施例中，在加酸之前，用水稀释金属硅酸盐溶液以获得所需的浓度。在其它实施例中，在加酸之前，混合固体金属硅酸盐与水以获得具有所需浓度的溶液。金属硅酸盐溶液可具有任何足够的浓度。在一些实施例中，基于水中金属硅酸盐的量计，金属硅酸盐溶液具有约0.1％至约10％的浓度。在其它实施例中，金属硅酸盐溶液具有约0.1％至约4％的浓度。金属硅酸盐溶液的浓度优选为约3％至约4％。
可向金属硅酸盐加入任何足够的酸以便中和。例如，可使用酸如硝酸、乙酸和水解硫酸铝。在一些实施例中，使用强酸如盐酸(20％浓度)和硫酸(98％浓度)。对于本发明，硫酸通常比盐酸优选，因为氯离子的存在可能对板强度不利。
在优选的实施例中，向硅酸盐溶液加入足够的量的酸以形成pH为约5至约10的溶液。在一些实施例中，当与灰泥浆料合并时，硅酸盐溶液的pH降低。当硅酸盐溶液的pH为约5至约8时，凝胶形成最快。在一些实施例中，向硅酸盐溶液加入足够的酸以形成pH为约6至约8的溶液。在本发明的实施例中，在向硅酸盐加入酸后硅酸盐溶液的pH可例如为如表3中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示加酸后硅酸盐溶液的pH(表3)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表3中的第一个“X”为范围“约5至约5.5”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表3
可将硅酸盐溶液与至少灰泥合并以形成具有较高耐火极限和强度的墙板。在一些实施例中，于两个覆盖片材之间设置凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐。在一些实施例中，将金属硅酸盐与干灰泥合并。在其它实施例中，直接向灰泥浆料加入金属硅酸盐固体或溶液。将包含硅酸盐的灰泥浆料设置于两个覆盖片材之间。在浆料对于切割来说已充分硬化后将板预制体切割成具有预定尺寸的板。干燥所述板。虽然不希望受任何特定理论的束缚，但据信，随着灰泥水合形成石膏，硅酸盐的浓度增大，从而引发硅胶的更快形成。由于板在高温下干燥，故形成硅胶的聚合反应可以完成。
在一些实施例中，在加到灰泥之前硅酸盐可以是部分聚合的。在其它实施例中，硅酸盐可在当在浆料中时部分聚合，但在暴露于高温如在窑中以进行干燥步骤来移除过量的水时完全转化为硅胶。在一些实施例中，硅酸盐未完全聚合，甚至在离开窑时。任何硅酸钠对硅胶比率均是足够的，只要硅胶的量相对于无根据本发明的硅胶的石膏产品的压缩强度有效地提高石膏产品的压缩强度即可。
如上所述，硅酸盐聚合成硅胶的程度可为任何合适的量，如约50％或更大(即，1∶1的比率)、60％或更大、70％或更大、80％或更大、90％或更大、95％或更大和99％或更大。然而，较小的聚合程度可能不能充分利用本发明的一些实施例的耐火极限和强度增强。因此，在一些实施例中，优选凝固石膏组合物以比凝固石膏组合物中金属硅酸盐的量高的量包含硅胶。在一些实施例中，优选凝固石膏组合物中硅胶对金属硅酸盐的比率为例如至少约2∶1、至少约3∶1、至少约4∶1、至少约5∶1、至少约10∶1、至少约20∶1、至少约50∶1、至少约75∶1、至少约80∶1、至少约90∶1、至少约95∶1、至少约97∶1、至少约99∶1或完全聚合(100％)成硅胶。
在一些实施例中，可向包含金属硅酸盐的浆料配方加入高热膨胀添加剂如蛭石以改善耐火极限。如本文所用，蛭石为用于铝、镁和铁的水合硅酸盐矿物组的术语，所述矿物在加热时可膨胀而赋予更高的耐火极限。然而，当使用过量的量的蛭石来制备轻质板时，蛭石颗粒的膨胀可导致剥落和破碎。高热膨胀添加剂如蛭石的使用可能价格昂贵并且在特定的蛭石含量阈值后耐火极限的有效提高常常趋于平缓。如图1中可见，蛭石的量从2.7重量％增至3.6重量％导致耐火极限指数(FEI)增加3.5分钟，而蛭石的量从3.6重量％增至5.4重量％导致FEI不到1分钟的增加。因此，当蛭石含量在约3.6重量％以下时获得最高成本效益。
根据一些实施例，硅酸盐与蛭石的组合可提高石膏板的耐火极限。在一些实施例中，可向灰泥浆料中引入减小的量的高膨胀颗粒如蛭石与一种或多种金属硅酸盐的组合。例如，一个有益效果在于蛭石可减小包含硅胶的板中的收缩。硅胶可在高温下转化为二氧化硅(SiO2)，导致石膏制品的体积收缩。石膏组合物中的体积收缩导致热更快传过石膏芯。高热膨胀添加剂如蛭石的加入可有助于抵消此收缩。
在一些实施例中，引入减小的量的高膨胀颗粒如蛭石。例如，使用较小的蛭石量制成的防火板令人惊奇且意外地增强耐火极限并此外在制造过程中需要较低的费用。在一些实施例中，灰泥浆料中蛭石的量为约5重量％或更少，例如4重量％或更少、3重量％或更少、2重量％或更少、1重量％或更少、0.5重量％或更少或者0.1重量％或更少。每一前述终点可具有一个下限，例如0.001重量％、0.01重量％、0.05重量％、0.1重量％、0.5重量％、1重量％、1.5重量％或2重量％，视数字情况而定。
在一些实施例中，蛭石可以浆料的形式以任何足够的量加到灰泥组合物。可采用较低膨胀的蛭石如被称为“第5级”未膨胀蛭石(具有低于约0.0157英寸(0.40mm)的典型粒度)的那种或相对于第5级蛭石(美国分级体系)具有高的膨胀体积的蛭石形式的高膨胀微粒，和其它低膨胀蛭石。在其它实施例中，可使用按不同的分级体系分类的高膨胀蛭石。这样的高膨胀蛭石应具有与本文中讨论的那些所典型的基本相似的膨胀和/或耐热特性。例如，在一些实施例中，可使用分类为欧洲、南美或南非0级(微米)或1级(超细)的蛭石。
在一些实施例中，采用的高膨胀蛭石可包括可通过各种来源商购获得的市售美国4级蛭石。商业生产者可提供高膨胀蛭石的物理性质规格，所述物理性质例如莫氏硬度、总水分、游离水分、堆积密度、特定比率、纵横比、阳离子交换容量、溶解度、pH(在蒸馏水中)、膨胀比率、膨胀温度和熔点。预计在使用不同来源的高膨胀蛭石的不同实施例中，这些物理性质将有差异。
在一些实施例中，通常使高膨胀蛭石颗粒分布遍及石膏面板的芯部分。在其它实施例中，通常使高膨胀蛭石颗粒均匀分布遍及石膏面板的芯部分。通常可使高膨胀蛭石无规分布遍及芯的任何降低了密度的部分。在一些实施例中，可能希望在板的较致密部分中具有不同的蛭石分布，如在邻近面板面的任何增加了密度的石膏层中或在芯的沿面板边缘具有较高密度的部分中。在其它实施例中，面板的那些较致密部分如硬化的边缘和面板的面可基本上不包含高膨胀蛭石。面板的较致密部分中的蛭石颗粒含量和分布的此类变化可以是自芯浆料混合器抽吸芯浆料以用于面板的这些部分中、通过其它适宜的措施向用于面板的降低了密度的芯部分的浆料中引入蛭石、通过使用刃型混合器或本领域技术人员已知的其它措施的结果。
在本发明的实施例中，蛭石的量可例如为如表4中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示基于灰泥的量计蛭石的重量％。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表4中的第一个“X”为范围“约0％至约0.2％”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表4
在一些实施例中，硅胶可充当高膨胀材料如蛭石的低成本替代物。因此在一些实施例中，所需的墙板由基本上不含高膨胀材料如蛭石的浆料形成。另外，在一些实施例中，墙板或制备板的方法可“基本上不含”高膨胀材料如蛭石，其意思是所述浆料、墙板或方法含(i)基于灰泥的重量计0重量％的此类高膨胀材料如蛭石或无此类高膨胀材料如蛭石、或(ii)无效的量的高膨胀材料如蛭石或(iii)非实质性的量的高膨胀材料如蛭石。无效的量的一个例子为取得使用高膨胀材料如蛭石的预期目的的阈值量以下的量，这是本领域普通技术人员应理解的。量可为例如基于灰泥的重量计约5重量％以下，如约2重量％以下、约1重量％以下、约0.5重量％以下、约0.2重量％以下、约0.1重量％以下或约0.01重量％以下，这是本领域普通技术人员应理解的。然而，如果在替代的实施例中需要，则组合物、墙板或方法中可包含此类成分。
在一些实施例中，金属硅酸盐的量相对于基于灰泥的重量计金属硅酸盐的量低于约0.01重量％的凝固石膏芯有效地提高凝固石膏芯的压缩强度。本发明的板具有可达到ASTMC1396的标准的压缩强度，在一些实施例中参考ASTMC473-10试验方法(例如，ASTMC473-10，方法B)。在本发明的实施例中，压缩强度可例如为如表5中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以psi计的板的压缩强度(表5)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表5中的第一个“X”为范围“约200psi至约220psi”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表5
一般来说，当石膏墙板在热应力下时，热能最初被引导向硫酸钙结合水分子的蒸发。正是这两分子的水赋予石膏高度耐热性。在达到215°F(102℃)后，水分子被赶走，这导致半水合硫酸钙的形成。当温度达到250°F(121℃)时，剩余的水随着石膏转化为无水硫酸钙而失去。两个反应均是吸热的，意味着随着其从二水合物“煅烧”成无水石膏，石膏将吸收热。虽然不希望受任何特定理论的束缚，但据信遍及芯的亲水硅胶网络的形成导致耐火极限和压缩强度的改善。还据信在过火期间，煅烧过程中自石膏芯释放的水分被吸附到硅胶表面上。据信使水从硅胶表面蒸发所需的额外能量有效地降低板的温度，从而导致更高的耐火极限。还据信，由于在过火期间整个煅烧过程中紧邻石膏，故多孔硅胶的三维网络可在纳米尺度下有效地吸附水分。
虽然不希望受任何特定理论的束缚，但还据信硅胶的三维网络在整个芯中分布并与石膏晶体在纳米尺度下缠绕。据信硅胶包绕石膏晶体，从而在石膏板的形成过程中向石膏晶体施加力，这为芯提供更高的完整性。据信硅胶在板结构中起到增强网络的作用而改善其压缩强度。
灰泥浆料中水的量可影响石膏产品的耐火极限，如美国专利申请号14/054689中所公开，其关于水对灰泥比率的内容以引用方式并入本文。在一些实施例中，浆料可具有约0.7至约2.0的水对灰泥比率。在其它实施例中，浆料可具有约1.0至约2.0的水对灰泥比率。在其它实施例中，浆料可具有约1.2至约2.0的水对灰泥比率。
在一个实施例中，本发明提供了一种石膏板，其包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐。所述浆料具有约1.2至约2.0的水对灰泥比率。所述石膏板具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度、如根据ASTMC473-09(例如，ASTMC473-09，方法B)所测得至少约70lbs力的拔钉阻力、和高于约50分钟的FEI。
本发明可采用与现有技术中用来制备各种含凝固石膏的产品的那些相似的组合物和方法来实施。在芯中，用来形成结晶基质的灰泥(或煅石膏)组分通常包含来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物，基本上由来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物组成，或者由来自天然或合成来源的β半水合硫酸钙、水溶性无水硫酸钙、α半水合硫酸钙或这些中的任何或全部的混合物组成。在一些实施例中，灰泥可包含非石膏材料，如较小量的粘土或者伴随石膏源或在煅烧、加工和/或递送的过程中加入的其它组分。
在本发明的实施中，石膏芯可以赋予所需性质和方便制造的常规量包含常规的添加剂如合适的水性泡沫、促凝剂、缓凝剂、再煅抑制剂、粘结剂、粘合剂、均化或非均化剂、杀细菌剂、杀真菌剂、pH调节剂、着色剂、增强材料、阻燃剂、防水剂、填料、尺寸强化剂以及它们的混合物。在一些实施例中，可使用分散剂如萘磺酸盐、聚羧酸盐或羟烷基化化合物。另外，石膏芯可包含添加剂如膦酸和/或膦酸盐化合物、磷酸和/或磷酸盐化合物、羧酸和/或羧酸盐化合物以及它们的混合物。
本发明的含石膏组合物中可如美国专利号6,409,825中所述使用促进剂，该专利关于促进剂的内容以引用方式并入本文。一种可取的耐热促进剂(HRA)可由石膏粉(二水合硫酸钙)的干磨制成。为制备此HRA，可使用少量的添加剂(通常约5重量％)如糖、右旋糖、硼酸和淀粉。目前优选糖或右旋糖。另一可用的促进剂为如美国专利号3,573,947中所述的“气候稳定化促进剂”或“气候稳定的促进剂”(CSA)，该专利关于促进剂的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，向用来制备芯的石膏浆料中加入三偏磷酸盐化合物以增强板的强度和减少石膏产品的永久变形。包含聚磷酸盐如三偏磷酸盐化合物的石膏组合物在美国专利号6,342,284中有公开，该专利关于三偏磷酸盐化合物的内容以引用方式并入本文。示例性的三偏磷酸盐包括三偏磷酸钠盐、三偏磷酸钾盐或三偏磷酸锂盐，如可得自Astaris，LLC.，St.Louis，Mo的那些。
在一些实施例中可使用增稠剂来获得在成型生产线上制造板的合适流变性。可向浆料中加入充分地降低灰泥浆料的流动性所需的任何增稠剂。例如，可向石膏组合物中加入硅灰、波特兰水泥、粉煤灰、粘土、纤维素纤维以及它们的混合物。这对于在生产线速度高于200ft/分钟的生产线上增稠浆料最为有利。也可向石膏浆料中加入高分子量聚合物如聚丙烯酰胺来降低浆料的流动性。在一些实施例中，可以基于灰泥的重量计低于约10重量％向浆料中加入增稠剂或增稠剂的混合物。
在本发明的实施例中，可采用发泡剂来在凝固石膏产品中产生空隙，例如小的空气空隙。可通过泡沫泵向灰泥石膏浆料中引入泡沫。或者，可直接向灰泥石膏浆料中加入液体皂。许多此类发泡剂是熟知的并易于商购获得，例如自GEOSpecialtyChemicals，Ambler，Pa。关于可用的发泡剂的更多描述，参见例如：美国专利号4,676,835、5,158,612、5,240,639和5,643,510，这些专利关于发泡剂的内容以引用方式并入本文。
许多情况下优选在石膏产品中形成空气空隙以便帮助保持其强度。这可通过采用在与煅石膏浆料接触时生成较不稳定的泡沫的发泡剂来实现。例如，这通过共混较大量已知生成较不稳定的泡沫的发泡剂与较小量已知生成较稳定的泡沫的发泡剂来实现。
这样的发泡剂混合物可“离线”预共混，即与制备发泡石膏产品的工艺分开预共混。然而，优选作为工艺的不可缺少的“在线”部分同时且连续地共混此类发泡剂。这可例如通过泵送不同的发泡剂的单独的流并使所述流在用来生成水性泡沫的流的泡沫发生器处或紧之前汇合于一起实现，所述水性泡沫的流然后被添加到煅石膏浆料并与煅石膏浆料混合。通过以这种方式共混，可以简单且高效地调节共混物中发泡剂的比率(例如，通过改变所述单独的流中的一者或两者的流量)来在发泡凝固石膏产品中获得所需的空隙特性。这样的调节应响应于为确定是否需要这样的调节而对最终产品的检测来进行。此类“在线”共混和调节的更多描述可见于美国专利号5,643,510和美国公开号5,683,635中，它们关于发泡剂的内容以引用方式并入本文。
一种可用来生成不稳定泡沫的发泡剂类型的例子具有下式：
其中，R为含2至20个碳原子的烷基，M为阳离子。优选地，R为含8至12个碳原子的烷基。
一种可用来生成稳定泡沫的发泡剂类型的例子具有下式：
其中，X为2至20的数，Y为0至10的数并且在至少50重量％的发泡剂中大于0，M为阳离子。
在本发明的一些优选实施例中，将具有上面式(Q)和(J)的发泡剂共混于一起，使得式(Q)发泡剂和其中Y为0的式(J)发泡剂部分一起构成所得发泡剂共混物的86至99重量％。
在本发明的一些优选实施例中，已自具有下式的预共混发泡剂生成水性泡沫：
其中，X为2至20的数，Y为0至10的数并且在至少50重量％的发泡剂中为0，M为阳离子。优选地，在86至99重量％的式(Z)发泡剂中Y为0。
可以提供降低的芯密度和面板重量的量向芯浆料中引入泡沫。以合适的量、配方和工艺向芯浆料中引入泡沫可在最终经干燥面板的芯内产生空气空隙及空气空隙之间的壁的所需网络和分布。在一些实施例中，泡沫组合物和泡沫引入系统所提供的空气空隙大小、分布和/或空气空隙之间的壁厚与下面所讨论的那些以及提供与面板相当的密度、强度和相关性质的那些一致。此空气空隙结构允许减少石膏和其它芯成分以及芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改善)面板强度性质如芯压缩强度、面板刚度、挠曲强度、拔钉阻力等。
在一些这样的实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为至少约75μm，在其它实施例中至少约100μm。在其它实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约75μm至约400μm。在还其它的实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约100μm至约350μm，标准偏差为约100至约225。在其它实施例中，空气空隙的平均等效球体直径可为约125μm至约325μm，标准偏差为约100至约200。
在一些实施例中，约15％至约70％的空气空隙具有约150μm或更小的等效球体直径。在其它实施例中，约45％至约95％的空气空隙具有约300μm或更小的等效球体直径，而约5％至约55％的空气空隙具有约300μm或更大的等效球体直径。在其它实施例中，约45％至约95％的空气空隙具有约300μm或更小的等效球体直径，而约5％至约55％的空气空隙具有约300μm至约600μm的等效球体直径。在本文中平均空气空隙大小的讨论中，在计算空气空隙数或平均空气空隙大小时不考虑石膏芯中为约5μm或更小的空隙。
在这些及其它实施例中，此类实施例中空隙之间壁的厚度、分布和排列，单独地和/或与所需的空气空隙大小分布和排列组合地，也允许减小面板芯密度和重量，同时基本上保持(或在一些情况下改善)面板强度性质。在一些这样的实施例中，分开空气空隙的壁的平均厚度可为至少约25μm。在一些实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约200μm、在其它实施例中约25μm至约μm、在还其它的实施例中约25μm至约50μm的平均厚度。在还其它的实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约75μm的平均厚度，标准偏差为约5至约40。在还其它的实施例中，石膏芯内限定和分开空气空隙的壁可具有约25μm至约50μm的平均厚度，标准偏差为约10至约25。
使用发泡剂来产生所需空隙和壁结构的例子包括美国专利号5,643,510和美国专利申请号2007/0048490中讨论的那些，它们关于发泡剂、空隙和壁结构的内容以引用方式并入本文。在一些实施例中，可在芯浆料混合物中使用第一更稳定的发泡剂与第二较不稳定的发泡剂的组合。在其它实施例中，使用仅一种类型的发泡剂，只要满足所需密度和面板强度要求即可。用于向芯浆料加入泡沫的方法是本领域已知的并且这样的方法的例子在美国专利号5,643,510和5,683,635中有讨论，它们关于发泡剂的公开内容以引用方式并入本文。
本发明的墙板可具有任何合适的密度。板重量是厚度的函数。由于板通常制成为不同的厚度，故本文中使用板密度作为板重量的量度。本发明的实施例的优点可在各种板密度上可见，例如约42磅每立方英尺(lbs/ft3，或pcf)或更小，如约15lbs/ft3至约42lbs/ft3和约20lbs/ft3至约37lbs/ft3。
然而，本发明的优选实施例在较低密度(例如，约35lbs/ft3或更小)下具有特别的效用，其中增强的耐火极限和/或压缩强度有利地使较轻重量板得以使用。例如，在一些实施例中，板密度可为约15lbs/ft3至约35lbs/ft3，例如约15lbs/ft3至33lbs/ft3、约15lbs/ft3至约30lbs/ft3、约20lbs/ft3至约35lbs/ft3、约20lbs/ft3至约33lbs/ft3、约24lbs/ft3至约35lbs/ft3、约24lbs/ft3至约33lbs/ft3、约27lbs/ft3至约35lbs/ft3、约27lbs/ft3至约33lbs/ft3、约30lbs/ft3至约35lbs/ft3和约30lbs/ft3至约33lbs/ft3。
在本发明的实施例中，板密度可例如为如表6A和6B中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以lbs/ft3计的板密度(表6A和6B)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表6A中的第一个“X”为范围“约15lbs/ft3至约16lbs/ft3”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表6A
表6B
可基于墙板的目标基重通过混合灰泥浆料与预定的量的泡沫来实现低的基重。随着板每单位体积含较少的石膏，可用于墙板的耐火极限的结晶水将较少。另外，在暴露于火的过程中，收缩百分数可随着板密度的减小而增大。两个因素均使得越来越难以通过耐火试验。令人惊奇且意外地，本发明的实施例中金属硅酸盐的引入允许制备具有耐火极限性质的如本文所述低密度的最终产品。
可使用本文描述的方法和系统产生任何厚度的墙板。石膏板的典型厚度为1/2英寸和5/8英寸，但可在1/4英寸至1英寸范围内。在一些实施例中，墙板可具有约0.25英寸至约1英寸的厚度。在本发明的实施例中，墙板厚度可例如为如表7中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以英寸计的板的厚度(表7)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表7中的第一个“X”为范围“约0.59英寸至约0.6英寸”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表7
本发明可为轻质石膏板提供高的耐火极限。在优选的实施例中，在约5/8英寸的厚度下，板具有低于约2000lbs/1000ft2的基重。在其它优选的实施例中，在约5/8英寸的厚度下，板具有低于约1800lbs/1000ft2的基重。然而，本发明的墙板可具有任何基重。在本发明的实施例中，墙板的基重可例如为如表8中所列。在该表中，“X”表示范围“约[顶行中的相应值]至约[最左列中的相应值]”。所示的值表示以lbs/1000ft2计的板的基重(表8)。为了便于呈现，应理解每一个值均表示“约”该值。例如，表8中的第一个“X”为范围“约1200lbs/1000ft2至约1300lbs/1000ft2”。该表的范围介于起点和终点之间并包括起点和终点。
表8
可使用纸片材如Manila纸或牛皮纸作为覆盖片材。可用的覆盖片材纸包括Manila7层纸和News-Line5层纸；Grey-Back3层纸和ManilaIvory3层纸；和Manila厚纸和MHManilaHT(高拉伸)纸。一种示例性的背覆盖片材纸为5层newsline。另外，纤维素纸可包含任何其它材料或材料的组合。例如，覆盖片材可包含玻璃纤维、陶瓷纤维、矿棉或上述材料的组合。
在其它实施例中，覆盖片材可包含垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材，基本上由垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材组成，或者由垫如非织造玻璃纤维垫、其它纤维或非纤维材料的片材组成，或者可使用纸与其它纤维材料的组合作为覆盖片材中之一或二者。如本文所用，术语“垫”包括网格材料。纤维垫可包括任何合适的纤维垫材料。例如，在一些实施例中，覆盖片材可为由玻璃纤维、聚合物纤维、矿物纤维、有机纤维等或它们的组合制成的垫。聚合物纤维包括但不限于聚酰胺纤维、聚芳酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))、聚乙烯醇(PVOH)和聚醋酸乙烯酯(PVAc)。有机纤维的例子包括棉、人造丝等。垫的纤维可以是经涂覆或未经涂覆的。合适类型纤维垫的选择将部分地取决于其中使用板的应用类型。
在一些实施例中，包含newsline厚纸张的石膏板具有更高的耐火极限。在一些实施例中，石膏板包含设置于第一和第二覆盖片材之间的凝固石膏组合物。所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐。覆盖片材中的至少之一具有高于约50lbs/1000ft2的基重。在另一个实施例中，覆盖片材中的至少之一具有高于约55lbs/1000ft2的基重。在又一个实施例中，覆盖片材中的至少之一具有高于约60lbs/1000ft2的基重。
在一个实施例中，本发明提供了一种石膏板，其包含设置于第一和第二覆盖片材之间的凝固石膏组合物。所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐。所述石膏板包含硅胶，具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和在约5/8英寸的厚度下时低于约2000lbs/1000ft2的干重。第二覆盖片材(例如，背覆盖片材)具有高于约0.014英寸的厚度和约0.1w/(m.k.)或更低的导热系数。当板被布置在耐火极限指数试验装置中并且第二覆盖片材(例如，背覆盖片材)面向试验装置的门时，板的FEI高于约50分钟。
在一个实施例中，石膏板由包含灰泥、水和金属硅酸盐的浆料形成。浆料可使用如本领域已知的常用销式混合器捏合。将浆料设置于两个覆盖片材之间，在浆料对于切割来说已充分硬化后切割成预定尺寸的板，并干燥。该板以比板中金属硅酸盐的量高的量包含硅胶并具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数(FEI)。在一些实施例中，向浆料加入pH为约5至约10的金属硅酸盐溶液。pH为约5至约10的金属硅酸盐溶液可通过用硫酸处理溶液获得。在一些实施例中，金属硅酸盐溶液具有约0.1％至约10％的浓度。
填缝混合料制剂可包含硅胶，包括干混和预混实施例二者。在一些实施例中，填缝混合料由至少碳酸钙和金属硅酸盐形成。金属硅酸盐可原位转化为硅胶。在另一个实施例中，填缝混合料还包含煅石膏。在另一个实施例中，填缝混合料还包含水和缓凝剂。在一些预混实施例中为抑制过早凝固，也需要在一些实施例中包含缓凝剂，这是本领域普通技术人员应理解的。例如，美国专利4,661,161、5,746,822和美国专利申请公开2011/0100844描述了根据本发明可能可用的缓凝剂(例如，磷酸盐如焦磷酸四钠(TSPP)、聚丙烯酸和/或它们的盐等)和其它成分(例如，胶乳乳液粘结剂、增稠剂、如本文所述的磷酸盐等或它们的组合)，其关于缓凝剂的内容以引用方式并入本文。制备和使用填缝混合料的其它成分和方法在例如美国专利6,406,537和6,805,741以及美国专利申请公开2008/0305252中有讨论，其关于填缝混合料的内容以引用方式并入本文。
根据本发明的实施例的金属硅酸盐也可与各种类型的吸声面板(例如，顶棚砖)一起使用。在一些实施例中，可将金属硅酸盐与煅石膏、水和根据需要的其它成分混合。金属硅酸盐转化为硅胶。在一些实施例中，吸声面板还包含纤维，如矿棉。在一些实施例中，根据ASTMC423-02，面板具有至少约0.5(例如，至少约0.7或至少约1)的减噪系数。关于用于制备吸声砖的成分和方法的讨论，参见例如美国专利1,769,519、6,443,258、7,364,015、7,851,057和7,862,687，其关于吸声砖的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，可使用根据本发明的原理形成的石膏板构造符合UnderwritersLaboratories，Inc.组件的规范如U419、U305和U423的组件。可根据加热曲线，如ASTME119(例如，ASTME119-09a)程序中讨论的那些，使组件一侧的面暴露于渐增的温度达一段时间。试验过程中监测紧邻加热侧的温度和组件未加热侧的表面处的温度来评估暴露的石膏面板所经历的温度和通过组件向未暴露面板传输的热。组件如采用如ASTME119耐火试验中要求的负载木壁骨框架的那些中石膏面板的耐火性能的一个有用指标在论文Shipp，P.H.，和Yu，Q.，″ThermophysicalCharacterizationofTypeXSpecialFireResistantGypsumBoard，″ProceedingsoftheFireandMaterials2011Conference，SanFrancisco，31stJanuary-2ndFebruary2011，InterscienceCommunicationsLtd.，London，UK，pp.417-426中有讨论。此论文讨论了承重木框架墙组件的广泛系列E119耐火试验及其按E119耐火试验程序的预期性能。美国专利号8,323,785关于ASTME119的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，在有或无空腔绝缘的情况下，根据本发明的原理及根据U419组件的规范形成的石膏板组件在根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时具有至少约60分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U305组件的规范形成的石膏板组件在根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时具有至少约55分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U305组件的规范形成的石膏板组件在根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时具有至少约60分钟的耐火等级。在一些实施例中，根据本发明的原理及根据U423组件的规范形成的石膏板组件在根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时具有至少约60分钟的耐火等级。
除常见的试验方法外，可使用小规模FEI试验来分析本发明提高耐火极限的实用性。FEI试验为小规模试验装置和方法，作为典型的大规模墙板试验的替代方案而开发。耐火极限等级通常通过在经认证的耐火试验实验室中根据ASTM标准进行全尺寸(在100ft2墙面积下)耐火试验而取得，这样的试验耗时、昂贵且不适合于工作台研究和质量控制。
图2中以横截面示出了试验系统200的示意图。试验系统200包括马弗炉202，其具有形成炉室206的封壳204。室206可用门208关闭并在其内包括热源210。热源210可为任何已知类型的热源如燃烧燃料的燃烧器或电阻加热器，其运行以在室206内产生通常均匀分布的温度曲线。
在图2的示意图中，板样品212示意为在试验过程中设置在炉室206内。在所示意的实施例中，样品212垂直安装在室206内与门孔偏移一定距离处使得在样品212的背面215与门208的面向烘箱侧之间形成间隙214。隔离物216设置在样品212与门208之间与彼此一定距离处以模拟成品墙组件中隔开墙板的壁骨。虽然间隙214示意为空的，但在替代的实施例中，间隙214可填充以墙体绝缘材料。此外，可使用金属或木制壁骨代替隔离物216。隔离物可连接到样品212，并且在某些实施例中，可与样品212一道经受压缩载荷以模拟承重墙。
在试验过程中，热电偶218或其它温度传感装置连接到样品的背面215。背面215可比样品的前面厚。热电偶218在与样品212的表面一小段距离处具有传感尖端。在替代的实施例中，传感尖端可接触样品212或在样品212内。热电偶218配置为在试验过程中感测样品212的背面的表面温度或表面附近的温度。热电偶218连接到数据采集单元220，其运行以向热电偶218提供电能、自其接收指示样品212的表面温度的信息、记录该温度信息并任选地或在计算机(未示出)的帮助下绘制温度信息随时间的关系或以其它方式对该信息进行数值分析。
在进行试验时，通过适宜地控制热源210的强度使马弗炉炉室206的温度随时间逐步升高。在一个实施例中，设置炉温传感器222来测量炉室206的温度、向加热器控制器224并任选地还向数据采集单元220提供指示炉室温度的信息。加热器控制器224可基于传感器222提供的信息以闭环方式运行以通过适宜地且自动地调节热源210的强度而为室206提供预定的加热曲线。室206的温升还可任选地由数据采集单元220记录以建立试验完整性。
图3的时间曲线图中示出了炉室的样品加热曲线。该曲线图沿垂直轴绘制了所需室温(°F)并沿水平轴绘制了时间(分钟)，如自该图可见，在试验的最初43分钟，室206按对数趋势从约400°F(204℃)的温度逐步加热到约1,423°F(773℃)的温度，并且试验的剩余时间保持在此温度下，这在所示图中继续约1小时。因此，试验先是在第一加热时间段226上进行，并然后在稳定时间段228上继续，如图3的图上所标示。
已确定，试验过程中通过样品212的传热，如由样品的背面215上测得的表面温度所反映，与在全尺寸耐火试验中通过墙板的预期传热同时发生并指示通过墙板的预期传热。本质上，本文描述的试验测定通过样品的传热率。在一个实施例中，可使用在板的两侧上取得的温度读数来实时估计通过板的传热率。通过比较不同产品的传热曲线并将曲线与其实际耐火试验结果相关联，可有利地实现不同产品的耐火极限性能的判断和预测。在图2中示出的试验装置中，样品尺寸选择为具有6.125”x6.625”的尺寸和0.625”的厚度的矩形样品。空腔214的深度为7/8”，热电偶218位于门208的几何中心中，其中热电偶218的传感探头从门208的内表面沿样品212的方向伸出约11/16”。这样，热电偶的尖端与样品的表面离开3/16”。贴靠样品放置玻璃棉框架以充当隔离物216并保持样品于适当位置，同时还密封门框架以防热漏失。对于半英寸厚的样品，可在样品后面放置厚0.125”的金属框架来保持热电偶与样品之间的间隙并保护其余的试验装置。设置马弗炉的控制器224以从200℃运行至773℃。图3中示出了马弗炉前端的实际温度曲线。
该试验针对一种特定的板样品提供了温度-时间曲线。可自该曲线确定FEI。耐火极限指数定义为在小规模耐火试验中试样的背侧处达到600°F(315.5℃)所需的时间。图4中绘制了数据点A、B、C和D并示出了FEI与来自U419全尺寸耐火试验的耐火极限时间之间的相关性。耐火试验组件的其它设计如U305和U423也可自FEI外推。
在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约2分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约3分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约4分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约5分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约6分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约7分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约8分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约9分钟的FEI。在一些实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约10分钟的FEI。
因此，在一个实施例中，石膏板包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐，其中所述凝固石膏组合物以比所述凝固石膏组合物中金属硅酸盐的量高的量包含硅胶并且所述石膏板具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的FEI。
在一个实施例中，石膏板包含设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含至少灰泥、水和金属硅酸盐，其中所述凝固石膏组合物包含硅胶，并且所述石膏板具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的FEI。
在另一个实施例中，金属硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或它们的组合。
在另一个实施例中，金属硅酸盐(活性物基)的量为基于灰泥的重量计约0.01重量％至约5重量％。
在另一个实施例中，金属硅酸盐(活性物基)的量为基于灰泥的重量计约0.01重量％至约1重量％。
在另一个实施例中，在加到浆料之前，金属硅酸盐包含在pH为约5至约10的溶液中。
在另一个实施例中，在加到浆料之前，金属硅酸盐包含在pH为约5至约7的溶液中。
在另一个实施例中，金属硅酸盐具有约0.5至约5.0的SiO2对金属氧化物比率。
在另一个实施例中，金属硅酸盐具有约2至约4的SiO2对金属氧化物比率。
在另一个实施例中，凝固石膏组合物以基于灰泥的重量计低于约5重量％的量包含蛭石。
在另一个实施例中，石膏板具有约1比1至约99比1的硅胶对金属硅酸盐重量比。
在另一个实施例中，板具有高于约99比1的硅胶对金属硅酸盐重量比。
在另一个实施例中，板具有高于约90比10的硅胶对金属硅酸盐重量比。
在另一个实施例中，板具有高于约1比1的硅胶对金属硅酸盐重量比。
在另一个实施例中，板具有约15lbs/ft3至约35lbs/ft3的密度。
在另一个实施例中，板具有约15lbs/ft3至约33lbs/ft3的密度。
在另一个实施例中，当在约5/8英寸的厚度下时板具有低于约2000lbs/1000ft2的干重。
在另一个实施例中，硅胶的量可相对于无硅胶的石膏板的压缩强度有效地提高石膏板的压缩强度。
在另一个实施例中，石膏板具有比包含无硅胶的凝固石膏的板高至少约3分钟的FEI。
在另一个实施例中，将板构建成根据ULU305的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时板具有至少约55分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，将板构建成根据ULU305的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时板具有至少约60分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，将板构建成根据ULU419的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时板具有至少约60分钟的耐火等级。
在另一个实施例中，石膏板具有约0.59英寸至约0.65英寸的厚度。
在另一个实施例中，浆料具有约1.0至约2.0的水对灰泥比率。
在另一个实施例中，浆料具有约1.2至约2.0的水对灰泥比率。
在另一个实施例中，两个覆盖片材中的至少之一具有高于约60lbs/1000ft2的基重。
在一个实施例中，用于制造石膏板的方法包括：形成包含灰泥、水和金属硅酸盐的浆料；设置浆料于两个覆盖片材之间；在浆料对于切割来说已充分硬化后将板预制体切割成具有预定尺寸的板；和干燥所述板，其中所述板包含硅胶，具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度，并具有高于约53分钟的FEI。
在一个实施例中，提高石膏板的耐火极限的方法包括：形成包含灰泥、水和金属硅酸盐的浆料；设置浆料于两个覆盖片材之间以形成板预制体；在浆料对于切割来说已充分硬化后将板预制体切割成具有预定尺寸的石膏板；和干燥所述石膏板，其中至少一部分金属硅酸盐转化为硅胶并且所述石膏板具有与无硅胶的板相比提高的耐火极限、约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数。
在另一个实施例中，所述方法还包括在形成浆料之前将金属硅酸盐包含在pH为约5至约10的溶液中。
在另一个实施例中，使用硫酸将金属硅酸盐溶液中和至pH为约5至约10。
在另一个实施例中，金属硅酸盐在溶液中并具有约5至约10的pH。
在另一个实施例中，浆料包含pH为约5至约10的金属硅酸盐溶液。
在另一个实施例中，金属硅酸盐溶液具有约0.1％至约10％的浓度。
在另一个实施例中，金属硅酸盐溶液具有约3％至约4％的浓度。
在一个实施例中，吸声面板包括吸声部件，所述吸声部件包含硅胶，其中所述面板根据ASTMC423-02具有至少约0.5的减噪系数。
在另一个实施例中，吸声面板还包含纤维。
在一个实施例中，填缝混合料包含碳酸钙和硅胶。
在另一个实施例中，填缝混合料还包含煅石膏。
在另一个实施例中，填缝混合料还包含水和缓凝剂。
应指出，前面的仅是实施例的例子。其它示例性实施例从本文的描述的整个内容显而易见。本领域普通技术人员还应理解，这些实施例中的每一个可以与本文提供的其它实施例的各种组合使用。
以下实例进一步示意本发明，但当然不应理解为以任何方式限制其范围。
实例1-用于中和硅酸盐的方法
本实例演示用于中和硅酸盐的实用方法。相应地，使用表9中公开的条件处理浓缩硅酸钠(PQCorp’s浓度＝37.5％，SiO2/Na2O＝3.22)。
用水稀释硅酸钠溶液并用HCl(20％)或H2SO4(98％)处理。观察到凝胶的形成依赖于硅酸盐浓度、溶液的pH和所用酸的类型。当硅酸盐溶液被稀释至3.2％的浓度并计量加入H2SO4(98％，1.4g)直至pH达到6.73时获得对于板制造而言最实用的条件(参见表9，试验编号4)。在这些条件下，硅酸盐溶液在2小时内形成凝胶。
表9：硅酸钠在不同条件下的中和
实例2-硅酸盐对耐火极限的影响
本实例证实硅酸盐的加入对墙板耐火极限的影响。相应地，使用基于灰泥的重量计在0重量％至0.90重量％范围的活性硅酸盐量制成五种石膏板(样品1-5)。另外，使用为1.0的恒定水对灰泥比率和变化的量的泡沫来获得所需的板重量。
在实验室中，通过混合30克硅酸钠(PQCorp’s浓度37.5％，pH11.3，SiO2/Na2O＝3.22)与1000mL自来水来制备3％的硅酸盐溶液。将溶液调节至pH约5.8。溶液新鲜配制来制造每种板。向一个一个钢杯中加入0g硅酸盐溶液(样品1)、150g硅酸盐溶液(样品2)、300g硅酸盐溶液(样品3)、600g硅酸盐溶液(样品4)和900g硅酸盐溶液(样品5)。对于样品1-4，向杯中加入另外的自来水以达到900g的总重量。向水中加入2-3滴缓凝剂(DowChemical，Versenex90)和0.5g分散剂(GEOSpecialtyChemicals，DilofloCA)。在五个单独的杯中混合900g灰泥、5.2g短切玻璃纤维(OwensCorning，Advantex790C-16W)、34.6g蛭石(VirginiaVermiculite，4级)、15.1g预糊化淀粉(BungeMilling，USG-95)、2.3g促进剂(USG，细磨石膏)和1.0g三偏磷酸钠(Innophos)。将每一灰泥混合物倒入含硅酸盐/缓凝剂/分散剂混合物的钢杯中，所述钢杯安装在Hobart混合器下。立即混合该混合物并注入泡沫。25秒后，停止泡沫注入并使灰泥浆料再混合5秒。然后立即将灰泥浆料倒入预制的纸信封(用50lbs/1000ft2manila和40lbs/1000ft2newsline制成，1英尺×1英尺)中。将含灰泥浆料的信封夹在两个间隔开的铝板之间以制成5/8英寸的板。让石膏凝固。将板放置到预设置于350°F(177℃)的烘箱中30分钟，然后将板转移到预设置于110°F(43℃)的另一烘箱。让板在该烘箱中干燥两夜。将干板切割成尺寸为6.625英寸x6.125英寸的板。
表10
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品1-5以确定其相应的FEI。图5中示出了四个样品的温度迹线，其中时间沿水平轴绘制而每一样品的背面的未暴露表面温度沿垂直轴绘制。在图5的图中，线A表示对照板(样品1)的温度迹线，线B表示由具有0.15％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品2)的温度迹线，线C表示由具有0.30％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品3)的温度迹线，线D表示由具有0.60％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品4)的温度迹线。由于样品5的板重量太高，故该数据未包括在图5中。
如自图5的图可计算，对照板(样品1)的耐火极限指数为52.2分钟，由具有0.15％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品2)的耐火极限指数为55.8分钟，由具有0.30％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品3)的耐火极限指数为54.7分钟，由具有0.60％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品4)的耐火极限指数为54.6分钟。对于由具有0.90％活性硅酸钠的浆料形成的板(表11，样品5)，FEI为55.2分钟。
如表11中所示，在存在蛭石的情况下，硅酸盐的量不显著地影响收缩。当与对照样相比时，由包含0.40％接收态硅酸盐(即，0.15％活性硅酸盐)的浆料形成的板将FEI增加3.6分钟。图6表明，使用0.15％的活性硅酸盐含量，FEI可达到峰值。接收态硅酸盐的百分数表示基于灰泥的重量计金属硅酸盐溶液的重量百分数，而活性硅酸盐的百分数表示基于灰泥的重量计金属硅酸盐的重量百分数。
表11：用各种硅酸盐量制成的板的FEI
本实例证实，加到灰泥浆料的金属硅酸盐可提高石膏墙板的耐火极限。
实例3-最佳硅酸盐量的确定
本实例确定对于耐火极限和压缩强度的最佳硅酸盐含量。另外，本实例研究硅酸盐中和对耐火极限和压缩强度的影响。相应地，用基于灰泥的重量计0重量％至0.25重量％范围的活性硅酸钠量制成九种石膏板(样品6-14)。另外，使用为1.0的恒定水对灰泥比率和变化的量的泡沫来获得所需的板重量。
在实验室中，通过混合30克硅酸钠(PQCorp’s浓度37.5％，pH11.3，SiO2/Na2O＝3.22)与970mL自来水来制备3％的硅酸盐溶液。将溶液调节至pH约6.9。溶液新鲜配制来制造每种板。向一个一个钢杯中加入0g硅酸盐溶液(样品6和12)、50g硅酸盐溶液(样品7)、100g硅酸盐溶液(样品8)、150g硅酸盐溶液(样品9)、200g硅酸盐溶液(样品10)和250g硅酸盐溶液(样品11)。对于样品13和14，分别向钢杯中加入100g和150g未经中和的硅酸盐溶液。向杯中加入另外的自来水以达到900g的总重量。向水中加入2-3滴缓凝剂(DowChemical，Versenex90)和0.5g分散剂(GEOSpecialtyChemicals，DilofloCA)。在八个单独的杯中混合900g灰泥、5.2g短切玻璃纤维(OwensCorning，Advantex790C-16W)、34.6g蛭石(VirginiaVermiculite，4级)、15.1g预糊化淀粉(BungeMilling，USG-95)、2.3g促进剂(USG，细磨石膏)和1.0g三偏磷酸钠(Innophos)。将每一灰泥混合物倒入含硅酸盐/缓凝剂/分散剂混合物的钢杯中，所述钢杯安装在Hobart混合器下。立即混合该混合物并注入泡沫。18秒后，停止泡沫注入并使灰泥浆料再混合12秒。然后立即将灰泥浆料倒入预制的纸信封(用50lbs/1000ft2manila和62lbs/1000ft2newsline制成，1英尺×1英尺)中。将含灰泥浆料的信封夹在两个间隔开的铝板之间以制成5/8英寸的板。让石膏凝固。将板放置到预设置于350°F(177℃)的烘箱中30分钟，然后将板转移到预设置于110°F(43℃)的另一烘箱。让板在该烘箱中干燥两夜。将干板切割成尺寸为6.625英寸x6.125英寸的板。
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品6-14以确定其相应的FEI并在ATS(应用测试系统)机器中一个一个单独地测试以确定其相应的压缩强度。图7中示出了样品6-10的温度迹线，其中时间沿水平轴绘制而每一样品的背面的未暴露表面温度沿垂直轴绘制。在图7的图中，线A表示对照板(样品6)的温度迹线，线B表示由具有0.05％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品7)的温度迹线，线C表示由具有0.10％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品8)的温度迹线，线D表示由具有0.15％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品9)的温度迹线，线E表示由具有0.20％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品10)的温度迹线。图8示出了硅酸盐的量如何影响耐火极限指数，其中接收态硅酸盐的重量％沿水平轴绘制而FEI沿垂直轴绘制。线A表示经中和的硅酸盐的迹线而线B表示未经中和的硅酸盐的迹线。图9示出了硅酸盐的量如何影响压缩强度，其中接收态硅酸盐的重量％沿水平轴绘制而压缩强度(psi)沿垂直轴绘制。在图9中，菱形表示经中和硅酸盐的数据而方形表示未经中和硅酸盐的数据。
如自图7的图可计算，对照板(样品6)的FEI为53.4分钟，由具有0.05％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品7)的FEI为56.4分钟，由具有0.10％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品8)的FEI为56.7分钟，由具有0.15％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品9)的FEI为57.3分钟，由具有0.20％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品10)的FEI为56.6分钟。如表12中所示，由具有0.25％活性硅酸钠的浆料形成的板(样品11)的FEI为54.7分钟。样品12的FEI未确定。此实例确认，0.15％的活性硅酸盐是最佳的，其提供与对照样相比3.9分钟的FEI增加。此外，使用0.05％的活性硅酸盐可取得至多3分钟的FEI增加。如图8中可见，由包含0.40％接收态硅酸盐(即，0.15％活性硅酸盐)的浆料形成的板(样品9)将FEI增加3.9分钟。图8表明，使用0.40％的接收态硅酸盐(即，0.15％活性硅酸盐)含量，FEI可达到峰值。
使用ATS(应用测试系统)机器一个一个单独地测试样品以确定其相应的压缩强度。如图9中所示，当向灰泥浆料加入硅酸钠时压缩强度也增大。由包含0.15％活性硅酸盐的浆料形成的板具有242.2psi的压缩强度。由包含0.20重量％活性硅酸盐的浆料形成的板提供241.7psi的压缩强度。如自图9可计算，硅酸盐的加入使压缩强度平均提高了18％。
表12：最佳硅酸盐量的确定
当由包含pH为11.3的硅酸盐的灰泥形成板时，也观察到FEI的改善(参见表13)。如表13中所示，样品13的FEI高于对照板(样品6)。对于由包含0.10重量％、pH为11.3的活性硅酸盐的浆料形成的板(样品13)观察到55.8分钟的FEI，而对于用0.15重量％、pH为11.3的活性硅酸盐制成的板(样品14)观察到52.6分钟的FEI。如图8所示，如线B所表示，当使用0.10重量％的活性硅酸盐时FEI达到峰值，而当使用0.1重量％的活性硅酸盐时FEI下降。
如表13中所示，与对照板相比，两个样品的压缩强度均增大。然而，在不中和硅酸盐的情况下，灰泥浆料的流动性显著增大。
表13：包含未中和硅酸盐的板的FEI和压缩强度
本实例证实，0.15％的活性经中和硅酸盐是最佳的并可显著提高墙板的耐火极限和压缩强度。本实例还证实，为获得耐火极限或压缩强度的提高，中和不是必需的。
实例4-在不存在蛭石的情况下硅酸盐对耐火极限的影响
本实例证实在不存在蛭石的情况下硅酸盐对墙板耐火极限的影响。相应地，用各种量的硅酸钠制成石膏板。另外，使用为1.0的恒定水对灰泥比率和变化的量的泡沫来获得所需的板重量。
在实验室中，通过混合30克硅酸钠(PQCorp’s浓度37.5％，pH11.3，SiO2/Na2O＝3.22)与970mL自来水来制备3％的硅酸盐溶液。将溶液调节至pH约7.0。溶液新鲜配制来制造每种板。向一个一个钢杯中加入0g硅酸盐溶液、25g硅酸盐溶液、50g硅酸盐溶液、100g硅酸盐溶液、150g硅酸盐溶液、200g硅酸盐溶液、250g硅酸盐溶液。向杯中加入另外的自来水以达到900g的总重量。向水中加入2-3滴缓凝剂(DowChemical，Versenex90)和0.5g分散剂(GEOSpecialtyChemicals，DilofloCA)。在七个单独的杯中混合900g灰泥、5.2g短切玻璃纤维(OwensCorning，Advantex790C-16W)、15.1g预糊化淀粉(BungeMilling，USG-95)、2.3g促进剂(USG，细磨石膏)和1.0g三偏磷酸钠(Innophos)。将每一灰泥混合物倒入含硅酸盐/缓凝剂/分散剂混合物的钢杯中，所述钢杯安装在Hobart混合器下。立即混合该混合物并注入泡沫。20秒后，停止泡沫注入并使灰泥浆料再混合10秒。然后立即将灰泥浆料倒入预制的纸信封(具有50lbs/1000ft2manila和62lbs/1000ft2newsline，1英尺×1英尺)中。将含灰泥浆料的信封夹在两个间隔开的铝板之间以制成5/8英寸的板。让石膏凝固。将板放置到预设置于350°F(177℃)的烘箱中30分钟，然后将板转移到预设置于110°F(43℃)的另一烘箱。让板在该烘箱中干燥两夜。将干板切割成尺寸为6.625英寸x6.125英寸的板。
在小规模装置(图2)中一个一个单独地测试样品以确定其相应的FEI。图10中绘制了各个样品的FEI，其中接收态硅酸盐(重量％)沿水平轴绘制而FEI沿垂直轴绘制。如图10中所示，在不存在蛭石的情况下，观察到耐火极限的提高。当板由包含0.55％接收态硅酸盐(即，0.21％活性硅酸盐)的浆料形成时观察到2.2分钟的最大FEI增加。
本实例证实，在不存在蛭石的情况下，硅酸钠的加入可提高石膏墙板的耐火极限。
实例5-硅酸盐对压缩强度的影响
本实例证实硅酸盐对墙板压缩强度的影响。另外，在无泡沫注入的情况下制板以使得消除因泡沫产生的强度变化。相应地，用各种量的硅酸钠制成石膏板。使用水而不是泡沫来控制板的密度。结果，使用为1.85的恒定水对灰泥比率。
在实验室中，通过混合30克硅酸钠(PQCorp’s浓度37.5％，pH11.3，SiO2/Na2O＝3.22)与970mL自来水来制备3％的硅酸盐溶液。将溶液调节至pH约7.0。溶液新鲜配制来制造每种板。向一个一个钢杯中加入0g硅酸盐溶液、25g硅酸盐溶液、50g硅酸盐溶液、100g硅酸盐溶液、150g硅酸盐溶液、200g硅酸盐溶液、250g硅酸盐溶液。向杯中加入另外的自来水以达到1665g的总重量。向水中加入0.5g分散剂(GEOSpecialtyChemicals，DilofloCA)。在七个单独的杯中混合900g灰泥、5.2g短切玻璃纤维(OwensCorning，Advantex790C-16W)、15.1g预糊化淀粉(BungeMilling，USG-95)、2.3g促进剂(USG，细磨石膏)和1.0g三偏磷酸钠(Innophos)。将每一灰泥混合物倒入含硅酸盐/缓凝剂/分散剂混合物的钢杯中，所述钢杯安装在Hobart混合器下。立即混合该混合物30秒。然后立即将灰泥浆料倒入预制的纸信封(具有50lbs/1000ft2manila和62lbs/1000ft2newsline，1英尺×1英尺)中。将含灰泥浆料的信封夹在两个间隔开的铝板之间以制成5/8英寸的板。让石膏凝固。将板放置到预设置于350°F(177℃)的烘箱中30分钟，然后将板转移到预设置于110°F(43℃)的另一烘箱。让板在该烘箱中干燥两夜。将干板切割成具有3英寸直径的圆。
使用ATS(应用测试系统)机器一个一个单独地测试样品以确定其相应的压缩强度。图11中绘制了各个样品的压缩强度，其中接收态硅酸盐(重量％)沿水平轴绘制而板压缩强度(psi)沿垂直轴绘制。如图11中所示，观察到压缩强度的提高。当板由包含0.25％接收态硅酸盐(即，0.09％活性硅酸盐)的灰泥浆料形成时观察到270psi的最大压缩强度增加。
本实例证实硅酸盐可提高石膏墙板的压缩强度。
在描述本发明的上下文中(尤其是在附随的权利要求的上下文中)术语“一个”、“一种”、“该/所述”和“至少一种(个)”及类似指示语的使用应理解为涵盖单数和复数二者，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。一个或多个项目的列表后术语“至少之一”的使用(例如，A和B中至少之一)应理解为指选自所列项目中的一个项目(A或B)或所列项目中两者或更多者的任何组合(A和B)，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应理解为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)，另有指出除外。另外，在述及“包含”(或其等价物)的每一个地方，“包含”均应视为包括“基本上由……组成”和“由……组成”。因此，实施例“包含”一个或多个要素支持实施例“基本上由所述及的要素组成”和“由所述及的要素组成”。在述及“基本上由……组成”的每一个地方，均应视为包括“由……组成”。因此，实施例“基本上由一个或多个要素组成”支持实施例“由所述及的要素组成”。本文中值的范围的述及仅意在充当一个一个单独地提及落在范围内的每一个单独的值的速记法，本文中另有指出除外，并且每一个单独的值引入本说明书中就好像本文中一个一个单独地述及一样。本文中描述的所有方法均可以任何合适的顺序来执行，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。本文提供的任何和所有例子或示例性语言(例如，“如”)的使用仅意在更好地示意本发明而不构成对本发明的范围的限制，另有要求除外。说明书中任何语言均不应理解为暗示任何未要求的要素对于本发明的实施是必不可少的。
本文描述了本发明的优选实施例，包括本发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。阅读前面的描述后，这些优选实施例的变体对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。本发明人预计技术人员会视情况采用此类变型，并且本发明人意在本发明还以除本文明确描述的那些之外的方式实施。相应地，本发明包括适用法律所允许的其附随的权利要求书中述及的主题的所有变型和等价物。此外，本发明在其所有可能的变体中涵盖上述要素的任何组合，本文中另有指出或上下文明显矛盾除外。

Claims (10)

1.一种石膏板，所述石膏板包含：
设置于两个覆盖片材之间的凝固石膏组合物，所述凝固石膏组合物包含由浆料形成的凝固石膏的互锁基质，所述浆料包含灰泥、水和金属硅酸盐；
所述凝固石膏组合物包含硅胶；和
所述石膏板具有约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数。
2.根据权利要求1所述的石膏板，其中所述金属硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂或它们的组合。
3.根据权利要求1或2所述的石膏板，其中在加到所述浆料之前，所述金属硅酸盐包含在pH为约5至约10的溶液中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的石膏板，其中所述金属硅酸盐具有约0.5至约5.0的SiO2对金属氧化物比率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的石膏板，其中所述凝固石膏组合物还包含基于所述灰泥的重量计低于约5重量％的量的蛭石。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的石膏板，其中：
(a)所述石膏板具有比无硅胶的石膏板高至少约3分钟的耐火极限指数(FEI)；
(b)将所述石膏板构建成根据ULU305的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时所述石膏板具有至少约55分钟的耐火等级；
(c)将所述石膏板构建成根据ULU305的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时所述石膏板具有至少约60分钟的耐火等级；和/或
(d)将所述石膏板构建成根据ULU419的试验组件，当根据ASTM标准E119-09的时间-温度曲线加热时所述石膏板具有至少约60分钟的耐火等级。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的石膏板，其中所述浆料具有约1.0至约2.0的水对灰泥比率。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的石膏板，其中所述两个覆盖片材中的至少之一具有高于约60lbs/1000ft2的基重。
9.一种提高石膏板的耐火极限的方法，所述方法包括：
形成包含灰泥、水和金属硅酸盐的浆料，
设置所述浆料于两个覆盖片材之间以形成板预制体，
在所述浆料对于切割来说已充分硬化后将所述板预制体切割成具有预定尺寸的石膏板，和
干燥所述石膏板；
其中所述金属硅酸盐中的至少一部分转化为硅胶；
所述石膏板具有与无硅胶的板相比提高的耐火极限、约15lbs/ft3至约42lbs/ft3的密度和高于约53分钟的耐火极限指数。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括在形成所述浆料之前将所述金属硅酸盐包含在pH为约5至约10的溶液中。
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